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12.02.1999 - 

Photonen sollen für Bandbreite sorgen

Photonen sollen für Bandbreite sorgen Physikalische Tricks steigern Durchsatz optischer Netze

MÜNCHEN (hi) - Hohe Kosten, explodierender Bandbreitenbedarf - beide Probleme soll die Technologie Wavelength Division Multiplexing (WDM) lösen. Auf dem Weg zu den optischen Netzen der Zukunft sind jedoch noch einige Schwierigkeiten zu überwinden.

Photonentorpedos, Photonenantrieb...: Was früher vor allem zum Repertoire der Sciene-fiction-Freunde gehörte, beschäftigt mittlerweile Netzdesigner und Carrier. Mit Photonennetzen wollen sie schier unerschöpfliche Bandbreiten zur Verfügung stellen und eine immer weitergehende Vernetzung ermöglichen. Der Einstieg in Photonennetze soll den Carriern endlich die Technologie in die Hand geben, mit der sie den explodierenden Bandbreitenbedarf mit finanziell vertretbaren Mitteln in den Griff bekommen können.

Derzeit, so amerikanische Berechnungen, verdoppelt sich der Bandbreitenbedarf in den USA etwa alle vier Monate. In knapp zwei Jahren dürfte das auch in Europa der Fall sein. Bezogen auf die Bundesrepublik Deutschland würde dies, konservativ gerechnet, bedeuten, daß statt heute 20 Gbit/s spätestens im Jahr 2002 rund 220 Gbit/s über die Datenstrecken des Landes transportiert werden.

Hinter dem noch futuristisch anmutenden Begriff Photonik versteckt sich nichts anderes als der Übergang von den heutigen opotoelektronischen zu rein optischen Netzen. Hierbei stützen sich die Forscher auf zwei elementare Ideen. Zum einen ist das der Einsatz von rein optischen Netzkomponenten. Zum anderen bedienen sich die Netzplaner eines ebenso einfachen wie genialen Tricks der Physik. Vereinfacht ausgedrückt, wollen sie künftig über eine Glasfaser nicht nur Licht mit einer Wellenlänge (= Farbe, beispielsweise Weiß) verschicken, sondere mehrere Wellenlängen (etwa die Farben Blau, Grün, Rot etc.) verwenden. Da jede Lichtwellenlänge eine bestimmte Menge an Daten transportiert, läßt sich mit diesem Kniff der Datendurchsatz der bereits verlegten Glasfasern um das n-fache steigern, wobei n für die Anzahl der verwendeten Farben steht. Da es viele Millionen Farben gibt, sind der Bandbreite praktisch keine Grenzen mehr gesetzt.

Daß WDM nicht schon früher entwickelt wurde, hat einen technischen Grund. Bis vor kurzem konnten die Hersteller in der Massenproduktion keine Laser mit einem genau definierten Frequenzspektrum produzieren. So war es mehr oder weniger Glücksache, wenn es ihnen gelang, unter hundert gefertigten Geräten zwei Laser herzustellen, die genau das gleiche Licht erzeugten. Eine genau definierte Lichtfrequenz der Laser ist jedoch eine der Grundvoraussetzungen, um Laserlicht mit verschiedenen Farben durch ein und dieselbe Glasfaser zu schicken und somit die Durchsatzleistung hochzuschrauben.

Nachdem dieses Problem gelöst ist, steht nun der Erhöhung der Bandbreiten durch den Versand von Licht mit verschiedenen Frequenzen über eine der bereits verlegten Monomode-Fasern nichts mehr entgegen. Ohne also in neue Glasfaser-Infrastrukturen zu investieren, läßt sich so die Übertragungskapazität der vorhandenen Verbindungen verbessern. Physikalisch ist das nichts Neues. Marketing-orientierte amerikanische Branchenvertreter feiern das Verfahren unter der neuen Bezeichnung WDM aber, als hätten sie gerade das Rad erfunden.

Um jedoch die Vision der unerschöpflichen Bandbreiten auf bestehenden Infrastrukturen zu realisieren, ist noch eine weitere Hürde zu nehmen. Die heute in den Glasfasernetzen verwendeten optoelektronischen Bauelemente sind zu langsam. Vor allem die sehr teure Elektronik hält bei diesem Leistungssprung nicht mit. Photonennetze brauchen eine neue Generation von Multiplexern und Regeneratoren zum Bündeln und Verstärken der Lichtsignale. Diese neuen Komponenten verzichten auf die teure und langsame Elektronik und sollen künftig auf rein optischer Basis funktionieren. Dazu setzen die Netzkonstrukteure teilweise auf die Erkenntnisse der Mikromechanik. Ein wichtiger Entwicklungsschritt gelang kürzlich einer Forschergruppe des Heinrich-Hertz-Instituts in Berlin mit der Entwicklung eines optischen Schaltmoduls für Kommunikationsnetze. Die Wissenschaftler, die für ihre Arbeit mit dem Philip-Morris- Forschungspreis 1999 ausgezeichnet wurden, bauten ein Modul, das Signale binnen Pikosekunden (Billionstel- Sekunden) verarbeitet.

Das Modul wurde bisher in den Funktionen eines optischen Demultiplexers und eines optischen Add/Drop-Multiplexers (ADM) getestet. Mit einem Demultiplexer können Datenströme zerlegt werden, mit einem ADM kann man jedes Bit eines hochratigen Datenstroms durch ein Bit eines anderen Datenstroms ersetzen. Auf einem optischen Chip integriert, wäre das Schaltmodul dann für die kommerzielle Herstellung von WDM-Komponenten verwertbar.

Angesichts der heute noch ungeklärten Komponentenfrage waren sich die Experten auf der vom International Institute of Re- search (IIR) veranstalteten Fachkonferenz "Glasfasernetze und WDM" weitgehend einig, daß bis zur Realisierung echter optischer Netze noch fünf bis zehn Jahre ins Land gehen werden. Nimmt man jedoch von der Maximalforderung eines rein optischen Netzes Abstand, so lassen sich die Vorteile der WDM-Technik schon heute nutzen. Auf Teilstrecken eines Netzes, als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ausgelegt, ist bereits eine Steigerung des Datendurchsatzes möglich. Ein Beispiel hierfür ist die Gigabit-Teststrecke des Deutschen Forschungsnetzes (DFN). Von München über Erlangen nach Berlin haben die Wissenschaftler gemeinsam mit der Telekom eine WDM-Infrastruktur aufgebaut. Auf einer einzigen Glasfaser offerieren drei Kanäle jeweils eine Bandbreite von 2,5 Gbit/s. Zwei der Kanäle verwenden die Forscher für superschnelle ATM- Verbindungen. Der dritte Kanal ist noch frei, könnte aber beispielsweise für auf verschiedene Standorte verteiltes Supercomputing verwendet werden. Weit voneinander entfernt stehende Hochleistungsrechner verschiedener Standorte könnten mit WDM-Technik zu einem einzigen Großrechner zusammengeschaltet werden.

Ein anderes kommerzielles Anwendungsszenario könnte laut Peter Kaufmann vom DFN-Verein Berlin etwa der Online-Verbund zwischen einer Münchner Multimedia-Firma und ihrem Gegenpart in Berlin- Babelsberg sein. Die beiden Partner, die komplexe Videoanimationen entwickeln, tauschen ihre Daten zur Zeit via Lufthansa-Jets aus, da die erforderlichen Netzbandbreiten bisher unbezahlbar wären.

Aus Kostengründen hofft auch Unisource Carrier Services, eine Tochter der niederländischen Unisource, auf eine baldige Einführung der WDM-Technologie in Europa. Das Unternehmen, das anderen Telefongesellschaften Netzbandbreiten verkauft, glaubt mit Hilfe von WDM gleichzeitig Sprach- und Internet-Kapazitäten vermieten zu können, ohne in neue Leitungen investieren oder die Bandbreite von Dritten anmieten zu müssen.

Ein anderes Szenario ist für Andreas Gladisch, Leiter Forschungsgruppe Qualität und Management optischer Netze bei der Deutschen Telekom in Berlin, der Einsatz von WDM als Transportnetz im Terabit-Bereich. Zugleich würde Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) als Zugangstechnologie die privaten Haushalte flächendeckend mit 2 Mbit/s zum Internet-Surfen versorgen.

Bis es soweit ist, sind jedoch noch einige offene Fragen zu lösen. So hat Europa gegenüber den USA mit einem Handicap zu kämpfen: Die in den USA eingesetzte Opaque-Technik rechnet sich in der alten Welt aus betriebswirtschaftlicher Sicht nicht. Mit Opaque lösen die Amerikaner das Problem der noch fehlenden optischen Komponeten. Der Begriff bezeichnet die optisch-elektronisch- optische Wandlung der WDM-Daten in den Schaltknoten eines Netzes. Die Technik zerlegt ein Netz in einzelne WMD-Punkt-zu-Punkt- Systeme. Wirtschaftlich sinnvoll ist dies aber nur in großen Flächenstaaten wie den USA, wo die Daten über weite Entfernungen transportiert werden. Im dicht besiedelten Europa mit seinen zahlreichen Metropolen und Wirtschaftszentren, die eine entsprechend hohe Anzahl an Schaltknoten erfordern, rechnet sich Opaque laut Gladisch kaum.

Trotz der hohen Kosten hat diese Vorgehensweise einen Vorteil: Weil in den einzelnen Schaltknoten SDH-Regeneratoren (SDH = Synchronous Digital Hierarchy) installiert werden, kann über SDH gleichzeitig das Netz-Management erfolgen. Derzeit hat WDM nämlich noch mit dem Nachteil zu kämpfen, daß es über keine spezifizierten Netz-Management-Funktionen verfügt. Überhaupt sind Protokollfragen neben den noch fehlenden optischen Komponenten ein Knackpunkt bei der WDM-Einführung. Ein Problem, das zusätzliche Brisanz erhält, weil Experten überlegen, ob sie WDM nur als reinen Transport-Layer implementieren oder auch in die höheren Netzschichten des OSI- Modells vordringen.

Bandbreiten-Management künftig überflüssig?

Für eine Einbeziehung der höheren Schichten spricht beispielsweise die Ausfallsicherheit der WDM-Technologie und die Möglichkeit, mit Hilfe der optischen Komponenten nötigenfalls bereits auf Transportebene ein kostengünstiges Rerouting vorzunehmen. Damit wären Protokolle wie SDH oder Asynchronous Transfer Mode (ATM) überflüssig. Während die ATM-Befürworter betonen, daß ihr Verfahren wegen seines Bandbreiten-Managements und der Quality of Services notwendig sei, halten die WDM-Anhänger dagegen, daß WDM soviel Bandbreite offeriere, daß auf entsprechende Management- Mechanismen verzichtet werden könne. WDM-Puristen setzen hierbei auf das Internet Protocol (IP) als Standardprotokoll, das mit Hilfe des Point-to-point Protocol (PPP) direkt auf WDM aufsetzt. Zwischenschichten wie Frame Relay, ATM, SDH etc. würden dabei entfallen.

Bei allen noch ungelösten Fragen scheint zumindest eines sicher zu sein: Die Zeiten, in denen hohe Bandbreiten unbezahlbar waren, sind bald endgültig vorbei.