Gigabit-Kommunikation über optische Fasern

| Autor / Redakteur: César Esteban * / Hendrik Härter

Gigabit-Kommunikation: Eine optische Polymerfaser (POF) ist in Kombination mit WLAN die passende Antwort bei professioneller als auch einer Eigenbau-Installation.
Gigabit-Kommunikation: Eine optische Polymerfaser (POF) ist in Kombination mit WLAN die passende Antwort bei professioneller als auch einer Eigenbau-Installation. (Bild: KDPOF)

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Eine robuste Netzwerkinfrastruktur ist Basis für die Datenübertragung mit hoher Bandbreite. Dabei zeigt sich, dass eine Kombination aus optischer Polymerfaser und WLAN ein sinnvoller Ansatz ist.

In Europa können Anwender Übertragungs-Geschwindigkeiten von 50 MBit/s bis zu 1 GBit/s verwenden, wobei Geschwindigkeiten von 100 bis 300 MBit/s die am verbreitetsten sind. Die stete Zunahme an miteinander vernetzten Geräten führt zu einem überfüllten Netzwerk, das in der Lage sein muss, den gesamten Datenverkehr zwischen den Geräten und zum/vom Internet zu bewältigen. Es sind vor allem Anwendungen wie Online-Gaming oder hochauflösendes Video-on-Demand, welche die Anforderungen weiter Richtung geringerer Latenzzeiten (Verarbeitung eines sehr hohen Volumens an Datennachrichten mit minimaler Verzögerung), fehlerfreier Links und immer höherer Geschwindigkeiten treiben.

Mit anderen Worten: Die Erwartungen der Anwender sind hoch, kaufen sie doch mehrere hundert MBit/s von ihrem Internetdienstleister (ISP) oder Telekom-Betreiber. Um die Bandbreite zu maximieren oder im Gebäude zu verstärken, kaufen sie oft zusätzliche Geräte wie WLAN-Repeater, die das Problem in den meisten Fällen allerdings nicht lösen.

POF und WLAN als Grundlage eines Heimnetzes

Das ideale Heimnetz kombiniert die Vorteile eines POF-Backbones (Polymere optische Fasern) mit einfach zu installierenden WLAN-Zugriffspunkten in jedem Raum eines Gebäudes. Dabei wird eine mögliche Überbelegung minimiert, indem gerade genug Leistung für den Raum selbst zur Verfügung steht, aber andere Räume nicht erreicht werden. POF lässt sich einfach in jeglichen Kabelkanälen installieren, ganz gleich, ob bereits dedizierte Telekomkanäle vorhanden sind.

Anwender verbinden mobile Geräte mit dem Netzwerk über WLAN, bekommen dabei eine Geschwindigkeit der dedizierten 1 GBit/s über das POF-Netzwerk. Ein POF ist in den meisten Märkten verfügbar, da es die ETSI (European Telecommunications Standards Institute) für Europa und das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) weltweit standardisiert haben. Aufgrund seiner optischen Eigenschaften ist POF vollkommen immun gegenüber elektrischem Rauschen (EMV).

Die bestehende Kupferverkabelung beeinträchtigt nicht den Datenverkehr, der daneben durch die Kunststofffaser läuft. Somit lässt sich POF direkt neben Elektroleitungen verlegen. Die Installation ist wesentlich einfacher und schneller als mit Cat-6-Kabeln. POF, Steckverbinder und weitere optoelektronische Bauelemente sind kostengünstige Massenprodukte – ein großer Vorteil für Installateure, um an Material sowie Installations-, Test- und Wartungszeit zu sparen. Neben der Kosteneffizienz ist die optische Polymerfaser mit wenig Vorkenntnissen zu installieren und robust. Außerdem stellt sie eine geeignete Verbindung vom ONT-Gerät (Optical Network Termination) zum Gateway bereit und erlaubt es, den Gateway optimal zu platzieren.

Kombiniertes POF-/WLAN-Backbone

Das spanische Technologie-Startup KDPOF hat in einer Feldstudie die WLAN-Performance in drei Heimnetzwerktypen verglichen: Einfamilienhäuser, mehrgeschossige Häuser und Wohnungen. Mit denselben zusätzlichen WLAN-Knoten nutzte eine Vergleichsgruppe einen POF- und die andere einen WLAN-Backbone. Die Übertragungsgeschwindigkeit wurde jeweils in drei ausgewählten Räumen mit je drei WLAN-Endknoten gemessen. Die Ergebnisse waren eindeutig und beträchtlich: Aus dem Durchschnitt der 20 Testhäuser brachte der POF-Backbone eine Verbesserung von über 400%. Der reine WLAN-Backbone dagegen zeigte in der Hälfte der Häuser eine eingeschränkte Leistung von bis zu 80 MBit/s.

In den mehrgeschossigen Häusern erreichte die Leistungssteigerung mit dem POF-Backbone über 560%, während WLAN alleine einen reduzierten Output von bis zu 62 MBit/s ausgab. Trotz der limitierten Zahl an WLAN-Endpunkten im Test blieben die Testergebnisse mit dem reinen WLAN-Backbone hinter den Zugriffsgeschwindigkeiten zurück. Verbindet ein POF-Backbone das gleiche WLAN-Mesh-Punkte, erfahren die Endkunden diese Geschwindigkeiten.

Die Nutzer erleben damit, wofür sie zahlen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass lediglich ein zusätzlicher Zugriffspunkt zum POF-Backbone die Performance wesentlich besser aufrechterhält als zwei extra Zugriffspunkte bei einem WLAN-Backbone. Der POF-Backbone vereinfacht die WLAN-Mesh-Architektur und verringert die Kosten bei gleichzeitig erheblich verbesserter Gesamtleistung.

Bild 1: Vergleich einer typischen POF-Geometrie mit großem Kerndurchmesser im Vergleich zur Multi-Mode-Glasfaser.
Bild 1: Vergleich einer typischen POF-Geometrie mit großem Kerndurchmesser im Vergleich zur Multi-Mode-Glasfaser. (Bild: KDPOF)

Die optische Polymerfaser

Die optische Polymerfaser ist ein besonderes Mitglied der Optikfaserfamilie. Es besteht aus Poly-Methylmethacrylat (PMMA) mit einem Kerndurchmesser von rund einem Millimeter und einer numerischen Apertur von (AN 0,3 bis 0,5). Das Bild 1 zeigt einen Vergleich einer typischen POF-Geometrie im Vergleich zu einer anderen optischen Faser, der Multi-Mode-Glasfaser (Multi Mode Glass Optical Fiber, MM-GOF). Der Kerndurchmesser (20x) sowie die im Vergleich zu MM-GOF relativ dünne Beschichtung von POF sind leicht zu erkennen.

Dank seines großen Kerndurchmessers ist POF immun gegen Achsverschiebungen und starke Vibrationen und kann in rauen Industrie- und Automobilumgebungen ohne Verlust der Kommunikationskapazität installiert werden. Mit professioneller Installation oder auch im Eigenbau lässt sich POF mit einfachen Werkzeugen wie einer Schere oder einem Fräser und preiswerten Kunststoffverbindern verarbeiten.

Ein bis mehrere hundert MBit/s

POF wird seit einigen Jahren in Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit von einem bis mehreren hundert MBit/s und Kurzstrecken von weniger als 100 Meter eingesetzt, da es sich um ein Produkt mit geringer Bandbreite (rund 40 MHz x 100 m für Standard SI-POF AN 0,5) mit hoher Dämpfung von rund 180 dB/Km für rote Lichtquellen handelt. Als Datenübertragungsmedium weist POF aufgrund seines wichtigen Multimoden-Laufzeitunterschieds (Differential Mode Delay, DMD) und Moden-Dämpfungsunterschieds (Differential Mode Attenuation, DMA) eine hohe chromatische und modale Dispersion auf.

Darüber hinaus haben die für die Einkopplung des Lichts in die Faser erforderlichen großflächigen Fotodioden eine begrenzte Bandbreite. Ein preiswertes und beliebtes marktübliches POF ist die Standard SI-POF mit AN 0,5, wobei Low-NA SI-POF mit AN 0,3 für höhere Datenraten sorgt. PMMA GI-POF ist mit einem Bandbreitenlängenprodukt von 1 GHz x 100 m auf dem Markt. PMMA bietet mehrere Dämpfungsfenster, die es ermöglichen, es mit verschiedenen sichtbaren Lichtquellen von blau bis rot zu verwenden, sowie einer Vielzahl von Geräten wie LED oder Laserdioden.

Die Zeitbereichsmodulation bietet eine geringe Peak-to-Average-Ratio (PAR). Dadurch wird die Varianz des Übertragungssignals maximiert, um den verfügbaren vollen Bereich des Senders (LED oder Laser) zu nutzen. Messungen im Labor zeigen, dass alternative komplexe Techniken wie Discrete Multi-Tone (DMT) oder Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) zu komplex und nicht erforderlich sind, um mehr als 1 GBit/s gegenüber Standard-SI-POF zu erreichen. KDPOF bietet effiziente DSP-Algorithmen, um die nichtlineare Verzerrung durch die optoelektronischen Komponenten sowie die modale Dispersion durch die Faser selbst dynamisch zu kompensieren.

Damit die theoretisch maximale Kapazität des Kanals erreicht wird, ist eine mehrstufige kodierte Modulation implementiert. Die Implementierung erfolgt mit einer feinen Anpassungsfähigkeit an die spektrale Effizienz, die einen Kompromiss zwischen Rechenkomplexität und Verzögerung bietet. Damit lässt sich die POF-Kapazität zusammen mit nichtlinearen Ausgleichsalgorithmen erreichen. Darüber hinaus verfügt das System über Framestrukturen für einen schnellen Verbindungsaufbau und eine effiziente Implementierung der adaptiven Entzerrung und des gleichzeitigen Bitratenaufbaus.

Die Kapazität des Kommunikationskanals optimieren

Bild 2: Die Frame-Struktur wurde in Hinblick auf Nutzlastoptimierung und Energieeffizienz entwickelt.
Bild 2: Die Frame-Struktur wurde in Hinblick auf Nutzlastoptimierung und Energieeffizienz entwickelt. (Bild: KDPOF)

Die Frame-Struktur wurde in Hinblick auf zwei Ziele entwickelt: Nutzlastoptimierung und Energieeffizienz. Jedes Frame trägt Pilotsignale, um das System an die Kanalbedingungen während des Betriebs anzupassen. Eine spezielle Betriebsart für niedrige Datenauslastung verwendet einen einzigartigen Frametyp, um den Energieverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig den Verbindungsneustart zu minimieren.

Der Ansatz von KDPOF bei der Entwicklung des Kommunikationssystems bestand darin, die Kapazität des Kommunikationskanals zu verbessern, der nicht nur die Faser, sondern auch die Optoelektronik umfasst. Ausgewertet wurden viele Übertragungsmodi, die verschiedene Modulationsverfahren mit einer Vielzahl von Symbolraten kombinieren. Ein numerischer Optimierungsansatz, der auf der Informationstheorie basiert, führte zur Auswahl einer endgültigen Gewinnkombination aus einer Symbolrate von 312,5 MHz mit 16-PAM-Modulationsebenen (Bild 2).

Ethernet-Technik als Grundlage

Bild 3: ABR-Funktionsschema für jede der Betriebsarten.
Bild 3: ABR-Funktionsschema für jede der Betriebsarten. (Bild: KDPOF)

In Bezug auf die Bitfehlerquote (BER) und Mean Time To False Packet Acceptance (MTTFPA) entspricht die Technik von KDPOF den Ethernet-Standards und erfüllt die Anforderungen an einen zuverlässigen Kanal. Entwickelt wurde die Technik um eine adaptive Bitratenfunktionalität herum. Der Kanal wird kontinuierlich überwacht und die Link-Parameter in Echtzeit angepasst, um die Leistung optimal zu halten. Das Ergebnis ist ein Dauerbetriebs-Kanal mit der bestmöglichen Leistung, die ohne Paketverlust erreichbar ist.

Die ABR-Funktionalität verfügt über zwei Betriebsarten: 1 GBit/s und 100 MBit/s. Die angepasste Bitrate erfolgt um jeden zentralen Sollwert herum. Bild 3 zeigt das ABR-Funktionsschema für jede der Betriebsarten. Die Verbindung wird je nach Länge des physikalischen Kanals in Echtzeit angepasst und die Verbindungsgeschwindigkeit sinkt mit zunehmender Länge des Kanals.

Ändert sich statt der Länge ein anderer Link-Parameter (Dämpfung, Biegung oder Temperatur), verhält sich das System identisch und sucht stets nach dem leistungsfähigsten System für die tatsächlichen Bedingungen. Pakete gehen nicht verloren.

Bilanz der Leitungsübertragung

Bild 4: Für eine optische Verbindung wird das Verbindungsleistungsbudget zwischen den Testpunkten 2 und 3 festgelegt.
Bild 4: Für eine optische Verbindung wird das Verbindungsleistungsbudget zwischen den Testpunkten 2 und 3 festgelegt. (Bild: KDPOF)

Die Leistungsübertragungsbilanz ist eine Kennzahl, um den Nutzen einer der verwendeten Kommunikationstechnik zu beurteilen. Für eine optische Verbindung wird das Verbindungsleistungsbudget zwischen Testpunkt 2 und 3 (Bild 4) festgelegt. Entsprechend wird die Leistungsspanne in dBo für einen 10 bis 12 BER berechnet, unter Berücksichtigung der minimalen Ausgangsleistung bei TP2 und der Worst-Case-Empfindlichkeit bei TP3. Für einen typischen Duplexkanal von 15 m Länge lässt sich eine 1-GBit/s-Verbindung mit einer optischen Leistungsspanne von 13,7 dBo herstellen.

Das System wählt den optimalen Betriebspunkt von 16 PAM mit 312,5 MS/s und einer spektralen Effizienz von 3,3145 Bit/Symbol. Reduziert sich die Verbindungsgeschwindigkeit auf 100 MBit/s, erhöht sich der Leistungsabstand der Verbindung auf 26,8 dBo. Die optimale Leistung erfordert in diesem Fall eine 4-PAM-Modulation mit einer Abtastfrequenz von 62,5 MS/s und einem spektralen Wirkungsgrad von 1,8145 Bit/Symbol.

Energie-effizientes Ethernet

Bild 5: Performance des Energie-effizienten Ethernets für unterschiedliche Verbindungsauslastungen.
Bild 5: Performance des Energie-effizienten Ethernets für unterschiedliche Verbindungsauslastungen. (Bild: KDPOF)

KDPOF implementiert Energie-effizientes Ethernet (EEE), welche die Leistung in Bezug auf den Stromverbrauch des gesamten Kommunikationssystems optimiert. Das Bild 5 zeigt die EEE-Performance für unterschiedliche Verbindungsauslastungen. Im Vergleich zur auch dargestellten 1000BASE-T EEE-Performance ist die EEE-Implementierung von KDPOF dem 1G BASE-T Benchmark deutlich überlegen.

Bild 6: Das Blockdiagramm des verwendeten Mediakonverters.
Bild 6: Das Blockdiagramm des verwendeten Mediakonverters. (Bild: KDPOF)

Das Blockdiagramm (Bild 6) zeigt den Aufbau von Medienkonvertern. Es handelt sich um ein sehr einfaches Hardware-Design, das die Ethernet-Seite durch SGMII oder RGMII und die POF-Seite durch einen Transceiver verbindet. Seine Grundfläche kann sehr klein sein und sogar in einen SFP-Formfaktor passen. Der Stromverbrauch liegt unter einem Watt, so dass das thermische Design kein Problem ist. Für die Implementierung von Systemen und Subsystemen auf Basis von KDPOF Phy stehen komplette Referenzdesigns bereit.

Digitale Kommunikationstechnik

Herzstück des Medienkonverters ist ein voll integrierter serieller Gigabit-POF-Ethernet-Transceiver wie die KD1000-Familie von KDPOF, optimiert für niedrige Leistungen und mit geringer Grundfläche. Die POF-Geräte implementieren die physikalische Schicht der ETSI TS 105 175-1-2 zum Übertragen von Daten auf Standard SI-POF, MC-POF oder PCS. Hergestellt mit einem 65-nm-CMOS-Low-Power-Prozess, bieten die KD1000-Geräte eine hohe Leistung bei niedrigen Kosten und geringer Leistungsaufnahme.

Enthalten ist digitale Kommunikationstechnik, womit sich hochspektrale, effizient codierte Modulationen umsetzen lassen. Zudem wird adaptive nichtlineare Entzerrung und adaptive Bitrate verwendet, die so erstmals in der Kommunikation mit optischen Fasern zum Einsatz kommt. Der KD1000 integriert einen kundenspezifischen digitalen Signalprozessor (DSP), der auf der flexiblen, passenden Transport Triggered Architecture (TTA) basiert, die für die adaptive Filterung optimiert ist.

Die KD1000-Familie eignet sich für RCLED, LED und PIN PD, die derzeit in 100-MBit/s-Produkten mit analoger Optoelektronik/Schnittstelle verwendet werden. Die eingebaute analoge Schnittstelle der Geräte vereinfacht die Anbindung an den faseroptischen Transceiver. Außerdem unterstützen die Geräte die Standard-Schnittstellen MII, RMII, RGMII, SGMII und 1000BASE-X und lassen sich als Ethernet-MAC oder Phy verwenden.

Der POF-Port verwendet die SerDes-Schnittstelle und bietet die gleiche Konnektivität wie ein IEEE 802.3 1000BASE-X-Gerät (1,25 Gbps mit 8b/10b NRZ-Leitungscode) oder ein IEEE 802.3 100BASE-X (Klausel 24) Gerät (125 Mbps mit 4b/5b NRZI-Leitungscode). Single-Port-KD1000-Geräte sind in 88-poligen QFN- oder LGA-Gehäusen sowie als nackte Chips erhältlich, was die Größe des POF-Ports reduziert, da es die Integration der KD1000-Geräte mit Optoelektronik in einem einzigen optischen Gehäuse ermöglicht.

Glasfaserverbindung und die LED als Signalquelle

Glasfaserverbindung und die LED als Signalquelle

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* César Esteban ist Applications & Support Manager bei KDPOF

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