Flexible Lambda-Transportnetze - NET-im-web

BBWF-SPECIAL
Flexible Lambda-Transportnetze
Vergleich der technischen Lösungen
Walter Kailbach
Die Anforderungen an LambdaTransportnetze ändern sich ebenso
wie die anderer Netzebenen.
Verkehrsaufkommen, Bandbreiten
und die Anzahl der Wellenlängenverbindungen nehmen zu. Mit der
Komplexität steigen die
Anforderungen an Netzfunktionen,
die den effizienten Betrieb
unterstützen. Flexibilität ist ein
wichtiges Beispiel.
Gleichzeitig geht die Entwicklung der
relevanten optischen und
elektronischen Technologien weiter.
Es sind Komponenten verfügbar, mit
denen die Anforderungen erfüllt
werden können.
Flexible Lambda-Transportnetze lassen
sich mit Hilfe verschiedener Techniken
realisieren. Eine grundsätzliche Klassifizierung ergibt sich daraus, ob die
Schaltung der Lambda-Verbindungen
mit Hilfe von optischen Schaltern direkt auf der photonischen oder erst
nach Rückwandlung in die elektrische
Ebene erfolgt. Bei Knoten der ersten
Kategorie (Bild 1) bleibt das Signal in
der optischen Ebene (optisch-optischoptisch – OOO), während es in Knoten der zweiten Kategorie (Bild 2) in
die elektrische Ebene gewandelt,
dann in einer elektronischen Matrix
geschaltet und anschließend wieder
in ein optisches Signal gewandelt wird
(optisch-elektrisch-optisch – OEO).
OOO-Knoten sind optisch transparent, während OEO- oder auch opake
Knoten die optischen Signale terminieren und nur für die übertragene Information transparent sind.
Optische Knoten (OOO)
Flexible optische Knoten leiten die
Wellenlängen aus einem Eingangsbündel selektiv entweder in ein Ausgangsbündel oder zu terminierenden
Transpondern weiter. Abstimmbare
Transponder erlauben dabei eine flexible Zuordnung unterschiedlicher WelDas Thema in Kürze
Walter Kailbach arbeitet in der Alcatel-Lucent
Optics Division CTO Organization in Stuttgart
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Heutzutage stellt sich die Frage,
ob zeitgemäße flexible LambdaNetze besser durch optisch oder
durch elektrisch schaltende Knoten realisiert werden können. Beide grundsätzlichen Varianten haben jeweils ihre Vorzüge und ihre
Grenzen. Diese sollen in diesem
Beitrag mit Blick auf komplexe
Weitbereichsnetze und die zu
erwartenden Wellenlängentransportdienste miteinander verglichen werden.
lenlängen. Für das selektive Weiterleiten oder Schalten von Wellenlängen
stehen verschiedene Techniken zur
Verfügung. Wavelength-Blocker sperren die Durchleitung von einzelnen
Wellenlängen, die entsprechenden
Signale können vor dem Modul ausgekoppelt und auf einen Transponder
geleitet werden. Umgekehrt lassen
sich Wellenlängen, die vom Transponder kommen, nach dem Blocker in das
Ausgangsbündel einkoppeln.
Integrated Planar Wavelength Circuits
(iPLC) sind in der Lage, Wellenlängen
direkt auf einen Durchgangs- oder
Terminierungspfad zu schalten. Beide Techniken sind jedoch nur für
ROADM-Knoten geeignet, die jeweils
nur ein Eingangs- und Ausgangsbündel unterstützen.
Wavelength Selective Switches (WSS)
arbeiten mit Spiegeln (MEMS – MicroElectro-Mechanical System). Aufgrund der geringen Durchgangsdämpfung lassen sich damit optische
Knoten mit höherer Kardinalität als
zwei kombinieren. WSS-Module sind
die geeignete Technik für Knoten im
vermaschten optischen Netz.
Opake Knoten (OEO)
Opake Knoten besitzen je Ausgangsrichtung einen optischen Multiplexer/
Demultiplexer und Transponder für jede Wellenlänge. Damit liegen alle einund ausgehenden Wellenlängen in
der elektrischen Ebene vor und lassen
sich in einer elektrischen Matrix beliebig verschalten. Sie sind blockierungsfrei und können für unterschiedliche
Anforderungen kostenoptimiert werden. Die Palette reicht von einfachen,
quasi-transparenten Lambda-CrossConnects über Knoten mit netzweiten
Schutzmechanismen bis hin zu OTHfähigen Elementen, die mit ihrer Multiplexhierarchie den optimalen Transport von Wellenlängen unterschiedlicher Bandbreiten garantieren.
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Flexible Lambda-Transportnetze
In OEO-Knoten müssen die Transponder prinzipiell nicht abstimmbar sein,
da ohnehin alle Wellenlängen gewandelt werden. XFP-Module bieten hier
ein erhebliches Kostensparpotential
für OEO-Knoten, ebenso wie die relativ junge PIC-Technologie (Photonic
Integrated Circuits), die mehrere Transponder einschließlich der Regelelektronik in einem Modul kombiniert.
größeren photonischen Netz Blockierungseffekte auftreten. Da eine dem
Pfad zugeordnete Wellenlänge in allen betroffenen Segmenten frei sein
muß, sind diese für andere Verbindungen mit gleicher Wellenlänge
blockiert. Die nutzbare Kapazität in
gut ausgelasteten photonischen Net-
Auswirkungen auf den
Netzbetrieb
In photonischen Netzen werden die
optischen Signale in den Zugangsknoten erzeugt. Jeder Verbindung ist eine
Wellenlänge zugeordnet, die beim
Schalten über mehrere Knoten hinweg erhalten bleibt. Die Signale werden auf ihrem Weg lediglich verstärkt
und erst im Ausgangsknoten wieder
in die elektrische Ebene rückgewandelt. Das ist der wesentliche Grund für
den Kostenvorteil von photonischen
Netzen, da die Transponder zur OEOWandlung ein dominierender Kostenfaktor sind und im Idealfall nur an den
Netzgrenzen benötigt werden.
Photonische Netze bestehen im Kern
aus analogen Übertragungswegen
und sind entsprechenden Übertragungsfehlern ausgesetzt. Das Rauschen der optischen Verstärker ist
wellenlängenabhängig, d.h., das Signal-Rausch-Verhältnis ändert sich je
nach Wellenlänge und Pfad durch das
Netz. Darüber hinaus verursachen
physikalische Eigenschaften der Fasern Effekte wie z.B. chromatische
und polarisationsabhängige Dispersion oder Dämpfung. Nichtlineare Eigenschaften der Fasern führen zusätzlich zu Wechselwirkungen zwischen
unterschiedlichen Wellenlängen. Solche Effekte bedingen die Anwendungsgrenzen von photonischen Netzen. Mit zunehmender geographischer Ausdehnung, Anzahl von Netzknoten, Komplexität der Topologie sowie Anzahl der Wellenlängen wird das
Einrichten bzw. die Rekonfiguration
von Verbindungen zunehmend problematisch. Jede Änderung erfordert
sorgfältige Planung und das Tuning
der Netzkomponenten mit potentieller Auswirkung auf andere Verbindungen. Auch können in einem
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Bild 1: Bei optischen Knoten bleibt das Signal in
der optischen Ebene
Bild 2: Bei opaken Knoten wird das Signal in
die elektrische Ebene gewandelt, dann in einer
elektrischen Matrix geschaltet und anschließend wieder in ein optisches Signal gewandelt
zen ist daher in der Regel geringer als
die installierte.
Im Vergleich dazu sind Netze mit opaken Knoten, die eine OEO-Wandlung
durchführen und somit eine Regeneratorfunktion nachbilden, wesentlich
gutmütiger. Die analogen Effekte der
optischen Übertragung und deren
Kompensation sind jeweils nur auf
das Segment zwischen zwei Knoten
begrenzt. Sind die Segmente des Netzes eingerichtet und abgestimmt,
muß aus Netzsicht bei der Einrichtung
oder Änderung von Pfaden lediglich
die Verfügbarkeit von freien Kapazitäten in den Netzsegmenten berücksichtigt werden, nicht jedoch Wellenlänge, Wechselwirkungen zwischen
unterschiedlichen Pfaden oder die Begrenzung der Pfadlängen aufgrund
von Signaldämpfung. Das Tuning der
optischen Komponenten ist daher nur
bei der Installation oder Kapazitätserweiterung des Netzes und dann auch
nur jeweils segmentbezogen erforderlich. Das verringert den operationellen
Aufwand erheblich und ermöglicht
echte Netzdynamik z.B. für automatische Protection und Restauration in
der Wellenlängentransportschicht.
Die operationellen Vorteile der OEOWandlung in jedem Knoten stehen jedoch einer deutlich höheren Anzahl
von Transpondern und damit – je
nach Netzgestaltung – möglichen Kostennachteilen im Vergleich zu photonischen Lösungen gegenüber.
Anwendungen in unterschiedlichen Netzbereichen
Bedingt durch zunehmende Bandbreitenanforderungen, gewinnen optische
Lösungen auch im Zugangsnetz neben den kupferbasierten immer mehr
an Bedeutung. Passive optische Netze
(PON) sind ein Beispiel dafür. Hier ist
die Struktur baumförmig hin zu den
Zentralen, d.h., Flexibilität ist eher im
Sinne von Kapazitätserweiterung zu verstehen, weniger für die dynamische
Konfiguration auf der optischen Ebene.
In Aggregationsnetzen trifft man häufig auf Ringtopologien, die Aggregationsstandorte mit zentralen Standorten verbinden. Aus logischer Sicht
handelt es sich überwiegend um
baumförmige Strukturen; Schutzfunktionen der höheren Netzschichten
nutzen die Zweiwegeführung innerhalb der Ringe. Optische ADM dienen
der optimalen Nutzung von Fasern, in
urbanen Gebieten ist jedoch die Faserdichte oft so hoch, daß die Verwendung einer Faser pro Wellenlänge
ökonomischer ist. Flexibilität bieten
ROADM mit dem Fokus auf operationelle Vorteile bei der Einrichtung von
optischen Verbindungen.
Optische Weitbereichsnetze (Backbone) sind ebenfalls häufig aus Ringen
zusammengesetzt. Es ist jedoch eine
Entwicklung hin zu Maschennetzen
zu beobachten. Ein treibender Faktor
dafür ist das nach wie vor exponentiell
wachsende Verkehrsaufkommen. Viele Verbindungen wachsen mit der
Bandbreitenzunahme aus der SDHWelt heraus und können im optischen
Netz ökonomischer bedient werden.
Das gilt sowohl für die Verbindungen
für „interne“ Kunden, also für Transportdienste, die z.B. von höheren Diensteebenen des Betreibers in Anspruch
genommen werden, als auch für
Mietleitungen externer Kunden. Einige Backbone-Netze höherer Ebenen,
z.B. IP/MPLS-Netze, nutzen eine höhere Vermaschung, um mit Hilfe der optischen Netzebene die eigenen Knoten von Transitverkehr zu entlasten.
Insgesamt nimmt die Anzahl von Wel-
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Flexible Lambda-Transportnetze
lenlängenverbindungen und damit die
Dynamik der optischen Netze zu. Es
überrascht nicht, daß in gleichem
Maße Flexibilität gefordert wird. Maschennetze sind dafür gut geeignet
und die Netztopologien einiger großer
europäischer und internationaler Betreiber bereits entsprechend angelegt.
Derzeit wird die Flexibilität durch
ROADM-, aber und auch durch WSSKnoten mit der Kardinalität 4 realisiert. Schutzfunktionen auf optischer
Ebene sind jedoch kaum zu finden. In
jüngerer Zeit wurden mehrere optische Backbone-Netze auch mit opaken Knoten realisiert.
Anforderungen im Weitbereichsnetz
Mit dem Wandel der optischen Weitbereichsnetze von statischen Punktzu-Punkt-Verbindungen,
die
mit
DWDM realisiert sind, hin zu komplexen, flexiblen Transportnetzen ergeben sich operationelle Anforderungen, die den Transportnetzen der
höheren Ebenen gleichkommen. Optische Netze sind verbindungsorientiert
und sollten sich idealerweise ähnlich
effizient betreiben lassen wie die klassischen SDH-Netze.
Die Minimalforderung bez. Flexibilität
betrifft die operationell effiziente Bereitstellung und Rekonfiguration von
Verbindungen. Das erfordert ausgereifte OAM-Funktionen (Operation,
Administration and Maintenance), die
die Überwachung des Netzzustandes
und damit die solide Planung sowie
das automatisierte Einrichten von Pfaden in ökonomischer Weise garantieren. In photonischen Netzen, bei denen Änderungen einzelner Verbindungen netzweite Auswirkungen haben können, sind hochautomatisierte
Planungs- und Tuningmechanismen
erforderlich, um das Netz bei Schaltvorgängen stabil halten und Wechselwirkungen minimieren zu können.
Flexible optische Transportnetze werden zum Teil dediziert für Netze höherer Ebenen eingesetzt. Das ermöglicht, die optische Ebene direkt von
den Knoten der höheren Ebene steuern zu lassen, was verschiedene Vorteile bietet. Die Management- und
Routingfunktionen sind zwar komple-
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xer, im Gegenzug lassen sich aber aufgrund koordinierter Routing-Strategien die Netzressourcen auch bei Ersatzschaltungen im Fehlerfall optimal nutzen. Weiterhin bietet sich in dieser Architektur in Verbindung mit photonischen Netzknoten die sog. Transponderless-Variante an, bei der die Transponder für die optische Übertragung
bereits in den Knoten der höheren
Ebene integriert sind, was für die Gesamtnetzkosten von Vorteil sein kann.
Optische Transportnetze bedienen üblicherweise jedoch verschiedene Dienste für mehrere Kunden. In diesen Fällen muß das Management des Transportnetzes autonom sein. Es ist zwar
durchaus sinnvoll und auch notwendig, Ressourcen koordiniert bereitzustellen, z.B. über ein übergeordnetes Managementsystem oder UNISchnittstellen zwischen den Control
Planes der Netze in einer ASON-Architektur. Es kann jedoch nicht zugelassen werden, daß ein Kundennetz die
Transportressourcen der anderen Kunden beeinflußt.
Von Transportnetzen werden üblicherweise Schutzfunktionen erwartet, und
diese werden daher auch im optischen
Netz vorausgesetzt werden. Beim
Ausfall eines Faserkabels können sehr
viele Verbindungen betroffen sein. Die
schnelle Ersatzschaltung auf der optischen Ebene erübrigt zahl- und umfangreiche Reaktionen auf den höheren Netzebenen. Mit der Zunahme optischer Mietleitungen werden Schutzmaßnahmen für eine hohe Verfügbarkeit erforderlich. 1+1-Protection ist
dafür ein probates Mittel. RestorationMechanismen, bei denen Ersatzressourcen für verschiedene Ersatzpfade
verwendet werden, sind jedoch deutlich ökonomischer. Mit Restoration
werden die Anforderungen an die
Netzdynamik sehr hoch, da sich die
Zeiten zur Wiederherstellung der Verbindungen im Sekunden- bzw. Subsekundenbereich bewegen sollten.
Aus operationeller und technischer
Sicht ist es sehr effizient, ein optisches
Weitverkehrsnetz mit einheitlichen
Bandbreiten aufzubauen. Mischkonfigurationen sind insbesondere bei flexiblen photonischen Netzlösungen
problematisch, da die dynamische Änderung der Bandbreite kaum möglich
ist bzw. die Übertragung z.B. von
2,5-Gbit/s-Kundensignalen in einem
einheitlichen 10-Gbit/s-Netz eine
schlechte Nutzung der installierten
Kapazität zur Folge hätte.
Eine einheitliche Bandbreite widerspricht jedoch den unterschiedlichen
Anforderungen der Dienste an ein
großes Betreibernetz. Einerseits fordert die Verbindung großer Kundenknoten teilweise heute schon Bandbreiten mit 40 Gbit/s, andererseits bewegen sich zahlreiche Mietleitungen
interner und externer Kunden zwischen 1 und 10 Gbit/s. Mit der generell wachsenden Bandbreite wird auch
die Nachfrage nach optischen Mietleitungen mit – aus Betreibersicht geringen – Bandbreiten von 2,5 bzw. 1
Gbit/s steigen.
Das Multiplexen von optischen Signalen bietet einen Ausweg aus dem Dilemma. Die Optical Transport Hierarchy (OTH) bietet die Lösung dazu. Die
ITU-T-Standards G.709 und G.798
spezifizieren sowohl Rahmenformate
für die Übertragung, Architekturen
für das Multiplexen von Wellenlängensignalen in höhere Bandbreiten
(Wavelength Filling) als auch die Funktionen der Geräte. Es gibt noch einige
offene Punkte in der Zusammenführung der ITU-T- und EthernetBandbreitenraster. Das transparente
Mapping von 10GE-LAN ist ein bekanntes Beispiel, ebenso ist zur Zeit
ein direktes Mapping von 1GE in
OTH-Signale nicht definiert. Die laufenden Aktivitäten lassen jedoch Lösungen für den transparenten Transport von 10GE-LAN-Signalen über
OTH absehen, ebenso wie die Erweiterung der OTH-Standards auf 100G.
Das Multiplexen von Wellenlängensignalen in eine einzelne mit höherer
Bandbreite ist photonisch nicht möglich und erfordert OEO-Funktionen.
Bezogen auf die Netzarchitektur sind
verschiedene Lösungen denkbar. Eine
hybride Architektur geht von einer
photonischen Basis aus, wobei in einigen Knoten an den Netzrändern und
an zentralen Stellen OEO-Anteile geeigneter Kapazität integriert sind, deren elektrischer Anteil das Demultiplexen, Schalten und Multiplexen durchführt. Wellenlängen, die nicht angetastet werden, werden im photonischen
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Flexible Lambda-Transportnetze
Teil der Knoten weitergeleitet. Die andere Variante sind aus reinen OEOKnoten aufgebaute Netze, deren elektrische Anteile die komplette Bandbreite schalten und multiplexen können. Aus Netzsicht besitzen solche
Netze die maximale Flexibilität, verhalten sich dynamisch optimal und sind
im Betrieb auch bez. der Schutzfunktionen vergleichbar mit SDH-Netzen.
Ob die Anforderung der Wellenlängenfüllung an ein Netz gestellt wird,
hängt in erster Linie von den spezifischen Diensteanforderungen und den
operationellen und ökonomischen
Randbedingungen ab.
Grenzen optischer Knoten im
Netzkontext
In einer Netzstudie wurden OOO- und
OEO-Netzlösungen verglichen, um zu
sehen, wie sich die technologiebedingten Eigenschaften technisch und
kostenbezogen in großen LambdaTransportnetzen auswirken. Zur Vergleichbarkeit wurden für alle Varianten ähnliche Anforderungen gestellt,
wie z.B. Betrieb als autonomes Transportnetz, Flexibilität in allen Knoten
und weitgehende Blockierungsfreiheit
bei der Verschaltung innerhalb der
Knoten. Als Untersuchungsbasis dienten landesweite Netze jeweils eines
großen europäischen und eines USamerikanischen Betreibers mit deren
Topologie (Bild 3), realistischer Verbindungsmatrix und geschätztem Verkehrsaufkommen in den nächsten
Jahren. Dabei wurde angenommen,
daß in absehbarer Zeit photonische
Knoten mit der erforderlichen Kardinalität und ausgereiften automatisierten Managementtechniken für große photonische Netze verfügbar sein
werden.
Es hat sich gezeigt, daß im europäischen und noch mehr im US-Netz bei
den photonischen Varianten ein erheblicher Anteil der Pfade auf OEORegeneration angewiesen ist. Ein reines flexibles OOO-Netz in solchen Dimensionen ist aufgrund der Fasereffekte und der Durchgangsdämpfung
von OOO-Knoten nicht realistisch.
Die Regeneration in den Knoten der
höheren Ebene ist aus mehreren
Gründen nicht sinnvoll. Zum einen wi36
Bild 3: Zur Untersuchung wurden landesweite
Netze eines großen europäischen (oben) und
eines amerikanischen Betreibers herangezogen
derspricht es dem Paradigma des
Transportnetzes, da die Kundenknoten in Netzplanung und Management
einbezogen werden müssen. Zum anderen sind die erforderlichen Interface- und Schaltkapazitäten in Routern
und Switchen deutlich höher als dedizierte Regeneratormodule in den optischen Knoten.
Sieht man entsprechende Regeneratorkapazitäten im Netz vor, löst man
gleichzeitig weitgehend das Problem
der Wellenlängenblockierung, da bei
der OEO-Regeneration innerhalb des
Pfades auch eine andere Wellenlänge
zugeordnet werden kann.
Weiterhin hat sich bestätigt, daß der
Einsatz von abstimmbaren (tunable)
Transpondern sinnvoll ist. Die vermeintliche Kosteneinsparung durch
kostengünstigere Transponder fester
Wellenlänge wird durch zusätzlich erforderliche Netzkapazitäten für den
dynamischen Betrieb weitgehend
kompensiert. Die deutlich geringeren
operationellen Kosten sind nur ein
weiteres Argument gegen feste Wellenlängen in photonischen Netzen.
Kostentrends
Neben Diensteanforderungen und
operationellen Gesichtspunkten be-
stimmen erforderliche Investitionen
die Auswahl der Technik zur Realisierung eines Lambda-Netzes. Im Rahmen der Netzuntersuchungen wurden
diese ebenfalls bewertet. Es hat sich
bestätigt, daß die photonischen Varianten in der Regel geringere Kosten
verursachen als OEO-Netze, die mit
MSA-Transpondern für große Übertragungsreichweiten bestückt sind.
Im europäischen Netz liegt die mittlere Distanz zwischen den Standorten
im Bereich von 50 km, im US-Netz bei
150 km, so daß auch OEO-Knoten mit
XFP-Modulen eine Alternative darstellen, gegebenenfalls mit Leitungsverstärkern für das gesamte Wellenlängenbündel dort, wo die XFP-Reichweite überschritten wird. Bei dieser
Netzvariante zeigt sich ein differenziertes Bild: Bis zu einer mittleren Knotengröße von einigen hundert Gbit/s
Kapazität sind die OEO-XFP-Netze
günstiger als die OOO-Varianten, bei
mittleren Knotengrößen deutlich über
1 Tbit/s kehrt sich das Bild um.
Berücksichtigt man den zu erwartenden Preisverfall der unterschiedlichen
Techniken, den bevorstehenden Technologiesprung bei elektronischen
Schalt-ICs mit signifikant höherer Leistungsdichte und deutlich geringeren
Kosten pro Bandbreite sowie die Fortschritte bei integrierter Optik, von denen OEO-Knoten profitieren können,
werden OEO-Netze in absehbarer Zeit
auch bez. der Investitionen äußerst interessant.
Fazit
Mit den neuen Technologien ist der
Weg für flächendeckende, effiziente
Lambda-Transportnetze frei. Ob diese
mit photonischen, opaken oder hybriden Technologien realisiert werden,
muß mit Hilfe von netzspezifischen
Abwägungen zwischen Diensteanforderungen in den unterschiedlichen
Netzbereichen, der Größe des Netzes
und damit auch den operationellen
Randbedingungen herausgefunden
werden. Sowohl bezüglich der Investitionen als auch der operationellen Kosten sind flexible Lambda-Transportnetze für unterschiedliche Wellenlängen und mit den transportüblichen
Schutzfunktionen realistisch.
(bk)
NET 10/07