Ein Vergleich verschiedener Multiplexing-Technologien: WDM, TDM, SDM

Überblick über Multiplexing-Technologien

Multiplexing ist der Eckpfeiler des Ausbaus der Glasfaser-Kommunikationsinfrastruktur. Es ermöglicht die Übertragung zahlreicher unabhängiger Signale innerhalb eines einzigen Kommunikationskanals und optimiert so die Kanalauslastung. Durch Multiplexing koexistieren mehrere Signale im selben Übertragungsmedium, wobei unterschiedliche Parameter oder Dimensionen genutzt werden, um eine gleichzeitige Übertragung ohne gegenseitige Störungen sicherzustellen.

Derzeit umfassen die vorherrschenden Netzwerk-Multiplexing-Technologien Wavelength Division Multiplexing (WDM), Time Division Multiplexing (TDM), Frequency Division Multiplexing (FDM) und Code Division Multiplexing (CDM). Die folgende Erläuterung wird eine umfassende Einführung in diese Technologien geben.

Was ist Wavelength Division Multiplexing?

Wavelength Division Multiplexing (WDM) ist eine Multiplextechnik für optische Netzwerke, die die Bandbreitenkapazität erhöht, indem mehrere optische Trägersignale zusammengeführt und über eine einzelne Glasfaser mit unterschiedlichen Wellenlängen übertragen werden. Jedes Signal, das mit WDM-Wellenlängen arbeitet, bleibt unabhängig von einem bestimmten Protokoll oder einer bestimmten Geschwindigkeit. Die WDM-Technologie ermöglicht die gleichzeitige bidirektionale Kommunikation über eine einzelne Glasfaser und vereinfacht die Netzwerkinfrastruktur zu einem einheitlichen virtuellen Glasfasernetzwerk. Diese Konsolidierung macht mehrere Fasertypen und Dienste überflüssig, stärkt dadurch die Bandbreite und senkt die Netzwerkkosten durch die Reduzierung des Faserbedarfs.

Das Wavelength Division Multiplexing (WDM)-System umfasst zwei unterschiedliche Wellenlängenmuster: Coarse Wave Division Multiplexing (CWDM) und Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). CWDM und DWDM nutzen mehrere Lichtwellenlängen auf einer einzelnen Faser, unterscheiden sich jedoch in Wellenlängenabstand, Kanalanzahl und der Fähigkeit, multiplexierte Signale im optischen Bereich zu verstärken. Innerhalb eines WDM-Systems werden verschiedene optische Signale an einem Ende der Glasfaser zusammengeführt (multiplexiert) und anschließend am gegenüberliegenden Ende in getrennte Kanäle aufgeteilt (demultiplexiert).

Was ist Zeitmultiplexing?

Time Division Multiplexing (TDM) umfasst die Aufteilung verschiedener Signale in Zeitschlitze und deren sequenzielle Übertragung entsprechend diesen Zeitschlitzen. In der optischen Kommunikation ist Optical Time-Division Multiplexing (OTDM) eine Netzwerk-TDM-Variante, die die zeitliche Auflösung optischer Impulse nutzt, um Zeitmultiplexing optischer Signale zu erreichen.

OTDM multiplext gezielt mehrere optische Kanäle mit niedriger Bitrate innerhalb einer festgelegten elektrischen Taktperiode und erhöht dadurch die Übertragungsgeschwindigkeit. Dieser Prozess umfasst die Aufteilung des Zeitrahmens in Zeitschlitze, von denen jeder für ein Nachrichtensignal vorgesehen ist, wobei Niedriggeschwindigkeitskanäle mit bestimmten Positionen synchronisiert werden. Durch die zeitliche Segmentierung und Verschachtelung verschiedener optischer Kanäle auf Zeitbasis erreicht OTDM effektiv das Netzwerk-Multiplexing mehrerer Signale.

Die optische Pulsbreite wird typischerweise reduziert, um mehr Kanäle innerhalb einer festen Taktperiode unterzubringen. Diese Reduzierung schafft zusätzlichen Spielraum für die Bitrate, verringert dadurch das Übersprechen zwischen Kanälen und führt aufgrund der kürzeren Pulsbreite über größere Entfernungen zu erhöhter Dispersion. Folglich sind die Erzeugung transformationsbegrenzter Pulse und die Kompensation der Dispersionssteigung wesentlich, um den Dispersionseffekt beim Optical Time-Division Multiplexing (OTDM) zu mindern.

Was ist Raummultiplexing?

Space Division Multiplexing (SDM) ist eine Technologie, die räumliche Dimensionen nutzt, um verschiedene Datenströme gleichzeitig über parallele räumliche Kanäle zu übertragen. Dieser Ansatz wird häufig in Multi-Input-Multi-Output-(MIMO)-Systemen verwendet, die mindestens zwei Antennen sowohl am Sender- als auch am Empfängerende nutzen. Die MIMO-Signalverarbeitung wird in modernen kohärenten optischen Übertragungssystemen mit Polarization Division Multiplexing (PDM) über standardmäßige Singlemode-Fasern umfassend eingesetzt. Strategien mit Multi-Core- und Multi-Mode-Fasern werden die Realisierung größerer Langstrecken-Übertragungsdistanzen und hoher Datenraten mit hochdichtem SDM ermöglichen.

Das Aufkommen der Space-Division-Multiplexing-Technologie stellt einen neuen Weg zur Erhöhung der Kapazität optischer Kabelübertragungssysteme dar. In den letzten Jahren wurde kontinuierlich daran geforscht, diese Technologie in submarine optische Kabel zu integrieren, um die Übertragungskapazität zu erweitern.

Vergleich der Erweiterungsmethoden WDM, TDM und SDM

SDM

Der SDM-Methodenansatz erhöht die Übertragungskapazität linear durch das Hinzufügen von Glasfasern, was zu einer proportionalen Zunahme der Übertragungsausrüstung führt.

Die Herstellungstechnologie für optische Kabel hat durch den weit verbreiteten Einsatz von Mehrkern-Band-Glasfaserkabeln einen hohen Reifegrad erreicht. Fortschrittliche Glasfaserverbindungstechnologie hat die Bauprozesse vereinfacht. Eine Erhöhung der Anzahl optischer Fasern erschwert jedoch zwangsläufig die Kabelverlegung und Wartung. Wenn die bestehenden Glasfaserkabeltunnel mehr Fasern benötigen, müssen zusätzliche Kabel verlegt werden, um die Kapazität zu erweitern, was zu steigenden Engineering-Kosten und einer ineffizienten Nutzung der Faserbandbreitenressourcen führt. Das ständige Verlegen neuer Fasern ist für den Ausbau von Kommunikationsnetzen unpraktisch, insbesondere angesichts der Herausforderungen bei der genauen Schätzung des anfänglichen Projektbedarfs und der Faseranforderungen. Folglich ist die Kapazitätserweiterungsmethode in SDM stark eingeschränkt.

TDM

TDM ist ebenfalls eine weit verbreitete Methode zur Kapazitätserweiterung, beispielsweise durch Multiplexing von der Primärgruppe bis zur vierten Gruppe des traditionellen PDH und den aktuellen SDH-Standards, einschließlich STM-1, STM-4, STM-16 und STM-64. Diese Technologie erhöht die Kapazität der optischen Übertragungsinformationen durch Duplizierung effektiv und senkt die Schaltungskosten bei Geräten und Leitungen erheblich. Darüber hinaus vereinfacht sie die Extraktion spezifischer digitaler Signale aus Datenströmen über diese Netzwerk-Multiplexing-Technik und ist damit besonders geeignet für Netzwerke, die selbstheilende Ring-Schutzstrategien einsetzen.

Die TDM-MUX-Methode bringt jedoch zwei Nachteile mit sich. Erstens wirken sich Upgrades auf Dienste aus. Um höhere Datenraten zu erreichen, ist ein vollständiger Austausch von Netzwerkschnittstellen und Geräten erforderlich, was während des Upgrade-Prozesses zu Unterbrechungen an den Geräten führt. Zweitens fehlt es bei Datenraten-Upgrades an Flexibilität. Beispielsweise ist in SDH-Systemen, wenn innerhalb eines Systems, das mit einer Leitungsrate von 155Mbit/s betrieben wird, zwei 155Mbit/s-Kanäle benötigt werden, die einzige Option, das System auf 622Mbit/s aufzurüsten, selbst wenn zwei 155Mbit/s-Kanäle ungenutzt bleiben.

Derzeit ist TDM-Ausrüstung mit höheren Datenraten mit hohen Kosten verbunden, und die 40Gbit/s-TDM-Ausrüstung hat die Geschwindigkeitsgrenze elektronischer Komponenten erreicht. Selbst bei der 10Gbit/s-Rate stellen nichtlineare Effekte in verschiedenen Glasfasern Übertragungsbeschränkungen dar.

Während die TDM-MUX-Technologie häufig zur Kapazitätserweiterung durch schrittweise Erhöhung der Systemraten eingesetzt wird, werden die durch Komponenten und Leitungseigenschaften auferlegten Einschränkungen deutlich, sobald sich die Raten bestimmten Niveaus nähern, was die Suche nach alternativen Lösungen anstößt.

In sowohl SDM- als auch TDM-basierten Übertragungsnetzen zur Kapazitätserweiterung wird in der Regel traditionelle PDH- oder SDH-Technologie eingesetzt, bei der optische Signale auf einer einzelnen Wellenlänge übertragen werden. Diese Methode führt jedoch zu einer erheblichen Unterauslastung der optischen Kapazität, da die Bandbreite von Glasfasern die des derzeit verwendeten Einzelwellenlängenkanals bei Weitem übersteigt. Folglich entstehen Bedenken hinsichtlich einer Netzüberlastung, während beträchtliche Netzwerkressourcen ungenutzt bleiben.

WDM

Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) nutzt die große Bandbreite innerhalb verlustarmer Bänder von Singlemode-Fasern optimal zur Datenübertragung. Dies wird durch die Zusammenführung optischer Signale mit unterschiedlichen Raten (Wellenlängen) erreicht. Diese digitalen Signale, die über optische Signale verschiedener Wellenlängen übertragen werden, können entweder dieselbe Rate und dasselbe Protokollformat gemeinsam nutzen oder unterschiedliche Raten und Protokolle aufweisen. Die Netzwerkkapazität kann durch die Integration zusätzlicher Wellenlängenfunktionen an die Anforderungen der Benutzer angepasst werden. Die WDM-Technologie reduziert effektiv die Faserdispersion und nichtlineare Effekte bei Raten unter 2.5Gb/s und erfüllt unterschiedliche Anforderungen an Übertragungskapazität und -entfernung. Der Nachteil von WDM liegt jedoch in der Abhängigkeit von zahlreichen Faserkomponenten, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit steigt.

Fazit

Dieser Artikel stellt drei weit verbreitete Multiplexing-Technologien in der optischen Kommunikation vor: WDM, TDM und SDM. Diese Netzwerk-Multiplexing-Technologien sind entscheidend für die Ermöglichung einer effizienten Datenübertragung.

Von diesen Multiplexing-Technologien sticht WDM als die in der optischen Kommunikation am weitesten verbreitete hervor. Die Kombination dieser Techniken innerhalb von Glasfasernetzen wird häufig empfohlen, um eine optimale Übertragungsleistung zu erzielen.