ROADM區(qū)域組網(wǎng)在長途干線網(wǎng)絡中面臨的挑戰(zhàn)

  概述

  “中國制造2025”以加快新一代信息技術與制造業(yè)融合為主線，對網(wǎng)絡提出了智慧化和云化的要求。同時，隨著以5G、OTT、三重播放、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型電信業(yè)務的興起，電信網(wǎng)絡加速向寬帶化、大連接、動態(tài)化、低時延和低成本的方向演進。

  作為通信網(wǎng)絡最基礎的承載，光傳送網(wǎng)順應寬帶爆炸式增長的發(fā)展需求，網(wǎng)絡從單波2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s到100 Gbit/s只用了十余年時間，單波200 Gbit/s、400 Gbit/s的商用也已排上日程。至此，單光纖傳輸能力飛速提升到10 Tbit/s量級。同時，順應新型業(yè)務的靈活調度和智能化管理需求，ROADM以其調度靈活、交換容量大、時延低、功耗低等特點越來越受到運營商的青睞。本文在對比不同組網(wǎng)模式的基礎上，簡要介紹了ROADM區(qū)域組網(wǎng)的技術優(yōu)勢，重點分析了區(qū)域組網(wǎng)在干線傳輸網(wǎng)絡中帶來的新問題和挑戰(zhàn)，如ROADM區(qū)域劃分、何時新建一張ROADM網(wǎng)、纖芯資源占用多、規(guī)劃方式改變等等，并提出解決建議。

  ROADM區(qū)域組網(wǎng)的驅動力及優(yōu)勢

  組網(wǎng)模式是網(wǎng)絡規(guī)劃建設中需要重點考慮的議題，也是影響傳送網(wǎng)傳送能力的重要因素。隨著新業(yè)務的出現(xiàn)和新技術的演進，傳統(tǒng)組網(wǎng)方式已無法適應傳送網(wǎng)的發(fā)展需求，新型組網(wǎng)模式應運而生。

  2.1傳統(tǒng)組網(wǎng)模式

  長期以來，各大運營商的長途干線網(wǎng)絡傳統(tǒng)采用WDM/OADM技術進行鏈狀系統(tǒng)建設，即線性組網(wǎng)，主要用來承載電信自有業(yè)務。線性組網(wǎng)形式給電路的轉接調度帶來了天然的壁壘，不同系統(tǒng)之間的轉接只能通過OTU白光背靠背解決，光層的穿通只能在系統(tǒng)內通過跳纖實現(xiàn)。長途干線網(wǎng)絡傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式如圖1所示。圖1中，不同字母表示不同的城市機樓，機樓內不同顏色的小圓圈代表不同平臺的設備，不同顏色的線條表示不同廠家的系統(tǒng)。以F機樓為例，F(xiàn)點所建設的4條系統(tǒng)設備是物理分離的，當有調度需求時，只能通過手動跳纖的方式打通傳輸通道。

  在新型業(yè)務對傳送網(wǎng)提出“寬帶化、智能化、高效化”要求的當下，可重構光分插入復用器(ROADM)設備應運而生。在ROADM引入初期，仍然采用ROADM+線性WDM的組網(wǎng)方式，在原有基礎上提升了組網(wǎng)的靈活性，省去了中間節(jié)點光層穿通的人工跳纖，但并未打破線性組網(wǎng)模式的傳統(tǒng)。

圖1. 長途干線網(wǎng)絡傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式

  2.2區(qū)域組網(wǎng)的推動力

  2016年前后，各大運營商開始在長途干線層面推廣區(qū)域組網(wǎng)的方式組建區(qū)域ROADM網(wǎng)絡。主要推動力如下：

  a)在DC為核心的時代，DC流量迅猛增長，流向從南北向往東西向轉變，驅動網(wǎng)絡架構向MESH化發(fā)展。

  b)BAT等波長出租業(yè)務對業(yè)務快速部署、靈活調整提出了更高的要求。線性組網(wǎng)模式無法充分發(fā)揮ROADM設備波長可重構的靈活性，網(wǎng)狀網(wǎng)才能充分發(fā)揮出ROADM技術的優(yōu)勢，滿足出租業(yè)務動態(tài)可調整的需求。

  c)作為綜合承載的網(wǎng)絡，傳送網(wǎng)需要為不同的業(yè)務提供基于波長的不同的保護恢復能力，而鏈狀波分系統(tǒng)提供的是基于OLP或者是OMSP的保護。而且從拓撲角度，多維的MESH網(wǎng)絡能提供更高的可靠性。

  d)近年來，各大機房的空間、電源、空調等基礎資源非常緊張，尤其是樞紐節(jié)點，基礎資源的瓶頸常常阻滯工程的實施進度，從而影響業(yè)務的開通周期。在線性組網(wǎng)模式下，系統(tǒng)邊界天然形成了波道轉接的壁壘，不同波分系統(tǒng)之間只能通過白光OTU背靠背轉接，加劇了基礎資源的消耗。而采用ROADM區(qū)域組網(wǎng)可從最大程度減少光電轉接，從而減少對基礎資源的消耗。

  2.3ROADM區(qū)域組網(wǎng)的優(yōu)勢

  ROADM設備制式有多種類型。其中，方向相關波長相關和方向相關波長無關(C-ROADM)制式不具備自動調度、恢復能力;方向無關波長相關(D-ROADM)制式網(wǎng)管自動調度、恢復能力受限，僅在其余方向有同波道資源情況下才支持;方向無關波長無關(CD-ROADM)制式具備自動調度、恢復能力，波長沖突問題可通過擴展上下路分組模塊方式解決，器件成熟度較高;方向無關波長無關競爭無關(CDC-ROADM)制式器件復雜度相對較高，僅個別廠家相對成熟，且成本相對最高，由于MCS單元接口受限，單個節(jié)點最多只能支持192波業(yè)務上下，接入能力無法滿足長途干線傳輸?shù)男枨?。因此? ROADM區(qū)域組網(wǎng)的建網(wǎng)模式，建議采用方向無關波長無關(CD-ROADM)制式。

  ROADM區(qū)域組網(wǎng)模式把傳送網(wǎng)從傳統(tǒng)的點到點的鏈型系統(tǒng)升級演進為多維度的端到端網(wǎng)絡。其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

  a)時延可控。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，對于時延敏感業(yè)務，業(yè)務規(guī)劃可優(yōu)先選擇距離最短路由，并優(yōu)選性能優(yōu)良的光纜，從最大程度上減少電轉接次數(shù)，做到時延可控。

  b)投資可省。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，區(qū)域內采用同一廠家設備，減少系統(tǒng)間電層轉換，同時，充分發(fā)揮ROADM技術優(yōu)勢，最大限度地實現(xiàn)光層穿通能力，減少電層中繼，不僅有效降低對機房基礎資源的占用和消耗，還能控制網(wǎng)絡建設成本，彌補網(wǎng)絡能力和業(yè)務收入的剪刀差。

  c)網(wǎng)絡可靠。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，為業(yè)務提供多種點對點路由，具備抗多次斷纖的能力，網(wǎng)絡健壯性較強。同時，依托ROADM網(wǎng)絡的WSON功能，可為業(yè)務提供不同等級的保護恢復能力。

  d)流量可調。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，利用ROADM技術在光層的波長調度能力，依托WSON的自動算路功能，規(guī)避波長沖突，克服流量浪涌，實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)內所有業(yè)務的自動、靈活的調度，獲得高質量和高可靠性的信息流傳送。

  e)容量可擴。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，能充分發(fā)揮ROADM的多維能力，線路維度和本地維度均可按需擴容，平滑增加線路方向和上下波數(shù)量，解決波長沖突，具備良好的可擴展性。

  ROADM區(qū)域組網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

  近年來，各大運營商開始積極部署ROADM區(qū)域網(wǎng)。ROADM區(qū)域網(wǎng)與傳統(tǒng)鏈狀波分系統(tǒng)相比，具有節(jié)資增效、調度靈活等優(yōu)點，但新事物必定會催生新矛盾，ROADM區(qū)域組網(wǎng)也給網(wǎng)絡規(guī)劃設計帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。

  3.1ROADM區(qū)域劃分

  結合第2章節(jié)的內容，從理論上來說，區(qū)域越大，能獲得的光層穿通受益的可能性就越大。但ROADM網(wǎng)絡的區(qū)域并不能無限大，受以下因素限制。

  a)WSON管理能力的限制：受CPU、內存以及信息泛洪等因素的限制，主流設備廠家WSON網(wǎng)絡管理規(guī)模一般在150個ROADM節(jié)點左右。超出最大管理能力限制的網(wǎng)絡就需要分域管理。分域后，跨域業(yè)務的開通和恢復也會更復雜一些。

  b)WSS穿通帶來的光層代價：基于WSS器件插損較大的特點，多個ROADM節(jié)點串聯(lián)會影響業(yè)務的OSNR性能。一般而言，業(yè)務路由經(jīng)過6個ROADM節(jié)點會引入0.5 dB的OSNR代價，這會抑制ROADM的光穿通能力。

  c)業(yè)務恢復耗時：網(wǎng)絡規(guī)模越大，點到點的可達路由就越豐富，光纜故障時動態(tài)恢復所需時間就會越長。在網(wǎng)管CPU達到最大能力的情況下，網(wǎng)絡規(guī)模和恢復時間呈反比。

  目前，ROADM網(wǎng)絡區(qū)域劃分有2種思路：

  a)小型區(qū)域網(wǎng)：設計區(qū)域內保證任意2點業(yè)務的主用路由一跳直達，無需電中繼。目前，商用100 Gbit/s波分系統(tǒng)采用超長距碼型，無中繼傳輸距離可達1 500 km。因此，在省際層面建設區(qū)域骨干ROADM網(wǎng)，可根據(jù)骨干光纜網(wǎng)架構和業(yè)務流量流向考慮京津冀區(qū)域、長三角區(qū)域、珠三角區(qū)域等。按照這種“小區(qū)域”思路，相比線性組網(wǎng)方式，長途干線網(wǎng)絡會節(jié)約不少轉接OTU。但隨著DC化進程，業(yè)務格局更加扁平化，東西向流向增加，小區(qū)域無法最大程度上發(fā)揮ROADM的穿通優(yōu)勢。

  b)大型區(qū)域網(wǎng)：滿足WSON管理能力，設計區(qū)域盡可能大。在省際層面建設區(qū)域骨干ROADM網(wǎng)，可根據(jù)骨干光纜網(wǎng)架構和業(yè)務流量流向考慮華北大區(qū)、華南大區(qū)域、西北大區(qū)、西南大區(qū)等。按照“大區(qū)域”思路，可獲得最大的光層穿通受益。但大區(qū)域也有弊端，節(jié)點方向數(shù)變多后會更易引起波長沖突，從而導致因避免波長沖突所帶來的路由繞轉或中繼，降低建網(wǎng)經(jīng)濟性。

  ROADM區(qū)域與建網(wǎng)經(jīng)濟性的關系如圖2所示。如何去尋找建網(wǎng)經(jīng)濟性最佳的區(qū)域方案目前業(yè)界尚未有統(tǒng)一的計算模型和評價標準。

圖2. ROADM區(qū)域與建網(wǎng)經(jīng)濟性的曲線關系

  結合光纜架構、纖芯性能指標、業(yè)務流量流向以及保護恢復要求等多方面因素，進行多區(qū)域方案的模擬測算，對比建網(wǎng)成本、保護恢復性能和可擴性，得到最佳的分域方案。對于業(yè)務熱點省份，還可采取區(qū)域相交的方式進行疊加建設。

  3.2何時新建一張ROADM網(wǎng)

  在線性組網(wǎng)時代，對于何時新建系統(tǒng)，業(yè)界有著統(tǒng)一的標準。波分系統(tǒng)波道滿配80波后，波道利用率達到一定門限值，即可立項招標、新建波分系統(tǒng)。而采用ROADM區(qū)域組網(wǎng)的建設模式后，這個問題就值得探討了。這是因為ROADM網(wǎng)絡的一大優(yōu)點就是可平滑擴容線路方向和本地上下波數(shù)量，具有良好的可擴展性。圖3以某一節(jié)點為例闡釋了ROADM設備的擴容，灰色色塊表示擴容的線路方向和本地上下路模塊。

  WSS作為ROADM技術的核心器件，其端口數(shù)就成為ROADM網(wǎng)絡的擴容瓶頸。目前，成熟商用的WSS器件達到了20維。那么一旦某個城市節(jié)點的WSS端口用完了，這張網(wǎng)是不是就必須要新建了呢?其實，WSS端口的瓶頸可以通過在這個城市機樓再增加一端平行節(jié)點設備來突破，兩端節(jié)點設備通過WSS器件互聯(lián)實現(xiàn)互通，如圖4所示。圖4中灰色色塊代表新增設備和板卡。通過一對WSS板卡完成的互通，并不是全交叉連接的，平行節(jié)點之間連接帶寬只有80個波長，互通受限。因此，并不推薦無限制地去擴展WSS維度。

  圖3. ROADM網(wǎng)絡良好的可擴展性

圖4. 擴展城市節(jié)點維度的方法

  考量一張ROADM網(wǎng)絡是否已擴滿，除了WSS維度，還需要考慮網(wǎng)絡中節(jié)點最大交叉容量、全網(wǎng)波道利用率等因素。從業(yè)務安全角度出發(fā)，防止單節(jié)點失效帶來的業(yè)務故障，節(jié)點交叉容量不宜過大，建議不超過200T。從波長沖突角度出發(fā)，為保證業(yè)務的快速恢復能力，減少為避免沖突的中繼變波長，ROADM網(wǎng)絡應輕載運行，全網(wǎng)的波道利用率不宜過大，建議不超過60%。因此，一張ROADM能否繼續(xù)擴容，是否需要新建平面，需要結合上述因素綜合考慮。

  3.3纖芯資源耗費巨大

  采用CD-ROADM模式建設區(qū)域ROADM網(wǎng)，滿足業(yè)務的保護恢復要求，光纜纖芯資源消耗驚人。以某運營商北京——武漢光纜為例，2013年和2015年利用2芯光纜各建設了1條80x100 Gbit/s的鏈狀系統(tǒng)，2017年采用ROADM區(qū)域組網(wǎng)的方式，使用了6芯，2019年使用8芯。如圖5所示。

圖5. 某光纜纖芯資源消耗曲線圖

  從圖5可看出，網(wǎng)絡建設模式改變后，纖芯資源占用飛速增長。究其原因，主要有以下2方面：一方面是業(yè)務保護恢復方式的改變，從鏈狀系統(tǒng)的1:N保護到區(qū)域ROADM網(wǎng)的1:1恢復，網(wǎng)絡中用于保護恢復的波道資源變多了，增加了纖芯的消耗;另一方面，由于光自帶的波長一致性屬性，波長沖突勢必會存在一些波長碎片，導致波長資源的浪費，變相增加了纖芯消耗。

  長途干線光纜主要是36~48芯數(shù)，ROADM網(wǎng)絡的纖芯需求激增對光纜網(wǎng)造成了較大的壓力。要緩解壓力，應上層網(wǎng)絡的需求推動，光纜網(wǎng)的建設步伐需要加快，建設思路和規(guī)模也需要適當調整，但鑒于光纜的建設周期較長，建議可先行通過拓展C波段以獲取更大的系統(tǒng)容量。目前，主流廠家都具備了96波ROADM的能力，較80波系統(tǒng)容量提升了20%。在后續(xù)的ROADM網(wǎng)絡建設中，建議適時引入96波ROADM平臺。

  3.4網(wǎng)絡規(guī)劃設計方式轉變

  隨著光網(wǎng)絡向智能化演進，網(wǎng)絡規(guī)劃方式也發(fā)生了深刻的變化，從人工方式轉變?yōu)檐浖詣臃绞?。在鏈狀組網(wǎng)時代，網(wǎng)絡規(guī)劃設計人員首先調研網(wǎng)絡現(xiàn)狀，搜集并更新波分系統(tǒng)現(xiàn)狀的波道組織圖，之后針對業(yè)務需求進行路由和波道資源分配，形成波道組織圖和路由表，最終考慮資源缺口和一定的網(wǎng)絡冗余需求形成網(wǎng)絡建設方案，如圖6所示。這種網(wǎng)絡規(guī)劃方式以人工為主，需投入較多人力。當業(yè)務需求有變動時，就必須進行波道組織重排，工作量較大，在重復性多次重排后也很難保證百分百無誤。

圖6. 傳統(tǒng)的人工規(guī)劃方式

  在區(qū)域組網(wǎng)時代，上述的人工方式就不適用了。需綜合考慮路由策略、光層穿通、保護恢復、波長一致性等各種因素，突破了規(guī)劃設計人員的腦力極限，就必須要求規(guī)劃軟件參與進來。規(guī)劃設計人員只需在軟件中進行路由策略、路由個性化需求和保護恢復方式的設置，軟件自動會進行路由和資源分配，通過模擬仿真后，自動輸出網(wǎng)絡建設方案，如圖7所示。這種網(wǎng)絡規(guī)劃方式對于規(guī)劃設計人員來說，省時省力。當業(yè)務需求有變動時，也可以快速響應。但網(wǎng)絡建設方案的合理性就特別依賴規(guī)劃軟件內嵌的算法，規(guī)劃設計人員暫時無法對方案的合理性進行科學的分析和評價。目前，在方案制定過程中最常用的是設備廠家研發(fā)的軟件，缺乏第三方的公正性。

圖7. 區(qū)域ROADM網(wǎng)絡的規(guī)劃方式

  為了提升網(wǎng)絡建設方案的科學性、合理性和公正性，避免過分依賴設備廠家，建議引入第三方規(guī)劃軟件，同步進行規(guī)劃，規(guī)劃結果可相互校驗，對比分析，從而得出最終的網(wǎng)絡建設方案，如圖8所示。近年來，規(guī)劃設計服務提供商為了提升自身的咨詢服務能力，致力于開發(fā)基于ROADM的規(guī)劃工具。為形成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)，規(guī)劃工具可以進一步打通與現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)接口、提供校驗設備廠家方案等功能。待規(guī)劃工具成熟后，就能作為第三方規(guī)劃軟件更好地完善網(wǎng)絡規(guī)劃流程，提升網(wǎng)絡規(guī)劃的合理性。

圖8. 最理想的區(qū)域ROADM網(wǎng)絡規(guī)劃方式

  結束語

  2016年，各大運營商開始在長途干線網(wǎng)絡部署ROADM區(qū)域網(wǎng)，標志著過去十余年WDM系統(tǒng)建設思路的轉變和突破。與電信網(wǎng)絡應用的其他交換或交叉連接技術相比，ROADM技術最大的優(yōu)勢是低成本和高效率，同時WSON控制平面的引入讓ROADM網(wǎng)更加健壯、更加靈活。新思路和新設備的實施必然會帶來一些與現(xiàn)狀的矛盾和碰撞。本文基于ROADM網(wǎng)絡建設中面臨的現(xiàn)實問題，深入分析區(qū)域網(wǎng)建設帶來的挑戰(zhàn)并拋磚引玉，提出解決思路。最終，在從業(yè)人員共同努力下，不斷完善傳輸網(wǎng)規(guī)劃思路、設計方法、設備制式和運維方式，推動光傳送網(wǎng)邁入智能、高效、隨愿的快車道。

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