ROADM區域組網(wǎng)在長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中面臨的挑戰

  概述

  “中國制造2025”以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合為主線(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò )提出了智慧化和云化的要求。同時(shí)，隨著(zhù)以5G、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(wù)的興起，電信網(wǎng)絡(luò )加速向寬帶化、大連接、動(dòng)態(tài)化、低時(shí)延和低成本的方向演進(jìn)。

  作為通信網(wǎng)絡(luò )最基礎的承載，光傳送網(wǎng)順應寬帶爆炸式增長(cháng)的發(fā)展需求，網(wǎng)絡(luò )從單波2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s到100 Gbit/s只用了十余年時(shí)間，單波200 Gbit/s、400 Gbit/s的商用也已排上日程。至此，單光纖傳輸能力飛速提升到10 Tbit/s量級。同時(shí)，順應新型業(yè)務(wù)的靈活調度和智能化管理需求，ROADM以其調度靈活、交換容量大、時(shí)延低、功耗低等特點(diǎn)越來(lái)越受到運營(yíng)商的青睞。本文在對比不同組網(wǎng)模式的基礎上，簡(jiǎn)要介紹了ROADM區域組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，重點(diǎn)分析了區域組網(wǎng)在干線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )中帶來(lái)的新問(wèn)題和挑戰，如ROADM區域劃分、何時(shí)新建一張ROADM網(wǎng)、纖芯資源占用多、規劃方式改變等等，并提出解決建議。

  ROADM區域組網(wǎng)的驅動(dòng)力及優(yōu)勢

  組網(wǎng)模式是網(wǎng)絡(luò )規劃建設中需要重點(diǎn)考慮的議題，也是影響傳送網(wǎng)傳送能力的重要因素。隨著(zhù)新業(yè)務(wù)的出現和新技術(shù)的演進(jìn)，傳統組網(wǎng)方式已無(wú)法適應傳送網(wǎng)的發(fā)展需求，新型組網(wǎng)模式應運而生。

  2.1傳統組網(wǎng)模式

  長(cháng)期以來(lái)，各大運營(yíng)商的長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳統采用WDM/OADM技術(shù)進(jìn)行鏈狀系統建設，即線(xiàn)性組網(wǎng)，主要用來(lái)承載電信自有業(yè)務(wù)。線(xiàn)性組網(wǎng)形式給電路的轉接調度帶來(lái)了天然的壁壘，不同系統之間的轉接只能通過(guò)OTU白光背靠背解決，光層的穿通只能在系統內通過(guò)跳纖實(shí)現。長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳統的組網(wǎng)模式如圖1所示。圖1中，不同字母表示不同的城市機樓，機樓內不同顏色的小圓圈代表不同平臺的設備，不同顏色的線(xiàn)條表示不同廠(chǎng)家的系統。以F機樓為例，F點(diǎn)所建設的4條系統設備是物理分離的，當有調度需求時(shí)，只能通過(guò)手動(dòng)跳纖的方式打通傳輸通道。

  在新型業(yè)務(wù)對傳送網(wǎng)提出“寬帶化、智能化、高效化”要求的當下，可重構光分插入復用器(ROADM)設備應運而生。在ROADM引入初期，仍然采用ROADM+線(xiàn)性WDM的組網(wǎng)方式，在原有基礎上提升了組網(wǎng)的靈活性，省去了中間節點(diǎn)光層穿通的人工跳纖，但并未打破線(xiàn)性組網(wǎng)模式的傳統。

圖1. 長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳統的組網(wǎng)模式

  2.2區域組網(wǎng)的推動(dòng)力

  2016年前后，各大運營(yíng)商開(kāi)始在長(cháng)途干線(xiàn)層面推廣區域組網(wǎng)的方式組建區域ROADM網(wǎng)絡(luò )。主要推動(dòng)力如下：

  a)在DC為核心的時(shí)代，DC流量迅猛增長(cháng)，流向從南北向往東西向轉變，驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )架構向MESH化發(fā)展。

  b)BAT等波長(cháng)出租業(yè)務(wù)對業(yè)務(wù)快速部署、靈活調整提出了更高的要求。線(xiàn)性組網(wǎng)模式無(wú)法充分發(fā)揮ROADM設備波長(cháng)可重構的靈活性，網(wǎng)狀網(wǎng)才能充分發(fā)揮出ROADM技術(shù)的優(yōu)勢，滿(mǎn)足出租業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)可調整的需求。

  c)作為綜合承載的網(wǎng)絡(luò )，傳送網(wǎng)需要為不同的業(yè)務(wù)提供基于波長(cháng)的不同的保護恢復能力，而鏈狀波分系統提供的是基于OLP或者是OMSP的保護。而且從拓撲角度，多維的MESH網(wǎng)絡(luò )能提供更高的可靠性。

  d)近年來(lái)，各大機房的空間、電源、空調等基礎資源非常緊張，尤其是樞紐節點(diǎn)，基礎資源的瓶頸常常阻滯工程的實(shí)施進(jìn)度，從而影響業(yè)務(wù)的開(kāi)通周期。在線(xiàn)性組網(wǎng)模式下，系統邊界天然形成了波道轉接的壁壘，不同波分系統之間只能通過(guò)白光OTU背靠背轉接，加劇了基礎資源的消耗。而采用ROADM區域組網(wǎng)可從最大程度減少光電轉接，從而減少對基礎資源的消耗。

  2.3ROADM區域組網(wǎng)的優(yōu)勢

  ROADM設備制式有多種類(lèi)型。其中，方向相關(guān)波長(cháng)相關(guān)和方向相關(guān)波長(cháng)無(wú)關(guān)(C-ROADM)制式不具備自動(dòng)調度、恢復能力;方向無(wú)關(guān)波長(cháng)相關(guān)(D-ROADM)制式網(wǎng)管自動(dòng)調度、恢復能力受限，僅在其余方向有同波道資源情況下才支持;方向無(wú)關(guān)波長(cháng)無(wú)關(guān)(CD-ROADM)制式具備自動(dòng)調度、恢復能力，波長(cháng)沖突問(wèn)題可通過(guò)擴展上下路分組模塊方式解決，器件成熟度較高;方向無(wú)關(guān)波長(cháng)無(wú)關(guān)競爭無(wú)關(guān)(CDC-ROADM)制式器件復雜度相對較高，僅個(gè)別廠(chǎng)家相對成熟，且成本相對最高，由于MCS單元接口受限，單個(gè)節點(diǎn)最多只能支持192波業(yè)務(wù)上下，接入能力無(wú)法滿(mǎn)足長(cháng)途干線(xiàn)傳輸的需求。因此， ROADM區域組網(wǎng)的建網(wǎng)模式，建議采用方向無(wú)關(guān)波長(cháng)無(wú)關(guān)(CD-ROADM)制式。

  ROADM區域組網(wǎng)模式把傳送網(wǎng)從傳統的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈型系統升級演進(jìn)為多維度的端到端網(wǎng)絡(luò )。其優(yōu)勢體現在以下幾個(gè)方面：

  a)時(shí)延可控。采用區域化組網(wǎng)模式，對于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)規劃可優(yōu)先選擇距離最短路由，并優(yōu)選性能優(yōu)良的光纜，從最大程度上減少電轉接次數，做到時(shí)延可控。

  b)投資可省。采用區域化組網(wǎng)模式，區域內采用同一廠(chǎng)家設備，減少系統間電層轉換，同時(shí)，充分發(fā)揮ROADM技術(shù)優(yōu)勢，最大限度地實(shí)現光層穿通能力，減少電層中繼，不僅有效降低對機房基礎資源的占用和消耗，還能控制網(wǎng)絡(luò )建設成本，彌補網(wǎng)絡(luò )能力和業(yè)務(wù)收入的剪刀差。

  c)網(wǎng)絡(luò )可靠。采用區域化組網(wǎng)模式，為業(yè)務(wù)提供多種點(diǎn)對點(diǎn)路由，具備抗多次斷纖的能力，網(wǎng)絡(luò )健壯性較強。同時(shí)，依托ROADM網(wǎng)絡(luò )的WSON功能，可為業(yè)務(wù)提供不同等級的保護恢復能力。

  d)流量可調。采用區域化組網(wǎng)模式，利用ROADM技術(shù)在光層的波長(cháng)調度能力，依托WSON的自動(dòng)算路功能，規避波長(cháng)沖突，克服流量浪涌，實(shí)現區域網(wǎng)內所有業(yè)務(wù)的自動(dòng)、靈活的調度，獲得高質(zhì)量和高可靠性的信息流傳送。

  e)容量可擴。采用區域化組網(wǎng)模式，能充分發(fā)揮ROADM的多維能力，線(xiàn)路維度和本地維度均可按需擴容，平滑增加線(xiàn)路方向和上下波數量，解決波長(cháng)沖突，具備良好的可擴展性。

  ROADM區域組網(wǎng)帶來(lái)的挑戰

  近年來(lái)，各大運營(yíng)商開(kāi)始積極部署ROADM區域網(wǎng)。ROADM區域網(wǎng)與傳統鏈狀波分系統相比，具有節資增效、調度靈活等優(yōu)點(diǎn)，但新事物必定會(huì )催生新矛盾，ROADM區域組網(wǎng)也給網(wǎng)絡(luò )規劃設計帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰。

  3.1ROADM區域劃分

  結合第2章節的內容，從理論上來(lái)說(shuō)，區域越大，能獲得的光層穿通受益的可能性就越大。但ROADM網(wǎng)絡(luò )的區域并不能無(wú)限大，受以下因素限制。

  a)WSON管理能力的限制：受CPU、內存以及信息泛洪等因素的限制，主流設備廠(chǎng)家WSON網(wǎng)絡(luò )管理規模一般在150個(gè)ROADM節點(diǎn)左右。超出最大管理能力限制的網(wǎng)絡(luò )就需要分域管理。分域后，跨域業(yè)務(wù)的開(kāi)通和恢復也會(huì )更復雜一些。

  b)WSS穿通帶來(lái)的光層代價(jià)：基于WSS器件插損較大的特點(diǎn)，多個(gè)ROADM節點(diǎn)串聯(lián)會(huì )影響業(yè)務(wù)的OSNR性能。一般而言，業(yè)務(wù)路由經(jīng)過(guò)6個(gè)ROADM節點(diǎn)會(huì )引入0.5 dB的OSNR代價(jià)，這會(huì )抑制ROADM的光穿通能力。

  c)業(yè)務(wù)恢復耗時(shí)：網(wǎng)絡(luò )規模越大，點(diǎn)到點(diǎn)的可達路由就越豐富，光纜故障時(shí)動(dòng)態(tài)恢復所需時(shí)間就會(huì )越長(cháng)。在網(wǎng)管CPU達到最大能力的情況下，網(wǎng)絡(luò )規模和恢復時(shí)間呈反比。

  目前，ROADM網(wǎng)絡(luò )區域劃分有2種思路：

  a)小型區域網(wǎng)：設計區域內保證任意2點(diǎn)業(yè)務(wù)的主用路由一跳直達，無(wú)需電中繼。目前，商用100 Gbit/s波分系統采用超長(cháng)距碼型，無(wú)中繼傳輸距離可達1 500 km。因此，在省際層面建設區域骨干ROADM網(wǎng)，可根據骨干光纜網(wǎng)架構和業(yè)務(wù)流量流向考慮京津冀區域、長(cháng)三角區域、珠三角區域等。按照這種“小區域”思路，相比線(xiàn)性組網(wǎng)方式，長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )會(huì )節約不少轉接OTU。但隨著(zhù)DC化進(jìn)程，業(yè)務(wù)格局更加扁平化，東西向流向增加，小區域無(wú)法最大程度上發(fā)揮ROADM的穿通優(yōu)勢。

  b)大型區域網(wǎng)：滿(mǎn)足WSON管理能力，設計區域盡可能大。在省際層面建設區域骨干ROADM網(wǎng)，可根據骨干光纜網(wǎng)架構和業(yè)務(wù)流量流向考慮華北大區、華南大區域、西北大區、西南大區等。按照“大區域”思路，可獲得最大的光層穿通受益。但大區域也有弊端，節點(diǎn)方向數變多后會(huì )更易引起波長(cháng)沖突，從而導致因避免波長(cháng)沖突所帶來(lái)的路由繞轉或中繼，降低建網(wǎng)經(jīng)濟性。

  ROADM區域與建網(wǎng)經(jīng)濟性的關(guān)系如圖2所示。如何去尋找建網(wǎng)經(jīng)濟性最佳的區域方案目前業(yè)界尚未有統一的計算模型和評價(jià)標準。

圖2. ROADM區域與建網(wǎng)經(jīng)濟性的曲線(xiàn)關(guān)系

  結合光纜架構、纖芯性能指標、業(yè)務(wù)流量流向以及保護恢復要求等多方面因素，進(jìn)行多區域方案的模擬測算，對比建網(wǎng)成本、保護恢復性能和可擴性，得到最佳的分域方案。對于業(yè)務(wù)熱點(diǎn)省份，還可采取區域相交的方式進(jìn)行疊加建設。

  3.2何時(shí)新建一張ROADM網(wǎng)

  在線(xiàn)性組網(wǎng)時(shí)代，對于何時(shí)新建系統，業(yè)界有著(zhù)統一的標準。波分系統波道滿(mǎn)配80波后，波道利用率達到一定門(mén)限值，即可立項招標、新建波分系統。而采用ROADM區域組網(wǎng)的建設模式后，這個(gè)問(wèn)題就值得探討了。這是因為ROADM網(wǎng)絡(luò )的一大優(yōu)點(diǎn)就是可平滑擴容線(xiàn)路方向和本地上下波數量，具有良好的可擴展性。圖3以某一節點(diǎn)為例闡釋了ROADM設備的擴容，灰色色塊表示擴容的線(xiàn)路方向和本地上下路模塊。

  WSS作為ROADM技術(shù)的核心器件，其端口數就成為ROADM網(wǎng)絡(luò )的擴容瓶頸。目前，成熟商用的WSS器件達到了20維。那么一旦某個(gè)城市節點(diǎn)的WSS端口用完了，這張網(wǎng)是不是就必須要新建了呢?其實(shí)，WSS端口的瓶頸可以通過(guò)在這個(gè)城市機樓再增加一端平行節點(diǎn)設備來(lái)突破，兩端節點(diǎn)設備通過(guò)WSS器件互聯(lián)實(shí)現互通，如圖4所示。圖4中灰色色塊代表新增設備和板卡。通過(guò)一對WSS板卡完成的互通，并不是全交叉連接的，平行節點(diǎn)之間連接帶寬只有80個(gè)波長(cháng)，互通受限。因此，并不推薦無(wú)限制地去擴展WSS維度。

  圖3. ROADM網(wǎng)絡(luò )良好的可擴展性

圖4. 擴展城市節點(diǎn)維度的方法

  考量一張ROADM網(wǎng)絡(luò )是否已擴滿(mǎn)，除了WSS維度，還需要考慮網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)最大交叉容量、全網(wǎng)波道利用率等因素。從業(yè)務(wù)安全角度出發(fā)，防止單節點(diǎn)失效帶來(lái)的業(yè)務(wù)故障，節點(diǎn)交叉容量不宜過(guò)大，建議不超過(guò)200T。從波長(cháng)沖突角度出發(fā)，為保證業(yè)務(wù)的快速恢復能力，減少為避免沖突的中繼變波長(cháng)，ROADM網(wǎng)絡(luò )應輕載運行，全網(wǎng)的波道利用率不宜過(guò)大，建議不超過(guò)60%。因此，一張ROADM能否繼續擴容，是否需要新建平面，需要結合上述因素綜合考慮。

  3.3纖芯資源耗費巨大

  采用CD-ROADM模式建設區域ROADM網(wǎng)，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的保護恢復要求，光纜纖芯資源消耗驚人。以某運營(yíng)商北京——武漢光纜為例，2013年和2015年利用2芯光纜各建設了1條80x100 Gbit/s的鏈狀系統，2017年采用ROADM區域組網(wǎng)的方式，使用了6芯，2019年使用8芯。如圖5所示。

圖5. 某光纜纖芯資源消耗曲線(xiàn)圖

  從圖5可看出，網(wǎng)絡(luò )建設模式改變后，纖芯資源占用飛速增長(cháng)。究其原因，主要有以下2方面：一方面是業(yè)務(wù)保護恢復方式的改變，從鏈狀系統的1:N保護到區域ROADM網(wǎng)的1:1恢復，網(wǎng)絡(luò )中用于保護恢復的波道資源變多了，增加了纖芯的消耗;另一方面，由于光自帶的波長(cháng)一致性屬性，波長(cháng)沖突勢必會(huì )存在一些波長(cháng)碎片，導致波長(cháng)資源的浪費，變相增加了纖芯消耗。

  長(cháng)途干線(xiàn)光纜主要是36~48芯數，ROADM網(wǎng)絡(luò )的纖芯需求激增對光纜網(wǎng)造成了較大的壓力。要緩解壓力，應上層網(wǎng)絡(luò )的需求推動(dòng)，光纜網(wǎng)的建設步伐需要加快，建設思路和規模也需要適當調整，但鑒于光纜的建設周期較長(cháng)，建議可先行通過(guò)拓展C波段以獲取更大的系統容量。目前，主流廠(chǎng)家都具備了96波ROADM的能力，較80波系統容量提升了20%。在后續的ROADM網(wǎng)絡(luò )建設中，建議適時(shí)引入96波ROADM平臺。

  3.4網(wǎng)絡(luò )規劃設計方式轉變

  隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )向智能化演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò )規劃方式也發(fā)生了深刻的變化，從人工方式轉變?yōu)檐浖詣?dòng)方式。在鏈狀組網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò )規劃設計人員首先調研網(wǎng)絡(luò )現狀，搜集并更新波分系統現狀的波道組織圖，之后針對業(yè)務(wù)需求進(jìn)行路由和波道資源分配，形成波道組織圖和路由表，最終考慮資源缺口和一定的網(wǎng)絡(luò )冗余需求形成網(wǎng)絡(luò )建設方案，如圖6所示。這種網(wǎng)絡(luò )規劃方式以人工為主，需投入較多人力。當業(yè)務(wù)需求有變動(dòng)時(shí)，就必須進(jìn)行波道組織重排，工作量較大，在重復性多次重排后也很難保證百分百無(wú)誤。

圖6. 傳統的人工規劃方式

  在區域組網(wǎng)時(shí)代，上述的人工方式就不適用了。需綜合考慮路由策略、光層穿通、保護恢復、波長(cháng)一致性等各種因素，突破了規劃設計人員的腦力極限，就必須要求規劃軟件參與進(jìn)來(lái)。規劃設計人員只需在軟件中進(jìn)行路由策略、路由個(gè)性化需求和保護恢復方式的設置，軟件自動(dòng)會(huì )進(jìn)行路由和資源分配，通過(guò)模擬仿真后，自動(dòng)輸出網(wǎng)絡(luò )建設方案，如圖7所示。這種網(wǎng)絡(luò )規劃方式對于規劃設計人員來(lái)說(shuō)，省時(shí)省力。當業(yè)務(wù)需求有變動(dòng)時(shí)，也可以快速響應。但網(wǎng)絡(luò )建設方案的合理性就特別依賴(lài)規劃軟件內嵌的算法，規劃設計人員暫時(shí)無(wú)法對方案的合理性進(jìn)行科學(xué)的分析和評價(jià)。目前，在方案制定過(guò)程中最常用的是設備廠(chǎng)家研發(fā)的軟件，缺乏第三方的公正性。

圖7. 區域ROADM網(wǎng)絡(luò )的規劃方式

  為了提升網(wǎng)絡(luò )建設方案的科學(xué)性、合理性和公正性，避免過(guò)分依賴(lài)設備廠(chǎng)家，建議引入第三方規劃軟件，同步進(jìn)行規劃，規劃結果可相互校驗，對比分析，從而得出最終的網(wǎng)絡(luò )建設方案，如圖8所示。近年來(lái)，規劃設計服務(wù)提供商為了提升自身的咨詢(xún)服務(wù)能力，致力于開(kāi)發(fā)基于ROADM的規劃工具。為形成完整的數據閉環(huán)，規劃工具可以進(jìn)一步打通與現網(wǎng)數據接口、提供校驗設備廠(chǎng)家方案等功能。待規劃工具成熟后，就能作為第三方規劃軟件更好地完善網(wǎng)絡(luò )規劃流程，提升網(wǎng)絡(luò )規劃的合理性。

圖8. 最理想的區域ROADM網(wǎng)絡(luò )規劃方式

  結束語(yǔ)

  2016年，各大運營(yíng)商開(kāi)始在長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署ROADM區域網(wǎng)，標志著(zhù)過(guò)去十余年WDM系統建設思路的轉變和突破。與電信網(wǎng)絡(luò )應用的其他交換或交叉連接技術(shù)相比，ROADM技術(shù)最大的優(yōu)勢是低成本和高效率，同時(shí)WSON控制平面的引入讓ROADM網(wǎng)更加健壯、更加靈活。新思路和新設備的實(shí)施必然會(huì )帶來(lái)一些與現狀的矛盾和碰撞。本文基于ROADM網(wǎng)絡(luò )建設中面臨的現實(shí)問(wèn)題，深入分析區域網(wǎng)建設帶來(lái)的挑戰并拋磚引玉，提出解決思路。最終，在從業(yè)人員共同努力下，不斷完善傳輸網(wǎng)規劃思路、設計方法、設備制式和運維方式，推動(dòng)光傳送網(wǎng)邁入智能、高效、隨愿的快車(chē)道。

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