[摘要] 對可重構光分插入復用器（ ROADM）設備在中國運營商網(wǎng)絡中的應用提出組網(wǎng)方案：在城域/本地傳送網(wǎng)中,，ROADM采用層次化組網(wǎng)，提高設備方向數(shù)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(wǎng)中,，ROADM設備組網(wǎng)根據(jù)情況，可采用局部ROADM子網(wǎng)與點到點波分復用（WDM）系統(tǒng)相結合,、區(qū)域ROADM子網(wǎng),、全網(wǎng)ROADM組網(wǎng)等3種組網(wǎng)結構，為客戶直接提供靈活的波道出租業(yè)務，為IP網(wǎng)波道提供靈活,、低成本的動態(tài)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(wǎng)
近年來電信業(yè)最顯著的發(fā)展趨勢是以語音為代表的傳統(tǒng)電信業(yè)務的下降和以網(wǎng)絡電視（IPTV）、OTT,、三重播放、云計算,、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型電信業(yè)務的興起,。這種變化對電信網(wǎng)絡的影響可以歸納為如下幾點：
（1）寬帶化,。近年來網(wǎng)絡帶寬持續(xù)以超摩爾定律速度高速增長,。
（2）分組化,。IP 分組技術已經(jīng)取代時分復用（TDM）技術成為電信網(wǎng)絡新的架構和技術核心,。
（3）動態(tài)化,?？焖夙憫獦I(yè)務的高度靈活性和不可預測性。
?。?）低成本,。業(yè)務收入的增長速度與帶寬流量增長速度的剪刀差引發(fā)降低網(wǎng)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(xù)提高,，單純網(wǎng)絡帶寬從技術上已經(jīng)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(shù)量的急劇增長引發(fā)網(wǎng)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(yè)務的寬帶化發(fā)展,，其顆粒度也將不斷提升,，波長顆粒出租電路已經(jīng)成為了一種新興業(yè)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(jù)OVUM 統(tǒng)計，北美地區(qū)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(tǒng)中的一種具備在波長層面遠程控制光信號分插復用狀態(tài)能力的設備形態(tài)[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?zhèn)淞薕XC 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(tài)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(wǎng)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(yōu)勢是低成本,、高效率，圖1 給出了各層網(wǎng)絡交換技術的成本對比關系,。
圖1 各層網(wǎng)絡交換技術成本比較
ROADM 設備發(fā)展過程中出現(xiàn)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：
?。?）波長連續(xù)性限制。由于沒有商用的全光再生技術,，光通道在ROADM 網(wǎng)絡中必須保持波長一致,，除非中間節(jié)點采用光電光（OEO）再生方式進行波長轉換。
?。?）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。
?。?）傳輸距離和物理損耗限制,。ROADM 的低成本優(yōu)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(wǎng)中尤其突出,。波長和物理限制是ROADM 光網(wǎng)絡規(guī)劃設計、電路調度復雜性的重要因素,。
?。?）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(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)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。
?。?）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(xiàn)更低維度的業(yè)務調度，一般采用結合ROADM 技術和光傳送網(wǎng)（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(jīng)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(wǎng)一樣,，ROADM 光層組網(wǎng)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(wǎng)絡命名為波長交換光網(wǎng)絡（WSON）,，主要通過對通用多協(xié)議標簽交換（GMPLS）協(xié)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(fā)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(wǎng)時將會極大影響光層調度功能的發(fā)揮,，體現(xiàn)在業(yè)務上下路節(jié)點和光電光（OEO）再生節(jié)點需要大量的人工干預,，無法實現(xiàn)真正的端到端配置。
目前業(yè)界將增強上下路端口靈活性的ROADM 設備統(tǒng)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(xiàn)的一種靈活性,。其實現(xiàn)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(lián)方式進行擴展,。但是為了改善性能,，傾向于采用一級WSS 實現(xiàn)上下路功能，目前商用WSS 器件的最大維度已經(jīng)擴展到20～30 維,，基本可滿足80波WDM 系統(tǒng)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(shù)目較少的情況下，可以通過簡單的分光器實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)
競爭無關是伴隨方向無關而出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)光波道靈活調度能力的開放，極大地提高了業(yè)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(xiàn)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(jīng)過ROADM 節(jié)點的性能劣化。因此在現(xiàn)網(wǎng)應用中需要根據(jù)實際業(yè)務需要,，選擇合理的設備形態(tài),。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(fā)展過程中出現(xiàn)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(tǒng),，而且具備靈活調整能力,，是光網(wǎng)絡適應軟件定義網(wǎng)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(jīng)具備了實用條件,。
靈活格柵技術給ROADM 設備和組網(wǎng)應用均帶來了新的挑戰(zhàn)：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(jīng)具備了一定的供貨能力,；其次需要組網(wǎng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)的發(fā)展，靈活格柵WDM 和ROADM 技術和設備可能獲得長足發(fā)展和應用,。
3 ROADM 設備在城域/本地傳送網(wǎng)中的應用
本節(jié)主要探討ROADM 設備在城域/本地傳送網(wǎng)中的應用場景和相應的解決方案,、設備形態(tài)。
近年來,，城域/本地傳送網(wǎng)WDM系統(tǒng)建設模式從早期的環(huán)網(wǎng)逐漸向網(wǎng)格網(wǎng)（Mesh）演進,。同時隨著業(yè)務的快速增長，WDM 系統(tǒng)和波道數(shù)量持續(xù)上升,，對自動化的波道配置和業(yè)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(wǎng)的應用提供了良好的外部條件。
大型城域/本地傳送網(wǎng)可以分成核心,、匯聚和接入3 層,，中小型網(wǎng)絡可能是兩層?？傮w來講,，城域/本地ROADM 網(wǎng)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(wǎng)絡的核心層,、匯聚層和接入層,。
圖3 城域/本地ROADM 層次化組網(wǎng)
城域/本地ROADM 網(wǎng)絡的業(yè)務模式絕大多數(shù)都是匯聚型業(yè)務，即從接入/匯聚節(jié)點向核心節(jié)點集中,；只有少數(shù)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)存在少量非核心節(jié)點之間的直達業(yè)務,，主要是一些政企客戶本地大帶寬組網(wǎng)帶來的出租電路。圖3 中,，絕大多數(shù)業(yè)務都從B,、C 節(jié)點向A 節(jié)點匯聚。這對核心ROADM 設備帶來的巨大的壓力：
?。?）維度的壓力,。由于早期城域環(huán)網(wǎng)建設的慣性思維和城域光纜的實際拓撲的限制，匯聚層節(jié)點通常傾向于與核心層節(jié)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(fā)揮Mesh 組網(wǎng)帶來的多方向調度優(yōu)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(shù)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(huán)網(wǎng)形式連接匯聚層或核心層設備。
綜上所述,，城域/本地ROADM 組網(wǎng)的設備"瓶頸"在于核心層設備,，主要挑戰(zhàn)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(jié)點應用的設備形態(tài),。近期來講，有兩種可行的方式來解決維度"瓶頸"：
?。?）在采用大維度WSS 期間,，同時提高方向數(shù)和方向/競爭無關上下路能力。
?。?）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(shù)，部分匯聚層節(jié)點通過其他節(jié)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(wǎng)面臨的業(yè)務類型非常多樣化，無論是業(yè)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(yè)務發(fā)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(jié)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(wǎng)中的應用
4.1 骨干ROADM 特點
骨干網(wǎng)與城域/本地網(wǎng)存在較大的差異，主要體現(xiàn)在：
?。?）傳輸距離的差異,。對中國這樣地理跨度大的國家，骨干網(wǎng)全光傳輸距離限制尤為突出,，骨干ROADM組網(wǎng)必須考慮OEO 再生問題。
?。?）業(yè)務模式的差異,。城域/本地網(wǎng)的業(yè)務以匯聚型為主，層次化結構清晰,，而受IP 網(wǎng)絡結構扁平化的影響,，骨干傳送網(wǎng)"去層次化"，帶來對ROADM 設備形態(tài)和功能的影響,。
?。?）組網(wǎng)環(huán)境的差異,。城域/本地網(wǎng)通常能夠實現(xiàn)單廠商組網(wǎng)，至少在一個平面內不需要考慮互聯(lián)互通問題,，而骨干網(wǎng)由于網(wǎng)絡規(guī)模大,，多廠商的互聯(lián)互通必須要考慮的問題。由于骨干網(wǎng)的上述特點,，骨干ROADM 功能,、性能要求以及設備形態(tài)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(wǎng)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(tài)的需求：
?。?）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(jié)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(guī)劃的網(wǎng)絡建設和運維模式；相對于傳統(tǒng)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(wǎng)管系統(tǒng)進行監(jiān)控和配置，極大降低后期維護工作的難度,。
?。?）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(wǎng)中的應用模式,；由于需要業(yè)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(wǎng)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(tǒng),，各段落上可利用的波長數(shù)量一般不超過40～50波,，具體情況與具體網(wǎng)絡拓撲和業(yè)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(xù)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(wǎng)由于地理范圍大，且節(jié)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(wǎng)絡規(guī)劃中需要考慮全光域范圍的問題，將全網(wǎng)分成若干個子網(wǎng),，子網(wǎng)內部業(yè)務連接盡量不需要OEO 再生,，發(fā)揮ROADM 組網(wǎng)的低成本優(yōu)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(xiàn),，需要占據(jù)上下路端口：在智能配線架模式下，如果波道數(shù)量和走向預先規(guī)劃并保持穩(wěn)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(shù)量都可能發(fā)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(xiàn)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(xiàn)，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(tǒng)一的OTN 電交叉實現(xiàn)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(yōu)化資源利用率,。
圖4 骨干ROADM 設備OEO 再生功能示意圖
骨干網(wǎng)同樣存在子波長級別的業(yè)務調度需求,，而且由于光層倒換時間的物理限制，業(yè)務中斷時間要求50 ms 以內的業(yè)務保護只能通過電層交叉來實現(xiàn),；此外前面也提到通過OTN 電交叉來實現(xiàn)骨干ROADM 的OEO 再生。因此骨干傳送網(wǎng)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(fā)揮光層的高效低成本優(yōu)勢,；OTN 完成子波長調度、匯聚和保護恢復,，發(fā)揮電層的精細化和快速倒換優(yōu)勢,。
4.4 骨干ROADM 的組網(wǎng)結構
骨干ROADM 組網(wǎng)可采用3 種組網(wǎng)結構：
（1）局部ROADM 子網(wǎng)與點到點WDM 系統(tǒng)相結合,，這里ROADM 子網(wǎng)可以是一個或者鄰近幾個ROADM 設備,，特別適合于某些轉接業(yè)務遠大于落地業(yè)務的節(jié)點。
?。?）區(qū)域ROADM 子網(wǎng),，子網(wǎng)內部采用單廠商ROADM 設備，子網(wǎng)之間通過網(wǎng)關設備或者光纖直連采用白光口對接,。
?。?）全網(wǎng)ROADM 組網(wǎng)，在目前技術發(fā)展水平線之下,，全網(wǎng)需要統(tǒng)一廠商和設備型號,，可以通過全網(wǎng)建設多個ROADM 網(wǎng)絡平面的方式引入多廠商的競爭。
其中第一種組網(wǎng)結構可以延續(xù)運營商目前基于規(guī)劃的WDM 系統(tǒng)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(wǎng)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(yè)務，而且可以為IP 網(wǎng)波道提供靈活的動態(tài)恢復能力,，以極低的成本應對線路故障,，保證上層IP 網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性，減少IP 網(wǎng)絡重路由帶來的網(wǎng)絡震蕩,，代表了未來的發(fā)展方向,。
5 結束語
隨著信息社會的深入發(fā)展和電信網(wǎng)絡轉型的持續(xù)進行，未來光承載網(wǎng)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(wǎng)技術將逐漸得到應用,。ROADM 設備作為最成熟的光層組網(wǎng)設備,，已經(jīng)北美和歐洲等發(fā)達地區(qū)得到了廣泛應用。
本文結合中國運營商網(wǎng)絡特點,，深入分析了城域/本地傳送網(wǎng)和骨干傳送網(wǎng)中ROADM 設備的應用需求,、場景和設備形態(tài)，對ROADM 設備在中國運營商網(wǎng)絡中的應用提出了建設性建議?？梢灶A見,，ROADM 光交叉與OTN 電交叉技術相結合，將成為光傳送網(wǎng)組網(wǎng)技術的主要方式,，推進光傳送網(wǎng)面向業(yè)務發(fā)展的成功轉型,。
參考文獻（略）