学文网对可重构光分插入复用器（ROADM）设备在中国运营商网络中的应用提出组网方案：在城域/本地传送网中，ROADM采用层次化组网，提高设备方向数和CDC（波长无关、方向无关、竞争无关）能力，通过汇聚层设备分摊压力的方式减轻对核心层设备的维度要求；在骨干传送网中，ROADM设备组网根据情况，可采用局部ROADM子网与点到点波分复用（WDM）系统相结合、区域ROADM子网、全网ROADM组网等3种组网结构，为客户直接提供灵活的波道出租业务，为IP网波道提供灵活、低成本的动态恢复能力，在故障条件下为维护部门提供灵活的波道调度能力。
波分复用；可重构光复用器；光复用器；光交叉连接；波长选择光开关；光传送网
In this paper， we suggest some applications of reconfigurable optical add-drop multiplexer （ROADM） in China. In metro/local ROADM networks， hierarchical networking can be used to increase the number of devices and improve CDC capacity. Requirements on core-layer devices can be reduced through pressure allocation by convergence layer. Three application scenarios are proposed for backbone ROADM networks： 1） combining fragmented ROADM sub-networks and point-to-point wavelength division multiplexing （WDM） transmission systems； 2） ROADM sub-networks for each area， and 3） unified ROADM network for the whole network. With ROADM， operators can provide flexible wavelength leasing； dynamic， low-cost restoration capacity for wavelength paths carrying IP circuits； and quick wavelength path reconstruction when there are failures.
wavelength division multiplexing； reconfigurable optical add-drop multiplexer； optical add-drop multiplexer； optical cross-connect； wavelength selective switch； optical transport networks
近年来电信业最显著的发展趋势是以语音为代表的传统电信业务的下降和以网络电视（IPTV）、OTT、三重播放、云计算、物联网等为代表的新型电信业务的兴起。这种变化对电信网络的影响可以归纳为如下几点：
（1）宽带化。近年来网络带宽持续以超摩尔定律速度高速增长。
（2）分组化。IP分组技术已经取代时分复用（TDM）技术成为电信网络新的架构和技术核心。
（3）动态化。快速响应业务的高度灵活性和不可预测性。
（4）低成本。业务收入的增长速度与带宽流量增长速度的剪刀差引发降低网络成本的压力。
随着光纤波分复用（WDM）技术的成熟和单波速率的持续提高，单纯网络带宽从技术上已经没有了“瓶颈”，但是带宽的管理成为新的“瓶颈”所在：一方面波长通道数量的急剧增长引发网络运维部门提出针对波长的维护管理和调度等需求；另一方面随着电信业务的宽带化发展，其颗粒度也将不断提升，波长颗粒出租电路已经成为了一种新兴业务模式，凸显了对基于波长的调度、管理、保护恢复等方面的功能和性能要求。
在上述背景下，可重构光分插入复用器（ROADM）设备应运而生并取得了长足的进步。据OVUM统计，北美地区销售的WDM设备（不含OA）35%以上采用了ROADM。但是在中国，ROADM尚不够普及。
1 ROADM设备和技术
ROADM设备的全称翻译是可重构光分插入复用器。顾名思义，其定义是光波分复用（WDM）系统中的一种具备在波长层面远程控制光信号分插复用状态能力的设备形态[1]。早在2000年前后，全球对基于波长的光层上下路和调度设备进行了深入研究，中国“863”计划还专项资助了光交叉连接（OXC）和光分插复用（OADM）设备和关键技术的研究，研制样机并形成了一系列科研成果[2-4]。
ROADM设备从名称上很容易被理解为OADM设备增加了可重构特性，但实际上目前ROADM设备不仅具OADM设备的全部功能，还兼备了OXC设备的部分功能。具体来讲，ROADM设备支持波长通道上下路状态的灵活配置，多维ROADM设备还支持波长通道在各个维度（方向）之间灵活调度。相对于电信网络应用的其他交换或交叉连接技术相比，ROADM提供的波长层面最大的优势是低成本、高效率，***1给出了各层网络交换技术的成本对比关系。
ROADM设备发展过程中出现了多种技术方案，其中比较有代表性的是波长阻隔器（WB）、平面波导（PLC）和波长选择光开关（WSS）等3种方案，其中WSS凭借其光学性能和可扩展性，已成为主流商用方案。
ROADM设备的局限性也很明显，主要有如下几点：
（1）波长连续性限制。由于没有商用的全光再生技术，光通道在ROADM网络中必须保持波长一致，除非中间节点采用光电光（OEO）再生方式进行波长转换。
（2）波长唯一性限制。无论支持多少方向，对于某个特定波长，每个方向只能容纳来自一个方向（含本地）的该波长信号，否则需要进行波长转换。
（3）传输距离和物理损耗限制。ROADM的低成本优势来源于在波长层面的全光调度，光信噪比（OSNR）、色散、偏振模色散（PMD）、非线性等各种物理损耗因素会逐渐累积，影响信号的传输距离。这种距离和物理限制在骨干传送网中尤其突出。波长和物理限制是ROADM光网络规划设计、电路调度复杂性的重要因素。
（4）上下路端口灵活性受限。普通ROADM设备上下路波道的波长、端口和方向均不具备灵活性，目前业界已经出现不同程度解决该限制的新型ROADM设备，即所谓CDC（波长无关、方向无关、竞争无关）ROADM。
（5）调度颗粒的唯一性和粗放性。ROADM设备调度的基本颗粒是波长，一方面精细度不够，无法实现更低维度的业务调度，一般采用结合ROADM技术和光传送网（OTN）电交叉技术的光电混合交叉设备，以弥补精细度的局限；另一方面为了适应未来光通道颗粒的灵活性，ROADM设备已经开始支持灵活格栅（Flexi-Grid），即光通道的谱宽灵活可变（目前ITU-T定义的Flexi-Grid粒度为12.5 GHz）。
与SDH、OTN电层组网一样，ROADM光层组网同样可以增强智能控制平面功能。目前该领域的标准化工作在IETF通用控制和管理平面（CCAMP）工作组进行[5]。CCAMP将此类网络命名为波长交换光网络（WSON），主要通过对通用多协议标签交换（GMPLS）协议的扩展完成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进了一部分标准化工作[6]。WSON控制平面标准化工作进展比较缓慢，特别是物理损耗约束条件的一直无法找到合适的解决方案，成为主要“瓶颈”因素。
2 ROADM设备的发展
2.1 CDC ROADM
ROADM设备上下路端口在灵活性方面受到限制，这种限制在二维ROADM设备应用中还不够突出，但是在多维ROADM设备组网时将会极大影响光层调度功能的发挥，体现在业务上下路节点和光电光（OEO）再生节点需要大量的人工干预，无法实现真正的端到端配置。
目前业界将增强上下路端口灵活性的ROADM设备统称为CDC ROADM，C、D、C 3个字母分别是波长无关、方向无关和竞争无关3个英文单字的首字母，即CDC ROADM能够提供的3种灵活性。
波长无关是最容易理解、也是最容易实现的一种灵活性。其实现需配置波长可调谐的上下路波长转换器（OTU）板卡和上下路滤波器，其中最常见的可调谐滤波器就是WSS。目前常见WSS，可支持9个波长无关上下路端口，同时也很容易通过级联方式进行扩展。但是为了改善性能，倾向于采用一级WSS实现上下路功能，目前商用WSS器件的最大维度已经扩展到20～30维，基本可满足80波WDM系统的上下路要求。在相干光通信时代，通过接收机本振光源的波长选择，可以选定特定的接收信号，因此在上下路波长数目较少的情况下，可以通过简单的分光器实现波长无关下路，降低设备成本，这是相干光通信带来的意外惊喜。
方向无关是实现光层调度，特别是保护恢复的基本要求。端到端保护恢复的基本前提是上下路波道支持在多维ROADM设备不同群路方向之间自动切换，否则还需要人工更换上下路端口，极大限制实用性。方向无关最常用的实现方式是通过分光器/耦合器使得多个方向共享上下路端口，如***2所示。
竞争无关是伴随方向无关而出现的一种新特性。目前商用ROADM设备通常采用扩展上下路端口的方式在方向无关基础上实现一定程度的竞争无关，***2中每个群路方向采用超出方向数的大维度WSS，多余WSS端口用于上下路；其中所有方向各一个WSS上下路端口组成一个方向无关上下路端口组，在组内一个波长只能被一个方向使用；多个方向无关上下路端口组之间的波长可以复用，从而实现一定程度的方向无关。
综上所述，CDC ROADM扩展了ROADM设备上下路端口的灵活性，有利于实现光波道灵活调度能力的开放，极大地提高了业务开放过程中的自动化程度和效率，降低了人工干预的强度，提高了可靠性。但是CDC ROADM的实现需要增加大量新型光学器件，不仅带来ROADM设备成本的提高，而且也会增加光信号经过ROADM节点的性能劣化。因此在现网应用中需要根据实际业务需要，选择合理的设备形态。CDC ROADM设备的各种特性符合模块化设计原则，也为其灵活选择提供了条件。
2.2 灵活格栅ROADM
灵活格栅（Flexi-Grid）是在高速大容量WDM技术发展过程中出现的一种提高频谱效率的新技术，适用于波长速率、调制方式多样化的WDM系统，而且具备灵活调整能力，是光网络适应软件定义网络（SDN）演进的生动案例。ITU-T G.694.1定义了基本颗粒为12.5 GHz的灵活格栅[7]，领先元器件厂商也已推出可商用的支持灵活格栅的滤波器、WSS等元器件，标志着灵活格栅在技术上已经具备了实用条件。
灵活格栅技术给ROADM设备和组网应用均带来了新的挑战：首先需要WSS等关键元器件支持灵活格栅技术，这方面进展比较顺利，领先器件厂商已经具备了一定的供货能力；其次需要组网管理、控制平面等方面增加一系列新的属性，包括信号谱宽、速率以及对功率、OSNR、色散、PMD等物理参数的容限范围等等。
灵活格栅技术在100 Gb/s及以下速率的WDM系统中应用需求尚不迫切，目前灵活格栅ROADM设备还公开报道的商用案例。未来随着单波400 Gb/s、1 Tb/s超高速WDM系统的发展，灵活格栅WDM和ROADM技术和设备可能获得长足发展和应用。
3 ROADM设备在城域/
本地传送网中的应用
本节主要探讨ROADM设备在城域/本地传送网中的应用场景和相应的解决方案、设备形态。
近年来，城域/本地传送网WDM系统建设模式从早期的环网逐渐向网格网（Mesh）演进。同时随着业务的快速增长，WDM系统和波道数量持续上升，对自动化的波道配置和业务提供能力的需求也越来越迫切。上述因素为ROADM设备在城域网的应用提供了良好的外部条件。
大型城域/本地传送网可以分成核心、汇聚和接入3层，中小型网络可能是两层。总体来讲，城域/本地ROADM网络的层次化结构是相当清晰的，如***3所示，A、B、C分别代表网络的核心层、汇聚层和接入层。
城域/本地ROADM网络的业务模式绝大多数都是汇聚型业务，即从接入/汇聚节点向核心节点集中；只有少数经济发达地区存在少量非核心节点之间的直达业务，主要是一些***企客户本地大带宽组网带来的出租电路。***3中，绝大多数业务都从B、C节点向A节点汇聚。这对核心ROADM设备带来的巨大的压力：
（1）维度的压力。由于早期城域环网建设的惯性思维和城域光缆的实际拓扑的限制，汇聚层节点通常倾向于与核心层节点直连，造成对核心ROADM设备维度要求极高。
（2）上下路灵活性的压力。为了发挥Mesh组网带来的多方向调度优势，核心ROADM设备通常需要一定的CDC特性，特别是方向无关特性，同时核心ROADM设备连接的方向数也很大，必须具备一定的竞争无关特性才能提高波道资源的利用率。汇聚层设备要求与核心层设备类似，但是维度要求较低。接入层设备一般采用二维ROADM设备，以环网形式连接汇聚层或核心层设备。
综上所述，城域/本地ROADM组网的设备“瓶颈”在于核心层设备，主要挑战是维度能力和方向无关、竞争无关的上下路灵活性，***2所示的ROAMD设备结构是比较适合城域核心层节点应用的设备形态。近期来讲，有两种可行的方式来解决维度“瓶颈”：
（1）在采用大维度WSS期间，同时提高方向数和方向/竞争无关上下路能力。
（2）降低核心层设备与汇聚层设备之间的连接密度，减少核心ROADM设备的方向数，部分汇聚层节点通过其他节点转接到核心层设备，通过汇聚层设备分摊压力的方式减轻对核心层设备的维度要求。
此外城域/本地传送网面临的业务类型非常多样化，无论是业务服务质量要求、颗粒度都存在较大差异，通常需要更细的调度颗粒满足业务发展需求。因此通常采用集成OTN电层交叉能力和ROADM光层交叉能力的广电混合调度节点，未来还有可能进一步增强分组调度能力。
4 ROADM设备在骨干
传送网中的应用
4.1 骨干ROADM特点
骨干网与城域/本地网存在较大的差异，主要体现在：
（1）传输距离的差异。对中国这样地理跨度大的国家，骨干网全光传输距离限制尤为突出，骨干ROADM组网必须考虑OEO再生问题。
（2）业务模式的差异。城域/本地网的业务以汇聚型为主，层次化结构清晰，而受IP网络结构扁平化的影响，骨干传送网“去层次化”，带来对ROADM设备形态和功能的影响。
（3）组网环境的差异。城域/本地网通常能够实现单厂商组网，至少在一个平面内不需要考虑互联互通问题，而骨干网由于网络规模大，多厂商的互联互通必须要考虑的问题。
由于骨干网的上述特点，骨干ROADM功能、性能要求以及设备形态都与城域ROADM设备存在明显差异，而且多样性更明显。
4.2 骨干ROADM应用模式
ROADM设备在骨干网中的应用可以简单归纳为如下两种模式，下面就这两种模型进行详细介绍，并分析它们对ROADM设备形态的需求：
（1）智能配线架模式
智能配线架模式利用ROADM具备的波长通道在各个方向之间的灵活配置能力，完成枢纽节点的波长通道多方向调度问题，但是波长通道一旦完成配置后基本固定，不需要频繁调整，特别适合目前中国运营商广泛采用的基于提前规划的网络建设和运维模式；相对于传统的背靠背光配线架（ODF）转接方式，ROADM设备可以减少大量的不必要再生波长转换器（REG），降低成本；相对于固定OADM（FOADM）设备，ROADM可以解决FOADM维度扩展性难题和人工干预内部连纤的风险问题；此外基于ROADM设备的多方向转接可以通过网管系统进行监控和配置，极大降低后期维护工作的难度。
（2）波长灵活调度模式
波长灵活调度模式适用于波长通道具备灵活配置、保护恢复等功能需求的场景，类似于ROADM设备在城域网中的应用模式；由于需要业务波长需要在不同方向之间切换，因此上下路端口必须具备方向无关灵活性，对于多维ROADM设备，为了提高波长利用率，还须具备一定的竞争无关性；在波长重路由的ROADM网络中，由于需要预留波道资源用于重路由和方向无关特性带来的波长浪费，对于80波WDM系统，各段落上可利用的波长数量一般不超过40～50波，具体情况与具体网络拓扑和业务分布有关；由于物理限制，ROADM设备光学倒换速率无法达到50 ms的电信级保护要求，因此光层一般只能提供恢复功能；而且特殊的波长连续性限制和全光传输性能限制，基于ROADM的波长重路由需要智能的选路方式，例如WSON控制平面。
4.3 骨干ROADM的再生方式
骨干网由于地理范围大，且节点分布不均匀，ROADM设备必须考虑OEO再生问题，而且对于多维ROADM设备，普遍存在部分方向对之间需要再生，其余方向对不需要再生的情况。一方面在网络规划中需要考虑全光域范围的问题，将全网分成若干个子网，子网内部业务连接尽量不需要OEO再生，发挥ROADM组网的低成本优势；另一方面也需要ROADM设备在必要的情况以低成本和高效率提供OEO再生能力。
ROADM的再生通过下路OEO再生上路的方式实现，需要占据上下路端口：在智能配线架模式下，如果波道数量和走向预先规划并保持稳定，上下路端口可以不需要灵活性；但是在波长灵活调度模式下，须再生的波长和数量都可能发生变化，建议采用上下路端口具备波长无关特性。***4显示了采用再生OTU或者OTN电交叉方式实现再生的方案，该方案配置了上下路端口的CDC特性。随着OTN电交叉设备的成熟，骨干ROADM设备的OEO再生推荐通过OTN电交叉模块实现，此时不同方向、不同波长均可共享电交叉资源，而且即使光层不具备方向无关特性，也可以通过统一的OTN电交叉实现不同方向之间再生波长的相互连接。此外OEO再生还可以同时提供波长变换功能，在某些情况下可以利用波长一致性限制导致的波长碎片，优化资源利用率。
骨干网同样存在子波长级别的业务调度需求，而且由于光层倒换时间的物理限制，业务中断时间要求50 ms以内的业务保护只能通过电层交叉来实现；此外前面也提到通过OTN电交叉来实现骨干ROADM的OEO再生。因此骨干传送网中ROADM光交叉也需要同OTN电交叉技术相结合：ROADM完成波长调度和恢复，降低务必要的光电光再生，发挥光层的高效低成本优势；OTN完成子波长调度、汇聚和保护恢复，发挥电层的精细化和快速倒换优势。
4.4 骨干ROADM的组网结构
骨干ROADM组网可采用3种组网结构：
（1）局部ROADM子网与点到点WDM系统相结合，这里ROADM子网可以是一个或者邻近几个ROADM设备，特别适合于某些转接业务远大于落地业务的节点。
（2）区域ROADM子网，子网内部采用单厂商ROADM设备，子网之间通过网关设备或者光纤直连采用白光口对接。
（3）全网ROADM组网，在目前技术发展水平线之下，全网需要统一厂商和设备型号，可以通过全网建设多个ROADM网络平面的方式引入多厂商的竞争。
其中第一种组网结构可以延续运营商目前基于规划的WDM系统建设和资源开放管理模式，只能适用于“智能配线架”模式，可以作为近期的建设模式。第二、三种组网结构可以同时适用于“智能配线架”和“波长灵活调度”两种模式，不仅可以为客户直接提供灵活的波道出租业务，而且可以为IP网波道提供灵活的动态恢复能力，以极低的成本应对线路故障，保证上层IP网络结构的稳定性，减少IP网络重路由带来的网络震荡，代表了未来的发展方向。
5 结束语
随着信息社会的深入发展和电信网络转型的持续进行，未来光承载网络将引来重大的变化，一方面将深入挖掘光纤的带宽潜力，另一方面底层本、高效率的光层组网技术将逐渐得到应用。ROADM设备作为最成熟的光层组网设备，已经北美和欧洲等发达地区得到了广泛应用。
本文结合中国运营商网络特点，深入分析了城域/本地传送网和骨干传送网中ROADM设备的应用需求、场景和设备形态，对ROADM设备在中国运营商网络中的应用提出了建设性建议。可以预见，ROADM光交叉与OTN电交叉技术相结合，将成为光传送网组网技术的主要方式，推进光传送网面向业务发展的成功转型。
参考文献
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[7] ITU-T Recommendation G.694.1（06/2012）. Spectral grids for WDM applications： DWDM frequency grid [S]. 2012
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