Optische netwerken: nieuwe transoceanische verbindingen
Bart De Ceulaer en Joris De Kelver 29 januari 2001
Inhoudsopgave 1 Inleiding
2
2 Technologie 2.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 DWDM { Dense Wave Division Multiplexing 2.3 Optische versterkers . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
2 2 2 3 4
3 Bekabeling voor transoceanische netwerken 3.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Waarom optische kabels gebruiken? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Praktische realisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 4 5 6
4 Een voorbeeld: het Hiberniaproject 4.1 Het Hiberniaproject ontwikkeld door 360networks . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 De rol van Tyco Submarine Systems en Simplex . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7 9
5 Conclusie
9
1
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
Figuur 1: Schematische voorstelling van de DWDM techniek
1
Inleiding
Belangrijke Internet providers melden dat de bandbreedte op hun backbones iedere zes a negen maand verdubbelt. Het toenemend aantal gebruikers en netwerktoepassingen verklaart de exponentieel toenemende vraag naar bandbreedte op het Internet. Om de nieuwe applicaties zoals Voice over IP en real-time video mogelijk te maken, zijn de Internet providers druk bezig nieuwe soorten technologie te ontwikkelen om aan deze vraag te kunnen voldoen. De laatste jaren is de optische-vezeltechnologie heel populair. In dit verslag bekijken we waarom optische netwerken een van de beste oplossingen zijn om een systeem met een hoge transmissiecapaciteit en weinig vertraging te ontwikkelen.
2
Technologie
2.1
Inleiding
Satellietcommunicatie kan een hoge transmissiecapaciteit garanderen, maar faalt op het gebied van vertraging. Dit verklaart waarom transoceanische optische netwerken de laatste jaren aan belang winnen. In deze sectie bespreken we de belangrijkste technologische doorbraken die aan de basis liggen van de groei van optische netwerken. We baseren ons vooral op twee papers [HIB, CIS] die we op het Internet vonden. 2.2
DWDM { Dense Wave Division Multiplexing
Het internetverkeer groeit snel. Netwerkbeheerders kunnen hun netwerken niet snel genoeg aanpassen. Nieuwe toepassingen zoals VoIP en real-time video beginnen de beschikbare bandbreedte op te slokken. Dit probleem wordt in de industrie vaak "Fiber Exhaust" genoemd. Er bestaan hiervoor verschillende oplossingen. Een eerste voor de hand liggende oplossing is gewoon meer kabels leggen of de bestaande koperdraden vervangen door optische vezels. Dit lijkt ons niet de meest aan te raden methode. Een tweede mogelijke oplossing is de transmissiecapaciteit verhogen door TDM1 toe te passen. Deze methode bestaat erin om de signalen van de verschillende gebruikers te combineren en op een enkel kanaal te plaatsen. De signalen worden opgesplitst in verschillende segmenten en om de beurt doorgestuurd. De technologie om dit steeds sneller te laten gebeuren is echter zeer duur. 1
deze afkorting staat voor Time Division Multiplexing
2
Figuur 2: DWDM systeem voor een transoceanische verbinding DWDM is de derde oplossing en is de laatste jaren duidelijk aan een opmars bezig. Dense Wave Division Multiplexing is een optische transmissietechniek die meerdere optische signalen combineert op een enkele vezel door gebruik te maken van verschillende gol engten ( guur 1). De huidige DWDM-technologie laat toe om 2,5 tot 10 Gbps per gol engte door te sturen. De nu gebruikte systemen kunnen ongeveer 100 verschillende gol engten per optische vezel onderscheiden, zodanig dat een enkele vezel enkele honderden gigabits aan informatie kan verwerken per seconde. Systemen die terabits per vezel garanderen worden nu nog in laboratoria getest, maar zullen binnenkort voor commercieel gebruik beschikbaar zijn. Figuur 2 vonden we terug in [CIS] en illustreert de techniek toegepast op een transoceanische verbinding. In sommige wetenschappelijke artikels wordt een onderscheid gemaakt tussen DWDM en WDM. Vroeger werd de term "dense" WDM gebruikt om aan te tonen dat er meer dan 8 gol engten per vezel werden gebruikt. Aangezien de huidige systemen meestal meer dan 16 gol engten ondersteunen is deze term een beetje achterhaald. Het begrip DWDM wordt echter nog steeds gebruikt om aan te duiden dat het om een systeem met veel kanalen per vezel gaat. 2.3
Optische versterkers
De standaard technologien laten toe om 4 tot 16 gol engten te multiplexen. DWDM laat echter toe om 100 verschillende kanalen (of gol engten) te combineren op een enkele vezel. Dit veroorzaakt echter bijkomende problemen. Een probleem is het feit dat de intensiteit van licht over grote afstanden, zoals bij transoceanische verbindingen, verzwakt. Wanneer de afstand heel groot wordt, kan dispersie optreden waardoor aan de ontvangstzijde signalen foutief genterpreteerd worden. Om dit probleem te vermijden gebruiken ingenieurs "single-mode" vezels en optische versterkers. Voor de introductie van DWDM en optische versterkers werden optische signalen om de 60 a 100 kilometer opgekrikt door een elektrische regenerator. Elke vezel (met slechts een optisch signaal) had een elektrische regenerator nodig, hetgeen de kostprijs enorm de hoogte injoeg. De ontdekking van de "Erbium Doped Fiber Ampli er"2 in samenwerking met DWDM heeft de kostprijs van transoceanische verbindingen enorm doen dalen. Een optische versterker is nu immers in staat om alle kanalen op een DWDM vezel te regeneren zonder ze eerst te demultiplexen. De kostprijs benadert die van een enkele elektrische regenerator. De EDFA versterkt enkel de signalen, zonder ze te hervormen en te herversturen zoals de 2
meer uitleg over deze optische versterker in [EDFA]
3
Figuur 3: Netwerk met elektrische regeneratoren zonder DWDM techniek (72 regeneratoren, 8 glasvezelparen) regenerators deden. Afhankelijk van het ontwerp kunnen signalen nu 600 tot duizenden kilometers propageren zonder te worden geregenereerd. In guren 3 en 4 vergelijken we beide situaties.3 2.4
Conclusie
In vergelijking met de TDM technologie is de nood aan en dus de kost voor regeneratie van elektrische signalen enorm afgenomen. Door het gebruik van de DWDM technologie is de transmissiecapaciteit per optische vezel ook sterk toegenomen. Het belangrijkste voordeel van de combinatie van optische versterkers en de DWDM techniek, is dat de optische netwerken gemakkelijker kunnen worden uitgebreid. De transmissiecapaciteit kan immers opgevoerd worden enkel door het installeren van een vernieuwde DWDM interface op de uiteinden van de kabel. Dit verklaart waarom bijna alle operatoren deze technologie nu of in de toekomst zullen implementeren.
3
Bekabeling voor transoceanische netwerken
3.1
Inleiding
In deze sectie bespreken we de kabels voor een transoceanisch optisch netwerk. Het ontwerp van het systeem is zeer belangrijk, aangezien er noch het geld noch de tijd is om een trial 3
beide guren komen uit [CIS]
4
Figuur 4: Netwerk met optische versterkers en DWDM techniek (4 optische versterkers, 1 glasvezelpaar) and error -installatie mogelijk te maken. Alle componenten moeten zeer betrouwbaar zijn en weerstand bieden tegen de soms extreme condities op de bodem van de oceaan. 3.2
Waarom optische kabels gebruiken?
De kabel is waarschijnlijk het belangrijkste onderdeel van het systeem. In vergelijking met oudere transmissiekabels zijn optische vezels veel dunner en lichter. Elke glasvezel heeft een diameter tussen 8 en 100 m.4 Dit vergemakkelijkt de aanleg van een transoceanische kabel aanzienlijk. Een tweede reden om optische vezels te verkiezen boven de alternatieven in metaal, is de kleinere verzwakking per kilometer. We hebben reeds besproken dat het gebruik van optische vezels in combinatie met de nieuwste technologie aanleiding geeft tot een kleinere hoeveelheid repeaters. Dit is belangrijk aangezien we spreken over afstanden groter dan 10.000 kilometer. Nog een voordeel van het gebruik van optische netwerken is dat optische vezels niet onderhevig zijn aan elektromagnetische storingen. Metalen kabels moeten speciaal afgeschermd worden om interferentie met andere elektromagnetische velden te voorkomen. Dit is vooral belangrijk in transoceanische verbindingen waar de voeding van de repeaters parallel loopt aan de kabel zelf.5 Het gebruik van optische vezels blijkt opnieuw de meest voor de hand liggende keuze. 4
Een bundeling van getwiste aderparen om dezelfde capaciteit als een optische vezel te bereiken geeft een heel grote diameter. 5 In land-verbindingen is dit minder belangrijk omdat de voedingslijnen niet parallel hoeven te lopen aan het signaal
5
Figuur 5: SL Lightweight
Figuur 6: SL Single Armor Deze aspecten zouden natuurlijk onbelangrijk worden als de transmissiecapaciteit van een optisch netwerk niet veel hoger zou zijn dan die van metalen kabels. Het enige nadeel van optische kabels is waarschijnlijk de kostprijs. Naarmate de vraag naar meer bandbreedte zal toenemen zal dit echter minder een probleem zijn. 3.3
Praktische realisatie
We weten al dat voor lange afstandsverbindingen steeds "single-mode" glasvezels worden gebruikt. Er bestaan echter wel drie verschillende types afhankelijk van de condities op de bodem van de oceaan. De kabels verschillen qua gewicht en sterkte afhankelijk van de plaats waar ze worden gelegd. Het eerste type kabel ( guur 5) wordt de "SL Lightweight" genoemd. Deze kabel wordt gebruikt op de diep gelegen bodem van de oceaan, waar er weinig kans is op contact met vreemde objecten. De kabel hoeft dan ook niet overdreven beschermd te worden: een dikke polyethyleen laag volstaat. De beperkte bescherming maakt van deze kabel een lichtgewicht zodat hij gemakkelijker is in gebruik en vooral veel goedkoper is. De "SL Lightweight" weegt slecht 0,8 kg per meter, heeft een diameter van 21 mm en een treksterkte van 106 KN. De tweede soort kabel is ontwikkeld voor minder diep gelegen gebieden en wordt de "SL Single Armor" kabel ( guur 6) genoemd. Deze kabel is vier keer sterker dan de vorige kabel om te kunnen weerstaan aan de krachten van een anker of verschuivende rotsen. Om tegen deze krachten uitgerust te zijn, zijn extra gegalvaniseerde stalen banden met een diameter van 1 cm toegevoegd. De "SL Single Armor" kabel weegt 3,562 kg per meter, heeft een diameter van 38,4 mm en een treksterkte van 396 KN. 6
Figuur 7: SL Rock Armor
type diepte [m] massa [kg=m] diameter [mm] treksterkte [KN ] SL Lightweight 6000 0,8 21 106 SL Single Armor 700 3,562 38,4 396 SL Rock Armor 50 13,495 64,7 506,6 Tabel 1: Overzicht van de gebruikte kabels voor een transoceanische verbinding De derde en sterkste variant heet de "SL Rock Armor" ( guur 7). Deze kabel heeft een tweede laag gegalvaniseerde draden langsheen de as met diameters van 2 cm. Acht zulke draden in combinatie met 20 kleinere banden van 1 cm, geven deze kabel een treksterkte van 506,6 KN. Dit zorgt ervoor dat de kabel bestand is tegen verplettering in de meest ondiepe gedeelten van de oceaan. De kabel weegt 13,495 kg per meter hetgeen een ernstige handicap is bij de aanleg van de verbinding. In tabel 1 geven we nog eens een overzicht van de drie types kabel die gebruikt worden voor een transoceanische verbinding.6 De kostprijs van een transoceanische verbinding wordt voor een groot deel bepaald door de kostprijs van de kabel. Veel besparingen kunnen niet gedaan worden, aangezien de kostprijs van eventuele herstellingen zeer hoog kunnen oplopen.
4
Een voorbeeld: het Hiberniaproject
4.1
Het Hiberniaproject ontwikkeld door 360networks
Een voorbeeld van een optisch netwerk is het Hiberniaproject ontwikkeld door 360networks [NET]. De bedoeling is om Noord-Amerika te verbinden met Europa via de Atlantische Oceaan met een ring netwerk ( guur 8). In het totaal zal het netwerk 11.700 kilometer lang zijn. De initiele capaciteit van het netwerk zal 160 Gbps bedragen. In de toekomst zal het netwerk tot 1,92 Tbps kunnen verwerken door gebruik te maken van de nieuwste DWDM technologie. Als we de brochure mogen geloven, zal het wereldwijde netwerk van 360networks tegen midden 2002 meer dan honderd grote steden verbinden door een 131.500 kilometer lang glasvezelnetwerk. Het netwerk bevat zowel land-verbindingen als transoceanische verbindingen. Als voorbeeld geven we een overzicht van de belangrijkste parameters7 van het Hibernia 6 7
de gegevens komen allemaal uit [HIB] we vonden deze gegevens op de website van 360networks [NET]
7
Figuur 8: Map van het Hiberniaproject
8
project:
Kabelstations : Halifax, Dublin, Liverpool en Boston Gateways : Toronto, Montreal, New York, London en Dublin Totale lengte kabel : 11.700 km Initiele capaciteit : 160 Gbps Finale capaciteit : 1,92 Tbps Servicekwaliteit : groter dan 99,995 % De totale kostprijs van het netwerk wordt geschat op 865 miljoen dollar. Het bedrijf 360networks beweert dat het Hibernia project af zal zijn begin 2001. 4.2
De rol van Tyco Submarine Systems en Simplex
360networks betaalt 630 miljoen dollar aan Tyco Submarine Systems [TYCO] om het netwerk te plaatsen en te onderhouden. Het is duidelijk dat TSS een zeer belangrijke rol speelt in de ontwikkeling van het project. Het dochterbedrijf Simplex van TSS zorgt voor de productie van de optische vezels en de bekabeling. Tijdens de installatie van een transoceanische kabel treden vele vragen en problemen op. Welke route moet de kabel volgen? Hoe moet de kabel beschermd worden? Hoe gebeurt het onderhoud en de herstelling van een kabel als die op de bodem van de oceaan ligt? Op de website van France Telecom [FRA] vonden we videofragmenten die de praktische installatie en het onderhoud van een transoceanische verbinding goed illustreerden.
5
Conclusie
Figuur 9 illustreert de bevindingen van het onderzoeksbureau "KMI Corporation"8 . Er wordt een enorme groei in de markt van optische netwerken voorspelt. Deze groei is mede te verklaren door de exponentieel toenemende vraag naar bandbreedte, hetgeen de enorme investeringen in optische netwerken kan rechtvaardigen. Er zijn verschillende bedrijven aan het werk om een wereldwijd optisch netwerk te bouwen dat een zeer grote transmissiecapaciteit zal ondersteunen. In dit verslag hebben we besproken hoe de doorbraak van de DWDM technologie en de optische versterkers aan de basis liggen van de snelle ontwikkeling van het wereldwijde optische netwerk.
8
meer uitleg op hun website [CIR]
9
Figuur 9: Voorspellingen omtrent de groei van de markt van optische netwerken
Referenties [HIB]
Yhard, J., Jennex, T. en Little, A. "Fiber Optic Networks". Online. http://www.cs.dal.ca/little/courses/4170/FinalProject.htm
[TYCO]
Tyco Submarine Systems. Online. http://www.submarinesystems.com/tssl
[NET]
360networks. Online. http://www.360.net
[FRA]
France Telecom. Online. http://www.marine.francetelecom.fr/english/frames/map/sitemap.htm
[KMI]
KMI Corporation (World Leader in Fiberoptics Market Research). Online. http://www.kmicorp.com
[CIS]
Cisco Systems, "Optical Internetworking: A roadmap for Data-Optimized Fiber Infrastructure". Online. http://www.ieng.com/warp/public/cc/so/neso/olso/olne/coint wp.htm
[EDFA]
Hansel, E. Lee Jr. "A Research Paper on Erbium Doped Fiber Ampli ers". 08 Jun 96 TLEN 5384 - Optical Communications Systems. Online. http://www.jps.net/hansel/erbium.html
[CIR]
Communications Industry Researchers. "Common Sense About Metro DWDM". Online. http://www.cir-inc.com/registered/whitepapers/wdm wp.asp
10
