0 引言
20世紀70年代，激光器和光纖技術相繼有了重大突破，使得光纖通信的應用變成可能。美國貝爾研究所發明了低損耗光纖製作法（CVD法，汽相沉積法），使光纖損耗降低到1 dB/km；1977年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時研製成功壽命達100萬小時的半導體激光器，從而有了真正實用的激光器。1977年，世界上第一條光纖通信系統在美國芝加哥市投入商用，速率為45 Mbit/s。
光纖通信的引入讓傳輸的容量得到幾何級的增長，帶動了通信產業應用的快速發展。隨著網絡運營者對DWDM網絡管理和調度靈活性要求的提高，在21世紀初，ROADM架構得到商業部署。其架構從第1代的二維ROADM系統，到第2代多維ROADM系統，到第3代集成了穿通層、上下路層及光通道格柵的可重構性為一體的PXC（Photonic CrossConnect System）系統，其靈活度越來越高，實現了光通道層的任意到任意的交叉調度。
ROADM以其靈活調度、交換容量大、時延低、功耗低等特點越來越受到運營商和企業客戶的青睞；彈性柵格ROADM是邁向100G+和超級通道的必要條件，而控制平面及SDN的引入讓ROADM網更加健壯，管理更加靈活，更易於實現多廠商互操作，讓解耦型的OPEN ROADM成為可能。ROADM技術在歐美運營商及企業客戶中已經成熟商用多年，近幾年國內運營商開始進行ROADM的現網實驗和商用部署。
1 ROADM的可重構性的發展
1.1 第1代ROADM 2維度可重構架構
2001開始首次實現商業化的ROADM 技術是波長阻斷器（WB）技術，其工作原理如圖1所示，通過分光器把所有波長信號都按功率分為2束，一束經過WB 模塊，另一束則傳到下行濾波器，將選定的信號在本地下路，實現波長選收。技術已經很成熟，在上/下路波長數目不多時，其具有結構簡單、成本低、模塊化程度高等優點。
圖1 基於WB技術的ROADM架構
2003 年前後，出現了基於平面光波導迴路（PLC） 技術，通過集成波導技術，將解複用器（通常是AWG）、1×2 或2×2 光開關、VOA、分光器及複用器等集成在一塊芯片上，提高了ROADM 的集成度，降低了系統成本。其功能如圖2所示。
圖2 基於PLC技術的ROADM架構示意圖
2個維度的ROADM，適用於簡單的鏈狀或環狀組網，技術特點為：從一個方向光纖來的多波長信號首先通過分光器分成直通和下路兩部分，直通部分經解波去掉下路波長後與上路多波長合波輸出。本地可方便地重構上/下路波長，從而避免O/E/O 的轉換，節省相關費用。這也有助於減少時延，提供透明的比特率，有利於網絡的規劃、管理和維護。
1.2 第2代ROADM 多維度可重構架構
2個維度以上互連的ROADM架構能夠完成2個以上方向或自由度互連，可以滿足組多個環網或者網狀網的需求，核心器件是波長選擇開關（WSS——wavelength Selective Switch）。WSS 最大的特點是每個波長都可以被獨立地交換。多端口的WSS 模塊能獨立地將任意波長分配到任意路徑，因此基於WSS 技術的ROADM具有多個自由度，可實現Mesh 網絡互聯。
如圖3所示，主流WSS採用衍射光柵或AWG進行濾波，然後通過MEMS控制微反射鏡進行波長交換。典型維度數為4~9個維度，架構可以分為B&S （Broadcast and Select）和R&S （Route and Select）。廠商根據市場需求開始加入上下路層的可重構技術，如Colorless、Directionless 或Colorless + Directionless。
圖3 基於MEMS的WSS架構示意圖
2個維度以上的ROADM架構，採用了多端口WSS模塊，加上後期引入的無色無向功能，已經可以實現很高的光層彈性，將任意波長指配到任意路徑，從而實現Mesh 網絡互聯。
1.3 第3代ROADM 多維度、彈性柵格、上下路可重構光交叉架構
第3代ROADM集穿通層、上下路層及光通道格柵的可重構性為一體，稱為新一代的PXC系統（Photonic CrossConnect System）。如圖4所示，主流WSS採用硅基液晶（LCOS）技術，實現彈性柵格（flexi-grid）功能，支持可變channel寬度以及超級通道。目前商用的維度為4~20維。
圖4 基於LCOS技術的WSS工作原理
彈性柵格是第3代ROADM的一個重要技術。在傳統DWDM技術中，各種的分合波器件，如Mux、Demux、ROADM等都是基於固定的帶寬柵格定義，如50/100 GHz。而在可變帶寬光網絡中，為了支持新型高速和超高速數據傳輸並提高網絡資源利用率，系統根據各信號需要的頻譜分配不同的帶寬。因此在可變帶寬光網絡中，所有的分合波器件需要能夠進行動態帶寬分配，其中可以進行動態波長上下和帶寬分配的新型ROADM顯得尤為重要，因為目前就靈活柵格涉及使能技術而言，商用器件中僅可變帶寬ROADM相對成熟。
如圖5所示，傳統的DWDM系統使用固定的50/100 GHz柵格，中心頻率和通道寬度都是確定的，即使只有不到25 GHz寬度的10G/40G波道，也需要佔用50 GHz的光譜，而且無法支持多個載波的超級通道。引入了彈性柵格技術後，通過對不同速率的通道定義不同的中心頻率和通道寬度，可以大大提高光譜效率和傳送容量，還可以利用超級通道更低的濾波代價來提升傳送距離。
圖5 彈性柵格帶來的頻譜效率的提升
在上下路層，採用C-AD、CD-AD或CDC-AD實現其可重構性。其中CDC-AD採用多級開關（Multi-Cast Switch）。上下路也需要支持彈性柵格，以保障端到端的柵格重構性（見圖6）。
圖6 C-AD、CD-AD、CDC-AD上下路架構
相干濾波技術的採用讓ROADM上下路不再需要堆疊很多的WSS來進行濾波，其架構變得簡單、經濟，也為現網部署提供了有利條件。
2 ROADM應用的優勢和限制
2.1 ROADM應用的優勢
ROADM作為可以在光層靈活調度的波分複用系統，其應用的優勢包括：
a） 靈活調度，交換容量大，任意波長可以從任一方向交換到任一方向。
b） 時延低，儘可能減少電層處理時間。
c） 功耗低，目前平均一個維度光交叉帶來的功耗約為50 W，將來會進一步降低。
d） 空間佔用少，WSS等光器件不斷向小型化低功耗方向發展。
e） 靈活光柵WSS，支持100G+和超級通道。
f） GMPLS 控制平面，提升網絡彈性和生存能力。
2.2 ROADM應用的限制
受限於光傳送的特性和ROADM的架構，ROADM的應用目前還有一些限制：
a） 靈活度只到光通道層面，無法實現更小顆粒業務的aggregation和grooming。
b） 需考慮光損傷、性能感知，否則可能路由可達，但性能不可達。
2.3 ROADM部署的時機
具體選擇何種架構方案，需要基於各方面因素進行綜合考慮。ROADM應用的優勢和限制特徵鮮明，是否採用主要取決於應用場景和成本因素。從網絡的特徵及發展趨勢來看，目前是ROADM部署的很好時機。
a） 帶寬需求增長，受限功耗和體積，電交叉容量無法無限制增加。
b） 業務顆粒變大，一干二幹甚至城域的調度顆粒從10G為主逐漸演變成100G為主，業務匯聚和梳理的需求變弱。
c） 時延要求提高，用戶端業務對實時性要求越來越高。
d） 對網絡彈性和生存能力要求更高。
e） WSS器件footprint和成本大幅減低。
f） 光性能感知技術的實現，解決了ROADM的相關技術瓶頸。
g） SDN讓ROADM更智能，更高效。
h） 能耗和空間越來越成為工程建設的瓶頸。
3 ROADM的未來發展趨勢
隨著越來越多的ROADM網絡的部署和應用，市場對ROADM技術提出了新的要求。
3.1 WSS器件發展趨勢
新的架構和需求要求WSS性能提升，端口數量增加，成本空間降低等，包括：
a） 提升器件性能，如減小插損，改善濾波形態降低濾波代價。
b） 提升WSS端口數量，滿足C-AD/CDC-AD對WSS端口的高消耗。
c） 集成的N×M CD-AD，提升集成度並降低成本。
d） 降低WSS單體成本。
e） 降低footprint。
3.2 光性能感知
在光層性能方面，需考慮光損傷、性能感知，否則可能路由可達，但性能不可達。需要離線或在線的規劃軟件對光性能進行驗證，保證端到端的性能可達。
目前對光性能感知的實現主要有3種方式。
a） 第1種是用離線的規劃軟件，根據網絡目前的相關狀態，比如光纜類型/長度/衰耗、CD、PMD等，靜態地計算路徑的光性能有效性，如果性能OK則將對應的連接建立，否則不予建立連接，需要另外找別的路徑。這種方式適用於靜態路徑和時效性要求不高的場景。
b） 第2種是用離線的規劃軟件，根據網絡目前的相關狀態，比如光纜類型/長度/衰耗、CD、PMD等，靜態地計算OMS link的光性能，將其等價為一定數值來表徵其性能代價，網管或控制平面可以通過計算經過OMS的代價值來判斷光性能是否可達。這種方式可以應用在靜態路徑或動態重路由的場景，限制是性能代價值不是實時的，不能精確反映當前網絡狀態。
c） 第3種則是將規劃引擎植入到網管或SDN控制器裡，實現動態路由計算後的實時光性能驗證。這種方案是最準確實時的，但是對規劃引擎的算法及相關主機硬件性能提出很高的要求。
3.3 Open ROADM
從IT行業的硬件、操作系統和應用的分離，到最近的數據中心的計算、存儲和網絡的分離，解耦的趨勢正向更廣範圍的通信設備市場擴展。其影響逐漸SDN化，將控制平面和傳送平面解耦，其影響逐漸NFV化，將硬件和軟件功能解耦。具體到ROADM，解耦以Open ROADM的概念呈現。
目前，ROADM架構是基於廠商私有軟件控制的封閉系統，由廠商私有軟件來規劃、管理和維護。客戶每次選定了某個廠商的新的ROADM平臺，就意味著需對廠商私有的硬件和軟件進行測試，然後將其整合到網絡中，整合週期很長，大大降低了競爭和創新速度。Open ROADM項目的目標就是通過開放和解耦，引入更多的競爭和更快的創新，結合硬件的彈性和軟件控制，來解決當前傳統ROADM系統的不足。
Open ROADM用解耦的方式，將ROADM根據功能模塊進行拆解，而不同的功能模塊可以有不同的廠商來提供，各廠商提供的不同功能模塊提供開放接口，可以由SDN控制器/編排器來統一調度。其功能架構如圖7所示。
圖7 Open ROADM的解耦架構
Open ROADM的核心概念和價值，首先是開放的硬件，支持NetConf／YANG API、Open ROADM多源協議（MSA），將網絡和功能解耦，實現多廠商互通；其次是軟件控制，通過SDN控制器的智能，實現帶寬的自動檢測和調整、故障的偵測和自動恢復，以及對光性能的感知，實時準確地優化網絡性能。
Open ROADM的技術規格主要由OPEN ROADM MSA來定義，目前聚焦在metro部分，定義了ROADM交換，波長轉換器和可插拔光器件的規格，包括光層互操作性和數據模型。不過從應用的角度，Open ROADM MSA正在研究對更長傳送距離（1 000 km）和彈性柵格的支持，以滿足更多的應用場景。
4 總結
隨著新業務需求的快速發展，尤其視頻業務的高速增長，加上5G、IOT和OTT等新應用對帶寬的高消耗，傳送網需求呈現大顆粒、大容量、低時延等特點。受限於體積和功耗要求，電交叉容量無法無限制增長，而點對點DWDM方案又缺乏管理和調度的彈性，而能耗和空間越來越成為工程建設的瓶頸。ROADM架構經過二維ROADM、多維ROADM到集成了穿通層、上下路及柵格可重構的PXC系統的演進，已經成為非常適合傳送網的網絡架構。WSS器件的集成度的提升以及相干技術的應用讓ROADM架構變得更加簡單高效，成本大幅降低，也為ROADM部署提供了有利條件。
另外，ROADM技術仍在不斷地發展和完善，比如器件的功能和性能的提升、光性能感知技術以及Open ROADM的發展，會讓ROADM架構變得更加高效、智能和開放，提升了競爭和創新速度，讓產業快速發展。
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