ROADM全光交换网络关键技术发展与应用展望

  0 引言

  在数字经济时代，各个行业正积极推进数字化转型，与此同时5G、云计算、AI、大数据、物联网等新兴数字技术得到迅猛的发展，这对传输带宽与网络质量提出了更高的要求。应对这样的网络挑战，推进全光网络的建设是至关重要的解决途径和手段。“以波长选择开关(wavelength selected switch，WSS)为基础的我国全光网(all-optical network，AON)”概念首次出现在2008年前后，主要在城域接入层采用光纤替代铜线，即“光进铜退”，继而以波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)为代表的全光传输技术在骨干网普及，这一时期被称为全光网1.0阶段。而“全光网2.0”的概念由中国电信于 2017 年在中国光网络研讨会(Optinet China)上首次提出。2021年11月，中国电信发布了《中国电信全光网2.0技术白皮书》，全面阐述了中国电信全光网2.0的概念和“三化”愿景。全光网2.0要在全光网1.0的基础上，满足云网融合和数字化经济发展趋势下的业务需求，需要引入可重构光分插复用器(reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM)等新技术和组网，在设备和运营层面进行创新。ROADM技术可实现自动路径调度和业务恢复，将传统的点到点链路变为灵活的光网络，是目前商用程度高、技术成熟的全光交换技术。在ROADM网络中，从合波信号中分插出任意单波或合波信号通过WSS实现多个维度的动态光波长调度。网络节点采用 ROADM 后，网管系统可以控制某个波长通过这个光节点或者从本地端口下路，主要特点是支持动态调度，即波长级别可远程调度，无须人工进站跳纤，从而实现快捷的业务指配、更加自动化的处理及简化的网络规划和施工，使得具有比传统波分更为强大的网络监控能力和网络扩展能力。ROADM 技术于2017 年由中国电信引入我国经济发达的长三角区域干线网络，在此后的几年内，中国电信又相继建成了华北、华南、东北、西南、西北等区域干线网络，通过分大区ROADM网络实现了全国范围内的覆盖。同时引入网络保护恢复技术波长交换光网络(wavelength switched optical network，WSON)技术，实现了业务的动态重路由保护功能，大大提升了网络的可靠性、安全性及生存能力。中国联通也在 2019 年启动了京津冀区域ROADM网络建设，并逐步扩大覆盖范围，现已通过“全国一张网”的方式覆盖了京津冀、长三角、粤港澳、鲁豫鄂、成渝五大经济圈，实现了IP169超核节点、中国联通自有IDC 100%覆盖，可实现枢纽间的光电协同调度。

  1 ROADM关键技术发展

  1.1 ROADM设备

  ROADM设备形态有多种，当前在现网中广泛使用的是 CD-ROADM，其中，C(colorless)、D (directionless)分别指波长无关和方向无关。采用WSS级联的方式，可以实现光层业务上下端口波长可调、本站上下路端口可任意改变传送方向。而CDC-ROADM是一种灵活的ROADM设备形态，在 C、D 的基础上多了一个表示竞争无关的 C (contentionless)，CDC 的功能通过多维度上下路波长选择开关(add and drop wavelength select switch，ADWSS)实现，基于 M×N ADWSS 的CDC-ROADM结构如图1所示，M×N的ADWSS构成的CDC组网模式可实现最多M个使用相同波长的业务光信号同时进行线路到本地的下波或者本地到线路的上波，弱化了波道规划要求，提高了组网灵活性，当前已有部署案例。

图1 基于M×N ADWSS的CDC-ROADM结构

  在当前的 ROADM 网络中广泛使用 20 维WSS，随着业务的不断发展，已经逐步出现方向维度数量不足的情况，因此，需要更高维度的32 维 WSS 器件，但维度变高，光纤连纤数量大幅增加，32维需要32×32×2=2 048根光纤，这大大增加了连纤错误概率以及维护难度。为了解决这些问题，基于光背板的ROADM设备——光交叉连接(optical cross-connect，OXC)器问世了。OXC是目前最先进的光交换技术，不仅解决了光纤连接的问题，而且具备高集成度、易扩展、易开局、易运维的优点。相比于传统ROADM基于板件分离的方式，OXC通过光背板实现集成式全光路互连，可实现插卡式扩容，且新增板卡能立即通过光背板与已有业务形成互连关系，构建全光交换资源池，实现高集成度、无纤化的全光交叉，有效地提升了大颗粒业务的交换效率，同时简化了网络规划难度并节省了机房空间。OXC部署过程中连纤少，能有效避免工程和维护中的错连情况，因此其安装维护成本非常低。同时， OXC这种创新的架构使接入和线路侧模块分离，还能极大简化网络扩容工作。

  1.2 WSON技术

  现有ROADM网络的WSON采用分布式算路策略，即首节点负责计算业务路径/恢复路径，同时也负责从首节点到末节点端到端业务连接的建立、删除和连接状态管理等。分布式WOSN存在支持网络规模小、恢复性能不确定的特点。随着业务云化、网络规模的超大化，分布式架构已经无法满足未来ROADM网络的演进需求。为应对面临的挑战，WSON需要持续发展演进到WSON2.0时代。WSON2.0的架构需要在原有分布式架构的基础上，具备集中+分布式协同的全新架构，集中+分布式WSON2.0架构如图2所示。WSON2.0架构具备动态全局资源管理和路由统一计算能力，提供更丰富的全局性路由策略，而且网络中每个业务节点仍保留路由计算和业务控制管理能力，从而让整网路由计算能力具备更高的稳健性。WSON2.0架构有效地解决了路由资源冲突问题，并为确定的业务恢复时间提供了架构能力基础，2020 年在中国电信西南区域ROADM 网络中就基于 WSON2.0 的技术方案进行了验证测试。结果表明，重路由资源冲突问题得到有效解决，重路由性能提升了50%以上。

图2 集中+分布式WSON2.0架构

  同时，光传输单元(optical transport unit， OTU)快速变波长、信令协议报文的硬化转发、智能调测等技术，可以将恢复时间从秒级到分钟级不确定时间优化为可确定性的时间，有效提升业务的可用率指标，可以进一步提升ROADM网络的恢复性能。

  1.3 单波400 Gbit/s FlexGrid ROADM组网

  业务流量持续增长需要全光网能够具备单波400 Gbit/s速率以满足带宽需求。而对于ROADM网络而言，单波速率的提升需要光交叉WSS技术同步进行创新和优化。400 Gbit/s光传输系统采用Super C+L波段，需要挑战在有限的 WSS 模块空间内实现更宽谱宽的无阻塞波长调度。WSS的光交换引擎可以对光束进行智能化控制，现有的光交换引擎主要包括数字光处理器芯片、液晶芯片、微机械机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)芯片以及硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)芯片等。不同的交换引擎有不同的特性，其中数字光处理器芯片和液晶芯片只可以实现两个光束偏转角度的切换，因此难以实现大端口的WSS器件。MEMS芯片可以在一定的角度范围内实现任意光束偏转角度的切换，但MEMS芯片镜面尺寸较大(通常大于 50 μm)，无法支持 FlexGrid功能。LCoS芯片是一种灵活可编码的相位型空间光调制器，通过控制光束相位，实现高衍射效率的光束偏转及光功率的精细控制，支持大端口调度。LCoS芯片的像素尺寸可达到4 μm左右，具有FlexGrid特性，支持WSS通道带宽的灵活调配。经过多年的技术方案研究和实践，LCoS芯片已经作为 WSS 主要的光交换引擎被用于全光网络的建设。WSS的滤波带宽由LCoS在色散方向分配给单位信道间隔的像素数量和像素尺寸决定，像素数量越多、像素尺寸越大，则WSS滤波带宽越高。WSS的端口数目由LCoS在端口方向分配给单位信道间隔的像素数量和像素尺寸决定，像素数量越多、像素尺寸越小，则LCoS偏转插入损耗越小，端口间串扰越小，支持WSS端口数目提升。400 Gbit/s光传输系统所需要的宽谱大端口WSS需要将当前LCoS的像素数量从2 000提升到2 400以上，LCoS 像素示意图如图3 所示。这样可以保证C120波段每个50 GHz间隔的信道所分配到的像素数量和常规 C80/C96 系统相比没有减少，避免C120+L 波段信道数目增加而引起滤波性能变差，以及因端口隔离度不足而引入信噪比代价。

图3 LCoS像素示意图

  另外，C120波段意味着WSS需要在更宽的光频谱范围内实现更多信道的光束偏转，这些需要 LCoS 芯片控制算法实现。配合更多像素的LCoS芯片需要多维度的创新性LCoS芯片控制算法，使能高维度的光束偏转，保障当 LCoS 芯片承载更多波长的时候，插入损耗、端口串扰和滤波损伤等性能不会有太大的劣化。

  2 ROADM网络应用展望

  ROADM网络创新性地采用一二干融合架构，使得一二干波道资源可以共享，盘活了网络资源，提升了网络利用率，减少了机房和纤芯。同时，还减少了从大型枢纽不必要的路由迂回以及背靠背的电层中继，优化了网络时延，从网络结构和路由组织上减少了时延，实现了降本增效和节能减排。作为ROADM网络应用的典型案例，目前已建成的华北、华南、西南、西北和东北五大区域ROADM 规模应用已充分验证了其可行性和优异性。ROADM 打造了一张高品质基础网络，基于ROADM 光层网格化组网和控制平面形成面向公众业务的智能快速动态恢复能力，实现了ChinaNet质量业界领先。ROADM 的逐步建设促进了ChinaNet运行质量大幅提升，网络平均时延累积改善超4 ms，中国电信互联网网内运行质量统计图(只保留时延)如图4所示。

图4 中国电信互联网网内运行质量统计图(只保留时延)

  在当前 ROADM 骨干全光网络的基础上，可扩展其覆盖范围、承载能力以及丰富内容内涵，进一步发挥 ROADM 网络能力，增强网络价值。云网协同以及全面构建全光网是发挥 ROADM 网络能力的重要抓手，可在以下方面体现其重要价值。(1)云光协同，构建算力网络“东数西算”工程构建了国家级算力网络体系。算力网络的目标架构是实现端-边-云的智能化连接、自有算力与社会算力的灵活高效连接，以及“计算+网络”算网一体的融合架构，向千行百业提供泛在智能、高效算力的端到端算网服务。全光ROADM网络的大带宽、确定性低时延、零丢包、低抖动、高可靠、高安全和全业务接入等高品质原生连接能力，天然匹配算力网络中提出的各项网络需求，是实施算力网络首选的网络技术。东数西算网络时延架构如图5所示。

图5 东数西算网络时延架构

  (2)ROADM下沉到边缘，构建全光基础网推进城域WDM 网下沉到边缘，根据云网融合和云边协同等趋势，优选ROADM光交换调度替代电层转接，发挥全光网的优势。城域核心节点可引入高维度ROADM或OXC，在城域边缘接入需要引入低成本、低维度 ROADM，代替传统的合波器/分波器/固定光分叉复用器(multiplex/demultiplex/fixed optical add-drop multiplexer，MUX/DMUX/FOADM)固定组网，实现城域灵活动态组网。构建具有架构极简、容量超高、灵活可靠以及绿色节能的全光底座。

  3 结束语

  ROADM网络作为全光网2.0中的重要组成部分，能够满足网络扁平化、业务大带宽/低时延、网络绿色低碳的发展目标与需求。扩大网络的覆盖范围，适时引入 OXC、32 维高维度 WSS、CDC-ROADM、400 Gbit/s FlexGrid ROADM、WSON2.0 智能控制平面、波长快速调谐和快速交换等新技术，可以实现可承诺的快速故障恢复，进一步夯实网络能力、提升用户体验。并且要深入挖掘 ROADM 的能力，从纵向的网络覆盖层次到横向的网络承载业务内容上进行探索、研究、论证与应用，充分发挥与实现ROADM全光交换网络价值。

  作者简介

吕凯(1992-)，男，博士，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为光传输、光网络等 。

  齐斌(1981-)，男，华为技术有限公司高级工程师，主要研究方向为光通信 。

  钟胜前(1979-)，男，华为技术有限公司高级工程师，主要研究方向为光网络 。

  张安旭(1985-)，男，博士，中国电信股份有限公司研究院高级工程师，主要研究方向为光传输、光网络等 。

  冯立鹏(1993-)，女，博士，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为光传输、光网络等 。