科普：什么是ROADM？

如今我們所處的時(shí)代，是流量爆炸性增長(zhǎng)的時(shí)代。4K/8K、VR/AR 輪番上陣，5G、WiFi-6 加速普及，對(duì)整個(gè)通信承載網(wǎng)絡(luò)，帶來(lái)了巨大的帶寬壓力。

想要應(yīng)對(duì)這樣的壓力，目前看來(lái)只有一個(gè)辦法，那就是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全面光纖化，建設(shè)大一統(tǒng)的全光網(wǎng)絡(luò)。

全光網(wǎng)絡(luò)，也稱全光網(wǎng)，英文名是 All-Optical Network，AON。這是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換過(guò)程全部通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，中間不需要進(jìn)行光信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

打個(gè)比方：

傳統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)，也就是銅線網(wǎng)線連接的網(wǎng)絡(luò)，我們可以把它看成公共汽車交通網(wǎng)，存在時(shí)間長(zhǎng)，分布廣泛。

而光網(wǎng)絡(luò)，采用的是光纖傳輸，速率更快，帶寬更高。我們可以把它看成地鐵交通網(wǎng)。

所謂 “全光網(wǎng)”，就是把整個(gè)公交系統(tǒng)，全部替換成地鐵。

怎么樣?是不是看上去超贊?

然鵝，這么一個(gè)宏大的工程，是不可能在短期內(nèi)完成的。

按行業(yè)大佬們的規(guī)劃，全光網(wǎng)的演進(jìn)過(guò)程分為三個(gè)階段：第一階段，骨干和傳輸光纖化;第二階段，接入網(wǎng)光纖化;第三階段，傳輸節(jié)點(diǎn)引入光交換，即引入 ROADM 和 OXC。

哎喲，本文的主角——ROADM，出現(xiàn)了嘛。別急，先晾在這，我們繼續(xù)往下說(shuō)。

第一階段的骨干和傳輸光纖化，很容易理解，就是把網(wǎng)絡(luò)骨干線路的路由器、交換機(jī)全部換成光通信設(shè)備，引入 WDM(波分復(fù)用)/OTN(光傳送網(wǎng))，把銅纜網(wǎng)線全部換成光纖。

第二階段的接入網(wǎng)光纖化，更簡(jiǎn)單，就是使用 PON(無(wú)源光網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng)，把家里的 ADSL 網(wǎng)線(電話線)上網(wǎng)，全部換成光纖寬帶接入。這也就是我們常說(shuō)的 FTTx(例如 FTTH，F(xiàn)iber To The Home，光纖入戶)，也稱接入網(wǎng)的 “光進(jìn)銅退”。

第三階段，傳輸節(jié)點(diǎn)引入光交換(ROADM 和 OXC)。這一階段很容易被人忽視，但是重要性不亞于前兩個(gè)階段。它是我們今天文章討論的重點(diǎn)。

大家應(yīng)該知道，光纖通信有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是——“一站到底”。

光纖作為一根 “玻璃管道”，里面?zhèn)鬏數(shù)氖枪庑盘?hào)，很難附加信號(hào)和提取信號(hào)。一條光線路，通常只能從起點(diǎn)站上車，到終點(diǎn)站才能下車。

光纖的特點(diǎn)：“一站到底”

相比之下，銅線網(wǎng)線里傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，電信號(hào)的 “上下車”要方便得多。

電信號(hào)的特點(diǎn)：容易交換，容易 “上下車”

為了能容納更多 “乘客”，光纖通信引入了 WDM 波分復(fù)用技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光，塞在一根光纖里，然后進(jìn)行傳輸。

WDM，Wavelength Division Multiplexing

WDM 是最常見(jiàn)的光層組網(wǎng)技術(shù)，但它本質(zhì)上仍然是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的線路系統(tǒng)。

那么問(wèn)題來(lái)了，城市交通(通信網(wǎng)絡(luò))是復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，有很多的車站，如果地鐵只支持點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，那么中間車站的乘客怎么辦呢?下了地鐵再換乘公交嗎?

地鐵：速度快，但是站點(diǎn)死板

公交：速度慢，但是站點(diǎn)靈活

如果采用 “地鐵換乘公交”的方式，既增加了復(fù)雜度，也形成了速率和帶寬瓶頸。

于是，我們就會(huì)想到，可以建設(shè)更多的地鐵換乘站，讓乘客實(shí)現(xiàn)中間站點(diǎn)上下車，以及地鐵線路之間的無(wú)縫換乘。

所有站點(diǎn)改造成 “地鐵換乘站”

而咱們今天要說(shuō)的 ROADM 技術(shù)，就是 “地鐵換乘站”的專有技術(shù)。

ROADM，可以念做 “肉德姆”，英文全稱比較長(zhǎng)，也比較燒腦，是 Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers，可重構(gòu)光分插復(fù)用器。

介紹 ROADM 之前，我們先看看 FOADM。FOADM 是 Fixed OADM，固定式光分叉復(fù)用器。它比 ROADM 更早出現(xiàn)，目的是一樣的，為了實(shí)現(xiàn)乘客的上車、下車。

FOADM 分為串型和并型。下圖是并型的簡(jiǎn)單原理示意圖：

FOADM(并型)結(jié)構(gòu)示意圖

很容易看懂，首先使用 DEMUX(分波器)將所有波長(zhǎng)解復(fù)用(拆分開(kāi))，之后根據(jù)需要，將某些波長(zhǎng)直接穿通，同時(shí)，將特定波長(zhǎng)下路至本地(下車)。

要上路(上車)的特定波長(zhǎng)，和其它波長(zhǎng)一起，再次經(jīng)過(guò) MUX(合波器)復(fù)用，然后開(kāi)車去下一節(jié)點(diǎn)。

這種方式貌似簡(jiǎn)單，但是有一個(gè)很要命的缺點(diǎn)，就是限制太死——哪些波可以下車，哪些波可以上車，都是固定死的，你沒(méi)有辦法動(dòng)態(tài)修改。如果你硬要改，只能人工維護(hù)。

正因?yàn)槿绱?，這種方式才被稱為固定式 OADM。

FOADM 過(guò)于死板，維護(hù)復(fù)雜，無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)靈活多變的需求，所以，取而代之的 ROADM 出現(xiàn)了。

ROADM 的特點(diǎn)是可重構(gòu)、可動(dòng)態(tài)配置，可靈活調(diào)整。它大概出現(xiàn)于 2000 年左右，至今為止經(jīng)歷 20 年的發(fā)展。

最開(kāi)始的階段，是 2001 年首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的基于 WB(Wavelength Blocker，波長(zhǎng)阻斷器)技術(shù)的 ROADM。

WB 波長(zhǎng)阻斷器，可以把指定的波長(zhǎng)通道給 “打掉”：

完整的 WB-ROADM 實(shí)現(xiàn)原理如下：

WB-ROADM

當(dāng) WDM 過(guò)來(lái)信號(hào)后，分光器會(huì)把波長(zhǎng)信號(hào)分為 2 束，一束經(jīng)過(guò) WB 模塊，一束則送到下行濾波器。下行濾波器將信號(hào)在本地下車，接收所需要的信號(hào)波長(zhǎng)。

WB 把信號(hào)中已經(jīng)下車的波長(zhǎng) “打掉”，然后匯合本地上車的波長(zhǎng)，進(jìn)行合路，然后再往下一站送。

2003 年左右，出現(xiàn)了基于平面光波導(dǎo)回路(Planar Lightwave Circuit，PLC)技術(shù)的 ROADM。

PLC 是一種基于硅工藝的集成電路。采用 PLC 的 ROADM，將解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、VOA(可變光衰器)、分光器及復(fù)用器等集成在一塊芯片上，提高了集成度，降低了系統(tǒng)成本。

PLC-ROADM，就是統(tǒng)統(tǒng)打包

再到后來(lái)，WSS 出現(xiàn)了，ROADM 進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

WSS，就是波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(Wavelength Selective Switch)。它的端口結(jié)構(gòu)為 1×K(1 進(jìn) K 出)，擁有一個(gè)輸入端口和 K 個(gè)輸出端口。WSS 采用光開(kāi)關(guān)陣列，可以將波長(zhǎng)信號(hào)分插到任意通道進(jìn)行傳輸。

WSS 波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)

也就是說(shuō)，基于 WSS，可以實(shí)現(xiàn)端口的任意指配，具有很高的自由度。

WSS 波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)

具體來(lái)看 WSS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：光波通過(guò)準(zhǔn)直透鏡輸入后，采用衍射光柵或 AWG(Arrayed Waveguide Grating，陣列波導(dǎo)光柵)進(jìn)行濾波，把不同波長(zhǎng)的光波給分拆出來(lái)，然后各個(gè)波長(zhǎng)的光送到光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)根據(jù)需要，把指定的光折返到指定的方向，把不要的光給干掉，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)波長(zhǎng)的選擇。

WSS 的工作原理

大家應(yīng)該看出來(lái)了，WSS 的核心關(guān)鍵，就在于光開(kāi)關(guān)方案。

目前主流的 WSS 光開(kāi)關(guān)方案有三種，分別是 MEMS、LC 和 LCoS。

限于篇幅，三種方案的具體原理就不做詳細(xì)解釋了。網(wǎng)上的資料比較多，搜一下就有。

三種方案中，LCoS(硅基液晶)方案屬于第三代 ROADM 技術(shù)，它和另外兩種方案大的區(qū)別在于，它原生支持靈活柵格(Flexi-Grid)功能，支持可變 channel 寬度以及超級(jí)通道。(LC WSS 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后也能支持靈活帶寬功能，而 MEMS WSS 則不支持該功能。)

這是什么意思呢?

前面我們說(shuō)過(guò)了，由于 WSS 的出現(xiàn)，使得 ROADM 有了更高的自由度。它可以從之前的一進(jìn)一出的兩維，變成多進(jìn)多出的多維。

四維 ROADM

也就是說(shuō)，我們的換乘站，變成了中轉(zhuǎn)換乘站，可以去不同的方向。

對(duì)于 ROADM 這個(gè)中轉(zhuǎn)換乘站，運(yùn)營(yíng)商對(duì)中轉(zhuǎn)換乘能力(光網(wǎng)絡(luò)交叉能力)提出了更高的要求。這些要求歸納起來(lái)，就是四個(gè)字母——C、D、C、F，也就是：

Colorless(波長(zhǎng)無(wú)關(guān))

Directionless(方向無(wú)關(guān))

Contentionless(競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān))

Flexi-Grid(波道間隔可調(diào))

我們一個(gè)一個(gè)來(lái)說(shuō)。

首先是 Colorless(波長(zhǎng)無(wú)關(guān))。

波長(zhǎng)無(wú)關(guān)也稱為 “無(wú)色”，是指任何波長(zhǎng)通道都可以從任何端口進(jìn)行上下路。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，以前這個(gè)站只能上班族上下車，現(xiàn)在變成了學(xué)生、老人、兒童、軍人等所有人都可以上下車。

然后是 Directionless(方向無(wú)關(guān))。

這個(gè)也很好理解，是指任何本地業(yè)務(wù)可以配置為發(fā)送到任何方向，或者任何方向的業(yè)務(wù)都可以配置到本地下路。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，以前這個(gè)站上車只能去中山陵，現(xiàn)在可以去夫子廟、總統(tǒng)府、老門東等所有方向。所有方向來(lái)的乘客，也都可以在這下車。

再就是 Contentionless(競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān))。

這也稱為 “無(wú)沖突”。它是指支持同樣波長(zhǎng)的多個(gè)業(yè)務(wù)在同一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)上下路。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是來(lái)自不同方向的同一類乘客，都可以在這個(gè)站下車。或者，想去不同方向的同一類乘客，都可以在這個(gè)站上車。

注①：看紅色的線，相同波長(zhǎng)的波可以同時(shí)上車、下車

最后一個(gè)，就是前面我們提到的靈活柵格(Flexi-Grid)，也稱為 Gridless，意思是波道間隔任意可調(diào)。這是一種提高頻譜效率的新技術(shù)，隨著高速大容量 WDM 技術(shù)發(fā)展過(guò)程而出現(xiàn)。

在傳統(tǒng) DWDM 技術(shù)中，各種的分合波器件都是基于固定的帶寬柵格定義，例如 50/100 GHz。而在可變帶寬光網(wǎng)絡(luò)中，為了支持新型高速和超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，系統(tǒng)根據(jù)各信號(hào)需要的頻譜分配不同的帶寬。這就是靈活柵格(Flexi-Grid)。

支持靈活柵格的 ROADM，就是支持動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)上下和帶寬分配。

基于以上 4 個(gè)字母：

方向無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)相關(guān)，叫 D-ROADM ;

方向無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，叫 CD-ROADM ;

方向無(wú)關(guān)，波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)，叫 CDC-ROADM ;

方向無(wú)關(guān)，波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)，靈活柵格，叫 CDC-F ROADM 。

Are you clear?

除了功能強(qiáng)大之外，ROADM 還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，那就是管理運(yùn)維方便。

前面我們就有提到，ROADM 的波長(zhǎng)信號(hào)和通道配置，都是可以通過(guò)網(wǎng)管軟件遠(yuǎn)程進(jìn)行操作的，降低了運(yùn)維難度，縮短了部署周期，也節(jié)約了人力成本，提高了網(wǎng)絡(luò)管理效率。

此外，基于 ROADM 的網(wǎng)絡(luò)交通管理功能，大家應(yīng)該很容易會(huì)想到，我們現(xiàn)在非常流行的 SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)，其實(shí)是可以與 ROADM 進(jìn)行結(jié)合的。

現(xiàn)在有行業(yè)企業(yè)發(fā)起成立的 Open ROADM，干的就是這個(gè)事。

他們計(jì)劃把 ROADM 按功能模塊進(jìn)行拆分，然后將廠商私有的 ROADM 軟硬件進(jìn)行解耦，利用 SDN 控制器來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

SDN+ROADM

最后，我再總結(jié)一下。

ROADM 技術(shù)作為一項(xiàng)重要的 “中轉(zhuǎn)換乘站”技術(shù)，可以幫助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電節(jié)點(diǎn)到光節(jié)點(diǎn)的全面升級(jí)，突破網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量瓶頸，實(shí)現(xiàn)全光自動(dòng)調(diào)度。

ROADM 自身也還處于不斷發(fā)展的階段。ROADM 的器件性能還有待進(jìn)一步提升，成本也有很大的下降空間。ROADM 的產(chǎn)業(yè)鏈，還需要持續(xù)推動(dòng)向前發(fā)展。

隨著 ROADM 不斷走向高效、智能、開(kāi)放，我們最終將會(huì)迎來(lái)真正的終極版 “全光網(wǎng)”時(shí)代。

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