ROADM技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用趨勢探討

0 引言

20世紀(jì)70年代，激光器和光纖技術(shù)相繼有了重大突破，使得光纖通信的應(yīng)用變成可能。美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法（CVD法，汽相沉積法），使光纖損耗降低到1 dB/km；1977年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時研制成功壽命達(dá)100萬小時的半導(dǎo)體激光器，從而有了真正實用的激光器。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45 Mbit/s。

光纖通信的引入讓傳輸?shù)娜萘康玫綆缀渭壍脑鲩L，帶動了通信產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)運營者對DWDM網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)度靈活性要求的提高，在21世紀(jì)初，ROADM架構(gòu)得到商業(yè)部署。其架構(gòu)從第1代的二維ROADM系統(tǒng)，到第2代多維ROADM系統(tǒng)，到第3代集成了穿通層、上下路層及光通道格柵的可重構(gòu)性為一體的PXC（Photonic CrossConnect System）系統(tǒng)，其靈活度越來越高，實現(xiàn)了光通道層的任意到任意的交叉調(diào)度。

ROADM以其靈活調(diào)度、交換容量大、時延低、功耗低等特點越來越受到運營商和企業(yè)客戶的青睞；彈性柵格ROADM是邁向100G+和超級通道的必要條件，而控制平面及SDN的引入讓ROADM網(wǎng)更加健壯，管理更加靈活，更易于實現(xiàn)多廠商互操作，讓解耦型的OPEN ROADM成為可能。ROADM技術(shù)在歐美運營商及企業(yè)客戶中已經(jīng)成熟商用多年，近幾年國內(nèi)運營商開始進(jìn)行ROADM的現(xiàn)網(wǎng)實驗和商用部署。

1 ROADM的可重構(gòu)性的發(fā)展

1.1 第1代ROADM 2維度可重構(gòu)架構(gòu)

2001開始首次實現(xiàn)商業(yè)化的ROADM 技術(shù)是波長阻斷器（WB）技術(shù)，其工作原理如圖1所示，通過分光器把所有波長信號都按功率分為2束，一束經(jīng)過WB 模塊，另一束則傳到下行濾波器，將選定的信號在本地下路，實現(xiàn)波長選收。技術(shù)已經(jīng)很成熟，在上/下路波長數(shù)目不多時，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、模塊化程度高等優(yōu)點。

圖1 基于WB技術(shù)的ROADM架構(gòu)

2003 年前后，出現(xiàn)了基于平面光波導(dǎo)回路（PLC） 技術(shù)，通過集成波導(dǎo)技術(shù)，將解復(fù)用器（通常是AWG）、1×2 或2×2 光開關(guān)、VOA、分光器及復(fù)用器等集成在一塊芯片上，提高了ROADM 的集成度，降低了系統(tǒng)成本。其功能如圖2所示。

圖2 基于PLC技術(shù)的ROADM架構(gòu)示意圖

2個維度的ROADM，適用于簡單的鏈狀或環(huán)狀組網(wǎng)，技術(shù)特點為：從一個方向光纖來的多波長信號首先通過分光器分成直通和下路兩部分，直通部分經(jīng)解波去掉下路波長后與上路多波長合波輸出。本地可方便地重構(gòu)上/下路波長，從而避免O/E/O 的轉(zhuǎn)換，節(jié)省相關(guān)費用。這也有助于減少時延，提供透明的比特率，有利于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、管理和維護(hù)。

1.2 第2代ROADM 多維度可重構(gòu)架構(gòu)

2個維度以上互連的ROADM架構(gòu)能夠完成2個以上方向或自由度互連，可以滿足組多個環(huán)網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)的需求，核心器件是波長選擇開關(guān)（WSS——wavelength Selective Switch）。WSS 最大的特點是每個波長都可以被獨立地交換。多端口的WSS 模塊能獨立地將任意波長分配到任意路徑，因此基于WSS 技術(shù)的ROADM具有多個自由度，可實現(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

如圖3所示，主流WSS采用衍射光柵或AWG進(jìn)行濾波，然后通過MEMS控制微反射鏡進(jìn)行波長交換。典型維度數(shù)為4~9個維度，架構(gòu)可以分為B&S （Broadcast and Select）和R&S （Route and Select）。廠商根據(jù)市場需求開始加入上下路層的可重構(gòu)技術(shù)，如Colorless、Directionless 或Colorless + Directionless。

圖3 基于MEMS的WSS架構(gòu)示意圖

2個維度以上的ROADM架構(gòu)，采用了多端口WSS模塊，加上后期引入的無色無向功能，已經(jīng)可以實現(xiàn)很高的光層彈性，將任意波長指配到任意路徑，從而實現(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

1.3 第3代ROADM 多維度、彈性柵格、上下路可重構(gòu)光交叉架構(gòu)

第3代ROADM集穿通層、上下路層及光通道格柵的可重構(gòu)性為一體，稱為新一代的PXC系統(tǒng)（Photonic CrossConnect System）。如圖4所示，主流WSS采用硅基液晶（LCOS）技術(shù)，實現(xiàn)彈性柵格（flexi-grid）功能，支持可變channel寬度以及超級通道。目前商用的維度為4~20維。

圖4 基于LCOS技術(shù)的WSS工作原理

彈性柵格是第3代ROADM的一個重要技術(shù)。在傳統(tǒng)DWDM技術(shù)中，各種的分合波器件，如Mux、Demux、ROADM等都是基于固定的帶寬柵格定義，如50/100 GHz。而在可變帶寬光網(wǎng)絡(luò)中，為了支持新型高速和超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，系統(tǒng)根據(jù)各信號需要的頻譜分配不同的帶寬。因此在可變帶寬光網(wǎng)絡(luò)中，所有的分合波器件需要能夠進(jìn)行動態(tài)帶寬分配，其中可以進(jìn)行動態(tài)波長上下和帶寬分配的新型ROADM顯得尤為重要，因為目前就靈活柵格涉及使能技術(shù)而言，商用器件中僅可變帶寬ROADM相對成熟。

如圖5所示，傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)使用固定的50/100 GHz柵格，中心頻率和通道寬度都是確定的，即使只有不到25 GHz寬度的10G/40G波道，也需要占用50 GHz的光譜，而且無法支持多個載波的超級通道。引入了彈性柵格技術(shù)后，通過對不同速率的通道定義不同的中心頻率和通道寬度，可以大大提高光譜效率和傳送容量，還可以利用超級通道更低的濾波代價來提升傳送距離。

圖5 彈性柵格帶來的頻譜效率的提升

在上下路層，采用C-AD、CD-AD或CDC-AD實現(xiàn)其可重構(gòu)性。其中CDC-AD采用多級開關(guān)（Multi-Cast Switch）。上下路也需要支持彈性柵格，以保障端到端的柵格重構(gòu)性（見圖6）。

圖6 C-AD、CD-AD、CDC-AD上下路架構(gòu)

相干濾波技術(shù)的采用讓ROADM上下路不再需要堆疊很多的WSS來進(jìn)行濾波，其架構(gòu)變得簡單、經(jīng)濟(jì)，也為現(xiàn)網(wǎng)部署提供了有利條件。

2 ROADM應(yīng)用的優(yōu)勢和限制

2.1 ROADM應(yīng)用的優(yōu)勢

ROADM作為可以在光層靈活調(diào)度的波分復(fù)用系統(tǒng)，其應(yīng)用的優(yōu)勢包括：

a） 靈活調(diào)度，交換容量大，任意波長可以從任一方向交換到任一方向。

b） 時延低，盡可能減少電層處理時間。

c） 功耗低，目前平均一個維度光交叉帶來的功耗約為50 W，將來會進(jìn)一步降低。

d） 空間占用少，WSS等光器件不斷向小型化低功耗方向發(fā)展。

e） 靈活光柵WSS，支持100G+和超級通道。

f） GMPLS 控制平面，提升網(wǎng)絡(luò)彈性和生存能力。

2.2 ROADM應(yīng)用的限制

受限于光傳送的特性和ROADM的架構(gòu)，ROADM的應(yīng)用目前還有一些限制：

a） 靈活度只到光通道層面，無法實現(xiàn)更小顆粒業(yè)務(wù)的aggregation和grooming。

b） 需考慮光損傷、性能感知，否則可能路由可達(dá)，但性能不可達(dá)。

2.3 ROADM部署的時機(jī)

具體選擇何種架構(gòu)方案，需要基于各方面因素進(jìn)行綜合考慮。ROADM應(yīng)用的優(yōu)勢和限制特征鮮明，是否采用主要取決于應(yīng)用場景和成本因素。從網(wǎng)絡(luò)的特征及發(fā)展趨勢來看，目前是ROADM部署的很好時機(jī)。

a） 帶寬需求增長，受限功耗和體積，電交叉容量無法無限制增加。

b） 業(yè)務(wù)顆粒變大，一干二干甚至城域的調(diào)度顆粒從10G為主逐漸演變成100G為主，業(yè)務(wù)匯聚和梳理的需求變?nèi)酢?/p>

c） 時延要求提高，用戶端業(yè)務(wù)對實時性要求越來越高。

d） 對網(wǎng)絡(luò)彈性和生存能力要求更高。

e） WSS器件footprint和成本大幅減低。

f） 光性能感知技術(shù)的實現(xiàn)，解決了ROADM的相關(guān)技術(shù)瓶頸。

g） SDN讓ROADM更智能，更高效。

h） 能耗和空間越來越成為工程建設(shè)的瓶頸。

3 ROADM的未來發(fā)展趨勢

隨著越來越多的ROADM網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用，市場對ROADM技術(shù)提出了新的要求。

3.1 WSS器件發(fā)展趨勢

新的架構(gòu)和需求要求WSS性能提升，端口數(shù)量增加，成本空間降低等，包括：

a） 提升器件性能，如減小插損，改善濾波形態(tài)降低濾波代價。

b） 提升WSS端口數(shù)量，滿足C-AD/CDC-AD對WSS端口的高消耗。

c） 集成的N×M CD-AD，提升集成度并降低成本。

d） 降低WSS單體成本。

e） 降低footprint。

3.2 光性能感知

在光層性能方面，需考慮光損傷、性能感知，否則可能路由可達(dá)，但性能不可達(dá)。需要離線或在線的規(guī)劃軟件對光性能進(jìn)行驗證，保證端到端的性能可達(dá)。

目前對光性能感知的實現(xiàn)主要有3種方式。

a） 第1種是用離線的規(guī)劃軟件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)目前的相關(guān)狀態(tài)，比如光纜類型/長度/衰耗、CD、PMD等，靜態(tài)地計算路徑的光性能有效性，如果性能OK則將對應(yīng)的連接建立，否則不予建立連接，需要另外找別的路徑。這種方式適用于靜態(tài)路徑和時效性要求不高的場景。

b） 第2種是用離線的規(guī)劃軟件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)目前的相關(guān)狀態(tài)，比如光纜類型/長度/衰耗、CD、PMD等，靜態(tài)地計算OMS link的光性能，將其等價為一定數(shù)值來表征其性能代價，網(wǎng)管或控制平面可以通過計算經(jīng)過OMS的代價值來判斷光性能是否可達(dá)。這種方式可以應(yīng)用在靜態(tài)路徑或動態(tài)重路由的場景，限制是性能代價值不是實時的，不能精確反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

c） 第3種則是將規(guī)劃引擎植入到網(wǎng)管或SDN控制器里，實現(xiàn)動態(tài)路由計算后的實時光性能驗證。這種方案是最準(zhǔn)確實時的，但是對規(guī)劃引擎的算法及相關(guān)主機(jī)硬件性能提出很高的要求。

3.3 Open ROADM

從IT行業(yè)的硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用的分離，到最近的數(shù)據(jù)中心的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)的分離，解耦的趨勢正向更廣范圍的通信設(shè)備市場擴(kuò)展。其影響逐漸SDN化，將控制平面和傳送平面解耦，其影響逐漸NFV化，將硬件和軟件功能解耦。具體到ROADM，解耦以O(shè)pen ROADM的概念呈現(xiàn)。

目前，ROADM架構(gòu)是基于廠商私有軟件控制的封閉系統(tǒng)，由廠商私有軟件來規(guī)劃、管理和維護(hù)�？蛻裘看芜x定了某個廠商的新的ROADM平臺，就意味著需對廠商私有的硬件和軟件進(jìn)行測試，然后將其整合到網(wǎng)絡(luò)中，整合周期很長，大大降低了競爭和創(chuàng)新速度。Open ROADM項目的目標(biāo)就是通過開放和解耦，引入更多的競爭和更快的創(chuàng)新，結(jié)合硬件的彈性和軟件控制，來解決當(dāng)前傳統(tǒng)ROADM系統(tǒng)的不足。

Open ROADM用解耦的方式，將ROADM根據(jù)功能模塊進(jìn)行拆解，而不同的功能模塊可以有不同的廠商來提供，各廠商提供的不同功能模塊提供開放接口，可以由SDN控制器/編排器來統(tǒng)一調(diào)度。其功能架構(gòu)如圖7所示。

圖7 Open ROADM的解耦架構(gòu)

Open ROADM的核心概念和價值，首先是開放的硬件，支持NetConf／YANG API、Open ROADM多源協(xié)議（MSA），將網(wǎng)絡(luò)和功能解耦，實現(xiàn)多廠商互通；其次是軟件控制，通過SDN控制器的智能，實現(xiàn)帶寬的自動檢測和調(diào)整、故障的偵測和自動恢復(fù)，以及對光性能的感知，實時準(zhǔn)確地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

Open ROADM的技術(shù)規(guī)格主要由OPEN ROADM MSA來定義，目前聚焦在metro部分，定義了ROADM交換，波長轉(zhuǎn)換器和可插拔光器件的規(guī)格，包括光層互操作性和數(shù)據(jù)模型。不過從應(yīng)用的角度，Open ROADM MSA正在研究對更長傳送距離（1 000 km）和彈性柵格的支持，以滿足更多的應(yīng)用場景。

4 總結(jié)

隨著新業(yè)務(wù)需求的快速發(fā)展，尤其視頻業(yè)務(wù)的高速增長，加上5G、IOT和OTT等新應(yīng)用對帶寬的高消耗，傳送網(wǎng)需求呈現(xiàn)大顆粒、大容量、低時延等特點。受限于體積和功耗要求，電交叉容量無法無限制增長，而點對點DWDM方案又缺乏管理和調(diào)度的彈性，而能耗和空間越來越成為工程建設(shè)的瓶頸。ROADM架構(gòu)經(jīng)過二維ROADM、多維ROADM到集成了穿通層、上下路及柵格可重構(gòu)的PXC系統(tǒng)的演進(jìn)，已經(jīng)成為非常適合傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。WSS器件的集成度的提升以及相干技術(shù)的應(yīng)用讓ROADM架構(gòu)變得更加簡單高效，成本大幅降低，也為ROADM部署提供了有利條件。

另外，ROADM技術(shù)仍在不斷地發(fā)展和完善，比如器件的功能和性能的提升、光性能感知技術(shù)以及Open ROADM的發(fā)展，會讓ROADM架構(gòu)變得更加高效、智能和開放，提升了競爭和創(chuàng)新速度，讓產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳城. 基于WSS的可變帶寬ROADM研究［J］. 信息技術(shù)，2016（10）：138-140.

［2］ 葉胤，袁海濤，江樹臻. ROADM和OTN技術(shù)在干線傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究［J］. 電信技術(shù)，2016（11）：34-38.

［3］ 何軍委，王可為，陳秀錦. 基于ROADM技術(shù)的省干傳送網(wǎng)組網(wǎng)策略研究［J］. 電信技術(shù)，2017（7）：27-29.

［4］ 曹仰忠. ROADM技術(shù)在本地傳送網(wǎng)中應(yīng)用探討［J］. 信息通信，2017（6）：231-232.

［5］ 時明，成亮，程志良. ROADM技術(shù)在本地多核心系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］. 郵電設(shè)計技術(shù)，2017（11）：46-50.

［6］ 王東鵬. 下一代ROADM節(jié)點結(jié)構(gòu)及其光網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化設(shè)計研究［D］. 南京：東南大學(xué)，2016.

作者：呂洪濤 肖家賓 臧志宏 來源：《郵電設(shè)計技術(shù)》2018年4月