Optische Netzwerke - ROADM

Ältere optische Netzwerke setzen SDH / SONET-Technologien für den Datentransport über das optische Netzwerk ein. Diese Netzwerke sind relativ einfach zu planen und zu konstruieren. Neue Netzwerkelemente können problemlos zum Netzwerk hinzugefügt werden. Statische WDM-Netze erfordern möglicherweise weniger Investitionen in Geräte, insbesondere in U-Bahn-Netze. Die Planung und Wartung dieser Netzwerke kann jedoch ein Albtraum sein, da technische Regeln und Skalierbarkeit häufig recht komplex sind.

Bandbreite und Wellenlängen müssen vorab zugewiesen werden. Da Wellenlängen in Gruppen gebündelt sind und nicht alle Gruppen an jedem Knoten abgeschlossen sind, ist der Zugriff auf bestimmte Wellenlängen an bestimmten Standorten möglicherweise nicht möglich. Netzwerkerweiterungen erfordern möglicherweise neue optisch-elektrisch-optische Regenerations- und Verstärker oder zumindest Leistungsanpassungen an den vorhandenen Standorten. Der Betrieb eines statischen WDM-Netzwerks ist personalintensiv.

Die Netzwerk- und Bandbreitenplanung sollte so einfach sein wie in früheren SDH / SONET-Netzwerken. Innerhalb der gegebenen Ringbandbreite, zum Beispiel STM-16 oder OC-48, könnte jeder Knoten so viel Bandbreite wie nötig bereitstellen.

Bei jedem ADM war der Zugriff auf die gesamte Bandbreite möglich. Die Netzwerkerweiterung, beispielsweise die Einführung eines neuen Knotens in einen vorhandenen Ring, war relativ einfach und erforderte keine Besuche der vorhandenen Knoten vor Ort. Das Netzwerkdiagramm links veranschaulicht dies: Digitale Cross-Connect-Systeme sind mit mehreren optischen SDH / SONET-Ringen verbunden.

Rekonfigurierbare optische Netzwerke verhalten sich anders: Die Bandbreite kann bei Bedarf geplant und die Reichweite optimiert werden, da die optische Leistung jetzt pro WDM-Kanal verwaltet wird. Die Skalierbarkeit steigt deutlich an.

Das Schlüsselelement für die Ermöglichung eines solchen rekonfigurierbaren optischen Netzwerks ist Reconfigurable Optical Add-drop Multiplexer (ROADM). Damit können optische Wellenlängen mit nur einem Klick in der Software auf Client-Schnittstellen umgeleitet werden. Der sonstige Verkehr bleibt davon unberührt. All dies wird erreicht, ohne dass LKW-Rollen zu den jeweiligen Standorten benötigt werden, um Filter oder andere Geräte zu installieren.

Rekonfigurierbares WDM-Netzwerk mit ROADMs

Statische WDM-Konstruktionsregeln und Skalierbarkeit können sehr komplex sein (OADM in jedem Knoten).

• Vorbelegung von Bandbreite und Wellenlänge
• Randzuordnung für feste Filterstruktur
• Unzureichende Energieverwaltung
• Die Netzwerkerweiterung erfordert eine optisch-elektrisch-optische (OEO) Regeneration

SDH / SONET-Netzwerke sind einfach zu planen.

• Zugriff auf die gesamte Bandbreite bei jedem ADM
• Einfache Engineering-Regeln (nur Single Hop)
• Einfaches Hinzufügen neuer Netzwerkelemente

Eine rekonfigurierbare optische Schicht ermöglicht Folgendes.

• On-Demand-Bandbreitenplanung
• Erweiterte transparente Reichweite durch Energieverwaltung pro WDM-Kanal
• Hitless Skalierbarkeit

Statische photonische Schichten bestehen aus getrennten optischen Ringen. Betrachten Sie eine Reihe von DWDM-Systemen, die sich an jedem dieser Ringe befinden. Häufig bleiben Informationen oder Daten einfach im selben Ring, daher gibt es kein Problem. Was passiert jedoch in Fällen, in denen Daten an einen anderen optischen Ring übergeben werden müssen?

In statischen Systemen ist eine große Anzahl von Transpondern erforderlich, wo immer ein Übergang zwischen Ringen erforderlich ist. Tatsächlich benötigt jede Wellenlänge, die von einem Ring zum anderen geht, zwei Transponder: einen auf jeder Seite des Netzwerks. Dieser Ansatz verursacht hohe Kosten und viel anfängliche Planung, wenn man die Zuweisung von Bandbreite und Kanälen berücksichtigt.

Stellen wir uns nun eine dynamisch rekonfigurierbare photonische Schicht vor. Hier gibt es nur ein einziges DWDM-System, das die Schnittstelle zwischen zwei optischen Ringen bildet. Folglich verschwindet die transponderbasierte Regeneration und die Anzahl der DWDM-Systeme sinkt. Das gesamte Netzwerkdesign wird vereinfacht und Wellenlängen können nun ohne weitere Hindernisse von einem Ring zum anderen übertragen werden.

Jede Wellenlänge kann sich zu jedem Ring und zu jedem Port ausbreiten. Der Schlüssel zu einem solchen vollständig flexiblen und skalierbaren Netzwerkdesign mit einem optischen Durchgang vom Kern bis zum Zugangsbereich ist die Steuerebene ROADM und GMPLS.

Vereinfachungen durch ROADMs

ROADMs vereinfachen das Netzwerk und die Prozesse des Dienstanbieters oder Netzbetreibers. Diese Interaktion fasst einige dieser Vereinfachungen zusammen. Schließlich müssen wir berücksichtigen, dass all diese Vorteile zu einem geringeren Zeitaufwand und geringeren Kosten führen. Wichtiger ist jedoch, dass sie auch zu einer höheren Kundenzufriedenheit und damit zu einer höheren Kundenbindung führen.

Die Netzwerkplanung wird mithilfe von ROADMs erheblich vereinfacht. Denken Sie nur an die deutlich reduzierte Anzahl von Transpondern, die im Lager gelagert werden müssen.

Installation und Inbetriebnahme - zum Beispiel beim Einrichten einer neuen Wellenlänge im Netzwerk - erfordern erheblich weniger Aufwand und sind viel weniger komplex. Servicetechniker müssen nur die jeweiligen Endstandorte aufsuchen, um die Transponder und ROADM zu installieren. Feste optische Add / Drop-Multiplexer (FOADMs), die einen Besuch an jedem Zwischenstandort erforderten, damit Installationsarbeiten und Patches durchgeführt werden konnten.

Betrieb und Wartung werden erheblich vereinfacht, wenn ein dynamisches optisches Netzwerk bereitgestellt wird. Die optische Diagnose kann wie bisher in wenigen Minuten statt in Stunden durchgeführt werden. Beeinträchtigungen können erkannt und dynamisch behoben werden, anstatt LKW-Rollen an externe Standorte auszulösen.

Durch den Einsatz von abstimmbaren Lasern und farblosen ROADMs wird die Wartung der Faseranlage vereinfacht. Mit diesen Funktionen ist die Bereitstellung von Diensten jetzt einfacher als je zuvor. Wie bei den Installations- und Inbetriebnahmearbeiten ist auch die Netzwerkwartung und mögliche Upgrades erheblich einfacher.

ROADM-Architektur

In den vorherigen Abschnitten wurden viele Vorteile von ROADMs für das Netzwerkdesign und den Netzwerkbetrieb behandelt. Hier noch ein paar mehr -

• Überwachung und Nivellierung der Leistung pro Kanal, um das gesamte DWDM-Signal auszugleichen
• Volle Verkehrskontrolle vom Remote Network Operation Center

Eine Frage blieb jedoch bisher unbeantwortet: Wie funktioniert ein ROADM? Werfen wir einen Blick auf einige Grundlagen.

Ein ROADM besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptfunktionselementen: einem Wellenlängenteiler und einem wellenlängenselektiven Schalter (WSS). Schauen Sie sich das obige Blockdiagramm an: Ein Glasfaserpaar an der Netzwerkschnittstelle Nr. 1 ist mit dem ROADM-Modul verbunden.

Die Faser, die die eingehenden Daten (vom Netzwerk) trägt, wird dem Wellenlängenteiler zugeführt. Jetzt sind alle Wellenlängen an allen Ausgangsports des Splitters verfügbar, in diesem Fall 8. Lokaler Add / Drop-Verkehr (Wellenlängen) kann mit einem Arrayed Waveguide Filter (AWG) gemultiplext / de-gemultiplext werden. Die Verwendung eines AWG impliziert eine feste Wellenlängenzuweisung und -richtung.

Der Wavelength Selective Switch (WSS) verbindet die verschiedenen Wellenlängen selektiv und speist sie dem Ausgang der Netzwerkschnittstelle Nr. 1 zu. Die verbleibenden Splitter-Ports sind mit anderen Netzwerkrichtungen verbunden, beispielsweise drei anderen Richtungen an einem 4-Grad-Verbindungsknoten.

Note- Eines der abgebildeten Module (vollständig graues Kästchen) wird pro Netzwerkrichtung an diesem Knoten benötigt. Genauer gesagt: In einem Knotenpunkt, der vier Richtungen (4 Grad) bedient, werden vier dieser Module benötigt.

Das ROADM-Herz - das WSS-Modul

Beginnen wir mit dem WDM-Signal von links. Es passiert die optische Faser oben und ist auf ein Volumenbeugungsgitter gerichtet. Dieses Volumenbeugungsgitter wirkt als eine Art Prisma. Es trennt die verschiedenen Wellenlängen in verschiedene Richtungen, obwohl die Variation des Winkels ziemlich gering ist. Die getrennten Wellenlängen treffen auf einen sphärischen Spiegel, der die Strahlen kurz auf eine Reihe von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) reflektiert. Jeder Mikroschalter wird von einer anderen Wellenlänge getroffen, die dann zum sphärischen Spiegel zurückgesendet wird.

Von dort werden die Strahlen zum Massenbeugungsgitter zurückgeführt und zur optischen Faser gesendet. Aber dies ist jetzt eine andere Faser als die, mit der wir begonnen haben. Das Ausgangssignal mit einer Wellenlänge zeigt an, dass dies aufgetreten ist. Dieses Signal kann dann mit anderen Signalen mit einer Wellenlänge kombiniert werden, um eine andere Übertragungsfaser aufzufüllen.

Es stehen verschiedene Versionen zur Verfügung - die Schlüsselwörter hier sind farblos, richtungslos usw.

ROADM - Grad, farblos, richtungslos und mehr

Begriff	Erläuterung
Degree	Der Begriff Grad beschreibt die Anzahl der unterstützten DWDM-Leitungsschnittstellen. Ein 2-Grad-ROADM-Knoten unterstützt zwei DWDM-Leitungsschnittstellen. Es ermöglicht auch zwei Add / Drop-Zweige aller Leitungsschnittstellen.
Multi Degree	Multi-Degree-ROADMs unterstützen mehr als zwei DWDM-Leitungsschnittstellen. Die Anzahl der möglichen Add / Drop-Verzweigungen wird durch die Anzahl der WSS-Ports bestimmt.
Colorless	Ein farbloses ROADM ermöglicht die flexible Zuordnung einer beliebigen Wellenlänge oder Farbe zu einem beliebigen Port. Zur Implementierung dieser Funktion müssen Filtermodule angeschlossen werden.
Directionless	Ein richtungsloses ROADM erfordert keine physikalische Wiederverbindung der Übertragungsfasern. Wegbeschränkungen werden beseitigt. Richtungslose ROADMs werden zu Wiederherstellungszwecken oder zur vorübergehenden Umleitung von Diensten bereitgestellt (z. B. aufgrund von Netzwerkwartung oder Anforderungen an die Bandbreite bei Bedarf).
Contentionless	Inkonsequente ROADMs beseitigen das potenzielle Problem, dass zwei identische Wellenlängen im ROADM kollidieren.
Gridless	Gridless ROADMs unterstützen verschiedene ITU-T-Kanal-Grids mit demselben DWDM-Signal. Die Netzgranularität kann an zukünftige Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit angepasst werden.

Um diesen abgestuften ROADM-Ansatz zu verstehen, werden im Folgenden einige Schlüsselbegriffe verwendet, die häufig im Zusammenhang mit ROADMs verwendet werden.

Farblos

Einfache ROADMs umfassen ein WSS für jede Richtung, auch als "ein Grad" bezeichnet. Die Wellenlängen werden weiterhin zugewiesen und feste Add / Drop-Transceiver verwendet. Farblose ROADMs heben diese Einschränkung auf: Mit solchen ROADMs kann jedem Port jede Wellenlänge oder Farbe zugewiesen werden. Es sind keine LKW-Rollen erforderlich, da das gesamte Setup softwaregesteuert ist. Filtermodule müssen implementiert werden, um die farblose Funktion zu realisieren.

Richtungslos

Dies tritt häufig in Verbindung mit dem Begriff „farblos“ auf. Ein richtungsloses Design beseitigt eine weitere ROADM-Einschränkung. Die Notwendigkeit, die Übertragungsfasern physisch wieder anzuschließen, entfällt durch richtungslose ROADMs, da es keine Einschränkungen hinsichtlich der Richtung gibt, beispielsweise in Richtung Süden oder Norden.

Streitlos

Obwohl ROADMs farblos und richtungslos sind, bieten sie bereits eine große Flexibilität. Zwei Wellenlängen mit derselben Frequenz können in einem ROADM dennoch kollidieren. Inkonsequente ROADMs bieten eine dedizierte interne Struktur, um ein solches Blockieren zu vermeiden.

Gitterlos

Gitterlose ROADMs unterstützen ein sehr dichtes Wellenlängenkanalgitter und können an zukünftige Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit angepasst werden. Die Funktion ist für Signalraten von mehr als 100 Gbit / s und verschiedene Modulationsformate innerhalb eines Netzwerks erforderlich.

Wenn richtungslos

Richtungslose ROADMs sind das am weitesten verbreitete ROADM-Design, da sie das Hinzufügen / Verringern einer Wellenlänge aus dem unterstützten ITU-Gitter auf jeder Leitungsschnittstelle ermöglichen. Bei einer Nur-Richtungs-Variante sind die Add / Drop-Ports spezifisch für eine definierte Wellenlänge. Bei Verwendung der Option "Farblos" können die Ports auch nicht wellenlängenspezifisch sein.

Die richtungslose Technologie wird hauptsächlich zum Umleiten der Wellenlänge an andere Ports eingesetzt, wenn dies für Wiederherstellungszwecke erforderlich ist. Andere Anwendungen sind auch möglich, beispielsweise in Situationen, in denen Bandbreite bei Bedarf zur Verfügung steht. ROADMs, die die richtungslose Funktion nicht unterstützen, unterliegen einigen Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität.

Wenn farblos

Farblose ROADMs ermöglichen die Änderung der Wellenlängen eines bestimmten optischen Kanals ohne physische Neuverkabelung. Ein farbloses ROADM kann so konfiguriert werden, dass eine beliebige Wellenlänge aus dem unterstützten ITU-Raster an einem beliebigen Add / Drop-Port hinzugefügt / gelöscht wird. Die hinzugefügte / abgelegte Wellenlänge kann sich ändern (einstellbare DWDM-Schnittstelle). Dies ermöglicht -

• Verbesserte Flexibilität für die Bereitstellung von Wellenlängen und die Wiederherstellung von Wellenlängen

• Wiederherstellungsumschaltung, Richtungsumschaltung und Farbumschaltung

• Der Hauptvorteil farbloser Add / Drop-Ports in Kombination mit einstellbaren DWDM-Leitungsschnittstellen ist die verbesserte Flexibilität für die Bereitstellung von Wellenlängen und die Wiederherstellung von Wellenlängen. Automatische Abstimmung auf die nächste freie Wellenlänge auf einem angeforderten optischen Pfad.

Eines der letzten Bits bei der vollständigen Automatisierung des optischen Netzwerks ist die Bereitstellung farbloser ROADMs. Die Verwendung solcher ROADMs ermöglicht das Hinzufügen / Löschen einer beliebigen Wellenlänge des unterstützten ITU-Gitters an einem beliebigen Add / Drop-Port. Die Wellenlänge am Port kann sich ändern, wenn abstimmbare Transceiver als optische Frontends verwendet werden.

Die Bereitstellung und Wiederherstellung der Wellenlänge wird noch einfacher als zuvor. Wenn eine Wellenlänge belegt ist, kann das System den Transceiver automatisch auf die nächste verfügbare freie Wellenlänge einstellen. ROADMs bieten die Möglichkeit, feste und farblose Add / Drop-Funktionen innerhalb desselben ROADM-Knotens zu verwenden.

Wenn umstritten

Contentionless ROADMs können an jedem Add / Drop-Port eine beliebige Wellenlänge hinzufügen / löschen, ohne dass an einem Add / Drop-Port ein Konfliktraster vorhanden ist. Eine dedizierte Wellenlängenfarbe kann mehrmals (von verschiedenen DWDM-Leitungsschnittstellen) auf demselben Add / Drop-Zweig hinzugefügt / gelöscht werden. Wenn nur 8 Add / Drop-Ports ausgestattet sind, muss es möglich sein, dieselbe Wellenlänge aus 8 verschiedenen Leitungsrichtungen auf den 8 Add / Drop-Ports zu löschen. Solange freie Add / Drop-Ports verfügbar sind, muss der ROADM-Knoten in der Lage sein, eine beliebige Wellenlänge von / zu einer beliebigen Leitungsschnittstelle hinzuzufügen / zu löschen.

Die Kombination aus CDC-Funktionen (Colorless, Directionless und Contentionless) bietet ein Höchstmaß an Flexibilität.

Wenn ohne Gitter

Gitterlose ROADM-Knoten unterstützen verschiedene ITU-T-Kanalgitter innerhalb desselben DWDM-Signals. Die Netzbandbreite kann pro Kanal bereitgestellt werden.

Die netzlose Funktion ist für Netzwerke erforderlich, die Datenraten über 100 Gbit / s betreiben, oder für Netzwerke, die mit unterschiedlichen Modulationsschemata arbeiten. Es ist für Netzwerke der nächsten Generation mit kohärenten Leitungsschnittstellen vorgesehen. Unterschiedliche Datenraten erfordern je nach Modulationsschema und Datenrate unterschiedliche Wellenlängenanforderungen.

Die Übertragungsgeschwindigkeiten steigen und Modulationsschemata werden immer komplexer. Es können jetzt mehrere Modulationstechnologien auf einer einzelnen optischen Faser gemischt werden. All dies spiegelt sich in der ROADM-Technologie wider und generiert die Anforderungen für netzlose ROADMs. Solche ROADMs arbeiten in einem dichten Frequenzgitter und ermöglichen eine kanalweise Bereitstellung der Bandbreite. Datenkanäle erfordern nun je nach Modulationsschema und Datenrate unterschiedliche Wellenlängenanforderungen.

Typische Anwendungen sind Netzwerke, die mit Datenraten über 100 Gbit / s arbeiten oder parallel verschiedene Modulationsschemata ausführen. Die letztere Situation kann beispielsweise leicht auftreten, wenn kohärente Übertragungstechnologien eingesetzt werden.