[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(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；在骨干傳送網中，ROADM設備組網根據(jù)情況，可采用局部ROADM子網與點到點波分復用（WDM）系統(tǒng)相結合、區(qū)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(yè)務，為IP網波道提供靈活、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
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)務的下降和以網絡電視（IPTV）、OTT、三重播放、云計算、物聯(lián)網等為代表的新型電信業(yè)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(xù)以超摩爾定律速度高速增長。
?。?）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。
?。?）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(shù)量的急劇增長引發(fā)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(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(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中尤其突出。波長和物理限制是ROADM 光網絡規(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（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(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過ROADM 節(jié)點的性能劣化。因此在現(xiàn)網應用中需要根據(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(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(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/本地傳送網中的應用
本節(jié)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(tài)。
近年來，城域/本地傳送網WDM系統(tǒng)建設模式從早期的環(huán)網逐漸向網格網（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?？傮w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(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。
?。?）上下路靈活性的壓力。為了發(fā)揮Mesh 組網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(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。
（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(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(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。
?。?）業(yè)務模式的差異。城域/本地網的業(yè)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(tài)和功能的影響。
（3）組網環(huán)境的差異。城域/本地網通常能夠實現(xiàn)單廠商組網，至少在一個平面內不需要考慮互聯(lián)互通問題，而骨干網由于網絡規(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：
（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(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。一方面在網絡規(guī)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(yè)務連接盡量不需要OEO 再生，發(fā)揮ROADM 組網的低成本優(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 的組網結構
骨干ROADM 組網可采用3 種組網結構：
?。?）局部ROADM 子網與點到點WDM 系統(tǒng)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(yè)務遠大于落地業(yè)務的節(jié)點。
（2）區(qū)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。
?。?）全網ROADM 組網，在目前技術發(fā)展水平線之下，全網需要統(tǒng)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(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 網絡結構的穩(wěn)定性，減少IP 網絡重路由帶來的網絡震蕩，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)展和電信網絡轉型的持續(xù)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(fā)達地區(qū)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(tài)，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(yè)務發(fā)展的成功轉型。
參考文獻（略）