ROADMs können die Ziele optischer Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen verändern, und viele von ihnen werden in optischen Kommunikationsnetzen eingesetzt, wo sie als Schlüsselelemente fungieren.
ROADM-Technologien und Vorteile:
ROADMs vereinfachen das Netzwerkdesign, unterstützen Bandbreitenänderungen und verbessern die Betriebseffizienz durch Fernkonfiguration. Ein typisches ROADM besteht aus mehreren wellenlängenselektiven Schaltern (WSS), die wiederum aus einer Kombination von Multiplexern/Demultiplexern, optischen Schaltern, variablen optischen Dämpfungsgliedern (VOAs) und Steuermodulen bestehen. Die Funktionalität von ROADMs, die das Ziel optischer Signale ohne elektrische Wandlung ändern, ermöglicht Netzbetreibern die Optimierung des Routendesigns.
ROADMs ermöglichen die dynamische Anpassung der Wellenlängenbandbreite an die Datenübertragungsanforderungen. Sie erleichtern die Fernverwaltung des optischen Signalroutings für einzelne Wellenlängen und machen manuelle Eingriffe von Netzwerktechnikern vor Ort überflüssig. In Netzwerken mit ROADM-Technologie optimiert eine softwarebasierte Automatisierung die Verbindungskonfigurationen und gewährleistet so eine effiziente Kommunikation. Dieser Ansatz minimiert das Risiko von Netzwerkausfällen durch menschliches Versagen und reduziert den operativen Aufwand für die Netzwerkverwaltung erheblich.
ROADMs ermöglichen es Netzbetreibern, Wellenlängen nach Bedarf hinzuzufügen, zu entfernen oder durchzuleiten, um eine optimale Netzwerkeffizienz zu gewährleisten, da Verkehrsführung und Dienste ohne physische Änderungen angepasst werden können. Sie sind leicht skalierbar und ermöglichen die schnelle Integration neuer Wellenlängen, Dienste oder Netzwerkknoten bei steigendem Bandbreitenbedarf. Multigrade-ROADMs, die Verbindungen zwischen mehreren Glasfaserpfaden ermöglichen, können zudem zur Umleitung des Datenverkehrs bei Glasfaserbrüchen oder Hardwareausfällen eingesetzt werden und bieten so eine höhere Netzwerkausfallsicherheit und Redundanz. ROADM hat sich zu einer Schlüsseltechnologie für die Entwicklung leistungsstarker, flexibler und agiler optischer Netze wie 400G WDM für anspruchsvolle Anwendungsfälle in Cloud-, 5G- und Rechenzentrumsumgebungen entwickelt.
Edge-Computing mit geringer Latenz:
Netzwerkdesigner können verschiedene Architekturen implementieren. Ein Beispiel ist CDC (Colorless, Directionless, and Contentionless), das blockierungsfreie Mesh-Konfigurationen ermöglicht. „Colorless“ fügt beliebige Wellenlängen oder Farben an jedem Port hinzu oder entfernt sie, „Directionless“ fügt Wellenlängen in beliebiger Richtung hinzu oder entfernt sie, und „Contentionless“ fügt Wellenlängen ohne Interferenzen hinzu oder entfernt sie. Multi-Degree-ROADMs und CDC sind unerlässlich für schnelles Routing und Switching mit geringer Latenz. Diese Art von Remote Dynamic Routing ermöglicht es Edge-Diensten wie KI-Workloads, Echtzeitanalysen und 5G-Anwendungsfällen, optimale, latenzarme Direktpfade auch bei hoher Auslastung oder Verbindungsabbrüchen aufrechtzuerhalten.
ROADMs bieten nicht nur Automatisierung und maximale spektrale Effizienz, sondern ermöglichen auch eine längere Datenspeicherung im optischen Bereich durch optische Übertragung von Wellenlängen ohne optisch-elektrisch-optische (OEO) Regeneration. Dadurch reduzieren ROADMs die Gerätekosten und verringern die Latenz an Edge-Knoten und in Rechenzentrumsverbindungen.
Förderung offener Netzwerke:
Seit den 2010er-Jahren hat die Nutzung der ROADM-Technologie deutlich an Fahrt aufgenommen und neue technische Herausforderungen mit sich gebracht. Bisher wurden ROADM-Geräte von wenigen spezialisierten Hardwareanbietern entwickelt und produziert. Diese geringe Vielfalt führte zu minimaler Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Folglich ließen sich ROADM-Systeme nur eingeschränkt flexibel an spezifische funktionale Anforderungen oder Kostenüberlegungen anpassen.
Die steigende Nachfrage nach flexiblen, skalierbaren und autonom operierenden optischen Netzwerken hat erhebliche Anstrengungen zur Öffnung optischer Netzwerke erforderlich gemacht. Diese Anstrengungen umfassen die Etablierung standardisierter technischer Spezifikationen und die Verbesserung der Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Solche Initiativen werden aktiv im Rahmen des OpenROADM-Projekts verfolgt, das 2015 mit AT&T und anderen Branchenführern als Gründungsmitgliedern ins Leben gerufen wurde. Dem Projekt gehören derzeit über 30 Mitgliedsorganisationen an.
Abbildung 2: Optische Netzwerksysteme werden offen
OpenROADM konzentriert sich auf die Standardisierung optischer Schnittstellen und ihrer Spezifikationen, um eine nahtlose Interoperabilität zwischen ROADM-Systemen verschiedener Hersteller zu gewährleisten. Diese Initiative legt zudem Wert auf die Entwicklung integrierter Managementfunktionen, die durch herstellerübergreifende Software-Defined Network (SDN)-Controller ermöglicht werden.
Eine der aktuellen Herausforderungen für ROADM-Systeme ist die eingeschränkte Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller. Unterschiede in den Netzwerkkonfigurationen führen häufig zu höheren Kosten und einer komplexeren Betriebsführung bei der Integration neuer Komponenten in bestehende Systeme.
Darüber hinaus schränkt die Abhängigkeit von einem einzigen Anbieter von Netzwerkgeräten den Wettbewerb ein, hemmt Innovationen und verringert die Systemflexibilität. Diese Anbieterabhängigkeit, allgemein als „Herstellerabhängigkeit“ bekannt, beeinträchtigt die Interoperabilität innerhalb des Netzwerk-Ökosystems. OpenROADM zielt darauf ab, diese Einschränkungen durch ein standardisiertes Framework zu beheben, das die herstellerunabhängige Interoperabilität verbessert.
OpenROADM-Spezifikationen:
OpenROADM umfasst fünf Hardwaretypen mit optischen Schnittstellen, darunter steckbare optische Module, Transponder, optische Inline-Verstärker, Transponder/Switches und die ROADMs selbst. In Kombination mit softwarebasierten Controllern lassen sich diese Geräte über SDN-Controller verwalten, die ein gemeinsames Datenmodell und eine gemeinsame Anwendungsschnittstelle (API) nutzen. Die offenen APIs ermöglichen es Betreibern, kundenspezifische Netzwerkanwendungen zu entwickeln und so Funktionen wie geringe Latenz und hohe Zuverlässigkeit zu realisieren. Durch die Verwendung der YANG-Sprache für Datenmodellierung und Steuerungsmethoden gewährleistet OpenROADM Kompatibilität und nahtlose Integration verschiedener Hersteller.
Darüber hinaus lösen die konfliktfreien und nicht-direktiven Schaltfunktionen von ROADM-Architekturen, wenn sie mittels SDN orchestriert werden, effektiv Wellenlängenkonflikte und weisen Pfade im Netzwerk automatisch neu zu. Dies erhöht die Redundanz und gewährleistet eine unterbrechungsfreie Datenkontinuität, selbst bei mehreren Ausfällen. Die Integration von Optical Performance Monitoring (OPM) in die SDN-Steuerung ermöglicht es dem Controller, die Ressourcenzuweisung zu optimieren und den Einsatz nicht realisierbarer optischer Pfade zu vermeiden. Zusätzlich bietet SDN eine einheitliche Steuerungsebene, die Schutz- und Wiederherstellungsmechanismen sowohl auf der optischen Ebene als auch auf höheren Netzwerkebenen orchestriert und so die Netzwerkausfallsicherheit und die Betriebseffizienz maximiert.
Entstehung des offenen ZR+ Standards:
Obwohl große Rechenzentren über mehrere Standorte verteilt sind, wird die Kommunikationsdistanz zwischen ihnen (Rechenzentrumsverbindungen, DCI) relativ kurz gehalten (zwischen 80 und 120 km), um die Latenz zu minimieren. Zudem werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Rechenzentren genutzt. Das Optical Internetworking Forum (OIF) hat 400ZR als Schnittstellenspezifikation speziell für diese DCI-Anwendung entwickelt. 400ZR definiert außerdem ein Übertragungsverfahren mittels WDM, das die Implementierung des Internetprotokolls (IP über DWDM) durch hochdichte Multiplexmodulation ermöglicht.
Die optische Schnittstelle OpenROADM hingegen nutzt das von der ITU-T standardisierte Kommunikationsprotokoll Optical Transport Network (OTN), das Datenraten von 100 bis 400 Gbit/s unterstützt. Allerdings sind die Kosten ebenfalls hoch. Obwohl die beiden Standards unterschiedliche Ausgangspunkte haben, verwenden beide ein digitales, kohärentes Verfahren, das sich für WDM eignet. Daher weisen die Hardware-Spezifikationen der entsprechenden optischen Transceiver viele Gemeinsamkeiten auf, und es entstand die Tendenz zur Integration der Standards. Dies führte zur Entwicklung des Standards „OpenZR+“. Dieser Standard übernimmt die grundlegenden Spezifikationen von 400ZR und ermöglicht gleichzeitig die Realisierung von DCI-Netzen und die Kommunikation über größere Entfernungen (ca. 480 km).
Im Dezember 2023 wurden die Spezifikationen für 600 Gbit/s und 800 Gbit/sa in die optische Schnittstelle OpenROADM aufgenommen, während die OIF im Oktober 2024 den 800ZR-Standard veröffentlichte. Die Spezifikationen für 800 Gbit/sa OpenZR+ werden voraussichtlich in Kürze hinzugefügt.
Die Notwendigkeit von ROADM-Tests:
Um die Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller zu gewährleisten, ist die Aufrechterhaltung der Kommunikationsqualität sowohl auf Ebene der einzelnen Geräte als auch im gesamten Netzwerk unerlässlich. Gründliche Tests sind erforderlich, um die Kommunikationsstabilität zu garantieren, Fehler zu vermeiden und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Darüber hinaus sind Echtzeit-Konfigurationsanpassungen und schnelle Wiederherstellungsmechanismen entscheidend für die Netzwerkflexibilität im Fehlerfall. Um mit dem rasanten technologischen Fortschritt Schritt zu halten, ist es notwendig, Testlösungen einzusetzen, die sich nahtlos an neue Technologien und Spezifikationen anpassen lassen.
Anritsu und OpenROADM
Abbildung 3: Demonstrationssysteme und die Rolle von Anritsu-Produkten auf der OFC 2024
Anritsu präsentierte in Zusammenarbeit mit der University of Texas at Dallas auf der OFC 2024 und der SC24 Fortschritte bei OpenROADM/IP over DWDM (IPoDWDM)-Orchestrierungssystemen. Anhand des YANG-Modells – einer herstellerunabhängigen Netzwerksteuerungsmethode, die von OpenROADM und der IETF entwickelt wurde – demonstrierte das Unternehmen integrierte Netzwerke mit einem von der University of Texas at Dallas verwalteten Orchestrierungssystem. Zwei 400G-Ports des Anritsu MT1040A Network Master Pro (400G-Tester), ausgestattet mit integrierten 400G OpenZR+-Transceivern, wurden über die Add/Drop-Leitung eines OpenROADM-Systems verbunden. Diese Konfiguration ermöglichte es dem Orchestrierungssystem, Kanaleinstellungen zu konfigurieren und gleichzeitig wichtige Netzwerk-Performance-Metriken wie Bitfehlerrate, Durchsatz und Latenz über den MT1040A zu überwachen. Das einheitliche System, das durch die Echtzeitbewertung von ROADM-Routenänderungen auf Basis von Performance-Qualitätsdaten unterstützt wird, bietet einen robusten Rahmen für Überwachung und Anpassung.
Fazit
In diesem Artikel wurden ROADM, ein Schaltgerät für optische Kommunikationsnetze, und OpenROADM vorgestellt, das Schnittstellen zur Herstellung von Verbindungen zwischen mehreren Anbietern definiert.
Das Streben nach Flexibilität, Automatisierung und Kosteneffizienz für die Zukunft der ROADM-Technologie wird deren Weiterentwicklung auch zukünftig vorantreiben. Photonische integrierte Schaltungen (PICs), integrierte Optiken und fortschrittliche Materialien sind grundlegend für die Miniaturisierung und Optimierung von ROADMs, um den zukünftigen Netzwerkanforderungen gerecht zu werden.
Ein bemerkenswerter Trend der letzten Zeit ist das Bestreben nach höheren Übertragungsgeschwindigkeiten. Im Januar 2024 startete das OIF ein Projekt zur Spezifikation 1600ZR+, um der Marktnachfrage nach verbesserter Leistung im ZR+-Modus nachzukommen. Diese Entwicklung wird sich voraussichtlich sowohl auf die OpenZR+-Standards als auch auf die OpenROADM-Spezifikationen auswirken. Anritsu, ein Anbieter von Messgeräten, engagiert sich in diesem Kontext aktiv bei OpenROADM und bietet weiterhin Produkte an, die zur Qualitätskontrolle und Überwachung optischer Kommunikationsnetze beitragen.
Autor: Kazuichi Ichikawa, stellvertretender Manager, Anritsu Corporation
