ROADM可重構(gòu)性的發(fā)展以及應(yīng)用

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(guó)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(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá)100萬(wàn)小時(shí)的半導(dǎo)體激光器，從而有了真正實(shí)用的激光器。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)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?jí)的增長(zhǎng)，帶動(dòng)了通信產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者對(duì)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(lái)越高，實(shí)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(shí)延低、功耗低等特點(diǎn)越來(lái)越受到運(yùn)營(yíng)商和企業(yè)客戶的青睞；彈性柵格ROADM是邁向100G+和超級(jí)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(shí)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(yùn)營(yíng)商及企業(yè)客戶中已經(jīng)成熟商用多年，近幾年國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始進(jìn)行ROADM的現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(kāi)始首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的ROADM 技術(shù)是波長(zhǎng)阻斷器（WB）技術(shù)，其工作原理如圖1所示，通過(guò)分光器把所有波長(zhǎng)信號(hào)都按功率分為2束，一束經(jīng)過(guò)WB 模塊，另一束則傳到下行濾波器，將選定的信號(hào)在本地下路，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選收。技術(shù)已經(jīng)很成熟，在上/下路波長(zhǎng)數(shù)目不多時(shí)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

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(guò)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(kāi)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(gè)維度的ROADM，適用于簡(jiǎn)單的鏈狀或環(huán)狀組網(wǎng)，技術(shù)特點(diǎn)為：從一個(gè)方向光纖來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)首先通過(guò)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(zhǎng)后與上路多波長(zhǎng)合波輸出。本地可方便地重構(gòu)上/下路波長(zhǎng)，從而避免O/E/O 的轉(zhuǎn)換，節(jié)省相關(guān)費(fèi)用。這也有助于減少時(shí)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(gè)維度以上互連的ROADM架構(gòu)能夠完成2個(gè)以上方向或自由度互連，可以滿足組多個(gè)環(huán)網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)的需求，核心器件是波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS——wavelength Selective Switch）。WSS 最大的特點(diǎn)是每個(gè)波長(zhǎng)都可以被獨(dú)立地交換。多端口的WSS 模塊能獨(dú)立地將任意波長(zhǎng)分配到任意路徑，因此基于WSS 技術(shù)的ROADM具有多個(gè)自由度，可實(shí)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(guò)MEMS控制微反射鏡進(jìn)行波長(zhǎng)交換。典型維度數(shù)為4~9個(gè)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(chǎng)需求開(kāi)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(gè)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(wú)色無(wú)向功能，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)很高的光層彈性，將任意波長(zhǎng)指配到任意路徑，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)彈性柵格（flexi-grid）功能，支持可變channel寬度以及超級(jí)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(gè)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(hào)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(dòng)態(tài)帶寬分配，其中可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)上下和帶寬分配的新型ROADM顯得尤為重要，因?yàn)槟壳熬挽`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(duì)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(wú)法支持多個(gè)載波的超級(jí)通道。引入了彈性柵格技術(shù)后，通過(guò)對(duì)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(jí)通道更低的濾波代價(jià)來(lái)提升傳送距離。

圖5 彈性柵格帶來(lái)的頻譜效率的提升

在上下路層，采用C-AD、CD-AD或CDC-AD實(shí)現(xiàn)其可重構(gòu)性。其中CDC-AD采用多級(jí)開(kāi)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(jiàn)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(lái)進(jìn)行濾波，其架構(gòu)變得簡(jiǎn)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(shì)和限制

2.1 ROADM應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

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(shì)包括：

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

b） 時(shí)延低，盡可能減少電層處理時(shí)間。

c） 功耗低，目前平均一個(gè)維度光交叉帶來(lái)的功耗約為50 W，將來(lái)會(huì)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(jí)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(wú)法實(shí)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(shí)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(shì)和限制特征鮮明，是否采用主要取決于應(yīng)用場(chǎng)景和成本因素。從網(wǎng)絡(luò)的特征及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，目前是ROADM部署的很好時(shí)機(jī)。

a） 帶寬需求增長(zhǎng)，受限功耗和體積，電交叉容量無(wú)法無(wú)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(shí)延要求提高，用戶端業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高。

d） 對(duì)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(shí)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(lái)越成為工程建設(shè)的瓶頸。

3 ROADM的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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

3.1 WSS器件發(fā)展趨勢(shì)

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(jià)。

b） 提升WSS端口數(shù)量，滿足C-AD/CDC-AD對(duì)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(duì)光性能進(jìn)行驗(yàn)證，保證端到端的性能可達(dá)。

目前對(duì)光性能感知的實(shí)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(zhǎng)度/衰耗、CD、PMD等，靜態(tài)地計(jì)算路徑的光性能有效性，如果性能OK則將對(duì)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(shí)效性要求不高的場(chǎng)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(zhǎng)度/衰耗、CD、PMD等，靜態(tài)地計(jì)算OMS link的光性能，將其等價(jià)為一定數(shù)值來(lái)表征其性能代價(jià)，網(wǎng)管或控制平面可以通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)OMS的代價(jià)值來(lái)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(dòng)態(tài)重路由的場(chǎng)景，限制是性能代價(jià)值不是實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由計(jì)算后的實(shí)時(shí)光性能驗(yàn)證。這種方案是最準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的，但是對(duì)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(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的分離，解耦的趨勢(shì)正向更廣范圍的通信設(shè)備市場(chǎng)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(lái)規(guī)劃、管理和維護(hù)。客戶每次選定了某個(gè)廠商的新的ROADM平臺(tái)，就意味著需對(duì)廠商私有的硬件和軟件進(jìn)行測(cè)試，然后將其整合到網(wǎng)絡(luò)中，整合周期很長(zhǎng)，大大降低了競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新速度。Open ROADM項(xiàng)目的目標(biāo)就是通過(guò)開(kāi)放和解耦，引入更多的競(jìng)爭(zhēng)和更快的創(chuàng)新，結(jié)合硬件的彈性和軟件控制，來(lái)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(lái)提供，各廠商提供的不同功能模塊提供開(kāi)放接口，可以由SDN控制器/編排器來(lái)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(jià)值，首先是開(kāi)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(shí)現(xiàn)多廠商互通；其次是軟件控制，通過(guò)SDN控制器的智能，實(shí)現(xiàn)帶寬的自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整、故障的偵測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)，以及對(duì)光性能的感知，實(shí)時(shí)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(lái)定義，目前聚焦在metro部分，定義了ROADM交換，波長(zhǎng)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(guò)從應(yīng)用的角度，Open ROADM MSA正在研究對(duì)更長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)，加上5G、IOT和OTT等新應(yīng)用對(duì)帶寬的高消耗，傳送網(wǎng)需求呈現(xiàn)大顆粒、大容量、低時(shí)延等特點(diǎn)。受限于體積和功耗要求，電交叉容量無(wú)法無(wú)限制增長(zhǎng)，而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)DWDM方案又缺乏管理和調(diào)度的彈性，而能耗和空間越來(lái)越成為工程建設(shè)的瓶頸。ROADM架構(gòu)經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(huì)讓ROADM架構(gòu)變得更加高效、智能和開(kāi)放，提升了競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新速度，讓產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。