Optische Netzwerke - WDM-Technologie
WDM ist eine Technologie, mit der verschiedene optische Signale von einer einzelnen Faser übertragen werden können. Sein Prinzip ist im Wesentlichen dasselbe wie beim Frequenzmultiplex (FDM). Das heißt, mehrere Signale werden unter Verwendung verschiedener Träger übertragen, die nicht überlappende Teile eines Frequenzspektrums belegen. Im Fall von WDM liegt das verwendete Spektralband im Bereich von 1300 oder 1550 nm, was zwei Wellenlängenfenster sind, bei denen optische Fasern einen sehr geringen Signalverlust aufweisen.
Anfangs wurde jedes Fenster verwendet, um ein einzelnes digitales Signal zu übertragen. Mit dem Fortschritt optischer Komponenten wie DFB-Lasern (Distributed Feedback), Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs) und Fotodetektoren wurde schnell klar, dass jedes Sendefenster tatsächlich von mehreren optischen Signalen verwendet werden kann, die jeweils belegt sind eine kleine Traktion des gesamten verfügbaren Wellenlängenfensters.
Tatsächlich ist die Anzahl der innerhalb eines Fensters gemultiplexten optischen Signale nur durch die Genauigkeit dieser Komponenten begrenzt. Mit der aktuellen Technologie können über 100 optische Kanäle zu einer einzigen Faser gemultiplext werden. Die Technologie wurde dann als dichtes WDM (DWDM) bezeichnet.
WDM auf lange Sicht
1995 begannen Langstreckenfluggesellschaften in den USA mit der Bereitstellung von Punkt-zu-Punkt-WDM-Übertragungssystemen, um die Kapazität ihrer Netze zu verbessern und gleichzeitig ihre vorhandenen Glasfaserinfrastrukturen zu nutzen. Seitdem hat WDM auch den Langstreckenmarkt im Sturm erobert. Die WDM-Technologie ermöglicht es, den ständig steigenden Kapazitätsanforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig die Erschöpfung der Glasfaser zu verschieben und die Flexibilität für die Kapazitätserweiterung zu erhöhen.
Der am weitesten verbreitete Treiber ist jedoch der Kostenvorteil der WDM-Lösung im Vergleich zu Konkurrenzlösungen wie Space Division Multiplexing (SDM) oder erweitertem Time Division Multiplexing (TDM) zur Aufrüstung der Netzwerkkapazität. Die in der folgenden Abbildung dargestellte "offene" WDM-Lösung verwendet Transponder in WDM-Terminal-Multiplexern (TMs) und optischen Inline-Verstärkern, die von mehreren Wellenlängenkanälen gemeinsam genutzt werden.
Der Transponder ist im Wesentlichen ein opto-elektrooptischer 3R-Wandler (O / E / O), der ein G.957-Standard-konformes optisches Signal in einen geeigneten Wellenlängenkanal umwandelt (und umgekehrt), während das Signal elektrisch neu gepowert, umgeformt und neu eingestellt wird . Die SDM-Lösung verwendet mehrere Faserpaare parallel, die jeweils mit SDH-Regeneratoren anstelle mehrerer Wellenlängen ausgestattet sind, die denselben optischen Inline-Verstärker verwenden. Ein Upgrade auf höhere TDM-Raten (z. B. von 2,5 Gbit / s STM-16 auf 10 Gbit / s STM-64) ist nur eine kurzlebige Lösung, da Übertragungsstörungen wie Dispersion mit steigenden TDM-Raten, insbesondere bei Standard, nicht gut skaliert werden können Single-Mode-Faser.
Eine Fallstudie hat gezeigt, dass Punkt-zu-Punkt-Langstrecken-WDM-Systeme eindeutig eine kostengünstigere Lösung als SDM sind, selbst für nur drei STM-16-Kanäle. Die obige Abbildung zeigt zwei Verbindungskostenvergleiche für den ursprünglichen Kern eines Verkehrsnetzes, das aus 5000 Glasfaserkilometern mit einer durchschnittlichen Entfernung von 300 km zwischen zwei Zugangsstädten besteht. Beachten Sie, dass der 100-Prozent-Kostenreferenzpunkt in der obigen Abbildung den Kosten für die Bereitstellung eines STM-16-Kanals einschließlich der Glasfaserkosten entspricht. Aus der obigen Abbildung können zwei Schlussfolgerungen abgeleitet werden.
Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, sind die anfänglichen Verbindungskosten für die Verwendung der WDM-Technologie höher, wenn nur die Kosten für Übertragungs- und Regenerationsgeräte berücksichtigt werden (dh SDH-Regeneratoren im SDM-Fall und WDM-TMs mit Transpondern mit optischen Inline-Verstärkern im WDM-Fall) als doppelt so viel wie SDH. Die WDM-Lösung ist jedoch aufgrund der gemeinsamen Verwendung des optischen Inline-Verstärkers kostengünstiger für die Bereitstellung von drei und mehr Kanälen im Netzwerk.
Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wird der Kostenvorteil des WDM-Falls noch deutlicher und verstärkt sich mit zunehmender Anzahl von Kanälen, wenn zusätzlich zu der obigen Überlegung auch die Faserkosten berücksichtigt werden. Die WDM-Lösung ist kostengünstiger für die Bereitstellung von drei Kanälen und mehr im Netzwerk.
WDM auf kurze Sicht
Regeneratoren sind nicht erforderlich und optische Beeinträchtigungen wirken sich aufgrund der begrenzten Entfernungen in den Kurzstreckennetzen weniger aus. Daher sind die Vorteile von WDM weniger klar als die von SDM oder verbesserten TDM-Lösungen. Die Erschöpfung der Fasern und kostengünstige optische Komponenten treiben WDM jetzt in der Metropolregion voran.
Die Kurzstreckenanwendung bezieht sich auf die Verbindung mehrerer Points of Presence (POPs) innerhalb derselben Stadt. Betrachten wir ein Beispiel. Die folgende Abbildung zeigt, dass das Transportnetz mindestens zwei POPs pro Stadt hat, in denen sich die Kunden verbinden können. Mit Dual-Node-Verbindungstechniken wie Drop and Continue können Kundennetzwerke über zwei verschiedene POPs mit dem Transportnetzwerk verbunden werden.
Dies führt zu einer sehr sicheren Architektur, die sogar POP-Fehler ohne Auswirkungen auf den Datenverkehr überstehen kann. Somit besteht der Verkehrsfluss zwischen zwei POPs in einer Stadt nicht nur aus Verkehr, der durch die Stadt fließt, sondern auch aus Verkehr, der in der Stadt beendet und mit Drop and Continue geschützt wird. Diese erhöhten Kapazitätsanforderungen innerhalb der Stadt haben zum Einsatz von WDM im Kurzstreckenbereich eines Verkehrsnetzes geführt.
Der Hauptgrund, warum WDM gegenüber SDM bevorzugt wird, besteht darin, dass Fasern in einer Stadt von einem Dritten geleast oder ein Glasfasernetz aufgebaut werden muss. Das Leasing oder der Bau von Stadtfasern ist nicht nur ein teurer Prozess, sondern auch ein weniger flexibler Ansatz zur Kapazitätserweiterung. In einer dynamischen Umgebung, in der sich die Verkehrsverteilungen und -volumina schnell entwickeln, ist die Menge der zu leasen oder zu bauenden Glasfaser im Voraus schwer vorherzusagen. Daher bietet die Verwendung der WDM-Technologie klare Flexibilitätsvorteile, da die Wellenlängenkanäle in sehr kurzer Zeit aktiviert werden können.
Obwohl weltweit bestimmte Kurzstrecken-WDM-Systeme verfügbar sind, ist es vorteilhaft, für sein Langstrecken-Netzwerk denselben WDM-Systemtyp zu verwenden. Kurzstrecken-WDM-Systeme sind zwar kostengünstiger als ihre Langstrecken-Gegenstücke und können aufgrund ihrer kostengünstigen optischen Komponenten verwendet werden. Sie führen jedoch zu einem heterogenen Netzwerk, das aus mehreren Gründen nicht bevorzugt wird. Erstens führt die Verwendung von zwei verschiedenen Systemen zu erhöhten Betriebs- und Verwaltungskosten. Beispielsweise erfordert ein heterogenes Netzwerk mehr Ersatzteile als ein homogenes Netzwerk. Zweitens kann die Zusammenarbeit zwischen zwei verschiedenen Systemen Probleme bereiten. Beispielsweise kann ein Engpass auftreten, weil Kurzstrecken-WDM-Systeme typischerweise weniger Wellenlängen unterstützen als Langstrecken-WDM-Systeme.
Optische Transportnetzarchitekturen
Das optische Transportnetzwerk (OTN), wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist ein natürlicher nächster Schritt in der Entwicklung des Transportnetzwerks. Aus einer hochrangigen architektonischen Perspektive würde man nicht erwarten, dass sich OTN-Architekturen signifikant von denen von SDH unterscheiden. Die Tatsache, dass SDH die digitale Netzwerktechnik und OTN die analoge Netzwerktechnik umfasst, führt jedoch zu einigen signifikanten, wenn auch subtilen Unterschieden. Die Untersuchung dieser Unterscheidungen führt uns zu einem Verständnis der Aspekte von OTN, die sich wahrscheinlich von ihren SDH-Gegenstücken unterscheiden.
Die Entwicklung von WDM-OTN-Architekturen (einschließlich Netzwerktopologien und Überlebensschemata) ähnelt stark denen von SDH-TDM-Netzwerken, wenn nicht sogar diesen. Dies sollte jedoch überraschend sein, da sowohl SDH als auch OTN verbindungsorientierte Multiplex-Netzwerke sind. Die Hauptunterschiede ergeben sich aus der Form der Multiplexing-Technologie: digitales TDM für SDH und analoges WDM für ein OTN.
Die Unterscheidung zwischen digital und analog hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die grundlegenden Kompromisse zwischen Kosten und Leistung in vielen Aspekten des OTN-Netzwerk- und Systemdesigns. Insbesondere die Komplexität, die mit den Auswirkungen der analogen Netzwerktechnik und -wartung verbunden ist, macht die meisten Herausforderungen im Zusammenhang mit OTN aus.
Um den kurzfristigen Bedarf an Kapazitätszuwachs zu decken, werden WDM-Punkt-zu-Punkt-Leitungssysteme weiterhin in großem Umfang eingesetzt. Wenn die Anzahl der Wellenlängen und der Abstand zwischen den Anschlüssen zunehmen, besteht ein zunehmender Bedarf, Wellenlängen an Zwischenstellen hinzuzufügen und / oder zu verringern. Flexible rekonfigurierbare optische ADMs (OADMs) werden daher zu integralen Elementen von WDM-Netzwerken.
Wenn mehr Wellenlängen in Trägernetzwerken eingesetzt werden, wird es einen erhöhten Bedarf geben, die Kapazität und die Übergabesignale zwischen Netzwerken auf der Ebene des optischen Kanals zu verwalten. In ähnlicher Weise wurden DXCs entwickelt, um die Kapazität auf der elektrischen Schicht zu verwalten, und Optical Cross-Connects (OXCs) werden entstehen, um die Kapazität auf der optischen Schicht zu verwalten.
Anfänglich wird der Bedarf an Bandbreitenmanagement für optische Schichten in der Kerntransportnetzwerkumgebung am größten sein. Hier wird die logische netzbasierte Konnektivität über physische Topologien unterstützt, einschließlich OADM-basierter gemeinsamer Schutzringe und OXC-basierter Netzwiederherstellungsarchitekturen. Die Auswahl hängt von dem vom Dienstanbieter gewünschten Grad an Bandbreite "Over Build" und den Anforderungen an die Überlebenszeit ab.
Da sich ähnliche Anforderungen an das Bandbreitenmanagement für die Inter-Office- und Zugriffsumgebungen in Großstädten ergeben, werden OADM-Ring-basierte Lösungen auch für diese Anwendungen optimiert: optische gemeinsame Schutzringe für Netzanforderungen und optische dedizierte Schutzringe für Hubbed-Anforderungen. So wie der OA der Technologie-Enabler für die Entstehung von WDM-Punkt-zu-Punkt-Liniensystemen war, werden OADMs und OXCs die Enabler für die Entstehung des OTN sein.
Da optische Netzwerkelemente die Transportschichtfunktionalität annehmen, die traditionell von SDH-Geräten bereitgestellt wird, wird die optische Transportschicht als einheitliche Transportschicht dienen, die sowohl ältere als auch konvergierte Paketkern-Netzwerksignalformate unterstützen kann. Natürlich wird die Verlagerung von Dienstanbietern zu OTN bei der Übertragung der "SDH-ähnlichen" Transportschichtfunktionalität auf die optische Schicht vorhergesagt, gleichzeitig mit der Entwicklung einer Wartungsphilosophie und den damit verbundenen Netzwerkwartungsfunktionen für die aufkommende optische Transportschicht.
Die Überlebensfähigkeit spielt eine zentrale Rolle für die Rolle der optischen Vernetzung als einheitliche Verkehrsinfrastruktur. Wie bei vielen anderen architektonischen Aspekten wird die Überlebensfähigkeit des optischen Netzwerks in hohem Maße der SDH-Überlebensfähigkeit ähneln, da die Netzwerktopologien und Arten von Netzwerkelementen so ähnlich sind. Innerhalb der optischen Schicht bieten Überlebensmechanismen weiterhin die schnellstmögliche Wiederherstellung nach Faserschnitten und anderen physischen Medienfehlern sowie eine effiziente und flexible Verwaltung der Schutzkapazität.
OTN ist konzeptionell analog zu SDH, da Unterschichten definiert sind, die Client-Server-Beziehungen widerspiegeln. Da OTN und SDH beide verbindungsorientierte Multiplex-Netzwerke sind, sollte es nicht überraschen, dass die Wiederherstellungs- und Schutzschemata für beide bemerkenswert ähnlich sind. Der subtile, aber wichtige Unterschied sollte wiederholt werden: Während die TDM-Vernetzung auf der Manipulation digitaler Zeitschlitze basiert, basiert die OTN / WDM-Vernetzung auf der Manipulation analoger Frequenzschlitze oder optischer Kanäle (Wellenlängen). Während wir erwarten können, dass mit beiden Technologien ähnliche Schutz- und Wiederherstellungsarchitekturen möglich sind, können die Arten von Netzwerkfehlern, die in einem bestimmten Überlebensschema berücksichtigt werden müssen, sehr unterschiedlich sein.
Überlebensfähigkeit der optischen Schicht
Telekommunikationsnetze müssen ihren Kunden einen zuverlässigen, unterbrechungsfreien Dienst bieten. Die allgemeinen Verfügbarkeitsanforderungen liegen in der Größenordnung von 99,999 Prozent oder höher, was bedeuten würde, dass das Netzwerk durchschnittlich nicht länger als 6 Minuten pro Jahr ausfallen kann. Infolgedessen ist die Überlebensfähigkeit des Netzwerks ein wichtiger Faktor, der die Gestaltung und den Betrieb dieser Netzwerke beeinflusst. Die Netzwerke müssen so ausgelegt sein, dass sie Verbindungs- oder Glasfaserschnitte sowie Gerätefehler behandeln.
Das Netzwerk kann so gesehen werden, dass es aus vielen Schichten besteht, die miteinander interagieren, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Unterschiedliche Netzbetreiber wählen unterschiedliche Arten der Realisierung ihrer Netzwerke mithilfe unterschiedlicher Kombinationen von Schichtungsstrategien. Die etablierten Netzbetreiber nutzen ihre große installierte Basis an SDH-Geräten und die umfangreichen Funktionen zur Pflege und Überwachung digitaler Querverbindungen.
Im Gegensatz dazu strebt ein Netzbetreiber, der IP-basierte Dienste (Internet Protocol) anbietet, eine vereinfachte Netzwerkinfrastruktur an, bei der IP als grundlegende Transportschicht verwendet wird, ohne SDH zu verwenden. Fluggesellschaften, die sich durch Qualität (und Vielfalt) der Dienste (QOS) auszeichnen, können Geldautomaten als Transporttechnologie verwenden. Unter diesen Schichten befindet sich die austretende optische WDM-Schicht oder die optische Schicht.
Die optische Schicht stellt Lichtwege zu höheren Schichten bereit, die als Client-Schichten betrachtet werden können, die den von der optischen Schicht bereitgestellten Dienst nutzen. Lichtwege sind leitungsvermittelte Leitungen, die Verkehr mit ziemlich hohen Bitraten (z. B. 2,5 Gbit / s oder 10 Gbit / s) befördern. Diese Lichtwege werden normalerweise eingerichtet, um Geräte auf Client-Ebene wie SDH-ADMs, IP-Router oder ATM-Switches miteinander zu verbinden. Sobald sie eingerichtet sind, bleiben sie im Laufe der Zeit ziemlich statisch.
Die optische Schicht besteht aus optischen Leitungsanschlüssen (OLTs), optischen ADMs (OADMs) und optischen Querverbindungen (OXCs), wie in der folgenden Abbildung dargestellt. OLTs multiplexen mehrere Kanäle zu einer einzelnen Faser oder einem Faserpaar. OADMs löschen und fügen eine kleine Anzahl von Kanälen von / zu einem aggregierten WDM-Stream hinzu. Ein OXC schaltet und verwaltet eine große Anzahl von Kanälen an einem Knotenpunkt mit hohem Datenverkehr.
Wir betrachten den Schutz der optischen Schicht aus Sicht der Dienste im Hinblick auf die Arten von Diensten, die von der optischen Schicht für die höhere Schicht bereitgestellt werden müssen. Anschließend vergleichen wir die verschiedenen Schutzschemata für optische Schichten, die hinsichtlich ihrer Kosten und Bandbreiteneffizienz vorgeschlagen wurden, basierend auf dem zu unterstützenden Service-Mix. Dies ist etwas anders, was dazu führt, dass der Schutz der optischen Schicht als analog zum Schutz der SDH-Schicht angesehen wird.
Warum optischer Schichtschutz?
Die in der obigen Abbildung gezeigten IP-, ATM- und SDH-Schichten enthalten alle Schutz- und Wiederherstellungstechniken. Während diese Schichten alle für die Arbeit mit anderen Schichten konzipiert wurden, können sie auch direkt über Fasern arbeiten und sind daher nicht auf andere Schichten angewiesen, um die Schutz- und Wiederherstellungsfunktionen zu übernehmen. Infolgedessen enthält jede dieser Schichten ihre eigenen Schutz- und Wiederherstellungsfunktionen. Daher stellt sich die Frage, warum wir die optische Schicht benötigen, um ihre eigenen Schutz- und Wiederherstellungsmechanismen bereitzustellen. Im Folgenden sind einige der Gründe aufgeführt:
Einige der Schichten, die über der optischen Schicht arbeiten, sind möglicherweise nicht in der Lage, alle im Netzwerk erforderlichen Schutzfunktionen bereitzustellen. Beispielsweise wurde die SDH-Schicht so konzipiert, dass sie einen umfassenden Schutz bietet, und würde sich daher nicht auf den Schutz der optischen Schicht verlassen. Schutztechniken in anderen Schichten (IP oder ATM) allein reichen jedoch möglicherweise nicht aus, um bei Fehlern eine ausreichende Netzwerkverfügbarkeit bereitzustellen.
Derzeit gibt es viele Vorschläge, die IP-Schicht direkt über der optischen Schicht zu betreiben, ohne die SDH-Schicht zu verwenden. Während IP Fehlertoleranz auf Routing-Ebene beinhaltet, ist dieser Mechanismus umständlich und nicht schnell genug, um eine angemessene QOS bereitzustellen. In diesem Fall wird es wichtig, dass die optische Schicht einen schnellen Schutz bietet, um die allgemeinen Verfügbarkeitsanforderungen der Transportschicht zu erfüllen.
Die meisten Carrier haben enorme Investitionen in Legacy-Geräte getätigt, die überhaupt keine Schutzmechanismen bieten, aber nicht ignoriert werden können. Eine nahtlose Einführung der optischen Schicht zwischen diesem Gerät und der Rohfaser bietet eine kostengünstige Aufrüstung der Infrastruktur über lange Glasfaserverbindungen mit erhöhter Überlebensfähigkeit.
Der Schutz und die Wiederherstellung der optischen Schicht können verwendet werden, um ein zusätzliches Maß an Ausfallsicherheit im Netzwerk bereitzustellen. Beispielsweise sind viele Transportnetzwerke so konzipiert, dass sie jeweils einen einzelnen Fehler behandeln, jedoch nicht mehrere. Die optische Wiederherstellung kann verwendet werden, um die Ausfallsicherheit gegen mehrere Fehler zu gewährleisten.
Der Schutz der optischen Schicht kann bei der Behandlung bestimmter Arten von Fehlern, wie z. B. Faserschnitten, effizienter sein. Eine einzelne Faser trägt mehrere Wellenlängen des Verkehrs (z. B. 16-32 SDH-Streams). Ein Faserschnitt führt daher dazu, dass alle 16-32 dieser SDH-Ströme unabhängig voneinander von der SDH-Schicht wiederhergestellt werden. Das Netzwerkmanagementsystem ist mit einer großen Anzahl von Alarmen überflutet, die von jeder dieser unabhängigen Einheiten generiert werden. Wenn der Faserschnitt durch die optische Schicht ausreichend schnell wiederhergestellt wird, kann diese betriebliche Ineffizienz vermieden werden.
Durch den Schutz und die Wiederherstellung der optischen Schicht können erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden.
Einschränkungen - Schutz der optischen Schicht
Im Folgenden sind einige der Einschränkungen des Schutzes der optischen Schicht aufgeführt.
Es können nicht alle Arten von Fehlern im Netzwerk behandelt werden. Beispielsweise kann es den Ausfall eines Lasers in einem IP-Router oder eines an das optische Netzwerk angeschlossenen SDH-ADM nicht behandeln. Diese Art von Fehler muss von der IP- bzw. SDH-Schicht behandelt werden.
Möglicherweise können nicht alle Arten von Fehlern im Netzwerk erkannt werden. Die von der optischen Schicht bereitgestellten Lichtwege können transparent sein, so dass sie Daten mit einer Vielzahl von Bitraten übertragen. Die optische Schicht kann in diesem Fall tatsächlich nicht wissen, was genau auf diesen Lichtwegen getragen wird. Infolgedessen kann der Datenverkehr nicht überwacht werden, um Verschlechterungen wie erhöhte Bitfehlerraten zu erkennen, die normalerweise einen Schutzschalter aufrufen würden.
Die optische Schicht schützt den Verkehr in Einheiten von Lichtwegen. Es kann nicht unterschiedliche Schutzstufen für verschiedene Teile des Verkehrs bieten, die auf dem Lichtweg befördert werden (ein Teil des Verkehrs kann eine hohe Priorität haben, der andere eine niedrigere Priorität). Diese Funktion muss von einer höheren Ebene ausgeführt werden, die den Verkehr mit dieser feineren Granularität verarbeitet.
Es kann Verbindungsbudgetbeschränkungen geben, die die Schutzfähigkeit der optischen Schicht einschränken. Beispielsweise kann die Länge der Schutzroute oder die Anzahl der Knoten, die der Schutzverkehr durchläuft, eingeschränkt sein.
Wenn das gesamte Netzwerk nicht sorgfältig entwickelt wurde, kann es zu Rennbedingungen kommen, wenn sowohl die optische Schicht als auch die Client-Schicht gleichzeitig versuchen, den Datenverkehr vor einem Ausfall zu schützen.
Die Technologie und die Schutztechniken müssen noch vor Ort getestet werden, und die vollständige Bereitstellung dieser neuen Schutzmechanismen wird daher einige Jahre dauern.
Definitionen von geschützten Einheiten
Bevor Sie auf die Details der Schutztechniken und die Kompromisse zwischen ihnen eingehen, sollten Sie die Entitäten definieren, die durch die optische Schicht und die Client-Schicht geschützt sind. Diese Entitäten sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Client Equipment Port
Die Ports auf dem Client-Gerät können ausfallen. In diesem Fall kann die optische Schicht die Client-Schicht nicht selbst schützen.
Intrasite-Verbindungen zwischen dem Kunden und dem optischen Gerät
Die Kabel innerhalb eines Standorts können getrennt werden, hauptsächlich aufgrund menschlicher Fehler. Dies wird als relativ wahrscheinliches Ereignis angesehen. Auch hier kann ein vollständiger Schutz vor solchen Ereignissen nur durch einen kombinierten Client-Layer- und Optical-Layer-Schutz unterstützt werden.
Transponderkarten
Transponder sind Schnittstellenkarten zwischen dem Client-Gerät und der optischen Schicht. Diese Karten wandeln das Signal vom Client-Gerät in eine Wellenlänge um, die für die Verwendung innerhalb des optischen Netzwerks geeignet ist, wobei eine Umwandlung von optisch zu elektrisch zu optisch verwendet wird. Daher kann die Ausfallrate dieser Karte nicht als vernachlässigbar angesehen werden. Angesichts der großen Anzahl dieser Karten in einem System (eine pro Wellenlänge) ist eine spezielle Schutzunterstützung für sie angebracht.
Externe Einrichtungen
Diese Glasfaseranlage zwischen den Standorten wird als die am wenigsten zuverlässige Komponente im System angesehen. Faserschnitte sind ziemlich häufig. Diese Kategorie umfasst auch optische Verstärker, die entlang der Faser eingesetzt werden.
Ganze Knoten
Ein ganzer Knoten kann aufgrund von Fehlern des Wartungspersonals (z. B. Auslösen von Leistungsschaltern) oder aufgrund von Fehlern am gesamten Standort ausfallen. Standortausfälle sind relativ selten und treten normalerweise aufgrund von Naturkatastrophen wie Bränden, Überschwemmungen oder Erdbeben auf. Knotenausfälle haben erhebliche Auswirkungen auf das Netzwerk und müssen daher trotz ihrer relativ geringen Eintrittswahrscheinlichkeit immer noch geschützt werden.
Schutz gegen Wiederherstellung
Protectionist definiert als der primäre Mechanismus, der zur Behandlung eines Fehlers verwendet wird. Es muss sehr schnell sein (normalerweise sollte der Verkehr bei einem Ausfall von SDH-Netzwerken nicht länger als 60 ms unterbrochen werden). Daher müssen die Schutzrouten normalerweise im Voraus geplant werden, damit der Verkehr schnell von den normalen Routen auf die Schutzrouten umgeschaltet werden kann.
Aufgrund der Geschwindigkeitsanforderungen wird diese Funktion normalerweise verteilt von den Netzwerkelementen ausgeführt, ohne dass eine zentrale Verwaltungseinheit zur Koordinierung der Schutzmaßnahmen erforderlich ist. Mit Ausnahme der jüngsten (und noch nicht erprobten) Schutzsysteme für schnelle Maschen sind die Schutztechniken in der Regel recht einfach und werden in linearen oder Ringtopologien implementiert. Sie alle nutzen am Ende eine 100-prozentige Zugriffsbandbreite im Netzwerk.
Im Gegensatz, restorationist kein primärer Mechanismus zur Behandlung von Fehlern. Nach Abschluss der Schutzfunktion wird die Wiederherstellung verwendet, um entweder effiziente Routen oder zusätzliche Widerstandsfähigkeit gegen weitere Fehler bereitzustellen, bevor der erste Fehler behoben wird. Infolgedessen kann es sich leisten, ziemlich langsam zu sein (manchmal Sekunden bis Minuten).
Die Wiederherstellungsrouten müssen nicht vorgeplant werden und können von einem zentralen Managementsystem im laufenden Betrieb berechnet werden, ohne dass eine verteilte Steuerungsfunktion erforderlich ist. Anspruchsvollere Algorithmen können verwendet werden, um die erforderliche überschüssige Bandbreite zu reduzieren, und komplexere Maschentopologien können unterstützt werden.
Unterschichten innerhalb der optischen Schicht
Die optische Schicht besteht aus mehreren Unterschichten. Schutz und Wiederherstellung können in diesen verschiedenen Schichten durchgeführt werden. Wir können Schemata haben, die einzelne Lichtwege oder optische Kanäle schützen. Diese Schemata behandeln Faserschnitte sowie den Ausfall von Endgeräten wie Lasern oder Empfängern.
Wir können Schemata haben, die auf dem aggregierten Signalpegel arbeiten, der der OMS-Schicht (Optical Multiplex Section) entspricht. Diese Schemata unterscheiden nicht zwischen verschiedenen Lichtpfaden, die zusammen gemultiplext werden, und stellen alle gleichzeitig wieder her, indem sie als Gruppe umgeschaltet werden.
Der Begriff Pfadschichtschutz wird verwendet, um Schemata zu bezeichnen, die über einzelne Kanäle oder Lichtwege arbeiten, und der Linienschichtschutz, um Schemata zu bezeichnen, die auf der optischen Multiplexschnittschicht arbeiten. In Tabelle 1 finden Sie einen Vergleich zwischen den Eigenschaften von Pfad- und Linienschichtschemata und in Tabelle 2 und Tabelle 3 die verschiedenen Pfad- und Linienschemata.
Tabelle 1: Ein Vergleich zwischen Leitungsschutz und Pfadschutz
| Kriterium | Leitungsschutz | Pfadschutz |
|---|---|---|
| Schützt vor | Interoffice-Einrichtungen Standort- / Knotenfehler |
Interoffice-Einrichtungen Standort- / Knotenfehler Geräteausfälle |
| Anzahl der Fasern | Viertens, wenn einstufiges Multiplexing verwendet wird | Zwei |
| Kann Fehler / Verschlechterungen eines einzelnen Pfades behandeln | Nein | Ja |
| Unterstützt Datenverkehr, der nicht geschützt werden darf | Nein | Ja |
| Ausrüstungskosten | Niedrig | Hoch |
| Bandbreiteneffizienz | Gut für geschützten Verkehr | Niedrig für ungeschützte Kanäle |
Tabelle 2: Ein Vergleich zwischen Linienschichtschemata
| Planen | Schützt vor | Topologie | Einschränkungen / Mängel | Kundenvorteile |
|---|---|---|---|---|
| 1 + 1 Zeile | Linienschnitte | Punkt zu Punkt | Vielfältiger Weg zum Schutz der Fasern | Am einfachsten zu implementieren und zu bedienen |
| 1 + 1 Zeile | Linienschnitte | Punkt zu Punkt | Vielfältiger Weg zum Schutz der Fasern | Unterstützung für Verkehr mit niedriger Priorität Geringerer Verlust (um ca. 3 dB) |
| OULSR | Linienschnitte Knotenfehler |
Metropolitan Ring | Beeinträchtigungen der optischen Schicht Ein weiterer Leistungsverlust besteht aufgrund der Überbrückung von Signalen auf Leitungsebene |
Einfach zu implementieren und zu bedienen Kann mit passiven Elementen erfolgen (anstelle von optischen Schaltern) |
| OBLSR | Linienschnitte Knotenfehler |
Metropolitan Ring | Beeinträchtigungen der optischen Schicht | Wiederverwendung der Schutzbandbreite Unterstützung für Verkehr mit niedriger Priorität |
| Netzleitungsschutz | Linienschnitte Knotenfehler |
Irgendein | Begrenzt durch Beeinträchtigungen der optischen Schicht Basierend auf rein optischer Querverbindung Schwer zu verwalten |
Effizient Kostengünstig |
Tabelle 3: Ein Vergleich zwischen Pfadschichtschemata
| Planen | Schützt vor | Topologie | Einschränkungen / Mängel | Kundenvorteile |
|---|---|---|---|---|
| Client-Layer-Schutz | Client-Gerätefehler Bürointerne Einrichtungen Transponderfehler Interoffice-Einrichtungen Knotenfehler |
Irgendein | Erfordert verschiedene Pfade im Netzwerk Teuerste |
Umfangreichster Schutz |
| 1: N Geräteschutz | Transponderfehler | Linear oder Ring | Sehr niedrige Kosten Bandbreiteneffizient |
|
| 1 + 1 Pfad oder OUPSR | Interoffice-Einrichtungen Knotenfehler |
Irgendein | Erfordert verschiedene Pfade im Netzwerk Bandbreitenverbrauch |
Ähnlich wie beim Client-Schutz Einfach zu entwickeln und zu bedienen |
| OBPSR | Interoffice-Einrichtungen Knotenfehler |
Virtueller Ring | Wiederverwendung der Schutzbandbreite Unterstützt Verkehr mit niedriger Priorität |
|
| Netzpfadschutz | Interoffice-Einrichtungen Knotenfehler |
Irgendein | Benötigt einen OXC Sehr komplex zu implementieren und zu betreiben |
Hohe Effizienz |
Die physische Netzwerktopologie kann ein beliebiges Netz sein, das Lichtwege zwischen den Client-Geräteknoten durchläuft. Die virtuelle Topologie vom Standpunkt der Client-Ausrüstung aus ist gemäß der Client-Schicht eingeschränkt (z. B. Ringe für SDH). 2Die physische Topologie ist ein beliebiges Netz, während die virtuelle Topologie der Lichtwege ein Ring ist.
Betrachten Sie beispielsweise die beiden in den folgenden Abbildungen gezeigten Schutzschemata. Beide Schemata können als 1 + 1-Schutzschemata betrachtet werden, dh beide teilen das Signal am Sendeende auf und wählen die bessere Kopie am Empfangsende aus. Fig. (A) zeigt einen 1 + 1-Linienschichtschutz, bei dem sowohl die Aufteilung als auch die Auswahl für das gesamte WDM-Signal zusammen erfolgen. Fig. (B) zeigt einen 1 + 1-Pfadschichtschutz, bei dem das Aufteilen und Auswählen für jeden Lichtweg getrennt erfolgt.
Linienschicht versus Pfadebenenschutz
Es gibt wichtige Kosten- und Komplexitätsunterschiede zwischen den beiden Ansätzen. Der Leitungsschutz erfordert einen zusätzlichen Splitter und den Wechsel zu einem ungeschützten System. Der Pfadschutz erfordert jedoch einen Splitter und einen Switch pro Kanal. Noch wichtiger ist, dass der Pfadschutz normalerweise doppelt so viele Transponder und doppelt so viele Mux / Demux-Ressourcen wie der Leitungsschutz erfordert. Daher ist der Pfadschutz fast doppelt so teuer wie der Leitungsschutz, wenn alle Kanäle geschützt werden sollen. Die Geschichte ändert sich jedoch, wenn nicht alle Kanäle geschützt werden müssen.
Die grundlegenden Schutzsysteme
Ein Vergleich der Schutzschemata ist in den Tabellen -1, 2 und 3 zu finden. Schutzschemata für optische Schichten können auf die gleiche Weise wie SDH-Schutzschemata klassifiziert und entweder auf der Client-Schicht, der Pfadschicht oder der Leitungsschicht implementiert werden .
Client-Schutz
Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die Client-Schicht für ihren eigenen Schutz sorgen zu lassen und die optische Schicht keinen Schutz ausführen zu lassen. Dies kann bei SDH-Client-Schichten der Fall sein. Während dies aus Sicht der optischen Schicht einfach ist, können durch den Schutz der optischen Schicht erhebliche Kostenvorteile und Bandbreiteneinsparungen erzielt werden. Während die Client-Schutzmethode Punkt-zu-Punkt-, Ring- oder Mesh-Client-Netzwerke unterstützen kann, ist es wichtig zu beachten, dass vom Standpunkt des optischen Netzwerks aus all dies zu einer optischen Mesh-Unterstützung führt, da sogar ein Punkt-zu-Punkt-Client Die Verbindung kann ein gesamtes optisches Maschennetzwerk umfassen.
Beim Schutz der Client-Schicht sind die Arbeits- und Schutz-Client-Pfade vollständig unterschiedlich und werden durch die optische Schicht geleitet, sodass keine einzelnen Fehlerpunkte vorhanden sind. Außerdem sollten die Arbeits- und Schutzclientpfade nicht über dieselbe WDM-Verbindung auf unterschiedliche Wellenlängen abgebildet werden. Wenn die WDM-Verbindung fehlschlägt, gehen beide Pfade verloren.
Pfadebenenschemata
1 + 1 Pfadschutz
Dieses Schema erfordert zwei Wellenlängen über das Netzwerk sowie zwei Sätze von Transpondern an jedem Ende. Bei Anwendung auf einen Ring wird dieser Schutz auch als OUPSR (Optical Unidirectional Path Switched Ring) oder OCh Dedicated Protection Ring (OCh / DP Ring) bezeichnet.
Implementation Notes- Die Überbrückung erfolgt normalerweise über einen optischen Koppler, während die Auswahl über einen optischen 1 x 2-Schalter erfolgt. Das empfangende Ende kann entscheiden, ohne Abstimmung mit der Quelle zum Sicherungspfad zu wechseln.
Bidirektionaler Pfad geschalteter Ring
Dieses Schema basiert lose auf dem SDH 4-Faser Bidirectional Line Switched Ring (BLSR) und basiert auf der gemeinsamen Schutzbandbreite um den Ring. Wenn ein Arbeitslichtpfad ausfällt, koordinieren die Knoten und versuchen, den Verkehr über die angegebene Schutzbandbreite in die gleiche Richtung um den Ring zu senden (um Transponderfehler zu überwinden). Dies ist ein Span-Schalter. Wenn dies fehlschlägt, schleifen die Knoten den Verkehr um den alternativen Pfad um den Ring bis zum anderen Ende des Fehlers. Diese Aktion ist ein Ringschalter.
Das Schema ermöglicht es nicht überlappenden Lichtpfaden, dieselbe Schutzbandbreite zu teilen, solange sie nicht zusammen ausfallen. Dieses Schema wird auch als OCh Shared Protection Ring (OCh / SPRing) bezeichnet.
Implementation Notes- Dieses Schema kann in einem OXC oder über viel kleinere Switches in OADM implementiert werden. Für jeden Schutzkanal werden Schalter benötigt. Es ähnelt dem SDH BLSR-Standard.
Netzpfadschutz
Dieses Schema ermöglicht einen globalen Netzschutz mit sehr schnellem Umschalten (in weniger als 100 ms) für jeden ausgefallenen Lichtpfad separat zu einem Sicherungspfad, der von mehreren Lichtpfaden gemeinsam genutzt wird, die möglicherweise eine andere Route pro Lichtpfad nehmen. Im Falle eines Fehlers wird es allen relevanten Knoten angezeigt, die Sicherungspfade einrichten.
Implementation Notes- Diese Schemata werden in OXCs implementiert. Aus zeitlichen Gründen werden vordefinierte Sicherungspfade in den Knoten des Netzwerks gespeichert und basierend auf Fehlertypen aktiviert.
Wiederherstellung des Netzpfads
Im Gegensatz zum Schutz von Netzpfaden unterliegt dieses Schema keinen strengen Zeitbeschränkungen. Dieses Gerät berechnet mithilfe seiner Topologie alternative Routen und verteilt neue Setup-Informationen an die Knoten, die diese Routen einrichten. Die Knoten müssen keine n / w-Informationen verwalten.
Implementation Notes - Der zentralisierte Charakter dieses Schemas gewährleistet optimierte Schutzwege und verringert die Komplexität bei Implementierung und Wartung.
1: N Geräteschutz
Eines der komplexesten (und damit fehleranfälligsten) Module in einem typischen WDM-Terminal ist ein Transponder. 1: N-Schutz bezeichnet einen Ersatztransponder, der im Falle eines Ausfalls des normalen Transponders übernommen werden soll.
Implementation Notes- Dieses Schema basiert typischer auf einer bestimmten geschützten Wellenlänge. Im Falle eines Fehlers müssen beide Enden mit schnellen Signalisierungsprotokollen wechseln, nicht wie APS in SDH.
Linienschichtschemata
1 + 1 linearer Schutz
Dieses Schema basiert auf der Überbrückung des gesamten WDM-Signals in großen Mengen auf ein Paar unterschiedlich gerouteter Einrichtungen. Das Empfangsende dieser Einrichtungen wählt dann aus, welches der beiden Signale empfangen werden soll.
1: 1 linearer Schutz
Dieses Schema erfordert eine Konfiguration ähnlich der vorherigen (dh 1 + 1 linear), jedoch wird das Signal entweder auf den Arbeits- oder den Schutzpfad geschaltet, jedoch nicht auf beide. Dies erhöht zwar den Koordinationsaufwand, ermöglicht jedoch das Ausführen von Datenverkehr mit niedriger Priorität auf dem Sicherungspfad (bis er zum Schutz des Arbeitspfads benötigt wird). Dies bringt auch einen geringeren optischen Leistungsverlust mit sich, da die gesamte Signalenergie auf einen Pfad anstatt auf zwei gerichtet ist.
Implementation Notes- Das Umschalten erfolgt normalerweise mit einem optischen 1 × 2-Schalter. Die Koordination wird durch ein schnelles Signalisierungsprotokoll erreicht.
Optischer unidirektionaler Leitungsschaltring (OULSR)
Das Schema ähnelt dem OUPSR-Schema, außer dass die Überbrückung und Auswahl des Signals für das aggregierte WDM-Signal erfolgt. Dies ermöglicht ein optimierteres Design, geringere Kosten und sehr unterschiedliche Implementierungen.
Implementation Notes- Eine Implementierung dieses Schemas basiert auf passiven Kopplern, die den optischen Ring in ein Rundfunkmedium laufen lassen. Anstatt OADMs zu verwenden, basiert dieses Schema auf einfachen OLTs, die jeweils in Ringe im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn eingekoppelt sind, sodass jede der Wellenlängen auf beiden Fasern gesendet und empfangen wird. Unter normalen Bedingungen wird die Verbindung künstlich getrennt, was zu einem linearen Bus führt, wenn die Faserschnittverbindung wieder verbunden wird.
Bidirektionaler Leitungsschalterring
Dieses Schema ähnelt dem OBPSR-Schema sowohl in Bezug auf die Protokollaspekte als auch in Bezug auf die verwendeten Schutzmaßnahmen (Span- und Ring-Switching). Wie bei allen Linienschichtschemata wird das aggregierte WDM-Signal in großen Mengen auf eine dedizierte Schutzfaser (die vier Fasern erfordert) oder auf ein anderes WDM-Band innerhalb einer einzelnen Faser (die nur zwei Fasern zulässt, jedoch ein zweistufiges optisches Mux-Schema erfordert) geschaltet ). Dieses Schema wird auch als OMS Shared Protection Ring (OMS / SPRing) bezeichnet.
Implementation Notes- Da sich die Sicherungsroute optisch um den gesamten Ring schlängelt, werden möglicherweise optische Leitungsverstärker entlang des Sicherungspfads benötigt, um die Verluste auszugleichen. Der Umfang des Rings ist auch durch andere optische Beeinträchtigungen begrenzt. Daher eignet sich diese Option am besten für Anwendungen in Großstädten.
Schutz / Wiederherstellung der Netzleitung
Dieses Schema basiert auf rein optischen Querverbindungen, die das WDM-Signal von einer ausgefallenen Einrichtung auf eine alternative Route und zurück zum anderen Ende einer ausgefallenen Einrichtung umleiten.
Implementation Notes - Wie bei OBLSR ist dieses Schema durch optische Beeinträchtigungen eingeschränkt, die sich auf alternativen Wegen entwickeln können, und erfordert ein sorgfältiges optisches Design.
Berücksichtigung der Wahl des Schutzschemas
Die Kriterien, anhand derer ein Netzbetreiber die im Netzwerk zu verwendenden Schutzschemata auswählen kann. Ein vereinfachtes Entscheidungsdiagramm hierfür ist in der folgenden Abbildung dargestellt, sofern sowohl Ausrüstung als auch Leitungsschutz erforderlich sind.
Die Kosten des Schutzes
Ein weiteres Kriterium aus Sicht des Betreibers sind die Kosten des Systems in mindestens zwei Aspekten -
- Ausrüstungskosten
- Bandbreiteneffizienz
Beide hängen vom Dienstmix des Verkehrs ab, dh vom Anteil des Verkehrs, der durch die optische Schicht geschützt werden soll.
Die folgende Abbildung zeigt die Ausrüstungskosten von Pfadschichtschemata und äquivalenten Linienschichtschemata als Funktion des Verkehrsmix. Wenn der gesamte Verkehr geschützt werden soll, erfordern Pfadschichtschemata etwa die doppelte Ausstattung der Linienschichtschemata, da weniger gemeinsame Geräte gemeinsam genutzt werden.
Die Kosten für den Schutz der Pfadschicht sind jedoch proportional zur Anzahl der zu schützenden Kanäle, da jedem Kanal ein zugehöriges Mux / Demux- und Abschlussgerät erforderlich ist. Somit sinken die Kosten für den Pfadschichtschutz, wenn weniger Kanäle geschützt werden müssen. Wenn keine Kanäle geschützt werden müssen, kosten Pfadschichtschemata ungefähr die gleichen Kosten wie Linienschichtschemata, vorausgesetzt, es werden keine zusätzlichen gemeinsamen Geräte bereitgestellt.
Die Geschichte unterscheidet sich vom Standpunkt der Bandbreiteneffizienz, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. In einem leitungsgeschützten System wird die Schutzbandbreite sowohl für Lichtwege verwendet, die geschützt werden müssen, als auch für solche, die keinen Schutz benötigen. In Pfadschutzsystemen können Lichtwege, die keinen Schutz benötigen, Bandbreite verwenden, sodass andere ungeschützte Lichtwege Bandbreite verwenden können, die sonst für unerwünschten Schutz verschwendet worden wäre.
Daraus folgt, dass, wenn ein großer Teil der Lichtwege ungeschützt bleiben könnte, der Pfadschichtschutz die Kosten erstattet, indem mehr Arbeitsverkehr über dasselbe Netzwerk unterstützt wird als der Linienschichtschutz.
