Optische Netzwerke-120-1Der dramatische Anstieg des Bandbreitenbedarfs in Netzwerken, vor allem bedingt durch das Internet (Web 2.0) und Video-on-Demand-Anwendungen (IPTV), führt zu einer kontinuierlichen Aufrüstung der Router von Serviceprovidern mit neuen 10G-Schnittstellen. Tatsächlich werden bereits 40-Gbit/s-Schnittstellen eingesetzt, und einige DWDM-Router für große Entfernungen unterstützen bereits 40G-Kanäle. Der Bedarf an 100-Gigabit-Ethernet (100GbE) wird jedoch immer deutlicher (Abbildung 1). Die Übertragungsrate von 100 Gbit/s stellt die natürliche Erweiterung der Ethernet-Hierarchie (10M/100M/1G
/10G) dar, die sich in den letzten Jahrzehnten so erfolgreich bewährt hat. Manche meinen zwar, 100GbE komme zu spät, doch diese Kritiker arbeiten mit Anbietern zusammen, die proprietäre 100-Gbit/s-Lösungen anbieten, und sind der Ansicht, die 100GbE-Standards hätten viel früher finalisiert werden sollen. Die beiden wichtigsten Standardisierungsgremien, die an diesen Aufgaben beteiligt sind, sind das IEEE (802.3 Higher Speed ​​Study Group, HSSG) und die Internationale Fernmeldeunion (ITU-T). Darüber hinaus haben sich auch verschiedene Allianzen und Verbände am Spezifikationsprozess des 100GbE-Standards beteiligt, darunter die Alliance for Telecommunication Industry Solutions (ATIS), das Optical Internetworking Forum (OIF), die Ethernet Alliance, die Road to 100G Alliance und die Optoelectronics Industry Development Association (OIDA). Einer der wichtigsten Aspekte des Standardisierungsprozesses ist die Definition der 40GbE-Spezifikation. Bekanntermaßen sind die heutigen Router mit höchster Kapazität mit 40-Gbit/s-Ports ausgestattet, und es ist Kompatibilität zwischen Gigabit-Ethernet und der SONET/SDH-Hierarchie erforderlich, deren standardisierte Bitraten als Vielfache von vier definiert sind. Dies ist wohl einer der größten Streitpunkte heutzutage, verschärft durch die Tatsache, dass Gigabit-Ethernet zwar asynchronen Datenverkehr verarbeiten kann, SONET/SDH aber nicht die effizienteste Methode ist, um das aktuelle IP-Datenverkehrsaufkommen zu bewältigen. In diesem Artikel werden wir die laufenden Standardisierungsinitiativen zu 100GbE erörtern und einige der Technologien vorstellen, die bei der Implementierung der ersten kommerziellen Geräte zum Einsatz kommen werden.

Standardisierungsaktivitäten:
Die IEEE 802.3 HSSG-Gruppe hat sich aktiv an der Definition der MAC-Layer-Parameter und der Spezifikationen der physikalischen LAN-Schnittstelle des 100GbE-Standards beteiligt. Dieser Standardisierungsprozess ist entscheidend für die korrekte Verbindung von Ethernet-Geräten in Unternehmen und Rechenzentren mit WAN-Transportsystemen. Das optische Transportnetz (OTN) ist die zukünftige Plattform für den Austausch digitaler Informationen aller Art. Die ITU-T hat das OTN durch die G-Empfehlungen standardisiert: Rahmenstrukturen (G.709), Architekturen (G.872) und Managementfunktionen (G.798). Es besteht aus einer hierarchisch gemultiplexten Struktur von optischen Dateneinheiten (ODUs), die in optischen Transporteinheiten (OTUs) organisiert sind und die Grundlage für GFP-Framed- oder GFP-Transparent-Datendienste bilden. OTU-Container sind von 1 bis 4 nummeriert und entsprechen folgenden Bitraten:

1 – OTU1/ODU1: 2,5 Gbit/s
2 – OTU2/ODU2: 10 Gbit/s
3 – OTU3/ODU3: 40 Gbit/s
4 – OTU4/ODU4: 120 Gbit/s

Tabelle 1-120Die Entwicklung der OTU4-Container-Spezifikation ist derzeit in der ITU-T-Arbeitsgruppe SG 15 im Gange und bildet das 100-Gbit/s-Referenzmodell der IEEE-HSSG-Gruppe. OTU4-Container können neun 10-Gbit/s-Signale oder ein einzelnes 100-Gbit/s-Signal transparent übertragen. Ergänzende Aktivitäten von IEEE und ITU-T zum 100-Gbit/s-Standard sind in Tabelle I zusammengefasst.
Abbildung 2 zeigt schematisch ein 100-Gbit/s-MAC-Architekturmodell, genannt 100GE, mit zehn physikalischen 10G-Codierungs-I/O-Sublayern für 10 km Singlemode-Faser (SMF). Die Herausforderung bei der Standardisierung dieser Anwendungen besteht darin, Transceiver der ersten Generation mit aktueller Technologie zu entwickeln und anschließend Kosten, Stromverbrauch und Größe mit neuen technologischen Möglichkeiten zu verbessern. Die Wahl der Betriebswellenlängen muss in jedem Fall sowohl mit aktuellen als auch mit zukünftigen Technologien kompatibel sein.

100GbE-Technologien:
Bei der Analyse der optoelektronischen Technologie von 100GbE-Systemen lassen sich zwei Anwendungsarten unterscheiden. Die erste bezieht sich auf 100-Gbit/s-LAN-Netzwerke über Singlemode-Fasern (SMF), die zweite auf Multimode-Fasern (MMF). In beiden Fällen kann man von zwei Technologiegenerationen sprechen: der aktuellen Technologie und der Technologie, die in 8 bis 10 Jahren erforderlich sein wird.
100-Gbit/s-SMF-LAN-Systeme können mit verschiedenen Alternativen realisiert werden: der bestehenden 10G-LAN-NRZ-Technologie über WDM-Kanäle, fortschrittlichen Modulationsverfahren über einen einzelnen optischen Träger und Dispersionskompensationsverfahren oder neuen NRZ-Technologien mit 25 Gbit/s über WDM-Kanäle. Dies gilt in allen Fällen sowohl für die Wellenlängen 1310 nm als auch 1550 nm. Die 10GBASE-ER-Spezifikation unterstützt 40 km bei 1550 nm, was einem Leistungsverlust von ca. 8 dB im Vergleich zu 16 dB bei 1310 nm entspricht. Im Gegensatz dazu unterstützt 10GBASE-LR 10 km bei 1310 nm, was etwa 4 dB Verlusten entspricht. Die höheren Verluste bei 1310 nm werden dadurch kompensiert, dass keine Dispersionskompensation erforderlich ist, sodass Laser mit direkter Modulation eingesetzt werden können. Die Bitrate von 100 Gbit/s wird aus zehn 10-Gbit/s-WDM-Kanälen gebildet, daher die gängige Bezeichnung 10x10G. Alle genannten 10GBASE-Technologien können zur Implementierung dieser Systeme verwendet werden. Beispielsweise haben CyOptics und Cray einen 1550-nm-Transceiver mit dem 20-nm-CWDM-Fenster entwickelt.
Optische Netzwerke-120-2 Wie bereits erwähnt, ist eine weitere Alternative die Verwendung fortschrittlicher optischer Modulationsverfahren wie QPDSK oder DQPSK (CONECtrónica, Nr. 114, S. 8–12, Februar 2008). In diesem Fall halbiert sich die Symbolrate, wodurch zwei 50-Gbit/s-Kanäle in einem einzigen DWDM-Kanal untergebracht werden können. Durch die Verwendung orthogonaler Polarisationen lässt sich die Symbolrate weiter reduzieren, sodass vier orthogonale 25-Gbit/s-Kanäle entstehen.


Optische Netzwerke-120-3Die dritte Alternative ist das WDM-Multiplexing von vier 25-Gbit/s-NRZ-Signalen (4x25G). Diese Option ist besonders attraktiv, da sich Eigenschaften wie Kosten, Stromverbrauch, Größe und Zuverlässigkeit durch die Reduzierung der Kanalanzahl verbessern und somit Vorteile gegenüber der 10x10G-Option bieten. Das Verfahren ähnelt dem 10GBASE-LX4-Standard, wird hier jedoch für Singlemode-Fasern (SMF) verwendet. Das Blockdiagramm der 4x25G-Transceiver-Architektur ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Anbindung an die elektrische Schnittstelle erfolgt über 10-Gbit/s-Signale, typische Eingangs-/Ausgangsraten der gängigen CMOS-Technologien für die MAC-Schicht.

'

 

Optische Netzwerke-120-4Die Umwandlung von 10 Gbit/s auf 25 Gbit/s und umgekehrt erfolgt mittels 10:4-Serialisierungsschaltungen. Während der Übertragung werden die Signale mit vier Lasern mit elektroabsorptiven Modulatoren (EML) moduliert, die vier verschiedene Wellenlängen erzeugen, welche auf dieselbe Faser gemultiplext werden. Bei Entfernungen unter 4 km kann entweder das zweite oder dritte Fenster genutzt werden. Alternativ können vier Laser mit direkter Modulation verwendet werden, in diesem Fall sind jedoch Dispersionskompensationsverfahren bei 1550 nm erforderlich. Beim Empfang wird der umgekehrte Prozess durchgeführt: Die vier WDM-Kanäle werden demultiplext und von separaten Empfängern, bestehend aus einer PIN-Fotodiode und einem Transimpedanzverstärker (TIA), photodetektiert. Die WDM-Kanalabstände ermöglichen verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden aufgeführt sind: IEEE LX-4 25-nm-Raster, ITU G.694.2 20-nm-CWDM-Raster oder ITU G.694.1 400 bis 800 GHz (2 bis 4 nm) DWDM-Raster. Die ersten beiden ermöglichen den Einsatz von Lasern ohne Temperaturregelung.

Abschließend sei angemerkt, dass aufgrund der höheren Leistungsverluste bei 1310 nm für Metropolnetze (Reichweiten unter 40 km) Halbleiter-Verstärker (SOAs) erforderlich sind. Diese können für die Übertragung durch Hochleistungslaser und für den Empfang durch Lawinenfotodetektoren (APDs) ersetzt werden. Bei 1550 nm werden typischerweise folgende Dispersionskontrollverfahren eingesetzt: Vorchirping
in den Sendern, Kompensationsfasern oder elektronische Dispersionskompensationsschaltungen (EDC).
100-Gbit/s-MMF-LAN-Anwendungen konzentrieren sich primär auf interne Verbindungen zwischen Racks über Entfernungen unter 100 m. Diese Multimode-Faserverbindungen werden üblicherweise mit VCSEL-Lasern bei 850 nm realisiert (CONECtrónica, Ausgabe 91, S. 8–10, Oktober 2005). Die VCSEL-Technologie funktioniert bis zu 10 Gbit/s relativ gut, jedoch sind bei höheren Geschwindigkeiten hohe Vorspannungsströme erforderlich, die die Lebensdauer der Bauelemente erheblich verkürzen. Daher bleibt in diesem Fall nur die Möglichkeit, ein 10x10G-Schema zur Erzeugung des 100-Gbit/s-Signals zu verwenden. Ähnlich dem 10GBASE-SR-Standard wird die Verwendung von OM3-Multimode-Fasern vorgeschlagen, die eine nominelle Bandbreite von 2000 MHz/km bei 850 nm aufweisen, sodass die Dispersion eines 10-Gbit/s-NRZ-Signals über 100 m minimal ist. Ältere Fasertypen wie der in der 10GBASE-LRM-Spezifikation definierte Typ OM1 sind hingegen ungeeignet.

AbbildungOptische Netzwerke-120-5 4 zeigt die Architektur eines 10x10G-MMF-Transceivers. Die elektrische Ein-/Ausgangsschnittstelle verarbeitet 10-Gbit/s-Signale, wie bei SMF-Transceivern, sodass diese problemlos austauschbar sind. Die Architektur umfasst 12 Kanäle und unterstützt somit Anwendungen jenseits von 100GbE, wie beispielsweise InfiniBand. Für die optische Schnittstelle wird ein 24-Faser-MPO-Stecker (12 für Senden und 12 für Empfangen) verwendet, der alternativ durch zwei separate 12-Faser-MPO-Stecker ersetzt werden kann. Die 24 Fasern müssen präzise mit den VCSEL-Sendern und PIN-Fotodioden ausgerichtet werden, ähnlich wie bei POP4- und QSFP-Transceivern. Dies ist in der Regel komplexer und teurer als die separate Ausrichtung von 12 Fasern (ähnlich wie bei SNAP12-Modulen), ermöglicht aber eine höhere Packungsdichte und ein einfacheres Kabelmanagement. Abbildung 5 zeigt Fotos der beiden MPO-Steckertypen.
Die vorgestellten Technologien werden bei der Entwicklung der ersten kommerziellen Produkte auf Basis des 100GbE-Standards zum Einsatz kommen. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich diese Technologien weiterentwickeln und in etwa 8–10 Jahren Geräte der zweiten Generation verfügbar sein werden. Hierbei werden Schlüsselaspekte wie die Großserienfertigung von PICs (photonischen integrierten Schaltungen), die Verwendung von 4-Kanal-Bussen, Kupferverbindungen mit kurzer Reichweite, optische DP-QPSK-Modulation und 25-Gb/s-VCSELs die treibenden Kräfte des Wandels sein. Es wird sogar schon von 10-Terabit-Ethernet gesprochen, worauf wir uns aber offensichtlich noch einige Jahre gedulden müssen.

 

Weitere Informationen oder ein Angebot

 

Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.