DWDM

DWDM

DWDM-Testlösungen für die Industrie zur Installation, Inbetriebnahme und zum Management von passiven Netzen.

VIAVI stellt der Industrie alle Testlösungen zur Verfügung, die diese benötigt, um passive DWDM-Netze zu installieren, in Betrieb zu nehmen und zu verwalten.

Wie VIAVI die Bereitstellung von DWDM-Systemen ermöglicht

In der vergangenen 40 Jahren haben sich die physikalischen Eigenschaften der Singlemode-Glasfasern immer weiter verbessert, da Durchbrüche in der Produktion es erlaubten, den leistungsdämpfenden „Waterpeak“ zu vermeiden. Gleichzeitig haben die intensivere Ausnutzung der Wellenlängen sowie neue Modulationsformate dazu geführt, dass sich die Übertragungskapazität exponentiell erhöht hat. Das dichte Wellenlängen-Multiplexverfahren (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der optischen Übertragungstechnologie.

Am Anfang des Lebenszyklus von optischen Netzen steht die Entwicklung und Produktion neuer passiver DWDM-Geräte. In dieser Phase ist es unbedingt erforderlich, das von der Wellenlänge abhängige Leistungsverhalten dieser Komponenten umfassend zu charakterisieren. Die Anbieter von Kabel- und Telekommunikationsdiensten bauen ihre Netze immer weiter aus. Sie bringen die Glasfaser näher an den Endkunden heran, verlegen damit auch Netzelemente dichter zum Nutzer hin und versorgen immer kleinere Nutzergruppen, um die Palette und Datenrate der angebotenen Dienste zu vergrößern. In diesem Szenario spielt das DWDM-Verfahren eine wichtige Rolle, da es erlaubt, die verteilten Zugangsarchitekturen (DAA) der HFC-Netze sowie zuverlässige xDSL-/Gfast-Netze bereitzustellen.

Obgleich Mobilfunkanbieter sich auf das zentralisierte Funkzugangsnetz (C-RAN) als grundlegendes Architekturelement verlassen, haben sie erkannt, dass DWDM unverzichtbar geworden ist, weil die Einführung von 5G den Kapazitätsbedarf weiter erhöht. Auch die Inhaber/Betreiber von passiven optischen Netzen (PON) haben begonnen, die Vorteile der DWDM-Technologie für ihre bestehenden E-PON- und G-PON-Netze, die FTTH-Dienste bis in die Wohnung ihrer Kunden liefern, zu nutzen.  Und schließlich setzen Betreiber von großen Hyperscale- und Mehrparteien-Rechenzentren (MTDC) in ihren optischen DCI-Querverbindungsnetzen ebenfalls kapazitätsintensive DWDM-Lösungen ein.

Mit seiner technisch führenden Kompetenz auf dem Gebiet der DWDM-Technologie stellt VIAVI der Industrie die besten Testlösungen für die Aktivierung, Wartung und Fehlerdiagnose von DWDM-Netzen zur Verfügung.

 

Was ist WDM?

Das Wellenlängen-Multiplexverfahren (Wavelength Division Multiplexing, WDM) erlaubt, mehrere Frequenzen (also Wellenlängen) gleichzeitig über die gleiche Glasfaser zu übertragen. Hierfür werden optische Sender oder Transceiver verwendet, deren Ausgang auf eine spezifische Wellenlänge eingestellt ist, sodass sich die einzelnen Übertragungskanäle nicht überlappen können.

CWDM Channels

Das grobe Wellenlängen-Multiplexverfahren (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) nutzt Wellenlängen von 1260 nm bis 1670 nm in den Übertragungsbändern O, E, S, C, L und U. Es erlaubt, bis zu 18 Einzelkanäle einzurichten, die eine beliebige Kombination von Sprache, Daten und Video mit einem Kanalabstand von 20 nm übertragen. CWDM ist eine wirtschaftliche Lösung für Installationen mit relativ geringen Bandbreitenanforderungen, da CWDM-Signale nicht verstärkt werden können. Weil es für diesen Frequenzbereich keine optischen Breitbandverstärker gibt, ist die Übertragungsentfernung auf 80 km begrenzt.

Das dichte Wellenlängen-Multiplexverfahren (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) setzt neue Maßstäbe für die WDM-Technologie, da es den Kanalabstand auf 0,8 nm und weniger verringert sowie einen schmaleren Betriebswellenlängenbereich verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, 80 und mehr Kanäle zu erzeugen, sodass bandbreitenintensivere Anwendungen mit hoher Datenrate unterstützt werden.

Es ist erstaunlich, dass alle DWDM-Wellenlängen in dem schmalen Band von 1525 nm bis 1565 nm, das als C-Band bekannt ist, Platz finden. Dieser Bereich wird aufgrund der relativ geringen Signaldämpfung von nur 0,25 dB/km verwendet, die niedriger ist als beispielsweise bei den kürzeren Wellenlängen des O- oder E-Bands. Durch den geringeren Kanalabstand werden jedoch präzisere Laser und hochwertigere Filter benötigt, um die Kanalintegrität zu gewährleisten und eine gegenseitige störende Beeinflussung weitestgehend zu vermeiden.

DWDM-Architektur

Die Architektur von passiven DWDM-Netzen beginnt mit einem Transponder/Transceiver, der die Daten aus verschiedenen Verkehrstypen und Protokollen übernimmt. Der Transponder setzt diese eingehenden Signale dann auf eine einzelne DWDM-Wellenlänge um. Die Einzelwellenlängen werden in einen optischen Multiplexer (MUX) eingespeist, der mehrere Wellenlängen filtert und für die Übertragung über die DWDM-Hauptfaser zu einem einzigen Ausgangssignal zusammenfasst. Auf der Empfängerseite werden die Wellenlängen in einem optischen Demultiplexer (DEMUX) wieder voneinander getrennt, um die einzelnen Kanäle wiederherzustellen. Anschließend werden die Kanäle über einen zusätzlichen wellenlängenspezifischen Transponder an den entsprechenden kundenseitigen Ausgang geleitet.

DWDM Network Construction

Da sich die DWDM-Technologie mit dem CWDM-Frequenzband überlappt, sind auch kombinierte Lösungen möglich. Derartige hybride Systeme nutzen zwar die CWDM-Multiplexer/Demultiplexer, speisen aber zusätzlich zu den im Bereich von 1530 nm bis 1550 nm vorhandenen Kanälen noch DWDM-Wellenlängen ein, sodass bis zu 28 weitere Kanäle generiert werden. Ein hybrides CWDM/DWDM-System kann einen erheblichen Kapazitätszuwachs zur Verfügung stellen, ohne dass neue Glasfasern verlegt werden müssen oder die ganze Infrastruktur verändert werden muss.

DWDM Network Wavelengths

Ein optischer Add-Drop-Multiplexer (OADM) ist eine Komponente der DWDM-Architektur, die es in passiven oder aktiven Netzen ermöglicht, zwischen den Endpunkten der Hauptfaser weitere Wellenlängen zuzuführen („Add“) bzw. von der Hauptfaser abzuführen („Drop“). Die bidirektionale Architektur beinhaltet an beiden Enden der Übertragungsstrecke Sender und Empfänger sowie kombinierte Multiplexer/Demultiplexer.

DWDM-point-to-multipoint-network

Die DWDM-Architektur von Langstreckennetzen ist komplizierter aufgebaut, da aktive Systemkomponenten benötigt werden, um die optischen Verluste, die den Empfang der Signale und die Wiederherstellung der Daten unmöglich machen würden, zu kompensieren. Ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) kann als Booster genutzt werden, um die optischen Leistungspegel direkt hinter dem Multiplexer (MUX) zu verstärken, oder auch als Vorverstärker auf der Empfangsseite vor der Einspeisung der Signale in den Demultiplexer (DEMUX). Sogar zusätzliche Inline-Verstärker sind möglich. Passive Netze, die keinen EDFA benötigen, weisen eine weitaus einfachere Architektur auf. 

Wie lässt sich die Bandbreite im optischen Netz erhöhen?

Angesichts der weiter steigenden Bandbreitennachfrage steht nicht zur Debatte, ob, sondern wie die Anbieter diesen wachsenden Bedarf bewältigen können. Die Vervielfachung der Faserkapazität führt zu einem größeren und vielfältigeren Angebot von Dienstleistungen, erhöht die Anzahl der Endpunkte/Nutzer und verschafft unzählige Möglichkeiten zur finanziellen Verwertung (Monetarisierung). Hier wäre es natürlich naheliegend, einfach neue Glasfasern zu verlegen. Allerdings ist diese Vorgehensweise zur Bereitstellung einer größeren Bandbreite häufig auch mit dem größten Arbeits- und Kostenaufwand verbunden. Warum sollte man also die bereits verlegten Ressourcen, d. h. Glasfasern, nicht intensiver nutzen?

Die ITU-T hat das CWDM- und das DWDM-Verfahren 2002 in ihren Empfehlungen G.694.2 bzw.  G.694.1 standardisiert. Bis vor Kurzem waren der mit den DWDM-Lasern, Transpondern, Multiplexern, Demultiplexern und OADMs verbundene Installationsaufwand und die laufenden Betriebskosten größer als der mögliche finanzielle Nutzen. Da die Kosten von DWDM-Netzen aufgrund von Skaleneffekten und Effizienzsteigerungen jedoch immer weiter sinken, sprechen mehr und mehr Gründe für deren Einsatz.

Warum gerade DWDM?

Da es mit CWDM in Einzelfällen gelungen ist, mit der Bandbreitennachfrage Schritt zu halten, sind die Vorteile des Umstiegs auf/der Einführung von DWDM vielleicht nicht auf den ersten Blick erkennbar. Jedoch wächst der Internet-Verkehr jedes Jahr um 300 % an, sodass die Provider alle sechs bis neun Monate mit einer Verdoppelung der Bandbreitennachfrage konfrontiert sind. Zudem zeigt diese Kurve immer steiler nach oben. Auch verlagert sich mehr und mehr Verkehr in latenzsensitive Bereiche, wie VoIP, Live-UHD Video-Streaming, Cloud-basiertes Gaming und neue 5G-Fronthaul/-Backhaul-Anwendungen, beispielsweise für autonomes Fahren, die eine entsprechende Kapazitätsnachfrage auslösen. Die Optimierung und Maximierung der Glasfaserbandbreite mithilfe von DWDM bietet eine proaktive und wirtschaftliche Lösung für dieses Problem.

Die Herausforderungen von DWDM

Aufgrund des geringen Abstands zwischen den benachbarten DWDM-Kanälen ergeben sich besondere Anforderungen an intelligente Wartungs- und Testverfahren. Um die Kanalintegrität sicherzustellen, sind temperaturstabilisierte Laser sowie zuverlässige DWDM-Multiplexer/Demultiplexer unverzichtbar. Selbst eine geringfügige Verschiebung (Drift) der Wellenlänge kann bereits einen Versatz (Offset) verursachen, der die Nachbarkanäle stört und die Signalgüte verschlechtert. SFP-/SFP+-Transceiver bieten zwar einen Kostenvorteil, sind aber vielleicht weniger gut geeignet, die Integrität der Wellenlängen sicherzustellen.

Das Rauschen ist ein weiterer Parameter, der in aktiven DWDM-Metronetzen zu beachten ist. Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) und rekonfigurierbare optische Add-Drop-Multiplexer (ROADM), die ebenfalls Verstärker enthalten, können Rauschsignale in ein Netzwerk einfügen. Hier gilt es, einen annehmbaren Kompromiss zu finden, um einen guten optischen Signal-/Rauschabstand (OSNR) zu erzielen, gleichzeitig aber die Bandbreitennutzung eines DWDM-Kanals zu optimieren und Bitfehler, die zu Datenverlusten und Übertragungswiederholungen führen können, weitestgehend zu vermeiden.

Bei passiven DWDM-Anwendungen, die häufig in Zugangsnetzen zu finden sind, treten keine Rauschprobleme auf, da hier auch keine Verstärker vorhanden sind. Zudem geht es aufgrund der kürzeren Übertragungsstrecken eher darum, die optische Dämpfung zu verringern und auf der Empfangsseite am Transponder/SFP-/SFP+-Transceiver einen ausreichenden optischen Leistungspegel zu gewährleisten. Daher spielen hier Dämpfungen und Reflexionen auf der Faser und insbesondere an Steckverbindungen eine größere Rolle.

Anwendungsfälle für DWDM

In DWDM-Systemen sind anspruchsvolle Laser, Elektronikkomponenten und Modulationsverfahren exakt aufeinander abgestimmt, um eine möglichst effiziente Datenübertragung über das optische Transportmedium sicherzustellen. Diese erfolgreiche Kombination ist das Ergebnis einer koordinierten und umfassenden Herangehensweise an die Entwicklung, Installation, Testausführung und Wartung von DWDM-Netzen.

Während all dieser Phasen des Netzwerk-Lebenszyklus ist die Sichtprüfung der Faserendflächen und Steckverbinder die Grundlage für einen zuverlässigen Betrieb. Effiziente Faserprüftechnik muss nicht nur die Faserendfläche anzeigen, sondern den gesamten Prüfvorgang automatisieren können. Hier bietet sich das Faserprüfmikroskop FiberChek mit automatischem Fokus, automatischer Gut-/Schlecht-Bewertung und Datenspeicherung sowie automatischen Prüfabläufen als handliche Lösung an.

Glasfaser-Tests sind in der Installationsphase des optischen Netzes, sowohl vor als auch nach Installation der MUX-/DEMUX-Komponenten unverzichtbar, um zu gewährleisten, dass das Netzwerk und die Dienste gleich beim ersten Versuch störungsfrei in Betrieb genommen werden können. Konventionelle Glasfasertester, wie VFL-Rotlichtquellen und Faserendflächenprüfer, können in Verbindung mit konventionellen optischen Reflektometern (OTDR) bei Standard-Testwellenlängen von 1310/1550 nm genutzt werden, um den optischen Pfad zu Steckverbindungen/Spleißen und die entsprechenden Dämpfungen zu charakterisieren. Auf diese Weise lassen sich Fehlerstellen mit übermäßiger optischer Dämpfung sowie unzulässige Biegungen in der Hauptfaser von DWDM-Netzen lokalisieren.

Nach Aktivierung der MUX-/DEMUX-Verbindungen sind konventionelle Standard-OTDRs jedoch weniger hilfreich, da Multiplexer/Demultiplexer funktionsbedingt die üblichen Testwellenlängen von 1310 nm und 1550 nm herausfiltern/blockieren. Für die Ende-zu-Ende-Charakterisierung der DWDM-Strecken werden daher spezielle OTDRs benötigt, die die DWDM-Betriebswellenlängen für die Überprüfung verwenden. Hier bietet sich das DWDM OTDR-Modul von VIAVI als durchstimmbares OTDR für das C-Band an, da es erlaubt, die DWDM-Strecke über die gesamte Länge durch MUX und DEMUX hindurch zu charakterisieren. Darüber hinaus ermöglicht die integrierte durchstimmbare Laserquelle über den OTDR-Testanschluss, die Glasfaser vor der Inbetriebnahme des Dienstes auf Durchgang zu prüfen. Die Anwendung Smart Link Mapper (SLM) stellt eine symbolbasierte Ansicht der OTDR-Kurve zur Verfügung, um die Auswertung der Testergebnisse zu erleichtern und gängige Komponenten/Elemente auf der DWDM-Strecke sowie eventuelle Fehlerstellen übersichtlich anzuzeigen.

DWDM-Inbetriebnahmemessungen

Zur Kontrolle der Kanalleistung und der über Metro-/Zugangsstrecken bereitgestellten Wellenlängen bietet sich ein DWDM Optical Channel Checker-Modul an. Dieses Produkt erlaubt, die Wellenlängen und die Leistungspegel über das gesamte Spektrum hinweg präzise zu bewerten. 

In aktiven Systemen hilft zusätzlich ein optischer Spektrumanalysator (OSA), die gesendeten Wellenlängen und Leistungspegel sowie vor allem den OSNR zu überprüfen. Das OSA-Modul OSA-110 von VIAVI ist eine kompakte CWDM/DWDM-Testlösung für die Plattformen MTS-6000A und MTS-8000. Es führt Messungen über den gesamten Wellenlängenbereich aus, bietet eine hohe optische Auflösung und besitzt einen integrierten Wellenlängenkalibrator mit einer Genauigkeit von ± 0,05 nm.

Überwachung von DWDM-Netzen mit einem optischen Fernüberwachungssystem

Hardware: Ein optisches Fernüberwachungssystem (RFTS) gewährleistet mit einem rackbasierten OTDR rund um die Uhr die kontinuierliche Überwachung von Glasfasernetzen.  Die automatischen, in Racks installierten optischen Testeinheiten (OTU) können über Testroutinen oder auf direkte Anforderung Glasfasern, die DWDM-Signale übertragen, testen. Damit ermöglichen sie die Fehlerdiagnose und Wiederherstellung von 5G-, FTTH- und Highspeed-Business-Services.

Tester von VIAVI, wie die optische Testeinheit OTU-5000 mit 1625–1650 nm wurde für Prüfungen an Außerband-Wellenlängen entwickelt, die die aktiven DWDM-Übertragungen nicht stören und die für Testzwecke reserviert sind. Die OTU-8000 mit durchstimmbarem DWDM-Modul ermöglicht, mehrere Zweige eines DAA-Netzes zu überprüfen. Sie erlaubt, Imband-Messungen bei der spezifischen Übertragungswellenlänge, die einem Netzknoten (Node) hinter einem DEMUX zugewiesen wurde, durchzuführen oder auch eine für Testzwecke reservierte Außerband-Wellenlänge zu verwenden. Da beide OTU-Modelle auf mehr als 1000 optische Anschlüsse skalierbar sind, verringern sie die Belastung anderer, dringend benötigter technischer Ressourcen. Zudem geben sie sofortige Fehleralarme mit Angaben zur genauen Position der Störung und integrierter Kartenanzeige aus.

Software: Das optische Fernüberwachungssystem ONMSi für Kern-, Zugangs-, Metro- und FTTH-Anwendungen ist eine Softwareanwendung, die alle von den OTU-Einheiten eingehenden Daten überwacht und analysiert.  Hierbei handelt es sich um eine wichtige Testlösung, die als zentrales Portal zur Anzeige aller Betriebsparameter des optischen Netzes den Teams einen umfassenden Überblick über den Status der Glasfasern und die Fehlerbehebung gibt. Darin eingeschlossen sind Installationstests, die Langzeit-Leistungsüberwachung sowie die Erkennung von unbefugten Zugriffen als Sicherheitsfunktion.

Für kleinere, private oder einzelne Übertragungsstrecken in optischen Netzen, wie in Rechenzentren oder an Industriestandorten, bietet sich die Software SmartOTU als eigenständige Lösung an. Sie erlaubt, aktive Glasfasern während des Betriebs (In-Service) oder unbeschaltete Glasfasern (Dark Fiber) kontinuierlich zu überwachen und Fehlerstellen zu erkennen. SmartOTU ist sofort einsatzbereit, benötigt keine Schulung der Techniker und auch keinen Server.

DWDM-Fehlerdiagnose

Die schnelle Lokalisierung und Reparatur vondefekten Übertragungsstrecken in DWDM-Netzen ohne Störung des übertragenen Verkehrs sind eine Voraussetzung, um unnötige Ausfallzeiten oder Vertragsstrafen wegen Verletzung der Dienstgütevereinbarung (SLA) zu vermeiden. An dem in Betrieb befindlichen DWDM-Netz können OTDR-Messungen bei spezifischen Außerband-Wellenlängen, die die Übertragung der Dienste nicht stören, durchgeführt werden. Optical Channel Checker (OCC) und optische Spektrumanalysatoren (OSA) helfen ebenfalls bei der Fehlerdiagnose, da sie anhand der gemessenen Leistungspegel und Wellenlängen zuverlässig Störungen lokalisieren können. Testlösungen mit zusätzlichen Funktionen zum Validieren von SFP-/SFP+-Transceivern oder sogar zum Programmieren von durchstimmbaren Transceivern tragen dazu bei, die mittlere Reparaturdauer (MTTR) deutlich zu verringern.

DWDM-Lösungen von VIAVI

VIAVI stellt Ende-zu-Ende-Testlösungen zur Verfügung, die beginnend in Labor und Produktion alle weiteren Phasen des Netzwerk-Lebenszyklus lückenlos abdecken. Fernüberwachungslösungen wie ONMSi und XPERTrak helfen, im Außenbereich Störungen an Diensten weitestgehend zu vermeiden, die Betriebskosten zu senken und die Reparaturdauer zu verkürzen. Sie machen durch Alarme auf Störungen aufmerksam, erlauben die eindeutige Zuordnung der Fehler zu Netzelementen oder zur Glasfaser und führen auf Anforderung bei ausgewählten Wellenlängen eine Fehlerdiagnose durch.

Da die Netzbetreiber in der Lage sind, jeden einzelnen Kanal in kürzester Zeit und präzise zu bewerten, können sie die einwandfreie Installation und die vom Installateur übergebene Strecke zuverlässig kontrollieren und sich sicher sein, dass die Leistungsvorgaben eingehalten werden. Testlösungen wie DWDM-OTDR-Module, Optical Channel Checker (OCC) und optische Spektrumanalysatoren (OSA) tragen in ihrer Gesamtheit dazu bei, diese Sicherheit weiter zu erhöhen und die Dienste gleich beim ersten Versuch einwandfrei zu aktivieren.

Mit der Zertifizierung der Glasfaser und der Kanalintegrität durch die installierten DWDM-Multiplexer/-Demultiplexer hindurch sowie der Validierung der neu bereitgestellten Wellenlängen kann nachgewiesen werden, dass die für den Betrieb der DWDM-Topologie benötigten Leistungsparameter gewährleistet sind. Für eine erfolgreiche Bereitstellung von DWDM-Netzen bieten sich zusätzlich Spektrum- und Drift-Messungen an verschiedenen Wellenlängen vom Labor bis zur Aktivierung der Dienste und letztendlich sogar weiter bis zur Überwachung, Wartung und In-Service-Fehlerdiagnose an.

Die heutigen Netzwerke stellen höhere Leistungsanforderungen als je zuvor. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die eingesetzten Geräte und Netze, sowohl im Labor und in der Produktion als auch durch den gesamten Lebenszyklus des Netzes hinweg, umfassend und gründlich zu testen.

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