ROADM-的关键技术和应用发展

1ROADM的关键技术和应用发展李芳1业务和网络发展驱动ROADM应用数据业务爆发式增长以及NGN技术的发展，推动着电信运营商进入划时代的转型阶段，纷纷建设IP/MPLSOverWDM的大容量、多业务承载网。目前数据业务已成为光网络带宽的主要占用者，IP对光网络提出了新的传送需求和严峻挑战：（1）日益增长的VOIP、数据、IPTV/HDTV等Tripleplay业务对网络容量和组播/广播能力需求迫切，特别是DSLAM、VOD系统部署方式的演变对城域传送网的容量和组网方式影响较大；（2）下一代新型的电信业务与传统电信业务相比，具有更高的动态特性和不可预测性，因此需要作为基础承载网的光网络提供更高的灵活性和智能化功能，以便在网络拓扑及业务分布发生变化时能够快速响应，实现业务的灵活调度；（3）随着IP业务颗粒的增大和比重增加，基于VC-4-Xc交叉的SDH已不再适应10Gb/s及以上IP业务的传送，而目前WDM仅实现了点到点、大容量、长距离传输功能，没有真正实现光层灵活组网、调度和快速保护功能，无法有效支撑IP网的传送。另一方面，运营在网络运维和演进方面的需求也在推动着IPOverWDM组网模式的不断发展。首先在网络运维方面，运营商希望WDM网络具有类似于SDH的组网、保护、带宽配置和管理维护能力，而这是传统点到点的第一代WDM和以固定OADM为代表的第二代WDM环网设备所不能满足的；第二，背靠背OTM组网方式和ODF架上的手工连纤操作使得运维成本（OPEX）高达WDM网络总成本的60％到80％，只有大幅降低OPEX才能保证运营商的利润；第三，为了进一步降低网络建设成本，运营商希望在路由器上大量采用10GELAN接口，目前的SDH和OTH产品都不能全面有效的支持10GELAN的透传、灵活组网和保护。因此，为了满足IP网和网络运维等方面的需求，基础承载网的建设将逐渐采用一种以可重构光分插复用设备（ROADM）为代表的光层灵活组网技术，使2WDM从简单的点对点过渡到环网和多环相交拓扑，昀终实现网状网。综合来说，ROADM具有以下应用优势：（1）在无需人工现场调配的情况下，ROADM可实现对波长的上下路及直通配置，增加了光网络的弹性，大大简化了网络规划难度；（2）采用ROADM易于实现组播/广播功能，适合IPTV等新型业务的开展；（3）ROADM设备的灵活性可以充分满足数据业务的动态需求，易于实现网络扩展，随业务发展而逐步增加投资；（4）ROADM通过提供节点的重构能力极大提升工作效率及对客户新需求的反应速度，同时有效地降低运营和维护成本；（5）ROADM采用ASON/GMPLS控制平面，支持多种网络保护/恢复，生存性强；（6）远端统一网管，支持光功率的自动管理和端到端的波长管理。2ROADM技术发展历程和趋势ROADM技术的发展历程具体如图1所示，可追溯到上世纪90年代末，首先出现的是O/E/O方式的OADM和OXC，然后是采用环形器、光开关等分离器件构建的ROADM，主要应用在科研试验网中，由于体积大、配置不灵活、成本高以及插损和色散高等原因未能在运营商网络上商用。图1ROADM技术的发展历程和趋势3二十一世纪初，以MEMS和液晶阵列为代表的波长阻断器（WB）技术应用到ROADM中，WB通过阻断下路波长通过来实现波长上下功能，它可以支持较多的光通道数和较小的通道间隔（64波@100GHz和128波@50GHz）；基于复用/解复用结构，易于实现光性能监测（OPM）和功率控制；具有较低的色散，并且技术成熟，成本较低，因此广泛应用于骨干网的LH和ULHWDM系统中。但是由于WB本质上是一个二维器件，导致了多方向扩展性差，且多个WB器件构成的ROADM体积相对较大。图2基于WB的ROADM子系统内部结构2003年前后，基于硅工艺的平面波导电路（PLC）技术崭露头角，它可以集成阵列波导光栅（AWG）、分光器、VOA以及光开关等多种器件，提高了ROADM的集成度，降低了系统成本，并且可实现批量生产，昀适合于构建2维ROADM。基于PLC的ROADM易于实现OPM和功率均衡，具有更低的PDL、插损和功耗，容量可达到40波@100GHz，因此广泛应用于对容量需求不大且成本敏感的城域和区域WDM系统中。（a）基于PLC的2维ROADM（b）PLC上下路模块内部结构图3基于PLC的2维ROADM内部结构41xNswitchN:1multiplexerN-wavelengthsWDMsignal1:Ndemultiplexer1~N-wavelengthsWDMsignalWSS图41×N的WSS内部结构波长选择开关（WSS）一般基于改进的MEMS（如单晶硅反射镜）、液晶（LCD）或硅基液晶（LCOS）技术，并结合准直器和抽头耦合器等阵列器件，具有频带宽和色散低的优点，并且同时支持10G和40Gbit/s光信号。WSS采用自由空间光交换技术，端口具有波长无关特性（colorless），上下路波长数少，但可以支持更高的维度，集成的器件较多，控制复杂，开发成本较高。目前的WSS器件支持1×9端口@100GHz或1×5端口@50GHz，已成为多维ROADM的首选技术。图5ROADM子系统器件近三年出货量的变化运营商的应用需求、网络结构和设备经济性将昀终决定哪一种ROADM技术会成为主流，从HeavyReading在2006年中调研的ROADM子系统器件近三年出货量的变化（图5）可看出，WB所占份额明显减小，WSS和PLC已成为ROADM的主流技术，并且WSS增长迅速，目前一些知名运营商（如Verizon和SBC／5AT&T）的ROADM设备建议书（RFP）中已将WSS作为一项必备功能。HeavyReading对北美运营商的ROADM需求进行了统计，超过70%的需求是2维应用，有大约10%～20％的节点将是4维或以上。因此，基于PLC的2维ROADM仍具有较大的市场应用范围，可用于组建城域环网系统，而基于WSS的多维ROADM可实现环间互联和构建网状网。WSS技术还在不断发展，已被Optium公司收购的原Engana公司的动态波长处理器（DWP）技术被广泛认为是下一代WSS器件的领先代表，用于开发新型的智能ROADM（I-ROADM），支持50/100GHz混合间隔的信号，具有动态光通道配置、光功率自动均衡以及基于单波长的自动色散补偿等先进功能。未来，随着光分组交换技术的发展，ROADM将向新一代支持光分组上下的PADM发展。3ROADM的关键技术3.1ROADM的节点结构理想的ROADM节点结构如图6所示，由光波长交叉模块和电层子波长交叉模块共同构成，不仅在光域支持10G/40Gb/s波长信号的直通和上下，而且在上下路侧支持电层的G.709帧结构处理、子波长交叉和客户信号适配功能。线路侧全光直通光波长交叉WDM接口上下路侧电层处理10/40Gb/s环网/网状网集成的WDM可调器件子波长（电）交叉客户接口外部交换机/路由器图6理想的ROADM节点结构（2维示例）ROADM节点主要有以下几部分构成：（1）光波长交叉子系统：基于WB、PLC或WSS；（2）上下路OTU：全波段可调激光器、可调谐滤波器、支持G.709管理、子波长交叉等；6（3）光功率监测和动态控制：OPM、VOA、DGE或DCE等（4）光放大器：预放和功放；（5）色散补偿：光色散补偿、电色散补偿等。3.2多维ROADM的实现基于WSS的ROADM不仅可以满足两方向节点的波长可配置需求，同时可以解决多方向节点的波长可配置需求，并且支持从两方向ROADM逐步扩展升级为多方向ROADM节点，对于目前已经是多方向波长调度的节点或将来会成为多方向的节点，推荐采用基于WSS的ROADM方案。图7是基于WSS的多维ROADM结构示意图，主要包含两个部分：下路解复用及穿通控制部分、上路复用及穿通控制部分，其中每个部分都有其他方向的扩展端口（图7中的MESHIn和MESHOut）。下路解复用及穿通控制部分既可以完成本地业务的下路，同时还能对穿通波长进行控制；上路复用及穿通控制部分既可以对上路波长信号进行管理，同时也能对穿通信号进行控制。在图7的（a）结构中单个波长的上下都需要经过复用/解复用器的固定端口，因此该结构的ROADM被称为是与波长相关（colored）的。（a）上下路端口与波长相关（colored）（b）上下路端口与波长无关（colorless）图7基于WSS的多维ROADM内部结构基于WSS的ROADM还可以进一步扩展成与波长无关（colorless）的更灵活的结构（图7的b），每个线路方向的WSS都和一个或若干个本地上路和下路方向所对应的WSS进行互连，之后通过其它WSS、耦合器或可调滤波器来完成单个波长的复用/解复用，从而实现任意波长可以从任意方向的任意端口上下，即所有上下路端口都与波长无关。利用多维WSS的扩展端口构建的四个方向ROADM节点结构如图8所示，1×9的WSS器件可昀大扩展为8个方向，当然多维ROADM的系统成本和控制复杂度随着方向数的增加而大幅提高。7图8四维ROADM节点（colorless）示意图采用WSS器件还可以构建多方向的WXC（波长交叉连接器）节点，即仅进行多方向的全光波长交叉调度，而不需要本地的波长上下。图9为基于WSS的8方向WXC节点结构示意图，每个方向40个波长。对于N个方向（即N个输入光纤和N个输出光纤）的WXC节点，每个方向（即每根光纤）上有M个波长，则WXC需要配置N个复用器、N个解复用器、M个N×N交叉模块，且端口与波长无关。图9基于WSS的WXC节点内部结构（8方向、40波/方向）83.3ROADM的网络保护/恢复功能ROADM设备除继承WDM系统原有的1+1波长保护、1：N波长保护外，还可以利用ROADM的波长资源可重构的重要特征，构建光波长级别或光复用段级别的网络保护功能，例如光波长通道共享保护、光复用段保护以及OTU的设备级共享保护等；引入GMPLS/ASON控制平面，ROADM还可以支持多方向的波长动态恢复功能，针对不同业务需求提供不同等级的SLA，例如永久性1＋1、1＋1、1：1、动态重路由、无保护等。虽然目前ROADM器件的波长重构时间较长（几百毫秒），基于这些器件上的保护应用可能还有所不足，但随着器件技术的发展，ROADM器件的波长重构时间将逐渐缩短，基于ROADM的网络保护/恢复功能也将越来越实用。3.4ROADM的管理功能ROADM设备的管理功能除了包括故障、性能、配置和安全四大管理功能以外，还应具备功率自动管理功能和波长管理功能等。ReconfigurableADDModuleDEMUX1MUXDropChannelsOpticalSwitchTapMonitorDEMUX2AddChannels30%/70%TapCouplerVOALine-InLine-OutExpress-OutExpress-In1%TapMonitor控制接口1.获得每个通道的功率值2.计算适当的光功率值3.发送命令调整内部VOA图10ROADM光功率自动管理功能的实现机制ROADM的功率自动管理功能采用软件控制和光功率自动监控技术来实现，是新一代ROADM和WDM网络的一项关键技术，保证了光链路具备高性能、安装简单和可重配置等能力，不需要手动调节就可完成线路功率和每个波长通道功率的自动调整，在线优化系统性能。如图10所示，其实现机制是先利用内部的分光器和光检测器来实现光性能监测（OPM），网管上的控制软件自动计算各控9制点的功率值并下发调整命令到各个可调衰耗器（VOA），来实现每个上路和直通波长的动态功率管理功能，从而控制因功率变化而产生的误码。更完善的光功率自动管理功能需要配置动态增益均衡器（DGE）或动态通道均衡器（DCE）等实现。ROADM对波长的管理能力包括端到端波长的自动发现、路径管理和配置功能以及波长资源冲突管理等。实现波长的自动发现和路径管理需要对波长进行有效的标识，可以在上下路的波长转换器上采用OTN的踪迹开销实现或每个波长信