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Optische Zugangsnetze der nächsten Generation PIANO+ IMPACT und TUCAN ermöglichen PONs mit 10 Gbps

| Autor / Redakteur: Dr. Stephan Pachnicke u.a. (siehe Kasten) / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Nur Fiber-To-The-Home-Systeme (FTTH) können das enorme Wachstum der Datenraten im Zugangsnetz-Bereich auch weiterhin ermöglichen. Im Rahmen der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN werden dafür neuartige Passive Optische Netze (PON) mit Endnutzerdatenraten von bis zu 10 Gbps untersucht.

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Nur optische Übertragungssysteme, die bis in die Räume der Endkunden reichen (FTTH) sind in der Lage, die künftig notwendigen Datenraten zu liefern! (© Suprijono Suharjoto - Fotolia.com)
Nur optische Übertragungssysteme, die bis in die Räume der Endkunden reichen (FTTH) sind in der Lage, die künftig notwendigen Datenraten zu liefern! (© Suprijono Suharjoto - Fotolia.com)

In den vergangenen 20 Jahren konnte im Zugangsnetzbereich eine exponentielle Zunahme der Datenrate beobachtet werden, und ein Ende des Wachstums ist bisher nicht abzusehen. Um auch zukünftig eine weitere Erhöhung der Bitrate zu ermöglichen, ist der Einsatz von Fiber-To-The-Home Systemen wünschenswert. Im Rahmen der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN werden dafür neuartige passive optische Netze im Wellenlängenmultiplexbetrieb mit Endnutzerdatenraten von bis zu 10 Gb/s untersucht.

Die Telekommunikation ist heutzutage zentraler Bestandteil unseres Lebens. Hierzu beigetragen haben insbesondere die Einführung von Mobilfunk und Internet für den Massenmarkt in den 1990er Jahren. Die weite Verbreitung des Internets und breitbandiger Dienste (z.B. Video-on-Demand) führten dazu, dass die Bandbreitennachfrage durch den Endnutzer stark zunahm (siehe Abbildung 1). Die jährliche Wachstumsrate der Datenrate liegt aktuell bei ca. 50 bis 100 Prozent. Es ist momentan nicht abzusehen, dass sich dieses rapide Wachstum in den nächsten Jahren abschwächen wird [1].

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Ein wichtiger Schritt, um den Zugang zu Breitbandinhalten zu ermöglichen, war die Einführung von so genannten Digital Subscriber Lines (DSL). Diese bieten dem Endkunden heute Datenraten von bis zu 50 Mbps (VDSL) über den normalen (Zweidraht-) Telefonanschluss. Um den erwarteten Bandbreitenbedarf in fünf bis zehn Jahren (ein bis 10 Gbps pro Teilnehmer) erfüllen zu können, sind allerdings zukünftig neuartige Ansätze nötig. Die Entwicklung solcher Systeme ist Ziel der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN [3].

Passive Optische Netze (PON)

Um Datenraten von 1 Gbps und mehr für den Endkunden erreichen zu können, ist der Einsatz von glasfaserbasierten Lösungen (Fiber-to-the-Home, FTTH) ein vielversprechender Ansatz [4]. Ein Überblick über verschiedene Zugangstechniken für Passive Optische Netze (PON) ist in Abbildung 2 dargestellt.

Unterschiede ergeben sich zwischen den verschiedenen Zugangstechniken insbesondere in der Anzahl der Fasern, die in der Vermittlungsstelle (VST) angeschlossen werden müssen und der für den Endkunden erzielbaren Datenrate. Weiterhin sind natürlich die Kosten, der Energieverbrauch, der Platzbedarf in der Vermittlungsstelle und die Skalierbarkeit zu noch höheren Datenraten entscheidende Faktoren.

Aus Abbildung 2 ist zu entnehmen, dass im Wesentlichen drei Varianten für die Glasfaseranbindung des Endkunden (dies sind beispielsweise Privat- oder Geschäftskunden) oder die Anbindung von Mobilfunkstationen in Betracht kommen. Jede Variante hat spezifische Vor- und Nachteile.

So wird im Fall der direkten Punkt-zu-Punkt Verbindung eine Glasfaser pro Kunden benötigt. In der Vermittlungsstelle führt dies eventuell zu Platzproblemen, da jede Glasfaser an eine Sende-/Empfangseinrichtung angeschlossen werden muss. Weiterhin ist der Aufwand für die Verlegung der Glasfasern recht hoch.

Zeitmultiplexverfahren

Bei den beiden anderen dargestellten Varianten wird die Vermittlungsstelle durch ein einziges Glasfaserkabel mit einem passiven Knoten verbunden. Dieser ist im Falle des TDMA-PON (Zeitmultiplexverfahren, Time-Division-Multiple-Access, TDMA) als passiver Splitter realisiert, der das eingehende Signal auf alle Ausgänge gleichmäßig aufteilt. Daraus resultiert, dass beim TDMA-PON Verfahren alle angeschlossenen Benutzer die volle Datenrate verarbeiten müssen.

Bei einer Anzahl von 40 Nutzern und einer Datenrate von jeweils 1 Gbps bedeutet dies beispielsweise, dass die Empfangseinheit jedes Endkunden 40 Gbps verarbeiten muss. Es ist fragwürdig, ob eine solche Lösung kostengünstig (Ziel: weniger als 1/10 der Kosten eines derzeitigen WDM Sende-/Empfangsmoduls) realisiert werden kann.

Darüber hinaus stellen die verringerte Empfängerempfindlichkeit aufgrund der hohen Bandbreite und Limitierungen durch die chromatische Dispersion der Glasfaserübertragungsstrecke Herausforderungen dar.

Wellenlängenmultiplexverfahren

In der WDM-PON-Variante (Wellenlängenmultiplexverfahren, Wavelength-Division-Multiplex, WDM) besteht der Knoten aus einem wellenlängenselektiven Multiplexer (z.B. Arrayed Waveguide Grating, AWG), der jedem Nutzer eine bestimmte Wellenlänge zuordnet.

Der WDM-PON Ansatz kombiniert die Vorteile der beiden vorgenannten Verfahren, nämlich nur eines Glasfaseranschlusses an der Vermittlungsstelle für N Nutzer und einer hohe Datenrate (z.B. bis zu 10 Gbps) für den Endkunden. Weiterhin trägt dieser Ansatz dem erhöhten Sicherheitsbedürfnis vieler Unternehmenskunden dadurch Rechnung, dass eine bestimmte Wellenlänge nur bei dem jeweiligen Nutzer terminiert wird und die Daten nicht wie beim TDMA-PON an alle Nutzer gesendet werden.

weiter mit den Herausforderungen bei der Entwicklung einer kostengünstigen Sende-/Empfangseinheit für den Endkunden

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