Photonische Kommunikationsnetze


von Dr.-Ing. Ernst-Jürgen Bachus

Folien der Vorlesung an der Technischen Universität Berlin aus dem Wintersemester 2004/2005


Von 1998/1999 bis 2004/2005 hatte ich diese 32stündige Ergänzungsvorlesung als Mitarbeiter des Heinrich-Hertz-Institus (seit 2003 Fraunhofer Institut Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut) in den Wintersemestern an der TU-Berlin gehalten.

Zwei Dinge waren mir bei der Vorbereitung für die Vorlesungsreihe wichtig:

1. Als Ergänzungsvorlesung für Studenten der Nachrichtentechnik in höheren Semestern sollte sie auch für Studenten aus verwandten Fachgebieten verständlich sein.

2. Der System- und Netzgedanke stand im Vordergrund. "Netze" sind ein sprödes Thema, unbeliebt bei Studenten. Daher war ich um eine spannende Präsentation bemüht, die ich von Semester zu Semester abgeändert und ergänzt hatte. Deshalb auch enthält die vorliegende Folienserie viele thematische Sprüngen.

Im Vortrag hatte ich natürlich zu jedem Kapitel Erläuterungen gebracht und Fragen beantwortet, vor allem dort, wo die Folien nicht selbsterklärend sind. Da ich diese hier aber (noch) unverändert präsentiere, habe ich wenigstens jeweils eine Seite mit der Überschrift „Lernziel“ eingefügt, um so etwas wie einen roten Faden sichtbar zu machen.

Kommentare sind mir willkommen, hier ist meine Adresse:
e.j.bachus(at)t-online.de

Ernst-Jürgen Bachus


Einige Worte zum Thema:
Ob es so etwas wie „Photonische Kommunikationsnetze“ überhaupt gibt oder geben wird, weiß ich nicht. Dass aber die Photonik immer weiter in die Nachrichtentechnik vordringt, weiß jeder. Hunderte von Kupferadern in tonnenschweren Kabeln und riesige Schaltschränke werden ersetzt – mit tausendfacher Leistung - durch wenige haarfeine Glasfasern, schnelle Rechner und elegante opto-elektronische Bauteile. So beschreibt der Titel "Photonische Kommunikationsnetze" mehr ein diffuses Ziel mit ungewissem Ende, aber großem Anreiz für Forscher und Entwickler. Viele Ideen sind entstanden (25 Jahre lang war ich dabei) und auch schnell veraltet: eine Zusammenstellung „30 Jahre Photonik-Irrwege“ würde Bände füllen! Daher mein Rat an alle Studierenden: seinen Sie kritisch und suchen Sie sich das heraus, was Ihnen nützt.
So auch hier.


Hier folgen die Links zu den einzelnen Kapiteln (die Seiten befinden sich noch im Aufbau):

 

0. Einleitung
Zum Begriff "Netz"

1. Glasfasern
Glasfasertypen, Intermodendispersion der MMF, Dämpfung der SMF, Chromatische Dispersion der SMF und der DCF

2. Systemgrenzen infolge von Dispersion
Transformationsbegrenzte Gauß-Impulse, Modell einer Digitalsignal-Übertragung, Systemgrenzen infolge chromatischer Dispersion, Dispersionskompensation, Polarisationsmodendispersion, Systemgrenzen infolge PMD, Polarisationszustände, Poincare-Kugel

3. Einfache Komponenten (Leistungsbetrachtung)
Stecker, Spleiße, Koppler, WDM-Koppler, Beschreibung von Komponenten mit Leistungs-Transfer-Matrix, Insertion-Loss und Excess-Loss, Betriebsarten von Kopplern, Sternkoppler

4. Einfache Netze mit Leistungsaufteilung
Einsatz von Kopplern im Sternnetz und Liniennetz, Strukturierte Verkabelung mit Stern/Linie

5. Zusammengesetzte Komponenten mit komplexer Beschreibung
Charakterisierung optischer Signale, Modulationsarten, Detektion, Rechenregeln zur Addition optischer Signale, Streumatrix eines Kopplers, Interferometer-Schaltungen (Mach-Zehnder, Michelson, Sagnac, Fabry-Perot, Ring), Fibre-Bragg-Gratings (FBG)

6. Komponenten mit Freistrahl- Optik
Linsen-Stecker, Faserschalter, Polarisationsweiche, Polarisator, Kompensator, Faraday-Dreher, Zirkulator, Isolator

7. Planare Komponenten
Arrayed Waveguide Grating (AWG), Multiplexer/Demultiplexer, Halbleiter-Laser, Lithium-Niobat-Phasenmodulator

8a.Übertragungssysteme, Teil A
Multiplexverfahren, Signalparameter, Transmitter-Augendiagramm, Signal-Regeneration, Erbium-Doped-Fibre-Amplifier (EDFA), Optical Transmission Section (OTS), Optical Signal-to-Noise-Ratio (OSNR)

8b. Übertragungssysteme, Teil B
Receiver, Q-Faktor und Bit-Error-Ratio (BER), Signal und Rauschen allgemein, Signal-ASE-beat-noise, Receiver-Tiefpass, Zusammenhang: OSNR, Extinktion und Q-Faktor

8c. Übertragungssysteme, Teil C
Faser-Nichtlinearitäten (nur Übersicht), maximale Entfernungen in Weitverkehrsnetzen, Pegel-Reserven (Margin) in Metro-Netzen

9. Allgemeine Netzaspekte
Trends, Betriebsarten, Netztopologien, Nomenklatur, Schichten, Management, Protection

10. WDM-Ringnetze
Unidirektionale Ringe, Unidirektionale Ringe mit Hub, Kombination von Topologien, Ersatzschalten im unidirektionalen Ring, Bidirektionaler Ring durch Doppelung eines unidirektionalen Rings, “Echter” bidirektionaler Ring, Ersatzschalten bei Knotenausfall, Vergleich von Ringnetzen

11. Bandbreite/Laufzeit- Problem
Begriff der “Response Time”, Wartezeit, Bedienzeit, Netzauslastung, Beispiel: File-Transfer im Europa-Netz, Latency, Laufzeit/Bandbreite-Grenzkurven für verschiedene Netze

12. Synchrone Digitale Hierarchie (SDH)
Aufbau des STM-1, Aufbau STM-N, Synchronisation, Payload, Container, Tributaries, SDH-Netzelemente, SDH Overhead Funktionen, Optical Interface Parameter für STM-16, SDH Netzschichten (Layer) und Netz-Sektionen, Section Overhead, SDH-Ringe mit Protection, Fehler und Alarme, SDH und WDM, Vergleich SDH und SONET

13. WDM-agile Netze
Wellenlängen-abstimmbare Transmitter und Receiver, Einsatz im Bus- und Sternnetz, Wellenlängen- Vielfach, Protocol-Timing-Diagramm, Verkehrsanalyse, Blockierung im Sternnetz

14. Schaltknoten-Netz
Circuit Switching, Burst Switching, Packet Switching, Schaltmatrizen Grundstrukturen, Spiegel-Matrizen, Wellenlängen-Konverter, WDM-Crossconnects, Verkehrstheoretische Aspekte zukünftiger „circuit switched“ WDM-Netze

15. Ergänzungskapitel: Einführung zur System-Messtechnik
Eye-Closure-Penalty, Receiver-Sensitivity-Penalty, "Ringtestbett" im Heinrich-Hertz-Institut