ROADM全光交換網(wǎng)絡關鍵技術發(fā)展與應用展望

  0 引言

  在數(shù)字經濟時代，各個行業(yè)正積極推進數(shù)字化轉型，與此同時5G、云計算、AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興數(shù)字技術得到迅猛的發(fā)展，這對傳輸帶寬與網(wǎng)絡質量提出了更高的要求。應對這樣的網(wǎng)絡挑戰(zhàn)，推進全光網(wǎng)絡的建設是至關重要的解決途徑和手段?！耙圆ㄩL選擇開關(wavelength selected switch，WSS)為基礎的我國全光網(wǎng)(all-optical network，AON)”概念首次出現(xiàn)在2008年前后，主要在城域接入層采用光纖替代銅線，即“光進銅退”，繼而以波分復用(wavelength division multiplexing，WDM)為代表的全光傳輸技術在骨干網(wǎng)普及，這一時期被稱為全光網(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)絡研討會(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技術白皮書》，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，滿足云網(wǎng)融合和數(shù)字化經濟發(fā)展趨勢下的業(yè)務需求，需要引入可重構光分插復用器(reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM)等新技術和組網(wǎng)，在設備和運營層面進行創(chuàng)新。ROADM技術可實現(xiàn)自動路徑調度和業(yè)務恢復，將傳統(tǒng)的點到點鏈路變?yōu)殪`活的光網(wǎng)絡，是目前商用程度高、技術成熟的全光交換技術。在ROADM網(wǎng)絡中，從合波信號中分插出任意單波或合波信號通過WSS實現(xiàn)多個維度的動態(tài)光波長調度。網(wǎng)絡節(jié)點采用 ROADM 后，網(wǎng)管系統(tǒng)可以控制某個波長通過這個光節(jié)點或者從本地端口下路，主要特點是支持動態(tài)調度，即波長級別可遠程調度，無須人工進站跳纖，從而實現(xiàn)快捷的業(yè)務指配、更加自動化的處理及簡化的網(wǎng)絡規(guī)劃和施工，使得具有比傳統(tǒng)波分更為強大的網(wǎng)絡監(jiān)控能力和網(wǎng)絡擴展能力。ROADM 技術于2017 年由中國電信引入我國經濟發(fā)達的長三角區(qū)域干線網(wǎng)絡，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(qū)域干線網(wǎng)絡，通過分大區(qū)ROADM網(wǎng)絡實現(xiàn)了全國范圍內的覆蓋。同時引入網(wǎng)絡保護恢復技術波長交換光網(wǎng)絡(wavelength switched optical network，WSON)技術，實現(xiàn)了業(yè)務的動態(tài)重路由保護功能，大大提升了網(wǎng)絡的可靠性、安全性及生存能力。中國聯(lián)通也在 2019 年啟動了京津冀區(qū)域ROADM網(wǎng)絡建設，并逐步擴大覆蓋范圍，現(xiàn)已通過“全國一張網(wǎng)”的方式覆蓋了京津冀、長三角、粵港澳、魯豫鄂、成渝五大經濟圈，實現(xiàn)了IP169超核節(jié)點、中國聯(lián)通自有IDC 100%覆蓋，可實現(xiàn)樞紐間的光電協(xié)同調度。

  1 ROADM關鍵技術發(fā)展

  1.1 ROADM設備

  ROADM設備形態(tài)有多種，當前在現(xiàn)網(wǎng)中廣泛使用的是 CD-ROADM，其中，C(colorless)、D (directionless)分別指波長無關和方向無關。采用WSS級聯(lián)的方式，可以實現(xiàn)光層業(yè)務上下端口波長可調、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 的基礎上多了一個表示競爭無關的 C (contentionless)，CDC 的功能通過多維度上下路波長選擇開關(add and drop wavelength select switch，ADWSS)實現(xiàn)，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)模式可實現(xiàn)最多M個使用相同波長的業(yè)務光信號同時進行線路到本地的下波或者本地到線路的上波，弱化了波道規(guī)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)絡中廣泛使用 20 維WSS，隨著業(yè)務的不斷發(fā)展，已經逐步出現(xiàn)方向維度數(shù)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(shù)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。為了解決這些問題，基于光背板的ROADM設備——光交叉連接(optical cross-connect，OXC)器問世了。OXC是目前最先進的光交換技術，不僅解決了光纖連接的問題，而且具備高集成度、易擴展、易開局、易運維的優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)ROADM基于板件分離的方式，OXC通過光背板實現(xiàn)集成式全光路互連，可實現(xiàn)插卡式擴容，且新增板卡能立即通過光背板與已有業(yè)務形成互連關系，構建全光交換資源池，實現(xiàn)高集成度、無纖化的全光交叉，有效地提升了大顆粒業(yè)務的交換效率，同時簡化了網(wǎng)絡規(guī)劃難度并節(jié)省了機房空間。OXC部署過程中連纖少，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， OXC這種創(chuàng)新的架構使接入和線路側模塊分離，還能極大簡化網(wǎng)絡擴容工作。

  1.2 WSON技術

  現(xiàn)有ROADM網(wǎng)絡的WSON采用分布式算路策略，即首節(jié)點負責計算業(yè)務路徑/恢復路徑，同時也負責從首節(jié)點到末節(jié)點端到端業(yè)務連接的建立、刪除和連接狀態(tài)管理等。分布式WOSN存在支持網(wǎng)絡規(guī)模小、恢復性能不確定的特點。隨著業(yè)務云化、網(wǎng)絡規(guī)模的超大化，分布式架構已經無法滿足未來ROADM網(wǎng)絡的演進需求。為應對面臨的挑戰(zhàn)，WSON需要持續(xù)發(fā)展演進到WSON2.0時代。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架構具備動態(tài)全局資源管理和路由統(tǒng)一計算能力，提供更豐富的全局性路由策略，而且網(wǎng)絡中每個業(yè)務節(jié)點仍保留路由計算和業(yè)務控制管理能力，從而讓整網(wǎng)路由計算能力具備更高的穩(wěn)健性。WSON2.0架構有效地解決了路由資源沖突問題，并為確定的業(yè)務恢復時間提供了架構能力基礎，2020 年在中國電信西南區(qū)域ROADM 網(wǎng)絡中就基于 WSON2.0 的技術方案進行了驗證測試。結果表明，重路由資源沖突問題得到有效解決，重路由性能提升了50%以上。

圖2 集中+分布式WSON2.0架構

  同時，光傳輸單元(optical transport unit， OTU)快速變波長、信令協(xié)議報文的硬化轉發(fā)、智能調測等技術，可以將恢復時間從秒級到分鐘級不確定時間優(yōu)化為可確定性的時間，有效提升業(yè)務的可用率指標，可以進一步提升ROADM網(wǎng)絡的恢復性能。

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

  業(yè)務流量持續(xù)增長需要全光網(wǎng)能夠具備單波400 Gbit/s速率以滿足帶寬需求。而對于ROADM網(wǎng)絡而言，單波速率的提升需要光交叉WSS技術同步進行創(chuàng)新和優(yōu)化。400 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)采用Super C+L波段，需要挑戰(zhàn)在有限的 WSS 模塊空間內實現(xiàn)更寬譜寬的無阻塞波長調度。WSS的光交換引擎可以對光束進行智能化控制，現(xiàn)有的光交換引擎主要包括數(shù)字光處理器芯片、液晶芯片、微機械機電系統(tǒng)(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(shù)字光處理器芯片和液晶芯片只可以實現(xiàn)兩個光束偏轉角度的切換，因此難以實現(xiàn)大端口的WSS器件。MEMS芯片可以在一定的角度范圍內實現(xiàn)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，通過控制光束相位，實現(xiàn)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。經過多年的技術方案研究和實踐，LCoS芯片已經作為 WSS 主要的光交換引擎被用于全光網(wǎng)絡的建設。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(shù)量和像素尺寸決定，像素數(shù)量越多、像素尺寸越大，則WSS濾波帶寬越高。WSS的端口數(shù)目由LCoS在端口方向分配給單位信道間隔的像素數(shù)量和像素尺寸決定，像素數(shù)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(shù)目提升。400 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)所需要的寬譜大端口WSS需要將當前LCoS的像素數(shù)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50 GHz間隔的信道所分配到的像素數(shù)量和常規(guī) C80/C96 系統(tǒng)相比沒有減少，避免C120+L 波段信道數(shù)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。

圖3 LCoS像素示意圖

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

  2 ROADM網(wǎng)絡應用展望

  ROADM網(wǎng)絡創(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，盤活了網(wǎng)絡資源，提升了網(wǎng)絡利用率，減少了機房和纖芯。同時，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)絡時延，從網(wǎng)絡結構和路由組織上減少了時延，實現(xiàn)了降本增效和節(jié)能減排。作為ROADM網(wǎng)絡應用的典型案例，目前已建成的華北、華南、西南、西北和東北五大區(qū)域ROADM 規(guī)模應用已充分驗證了其可行性和優(yōu)異性。ROADM 打造了一張高品質基礎網(wǎng)絡，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)務的智能快速動態(tài)恢復能力，實現(xiàn)了ChinaNet質量業(yè)界領先。ROADM 的逐步建設促進了ChinaNet運行質量大幅提升，網(wǎng)絡平均時延累積改善超4 ms，中國電信互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)內運行質量統(tǒng)計圖(只保留時延)如圖4所示。

圖4 中國電信互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)內運行質量統(tǒng)計圖(只保留時延)

  在當前 ROADM 骨干全光網(wǎng)絡的基礎上，可擴展其覆蓋范圍、承載能力以及豐富內容內涵，進一步發(fā)揮 ROADM 網(wǎng)絡能力，增強網(wǎng)絡價值。云網(wǎng)協(xié)同以及全面構建全光網(wǎng)是發(fā)揮 ROADM 網(wǎng)絡能力的重要抓手，可在以下方面體現(xiàn)其重要價值。(1)云光協(xié)同，構建算力網(wǎng)絡“東數(shù)西算”工程構建了國家級算力網(wǎng)絡體系。算力網(wǎng)絡的目標架構是實現(xiàn)端-邊-云的智能化連接、自有算力與社會算力的靈活高效連接，以及“計算+網(wǎng)絡”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。全光ROADM網(wǎng)絡的大帶寬、確定性低時延、零丟包、低抖動、高可靠、高安全和全業(yè)務接入等高品質原生連接能力，天然匹配算力網(wǎng)絡中提出的各項網(wǎng)絡需求，是實施算力網(wǎng)絡首選的網(wǎng)絡技術。東數(shù)西算網(wǎng)絡時延架構如圖5所示。

圖5 東數(shù)西算網(wǎng)絡時延架構

  (2)ROADM下沉到邊緣，構建全光基礎網(wǎng)推進城域WDM 網(wǎng)下沉到邊緣，根據(jù)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(jié)點可引入高維度ROADM或OXC，在城域邊緣接入需要引入低成本、低維度 ROADM，代替?zhèn)鹘y(tǒng)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)，實現(xiàn)城域靈活動態(tài)組網(wǎng)。構建具有架構極簡、容量超高、靈活可靠以及綠色節(jié)能的全光底座。

  3 結束語

  ROADM網(wǎng)絡作為全光網(wǎng)2.0中的重要組成部分，能夠滿足網(wǎng)絡扁平化、業(yè)務大帶寬/低時延、網(wǎng)絡綠色低碳的發(fā)展目標與需求。擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，適時引入 OXC、32 維高維度 WSS、CDC-ROADM、400 Gbit/s FlexGrid ROADM、WSON2.0 智能控制平面、波長快速調諧和快速交換等新技術，可以實現(xiàn)可承諾的快速故障恢復，進一步夯實網(wǎng)絡能力、提升用戶體驗。并且要深入挖掘 ROADM 的能力，從縱向的網(wǎng)絡覆蓋層次到橫向的網(wǎng)絡承載業(yè)務內容上進行探索、研究、論證與應用，充分發(fā)揮與實現(xiàn)ROADM全光交換網(wǎng)絡價值。

  作者簡介

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)絡等 。

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

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

  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)絡等 。