Kurzbeschreibung
Mehrsystembetreiber (Multiple System Operator, MSO) sehen sich einer steigenden Nachfrage nach Expansion in neue Märkte gegenüber und benötigen zunehmend höhere Kapazitäten in ihren Zugangsnetzen. Dieser Wandel hat den Übergang zu verteilten Zugangsarchitekturen (Distributed Access Architecture, DAA) beschleunigt, die es den MSOs ermöglichen, mit Zugangsnetzen höherer Kapazität zu innovieren.
Die DAA erfordert eine Trennung von physischen und logischen Netzwerkfunktionen. Die Trennung des Zugangsknotens ermöglicht die Vereinfachung und Miniaturisierung der physischen Netzwerkgeräte. Des Weiteren ermöglicht sie die Zentralisierung von softwarebasierten Funktionen. Diese Architektur erhöht den Bedarf an zusätzlichen Rechenressourcen im Kern und erfordert eine neue Methode zur Orchestrierung dieser Funktionen und Ressourcen.
Harmonic™ CableOS® Pebble R-PHY und Fin OLT Plug (OEM von Tibit Communications), die IEEE 10G-EPON und ITU-T XGS-PON unterstützen, befinden sich im selben Gehäuse des HFC-Knotens, während die DOCSIS-MAC- und OLT-Controller-Funktionen am Headend unter der cloudnativen Harmonic™ CableOS Kernplattform mit Intel® Xeon® CPUs ausgeführt werden.
In diesem Artikel wird diese einzigartige Kombination beschrieben, die es MSOs ermöglicht, die nächste Generation der Zugangsnetztechnik zu nutzen und gleichzeitig die Langlebigkeit ihrer bestehenden Netzinfrastruktur ohne größere Änderungen zu verlängern.
Einführung
Viele MSOs erweitern ihr Service-Portfolio durch die Bereitstellung passiver optischer Netzwerke (Passive Optical Network, PON), die hauptsächlich auf neuartige Anwendungen im privaten Bereich und auf Unternehmensdienstleistungen ausgerichtet sind. In naher Zukunft können PONs auch eingesetzt werden, um den Nutzen bestehender DOCSIS-Netzwerkinfrastrukturen durch innovative Lösungen zu erhöhen, bei denen DOCSIS- und PON-Zugangstechnologien zum Einsatz kommen, die auf demselben Edge-Zugangsknoten untergebracht sind. Diese Kombination ist Teil einer DAA, die die meisten Netzwerkfunktionen in einer Software am MSO-Headend hostet. Durch den Einsatz dieser Architektur entsteht eine einheitliche Plattform, die eine Vielzahl von Vorteilen für DOCSIS und PON bietet, einschließlich einer kürzeren Markteinführungszeit, da die Betriebs- und Supportteams nicht für unterschiedliche Systeme geschult werden müssen.
Mit Ausnahme der PHY-Schicht sind sich die Bausteine von DOCSIS und PON sehr ähnlich. Das Ergebnis ist eine einheitliche Softwarelösung für DOCSIS- und PON-Netzwerkzugangstechnologien.
Trennung und die verteilte Zugangsarchitektur
Übersicht
Die Standardisierung einer DAA hat in den letzten Jahren einen großen Wandel im Bereich der DOCSIS-Netzwerke ausgelöst. Die Hauptvarianten von DAA, Remote-PHY und Remote MAC-PHY.
Bei der R-PHY-Variante werden die DOCSIS-MAC- und PHY-Komponenten separat am Headend und am Knoten des Zugangsnetzes bereitgestellt. Bei Remote MAC-PHY befinden sich sowohl DOCSIS MAC als auch PHY am selben Zugangsknoten.
Diese Architektur ermöglicht die Umstellung auf softwarebasierte Netzwerkfunktionen auf typischen Datenverarbeitungsplattformen, was die Einführung von PON zur Erweiterung von DOCSIS-Netzwerken erleichtert. Die Verbindung zwischen dem Headend und dem Knoten ist nun digital. Die digitale Verbindung ermöglicht das Hinzufügen von Software am Headend, die den Datenverkehr über Standard-Ethernet weiterleiten kann, der vom Zugangsknoten über PON und DOCSIS übertragen wird. Dies war in der Vergangenheit nicht möglich, da die Reichweite für ein PON-Netzwerk zu groß gewesen wäre.
Informationen zu getrennter Hardware
Netzwerkfunktionen, die bislang von einem integrierten CMTS, einem gehäusebasierten DPoE-System oder einem BNG+OLT-PON-System ausgeführt wurden, werden nun auf mehrere Komponenten im Netzwerk verteilt, die jeweils stärker auf bestimmte Funktionen ausgerichtet sind.
Es konnten drei wesentliche Bereiche in Bezug auf die Disaggregation identifiziert werden:
- Routing-Engine: Führt alle erweiterten Routing-Funktionen aus, einschließlich IGP- und EGP-Routing, VXLAN-Verwaltung, Tunneling und L3-Weiterleitung. Diese Funktionalität wird in der Regel an einen leistungsstarken L3-Switch mit hoher Dichte übertragen, kann aber auch virtualisiert werden.
- Cloudnative Zugangsplattform: Verantwortlich für sämtliche Teilnehmer-QoS, -Filterung und -Klassifizierung, FCAPS-Funktionen und MAC (im Falle von R-PHY). Diese Funktionalität hat sich als erstklassige Option für die Virtualisierung erwiesen, denn sie kann in handelsüblichen x86-Hochleistungsserver-Clustern ausgeführt werden. Darüber hinaus könnte zusätzliche Disaggregation möglich sein, indem die Verwaltung von der Datenebene getrennt wird. Ein Großteil der Teilnehmerverwaltungsfunktionalität nutzt sowohl für DOCSIS als auch für PON dieselbe Architektur.
- Physische Schicht: Geräte mit geringem Energieverbrauch, die den Verkehr für den sogenannten Last-Mile-Zugang in HF oder Licht umwandeln.
Die Bereitstellung von getrennter Software
Die Einführung der Software-Containerisierung hat die Entwicklung flexiblerer und robusterer Lösungen ermöglicht. Anstelle einer einzigen, monolithischen Softwareplattform trennt eine disaggregierte Softwarelösung spezielle Softwarefunktionen in eigene Container auf, die nahtlos zusammenarbeiten, jedoch auch unabhängig voneinander verwaltet werden können.
Zugangsplattformen, auf denen mandantenfähige Anwendungen gehostet werden, eignen sich hervorragend für eine solche Trennung, da Komponenten, die sowohl in einem virtualisierten CMTS als auch in einer virtualisierten PON-Lösung eingesetzt werden, in Elementen wiederverwendet werden können, die beide Zugangsnetze verwalten. Diese Elemente können gleichzeitig unter demselben Rechenmodul operieren und bieten somit eine einheitliche Zugangsplattform.
DAA und die dazugehörigen Technologien
Warum PON?
Aufgrund des Wettbewerbsdrucks, zur Bereitstellung eines breiteren Service-Portfolios oder einfach nur, um ihre Zugangsnetze zukunftssicher zu gestalten, haben viele Kabelnetzbetreiber bereits eine Version einer PON-Lösung für private und/oder geschäftliche Anwendungen implementiert.
PON bietet schnellere Bandbreiten und eine höhere Zuverlässigkeit, eignet sich aber heutzutage vor allem für Greenfield-Lösungen.
Die Möglichkeit, ein PON-OLT-Plug innerhalb desselben Remote-PHY- oder Remote-MAC-Geräts zu platzieren, eröffnet den MSOs neue Umsatzchancen, da sie nun PON-Dienste in gezielten Brownfield-Bereichen anbieten können, die möglicherweise eine höhere Bandbreitenkapazität benötigen, oder um einfach Geschäftskunden oder Kunden mit hoher Nutzungsintensität von DOCSIS auf PON zu verlagern.
Darüber hinaus resultiert die verteilte Hardware- und Software-Architektur in einer einheitlichen Plattform, mit der sowohl DOCSIS als auch PON bereitgestellt werden kann. Dies führt zu kürzeren Markteinführungszeiten, da die Betriebs- und Supportteams nicht für zwei separate Systeme geschult werden müssen.
Die Rolle von NFV und Cloud-Native
Netzwerk-Funktionsvirtualisierung (Network Function Virtualization, NFV) und cloudnative Konzepte haben eine Transformation sowohl der drahtlosen als auch der drahtgebundenen Zugangsnetzinfrastruktur hin zu stärker softwarezentrierten Architekturen mit cloudähnlichen Funktionen vorangetrieben.
Es handelt sich dabei um eine allgemeine Übersicht über die drahtgebundene und drahtlose Netzwerkinfrastruktur, die virtualisierte Netzwerkfunktionen wie das virtualisierte CMTS (Cable Modem Termination System), das virtualisierte BNG (Broadband Network Gateway) und die virtualisierte 5G-UPF (User Plane Function) umfasst, die jetzt in Software auf herkömmlichen Rechenplattformen mit Intel Xeon CPUs bereitgestellt werden.
Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen, um sie von der Hardware zu entkoppeln und zu abstrahieren, ist ein etablierter Ansatz, der schnell in die nächste Phase von cloudnativen Bereitstellungen übergehen wird. Dies fördert die Übernahme von Cloud-Prinzipien wie der Containerisierung mit Kubernetes-Orchestrierung in einer Micro-Services-Architektur.
Die Transformation von Netzwerken hat die Übernahme einer Vielzahl von Bereitstellungsmodellen und sich weiterentwickelnden Technologien ermöglicht. MSOs profitieren jetzt von einer höheren Effizienz mit weniger Platzbedarf und geringerem Energieverbrauch sowie einer einfacheren Wartung und leichteren Upgrades mit granularer Skalierbarkeit.
Die Flexibilität einer cloudnativen NFV-Bereitstellung hilft zudem bei der Konsolidierung von Softwarelösungen, deren Netzwerkfunktionen an einem Ort platziert sind.
Ein einheitlichter Ansatz für DOCSIS und PON
Da die DAA die Verknüpfung von DOCSIS und PON erleichtert, um so einen insgesamt besseren Service zur Deckung des Datenbandbreitenbedarfs der Teilnehmer zu bieten, können Kabelnetzbetreiber einen Wettbewerbsvorteil erlangen.
Ein konkretes Beispiel, bei dem die dominanten Datenverkehrsströme von einer kleinen Anzahl von Teilnehmern stammen. Diese kleine Gruppe von Benutzern ist für den Großteil des Datenverkehrs in einer Servicegruppe verantwortlich. Diese kleine Gruppe von Benutzern ist für den Verbrauch des größten Teils der für die Servicegruppe verfügbaren Datenbandbreite verantwortlich und schränkt damit die für andere Benutzer verfügbare Bandbreite ein. Dies wird in der Regel durch die Aufteilung eines Glasfaserknotens gelöst, was für den Betreiber mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. In einigen Fällen kann auch dieser Ansatz das Problem nicht lösen, da die Benutzer mit hohem Datenaufkommen immer noch in dem kürzlich aufgeteilten Knoten anzutreffen sind.
Die Methode, bei der die Last von DOCSIS auf PON verlagert wird, bietet eine sehr gute Möglichkeit zur Lösung des Dilemmas, das Kabelnetzbetreibern bei der Verwaltung von Benutzern mit einer so hohen Datenbandbreite entsteht.
Sobald diese intensiven Benutzer auf einem DOCSIS-R-PHY-Gerät identifiziert werden, kann ein Harmonic Fin OLT Plug SFP+ in einem der Ethernet-Ports des Harmonic Knotens installiert werden. Dieser simple Ansatz ermöglicht es dem MSO, seine bestehenden R-PHY-Knoten in ein PON-OLT umzuwandeln, ohne dass zusätzliche Komponenten installiert werden müssen, wodurch die Einstiegshürde für PON bei einer Brownfield-Bereitstellung erheblich gesenkt wird. Während die größten Verbraucher von Datenbandbreite langsam in ein PON-Glasfasernetz verlagert werden, führt die neu installierte Glasfaser nun an zusätzlichen Haushalten und Unternehmen vorbei, wodurch sich die potenzielle Kundschaft für PON-Services weiter vergrößert.
Die Auslagerung von DOCSIS auf PON kann per Software am Headend mit minimalen Änderungen an der bestehenden Plattform gesteuert werden, die bereits die vCMTS-Funktion in der Software bereitstellt. Kabelanbieter können nun das Problem der Datenbandbreite lösen, indem sie ihren größten Nutzern eine höhere Bandbreite garantieren und gleichzeitig den Zugang für die anderen Teilnehmer in ihrem Gebiet verbessern.
Dieser Ansatz hat auch den großen Vorteil, dass die Langlebigkeit der bestehenden DOCSIS-Netzwerkinfrastruktur ohne wesentliche Änderungen verlängert wird.
Die Auslagerung auf das PON wird im Wesentlichen durch das Hinzufügen von OLT-Weiterleitungs- und -Steuerungssoftware auf den auf Intel Technik basierenden MSO-Headend-Servern und das Einsetzen des Fin-OLT-Plugs in einen der Harmonic CableOS Pebble R-PHY Ethernet-Ports ermöglicht, der wiederum über Glasfaser mit dem Wohnort der Zielteilnehmer verbunden ist.
Die Harmonic Pebble R-PHY Komponente ist bereits mit einem Switch für die Reihenschaltung mit anderen Knoten ausgestattet, sodass diese Ethernet-Ports für diese Lösung verwendet werden können. Es ist zu beachten, dass die Verbindung zwischen dem MSO-Headend und -Knoten auf zwei Wellenlängen erweitert werden kann, wenn die Bandbreitenanforderungen innerhalb der bestehenden Lambda-Bandbreitenkapazitäten liegen.
Wie diese Lösung mit echter Hardware von Harmonic aussieht (CableOS Pebble R-PHY mit Fin OLT Plug). Diese werden von Servern mit Intel Technik am MSO-Headend gesteuert.
Anhand dieses praktischen Beispiels ist ersichtlich, wie DOCSIS- und PON-Zugangstechnologien koexistieren und sich gegenseitig ergänzen können, indem sie die zusätzlichen Bandbreitenvorteile von PON bieten und die Langlebigkeit bestehender Kabelnetzinfrastrukturen verlängern.
Ein weiterer sehr wichtiger Teil einer einheitlichen Lösung für PON und DOCSIS ist die Integration in das Bereitstellungssystem und das Back-Office. DOCSIS Provisioning of X (DPoX) ermöglicht es Betreibern, ihr bestehendes Kabelmodem-Bereitstellungssystem auch für die Bereitstellung von ONUs (XSG oder 10GEPON) zu nutzen. Dies ermöglicht ebenfalls eine einheitliche Verwaltung der IP-Adressen im gesamten PON- und DOCSIS-Netzwerk.
Eine einheitliche DOCSIS- und PON-Lösung, die geschäftliche Agilität ermöglicht
Die verteilte Zugangsarchitektur ermöglicht es den MSO, ihre Zugangsnetze nahtlos über DOCSIS hinaus zu erweitern. Mit dem Fin-OLT-Plug können Harmonic Pebble R-PHY-Knoten auch zu PON-OLTs werden, die alle über eine einzige CableOS Plattform mit Intel® Xeon® Prozessoren verwaltet werden.
Brownfield-Gebiete, die für PON-Netzwerke bislang unerreichbar waren, können nun problemlos von einem bestehenden Knoten aus bedient werden, wobei die Trunk-Glasfasern wiederverwendet werden. Greenfield-Bereitstellungen bieten auch den Vorteil einer kürzeren Markteinführungszeit, da eine gemeinsame Plattform für DOCSIS und PON verwendet wird, wodurch der Schulungsaufwand und die Back-Office-Integration minimiert werden.
In Zukunft wird die Disaggregation auch eine weitere Vereinheitlichung von Zugangstechnologien wie Ethernet und Wireless ermöglichen, die über eine gemeinsame Cloud-Lösung verwaltet werden.
Referenz
1. Harmonic CableOS Plattform: https://www.harmonicinc.com/hubfs/solution-brief/cableos.pdf
2. Harmonic CableOS Edge-Komponenten: https://www.harmonicinc.com/cable-access/cableos-phy
3. Tibit Microplug (OEM): https://tibitcom.com