ROADM全光交換網絡關鍵技術發(fā)展與應用展望

  0 引言

  在數字經濟時代，各個行業(yè)正積極推進數字化轉型，與此同時5G、云計算、AI、大數據、物聯網等新興數字技術得到迅猛的發(fā)展，這對傳輸帶寬與網絡質量提出了更高的要求。應對這樣的網絡挑戰(zhàn)，推進全光網絡的建設是至關重要的解決途徑和手段。“以波長選擇開關(wavelength selected switch，WSS)為基礎的我國全光網(all-optical network，AON)”概念首次出現在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普及，這一時期被稱為全光網1.0階段。而“全光網2.0”的概念由中國電信于 2017 年在中國光網絡研討會(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2.0技術白皮書》，全面闡述了中國電信全光網2.0的概念和“三化”愿景。全光網2.0要在全光網1.0的基礎上，滿足云網融合和數字化經濟發(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，在設備和運營層面進行創(chuàng)新。ROADM技術可實現自動路徑調度和業(yè)務恢復，將傳統(tǒng)的點到點鏈路變?yōu)殪`活的光網絡，是目前商用程度高、技術成熟的全光交換技術。在ROADM網絡中，從合波信號中分插出任意單波或合波信號通過WSS實現多個維度的動態(tài)光波長調度。網絡節(jié)點采用 ROADM 后，網管系統(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，從而實現快捷的業(yè)務指配、更加自動化的處理及簡化的網絡規(guī)劃和施工，使得具有比傳統(tǒng)波分更為強大的網絡監(jiān)控能力和網絡擴展能力。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)域干線網絡，通過分大區(qū)ROADM網絡實現了全國范圍內的覆蓋。同時引入網絡保護恢復技術波長交換光網絡(wavelength switched optical network，WSON)技術，實現了業(yè)務的動態(tài)重路由保護功能，大大提升了網絡的可靠性、安全性及生存能力。中國聯通也在 2019 年啟動了京津冀區(qū)域ROADM網絡建設，并逐步擴大覆蓋范圍，現已通過“全國一張網”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，實現了IP169超核節(jié)點、中國聯通自有IDC 100%覆蓋，可實現樞紐間的光電協(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，當前在現網中廣泛使用的是 CD-ROADM，其中，C(colorless)、D (directionless)分別指波長無關和方向無關。采用WSS級聯的方式，可以實現光層業(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，基于 M×N ADWSS 的CDC-ROADM結構如圖1所示，M×N的ADWSS構成的CDC組網模式可實現最多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，已經逐步出現方向維度數量不足的情況，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通過光背板實現集成式全光路互連，可實現插卡式擴容，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，還能極大簡化網絡擴容工作。

  1.2 WSON技術

  現有ROADM網絡的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存在支持網絡規(guī)模小、恢復性能不確定的特點。隨著業(yè)務云化、網絡規(guī)模的超大化，分布式架構已經無法滿足未來ROADM網絡的演進需求。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網絡的恢復性能。

  1.3 單波400 Gbit/s FlexGrid ROADM組網

  業(yè)務流量持續(xù)增長需要全光網能夠具備單波400 Gbit/s速率以滿足帶寬需求。而對于ROADM網絡而言，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，現有的光交換引擎主要包括數字光處理器芯片、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，其中數字光處理器芯片和液晶芯片只可以實現兩個光束偏轉角度的切換，因此難以實現大端口的WSS器件。MEMS芯片可以在一定的角度范圍內實現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量和像素尺寸決定，像素數量越多、像素尺寸越大，則WSS濾波帶寬越高。WSS的端口數目由LCoS在端口方向分配給單位信道間隔的像素數量和像素尺寸決定，像素數量越多、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更多信道的光束偏轉，這些需要 LCoS 芯片控制算法實現。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網絡應用展望

  ROADM網絡創(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，盤活了網絡資源，提升了網絡利用率，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)化了網絡時延，從網絡結構和路由組織上減少了時延，實現了降本增效和節(jié)能減排。作為ROADM網絡應用的典型案例，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絡，基于ROADM 光層網格化組網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，網絡平均時延累積改善超4 ms，中國電信互聯網網內運行質量統(tǒng)計圖(只保留時延)如圖4所示。

圖4 中國電信互聯網網內運行質量統(tǒng)計圖(只保留時延)

  在當前 ROADM 骨干全光網絡的基礎上，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 網絡能力，增強網絡價值。云網協(xié)同以及全面構建全光網是發(fā)揮 ROADM 網絡能力的重要抓手，可在以下方面體現其重要價值。(1)云光協(xié)同，構建算力網絡“東數西算”工程構建了國家級算力網絡體系。算力網絡的目標架構是實現端-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+網絡”算網一體的融合架構，向千行百業(yè)提供泛在智能、高效算力的端到端算網服務。全光ROADM網絡的大帶寬、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，天然匹配算力網絡中提出的各項網絡需求，是實施算力網絡首選的網絡技術。東數西算網絡時延架構如圖5所示。

圖5 東數西算網絡時延架構

  (2)ROADM下沉到邊緣，構建全光基礎網推進城域WDM 網下沉到邊緣，根據云網融合和云邊協(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，實現城域靈活動態(tài)組網。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網絡作為全光網2.0中的重要組成部分，能夠滿足網絡扁平化、業(yè)務大帶寬/低時延、網絡綠色低碳的發(fā)展目標與需求。擴大網絡的覆蓋范圍，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，可以實現可承諾的快速故障恢復，進一步夯實網絡能力、提升用戶體驗。并且要深入挖掘 ROADM 的能力，從縱向的網絡覆蓋層次到橫向的網絡承載業(yè)務內容上進行探索、研究、論證與應用，充分發(fā)揮與實現ROADM全光交換網絡價值。

  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、光網絡等 。