ROADM技术简介及演进方向

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摘要　阐述了可重构型光分插复用设备（ROADM）进入波分网络的背景，并对ROADM的三种主要技术进行了简要介绍。最后提出未来ROADM的发展方向，即ROADM光层调度＋OTN电层调度组合解决方案，以及中兴通讯推出的适应市场发展的设备功能类型。
1? 引言
随着IPTV、三重播放、VoIP等各种新型电信业务的兴起，人们发现这些以IP为承载协议的业务已经迅速遍及电信各个领域，业务网络的IP化和承载网络的分组化转型已经成为一个不可逆转的潮流。在这种趋势下，运营商的整个网络架构也在发生转变，业务的融合期待着光层作为基础承载层的融合，使其成为更加适宜于承载IP/MPLS以及电信级以太网业务的分组传送网。这些新型的电信业务与传统的电信业务相比，具有更高的动态特性和不可预测性，因此需要传输承载网提供更高的灵活性。
超长距密集波分系统的成熟，使得网络业务的真正瓶颈从带宽建设转移到带宽管理上，在核心的网络节点上，往往需要处理数十个甚至上百个波长，而超长距的传输能力，使得更多的节点需要具备更多的上下波长能力。作为基础承载网络，在更为激烈的市场竞争环境下，需要更快的业务提供以及各种层面的网络保护和恢复能力。
因此，作为传统物理层的光层组网，也要适应新一代承载网络的分组化、业务化、带宽大颗粒化、动态化的组网需求。
DWDM密集波分复用系统是当前最常见的光层组网技术，通过复用/解复用器可以实现数十波甚至上百波的传送能力，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统，大多数的光层组网只能通过终端站(TM)实现的光线路系统构建。稍后出现的OADM光分插复用器，逐渐迈出了从点到点组网向环网的演进。但是由于OADM有限的功能，通常只能上下固定数目和波长的光通道，并没有真正实现灵活的光层组网。因此，从某种意义上说，早期的波分复用系统并没有实现真正意义上的光层组网，难以满足业务网络IP化和分组化的要求，例如网络的业务调度能力、可靠性、可维护性、可扩展性、可管理性等。这种情况直到ROADM的出现才得以改善。为了满足IP网络的需求，基础承载网的建设逐渐采用一种以可重构光分插复用设备(ROADM)为代表的光层重构技术，为基础承载网的建设提供了全新的思路。
2? ROADM的主要技术简介
ROADM是一种类似于SDH ADM光层的网元，它可以在一个节点上完成光通道的上下路(Add/Drop)，以及穿通光通道之间的波长级别的交叉调度。它可以通过软件远程控制网元中的ROADM子系统实现上下路波长的配置和调整。目前，ROADM子系统常见的有三种技术：平面光波电路（Planar Lightwave Circuits，PLC）、波长阻断器（Wavelength Blocker，WB）、波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）。
2.1? 平面光波电路（PLC）
平面光波电路ROADM是一种基于硅工艺的集成电路，可以集成多种器件，如光栅、分路器以及光开关等。它通过集成的阵列光波导(AWG)实现波长复用和解复用，集成的光开关实现波长直通或阻断并加入(Block-and-Add)，可变光衰耗器(VOA)实现每通道的光功率动态均衡。PLC ROADM上下路的通道是彩色光，这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下，并可配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性，使其成为低成本的ROADM解决方案之一。图1所示为PLC的结构示意图。

图1? PLC结构示意图

优点：复用器/解复用器技术成熟可靠，节点内部插损较小，上下路波长较多时成本较低，便于升级到OXC。
缺点：模块化结构差，初期配置成本高，大容量交叉矩阵可靠性有待提高。

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2.2? 波长阻断器(WB)
波长阻断器用阻断下路波长通过来实现功能，它可以支持较多的光通道数和较小的通道间隔，具有较低的色散，并可实现多个器件的级联，易于实现光谱均衡。但波长阻断器需要额外的上下路模块来构建系统，上下路配合可调滤波器和可调激光器。从本质上讲，WB是一个二维器件，通常在构建系统中由多个分立器件构成，体积较大，但可以支持100GHz和50GHz的波道间隔，并且技术成熟，成本较低，因此适合用于LH和ULH系统。图2所示的是广播/选取结构示意图。

图2? 广播/选取结构示意图

优点：结构简单，模块化程度好，预留升级端口时可支持灵活扩展升级功能，上下路波长较少时成本低，支持广播业务，具备通道功率均衡能力。
缺点：上下路波长较多时成本较高（独立的可调谐滤波器成本高），不易过渡至OXC。
2.3? 波长选择开关(WSS)
波长选择交换器(WSS)是近年来发展迅速的ROADM子系统技术。WSS基于MEMS光学平台，具有频带宽、色散低，并且同时支持10/40Gbit/s光信号的特点和内在的基于端口的波长定义(Colorless)特性。采用自由空间光交换技术，上下路波数少，但可以支持更高的维度，集成的部件较多，控制复杂。基于WSS的ROADM逐渐成为4度以上ROADM的首选技术。图3、图4所示的是波长选择开关上下路结构示意图。

图3? 波长选择开关上路结构示意图

图4? 波长选择开关下路结构示意图

优点：结构简单，端口指配灵活，波长扩展及方向扩展性较好，易于过渡到OXC。
缺点：上路类型节点成本较高，下路类型不支持业务广播功能。
三种ROADM子系统技术，各具特点，采用何种技术，主要视应用而定。根据对北美运营商的统计，超过70%的需求仍然是2维的应用，而只有约10%的ROADM节点，将会采用4维或以上的节点。因此，基于WB/PLC的ROADM，可以充分利用现有的成熟技术，对网络的影响最小，易于实现从FOADM到2维ROADM的升级，具有极高的成本效益。而基于WSS的ROADM，可以在所有方向提供波长粒度的信道，远程可重配置所有直通端口和上下端口，适宜于实现多方向的环间互联和构建Mesh网络。因此，三种技术各有所长，在不同的网络应用中都有相应的地位。
3? ROADM未来的演进方向
基于全光系统的ROADM同样也有明显的劣势：
（1）只能以波长为颗粒进行处理，不能对子波长业务（如波长为10G系统中的GE和2.5G的业务）进行交换/汇聚等处理，网络灵活性和带宽利用率受到一定限制。
（2）由于传输物理因素，全光传输距离受到一定限制，使得在骨干网应用中，业务流量和流向并不能任意变化，仍然需要精确地设计和规划，增加了网络规划的复杂性。德国电信也明确指出，传输物理限制是影响ROADM组网的重要原因。
基于ROADM目前存在的这些不足，业界提出增加电交叉领域。于是产生了ROADM＋OTN的设备形态。目前的典型应用是，对于10G以上(含10G)的业务，节点采用全光的方式进行直通或者上下，对于GE/2.5G的业务，节点先将其下路到电域交叉板，再进行基于2.5G颗粒的电域分插和复用。这种分插复用模式有点类似于ADM中的VC-4和VC-12的两级交叉，只是第一级采用全光的处理。目前，已有设备商推出相关产品，并在城域范围内有一定应用

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4? 中兴通讯ROADM产品类型及特点
从技术实现方案来看，波长选择开关方案具有较好的灵活性，可支持波长及光方向的扩展，受到设备厂商的青睐。但由于目前市场尚未形成规模应用，器件价格较贵，相对于固定波长上/下的OADM来说成本仍较高，这是限制ROADM设备广泛应用的重要因素。设备智能化的特性与高昂的成本相比较，所带来的收益还不足以促使所有运营商增加网络建设投资购买ROADM设备，除非设备成本进一步下降或者运营商在一些高端网络上进行战略投资时才有可能真正选用ROADM设备进行组网。因此，低成本的ROADM方案和逐渐过渡的分步实现策略成为比较现实的发展之路。中兴通讯在深入分析市场客户不同层次的智能化需求以及综合对比现有各种技术优势的基础上，规划了多种ROADM产品类型，以适应不同客户在功能、成本方面的多种应用需求。图5是中兴通讯ROADM产品类型及演变的趋势。

图5? ROADM产品类型及演变趋势

4.1? 低成本ROADM产品
低成本的ROADM产品主要指上下路端口固定或者上路端口固定产品类型，主要应用于需要远程配置波长上下路来实现业务分布的变化。
ROADM按功能分类有上下路固定端口的WB ROADM和上路固定端口的WSS ROADM两种类型。WB ROADM采用固定滤波器分波以及固定上路波长业务单板，因省去了高昂的可调谐滤波器和可调谐激光器降低了成本，不支持上下路的端口指配功能；WSS ROADM采用固定上路波长业务单板，下路端口可实现指配。具体使用过程中应根据市场应用的需求灵活选取相应类型，低成本的ROADM产品适用于需要波长上下路配置、对端口指配不做要求的市场应用领域。
4.2? 全功能ROADM产品
该类型的产品可实现上下路波长重构并对上下路端口实现指配功能（Any Wavelength to Any Port），功能灵活，可用于组建智能化要求较高的网络。包括上下路可指配端口WB ROADM类型和上下路可指配端口WSS ROADM类型：WB ROADM类型需要可调谐滤波器和可调谐波长的业务单板配合；WSS ROADM类型需要同时配置可调谐波长的业务单板。全功能ROADM产品的成本降低依赖于WSS、可调谐滤波器等集成器件的成本下降。
基于目前集成器件成本较高导致ROADM设备成本高昂的情况，结合市场实际应用需求，选择低成本ROADM方案提供智能化网络的解决方案为当前的最佳方案，随着器件成本的下降，将来可逐渐过渡到全功能的解决方案。
目前，中兴通讯已成功推出了Unitrans系列ROADM设备，包括低成本ROADM产品和全功能ROADM产品，满配置的情况下可实现40/80波完全上下路，全功能类型可实现 “Any Wavelength to Any Port”。其灵活强大的波长可重构功能可充分满足客户对业务进行任意调度的需求，并具有对直通和上路波长进行功率均衡的功能，满足线路传输的需要。秉承多年成熟技术积累，中兴通讯ROADM充分考虑运营商的长远发展需求，具备完善的升级功能，可为客户真正实现“Pay as Grow”，降低CAPEX。在系统的部署初期、业务分布比较固定的情况下，可先部署固定波长上下路的系统，之后随业务增长再加入部分波长可调谐的OTU，既可满足日益增长的新业务需求，又保障了用户的原有投资，是当前ROADM建网的最佳方案。
4.3? ROADM＋OTN产品
中兴通讯顺应未来技术发展方向，为弥补ROADM现存缺陷，成功推出了GSS电交叉子系统。
GSS系统全面支持OTN的G.709的接口标准和G.872框架体系。可实现业务的背板交叉，群路可调谐，便于管理；指定入口，指定出口，需求路由自动生成，点击式配置操作简单可靠；支持系统的平滑升级；客户侧、线路侧可独立扩容，充分利用带宽，节省投资；网管的智能化控制；CAPEX，OPEX的成本控制和优化。

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如图6所示，GSS系统与ROADM系统组合，实现了光波长级交叉调度和子波长级交叉调度，极大地方便了网络的调度灵活性，提高了波长利用率，实现各类数据业务的X-ADM。

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图6? ROADM＋GSS组合平台

5? 结束语
DWDM网络的发展趋势是提高网络的智能化水平，ROADM设备以其灵活强大的波长可重构功能为智能化网络提供解决方案。本文列举了目前ROADM设备的主要技术实现方案以及中兴通讯提供的多种解决方案，运营商可结合实际市场需求选择不同的产品类型组建网络。ROADM设备的价格因素仍是制约其广泛应用的关键点，同时，基于ROADM设备开发具备自动波长调度智能化功能的协议支持将是ROADM设备厂商需重点研究的方向之一。

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