Nachricht

Sep 08, 2023

STF Mag Feature: Aufstieg der Hyperscaler legt großen Wert auf das Testen von optischen Unterwasserkabeln

Wie in der September-Ausgabe des SubTel Forum Magazine veröffentlicht. Bei der letzten Zählung:

Wie in der September-Ausgabe des SubTel Forum Magazine veröffentlicht

Nach der letzten Zählung gibt es laut TeleGeography schätzungsweise 436 Unterseekabel, die sich über mehr als 1,3 Millionen Kilometer rund um den Globus erstrecken. Diese Kabel sind für die Art und Weise, wie wir alle kommunizieren und Informationen sammeln, von entscheidender Bedeutung, da sie zwischen 97 und 99 % der weltweiten Daten übertragen. Um ihren ordnungsgemäßen Einsatz und Betrieb sicherzustellen und etwaige Fehler effizient zu lokalisieren und zu beheben, müssen fortschrittliche Testlösungen und -prozesse integriert werden.

Die Aufrechterhaltung der Übertragung über Unterseekabel hat weitreichende Auswirkungen auf mehr als nur die Art und Weise, wie Menschen ihr Leben führen. Es hat große finanzielle Auswirkungen. Der weltweite Markt für Unterseekabelsysteme wird voraussichtlich von 14,40 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 16,15 Milliarden US-Dollar bis Ende dieses Jahres wachsen. Laut Research and Markets wird das Wachstum anhalten und bis 2026 22,7 Milliarden US-Dollar erreichen.

Abbildung 1: Unterseekabel erstrecken sich weltweit über mehr als 1,3 Millionen Kilometer über den Meeresboden. Bild mit freundlicher Genehmigung von TeleGeography.

Zu diesem Wachstum tragen vor allem zwei Faktoren bei:

COVID 19 – Die globale Pandemie hat die Art und Weise, wie Menschen leben, verändert. Es wird erwartet, dass Remote-Arbeitsumgebungen auf absehbare Zeit bestehen bleiben und die Nachfrage nach Videokonferenzen und anderen Streaming-Technologien steigen wird.

Hyperscaler – Ein vielleicht wichtigerer Grund für den zunehmenden Einsatz von optischen Unterseekabeln ist der Zustrom von Hyperscale-Rechenzentren. Solche Einrichtungen werden von globalen Technologiekonzernen genutzt, um weltweit wichtige Dienstleistungen zu erbringen. Ein Hyperscale-Rechenzentrum ist definiert als ein Rechenzentrum mit mehr als 5.000 Servern, einer Fläche von 10.000 Quadratmetern und einer flexiblen Architektur für eine homogene Skalierung von Greenfield-Anwendungen. Abbildung 2 zeigt die Wachstumsprognose von Hyperscale-Rechenzentren nach Angaben der Synergy Research Group.

Abbildung 2: Hyperscale-Rechenzentren werden im kommenden Jahrzehnt ein wichtiger Wachstumsfaktor für Seekabel sein.

Hyperscale-Rechenzentren sind der Grund dafür, dass Google, Meta, Microsoft und Amazon prominente Akteure auf dem Seekabelmarkt sind. Beide investieren erheblich in neue Unterseekabel. Tatsächlich übersteigt die von privaten Netzwerkbetreibern wie Hyperscalern bereitgestellte Kapazität die traditioneller Internet-Backbone-Betreiber. Bis 2024 soll der Konzern über mehr als 40 Fernkabel verfügen, die alle Kontinente mit Ausnahme der Antarktis verbinden.

Unterseekabel verstehen

Mit einer solchen Investition gehen gleichermaßen hohe Erwartungen einher. Unterseekabel enthalten verschiedene Elemente (Abbildung 3), die getestet werden müssen, bevor die Kabel in Tiefen von mehr als 3 Kilometern (km) auf den Meeresboden fallen gelassen werden. Auch die Kabel müssen überwacht werden, um eine ordnungsgemäße Datenübertragung sicherzustellen und sicherzustellen, dass die Netzwerke wichtige Leistungsindikatoren (KPIs) erfüllen. Die Verifizierung muss erfolgen an:

Abbildung 3: Hauptkomponenten eines U-Boot-Systems.

Sicherstellung der Installation und des Betriebs

Im Durchschnitt erleiden jährlich mehr als 100 Seekabel einen Bruch. Viele werden versehentlich durch Fischereifahrzeuge verursacht, die ihre Anker ziehen. Angesichts der wachsenden Bedeutung des über Unterseekabel übertragenen Datenverkehrs wächst jedoch die Sorge, dass es auch zu schändlichen Handlungen kommen könnte, die Kabel beschädigen.

Netzbetreiber setzen Kabelschiffe ein, um Unterwasserkabel zu verlegen oder zu reparieren. Im Durchschnitt wird jedes Jahr eines dieser Tiefseeschiffe in Dienst gestellt, um dem Wachstum der Tiefseekabel gerecht zu werden. Die Ingenieure auf den Schiffen, die für die Verlegung der Unterwasserkabel verantwortlich sind, stehen vor einer Reihe von Herausforderungen. Beispiele hierfür sind das Verständnis aller Installationsanforderungen und die Kenntnis der spezifischen Installationsparameter. Kohärente optische Zeitbereichsreflektometer (C-OTDR) und OTDR-Messungen bilden die Hauptmethode, um die ordnungsgemäße Verlegung des Kabels sicherzustellen, den Kabelbetrieb zu überwachen und auftretende Fehler genau zu lokalisieren.

Vorteile eines C-OTDR

Ein C-OTDR ist das optimale Instrument zur genauen Messung und Charakterisierung des optischen U-Boot-Netzwerks. Es lokalisiert Fehler mit einer Genauigkeit von 10 Metern (m). Es funktioniert nach den gleichen Grundprinzipien wie ein OTDR. Die herkömmliche OTDR-Technologie ist jedoch keine praktikable Option, da ein EDFA nur in Vorwärtsrichtung verstärkt und unidirektionale Komponenten verwendet. Rückgestreutes Licht – entscheidend für die Messung optischer Kabel – kann daher nicht auf seinem ursprünglichen Weg zurückkehren.

Um diesem Szenario entgegenzuwirken, verfügen die meisten installierten und geplanten Systeme über den oben genannten optischen Rückkopplungspfad innerhalb des EDFA-Gehäuses. Auf diesem Weg gelangt das Rückstreulicht zurück zum C-OTDR, sodass ein C-OTDR das Unterseekabel mithilfe der OTDR-Prinzipien überwachen kann. Auch zu Testzwecken werden zwei Repeater über die typischerweise zwischen 40 km und 90 km lange Glasfaser verbunden.

Ein C-OTDR verfügt außerdem über die zusätzliche Fähigkeit, auf einer einstellbaren schmalen Wellenlänge zu übertragen, sodass das Instrument in einem Live-Netzwerk neben dem realen Verkehr innerhalb des DWDM-Netzwerks verwendet werden kann. Um Messungen durchzuführen, sendet das C-OTDR zwei Impulse, die normalerweise so weit wie möglich vom Live-Verkehr entfernt platziert werden, um Störungen zu minimieren. Ein Prüfimpuls wird an einen DWDM-Kanal gesendet, während ein Dummy-Impuls einen zweiten Kanal belegt, der gemeinsam mit dem Prüfimpuls benachbart ist. Aufgrund des automatischen Verstärkungsregelungssystems des EDFA ist ein Blindimpuls erforderlich.

In einem Live-System hat der Eingang zu einem EDFA über mehrere Kanäle hinweg einen konstanten Leistungspegel. Tests mit einem C-OTDR werden oft auch auf einem System ohne Verkehr (auch „unbeleuchtet“) durchgeführt. Beim Testen an einem unbeleuchteten System kann die EDFA-Verstärkungsregelung aufgrund der pulsierenden Leistungscharakteristik des C-OTDR keinen stabilen Ausgang aufrechterhalten. Zum Ausgleich gibt das C-OTDR Impulse auf zwei Kanälen aus, um einen konstanten Eingangspegel zum EDFA sicherzustellen. Der Testimpuls wird für einen kurzen Zeitraum erzeugt, während der Lastimpuls für den Rest der festgelegten Zeit eingeschaltet bleibt. Das Verhältnis zwischen beiden wird durch Testen der am C-OTDR ausgewählten Impulsbreite bestimmt.

Auf der Empfängerseite des C-OTDR gibt es mehrere Verbesserungen gegenüber einem Standard-OTDR:

Eine kohärente Erkennung ist erforderlich, da ein Unterwassernetzwerk aus vielen optischen Verstärkern besteht, die den Leistungspegel auf die DWDM-Wellenlängen erhöhen. Es erhöht auch den Amplified Spontaneous Noise (ASE)-Pegel. Da jeder Verstärker den ASE-Pegel erhöht, ermöglicht die kohärente Erkennungsmethode dem C-OTDR, Signale zu erkennen, die normalerweise innerhalb oder unter dem Rauschen „versteckt“ wären.

Genauere Fehlerortung in jeder Tiefe

Ein C-OTDR ist für Unterseekabel unerlässlich, da es eine genaue Fehlerortung auf jeder Länge eines Unterseenetzes ermöglicht. Die Datenpunktauflösung vieler herkömmlicher OTDRs basiert typischerweise auf der km-Reichweiteneinstellung des Instruments. Beispielsweise ist ein OTDR mit 50.000 Datenpunkten von der Bereichseinstellung betroffen. Bei Unterseenetzen ist dies ein kritisches Problem, da die Entfernung bei Unterseekabeln um mehrere Größenordnungen größer ist als bei terrestrischen Netzen.

C-OTDRs sind mit 1,2 Millionen Datenpunkten ausgestattet und reduzieren automatisch die Anzahl der Punkte, abhängig von der Entfernungsbereichseinstellung. Letzteres Feature hat mehrere Vorteile:

Jede 1,2 Millionen Datenpunktprobe wird über die Zeit gemittelt, bevor die Kurve auf dem C-OTDR-Bildschirm angezeigt wird. Eine schnellere Verarbeitung wird erreicht, da weniger Datenpunkte gemittelt werden, wenn eine Reichweiteneinstellung von weniger als 12.000 km ausgewählt wird.

Die Verwendung eines C-OTDR mit weniger Datenpunkten kann sich nachteilig auswirken, wenn längere Verbindungen gemessen werden müssen. Wenn das C-OTDR beispielsweise maximal 10.000 Datenpunkte hat und die Reichweite auf 8.000 km eingestellt ist, entsteht eine Datenpunktungenauigkeit von 800 m. Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, kann die Ungenauigkeit zu längeren Verzögerungen bei der Lokalisierung des Endfaserfehlers führen. Das Ergebnis ist, dass das Netzwerk über einen längeren Zeitraum ausfällt und/oder auf einem minderwertigen Niveau arbeitet. Angesichts des Werts und der Investitionen in die Netzwerke können die finanziellen Auswirkungen in einem solchen Szenario astronomisch sein.

Abbildung 4: Die Auflösung eines C-OTDR-Datenpunkts wirkt sich auf die Messgenauigkeit aus.

Bedeutung der Messung der Signalleistung

Mehrere Lasersignale – bis zu 160 oder mehr – unterschiedlicher Wellenlänge werden in Unterseekabeln gemultiplext. Eine genaue Prüfung der Leistung dieser Signale ist erforderlich, um den Betrieb von optischen Unterwasserkabeln sicherzustellen. Bei zu geringer Leistung wird das Signal am anderen Ende nicht empfangen. Wenn der Wert zu hoch ist, kann das Signal die Übertragungsausrüstung beschädigen.

Ein optischer Spektrumanalysator (OSA) ist ein Instrument, das die optische Leistung des zu prüfenden Signals anzeigt. Das OSA führt das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) für genaue Rauschleistungsmessungen durch. Die Ein/Aus-Messmethode ist bei optischen Unterseekabeln am effektivsten. Es ermöglicht die OSNR-Analyse polarisierter Multiplexsignale durch Abschalten jedes Kanals, sodass die Rauschleistung jedes einzelnen Kanals gemäß IEC61282-12 individuell gemessen werden kann.

Auch bei der Verlegung von Seekabeln wird die OSA für weitere Messungen eingesetzt. Zu den weiteren Tests, die der Analysator durchführt, gehören die Kanalwellenlänge, die Verstärkungsneigung (Ebenheit der Leistung jedes Kanals) und die Spektrumsbreite.

Abschluss

Die Bedeutung von Seekabeln in globalen Netzwerken wird mit dem Wachstum von Hyperscale-Rechenzentren immer größer. Um den ordnungsgemäßen Einsatz neuer Kabel und deren laufenden Betrieb sicherzustellen, wurde eine neue Generation von C-OTDRs und OSAs entwickelt. Sie ermöglichen äußerst genaue Entfernungsmessungen und eine vollständige Charakterisierung optischer Ereignisse in optischen Unterseekabeln. Die kohärente Technologie und der optische Rückkopplungspfad des U-Boot-Kabels von C-OTDRs stellen sicher, dass Tausende Kilometer Glasfaser schnell und effizient charakterisiert werden können, und tragen dazu bei, dass die teure Aufgabe der Fehlerbeseitigung so schnell und effizient wie möglich abgeschlossen wird.

Shu Zhuang ist Senior Product Marketing Manager bei Anritsu Company. Sie verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in den Bereichen Produktmarketing, Pre-Sales, globales Netzwerkdesign, Systemdesign-Engineering und Systemverifizierung. Sie hat einen MBA in Elektrotechnik und Informationstechnik vom Stevens Institute of Technology.

Klicken Sie hier, um weitere Artikel aus der Offshore-Energie-Ausgabe des SubTel Forum Magazine zu lesen, oder lesen Sie hier auf unserer Archivseite.