關(guān)于WSS 的工作原理

如今我們所處的時代，是流量爆炸性增長的時代。4K/8K、VR/AR 輪番上陣，5G、WiFi-6 加速普及，對整個通信承載網(wǎng)絡(luò)，帶來了巨大的帶寬壓力。

想要應(yīng)對這樣的壓力，目前看來只有一個辦法，那就是將整個網(wǎng)絡(luò)全面光纖化，建設(shè)大一統(tǒng)的全光網(wǎng)絡(luò)。

全光網(wǎng)絡(luò)，也稱全光網(wǎng)，英文名是 All-Optical Network，AON。這是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換過程全部通過光纖實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，中間不需要進行光信號和電信號的轉(zhuǎn)換。

打個比方：

傳統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)，也就是銅線網(wǎng)線連接的網(wǎng)絡(luò)，我們可以把它看成公共汽車交通網(wǎng)，存在時間長，分布廣泛。

而光網(wǎng)絡(luò)，采用的是光纖傳輸，速率更快，帶寬更高。我們可以把它看成地鐵交通網(wǎng)。

所謂“全光網(wǎng)”，就是把整個公交系統(tǒng)，全部替換成地鐵。

怎么樣？是不是看上去超贊？

然鵝，這么一個宏大的工程，是不可能在短期內(nèi)完成的。

按行業(yè)大佬們的規(guī)劃，全光網(wǎng)的演進過程分為三個階段：第一階段，骨干和傳輸光纖化；第二階段，接入網(wǎng)光纖化；第三階段，傳輸節(jié)點引入光交換，即引入 ROADM 和 OXC。

哎喲，本文的主角——ROADM，出現(xiàn)了嘛。別急，先晾在這，我們繼續(xù)往下說。

第一階段的骨干和傳輸光纖化，很容易理解，就是把網(wǎng)絡(luò)骨干線路的路由器、交換機全部換成光通信設(shè)備，引入 WDM（波分復用）/OTN（光傳送網(wǎng)），把銅纜網(wǎng)線全部換成光纖。

第二階段的接入網(wǎng)光纖化，更簡單，就是使用 PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)，把家里的 ADSL 網(wǎng)線（電話線）上網(wǎng)，全部換成光纖寬帶接入。這也就是我們常說的 FTTx（例如 FTTH，F(xiàn)iber To The Home，光纖入戶），也稱接入網(wǎng)的“光進銅退”。

第三階段，傳輸節(jié)點引入光交換（ROADM 和 OXC）。這一階段很容易被人忽視，但是重要性不亞于前兩個階段。它是我們今天文章討論的重點。

大家應(yīng)該知道，光纖通信有一個很重要的特點，就是——“一站到底”。

光纖作為一根“玻璃管道”，里面?zhèn)鬏數(shù)氖枪庑盘?，很難附加信號和提取信號。一條光線路，通常只能從起點站上車，到終點站才能下車。

光纖的特點：“一站到底”

相比之下，銅線網(wǎng)線里傳輸?shù)氖请娦盘?，電信號的“上下車”要方便得多?/p>

電信號的特點：容易交換，容易“上下車”

為了能容納更多“乘客”，光纖通信引入了 WDM 波分復用技術(shù)，將不同波長的光，塞在一根光纖里，然后進行傳輸。

WDM，Wavelength Division Multiplexing

WDM 是最常見的光層組網(wǎng)技術(shù)，但它本質(zhì)上仍然是一個點到點的線路系統(tǒng)。

那么問題來了，城市交通（通信網(wǎng)絡(luò)）是復雜的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，有很多的車站，如果地鐵只支持點到點的傳輸，那么中間車站的乘客怎么辦呢？下了地鐵再換乘公交嗎？

地鐵：速度快，但是站點死

公交：速度慢，但是站點靈活

如果采用“地鐵換乘公交”的方式，既增加了復雜度，也形成了速率和帶寬瓶頸。

于是，我們就會想到，可以建設(shè)更多的地鐵換乘站，讓乘客實現(xiàn)中間站點上下車，以及地鐵線路之間的無縫換乘。

所有站點改造成“地鐵換乘站”

而咱們今天要說的 ROADM 技術(shù)，就是“地鐵換乘站”的專有技術(shù)。

ROADM，可以念做“肉德姆”，英文全稱比較長，也比較燒腦，是 Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers，可重構(gòu)光分插復用器。

介紹 ROADM 之前，我們先看看 FOADM。FOADM 是 Fixed OADM，固定式光分叉復用器。它比 ROADM 更早出現(xiàn)，目的是一樣的，為了實現(xiàn)乘客的上車、下車。

FOADM 分為串型和并型。下圖是并型的簡單原理示意圖：

FOADM（并型）結(jié)構(gòu)示意圖

很容易看懂，首先使用 DEMUX（分波器）將所有波長解復用（拆分開），之后根據(jù)需要，將某些波長直接穿通，同時，將特定波長下路至本地（下車）。

要上路（上車）的特定波長，和其它波長一起，再次經(jīng)過 MUX（合波器）復用，然后開車去下一節(jié)點。

這種方式貌似簡單，但是有一個很要命的缺點，就是限制太死——哪些波可以下車，哪些波可以上車，都是固定死的，你沒有辦法動態(tài)修改。如果你硬要改，只能人工維護。

正因為如此，這種方式才被稱為固定式OADM。

FOADM 過于死板，維護復雜，無法滿足網(wǎng)絡(luò)靈活多變的需求，所以，取而代之的 ROADM 出現(xiàn)了。

ROADM 的特點是可重構(gòu)、可動態(tài)配置，可靈活調(diào)整。它大概出現(xiàn)于 2000 年左右，至今為止經(jīng)歷 20 年的發(fā)展。

最開始的階段，是 2001 年首次實現(xiàn)商業(yè)化的基于WB（Wavelength Blocker，波長阻斷器）技術(shù)的 ROADM。

WB 波長阻斷器，可以把指定的波長通道給“打掉”：

完整的 WB-ROADM 實現(xiàn)原理如下：

WB-ROADM

當 WDM 過來信號后，分光器會把波長信號分為 2 束，一束經(jīng)過 WB 模塊，一束則送到下行濾波器。下行濾波器將信號在本地下車，接收所需要的信號波長。

WB 把信號中已經(jīng)下車的波長“打掉”，然后匯合本地上車的波長，進行合路，然后再往下一站送。

2003 年左右，出現(xiàn)了基于平面光波導回路（Planar Lightwave Circuit，PLC）技術(shù)的 ROADM。

PLC 是一種基于硅工藝的集成電路。采用 PLC 的 ROADM，將解復用器、光開關(guān)、VOA（可變光衰器）、分光器及復用器等集成在一塊芯片上，提高了集成度，降低了系統(tǒng)成本。

PLC-ROADM，就是統(tǒng)統(tǒng)打包

再到后來，WSS 出現(xiàn)了，ROADM 進入了一個新的階段。

WSS，就是波長選擇開關(guān)（Wavelength Selective Switch）。它的端口結(jié)構(gòu)為 1×K（1 進 K 出），擁有一個輸入端口和 K 個輸出端口。WSS 采用光開關(guān)陣列，可以將波長信號分插到任意通道進行傳輸。

WSS 波長選擇開關(guān)

也就是說，基于 WSS，可以實現(xiàn)端口的任意指配，具有很高的自由度。

WSS 波長選擇開關(guān)

具體來看 WSS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：光波通過準直透鏡輸入后，采用衍射光柵或 AWG（Arrayed Waveguide Grating，陣列波導光柵）進行濾波，把不同波長的光波給分拆出來，然后各個波長的光送到光開關(guān)。光開關(guān)根據(jù)需要，把指定的光折返到指定的方向，把不要的光給干掉，就實現(xiàn)了對波長的選擇。

WSS 的工作原理

大家應(yīng)該看出來了，WSS 的核心關(guān)鍵，就在于光開關(guān)方案。

目前主流的 WSS 光開關(guān)方案有三種，分別是 MEMS、LC 和 LCoS。

限于篇幅，三種方案的具體原理就不做詳細解釋了。網(wǎng)上的資料比較多，搜一下就有。

三種方案中，LCoS（硅基液晶）方案屬于第三代 ROADM 技術(shù)，它和另外兩種方案最大的區(qū)別在于，它原生支持靈活柵格（Flexi-Grid）功能，支持可變 channel 寬度以及超級通道。（LC WSS 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計之后也能支持靈活帶寬功能，而 MEMS WSS 則不支持該功能。）

這是什么意思呢？

前面我們說過了，由于 WSS 的出現(xiàn)，使得 ROADM 有了更高的自由度。它可以從之前的一進一出的兩維，變成多進多出的多維。

四維 ROADM

也就是說，我們的換乘站，變成了中轉(zhuǎn)換乘站，可以去不同的方向。

對于 ROADM 這個中轉(zhuǎn)換乘站，運營商對中轉(zhuǎn)換乘能力（光網(wǎng)絡(luò)交叉能力）提出了更高的要求。這些要求歸納起來，就是四個字母——C、D、C、F，也就是：

Colorless（波長無關(guān)）

Directionless（方向無關(guān)）

Contentionless（競爭無關(guān)）

Flexi-Grid（波道間隔可調(diào)）

我們一個一個來說。

首先是 Colorless（波長無關(guān)）。

波長無關(guān)也稱為“無色”，是指任何波長通道都可以從任何端口進行上下路。

簡單來說，以前這個站只能上班族上下車，現(xiàn)在變成了學生、老人、兒童、軍人等所有人都可以上下車。

然后是 Directionless（方向無關(guān)）。

這個也很好理解，是指任何本地業(yè)務(wù)可以配置為發(fā)送到任何方向，或者任何方向的業(yè)務(wù)都可以配置到本地下路。

簡單來說，以前這個站上車只能去中山陵，現(xiàn)在可以去夫子廟、總統(tǒng)府、老門東等所有方向。所有方向來的乘客，也都可以在這下車。

再就是 Contentionless（競爭無關(guān)）。

這也稱為“無沖突”。它是指支持同樣波長的多個業(yè)務(wù)在同一個本地節(jié)點上下路。

簡單來說，就是來自不同方向的同一類乘客，都可以在這個站下車?；蛘撸肴ゲ煌较虻耐活惓丝?，都可以在這個站上車。

注①：看紅色的線，相同波長的波可以同時上車、下車

最后一個，就是前面我們提到的靈活柵格（Flexi-Grid），也稱為 Gridless，意思是波道間隔任意可調(diào)。這是一種提高頻譜效率的新技術(shù)，隨著高速大容量 WDM 技術(shù)發(fā)展過程而出現(xiàn)。

在傳統(tǒng) DWDM 技術(shù)中，各種的分合波器件都是基于固定的帶寬柵格定義，例如 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。這就是靈活柵格（Flexi-Grid）。

支持靈活柵格的 ROADM，就是支持動態(tài)波長上下和帶寬分配。

基于以上 4 個字母：

方向無關(guān)、波長相關(guān)，叫 D-ROADM ；

方向無關(guān)、波長無關(guān)，叫 CD-ROADM ；

方向無關(guān)，波長無關(guān)，競爭無關(guān)，叫 CDC-ROADM ；

方向無關(guān)，波長無關(guān)，競爭無關(guān)，靈活柵格，叫 CDC-F ROADM 。

Are you clear？

除了功能強大之外，ROADM 還有一個巨大的優(yōu)勢，那就是管理運維方便。

前面我們就有提到，ROADM 的波長信號和通道配置，都是可以通過網(wǎng)管軟件遠程進行操作的，降低了運維難度，縮短了部署周期，也節(jié)約了人力成本，提高了網(wǎng)絡(luò)管理效率。

此外，基于 ROADM 的網(wǎng)絡(luò)交通管理功能，大家應(yīng)該很容易會想到，我們現(xiàn)在非常流行的 SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，其實是可以與 ROADM 進行結(jié)合的。

現(xiàn)在有行業(yè)企業(yè)發(fā)起成立的Open ROADM，干的就是這個事。

他們計劃把 ROADM 按功能模塊進行拆分，然后將廠商私有的 ROADM 軟硬件進行解耦，利用 SDN 控制器來進行統(tǒng)一調(diào)度。

SDN+ROADM

最后，我再總結(jié)一下。

ROADM 技術(shù)作為一項重要的“中轉(zhuǎn)換乘站”技術(shù)，可以幫助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電節(jié)點到光節(jié)點的全面升級，突破網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量瓶頸，實現(xiàn)全光自動調(diào)度。

ROADM 自身也還處于不斷發(fā)展的階段。ROADM 的器件性能還有待進一步提升，成本也有很大的下降空間。ROADM 的產(chǎn)業(yè)鏈，還需要持續(xù)推動向前發(fā)展。

隨著 ROADM 不斷走向高效、智能、開放，我們最終將會迎來真正的終極版“全光網(wǎng)”時代。
責任編輯:pj