Den U-Bahn-Engpass durchbrechen

Im sogenannten Backbone des Telekommunikationssystems, den fetten Rohren, die Daten über Kontinente schütten, heißt das Spiel rohe Geschwindigkeit ( sehen Ein besseres Rückgrat aufbauen , ). Aber die Daten, die durch das Telekommunikations-Backbone rasen, können ihre Mission nicht erfüllen, bis sie durch den Metropolitan Loop transportiert werden, ein komplexes Netzwerk aus Kabeln und Switches, das diese Bits an Unternehmen, Fabriken, Schulen und Haushalte liefert. Dort verengt sich der Informationsschwall zu einem relativen Rinnsal, denn die U-Bahn-Schleife ist genauso verworren wie der Berufsverkehr in der Innenstadt. Wenn die Breitbandrevolution jemals Realität werden soll, muss der großstädtische Flaschenhals durchbrochen werden.

Aber das ist eine große Aufgabe. Upgrades in der U-Bahn-Schleife kamen weitaus langsamer als Fortschritte im Backbone. Die Gründe reichen von verschärften Kostenbeschränkungen über städtische Bürokratie bis hin zu einer Patchwork-Telekommunikationsinfrastruktur aus den 1970er und 1980er Jahren. Aber die speziell auf den U-Bahn-Kreis ausgerichtete Forschung und Entwicklung verdrängt langsam eine Vielzahl von Lösungen aus dem Labor und unter die Straße. Und wenn wir wirklich Breitband wollen, funktionierten diese Fixes besser.

Ein besseres Rückgrat aufbauen

Diese Geschichte war Teil unserer Juni-Ausgabe 2001



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Schwaches Glied

Um das Ausmaß des Engpasses zu erfassen, betrachten Sie den Platz des U-Bahn-Netzes in der Telekommunikationsökologie. Im Backbone werden Übertragungsgeschwindigkeiten in Billionen Bits pro Sekunde gemessen. Auf der Benutzerseite laufen Hochgeschwindigkeitsnetze mit Milliarden von Bits pro Sekunde (Gigabit). Aber die U-Bahn-Systeme, die diese beiden Hochgeschwindigkeitsnetze verbinden, stochern nur mit Millionen von Bits pro Sekunde (Megabit) herum. Das ist der Flaschenhals, beklagt Steve Schilling, President of Access Networks bei Nortel Networks. Und diese U-Bahn-Verengung ist nicht nur ein Problem für die Unternehmen, die die Netze betreiben. Normale Leute erleben es als Besetztzeichen auf der Amtsleitung und blockierte Webbrowser.

Wenn Sie hier nach einem Täter suchen, greifen Sie nicht zu den Telefongesellschaften, die die U-Bahn-Schleife betreiben. Sie planten (zumindest dachten sie) umsichtig für ein stetiges Wachstum der Sprachkommunikation, die zu dieser Zeit ihr Brot und Butter war. Dann wurden sie, zusammen mit allen anderen, von der Explosion des Netzes überrumpelt. Vor zwei bis drei Jahren stießen wir in städtischen Gebieten auf Kapazitätsprobleme, sagt Stuart Elby, Leiter der Entwicklung von internetfähigen Netzen bei Verizon, der Telefongesellschaft für New York und Neuengland. Geschwindigkeiten von 2,5 Gigabit pro Sekunde, genug, um starken Netzverkehr zu bewältigen, sind nur in den Herzen von Großstädten wie New York oder Boston üblich, wo Verizon Glasfaserkabel mit 48 Strängen führt. Typischere Metro-Loop-Geschwindigkeiten reichen von 1,5 bis 600 Megabit pro Sekunde.

Und ein Nachlassen des angeschlagenen U-Bahn-Betriebs ist nicht in Sicht. Mit zunehmender Bandbreite entstehen immer mehr Anwendungen, sagt Claude Romans, Analyst beim Marktforschungsunternehmen RHK aus South San Francisco. Wenn beispielsweise das digitale Fernsehen jemals auf den Markt kommt, könnte es enorme Bandbreiten verschlingen; es dauert 1,5 Gigabit pro Sekunde, um einen einzelnen HD-Videokanal in Studioqualität zu übertragen (obwohl Verbraucher nur eine komprimierte 20-Megabit-pro-Sekunde-Version sehen). Diese Art von Datenansturm wird die U-Bahn-Schleife ohne wesentliche technologische Upgrades in die Knie zwingen.

Die derzeitige und zukünftige Verlangsamung der Übertragung betrifft beide Hauptkomponenten der Hub-and-Spoke-Struktur der U-Bahn-Schleife. Der Zugangsteil des Netzwerks – die Spokes-Fähren – signalisiert Wohnvierteln und einzelnen Bürogebäuden. Diese Zugangsleitungen sind mit dem Sammelring verbunden, der Signale durch einen Ballungsraum transportiert und Servicezentren von Telefongesellschaften und anderen wichtigen Verkehrszentren wie Internetdienstanbietern und großen Universitäten verbindet.

Technologische Fortschritte helfen, sowohl den Sammelring als auch die Zugangsleitungen zu entwirren. Glasfasern, die bereits den Sammelring dominieren, ersetzen auch in den Zuleitungen immer mehr Restkupfer und pflastern Feldwege mit glattem, modernem Asphalt. Und neue optische Übertragungstechnologien stopfen immer mehr Daten in die bereits bestehenden Netze.

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Packen von Bits und Wellenlängen

Das schwerste Heben in einem U-Bahn-System wird normalerweise vom Sammelring durchgeführt, der sich durch die gesamte Region zieht und dabei den lokalen Zugang bietet. Um den Bandbreitenengpass hier zu überwinden, haben Ingenieure zwei grundlegende Möglichkeiten: Sie können die Bitrate eines einzelnen Lichtstrahls erhöhen, der durch eine Faser läuft, oder sie können die Kapazität vervielfachen, indem sie mehrere Wellenlängen als Informationsträger verwenden. Bei der zweiten Alternative, die als Wellenlängenmultiplex bekannt ist, trägt jede Faser mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben – mit einem unterschiedlichen digitalen Signal, das in jedem Strahl codiert ist. Je mehr Wellenlängen Sie einpacken können, desto mehr Informationen bewegen Sie. (Diese Farben sind eigentlich verschiedene Infrarottöne und für das Auge unsichtbar.)

Beide Ansätze werden nun von den Unternehmen ausprobiert, die die U-Bahn-Schleife betreiben. Verschiedene technische Probleme machen es schwierig, die Bitrate zu erhöhen. Aber um die jüngsten Entwicklungen zu ermutigen, haben zwei führende optische Netzwerke - Ciena und Nortel Networks - eine Einzelwellenlängenübertragung von 40 Gigabit pro Sekunde über Glasfaserlängen gezeigt, die für ein U-Bahn-Netzwerk typisch sind. Das ist ein großer Sprung über die 2,5 Gigabit pro Sekunde, mit denen die schnellsten U-Bahn-Netze von heute arbeiten. Um diese Forschungsleistung aus dem Labor und auf die Straße zu bringen, sind jedoch Fortschritte in der Elektronik erforderlich, die die Signale manipuliert, da Standardchips noch nicht so schnell arbeiten.

Eingraben

Eine Fahrt um den Sammelring der Metro zeigt, dass er voller Fasern ist; Kupfer ist fast verbannt. Aber in den Zugangsleitungen am Rand des Netzwerks – den Verbindungen, die den Ring mit Privathaushalten und Unternehmen verbinden – koexistieren Glasfaser immer noch mit ihrem altmodischen Gegenstück. Glasfaser dringt jeden Tag weiter in das Zugangsnetz ein, aber es ist noch ein langer Weg, sagt Brian McFadden, Präsident für Photonik-Netzwerke bei Nortel Networks.

Das ist verständlich. Obwohl Glasfaser billiger im Betrieb und stabiler als Kupfer ist, können es sich etablierte Unternehmen nicht leisten, alle installierten Kabel auf einmal abzureißen. Die Infrastruktur ist enorm; selbst ein paar Prozent pro Jahr auszuwechseln ist eine enorme Investition, sagt Elby von Verizon. Aus diesem Grund drängt ein Konsortium von Telekommunikationsausrüstungsherstellern und Dienstanbietern darauf, evolutionäre Wege zu entwickeln, um Glasfaser immer näher an die Häuser und Büros zu bringen, die das Netzwerk nutzen.

Die Schlüsseltechnologie in dieser Entwicklung, ein sogenanntes passives optisches Netzwerk, erweitert die Reichweite der Glasfaser weiter bis in die Randzonen. Damit diese Technik funktioniert, muss zumindest ein gewisser Glasfaserdienst bereits vorhanden sein; aber passive Glasfaser bringt Glasfaser in Teile des Netzwerks, die jetzt nur noch über Kupfer bedient werden.

So funktioniert die passive Optik. Ein Sender einer zentralen Einrichtung erzeugt ein optisches Signal mit einer von zwei Standard-Telefonsystem-Datenraten – 155 oder 622 Megabit pro Sekunde. Dieses Signal ist ein zusammengesetztes Signal, das Informationen für bis zu 32 Benutzer enthält. Ein passiver Optokoppler, der keine elektrische Energie benötigt, teilt dieses Signal dann auf Fasern auf, die direkt mit Endbenutzern oder anderen Verzweigungspunkten verbunden sind. Geräte am Ende jeder dieser Fasern sortieren die Signale aus und leiten nur die Signale weiter, die für den lokalen Benutzer bestimmt sind. Der zentrale Sender kann den Kunden fast augenblicklich Bandbreite neu zuteilen.

Für eine Telefongesellschaft bieten passive optische Netzwerke eine attraktive Möglichkeit, die Reichweite von Glasfasern mit minimalem Aufwand zu erweitern. Das passive Design hält die Hardware-, Betriebs- und Installationskosten niedrig. Darüber hinaus werden die empfindlichen Geräte, die zum Senden, Empfangen und Umleiten optischer Signale erforderlich sind, innerhalb von Gebäuden an den Enden des Systems sicher aufbewahrt. Und da das passive optische Netzwerk zwischen seinen Endpunkten keine elektrische Energie benötigt, ist es im Allgemeinen weniger wartungsintensiv als auf aktiven Komponenten basierende Netzwerke.

Eine Dark-Horse-Technologie namens Gigabit-Ethernet, die kürzlich in das U-Bahn-Netzwerk aufgenommen wurde, erhöht die Geschwindigkeit noch weiter. Diese Systeme verwenden Fasern, um Informationen im Ethernet-Format zu übertragen, das üblicherweise für Bürocomputernetzwerke verwendet wird. Ihre Datenraten von einem Gigabit pro Sekunde lassen andere Access-Line-Technologien im Staub. Ein Gigabit sind 1.000 Megabit; Eine Gigabit-pro-Sekunde-Übertragung würde beispielsweise den gesamten Inhalt einer CD in weniger als einer Sekunde wegwischen.

Bei einem Gigabit-Ethernet führt eine einzelne Glasfaser-Pipeline zu einem zentralen Vermittlungspunkt. Dieser sogenannte Ethernet-Aggregator verteilt Signale auf bis zu 200 Fasern. Jede Ausgangsfaser – wie die Eingangsfaser – kann für kurze Bursts bis zu einem Gigabit pro Sekunde übertragen, aber die Gesamtausgangsgeschwindigkeit darf die Eingangsgeschwindigkeit nicht überschreiten. Eine Aggregatorbox von der Größe einer Telefonzelle kann mehr als 200 Haushalte in einem Umkreis von bis zu 10 Kilometern versorgen. Das liegt weit außerhalb der Reichweite digitaler Teilnehmeranschlüsse oder DSL – dem Dienst der Telefongesellschaft, der Breitbandverbindungen über Kupferkabel bereitstellt.

Gigabit-Ethernet kann als billiges Endprodukt für Telefongesellschaften für die Bereitstellung von Breitbandzugängen verwendet werden. Aus diesem Grund fördert ein gemeinnütziges Konsortium von Unternehmen und Universitäten mit Sitz in Ottawa, Ontario, namens Canarie, die Technologie für Breitbandverbindungen zu Schulen mit knappen Kassen. In den Vereinigten Staaten hat das in Veradale, WA, ansässige Startup World Wide Packets eine eigene Version der Technologie für die ländliche Telekommunikation entwickelt. Es testet ein System in Ephrata, WA, für den Grant County Public Utility District.

Ballaststoffreiche Ernährung

Das bloße Einweben von mehr Glasfaser in das U-Bahn-Netz wird nicht alle Probleme lösen, die in städtischen Gebieten auftauchen. Heutige Systeme basieren auf einer manchmal ungeschickten Mischung aus elektronischer und optischer Technologie. Winzige Laser leiten datentragende Lichtstrahlen in Glasfasern ein. Am anderen Ende trifft das Licht auf einen Fotosensor, der die Ein- und Aus-Blitze in ein elektrisches Signal umwandelt, das die Elektronik direkt an das richtige Ziel schaltet. Ein solches elektronisches Schalten funktioniert gut bei den bescheidenen Geschwindigkeiten von 2,5 Gigabit pro Sekunde, die heute in der U-Bahn üblich sind.

Aber wenn Sie die Datenrate erhöhen, haben es elektronische Schaltungen schwer, mit dem Potenzial optischer Netzwerke Schritt zu halten. Die Lösung: rein optische Schalter, die Lichtsignale umleiten, ohne sie in Elektronen umzuwandeln. Je höher die Bitrate, desto größer der rein optische Vorteil. Tatsächlich gibt es bei 40 Gigabit pro Sekunde keine Alternative zum rein optischen Switching, sagt Lawrence Gasman, Präsident von Communications Industry Researchers.

Zu einem rein optischen U-Bahn-System zu gelangen, wird jedoch nicht einfach sein, da es den Bau neuer Netze erfordert. Für etablierte Telefongesellschaften ist die Belastung möglicherweise nicht erdrückend, da die meisten vorhandenen unterirdischen Stadtkabel durch erdverlegte Kanäle geführt werden und Telefongesellschaften oft alte Kabel herausziehen und neue einziehen können - wie sie es beim Ersetzen von Kupfer durch Glasfaserkabel im 1980er Jahre. Neue Unternehmen hingegen müssen komplett neue Netzwerke aufbauen. Ein solches Unternehmen, Metromedia Fiber Network, plant, über seine Basis in New York City hinaus zu expandieren und bis 2004 fast sechs Millionen Kilometer Glasfaser in 67 Städten in Nordamerika und Europa zu installieren.

Aber egal, ob sie völlig neue Netze verlegen oder bestehende Systeme modifizieren, um ihre Leistung zu verbessern, die Erbauer und Betreiber der U-Bahn-Schleifen, die die konzentriertesten Bevölkerungsgruppen zusammenschließen, erfüllen eine entscheidende Aufgabe. Das Backbone und die Unternehmensnetzwerke, die die U-Bahn-Schleife flankieren, werden jedes Jahr schneller. Wenn der U-Bahn-Engpass nicht durchbrochen wird, bleibt Breitband kaum mehr als eine clevere Idee, die einige Technikfreaks einst hatten.

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