Weiterentwicklung kohärenter optischer Netze: Einblicke

Netzprovider, darunter Telekom-Provider, Kabelnetz-/Multisystembetreiber (Multiple System Operators, MSOs) und globale Content-Provider, sehen sich geschäftlichen Herausforderungen gegenübergestellt, die sie zu einer Weiterentwicklung und Transformation ihrer Netze geradezu zwingen.

Serviceprovider

Um ihren Kundenstamm zu pflegen und auszubauen, nehmen Serviceprovider Investitionen vor, die ihnen helfen, innovative Services anzubieten. Beispiele für derartige Services sind die Bereitstellung eigener Videoinhalte (Übernahme von Time Warner durch AT&T) und die Vernetzung intelligenter Geräte zuhause wie auch mobil (gemanagte Security-IoT-Services von Bell). Außerdem evaluieren Sie neue, einfacher strukturierte und stärker skalierbare Architekturen und führen entsprechende Upgrades durch, um im Rahmen der Einführung von 5G neue Services anbieten zu können. Ein bemerkenswertes Beispiel für eine Investitionsverschiebung in den Edge-Bereich ist der von Verizon angekündigte Kauf von Glasfasertechnik von Corning mit einem Volumen von 1 Milliarde US-Dollar über 3 Jahre sowie der Erwerb der glasfaserbasierten Infrastruktur von WOW in Chicago.

Im Angesicht einer Multi-Vendor-Infrastruktur, die mehrere Technologiegenerationen umfasst, arbeiten die Serviceprovider an einer Straffung des Betriebs und einer Steigerung der Netzwerkautomatisierung, um die Servicebereitstellung zu beschleunigen und die Kundenzufriedenheit zu erhöhen. Gleichzeitig versuchen sie, mithilfe einer offeneren, programmierbaren Infrastruktur, die mit weniger implementierter Hardware schneller auf neue Bandbreitenanforderungen reagieren kann, die betriebliche Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken. 

Kabelnetz-/Multisystembetreiber (Multiple System Operators, MSOs)

Kabelnetz-/Multisystembetreiber modernisieren ihre Access-Architekturen und verschieben dabei die Glasfaserfunktionalität näher an den Endbenutzer heran. Außerdem verteilen und virtualisieren sie Funktionen, um eine größere betriebliche Effizienz zu erreichen sowie Konnektivität mit höherer Kapazität und eine bessere Endbenutzererfahrung (QoE) zu ermöglichen. Sie ersetzen ihre bestehende analoge Infrastruktur durch ein vollständig neues digitales Glasfasernetz, um wirtschaftliche und wettbewerbsbezogene Vorteile zu erschließen. In Anbetracht der geplanten Implementierung des Zehnfachen der aktuell eingerichteten Glasfaserknoten ist die Auswahl der richtigen Architektur und der passenden Hardware ein kritischer Faktor. Hier ist es vor allem wichtig, dass sie für den Außenbereich geeignet ist, nur einmal verkabelt werden muss und sich problemlos skalieren lässt, um Gigabit-Access und neue Services zu unterstützen. Doch auch die Implementierung einer optimalen Softwarearchitektur, die das Netz mit stärkerer Automatisierung durchgehend effizient managen kann, ist für eine erfolgreiche Transformation wichtig.

Globale Content-Provider

Globale Content-Provider erleben gerade einen jährlichen Anstieg der Bandbreitennachfrage im zweistelligen Bereich und bauen die Infrastrukturen ihrer Rechenzentren für Metro-, Langstrecken- und submarine Distanzen entsprechend aus (neues Facebook-Rechenzentrum in Singapur). Um eine ausreichende Skalierung für einen Anstieg der Bandbreitennachfrage zu gewährleisten, verteilen sie ihr Rechenzentren-Fabric im Metro- und Regionalbereich auf mehrere Gebäude oder Standorte, wodurch die Nachfrage nach optischer Single-Span-Konnektivität mit hoher Kapazität steigt. Vom Gesichtspunkt der Architektur her wenden sie sich fortschrittlichen Technologien und Softwareverfahren zu, wie z. B. dem Software-Defined Networking und der künstlichen Intelligenz, um maximale Effizienz zu ermöglichen. Ihr Erfolg beruht auf der Bereitstellung neuer, innovativer Services für ihre Kunden. Dazu müssen sie die Wünsche der Kunden antizipieren, bevor diese sie überhaupt äußern! Sie nutzen frühzeitig hochmoderne Technologien und werden von Routern mit 100G-Schnittstellen auf solche mit 400G-Schnittstellen umsteigen, sobald diese verfügbar sind.

Ein Merkmal, das allen Netzprovidern gemein ist, ist der Wunsch nach einem reaktionsschnelleren, automatisierten und selbstoptimierenden Netzwerk. Technologien wie fortschrittliche kohärente Optik und ein flexibler photonischer Layer sowie offene APIs (Application Programmable Interfaces) spielen dabei eine wichtige Rolle. In den letzten Jahren haben sich Netzprovider stark auf das Upgrade ihrer optischen Netze fokussiert, um die genannten Anforderungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck haben sie auf Automatisierung, Analysefunktionen und zweckbasierte Policies gesetzt, um die schnelle Skalierung, Selbstkonfiguration und Selbstoptimierung ihrer Netze zu gewährleisten. Ciena bezeichnet diese neue Form des Netzes als Adaptive Network^TM.

Rolle der kohärenten Technologie bei der Weiterentwicklung

Um ihre dynamischen geschäftlichen Herausforderungen erfolgreich meistern zu können, suchen Netzprovider strategisch nach Möglichkeiten, die Rolle der kohärenten Technologie auszuweiten. Sie möchten so neue Netzwerkarchitekturen implementieren, die aufgrund der oben genannten Themen notwendig werden. Auf Grundlage der jeweiligen Anwendung entstehen unterschiedliche kohärente Lösungen: leistungsoptimierte und platzbedarfsoptimierte Lösungen.  Ziel von leistungsoptimierten Lösungen ist die Gewährleistung der bestmöglichen Systemleistung ohne Einschränkungen bei gleichzeitiger maximaler Automatisierung des optischen Layers. Platzbedarfsoptimierte Lösungen sind für einen spezifischen Formfaktor und bestimmte Energieverbrauchsvorgaben optimiert.

Leistungsoptimierte Lösungen

Im Bereich von Anwendungen für Metro- und Langstreckeninfrastrukturen, darunter auch globale DCI-Netze, läuft die Weiterentwicklung hin zum Adaptive Network bereits. Netzprovider steigen vermehrt auf stärker softwarebasierte, automatisierte und hoch skalierbare Netze um, die ein neues Maß an Effizienz, Kosteneinsparungen und Serviceflexibilität versprechen. Das optische Netz wird nicht länger einfach nur als „dumme Leitung“ betrachtet. Stattdessen besteht wachsende Nachfrage nach einer agilen, widerstandsfähigen ROADM-basierten optischen Grundlage, die auf flexiblen, instrumentierten Photonik-Lösungen und Layer-0-Softwaresteuerung basiert, um das Netzwerk im Hinblick auf maximale Kapazität bei geringstmöglichem Platz- und Energiebedarf und niedrigsten Kosten pro Bit zu skalieren. 

Für diese Infrastrukturanwendungen werden leistungsoptimierte und einstellbare kohärente Lösungen benötigt, die über jeden beliebigen Netzwerkpfad stets die optimale Kapazität bereitstellen können. Um maximale Flexibilität und Resilienz zu gewährleisten, ist die direkte Kommunikation vom Transponder zur photonischen Leitung erforderlich. Dies lässt sich am besten mit einer hochoptimierten Transportplattform erreichen. Da Router mit 400G-Schnittstellen schon bald verfügbar sein werden, muss die ideale optische Lösung darüber hinaus die Weiterentwicklung des Netzes hin zu Switching-Technologien der nächsten Generation mit höherer Kapazität ermöglichen und den universellen Transport von zukünftig möglichen Client-Raten wie 400GbE unterstützen.

Netzprovider benötigen leistungsoptimierte Lösungen ebenso für Anwendungen mit begrenzten Glasfaserressourcen. Hier ist eine maximale spektrale Effizienz unerlässlich. Submarine Systeme mit Unterwasserkabeln von mehreren Tausend Kilometern Länge sind ein Beispiel für eine derartige Anwendung.

Unterschiedliche Anforderungen an die Weiterentwicklung von Netzen im Hinblick auf den Datentransport

Platzbedarfsoptimierte Lösungen

Initiativen zur Glasfaserverdichtung und höhere datenstrombasierte Bandbreitenanforderungen in Kombination mit den Kosten- und Energieverbrauchssenkungen, die durch kohärente Lösungen der nächsten Generation möglich werden, öffnen den Access-Bereich als vollkommen neuen Markt für kohärente Lösungen. Da wir uns immer stärker in Richtung der Access-Anwendungen bewegen, sei es nun für die Netze von Kabelnetz-/Multisystembetreibern (MSOs) oder Serviceprovidern, ändern sich die Anforderungen. 

Bei diesen Anwendungen sind Größenbeschränkungen und ein erweiterter Betriebstemperaturbereich wichtiger als ultimative Wellenlängenkapazität. Netzbetreiber benötigen Lösungen mit kleinem Formfaktor, die sich einfach implementieren lassen, mehrfache Access-Verbindungen aggregieren und den Backhaul des Datenverkehrs an eine zentrale Stelle über eine einzige, kleinere Wellenlänge (z. B. 100G) durchführen können.

Die Integration von kohärenter Optik und Paket-Switching-Lösungen in einer gemeinsamen Plattform führt zu einer weiteren Effizienzmaximierung und Vereinfachung des Netzes. Dies sorgt innerhalb der Branche für Innovationen und die Entwicklung neuer paketoptischer Produkte.  Aufgrund der aktuellen Fortschritte beim Design der DSP-Chips für die digitale Signalverarbeitung und der optoelektronischen Komponenten kann die kohärente Optik nunmehr in Form von standardbasierten steckbaren Lösungen implementiert werden. Bei diesen Point-to-Point-Access-Anwendungen ist die Leitungsinteroperabilität ein wichtiger Vorteil, da Access- und Aggregationsplattformen häufig von unterschiedlichen Anbietern bezogen werden.  Die Leitungsinteroperabilität gewährleistet eine effiziente, direkte Konnektivität ohne OEO-Wandler (optisch-elektrisch-optisch).

Aufgrund der Anforderungen von Data Center Interconnect (DCI)-Anwendungen in puncto Energieverbrauch und Platzbedarf planen globale Content-Provider darüber hinaus die Verwendung von steckbaren kohärenten Lösungen, vor allem für einen Teil des Single-Span DCI-Marktes, den sogenannten 400ZR-Markt.  Eine Schlüsselvoraussetzung für die Verbreitung der Technologie in diesem Anwendungsbereich ist es, dass bei der Paket-Switch-Dichte keine Kompromisse eingegangen werden müssen, wenn die kohärente Optik eingebunden wird. Da Energieverbrauch und Servicedichte zusammenhängen, ist eine geringe Leistungsaufnahme ein kritischer Faktor. Ein weiteres wichtiges Merkmal für 400ZR-Anwendungen ist die Interoperabilität der kohärenten Leitungen, um den Netzbetrieb zu vereinfachen. Schließlich ist auch die Unterstützung von 400G-Wellenlängen für die Skalierung der Glasfaserkapazität und die effiziente Verbindung von 400G-Routern ein weiterer wichtiger Faktor.

Platzbedarfsoptimierte Lösungen ermöglichen zusätzliche Flexibilität, da durch sie die einfach anzuwendende kohärente Technologie mit ihrem hohen Grad an Skalierbarkeit in neuen Bereichen des Netzes eingesetzt werden kann. Die Konnektivität mit Endbenutzern und Geräten mit hoher Bandbreite ermöglicht die Einführung neuer innovativer Services und unterstützt die Netzprovider bei der Weiterentwicklung hin zu adaptiveren Netzen.

Ab 2019 werden wir Zeugen des Aufbaus dieser neuen Netzwerkarchitekturen sowie der Anwendungen und Services, die durch sie möglich werden. Es ist aufregend, mitzuerleben, welche bedeutende und immer größere Rolle die kohärente Technologie bei der Weiterentwicklung hin zu skalierbarer Kapazität, einem höheren Grad an Programmierbarkeit und der Realisierung von Geschäftszielen spielt. Und es geht gerade erst los.