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 können mehrere Signale im selben Übertragungsmedium koexistieren und unterschiedliche Parameter oder Dimensionen nutzen, um eine gleichzeitige Übertragung ohne gegenseitige Beeinflussung zu gewährleisten.

 

Die derzeit vorherrschenden Netzwerk-Multiplextechnologien umfassen Wellenlängenmultiplex (WDM), Zeitmultiplex (TDM), Frequenzmultiplex (FDM) und Codemultiplex (CDM). Die folgende Diskussion bietet eine umfassende Einführung in diese Technologien.

 

Was ist Wellenlängenmultiplex?

 

Wellenlängenmultiplex (WDM) ist eine Multiplextechnik für optische Netzwerke. Sie erhöht die Bandbreite durch die Zusammenführung mehrerer optischer Trägersignale und deren Übertragung über eine einzige Glasfaser mit unterschiedlichen Wellenlängen. Jedes Signal, das mit WDM-Wellenlängen arbeitet, ist unabhängig von einem bestimmten Protokoll oder einer bestimmten Geschwindigkeit. Die WDM-Technologie ermöglicht die gleichzeitige bidirektionale Kommunikation über eine einzige Glasfaser und optimiert die Netzwerkinfrastruktur zu einem einheitlichen virtuellen Glasfasernetz. Diese Konsolidierung macht verschiedene Glasfasertypen und -dienste überflüssig, was die Bandbreite erhöht und die Netzwerkkosten durch den geringeren Glasfaserbedarf senkt.

 

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 einzigen Glasfaser, unterscheiden sich jedoch in Wellenlängenabstand, Kanalanzahl und der Fähigkeit, Multiplexsignale im optischen Raum zu verstärken. In einem WDM-System werden verschiedene optische Signale an einem Ende der Glasfaser zusammengeführt (multiplext) und am anderen Ende in einzelne Kanäle getrennt (demultiplext).

Was ist Zeitmultiplex?

 

Beim Zeitmultiplexverfahren (TDM) werden verschiedene Signale in Zeitschlitze aufgeteilt und entsprechend dieser Zeitschlitze sequenziell übertragen. In der optischen Kommunikation ist das optische Zeitmultiplexverfahren (OTDM) eine Netzwerk-TDM-Variante, die die Zeitauflösung optischer Impulse nutzt, um optische Signale im Zeitmultiplexverfahren zu übertragen.

 

OTDM multiplext gezielt mehrere optische Kanäle mit niedriger Bitrate innerhalb einer festgelegten elektrischen Taktperiode und erhöht so die Übertragungsgeschwindigkeit. Dabei wird der Zeitrahmen in Slots unterteilt, die jeweils einem Nachrichtensignal zugeordnet sind, wobei die langsamen Kanäle an bestimmten Positionen synchronisiert werden. Durch die zeitliche Segmentierung und Verschachtelung verschiedener optischer Kanäle ermöglicht OTDM effektives Netzwerk-Multiplexing mehrerer Signale.

 

Die optische Impulsbreite wird typischerweise reduziert, um mehr Kanäle innerhalb einer festen Taktperiode unterzubringen. Diese Reduzierung schafft zusätzlichen Spielraum für die Bitrate, verringert dadurch das Übersprechen zwischen den Kanälen und führt aufgrund der kürzeren Impulsbreite zu einer erhöhten Dispersion über längere Distanzen. Daher sind eine transformbegrenzte Impulserzeugung und eine Dispersionsneigungskompensation unerlässlich, um den Dispersionseffekt beim optischen Zeitmultiplex (OTDM) zu mildern.

Was ist Raummultiplex?

 

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 MIMO-Systemen (Multi-Input Multi-Output) eingesetzt, die sowohl sender- als auch empfängerseitig mindestens zwei Antennen nutzen. MIMO-Signalverarbeitung wird in modernen kohärenten optischen Übertragungssystemen mit Polarisationsmultiplex (PDM) über Standard-Singlemode-Fasern umfassend eingesetzt. Der Einsatz von Multicore- und Multimode-Fasern ermöglicht erweiterte Übertragungsdistanzen und hohe Datenraten mit hochdichtem SDM.

 

Die Raummultiplextechnologie eröffnet neue Möglichkeiten zur Kapazitätssteigerung optischer Kabelübertragungssysteme. In den letzten Jahren wurde an der Integration dieser Technologie in optische Unterseekabel geforscht, um die Übertragungskapazität zu erhöhen.

 

Vergleich der WDM-, TDM- und SDM-Erweiterungsmethoden

 

SDM

 

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

 

Die Technologie zur Herstellung optischer Kabel hat mit der weit verbreiteten Verwendung von mehradrigen Glasfaserkabeln einen hohen Reifegrad erreicht. Fortschrittliche Glasfaserverbindungstechnologie vereinfacht die Bauprozesse. Eine zunehmende Anzahl von Glasfasern erschwert jedoch zwangsläufig die Kabelverlegung und -wartung. Benötigen die bestehenden Glasfasertunnel mehr Glasfasern, müssen zusätzliche Kabel verlegt werden, um die Kapazität zu erweitern. Dies führt zu steigenden Engineering-Kosten und einer ineffizienten Nutzung der Glasfaserbandbreite. Die ständige Verlegung neuer Glasfasern ist für den Ausbau von Kommunikationsnetzen unpraktisch, insbesondere angesichts der Herausforderungen bei der genauen Einschätzung des anfänglichen Projektbedarfs und des Glasfaserbedarfs. Daher sind die Möglichkeiten zur Kapazitätserweiterung im SDM stark eingeschränkt.

 

CT

 

TDM ist auch eine weit verbreitete Methode zur Kapazitätserweiterung, beispielsweise durch Multiplexing von der primären zur vierten Gruppe des traditionellen PDH und der aktuellen SDH-Standards, darunter STM-1, STM-4, STM-16 und STM-64. Diese Technologie steigert die Kapazität optischer Übertragungsinformationen durch Duplikation effektiv und reduziert so die Schaltungskosten für Geräte und Leitungen erheblich. Darüber hinaus vereinfacht diese Netzwerk-Multiplextechnik die Extraktion spezifischer digitaler Signale aus Datenströmen und eignet sich daher besonders für Netzwerke mit selbstheilenden Ringschutzstrategien.

 

Das TDM-MUX-Verfahren hat jedoch zwei Nachteile. Erstens beeinträchtigen Upgrades die Dienste. Um höhere Übertragungsraten zu erreichen, ist ein vollständiger Austausch von Netzwerkschnittstellen und -geräten erforderlich, was während des Upgrade-Prozesses zu Geräteunterbrechungen führt. Zweitens mangelt es bei Upgrades an Flexibilität. Werden beispielsweise in SDH-Systemen zwei 155-Mbit/s-Kanäle innerhalb eines Systems mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 155 Mbit/s benötigt, besteht die einzige Möglichkeit darin, das System auf 622 Mbit/s aufzurüsten, selbst wenn zwei 155-Mbit/s-Kanäle ungenutzt bleiben.

 

Derzeit sind TDM-Geräte mit höherer Übertragungsrate mit hohen Kosten verbunden, und die 40-Gbit/s-TDM-Geräte haben die Übertragungsgrenze der elektronischen Komponenten erreicht. Selbst bei einer Übertragungsrate von 10 Gbit/s führen nichtlineare Effekte in verschiedenen Glasfasern zu Übertragungseinschränkungen.

 

Während die TDM-MUX-Technologie üblicherweise zur Kapazitätserweiterung durch schrittweise Erhöhung der Systemraten eingesetzt wird, werden bei Erreichen bestimmter Raten die durch Komponenten und Leitungsmerkmale bedingten Einschränkungen deutlich, was die Untersuchung alternativer Lösungen erforderlich macht.

 

Sowohl in SDM- als auch in TDM-basierten Übertragungsnetzen wird zur Kapazitätserweiterung üblicherweise die traditionelle PDH- oder SDH-Technologie eingesetzt, bei der optische Signale auf einer einzigen Wellenlänge übertragen werden. Dieses Verfahren führt jedoch zu einer erheblichen Unterauslastung der optischen Kapazität, da die Bandbreite von Glasfaser die des derzeit genutzten Einwellenkanals bei weitem übersteigt. Infolgedessen besteht die Gefahr einer Netzüberlastung, während erhebliche Netzwerkressourcen ungenutzt bleiben.

 

WDM

 

Wellenlängenmultiplex (WDM) nutzt die große Bandbreite verlustarmer Singlemode-Fasern optimal zur Datenübertragung. Dies wird durch die Zusammenführung optischer Signale unterschiedlicher Wellenlängen erreicht. Diese digitalen Signale werden über optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen übertragen und können entweder dieselbe Rate und dasselbe Protokollformat oder unterschiedliche Raten und Protokolle aufweisen. Die Netzwerkkapazität kann durch die Integration zusätzlicher Wellenlängenfunktionen an die Benutzeranforderungen angepasst werden. Die WDM-Technologie reduziert effektiv Faserdispersion und nichtlineare Effekte bei Raten unter 2.5 Gbit/s und erfüllt so unterschiedliche Anforderungen an Übertragungskapazität und Entfernung. Der Nachteil von WDM liegt jedoch in der Abhängigkeit von zahlreichen Glasfaserkomponenten, was die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht.

 

Fazit

 

Dieser Artikel stellt drei gängige Multiplexing-Technologien in der optischen Kommunikation vor: WDM, TDM und SDM. Diese Netzwerk-Multiplexing-Technologien sind entscheidend für eine effiziente Datenübertragung.

Von diesen Multiplexing-Technologien ist WDM die am weitesten verbreitete in der optischen Kommunikation. Für eine optimale Übertragungsleistung wird häufig die Kombination dieser Techniken in Glasfasernetzen empfohlen.