[摘要] 對可重構光分插入復用器（ ROADM）設備在中國運營商網絡中的應用提出組網方案：在城域/本地傳送網中，ROADM采用層次化組網，提高設備方向數和CDC（波長無關、方向無關、競爭無關）能力，通過匯聚層設備分攤壓力的方式減輕對核心層設備的維度要求；在骨干傳送網中，ROADM設備組網根據情況，可采用局部ROADM子網與點到點波分復用（WDM）系統相結合、區域ROADM子網、全網ROADM組網等3種組網結構，為客戶直接提供靈活的波道出租業務，為IP網波道提供靈活、低成本的動態恢復能力，在故障條件下為維護部門提供靈活的波道調度能力。

　　[關鍵詞] 波分復用；光復用器" title="可重構光復用器">可重構光復用器；光復用器；光交叉連接；波長選擇光開關；光傳送網

　　近年來電信業最顯著的發展趨勢是以語音為代表的傳統電信業務的下降和以網絡電視（IPTV）、OTT、三重播放、云計算、物聯網等為代表的新型電信業務的興起。這種變化對電信網絡的影響可以歸納為如下幾點：

　　（1）寬帶化。近年來網絡帶寬持續以超摩爾定律速度高速增長。

　　（2）分組化。IP 分組技術已經取代時分復用（TDM）技術成為電信網絡新的架構和技術核心。

　　（3）動態化。快速響應業務的高度靈活性和不可預測性。

　　（4）低成本。業務收入的增長速度與帶寬流量增長速度的剪刀差引發降低網絡成本的壓力。

　　隨著光纖波分復用（WDM）技術的成熟和單波速率的持續提高，單純網絡帶寬從技術上已經沒有了" 瓶頸"，但是帶寬的管理成為新的" 瓶頸"所在：一方面波長通道數量的急劇增長引發網絡運維部門提出針對波長的維護管理和調度等需求；另一方面隨著電信業務的寬帶化發展，其顆粒度也將不斷提升，波長顆粒出租電路已經成為了一種新興業務模式，凸顯了對基于波長的調度、管理、保護恢復等方面的功能和性能要求。

　　在上述背景下，可重構光分插入復用器（ROADM）設備應運而生并取得了長足的進步。據OVUM 統計，北美地區銷售的WDM 設備（不含OA）35% 以上采用了ROADM。但是在中國，ROADM 尚不夠普及。

　　1 ROADM 設備和技術

　　ROADM 設備的全稱翻譯是可重構光分插入復用器。顧名思義，其定義是光波分復用（WDM）系統中的一種具備在波長層面遠程控制光信號分插復用狀態能力的設備形態[1]。早在2000 年前后，全球對基于波長的光層上下路和調度設備進行了深入研究，中國"863"計劃還專項資助了光交叉連接（OXC）和光分插復用（OADM）設備和關鍵技術的研究，研制樣機并形成了一系列科研成果[2-4]。

　　ROADM 設備從名稱上很容易被理解為OADM 設備增加了可重構特性，但實際上目前ROADM 設備不僅具OADM 設備的全部功能，還兼備了OXC 設備的部分功能。具體來講，ROADM 設備支持波長通道上下路狀態的靈活配置，多維ROADM 設備還支持波長通道在各個維度（方向）之間靈活調度。相對于電信網絡應用的其他交換或交叉連接技術相比，ROADM 提供的波長層面最大的優勢是低成本、高效率，圖1 給出了各層網絡交換技術的成本對比關系。

圖1 各層網絡交換技術成本比較

 　　ROADM 設備發展過程中出現了多種技術方案，其中比較有代表性的是波長阻隔器（WB）、平面波導（PLC）和波長選擇光開關（WSS）等3種方案，其中WSS 憑借其光學性能和可擴展性，已成為主流商用方案。

　　ROADM 設備的局限性也很明顯，主要有如下幾點：

　　（1）波長連續性限制。由于沒有商用的全光再生技術，光通道在ROADM 網絡中必須保持波長一致，除非中間節點采用光電光（OEO）再生方式進行波長轉換。

　　（2）波長唯一性限制。無論支持多少方向，對于某個特定波長，每個方向只能容納來自一個方向（含本地）的該波長信號，否則需要進行波長轉換。

　　（3）傳輸距離和物理損耗限制。ROADM 的低成本優勢來源于在波長層面的全光調度，光信噪比（OSNR）、色散、偏振模色散（PMD）、非線性等各種物理損耗因素會逐漸累積，影響信號的傳輸距離。這種距離和物理限制在骨干傳送網中尤其突出。波長和物理限制是ROADM 光網絡規劃設計、電路調度復雜性的重要因素。

　　（4）上下路端口靈活性受限。普通ROADM 設備上下路波道的波長、端口和方向均不具備靈活性，目前業界已經出現不同程度解決該限制的新型ROADM 設備，即所謂CDC（波長無關、方向無關、競爭無關）ROADM。

　　（5）調度顆粒的唯一性和粗放性。ROADM 設備調度的基本顆粒是波長，一方面精細度不夠，無法實現更低維度的業務調度，一般采用結合ROADM 技術和光傳送網（OTN）電交叉技術的光電混合交叉設備，以彌補精細度的局限；另一方面為了適應未來光通道顆粒的靈活性，ROADM 設備已經開始支持靈活格柵（Flexi-Grid），即光通道的譜寬靈活可變（目前ITU-T 定義的Flexi-Grid 粒度為12.5 GHz）。

　　與SDH、OTN 電層組網一樣，ROADM 光層組網同樣可以增強智能控制平面功能。目前該領域的標準化工作在IETF 通用控制和管理平面（CCAMP）工作組進行[5]。CCAMP 將此類網絡命名為波長交換光網絡（WSON），主要通過對通用多協議標簽交換（GMPLS）協議的擴展完成WSON 的路由、信令等控制平面功能。此外，ITU-T SG15 Q6 在WSON 物理限制因素方面也推進了一部分標準化工作[6]。WSON 控制平面標準化工作進展比較緩慢，特別是物理損耗約束條件的一直無法找到合適的解決方案，成為主要"瓶頸"因素。

　　2 ROADM 設備的發展

　　2.1 CDC ROADM

　　ROADM 設備上下路端口在靈活性方面受到限制，這種限制在二維ROADM 設備應用中還不夠突出，但是在多維ROADM 設備組網時將會極大影響光層調度功能的發揮，體現在業務上下路節點和光電光（OEO）再生節點需要大量的人工干預，無法實現真正的端到端配置。

　　目前業界將增強上下路端口靈活性的ROADM 設備統稱為CDCROADM，C、D、C 3 個字母分別是波長無關、方向無關和競爭無關3 個英文單字的首字母，即CDC ROADM 能夠提供的3 種靈活性。

 　　波長無關是最容易理解、也是最容易實現的一種靈活性。其實現需配置波長可調諧的上下路波長轉換器（OTU）板卡和上下路濾波器，其中最常見的可調諧濾波器就是WSS。目前常見WSS，可支持9 個波長無關上下路端口，同時也很容易通過級聯方式進行擴展。但是為了改善性能，傾向于采用一級WSS 實現上下路功能，目前商用WSS 器件的最大維度已經擴展到20～30 維，基本可滿足80波WDM 系統的上下路要求。在相干光通信時代，通過接收機本振光源的波長選擇，可以選定特定的接收信號，因此在上下路波長數目較少的情況下，可以通過簡單的分光器實現波長無關下路，降低設備成本，這是相干光通信帶來的意外驚喜。

　　方向無關是實現光層調度，特別是保護恢復的基本要求。端到端保護恢復的基本前提是上下路波道支持在多維ROADM 設備不同群路方向之間自動切換，否則還需要人工更換上下路端口，極大限制實用性。方向無關最常用的實現方式是通過分光器/耦合器使得多個方向共享上下路端口，如圖2 所示。

圖2 ROADM 設備方向無關、競爭無關上下路功能實現

　　競爭無關是伴隨方向無關而出現的一種新特性。目前商用ROADM設備通常采用擴展上下路端口的方式在方向無關基礎上實現一定程度的競爭無關，圖2 中每個群路方向采用超出方向數的大維度WSS，多余WSS 端口用于上下路；其中所有方向各一個WSS 上下路端口組成一個方向無關上下路端口組，在組內一個波長只能被一個方向使用；多個方向無關上下路端口組之間的波長可以復用，從而實現一定程度的方向無關。

　　綜上所述，CDC ROADM 擴展了ROADM 設備上下路端口的靈活性，有利于實現光波道靈活調度能力的開放，極大地提高了業務開放過程中的自動化程度和效率，降低了人工干預的強度，提高了可靠性。但是CDC ROADM 的實現需要增加大量新型光學器件，不僅帶來ROADM 設備成本的提高，而且也會增加光信號經過ROADM 節點的性能劣化。因此在現網應用中需要根據實際業務需要，選擇合理的設備形態。CDC ROADM設備的各種特性符合模塊化設計原則，也為其靈活選擇提供了條件。

　　2.2 靈活格柵ROADM

　　靈活格柵（Flexi-Grid）是在高速大容量WDM 技術發展過程中出現的一種提高頻譜效率的新技術，適用于波長速率、調制方式多樣化的WDM系統，而且具備靈活調整能力，是光網絡適應軟件定義網絡（SDN）演進的生動案例。ITU-T G.694.1 定義了基本顆粒為12.5 GHz 的靈活格柵[7]，領先元器件廠商也已推出可商用的支持靈活格柵的濾波器、WSS 等元器件，標志著靈活格柵在技術上已經具備了實用條件。

 　　靈活格柵技術給ROADM 設備和組網應用均帶來了新的挑戰：首先需要WSS 等關鍵元器件支持靈活格柵技術，這方面進展比較順利，領先器件廠商已經具備了一定的供貨能力；其次需要組網管理、控制平面等方面增加一系列新的屬性，包括信號譜寬、速率以及對功率、OSNR、色散、PMD 等物理參數的容限范圍等等。

　　靈活格柵技術在100 Gb/s 及以下速率的WDM 系統中應用需求尚不迫切，目前靈活格柵ROADM 設備還公開報道的商用案例。未來隨著單波400 Gb/s、1 Tb/s 超高速WDM 系統的發展，靈活格柵WDM 和ROADM 技術和設備可能獲得長足發展和應用。

　　3 ROADM 設備在城域/本地傳送網中的應用

　　本節主要探討ROADM 設備在城域/本地傳送網中的應用場景和相應的解決方案、設備形態。

　　近年來，城域/本地傳送網WDM系統建設模式從早期的環網逐漸向網格網（Mesh）演進。同時隨著業務的快速增長，WDM 系統和波道數量持續上升，對自動化的波道配置和業務提供能力的需求也越來越迫切。上述因素為ROADM 設備在城域網的應用提供了良好的外部條件。

　　大型城域/本地傳送網可以分成核心、匯聚和接入3 層，中小型網絡可能是兩層。總體來講，城域/本地ROADM 網絡的層次化結構是相當清晰的，如圖3 所示，A、B、C 分別代表網絡的核心層、匯聚層和接入層。

圖3 城域/本地ROADM 層次化組網

　　城域/本地ROADM 網絡的業務模式絕大多數都是匯聚型業務，即從接入/匯聚節點向核心節點集中；只有少數經濟發達地區存在少量非核心節點之間的直達業務，主要是一些政企客戶本地大帶寬組網帶來的出租電路。圖3 中，絕大多數業務都從B、C 節點向A 節點匯聚。這對核心ROADM 設備帶來的巨大的壓力：

　　（1）維度的壓力。由于早期城域環網建設的慣性思維和城域光纜的實際拓撲的限制，匯聚層節點通常傾向于與核心層節點直連，造成對核心ROADM 設備維度要求極高。

　　（2）上下路靈活性的壓力。為了發揮Mesh 組網帶來的多方向調度優勢，核心ROADM 設備通常需要一定的CDC 特性，特別是方向無關特性，同時核心ROADM 設備連接的方向數也很大，必須具備一定的競爭無關特性才能提高波道資源的利用率。匯聚層設備要求與核心層設備類似，但是維度要求較低。接入層設備一般采用二維ROADM 設備，以環網形式連接匯聚層或核心層設備。

 　　綜上所述，城域/本地ROADM 組網的設備"瓶頸"在于核心層設備，主要挑戰是維度能力和方向無關、競爭無關的上下路靈活性，圖2 所示的ROAMD 設備結構是比較適合城域核心層節點應用的設備形態。近期來講，有兩種可行的方式來解決維度"瓶頸"：

　　（1）在采用大維度WSS 期間，同時提高方向數和方向/競爭無關上下路能力。

　　（2）降低核心層設備與匯聚層設備之間的連接密度，減少核心ROADM 設備的方向數，部分匯聚層節點通過其他節點轉接到核心層設備，通過匯聚層設備分攤壓力的方式減輕對核心層設備的維度要求。

　　此外城域/本地傳送網面臨的業務類型非常多樣化，無論是業務服務質量要求、顆粒度都存在較大差異，通常需要更細的調度顆粒滿足業務發展需求。因此通常采用集成OTN電層交叉能力和ROADM 光層交叉能力的廣電混合調度節點，未來還有可能進一步增強分組調度能力。

　　4 ROADM 設備在骨干傳送網中的應用

　　4.1 骨干ROADM 特點

　　骨干網與城域/本地網存在較大的差異，主要體現在：

　　（1）傳輸距離的差異。對中國這樣地理跨度大的國家，骨干網全光傳輸距離限制尤為突出，骨干ROADM組網必須考慮OEO 再生問題。

　　（2）業務模式的差異。城域/本地網的業務以匯聚型為主，層次化結構清晰，而受IP 網絡結構扁平化的影響，骨干傳送網"去層次化"，帶來對ROADM 設備形態和功能的影響。

　　（3）組網環境的差異。城域/本地網通常能夠實現單廠商組網，至少在一個平面內不需要考慮互聯互通問題，而骨干網由于網絡規模大，多廠商的互聯互通必須要考慮的問題。由于骨干網的上述特點，骨干ROADM 功能、性能要求以及設備形態都與城域ROADM 設備存在明顯差異，而且多樣性更明顯。

　　4.2 骨干ROADM 應用模式

　　ROADM 設備在骨干網中的應用可以簡單歸納為如下兩種模式，下面就這兩種模型進行詳細介紹，并分析它們對ROADM 設備形態的需求：

　　（1）智能配線架模式

　　智能配線架模式利用ROADM 具備的波長通道在各個方向之間的靈活配置能力，完成樞紐節點的波長通道多方向調度問題，但是波長通道一旦完成配置后基本固定，不需要頻繁調整，特別適合目前中國運營商廣泛采用的基于提前規劃的網絡建設和運維模式；相對于傳統的背靠背光配線架（ODF）轉接方式，ROADM 設備可以減少大量的不必要再生波長轉換器（REG），降低成本；相對于固定OADM（FOADM）設備，ROADM 可以解決FOADM 維度擴展性難題和人工干預內部連纖的風險問題；此外基于ROADM 設備的多方向轉接可以通過網管系統進行監控和配置，極大降低后期維護工作的難度。

 　　（2）波長靈活調度模式

　　波長靈活調度模式適用于波長通道具備靈活配置、保護恢復等功能需求的場景，類似于ROADM 設備在城域網中的應用模式；由于需要業務波長需要在不同方向之間切換，因此上下路端口必須具備方向無關靈活性，對于多維ROADM 設備，為了提高波長利用率，還須具備一定的競爭無關性；在波長重路由的ROADM 網絡中，由于需要預留波道資源用于重路由和方向無關特性帶來的波長浪費，對于80 波WDM 系統，各段落上可利用的波長數量一般不超過40～50波，具體情況與具體網絡拓撲和業務分布有關；由于物理限制，ROADM 設備光學倒換速率無法達到50 ms 的電信級保護要求，因此光層一般只能提供恢復功能；而且特殊的波長連續性限制和全光傳輸性能限制，基于ROADM 的波長重路由需要智能的選路方式，例如WSON 控制平面。

　　4.3 骨干ROADM 的再生方式

　　骨干網由于地理范圍大，且節點分布不均勻，ROADM 設備必須考慮OEO 再生問題，而且對于多維ROADM 設備，普遍存在部分方向對之間需要再生，其余方向對不需要再生的情況。一方面在網絡規劃中需要考慮全光域范圍的問題，將全網分成若干個子網，子網內部業務連接盡量不需要OEO 再生，發揮ROADM 組網的低成本優勢；另一方面也需要ROADM 設備在必要的情況以低成本和高效率提供OEO 再生能力。

　　ROADM 的再生通過下路→OEO再生→上路的方式實現，需要占據上下路端口：在智能配線架模式下，如果波道數量和走向預先規劃并保持穩定，上下路端口可以不需要靈活性；但是在波長靈活調度模式下，須再生的波長和數量都可能發生變化，建議采用上下路端口具備波長無關特性。圖4 顯示了采用再生OTU 或者OTN 電交叉方式實現再生的方案，該方案配置了上下路端口的CDC 特性。隨著OTN 電交叉設備的成熟，骨干ROADM 設備的OEO 再生推薦通過OTN 電交叉模塊實現，此時不同方向、不同波長均可共享電交叉資源，而且即使光層不具備方向無關特性，也可以通過統一的OTN 電交叉實現不同方向之間再生波長的相互連接。此外OEO 再生還可以同時提供波長變換功能，在某些情況下可以利用波長一致性限制導致的波長碎片，優化資源利用率。

圖4 骨干ROADM 設備OEO 再生功能示意圖

　　骨干網同樣存在子波長級別的業務調度需求，而且由于光層倒換時間的物理限制，業務中斷時間要求50 ms 以內的業務保護只能通過電層交叉來實現；此外前面也提到通過OTN 電交叉來實現骨干ROADM 的OEO 再生。因此骨干傳送網中ROADM 光交叉也需要同OTN 電交叉技術相結合：ROADM 完成波長調度和恢復，降低務必要的光電光再生，發揮光層的高效低成本優勢；OTN 完成子波長調度、匯聚和保護恢復，發揮電層的精細化和快速倒換優勢。

 　　4.4 骨干ROADM 的組網結構

　　骨干ROADM 組網可采用3 種組網結構：

　　（1）局部ROADM 子網與點到點WDM 系統相結合，這里ROADM 子網可以是一個或者鄰近幾個ROADM 設備，特別適合于某些轉接業務遠大于落地業務的節點。

　　（2）區域ROADM 子網，子網內部采用單廠商ROADM 設備，子網之間通過網關設備或者光纖直連采用白光口對接。

　　（3）全網ROADM 組網，在目前技術發展水平線之下，全網需要統一廠商和設備型號，可以通過全網建設多個ROADM 網絡平面的方式引入多廠商的競爭。

　　其中第一種組網結構可以延續運營商目前基于規劃的WDM 系統建設和資源開放管理模式，只能適用于"智能配線架"模式，可以作為近期的建設模式。第二、三種組網結構可以同時適用于"智能配線架"和"波長靈活調度"兩種模式，不僅可以為客戶直接提供靈活的波道出租業務，而且可以為IP 網波道提供靈活的動態恢復能力，以極低的成本應對線路故障，保證上層IP 網絡結構的穩定性，減少IP 網絡重路由帶來的網絡震蕩，代表了未來的發展方向。

　　5 結束語

　　隨著信息社會的深入發展和電信網絡轉型的持續進行，未來光承載網絡將引來重大的變化，一方面將深入挖掘光纖的帶寬潛力，另一方面底層本、高效率的光層組網技術將逐漸得到應用。ROADM 設備作為最成熟的光層組網設備，已經北美和歐洲等發達地區得到了廣泛應用。

　　本文結合中國運營商網絡特點，深入分析了城域/本地傳送網和骨干傳送網中ROADM 設備的應用需求、場景和設備形態，對ROADM 設備在中國運營商網絡中的應用提出了建設性建議。可以預見，ROADM 光交叉與OTN 電交叉技術相結合，將成為光傳送網組網技術的主要方式，推進光傳送網面向業務發展的成功轉型。

　　參考文獻（略）