Damit die Leitung Leistung bringt

So testet man optische Verbindungen

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Andreas Donner

Optische Netzwerke bieten viel Performance – aber auch viele Problemstellen. Testen hilft, Fehler zu vermeiden.
Optische Netzwerke bieten viel Performance – aber auch viele Problemstellen. Testen hilft, Fehler zu vermeiden. (Bild: alphaspirit - Fotolia.com)

Mit der Ausbreitung von optischen Transportnetzen mit 40/100G und dem Fokus auf neuartigen Netzservices, die bei ihrer Auslieferung die Netze von mehr als einem Provider durchlaufen, steigen auch die Ansprüche an die Tests, die beim Aufbau und vor der Inbetriebnahme nötig sind.

Um die Datenmassen der Zukunft zu bewältigen, müssen Netze immer schneller werden. 40 und auch 100 GbE haben den Laborstatus längst verlassen und bewähren sich in der Praxis. Allerdings ist das Testen des Netzwerks umso diffiziler, je schneller die Verbindungen werden. Dies gilt für die Tests an Verbindungen selbst und auch an deren Endpunkten.

Erste Voraussetzung ist, dass Fasern und Verbindungen zwischen Fasern sauber sind. Schon kleine Kratzer, Partikel oder Brüche in der Umhüllung können die Übertragungsqualität signifikant verringern. Das wird optisch geprüft, entweder per Mikroskop oder aber mit entsprechenden integrierten Messgeräten. Notfalls muss die Faser gereinigt werden. Nicht mehr verwendbare Konnektoren sind auszuwechseln.

Entscheidend für die Decodierbarkeit von Signalen ist das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR). Traditionell wird es gemessen, indem zwei Signaltäler durch eine Linie miteinander verbunden werden und der Abstand dieser Linie zur darüber liegenden Signalspitze gemessen wird. Allerdings sind diese Messungen für Next-Generation-Networks zu ungenau. Denn hier werden regelmäßig Filter eingesetzt, beispielsweise regulierbare optische Add-Drop-Multiplexer (ROADMs). Sie filtern meist nicht nur das Signal, sondern auch einen Teil des Rauschens aus. Dann wird zu wenig Rauschen gemessen.

Zudem überlagern sich in 40G- und 100G-Netzen die Wellenberge, sodass das Tal zwischen den einzelnen Wellenbergen vom Messgerät übersehen und das Rauschniveau deshalb viel zu hoch eingeschätzt wird. Daher arbeitet die IEC (IEC/TR 61282-10) aktuell an einer neuen Messmethode, die diese sogenannte In-Band-Noise mit berücksichtigt. Diese Methode liefert auch genauere Messergebnisse, wenn, wie in 40G- und 100G-Netzen üblich, Polarisationsmultiplexing verwendet wird. Für genaue Polarisationsmessungen eignet sich die klassische, oben beschriebene Messmethode nicht. Es gibt inzwischen aber bereits Messgeräte, etwa von Exfo, die IEC/TR 61282-10 berücksichtigen.

Signal-Rausch-Verhältnis

Unter anderem könnten zwei Parameter schuld sein, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis nicht stimmt: Die chromatische und die Polarisationsmodendispersion. Für erstere, abgekürzt, CD, empfiehlt das Optical Internetworking Forum (OIF) bei Kurzstrecken maximale Werte von 2000 ps/km*nm, für Langstrecken bis zu 40.000 ps/km*nm, also Pikosekunden Verschiebung pro Kilometer Faserlänge und Nanometer Wellenlängenunterschied. Man versucht diese in Glasfasern durch geeignete digitale Signalprozessoren auszugleichen. Das ist jedoch, zum Beispiel beim Einbau in bestehende Installationen, nicht immer möglich.

Tests gemäß IEC/TR 61282-10 berücksichtigen den lokal unterschiedlichen Rauschlevel in schnellen optischen Netzen, die mit regelbaren Add-Drop-Multiplexern oder sich überlagernden Wellen arbeiten.
Tests gemäß IEC/TR 61282-10 berücksichtigen den lokal unterschiedlichen Rauschlevel in schnellen optischen Netzen, die mit regelbaren Add-Drop-Multiplexern oder sich überlagernden Wellen arbeiten. (Bild: Exfo)

Da sich die Ursache, eine lokale Erhitzung des Mediums beim Codierungsvorgang nicht verhindern lässt, bleibt eine Restdispersion bestehen, die in 100-G-Netzen zur leitungsüberschreitenden Phasenmodulation (Cross-Phase Modulation, XPM) führen kann. Dies deshalb, weil die schnellen Verbindungen mit DP-QPSK (Dual Polarization State Phase Modulation) codiert sind. Je länger die Verbindung, desto stärker der Effekt. Das bewirkt wiederum mehr Rauschen. Mit moderner Messtechnik lässt sich die chromatische Dispersion feststellen und betroffene Verbindungen können entsprechend mit Ausgleichsmechanismen ausgestattet oder kalibriert werden – notfalls dadurch, dass man nicht jeden möglichen Übertragungskanal belegt.

Die Polarisationsmodendispersion (PMD) beschreibt, dass sich Licht bei unterschiedlicher Polarisation in einem Leiter unterschiedlich schnell ausbreitet. Sie wird häufig zusammen mit der chromatischen Dispersion durch geeignete Signalverarbeitung ausgeglichen. Manchmal jedoch funktioniert dies aus unterschiedlichen Gründen nicht, zum Beispiel bei schnellen, abrupten Veränderungen des Polarisationsstatus. Auch Vibrationen in den Fasern, zum Beispiel wenn Fasern in der Luft, unter Brücken, an Straßen etc. verlegt sind, können mechanisch PMD hervorrufen. Daher sollte die PMD auf jeden Fall gemessen werden.

Vom Kanal- zum Servicetest

Jeder CFP-gesteuerte (CFP, C form factor pluggable) parallele Übertragungskanal muss für sich auf Sende- und Empfangslevel, Frequenz, positive und negative Frequenzverschiebung, und die Bitfehlerrate getestet werden. Dabei wird für die Bitfehlerrate meist auch ein Dauertest über 24 Stunden durchgeführt. Dazu kommt ein Test des Verzögerungsunterschiedes zwischen Paketen, die auf unterschiedliche Übertragungskanäle verteilt sind. Fehlerhafte CFPs werden ausgewechselt.

Beim Aufbau der Verbindung wird diese durch mehrere Traces, also bestimmte Testübertragungen in festgelegter Reihenfolge, auf Funktionieren geprüft. Die Tests liefern Informationen über spezifische Quell- und Zielports, dazu kommen Betreiber-spezifische Informationsfelder zu weiteren Details. Werden alle Felder sauber übertagen, ist die Verbindung in Ordnung.

Komplette Ethernet-Services, die über optische Netze laufen, lassen sich gemäß ITU-T Y.1564 testen. Für diese Services definiert der Betreiber im Rahmen einer QoS-Vereinbarung eine immer zu erreichende Mindest-Übertragungsrate (CIR, Committed Information Rate) und eine maximal erreichbare Übertragungsrate (Excess Information Rate, EIR). Verkehr, der die EIR überschreitet, sollte nicht übertragen werden, um nicht die für andere Kunden verfügbare Bandbreite zu beeinträchtigen.

EtherSAM

ITU-T Y.1564 erfasst in einem Testdurchgang alle Parameter, die nötig sind, um festzustellen, ob ein Service funktioniert. Sie ist auch unter der Bezeichnung EtherSAM bekannt. Entscheidend für das Funktionieren solcher Services sind die Bandbreite, die Latenz, die Paketverlustrate und die Schwankungsrate zwischen der Verzögerung unterschiedlicher Pakete (Jitter). Letztere ist besonders wichtig bei der Echtzeitübertragung, beispielsweise von Sprache oder Video. Die wichtigsten Fehlerquellen sind die Konfiguration des Services und das Verhalten unter großer Last. Daher werden zwei Tests durchgeführt: ein Konfigurationstest und ein Leistungstest.

Der Konfigurationstest erfolgt für jeden Service getrennt. Jeder Dienst wird zunächst bis zur CIR hochgefahren. Wird dabei die CIR nicht erreicht, gilt dies als Fehler. Anschließend wird das Datenvolumen bis zur EIR erhöht. Da die EIR nicht zugesagt ist, darf sie unterschritten werden, die CIR allerdings auch während des EIR-Tests nicht. Nun werden mehr Daten als in der EIR festgelegt versendet. Überträgt der Service die Daten statt sie abzuwerfen, gilt dies ebenfalls als Fehler, da im Echtbetrieb die Verbindungen anderer Kunden beeinträchtigt würden. Schließlich findet ein Burst-Test statt, mit dem geprüft wird, ob eine plötzliche Lastspitze mit möglichst wenig Paketverlusten übertragen wird. Hier werden die in den Netzgeräten festgelegten Parameter Committed Burst Rate (CBR) und Excess Burst Rate (EBR) gemessen.

Leistungstest

Nun schließt sich ein Leistungstest an, mit dem unter den Konditionen des realen Dienstes getestet wird, ob der Service alle vereinbarten Qualitätsparameter einhält. Dabei laufen alle für die Verbindung vorgesehenen Services gleichzeitig, um festzustellen, ob sie sich gegenseitig behindern. Die Laufzeit des Leistungstest kann sehr unterschiedlich sein – tage- oder wochenlange Laufzeiten sind nichts Ungewöhnliches, aber auch eine Dauer von nur wenigen Sekunden ist möglich. Erst wenn alle diese Verbindungs- und Servicetests erfolgreich abgeschlossen sind, steht einer Aufnahme des Echtbetriebs nichts mehr im Weg.

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