Feature Stories - Kostengünstige und vollständig optische Lösung garantiert ultraschnelles Internet
Ein Konsortium aus Universitäten, Forschungsinstituten, Geräteanbietern sowie einem Telekommunikationsunternehmen arbeitete mit vereinten Kräften innerhalb des Sardana-Projekts ("Scalable advanced ring-based passive dense access network architecture") an der Entwicklung bahnbrechender Technik, die für dramatische Verbesserungen in Bezug auf Skalierbarkeit und Robustheit der Glasfaserhausanschlussnetze (Fibre To The Home, FTTH) sorgen soll, an die bereits Millionen europäischer Internetnutzer angeschlossen sind. Das Projekt erhielt 2,6 Mio. EUR Forschungsförderung von der Europäischen Kommission und demonstrierte nicht nur Verbindungsgeschwindigkeiten von bis zu zehn Gigabit pro Sekunde (Gbps), was ungefähr 2.000 Mal schneller ist, als es die meisten Internetnutzer heutezutage kennen. Die Forscher bewiesen außerdem, dass derartige Geschwindigkeiten unter Nutzung der vorhandenen Glasfaserinfrastruktur und standardmäßiger Komponenten bei relativ geringen zusätzlichen Kosten erreichtbar sind. Bei kommerziellem Einsatz könnte die vollständig optische Technologie, auch wenn sie sich derzeit noch in der experimentellen Phase befindet, für die Kapazitätsstärke von Fasernetzen einen Riesenschritt vorwärts bedeuten. Das wäre eine direkte Antwort auf eine der größten Herausforderungen, vor denen Dienstanbieter und Verbraucher derzeit stehen. Einigen Schätzungen zufolge wird der jährliche weltweite Internetverkehr innerhalb der nächsten drei Jahre in Zettabyte (eine Billion Gigabyte) Daten gemessen werden müssen, was einer Vervierfachung des heutigen Wertes bzw. der Datenmenge sämtlicher Filme aller Zeiten entspricht, die die Netze der Betreiber etwa alle fünf Minuten passieren werden. Für den meisten Verkehr wird das Streamen von Videos von Websites wie YouTube und Netflix verantwortlich sein. Auch die verstärkte Nutzung von ähnlich bandbreitenintensiven Videokonferenz- und Telepräsenzanwendungen wird eine Rolle dabei spielen. Die europäischen Netzbetreiber haben in den letzten Jahren bereits mehrfach gewarnt, dass sie zur Befriedigung dieser ständig steigenden Nachfrage nach mehr Bandbreite und Kapazität gezwungen sein werden, Milliarden in neue Infrastrukturen zu investieren, und dass diese Kosten an die Endverbraucher weitergegeben werden müssten. Die Sardana-Forscher gehen nun davon aus, dass sie eine tragfähige Alternative gefunden haben. "Wir schlagen eine neue Zugangsnetzarchitektur unter Einsatz der Glasfasernetze bis zum Kunden vor, die neue Funktionalitäten und erweiterte Kapazitäten zu bieten hat", sagt Professor Josep Prat, Forscher der Optical Communications Group (GCO) an der Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) und wissenschaftlicher Koordinator des Sardana-Projekts. Herkömmliche FTTH-Netze, auch als passive optische Netze (Passive Optical Network, PON) bekannt, haben einen baumähnlichen Aufbau mit dem Telefonhauptverteiler an der Wurzel. "Passiv" bezieht sich dabei auf den Einsatz der optischen Verteilelemente, die keine zusätzliche Stromversorgung brauchen. Von dort aus verteilten sich aus einem dicken Kabelhauptstamm kleinere Äste in die Haushalte und Unternehmen. Bei konventionellen Baum-PONs kommt das Time Division Multiplexing (TDM) - ein Zeitmultiplexverfahren - zum Einsatz, bei dem Signale scheinbar gleichzeitig als Sub-Kanäle in einem Kommunikationskanal übertragen werden, sich aber tatsächlich auf dem Kanal abwechseln. In der Praxis bedeutet dies, dass sich eine am Hauptverteiler vorhandene 5 Gbps-Verbindung in dem Moment, wenn sie eine Wohnung ereicht, in eine 30 Mbps-Downstream-Verbindung wandelt, wobei die Upstream-Bandbreite üblicherweise nur ein Bruchteil davon ist. Von Bäumen zu Ringen Die Sardana-Forscher schlagen einen völlig andersartigen und total neuen Ansatz vor, der nicht nur sehr viel schnellere Verbindungen, sondern überdies mehr Kapazität und Robustheit verspricht. Anstelle eines einzigen gewaltigen Baums wollen sie mehrere kleinere Bäume realisieren, die sich von einem Hauptring aus zu den Endnutzern verzweigen. Der Ring überträgt die Signale von der Zentrale aus bidirektional mittels Wave Division Multiplexing (Wellenlängenmultiplexverfahren, WDM), das die gleichzeitige Übertragung unterschiedlicher Signale in der gleichen optischen Faser unter Verwendung verschiedener Laserlichtwellenlängen ermöglicht. Bei Remote-Knoten entlang des Rings werden die Signale mittels TDM-Technologie in einzelne Faserbäume für Wohnungen und Unternehmen aufgetrennt. Dieses bidirektionale Ringkonzept sorgt für eine stabilere Netzwerkleistung, denn sollte das Kabel an einer beliebigen Stelle des WDM-Rings gebrochen sein, wird das Signal immer noch aus der anderen Richtung den Endanwender erreichen. Überdies nimmt die Verbindungsgeschwindigkeit enorm zu. "Wellenlängenmultiplexing im Ring bedeutet, dass wir die Bandbreite mit 40 Wellenlängen multiplizieren können, so dass die einzelnen Nutzer in den Genuss von 1 Gbps kommen - und das nicht nur in eine, sondern in beide Richtungen, sowohl upstream als auch downstream", erklärt Professor Prat. "Dies könnte das Tor zu völlig neuen Anwendungen aufstoßen, die heutzutage einfach noch nicht möglich sind, man denke zum Beispiel an den Einsatz von hochauflösenden Videokonferenztechnologien." Labortests beim finnischen Anbieter von Telekommunikations-Infrastrukturausrüstung Tellabs folgten ein Feldversuch in der Nähe der France Telecom-Orange-Werke in der Bretagne, Frankreich, und eine Demonstration beim Fiber to the Home Council (FTTH) in Mailand, Italien. Die Tests ergaben unter Einsatz von Emulationstechnologien in Kombination mit realen Infrastrukturen, dass das Netzwerk in der Lage ist, 1.000 bis 4.000 Nutzer innerhalb von 20 km Entfernung vom Hauptring mit symmetrischen Internetverbindungen bei Geschwindigkeiten von rund 300 Mbps zu versorgen. Des Weiteren demonstrierten die Forscher, dass die Technik zur Übertragung optischer Signale in Entfernungen bis zu 100 Kilometer von der Zentrale verwendet werden könnte, um bis zu 250 Anschlüsse mit asymmetrischen 10 Gbps-Downstream- und 2,5 Gbps-Upstreamverbindungen auszustatten. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus betrachtet ist entscheidend, dass diese Verbesserungen bei geringen Mehrkosten erzielt werden können und die Technologie die Netzwerktransparenz beibehält, die die Nutzung derselben Infrastruktur durch verschiedene Dienstanbieter unterstützt. "Unser Ansatz nutzt die existierende Infrastruktur beziehungsweise umfasst Veränderungen an Komponenten, die kostengünstig aufgerüstet werden können", betont Professor Prat. So brauchen beispielsweise alle Endbenutzer die gleiche optische Netzwerkeinheit (Optical Network Unit, ONU), ein Gerät, das Lasersignale in elektronische Signale umwandelt. In den Tests setzte das Sardana-Team von Alcatel-Thales entwickelte ONU-Chips ein, die keine zusätzliche Wellenlängen für die Durchführung der Umwandlung und die Rückführung eines Upstream-Signals benötigen - auf diese Weise funktioniert das gesamte Netz vollständig optisch. Gleichermaßen sind auch die Remote-Knoten-Verbindungen zwischen dem WDM-Ring und den TDM-Bäumen vollständig optisch, und werden durch Pumplaser am Hauptverteiler zusätzlich mit Energie versorgt. "Die Architektur ist komplett passiv - sie kann vollständig unterirdisch verlegt werden und erfordert keinerlei Wartung", versichert Professor Prat. "Ein Großteil der Infrastruktur ist bereits vorhanden: In den Ballungsgebieten sind Ringe vorhanden und Bäume sind weit verbreitet, obwohl sie derzeit mit sehr unterschiedlichen Übertragungstechniken arbeiten. Unser Ansatz wandelt diese Infrastruktur zu einer vollständig optischen passiven Lösung." Die Projektpartner werden die Technologie weiterentwickeln, die bereits das Interesse von Betreibern in Europa, den USA und in China erregt hat. Sie werden außerdem mit Blick auf den kommerziellen Einsatz in naher Zukunft Beiträge für mehrere Standardisierungsgremien einschließlich der ITU-Gruppe NG-PON2 (Internationale Fernmeldeunion, International Telecommunication Union, ITU) leisten. Das Sardana-Projekt, das Forschungsmittel innerhalb des Siebten Rahmenprogramms (RP7) der Europäischen Union erhielt, wurde im letzten Jahr in Anerkennung der Innovationen, die "im Kommunikationssektor tatsächlich etwas bewegen werden", mit dem Global Telecoms Business Innovation Award ausgezeichnet. Nützliche Links: - Projektwebsite "Scalable advanced ring-based passive dense access network architecture" - Sardana-Projektfactsheet auf CORDIS - Video über die Sardana-Technologie Weiterführende Artikel: - Internet der Zukunft könnte bis zu zehnmal schneller sein - PHASORS für bessere optische Kommunikationsnetze