Die Glasfaser Übertragungsverfahren CWDM und DWDM
Im dritten Teil unserer Serie Glasfaser Basiswissen geht es um die beiden optischen Wellenlängenmultiplexverfahren CWDM und DWDM.
Grundsätzliches zum Thema Licht
Jeder kennt eine Naturerscheinung mit dem Namen Regenbogen. Was sieht man da denn eigentlich? Richtig, man sieht verschiedene Farben, hübsch aneinandergereiht, immer in der gleichen Farbreihenfolge. Innen beginnt es mit Blau, geht über Grün und Gelb zum Orange, dann zum Rot und weiter bis zum Violett auf der Außenseite des Halbkreises.
Das, was wir mit unseren menschlichen Augen sehen, ist ein Auszug aus dem Spektrum an Farben aus dem Licht unserer Sonne. Der Effekt der farblichen Aufschlüsselung des weißen Lichts in einem begrenzten Raum wird hervorgerufen durch winzige Wassertropfen, welche wie ein Prisma funktionieren.
Anmerkung: Als Mensch kann man Wellenlängen von circa 400 nm (Nanometern) bis ca. 780 nm mit dem Auge wahrnehmen. Wir sprechen hier vom „sichtbaren“ Licht. Alles andere ist für unsere Augen unsichtbar, z.B. das ultraviolette Licht, welches für Nachtsichtkameras benutzt wird.
Verwendung von Licht als Übertragungsmedium in der Datentechnik
Glasfasern übertragen Daten also nicht als elektrischen Strom, sondern als Lichtsignale. Der entscheidende Vorteil: Licht unterliegt keinen elektromagnetischen Störungen, ist nahezu verlustfrei über große Entfernungen übertragbar und ermöglicht extrem hohe Bandbreiten. Doch wie lässt sich die Kapazität einer einzelnen Glasfaser weiter steigern, ohne dass man physisch weitere Kabel verlegen muss?
Das physikalische Prinzip hinter den modernen Glasfaser-Übertragungsverfahren CWDM und DWDM basiert auf dem Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM). Ähnlich wie weißes Licht durch ein Prisma in sein farbliches Spektrum zerlegt werden kann, nutzen diese Technologien Infrarotlicht im unsichtbaren Bereich von 1200 bis 1650 nm, um mehrere Datenströme parallel zu übertragen.
Die Antwort lautet: Wellenlängenmultiplex, auf Englisch „Wavelength Division Multiplexing“ (WDM). Dabei werden mehrere Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig über eine einzige Glasfaser übertragen – ähnlich wie beim Regenbogen, wo verschiedene Farben nebeneinander existieren, ohne sich gegenseitig zu stören. Am Empfänger werden die einzelnen Wellenlängen wieder aufgetrennt und den jeweiligen Datenpfaden zugeordnet. Man spricht hier von Multiplexen auf der Sendeseite und Demultiplexen auf der Empfangsseite.
Es gibt zwei etablierte Varianten dieses Verfahrens: CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) und DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Beide nutzen dasselbe Grundprinzip, unterscheiden sich jedoch erheblich in Präzision, Kanalanzahl, Reichweite und Kosten.
CWDM
In der Norm ITU-T G.694.2 ist ein Wellenlängenabstand von 20 nm für insgesamt 18 Kanäle im Bereich von 1270 nm bis 1610 nm festgelegt.
Der vergleichsweise große Kanalabstand von 20 nm hat mehrere praktische Konsequenzen: Die Laserdioden, die für CWDM eingesetzt werden, müssen weniger präzise arbeiten und sind daher deutlich kostengünstiger in der Herstellung. Auch die Filterkomponenten, die zum Aufteilen und Zusammenführen der Wellenlängen benötigt werden, sind weniger aufwendig.
CWDM eignet sich besonders gut für kürzere bis mittlere Übertragungsstrecken – in der Praxis typischerweise bis zu 80 km – und wird häufig in Stadtnetzen (Metro-Netzen), Campus-Verbindungen oder für die Anbindung von Rechenzentren eingesetzt. Da keine optischen Verstärker eingesetzt werden können (dazu später mehr), ist die Reichweite naturgemäß begrenzt.
Ein weiterer Vorteil von CWDM: Die Technologie ist passiv, d.h. die Multiplexer und Demultiplexer benötigen keine externe Stromversorgung. Das erhöht die Ausfallsicherheit und reduziert den Betriebsaufwand erheblich.
DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing
In der Norm ITU-T G.694.1 ist der Wellenlängenabstand von 0,8 nm vorgesehen für 40 Kanäle (ITU Kanal C21–C60) und der Wellenlängenabstand von 0,8 nm für 96 Kanäle (ITU Kanal CH15–CH62), wobei die Wellenlängen zwischen 1530,0413 nm und 1624,8914 nm in dem entsprechenden oben aufgeführten Raster benutzt werden.
Der wesentliche Unterschied zu CWDM liegt auf der Hand: Die Kanäle liegen bei DWDM extrem eng beieinander. Das erfordert hochpräzise Laserdioden mit sehr stabiler Wellenlänge – in der Regel temperaturgestabilisiert und mit aufwändiger Regelungstechnik ausgestattet. Die entsprechenden Filter- und Multiplexkomponenten sind ebenfalls deutlich komplexer und teurer.
Wir sehen also auf einen Blick, dass die DWDM-Technologie technisch sehr viel präziser und somit aufwändiger ist als CWDM und dementsprechend auch deutlich teurer. Sie hat aber einen entscheidenden Vorteil gegenüber CWDM.
Erbium-dotierter C-Band Faserverstärker (EDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier)
Durch Einsatz von optischen Verstärkern ist es ausschließlich bei DWDM-Glasfaserverbindungen möglich, in technisch notwendigen Abständen auf der gesamten Leitungsstrecke das Signal zu verstärken. Diese Verstärkung findet in entsprechenden Verstärkerstationen statt, ist also eine Dienstleistung des betreibenden Carriers (Netzanbieters), um so eine Verbindung überhaupt als Glasfaserstrecke über sehr große Entfernungen anbieten zu können. Ohne die Verstärkung würde die Übertragung mit Licht über so große Entfernungen nicht funktionieren, da die Gesamtdämpfung des Mediums Glas zu groß wäre.
Kurze Erklärung: Mittels eines Pumplasers mit 980 nm bzw. 1480 nm werden Elektronen in ein höheres Energieniveau angehoben. Durch einfallende Photonen gleicher Signalwellenlänge wird mit Hilfe von stimulierter Emission eine Verstärkung des Signals erreicht.
Der EDFA arbeitet dabei im sogenannten C-Band (conventional band), also im Wellenlängenbereich von etwa 1530 bis 1565 nm – genau dem Bereich, den DWDM intensiv nutzt. Dies ist kein Zufall: Das C-Band weist in Standardglasfasern die geringste Dämpfung auf und ist daher das bevorzugte Fenster für Langstreckenübertragungen. DWDM-Systeme können so transkontinentale Verbindungen über tausende von Kilometern realisieren – mit Verstärkerstationen in regelmäßigen Abständen von typischerweise 80 bis 120 km.
Weitere Quellen
CWDM Spezifikation: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.694.2-200312-I!!PDF-E&type=items
DWDM Spezifikation: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.694.1-202010-I!!PDF-E&type=items
Dark Fibre, CWDM und DWDM-Wellenlängen buchen
Bei NMMN können Sie innerhalb von Hamburg, Deutschland und auch Europa Dark Fibre, CWDM- und DWDM-Strecken buchen. Wir nutzen dabei unseren eigenen NMMN City Ring in Hamburg und hochverfügbare Leitungungen in unseren Standorten in Berlin, Amsterdam und Copenhagen und unterstützen Sie als Full-Service-Provider bei der komplexen Auftragsabwicklung vom Hausanschluss bis zur Einspeisung in das Rack in einem unserer Rechenzentren. Informieren Sie sich hier über die verschiedenen Möglichkeiten, wie NMMN Sie unterstützt.
Mehr Basiswissen
Weiter geht es demnächst in einem weiteren Blog mit dem Titel:
Glasfaser Basiswissen Teil 4: „CWDM und DWDM etwas näher beleuchtet“.
Schauen Sie sich auch Teil 1 und Teil 2 unserer Serie Glasfaser Basiswissen an.
Danke
Wir danken unserem langjährigen Kollegen Norbert Kielmann für die Erstellung dieser Grundlagen Artikel zum Thema Glasfaser!
Bildnachweis und Danke an: Todd Cravens on Unsplash