Photonische Telekommunikationsnetze

Photonische Telekommunikationsnetze
Komponenten und Netzgestaltung
Dipl.-Ing. Jan Späth
Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung (IND)
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. J. Kühn
Übersicht
❐ Entwicklungstrends
❐ Grundkonzepte und -komponenten
❐ Photonische Netze in Realisierung und Forschung
❐ Forschungsaktivitäten im BMBF-Projekt
❐ Probleme und Visionen
Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung
Universität Stuttgart
Einführung (1)
❐ Photonik: Systemtechnik, bei welcher die Informationsübertragung und
-verarbeitung mit optischen und optoelektronischen Mitteln erfolgt
❐ zunehmender Einsatz optischer Technologien:
❍
ursprünglich: rein elektrische Netze (Übertragung und Vermittlung)
❍
gegenwärtig: optische Übertragung und elektronische Vermittlung
❍
künftig: optische Übertragung und optische Vermittlung
❐ mögliche Einsatzgebiete:
❍
Backplane- und On-Board-Verbindungen (Multiprozessor-Systeme)
❍
Zugangsnetze; lokale Netze (Stern- und Ringnetze)
❍
Weitverkehrsnetze
❐ Beschränkungen der Photonik:
❍
keine optischen Speicher verfügbar
❍
rein optische Signalverarbeitung noch am Anfang der Entwicklung
❍
höchste Integrationsdichte nicht erreichbar
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Universität Stuttgart
Einführung (2)
Vorteile optischer Technologien
❐ riesige Bandbreite auf Glasfasern (theoretisch: ~ 25.000 Gbit/s = 25 Terabit/s)
❐ geringes Gewicht und kleine Querschnitte (bis zu 106 Fasern pro cm2)
❐ Störunempfindlichkeit gegenüber elektrischen Einflüssen
❐ Sicherheit (kein unbemerktes Auskoppeln der Signale)
❐ Transparenz
❐ Verstärkerabstand (> 30 km)
❐ Mehrkanalverstärker
vielversprechende Eigenschaften für kostengünstige Systeme
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Universität Stuttgart
WDM (Wavelength Division Multiplexing)
Multiplexverfahren
Raummultiplex
(SDM)
Zeitmultiplex
(TDM)
synchron
(STDM)
Frequenz- Wellenlängenmultiplex
multiplex
(FDM)
(WDM)
CodeMultiplex
(CDM)
...
t
t
asynchron
(ATDM)
f
t
t
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WDM (Wavelength Division Multiplexing)
Spektrum der elektromagnetischen Wellen:
Röntgenstrahlen
-12
10
sichtbares
Licht
-10
10
-8
-6
10
10
Mikrowellen
-4
10
-2
10
Radiowellen
0
10
2
10
λ/m
Übertragungsfenster:
dB
km
Dämpfung / --------
1. Fenster bei 850 nm
2. Fenster bei 1300 nm
3. Fenster bei 1550 nm
6
4
1. Fenster
0,16 dB/km < α < 0,2 dB/km
2
f/THz
erreichbare Dämpfung:
2. Fenster
3. Fenster
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
375
300
250
214,3
187,5
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λ/µm
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Gliederung
❐ Einführung
❐
Entwicklungstrends
❐ Grundkonzepte und -komponenten
❐ Photonische Netze in Realisierung und Forschung
❐ Forschungsaktivitäten im BMBF-Projekt
❐ Probleme und Visionen
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Entwicklungstrends
Dienste
CATV
Rechnerkomm.
HDTV
❐ Wachstum bei:
❍
klassischen Sprachdiensten
(4 - 8 % pro Jahr)
ISDN
Fax
POTS
e-mail
❍
Mobilfunkdiensten
❍
Datendiensten
10k
(Internet: Verkehrszunahme
um Faktor 5 pro Jahr)
100k
WWW
1M
VoD
Video–Konferenz
MM Daten
10M 100M
1G Bandbreite
(Bit/s)
❐ künftig: breites Spektrum an Bandbreiteanforderungen
❐ aufkommende Spezialanwendungen (Verbindung von TV-Studios, ...)
❐ Deregulierung / Liberalisierung der Märkte
starker Zuwachs im Transportbereich zu erwarten
(Schätzungen: 35 - 60 % pro Jahr)
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Entwicklungstrends
❐ Fasertechnologie:
❍ relativ hoher Entwicklungsstand
❍
❍
Übertragungstechnik
❐ WDM-Technologie:
❍ große Fortschritte seit der Einführung
1994/95
Potential: Dämpfung, Dispersion
Problem: vorhandene
Infrastruktur
❍
❍
Potential: Verstärker, Kanalraten
Problem: Regeneratoren,
Management
❍
❍
kommerzielle Systeme:
Laborversuche (1998):
- Raten > 1 Tbit/s (ca. 100 km)
Faserkapazität in Gbit/s
❐ Entwicklung der Übertragungskapazität über Singlemode-Fasern
- Längen > 10.000 km (200 Gbit/s)
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400
300
WDM + TDM
nur TDM
200
100
2x2,5 8x2,5
80x2,5
32x2,5
16x2,5
40x2,5
1994 1995 1996 1997 1998 1999
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Entwicklungstrends
Optische Netze
Einsatzgebiete optischer Netze
Weitverkehrsnetz
Zugangs- Regionalnetz
netz
MAN
LAN
Mögliche Netzevolution
Punkt-zu-Punkt Punkt-zu-Punkt
eine Wellenlänge WDM Übertr.
optische
Ringe
Maschenoptische
netze
(elektrisch Paketver+ optisch) mittlung
Protection & Re
storation
optische Übertragung
optische Übertragung
und optische Vermittlung
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Gliederung
❐ Einführung
❐ Entwicklungstrends
❐
Grundkonzepte und -komponenten
❐ Photonische Netze in Realisierung und Forschung
❐ Forschungsaktivitäten im BMBF-Projekt
❐ Probleme und Visionen
Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung
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Grundkonzepte für WDM-Netze Wellenlängenkonflikt
❐ Wavelength Path (WP):
❍
durchgehende
Wellenlänge von
Quelle bis Senke
❍
keine Konversionen
λ1
λ2
Vermittlungsknoten ohne Konverter
Link 1
Link 2
λ1
λ3
Link 3
λ2 λ3
❐ Virtual Wavelength Path
(VWP):
❍
Wellenlängen
abschnittsweise zugeteilt
❍
beliebige Konversion in
jedem Knoten
λ1
λ2
Vermittlungsknoten mit Konvertern
Link 1
Link 2
λ1
λ2
Link 3
Wellenlängenkonverter
λ2 λ1
❐ Konzepte mit partieller Konversion
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Netzelemente
Add/Drop-Multiplexer, Crossconnect
λ1
optischer
Crossconnect
m
λN
λ1
λi/λj
m
λN
konfigurierbarer
ADM
(n+2)x(n+2)
λ1
fixer
ADM
λ2
λ4
λ3
Rx Rx
λ3
λ4
ADM: Add/Drop-Multiplexer
Tx Tx
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Grundkomponenten
❐ Sender und Empfänger
❐ Filter / Multiplexer / Demultiplexer
❐ Verstärker
❐ Regeneratoren
❐ Wellenlängenkonverter
❐ Schalter
❍
für Fasern
❍
für Wellenlängenkanäle
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Gliederung
❐ Einführung
❐ Entwicklungstrends
❐ Grundkonzepte und -komponenten
❐
Photonische Netze in
Realisierung und Forschung
❐ Forschungsaktivitäten im BMBF-Projekt
❐ Probleme und Visionen
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Optische Netze
❐ Einsatz von Glasfasern
❍
seit ~1975 verfügbar, inzwischen dominieren Singlemode-Fasern
❍
DTAG: 120.000 km Kabel, > 2,5 Mio. km Fasern; BT: ~3,3 Mio. km Fasern
❍
Basis der Backbone-Netze aller großen alternativen Netzbetreiber
❍
MANs und Zugangsnetze (FTTx); ISIS/OPAL der DTAG für > 4 Mio. Tln.
❐ Einsatz von WDM-Technologie
❍
in US-Weitverkehrsnetzen seit 1995, in Europa seit 1997
❍
Marktvolumen in Nordamerika: 500 Mio. US$ (1996); >> 3 Mrd. US$ (1999)
❍
Pläne in Deutschland (erste Versuchsstrecke der DTAG, weitere 20 - 30
Strecken in Planung, DFN: Ersatz des B-WiN durch G-WiN im Frühjahr 2000)
❐ Unterseekabelsysteme basierend auf Glasfasern
❍
seit 1989 im Atlantik (Europa - USA), Bitraten ab 280 Mbit/s
❍
stärkerer Zuwachs als bei Satellitenverbindungen
❍
weltweit zahlreiche neue Projekte unter Verwendung von WDM
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Forschungsaktivitäten „Photonische Netze“
❐ Japan
❍ Technologie- und
Marktführer bei
Optoelektronik
❍ Plan von NTT:
FTTH bis 2015
(alle Haushalte)
❐ USA
❍ zahlreiche große Konsortien
❍ Bsp.: MONET (AT&T, Lucent, Bellcore, ...)
❍ Schwerpunkt: Netzaspekte
- 8 Knoten-Netz mit 2000 km Ausdehnung
- bis zu 10 Gbit/s pro Wellenlänge
- ADMs und CCs
- gem. Netzmanagement mehrerer Betreiber
❐ Europa:
❍ zahlreiche ACTS-Projekte
❍ viele Feldversuche,
relativ große Zersplitterung
❍ Netze mit Cross-Connects und
Netzmanagement
❍ „advanced Topics“: optische
Paketvermittlung, OATM, ...
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❐ Deutschland
❍ Förderung durch BMBF
❍ Programme:
PHOTONIK I (90-94, Komponenten)
PHOTONIK II (94-98, Systeme)
❍ Nachfolgeprojekt: KOMNET
Realisierung eines WDM-CityRinges in Berlin
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Gliederung
❐ Einführung
❐ Entwicklungstrends
❐ Grundkonzepte und -komponenten
❐ Photonische Netze in Realisierung und Forschung
❐
Forschungsaktivitäten im
BMBF-Projekt
❍
Methoden und Arbeitsgebiete
❍
Netzplanung
❍
Leistungsbewertung
❐ Probleme und Visionen
Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung
Universität Stuttgart
Methoden und Arbeitsschwerpunkte
❐ Netzplanung
❍
Multi-Layer Planning
❍
Netzeditor
❐ Leistungsbewertung (analytisch und simulativ)
❍
Routingverfahren
❍
Architektur von Netzen und Netzelementen
❐ Verfügbarkeit von Netzen
❍
Protection- und Restoration-Mechanismen
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Netzplanung
Plazierung
Knoten & Links
Allgemein
Verkehrsmatrix
Netzelemente:
• Kosten
• Eigenschaften
• ...
Planungsaspekte:
• Zeitraum
• Netzebene
• geogr. Gebiet
Randbedingungen für
die Planung
Planungsmethoden
Leistungsbewertung
• detaillierte Kosten
Planungsstrategien
Simulation:
dynamische Aspekte
• Verkehrsaspekte
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Netzplanung
Planungsmethoden
Optimierungsverfahren
Verkehrsvorhersage
• wichtig
lineare
Optimierung (LP)
• schwierig
• Klassifizierung gemäß:
- Zeitraum
- geographischem Gebiet
- Einflußparameter
Dekompositionsverfahren
• funktional
• vertikal
nichtlineare
Optimierung
Heuristiken
Integer Non-Integer exakte
Verfahren
LP
LP
nicht-deterministische
Suchverfahren
Evolutionäre
Algorithmen
Verb.ebene
Simulated
Annealing
Threshold
Accepting
Modellierungsverfahren
Pfadebene
• verkehrstheoretische Modelle
physik.
Ebene
Kernnetz
Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung
Zugangsn.
• graphentheoretische Modelle
Universität Stuttgart
Netzplanung
Netzmodell:
Modellierung
hybride Vermitt- Endknoten
lungsknoten
Planungsergebnis:
elektrischer Pfad
Fasern
optischer
WDM-Pfad
(WP/VWP)
optischer
Vermittlungsknoten
e/o-Mux
o/e-Demux
elektrischer
Knoten- von/zu höheren Ebenen Pfad
modell:
optische
Ebene
mehrere
WDM Kanäle
e/o
o/e
elektrische
Ebene
optischer Pfad (WP/VWP)
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Netzplanung
Software-Entwicklung
grafisch
gesteuerter
Netzeditor
API
Eingabeparameter
Filter
Generator
Ausgabe
Datenbank
Algorithmen mit
lokalen Datenbanken
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Leistungsbewertung
Knotenmodell
Beispiel für Bewertung einer Crossconnect-Architektur
Eingang 1
Ausgang 1
Eingang N
Ausgang N
Wellenlängenkonverter
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Leistungsbewertung
Knotenarchitektur
❐ Fallstudie:
Crossconnect mit 8 Links
❍
1 oder 2 Fasern pro Link
❍
4/8/16 Wellenlängen/Faser
❍
Konverterpool
❍
0,5 Erlang/Wellenlänge
❐ Einfluß von Parametern:
❍
WDM-Kanäle pro Faser
❍
Fasern pro Link
❍
Anzahl Konverter
0
10
Blockierwahrscheinlichkeit
❍
32 Erlang, 8 WL, 1 Faser/Link
32 Erlang, 4 WL, 2 Fasern/Link
64 Erlang, 16 WL, 1 Faser/Link
64 Erlang, 8 WL, 2 Fasern/Link
-1
10
-2
10
-3
10
❐ Verbesserung bereits mit
wenigen Konvertern
0
10
20
30
40
50
60
70
Anzahl der Konverter im Knoten
80
❐ Bündelungsgewinn
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Gliederung
❐ Einführung
❐ Entwicklungstrends
❐ Grundkonzepte und -komponenten
❐ Photonische Netze in Realisierung und Forschung
❐ Forschungsaktivitäten im BMBF-Projekt
❐
Probleme und Visionen
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Universität Stuttgart
Probleme und Visionen
❐ Probleme / offene Punkte:
❍
Management optischer Systeme und Netze
❍
Verkehrsverhalten in künftigen Transportnetzen
❍
Transparenz in optischen Netzen; Regeneration
❍
Standardisierung
❐ Ausblick und Visionen:
❍
Weiterentwicklung bei Fasern / Übertragungstechnologien / OEICs
❍
optische Signalverarbeitung
❍
Konvergenz Paketvermittlung – Photonik („IP over WDM “)
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Zukünftige Netzarchitekturen
IP
IP
IP
ATM
SDH
SDH
SDH
IP
?
ATM
WDM
❐ Photonik: einzige Möglichkeit, um exponentiell
steigende Verkehrsanforderungen zu erfüllen
❐
Vision: Bandbreite umsonst und unbegrenzt verfügbar
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Universität Stuttgart