Einheitlich Passive WDM als Zugangslösung für die zweite Meile

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1 NETZE Einheitlich Passive WDM als Zugangslösung für die zweite Meile Klaus Grobe, Jörg-Peter Elbers Weltweit wird Service Providern immer deutlicher bewusst, dass sie die Zugangsbereiche ihrer Netze verbessern müssen, um genügend Bandbreite für die Dienste der nächsten Generation zu haben. Für gebündelte Angebote, bestehend aus qualitativ hochwertiger Daten-, Sprach- und TV-/Videoübertragung sowie Internetzugang (Triple Play), werden Privatkunden schon bald Bandbreiten von bis zu 100 Mbit/s zur Verfügung haben. Durch die wachsende Nachfrage nach schnellen Server-Uploads, File Sharing und Heim- bzw. Telearbeit steigt insbesondere der Bedarf an symmetrischer Bandbreite up- und downstream. Diese Faktoren sowie die Notwendigkeit, aus Effizienzgründen Dienste für den Geschäfts- und den Rücktransportbereich über die gleiche Infrastruktur anzubieten, erfordern auf der zweiten Meile eine vereinheitlichte Netzarchitektur auf WDM-Basis. Klaus Grobe ist Principal Engineer und Jörg-Peter Elbers Vice President Advanced Technology bei Adva Optical Networking in München Für Kupferkabel (DSL), hybride Verkabelung (HFC) und drahtlose Zugänge (Wimax, 3G, 4G) werden Rücktransportarchitekturen benötigt, bei denen Glasfaserkabel zwischen den Knotenpunkten (Fiber to the Node FTTN) bzw. bis in die Nähe des Kunden (Fiber to the Curb FTTC) geführt werden, um ausreichend große Datenraten im lokalen Netz zu gewährleisten. Durch Fiber-to-the-Buildung/Home-Lösungen, bei denen Glasfaserkabel bis in ein Gebäude (FTTB) bzw. bis zum Endkunden (FTTH) geführt werden, besteht die Verbindung zwischen den Räumen des Endkunden und der Vermittlungsstelle komplett aus Glasfaser. Abhängig von der vorhandenen Infrastruktur, der Kundendichte bzw. der Netztopologie können die Netzbetreiber auch auf mehrere First-Mile-Technologien gleichzeitig zurückgreifen. In jedem Fall müssen Netzbetreiber die Glasfasertechnik näher an den Kunden heranbringen. Sie suchen nach skalierbaren Lösungen für die zweite Meile wie zum Beispiel Rücktransport des Datenverkehrs auf der ersten Meile, die erweitert werden können, um zukünftig direkte, optische Zugänge in der ersten Meile anzubieten. Um die Anzahl von Spezialplattformen und somit die Betriebskosten zu verringern, wollen die Betreiber über diese Lösung auch optische Breitbanddienste für Firmen (keine Privatkunden) anbieten. Momentan werden für Privatkunden unterschiedliche First-Mile-Technologien für Zugänge mit Bitraten bis zu ca. 50 Mbit/s verwendet. Dazu zählen Bild 1: Backhaul mit aktiven WDM-Systemen. PE und AGS1: Provider Edge oder Aggregation-Switch 1, AGS2: Aggregation-Switch 2 verschiedene DSL-Arten (ADSL2+, VDSL2), die für gewöhnlich auf einen zweistufigen Rücktransport mit Layer- 2-Aggregation sowie WDM-Technologie zurückgreifen. In der ersten Stufe wird oftmals die Coarse-WDM-Technik (Coarse Wave Length Multiplex) eingesetzt, in der zweiten Aggregationsstufe fast ausschließlich die Dense- WDM-Technik (DWDM) [1]. Dieses Szenario ist in Bild 1 dargestellt. Derzeit gibt es erste FTTH-Netze für die Anbindung von Privatkunden, die auf Point-to-Point-Ethernet, Gigabit- PON-Technologie (GPON, in Teilen Europas und der USA) oder EPON-Technologie (Ethernet PON, hauptsächlich Das Thema in Kürze Für eine einheitliche Infrastruktur zum Rücktransport aller First-Mile-Techniken bringt die passive WDM-Technik die notwendige Flexibilität und Skalierbarkeit mit, um den erwarteten Bedarf an symmetrischer Bandbreite zu decken und breitbandige dedizierte Dienste für Geschäftskunden auf derselben Plattform zu integrieren. Sie kann problemlos in WDM-PON-Lösungen der nächsten Generation migriert werden. 30 NET 12/08

2 in Japan und Korea) zurückgreifen [2]. Ähnlich wie die ADSL/VDSL-Netze erfordern diese optischen Zugangsnetze meist ebenfalls ein zweistufiges Backhaul- oder Aggregationsnetz. Breitbandige Zugangslösungen für Firmen Bild 2: Wellenlängenzuordnung mit der GPON- Technik Bild 3: Passive WDM-Infrastruktur greifen oftmals auf dedizierte Netze zurück. Sie teilen die Infrastruktur nicht mit Netzen für Privatkunden und werden mit Point-to-Point-Ethernet- Verbindungen und WDM-Technologien umgesetzt. Die sich daraus ergebenden Zugangsund Rücktransportnetze basieren auf verschiedenen Spezialtechnologien sowie Systemplattformen und weisen eine große Anzahl an aktiven Knoten auf. Die große Herausforderung für Netzbetreiber ist, Kosten zu reduzieren und zukünftige Skalierbarkeit zu ermöglichen. Hierfür bemühen sie sich um eine Konsolidierung ihrer Zugangs- und Rücktransportinfrastruktur sowie eine Reduzierung der Anzahl aktiver Knoten [3]. Zurzeit wird GPON als Einheitsplattform für optische Breitbandzugänge für Privatkunden und Firmen sowie als First-Mile-Rücktransport diskutiert. Es spricht jedoch einiges gegen GPON (oder EPON) als Universallösung. Für Unternehmen ist GPON nicht ideal, da es wichtige Aspekte des dedizierten Zugangs wie etwa Sicherheit, benutzerfreundliche Upgrade-Optionen und völlige Unabhängigkeit von anderen Nutzern nicht bieten kann. Große exklusive Bandbreiten (bis zu 10 Gbit/s) sind ebenfalls nicht möglich. Was den Backhaul-Bereich angeht, reicht vor allem die Kapazität nicht aus (moderne VDSL-DSLAM-Installationen verfügen bereits über mehrere Gigabit- Ethernet-Uplink-Schnittstellen), und unter Umständen wird die maximale Reichweite nicht einmal bei geringeren Bandbreiten erreicht. Gerade die Reichweite ist jedoch für die Reduzierung aktiver Netzstandorte erforderlich. Selbst die erwarteten Verbesserungen im Rahmen des nächsten ITU-T-Standards werden GPON nicht zu der flexiblen Lösung für die Netzinfrastruktur machen, die benötigt wird. Der Hauptgrund hierfür liegt in der ineffizienten Auslastung der Glasfaserkapazitäten, die in Bild 2 dargestellt ist. Sogar in den aktuellsten Standards [4] ist eine Rückwärtskompatibilität mit dem ursprünglichen GPON-Wellenlängenplan vorgesehen. So bleiben für neue Services nur das C-Band und das L-Band der DWDM-Technik, da die wenigen anderen nutzbaren Wellenlängenbänder der CWDM-Technik teilweise im Wasserabsorptionspeak von älteren Glasfasern liegen. Da weitere Verbesserungen abzusehen sind wie etwa größere Reichweite durch Signalverstärkung bzw. kostengünstige Regeneration sowie möglicherweise auch Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s pro PON, kann die GPON-Technik für Privatzugänge weiterhin sinnvoll genutzt werden. Dies gilt speziell für Regionen mit geringer bis mittlerer Bevölkerungsdichte. Als universelle Lösung für die Infrastruktur der ersten und der zweiten Meile ist sie jedoch nur sehr begrenzt einsetzbar. Passive WDM als Infrastruktur Die Infrastruktur für Backhaul- und Breitbandzugänge der nächsten Generation muss hohe Skalierbarkeit unterstützen und, verglichen mit den heutigen Lösungen, enorme Kosteneinsparungen ermöglichen. Ein Kostenfaktor sind die aktiven Netzstandorte. Wird deren Anzahl reduziert, so verringern sich auch die Betriebskosten (Opex) [5]. Ein kleiner, doch wichtiger Kostenfaktor ist die Anzahl der aktiven (O-E-O)-Schnittstellen. Früher verfolgten die Netzbetreiber einen Black Link genannten Ansatz [6]. Das heißt, dass zusätzliche WDM-Filter zusammen mit farbigen WDM-Schnittstellen in der vorhandenen Ausstattung verwendet wurden. Da die Filter passiv arbeiten, wird dieses Konzept manchmal auch passives WDM (pwdm) genannt. Damit ist sowohl ein Einsatz der CWDM- Technik als auch der DWDM-Technik Maximale Reichweite, aktive Standorte und Energieverbrauch möglich, wobei CWDM niedrigere Kosten verursacht und temperaturbeständiger ist, DWDM hingegen höhere Kapazitäten ermöglicht. Im Wesentlichen wird durch die pwdm- Technik die Anzahl der Fasern verringert, wie in Bild 3 dargestellt. Durch passives WDM sind Point-to- Point-Verbindungen von 1 bis 10 Gbit/s pro Wellenlänge über bis zu 80 km möglich, einschließlich Point-to- Multipoint-Topologien. (Für jede Wellenlänge führen diese Verbindungen logisch und physisch von Punkt zu Punkt.) Aufgrund vergrößerter Reichweite und erhöhter Glasfaserkapazität macht pwdm eine Minimierung NET 12/08 31

3 der aktiven Komponenten sowie eine Reduzierung der Vermittlungsstellen möglich und erlaubt die effiziente Ausnutzung der Glasfasern im Zuliefernetz. Bild 4: 4,3-Gbit/s-WDM-ADM für bis zu 4 x GE Die maximale Reichweite und die damit verbundene Möglichkeit, die Anzahl der aktiven Netzstandorte zu reduzieren, hängen vom Energiebedarf der jeweiligen Komponenten und den entstehenden Einspeisungsverlusten ab. Die Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen pwdm und Standalone- WDM-Systemen (als CWDM-Backhaul-Ringe konfiguriert), die mit Equipment des Kunden (zum Beispiel DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer) über nicht farbige Schnittstellen verbunden sind. Diese Lösung wird als WDM-R-Technik bezeichnet. Der Vergleich schließt auch die GPON-Technik mit einer angenommenen Splitrate von 1:32 pro PON mit ein. Um Kosten und Reichweite für pwdm zu optimieren, wird von der Verwendung standardmäßiger SFP- Module mit 28 db und Point-to-Point- Verbindungen ausgegangen. Werden lineare Add/Drop-Strukturen (siehe Bild 3) konfiguriert, so muss die maximale Reichweite aufgrund des durch den zusätzlichen Add/Drop-Filter hervorgerufenen Verlustes verringert werden. Bei der GPON-Technik geht man von einer Gesamtleistung von 28,5 db aus (einschließlich der Systemdegradation in Höhe von 0,5 db) [4]. Die Reichweite wird durch die Vorgaben der GPON-Technik zwingend auf 60 km begrenzt. Die maximale Reichweite für das WDM-R-Modell bezieht sich auf einen typischen, kleinen CWDW-Backhaul- Ring mit fünf Knoten (ein Hub, vier Add/Drop-Knotenpunkte, ein bis zwei Gigabit-Ethernet-Signale je Knotenpunkt). Deren Zahl kann in Abhängigkeit von der Glasfasertopologie, der Konfiguration und der Anzahl der CWDM-Regeneratoren auch niedriger liegen. Der Energieverbrauch der pwdm-infrastruktur hängt direkt von der Anzahl der O-E-O-Schnittstellen ab. Durch die Optimierung des gesamten Netzes, einschließlich Layer 2 und Layer 3, lassen sich deutlich höhere Einsparungen erzielen. Dazu müssten Routing- und Switching-Funktionen gebündelt werden [7], was optische Transporte über längere Strecken notwendig macht. Dies wird von pwdm von Haus aus unterstützt. Der vergleichsweise hohe Energieverbrauch von GPON ist das Ergebnis der relativ kurzen Reichweite, die sich in einer erhöhten Anzahl an aktiven Knoten niederschlägt. Eine Reduzierung der Betriebsstellen ist auch durch spezielle WDM-(Ring-)Systeme möglich. Der Gesamtenergieverbrauch ist jedoch tendenziell höher als bei der pwdm-technik, da doppelt so viele Schnittstellen sowie mehr Überwachungs- und Kontrollfunktionen notwendig sind. Im Gegensatz zum Rücktransport auf Basis von CWDM unter Verwendung spezieller WDM-(Ring-)Systeme lassen sich mit Hilfe der pwdm-technik einige O-E-O-Schnittstellen einsparen. Die Geräte beim Kunden werden nun direkt mit farbigen SFP-Modulen (z.b. DSLAM, Layer-2-Switche) ausgestattet. Allerdings unterstützt dieses System weder (optische) Schutzfunktionen, noch kann eine weitere Optimierung hinsichtlich der Schnittstellenanzahl erfolgen. Aktive WDM-Zugangsund -Backhaul-Karten, die das Add/Drop-Multiplexverfahren (ADM) für Gigabit-Ethernet-Streams sowie den Transport (vergrößerte Reichweite) und die Schutzfunktion auf einem einzelnen, kostengünstigen Modul unterstützen (Bild 4), können zur Optimierung beitragen. Die so entstehende WDM-ADM-Lösung wird in Bild 5 mit der WDM-Rund der reinen pwdm-konfiguration in Bezug auf geschützte und ungeschützte Systeme [8] verglichen. Die Kosten in Bild 5 setzen sich aus der Summe aller Komponenten wie Regale, Filter, Leiterplatten (PCB) sowie SFP-Module zusammen. Der Vorteil, den die pwdm-technik für eine ungeschützte Konfiguration bringt, ist offensichtlich. Jedoch kann der Einsatz integrierter WDM-ADM- Verfahren für geschützte Konfigurationen wegen der integrierten Schutzmechanismen zu geringeren Investitionskosten (Capex) führen. Ein weiterer wichtiger Vorteil der WDM-ADM-Lösung ist die bessere Auslastung der Wellenlängen. Dadurch werden weniger Wellenlängen Bild 5: Kostenvergleich je Faser benötigt und die Überlastung der Fasern verhindert. Bild 4 zeigt das WDM-ADM-Verfahren mit Gesamtbitraten von 4,3 Gbit/s und einer Payload von vier Gigabit-Ethernet-Signalen in Leitungsgeschwindigkeit. Im Gegensatz dazu stehen pwdm mit einem Gigabit-Ethernet-Signal pro Wellenlänge und WDM-R mit einem oder 32 NET 12/08

4 zwei Gigabit-Ethernet-Signalen pro Wellenlänge. Das Konzept des integrierten WDM- ADM-Verfahrens kann auf höhere (aggregierte) Bitraten von 10 Gbit/s ausgeweitet werden und auch Layer- 2-Switching und statistische Multiplexverfahren umfassen. In Kombination mit der integrierten L1-/L2-Aggregation, dem Multiplexverfahren und optischem Schutz unterstützt die passive WDM-Technik eine skalierbare und transparente Serviceleistung für Privat- sowie Geschäftskunden und sogar Anwendungen für Netzbetreiber. Eine Voraussetzung, um solche Anwendungen zu unterstützen, sind durchgängige OAM-Funktionen (Operation, Administration, Maintenance) bis hin zu den Geräten beim Kunden (CPE Customer Premises Equipment), ohne dass die Kosten für eine spezielle Netzabschlussausstattung hinzukommen. Diese Anforderung lässt sich mit Hilfe intelligenter, steckbarer Schnittstellenkarten mit integrierter OAM-Funktionalität (z.b. auf Basis des SFP-Moduls) realisieren. Ist dies nicht möglich (da die Geräte des Kunden keine oder andere SFP-Slots aufweisen), kann alternativ eine kostengünstige, passive Echotechnik zur Ortung von optischen Fehlern, ein sogenannter Loop- Back, am Kundengerät angebracht werden. Beide Lösungen sind in Bild 6 dargestellt. OAM-SFP-Module greifen mitunter auf einen eingebetteten Kommunikationskanal (ECC) zurück, um OAM-Informationen zwischen dem Hub, dem Point of Presence (PoP) sowie dem OLT-Gerät (Optical Line Termination) und dem Endkunden auszutauschen. Dies ermöglicht eine Überwachung von weiter entfernten Knoten, einschließlich der Netzschnittstelle. Ein spezielles Data Communication Network (DCN) ist nicht erforderlich. Der OAM-Loop-Back verzweigt bei Doppeladern oder reflektiert bei einzelnen Adern einen Teil des Empfangssignals und leitet es zurück zum Hub, PoP oder OLT-Gerät. Wird das Loop-Back-Signal ausreichend erkannt und analysiert, kann ohne zusätzliche aktive Elemente am Teilnehmerendgerät verifiziert werden, ob die Glasfaser intakt ist und eine ausreichende Konnektivität besteht. Migration auf NG-WDM-PON pwdm kann der erste Schritt in Richtung einer PON-Infrastruktur der nächsten Generation sein, die im Gegensatz zu GPON alle Zugangs- und Rücktransportanwendungen unterstützt, das Netz konsolidiert (von einer großen Anzahl Point-to-Point-Verbindungen auf wenigere und größere Bild 6: Clevere Abgrenzung. OAM mit SFP (oben), OAM mit Loop (unten) topologische Strukturen) und Schutzsowie Überwachungsfunktionen hinzufügt. Nicht zuletzt ermöglicht pwdm eine maximale Reichweite von über 100 km. Eben diese Eigenschaften brauchen große Netzbetreiber auf lange Sicht, um Kosten zu senken [3]. Bild 7 zeigt, wie pwdm in ein WDM- PON mit erweiterter Funktionalität umgewandelt werden kann. Erste Standorte wurden bereits vollständig passiv gestellt, was dem Trend entspricht, ADSL durch VDSL zu ersetzen und die DSLAMS näher zum Endkunden zu verlegen. Glasfasern und auch passive WDM-Filter können weiterverwendet werden und gestatten nun auch physische Point-to-Multipoint- Strukturen. Ein wesentlicher Effekt dieser Migration ist die Konsolidierung der unabhängigen Point-to- Point-Verbindungen, wodurch weniger, jedoch größere Strukturen entstehen. Dies vereinfacht in Verbindung mit den zusätzlichen OAM-Optionen den Netzbetrieb erheblich und reduziert die Betriebskosten. Optischer Schutz kann bei den passiven optischen Netzen unter Verwendung der Multiplextechnik beispielsweise durch Single-ended-Switching an der OLT-Betriebsstelle erfolgen (siehe Bild 7). So wird die Ausfallsicherheit der Verbindung zwischen OLT und RN (Remote Node), die den aggregierten PON-Datenverkehr transportiert (wo sich Fehler also am stärksten auswirken) kostengünstig verbessert. Alternative Schutzstrukturen im WDM-PON-Kontext sind durchgängiger Verbindungsschutz einschließlich Verbindungen zwischen RN und ONU (Optical Network Unit, optische Netzeinheit) und Dual-Homing. WDM-PONs unterstützen dabei weiterhin Kunden mit farbigen Schnittstellen und können OAM-SFP-Module und Loops wie oben beschrieben nutzen (in Bild 7 links als kleine schwarze Kästchen dargestellt). Weitere Optimierungen Es ist durchaus erwähnenswert, dass bereits diese einfachen WDM-PONs Schutz sowie OAM-Netzabschlussund Verwaltungsfunktionen bieten. Mit Funktionen für die Fernverwaltung von CPE, Layer-0/1/2-Aufspaltung, optischen Schutz- und Verstärkungsoptionen sind Next-Generation-WDM-PONs eine vollständige, in sich geschlossene Zugangs- und Transportlösung. Durch die Integration von WDM-Übertragungsgeräten im Hauptknoten kann die Anzahl der O-E-O-Schnittstellen minimiert werden. Außerdem werden echtes Endezu-Ende-Management sowie Dienstebereitstellung ermöglicht. Einen Überblick hierüber gibt Bild 8, das den nächsten Schritt der Integration der WDM-PONs in ein einheitliches Metronetz und in eine einheitliche Rücktransportinfrastruktur zeigt. Das WDM-PON OLT beinhaltet ein Layer-2/WDM-Switch-Blade. Bei den Kundenanschlüssen handelt es sich um farbige WDM-SFP-Module, die Remote-OAM-SFPs oder Loops unterstützen. Die Uplink-Ports sind redundante, farbige 10-GE-XFPs, die Uplink-Schutz oder Lastverteilung ge- NET 12/08 33

5 währleisten. Diese Ports unterstützen die optische Transporthierarchie (OTH), die in der ITU-Empfehlung migriert werden. Als eigenständige Übertragungslösung kann eine so entstandene WDM-PON-Lösung Funktionen wie OAM, Remote Management von Geräten beim Endkunden und Schnittstellen, optische Schutz- und Verstärkungsoptionen, Layer-1/2-Multiplexverfahren und Aggregationsfunktionen bieten. (bk) Literatur Bild 7: Migration auf NG-WDM-PON [1] Grobe, K., Hinderthür, H., Will, D.: Flexible WDM Solution for DSL Backhaul, 7. ITG Fachtagung Photonische Netze, Leipzig, April [2] FTTH Council Europe Homepage, Online: [3] Davey, R., et.al.: Long-Reach Access and Future Broadband Network Economics, 33rd European Conference on Optical Comms (ECOC 07), Berlin, September [4] ITU-T Recommendations G.984.x, Gigabitcapable access network. Bild 8: Vollständig integriertes EDM/L2-PON G.709 standardisiert ist, sowie entsprechende Features wie FEC (Forward Error Correction), OAM und Signalgebung [9]. Außerdem erlauben sie die direkte Zusammenarbeit von WDM-Kernnetzen und minimieren die Anzahl der O-E-O-Schnittstellen. Die maximale Reichweite von WDM-PONs kann durch Verstärkung im OLT oder RN auf über 100 km erweitert werden. Zur Verstärkung in DWDM-Netzen sind EDFA-Komponenten (Erbium Doped Fiber Amplifier) geeignet. Für CWDM können optische Halbleiterverstärker zum Einsatz kommen. Schlussfolgerung Die passive WDM-Technologie eignet sich hervorragend als Basis für eine einheitliche Infrastruktur zum Rücktransport aller First-Mile-Technologien. Sie bringt die notwendige Flexibilität und Skalierbarkeit mit, um den erwarteten Bedarf an symmetrischer Bandbreite zu decken und breitbandige dedizierte Dienste für Geschäftskunden auf derselben Plattform zu integrieren. Wie oben ausgeführt, kann die Technik problemlos in WDM-PON- Lösungen der nächsten Generation [5] Heckwolf, A.: Employing passive WDM to cost optimise transport network operations, WDM & Next Generation Optical Networking, Cannes, June [6] ITU-T Recommendations G.695, Optical interfaces for Coarse Wavelength Division Multiplexing applications, [7] Tucker, R.: Optical Packet-Switched WDM Networks: a Cost and Energy Perspective, OFC/NFOEC2008, San Diego, February [8] Hinderthür, H, Friedrich, L.: A Novel, Multi-Service Architecture for Access and Backhaul Applications with 4.3 Gbit/s Line Rate, Poster, OFC/NFOEC 2007, Anaheim, März [9] ITG-Fachgruppe 5.3.3: OTN Technical Trends and Assessment, 5. ITG Fachtagung Photonische Netze, Leipzig, Mai 2004, und WDM Conference, Cannes, France, Juli