Optische Netzwerke, Neu definiert.
4. Juni 2021

Europäische Zugangsnetze: Upgrade von Bandbreite und Geschwindigkeit für 5G und neue Technologien

Europäische Zugangsnetze

Dieser Artikel untersucht einige der technischen Herausforderungen bei der Überschreitung von 10 Gbit/s im Zugangsnetz, Vorteile und Einschränkungen von kohärenten und PAM4-Technologien als Lösungen für Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und wie neue Innovationen im Bereich der PAM4-Technologie Betreiber von Zugangsnetzen zum Erfolg führen können für das nächste Jahrzehnt und darüber hinaus. 

Einführung

Die europäischen Zugangsnetze ändern sich ständig, um den sich ändernden Bedürfnissen ihrer Endnutzer gerecht zu werden. In den letzten Jahren sind Netzbetreiber von der Verwendung getrennter Netze für ihre Angebote dazu übergegangen, mehrere Dienste über ein Netz bereitzustellen. Dieser groß angelegte Trend zur Konvergenz bedeutet, dass die Glasfaserinfrastruktur moderner Zugangsnetze jetzt mehrere Technologien wie Radio Access Networks (RANs), Wi-Fi, Metro Ethernet, Passive Optical Network (PON) und mehr unterstützt. 

Mit der Konvergenz und den wachsenden Anforderungen der Endbenutzer rund um 5G und das IoT steigt die Notwendigkeit, die Geschwindigkeit und Kapazität der europäischen Zugangsnetze zu verbessern. Die EU hat es bereits getan 700 Millionen Euro zurückstellen um die Forschung und Innovation in der 5G-Technologie zu beschleunigen, die für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt wird. Die Aufrüstung von Netzwerken ist jedoch eine herausfordernde Angelegenheit. 

Technische Herausforderungen von Optical Access Networking über 10 Gbps

Zugangsnetzwerke unterscheiden sich von Backbone- und Metro-Netzwerken durch zwei Hauptmerkmale:

  1. Eine Vielzahl von Verbindungslängen, die mehrere Standorte über die Infrastruktur außerhalb des Werks verbinden. Obwohl ein Zugangsnetzwerk Verbindungslängen von 10 bis 120 km haben kann, erstrecken sich die meisten Verbindungen über 40 bis 60 km. 
  2. Eine große Anzahl von Verbindungen, die verschiedene Protokolle und Datenraten nutzen. Dies erhöht die Komplexität des gesamten Netzwerks. 

Als ob der Betrieb von Zugangsnetzwerken nicht schon komplex wäre, bringt das Aufrüsten der Bandbreite über 10 Gbit/s seine eigenen Probleme mit sich. Hier sind die Top 3:  

  1. Budget für optische Verbindungen

Wenn Netzwerkbetreiber 10 G pro Lambda überschreiten, werden Budgetüberlegungen für optische Verbindungen von größter Bedeutung. Insgesamt muss die Menge an optischer Leistung am Verbindungsempfänger über der Empfindlichkeit des Empfängers liegen, um erfolgreich eine Verbindung herzustellen. Da Zugangsnetzwerke längere Entfernungen überbrücken, wird die Abrechnung von Verbindungsbudgets immer komplexer. Obwohl man einem System mit Verstärkern wie EDFAs immer eine optische Verstärkung hinzufügen kann, führt eine zusätzliche Verstärkung immer zu einer Erhöhung des Rauschens.  

  1. Optisches Signal-Rausch-Verhältnis

Nur weil ein Empfänger Licht über der Empfindlichkeit sieht, bedeutet das nicht, dass Daten erfolgreich übertragen werden. Das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) ist das Verhältnis des tatsächlichen Signalpegels zum Rauschpegel im System. Je kleiner diese Zahl, desto wahrscheinlicher treten Bitfehler bei der Übertragung auf. Wenn sich Verbindungen zu Modulationsschemata höherer Ordnung bewegen, um mehr Bits pro Symbol zu erhalten (dh PAM4 oder QAM), desto besser ist das OSNR, das zum Unterscheiden der Signalpegel benötigt wird. Digitale Signalprozessoren (DSPs) und Forward Error Correction (FEC) können verwendet werden, um Bitfehler zu kompensieren, aber sie erhöhen auch Komplexität, Leistung, Latenz und allgemeine Interoperabilitätsbedenken.

  1. Chromatische Dispersion

Bei Netzwerken mit Bandbreiten von 10 Gbit/s und mehr wirkt sich die chromatische Dispersion negativ auf die Empfindlichkeit des optischen Transceiver-Empfängers aus. Chromatische Dispersion ist ein Effekt auf ein optisches Signal, der bewirkt, dass sich die Impulse ausbreiten, wenn das Signal durch die Faser wandert. In langsameren Signalisierungssystemen bedeutet eine ausreichende Zeit zwischen Symbolen, dass die Ausbreitung kein Problem darstellt. Wenn jedoch die Baudrate zunimmt, bewirkt die Impulsspreizung, dass Symbole einander überlappen, was zu einer Intersymbolinterferenz (ISI) führt. 

Bei Bandbreiten von 10 Gbit/s begrenzt die chromatische Dispersion die Netzwerkverbindungen auf ungefähr 80 km. Nach 10 Gbit/s, bei Bandbreitenraten von 25 Gbit/s und darüber beginnt die chromatische Dispersion, die Verbindungsentfernung auf 15 bis 20 km zu begrenzen. Dies erfüllt nicht die Entfernungsanforderungen der meisten heutigen Zugangsnetze. Obwohl Dispersionskompensationsmodule (DCMs) existieren, fügen sie ein höheres Maß an Systemkomplexität hinzu.  

Lösung für höhere Bandbreite in Zugangsnetzen

Kohärente und PAM4-Optiken sind attraktive Lösungen für die Entwicklung von Zugangsnetzen für höhere Geschwindigkeiten und Bandbreiten (bis zu 400 G und mehr) und bewältigen gleichzeitig die oben genannten Herausforderungen. Jede Technologie hat jedoch ihre eigenen Einschränkungen.

Kohärente Optik – Obwohl zugriffszentrierte kohärente CFP-, CFP2- und QSFP56-DD/OSFP-Optiken eine große Verbindungsreichweite von mehr als 100 km (bis zu Tausenden von km für CFP und CFP2) bei Datenraten von bis zu 400 G ermöglichen, haben sie höhere Platz- und Leistungsanforderungen als andere Arten von Transceivern, die innerhalb des Zugangsnetzes eines Betreibers verwendet werden. Infolgedessen erhöht die Nutzung kohärenter Optik möglicherweise die Gesamtbetreiberkosten, was eine Herausforderung für Netzwerkbetreiber mit begrenzten Budgets darstellt.

PAM4 – Der PAM4-Standard verwendet vier Amplitudenkanäle mit jeweils zwei Bits, was die Datenrate verdoppelt und damit doppelt so effizient wie herkömmliche Binärmodelle ist. Im Vergleich zu den Platz- und Leistungsanforderungen kohärenter Optiken nutzt PAM4 Komponenten, die in kleinere, gängigere Formfaktoren wie das QSFP28-Modell passen. Als solches bietet es Netzbetreibern, die es nutzen, erhebliche Kosteneinsparungsvorteile. 

Die PAM4-Optik ist jedoch nicht ohne Einschränkungen. Das Überschreiten von 100 Gbit/s bei einer optischen Verbindungsreichweite von 5 km erfordert Verstärkung, Dispersionskompensation und/oder Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) auf der optischen Leitung. Dies bedeutet die Installation aktiver Geräte und einen höheren Stromverbrauch, was den Kostenvorteil von PAM4 möglicherweise schmälert. 

Neue Technologien: Anpassung an die Vielfalt der Anwendungsfälle in Zugangsnetzen

Trotz ihrer Nachteile werden sowohl die kohärente Optik als auch die PAM4-Technologie eine wichtige Rolle dabei spielen, den Zugang und andere Netzwerke auf 800G und darüber hinaus voranzutreiben. Was in der Diskussion jedoch fehlt, ist eine Lösung, die die größere Reichweite und kostspieligere Natur der kohärenten Optik und die kostengünstige, aber eingeschränkte Reichweite der verfügbaren PAM4-Lösungen lösen kann.  

Moderne Zugangsnetze bedienen viele verschiedene Arten von Strukturen, von Mobilfunkmasten, Unternehmensgebäuden und Mehrfamilienhäusern (MDUs) bis hin zu Rechenzentren, Aggregationsstandorten, Schulen und Sportstadien. Der neue Trend in der Zugangsvernetzung konzentriert sich auf die Datenübertragung über kürzere Entfernungen, oft weniger als 40 km. Extrem niedrige Latenzanforderungen fügen dem Zugangsnetz auch eine neue und interessante Dimension hinzu, insbesondere wenn die 5G-Einführungen fortgesetzt werden. 

Es wird schnell klar, dass Zugangsnetzbetreiber eine Lösung benötigen, die die folgenden drei Anforderungen erfüllt:

      1. Ermöglicht 100G DWDM, sodass Betreiber über die Geschwindigkeit und Kapazität verfügen, die sie benötigen, um aktuelle und zukünftige Endbenutzeranforderungen zu erfüllen

      2. Nutzt einen gemeinsamen Transceiver-Formfaktor wie QSFP28 für nahtlose Interoperabilität und Kosteneinsparungen

      3. Ermöglicht die Datenübertragung in einer angemessenen Entfernung von 40 km ohne etwas zu verlangen externe Transportgeräte, Verstärker, Filter usw.

Fazit

Zu Beginn des Jahres 2021 ist eines klar – die Zukunft des optischen Zugangsnetzes in Europa ist rosig. Da die Regierungen weiterhin in 5G-Rollouts investieren und einzelne Netzbetreiber um Positionen ringen, verschärft sich der Trend zur Konvergenz und der Bedarf an höheren Geschwindigkeiten und Bandbreiten nur noch. Hersteller optischer Netzwerkgeräte spielen eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung der Netzwerke der Zukunft. Obwohl vorhandene kohärente und PAM4-Lösungen den Betreibern helfen, die Herausforderungen des Bandbreiten-Upgrades bis zu einem gewissen Grad zu bewältigen, gibt es noch Raum für Verbesserungen. Glücklicherweise ist diese Zeit gekommen, und die europäischen Netzbetreiber können sich auf eine mutige Zukunft freuen, wenn sie daran arbeiten, die Anforderungen ihrer Endbenutzer zu erfüllen.