ROADM全光交換網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展與應用展望

  0 引言

  在數字經(jīng)濟時(shí)代，各個(gè)行業(yè)正積極推進(jìn)數字化轉型，與此同時(shí)5G、云計算、AI、大數據、物聯(lián)網(wǎng)等新興數字技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，這對傳輸帶寬與網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量提出了更高的要求。應對這樣的網(wǎng)絡(luò )挑戰，推進(jìn)全光網(wǎng)絡(luò )的建設是至關(guān)重要的解決途徑和手段?！耙圆ㄩL(cháng)選擇開(kāi)關(guān)(wavelength selected switch，WSS)為基礎的我國全光網(wǎng)(all-optical network，AON)”概念首次出現在2008年前后，主要在城域接入層采用光纖替代銅線(xiàn)，即“光進(jìn)銅退”，繼而以波分復用(wavelength division multiplexing，WDM)為代表的全光傳輸技術(shù)在骨干網(wǎng)普及，這一時(shí)期被稱(chēng)為全光網(wǎng)1.0階段。而“全光網(wǎng)2.0”的概念由中國電信于 2017 年在中國光網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )(Optinet China)上首次提出。2021年11月，中國電信發(fā)布了《中國電信全光網(wǎng)2.0技術(shù)白皮書(shū)》，全面闡述了中國電信全光網(wǎng)2.0的概念和“三化”愿景。全光網(wǎng)2.0要在全光網(wǎng)1.0的基礎上，滿(mǎn)足云網(wǎng)融合和數字化經(jīng)濟發(fā)展趨勢下的業(yè)務(wù)需求，需要引入可重構光分插復用器(reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM)等新技術(shù)和組網(wǎng)，在設備和運營(yíng)層面進(jìn)行創(chuàng )新。ROADM技術(shù)可實(shí)現自動(dòng)路徑調度和業(yè)務(wù)恢復，將傳統的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路變?yōu)殪`活的光網(wǎng)絡(luò )，是目前商用程度高、技術(shù)成熟的全光交換技術(shù)。在ROADM網(wǎng)絡(luò )中，從合波信號中分插出任意單波或合波信號通過(guò)WSS實(shí)現多個(gè)維度的動(dòng)態(tài)光波長(cháng)調度。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用 ROADM 后，網(wǎng)管系統可以控制某個(gè)波長(cháng)通過(guò)這個(gè)光節點(diǎn)或者從本地端口下路，主要特點(diǎn)是支持動(dòng)態(tài)調度，即波長(cháng)級別可遠程調度，無(wú)須人工進(jìn)站跳纖，從而實(shí)現快捷的業(yè)務(wù)指配、更加自動(dòng)化的處理及簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò )規劃和施工，使得具有比傳統波分更為強大的網(wǎng)絡(luò )監控能力和網(wǎng)絡(luò )擴展能力。ROADM 技術(shù)于2017 年由中國電信引入我國經(jīng)濟發(fā)達的長(cháng)三角區域干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在此后的幾年內，中國電信又相繼建成了華北、華南、東北、西南、西北等區域干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)分大區ROADM網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了全國范圍內的覆蓋。同時(shí)引入網(wǎng)絡(luò )保護恢復技術(shù)波長(cháng)交換光網(wǎng)絡(luò )(wavelength switched optical network，WSON)技術(shù)，實(shí)現了業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)重路由保護功能，大大提升了網(wǎng)絡(luò )的可靠性、安全性及生存能力。中國聯(lián)通也在 2019 年啟動(dòng)了京津冀區域ROADM網(wǎng)絡(luò )建設，并逐步擴大覆蓋范圍，現已通過(guò)“全國一張網(wǎng)”的方式覆蓋了京津冀、長(cháng)三角、粵港澳、魯豫鄂、成渝五大經(jīng)濟圈，實(shí)現了IP169超核節點(diǎn)、中國聯(lián)通自有IDC 100%覆蓋，可實(shí)現樞紐間的光電協(xié)同調度。

  1 ROADM關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

  1.1 ROADM設備

  ROADM設備形態(tài)有多種，當前在現網(wǎng)中廣泛使用的是 CD-ROADM，其中，C(colorless)、D (directionless)分別指波長(cháng)無(wú)關(guān)和方向無(wú)關(guān)。采用WSS級聯(lián)的方式，可以實(shí)現光層業(yè)務(wù)上下端口波長(cháng)可調、本站上下路端口可任意改變傳送方向。而CDC-ROADM是一種靈活的ROADM設備形態(tài)，在 C、D 的基礎上多了一個(gè)表示競爭無(wú)關(guān)的 C (contentionless)，CDC 的功能通過(guò)多維度上下路波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)(add and drop wavelength select switch，ADWSS)實(shí)現，基于 M×N ADWSS 的CDC-ROADM結構如圖1所示，M×N的ADWSS構成的CDC組網(wǎng)模式可實(shí)現最多M個(gè)使用相同波長(cháng)的業(yè)務(wù)光信號同時(shí)進(jìn)行線(xiàn)路到本地的下波或者本地到線(xiàn)路的上波，弱化了波道規劃要求，提高了組網(wǎng)靈活性，當前已有部署案例。

圖1 基于M×N ADWSS的CDC-ROADM結構

  在當前的 ROADM 網(wǎng)絡(luò )中廣泛使用 20 維WSS，隨著(zhù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)逐步出現方向維度數量不足的情況，因此，需要更高維度的32 維 WSS 器件，但維度變高，光纖連纖數量大幅增加，32維需要32×32×2=2 048根光纖，這大大增加了連纖錯誤概率以及維護難度。為了解決這些問(wèn)題，基于光背板的ROADM設備——光交叉連接(optical cross-connect，OXC)器問(wèn)世了。OXC是目前最先進(jìn)的光交換技術(shù)，不僅解決了光纖連接的問(wèn)題，而且具備高集成度、易擴展、易開(kāi)局、易運維的優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統ROADM基于板件分離的方式，OXC通過(guò)光背板實(shí)現集成式全光路互連，可實(shí)現插卡式擴容，且新增板卡能立即通過(guò)光背板與已有業(yè)務(wù)形成互連關(guān)系，構建全光交換資源池，實(shí)現高集成度、無(wú)纖化的全光交叉，有效地提升了大顆粒業(yè)務(wù)的交換效率，同時(shí)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )規劃難度并節省了機房空間。OXC部署過(guò)程中連纖少，能有效避免工程和維護中的錯連情況，因此其安裝維護成本非常低。同時(shí)， OXC這種創(chuàng )新的架構使接入和線(xiàn)路側模塊分離，還能極大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )擴容工作。

  1.2 WSON技術(shù)

  現有ROADM網(wǎng)絡(luò )的WSON采用分布式算路策略，即首節點(diǎn)負責計算業(yè)務(wù)路徑/恢復路徑，同時(shí)也負責從首節點(diǎn)到末節點(diǎn)端到端業(yè)務(wù)連接的建立、刪除和連接狀態(tài)管理等。分布式WOSN存在支持網(wǎng)絡(luò )規模小、恢復性能不確定的特點(diǎn)。隨著(zhù)業(yè)務(wù)云化、網(wǎng)絡(luò )規模的超大化，分布式架構已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)ROADM網(wǎng)絡(luò )的演進(jìn)需求。為應對面臨的挑戰，WSON需要持續發(fā)展演進(jìn)到WSON2.0時(shí)代。WSON2.0的架構需要在原有分布式架構的基礎上，具備集中+分布式協(xié)同的全新架構，集中+分布式WSON2.0架構如圖2所示。WSON2.0架構具備動(dòng)態(tài)全局資源管理和路由統一計算能力，提供更豐富的全局性路由策略，而且網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)業(yè)務(wù)節點(diǎn)仍保留路由計算和業(yè)務(wù)控制管理能力，從而讓整網(wǎng)路由計算能力具備更高的穩健性。WSON2.0架構有效地解決了路由資源沖突問(wèn)題，并為確定的業(yè)務(wù)恢復時(shí)間提供了架構能力基礎，2020 年在中國電信西南區域ROADM 網(wǎng)絡(luò )中就基于 WSON2.0 的技術(shù)方案進(jìn)行了驗證測試。結果表明，重路由資源沖突問(wèn)題得到有效解決，重路由性能提升了50%以上。

圖2 集中+分布式WSON2.0架構

  同時(shí)，光傳輸單元(optical transport unit， OTU)快速變波長(cháng)、信令協(xié)議報文的硬化轉發(fā)、智能調測等技術(shù)，可以將恢復時(shí)間從秒級到分鐘級不確定時(shí)間優(yōu)化為可確定性的時(shí)間，有效提升業(yè)務(wù)的可用率指標，可以進(jìn)一步提升ROADM網(wǎng)絡(luò )的恢復性能。

  1.3 單波400 Gbit/s FlexGrid ROADM組網(wǎng)

  業(yè)務(wù)流量持續增長(cháng)需要全光網(wǎng)能夠具備單波400 Gbit/s速率以滿(mǎn)足帶寬需求。而對于ROADM網(wǎng)絡(luò )而言，單波速率的提升需要光交叉WSS技術(shù)同步進(jìn)行創(chuàng )新和優(yōu)化。400 Gbit/s光傳輸系統采用Super C+L波段，需要挑戰在有限的 WSS 模塊空間內實(shí)現更寬譜寬的無(wú)阻塞波長(cháng)調度。WSS的光交換引擎可以對光束進(jìn)行智能化控制，現有的光交換引擎主要包括數字光處理器芯片、液晶芯片、微機械機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)芯片以及硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)芯片等。不同的交換引擎有不同的特性，其中數字光處理器芯片和液晶芯片只可以實(shí)現兩個(gè)光束偏轉角度的切換，因此難以實(shí)現大端口的WSS器件。MEMS芯片可以在一定的角度范圍內實(shí)現任意光束偏轉角度的切換，但MEMS芯片鏡面尺寸較大(通常大于 50 μm)，無(wú)法支持 FlexGrid功能。LCoS芯片是一種靈活可編碼的相位型空間光調制器，通過(guò)控制光束相位，實(shí)現高衍射效率的光束偏轉及光功率的精細控制，支持大端口調度。LCoS芯片的像素尺寸可達到4 μm左右，具有FlexGrid特性，支持WSS通道帶寬的靈活調配。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)方案研究和實(shí)踐，LCoS芯片已經(jīng)作為 WSS 主要的光交換引擎被用于全光網(wǎng)絡(luò )的建設。WSS的濾波帶寬由LCoS在色散方向分配給單位信道間隔的像素數量和像素尺寸決定，像素數量越多、像素尺寸越大，則WSS濾波帶寬越高。WSS的端口數目由LCoS在端口方向分配給單位信道間隔的像素數量和像素尺寸決定，像素數量越多、像素尺寸越小，則LCoS偏轉插入損耗越小，端口間串擾越小，支持WSS端口數目提升。400 Gbit/s光傳輸系統所需要的寬譜大端口WSS需要將當前LCoS的像素數量從2 000提升到2 400以上，LCoS 像素示意圖如圖3 所示。這樣可以保證C120波段每個(gè)50 GHz間隔的信道所分配到的像素數量和常規 C80/C96 系統相比沒(méi)有減少，避免C120+L 波段信道數目增加而引起濾波性能變差，以及因端口隔離度不足而引入信噪比代價(jià)。

圖3 LCoS像素示意圖

  另外，C120波段意味著(zhù)WSS需要在更寬的光頻譜范圍內實(shí)現更多信道的光束偏轉，這些需要 LCoS 芯片控制算法實(shí)現。配合更多像素的LCoS芯片需要多維度的創(chuàng )新性L(fǎng)CoS芯片控制算法，使能高維度的光束偏轉，保障當 LCoS 芯片承載更多波長(cháng)的時(shí)候，插入損耗、端口串擾和濾波損傷等性能不會(huì )有太大的劣化。

  2 ROADM網(wǎng)絡(luò )應用展望

  ROADM網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )新性地采用一二干融合架構，使得一二干波道資源可以共享，盤(pán)活了網(wǎng)絡(luò )資源，提升了網(wǎng)絡(luò )利用率，減少了機房和纖芯。同時(shí)，還減少了從大型樞紐不必要的路由迂回以及背靠背的電層中繼，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò )時(shí)延，從網(wǎng)絡(luò )結構和路由組織上減少了時(shí)延，實(shí)現了降本增效和節能減排。作為ROADM網(wǎng)絡(luò )應用的典型案例，目前已建成的華北、華南、西南、西北和東北五大區域ROADM 規模應用已充分驗證了其可行性和優(yōu)異性。ROADM 打造了一張高品質(zhì)基礎網(wǎng)絡(luò )，基于ROADM 光層網(wǎng)格化組網(wǎng)和控制平面形成面向公眾業(yè)務(wù)的智能快速動(dòng)態(tài)恢復能力，實(shí)現了ChinaNet質(zhì)量業(yè)界領(lǐng)先。ROADM 的逐步建設促進(jìn)了ChinaNet運行質(zhì)量大幅提升，網(wǎng)絡(luò )平均時(shí)延累積改善超4 ms，中國電信互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)內運行質(zhì)量統計圖(只保留時(shí)延)如圖4所示。

圖4 中國電信互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)內運行質(zhì)量統計圖(只保留時(shí)延)

  在當前 ROADM 骨干全光網(wǎng)絡(luò )的基礎上，可擴展其覆蓋范圍、承載能力以及豐富內容內涵，進(jìn)一步發(fā)揮 ROADM 網(wǎng)絡(luò )能力，增強網(wǎng)絡(luò )價(jià)值。云網(wǎng)協(xié)同以及全面構建全光網(wǎng)是發(fā)揮 ROADM 網(wǎng)絡(luò )能力的重要抓手，可在以下方面體現其重要價(jià)值。(1)云光協(xié)同，構建算力網(wǎng)絡(luò )“東數西算”工程構建了國家級算力網(wǎng)絡(luò )體系。算力網(wǎng)絡(luò )的目標架構是實(shí)現端-邊-云的智能化連接、自有算力與社會(huì )算力的靈活高效連接，以及“計算+網(wǎng)絡(luò )”算網(wǎng)一體的融合架構，向千行百業(yè)提供泛在智能、高效算力的端到端算網(wǎng)服務(wù)。全光ROADM網(wǎng)絡(luò )的大帶寬、確定性低時(shí)延、零丟包、低抖動(dòng)、高可靠、高安全和全業(yè)務(wù)接入等高品質(zhì)原生連接能力，天然匹配算力網(wǎng)絡(luò )中提出的各項網(wǎng)絡(luò )需求，是實(shí)施算力網(wǎng)絡(luò )首選的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。東數西算網(wǎng)絡(luò )時(shí)延架構如圖5所示。

圖5 東數西算網(wǎng)絡(luò )時(shí)延架構

  (2)ROADM下沉到邊緣，構建全光基礎網(wǎng)推進(jìn)城域WDM 網(wǎng)下沉到邊緣，根據云網(wǎng)融合和云邊協(xié)同等趨勢，優(yōu)選ROADM光交換調度替代電層轉接，發(fā)揮全光網(wǎng)的優(yōu)勢。城域核心節點(diǎn)可引入高維度ROADM或OXC，在城域邊緣接入需要引入低成本、低維度 ROADM，代替傳統的合波器/分波器/固定光分叉復用器(multiplex/demultiplex/fixed optical add-drop multiplexer，MUX/DMUX/FOADM)固定組網(wǎng)，實(shí)現城域靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。構建具有架構極簡(jiǎn)、容量超高、靈活可靠以及綠色節能的全光底座。

  3 結束語(yǔ)

  ROADM網(wǎng)絡(luò )作為全光網(wǎng)2.0中的重要組成部分，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )扁平化、業(yè)務(wù)大帶寬/低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )綠色低碳的發(fā)展目標與需求。擴大網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍，適時(shí)引入 OXC、32 維高維度 WSS、CDC-ROADM、400 Gbit/s FlexGrid ROADM、WSON2.0 智能控制平面、波長(cháng)快速調諧和快速交換等新技術(shù)，可以實(shí)現可承諾的快速故障恢復，進(jìn)一步夯實(shí)網(wǎng)絡(luò )能力、提升用戶(hù)體驗。并且要深入挖掘 ROADM 的能力，從縱向的網(wǎng)絡(luò )覆蓋層次到橫向的網(wǎng)絡(luò )承載業(yè)務(wù)內容上進(jìn)行探索、研究、論證與應用，充分發(fā)揮與實(shí)現ROADM全光交換網(wǎng)絡(luò )價(jià)值。

  作者簡(jiǎn)介

呂凱(1992-)，男，博士，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為光傳輸、光網(wǎng)絡(luò )等 。

  齊斌(1981-)，男，華為技術(shù)有限公司高級工程師，主要研究方向為光通信 。

  鐘勝前(1979-)，男，華為技術(shù)有限公司高級工程師，主要研究方向為光網(wǎng)絡(luò ) 。

  張安旭(1985-)，男，博士，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為光傳輸、光網(wǎng)絡(luò )等 。

  馮立鵬(1993-)，女，博士，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為光傳輸、光網(wǎng)絡(luò )等 。