浅议ROADM技术

cherubinleon

随着OTN 100G技术的发展和后100G时代的来临，光交叉开始被越来越多的讨论，根据OVUM统计目前世界范围内超过35%的光传输系统引入了光交叉技术，目前国内很少看到有这方面的先容和讨论，在此抛砖引玉。

ROADM现状一：光网的结构与演化   2007

出处：光纤在线

　　1.光纤通信的发展

　　为适应现代社会对信息的海量需求，光纤已经逐渐取代电缆成为最主要的通信媒介。在上个世纪的最后十年，随着美国“国家信息基础设施计划”(National Information Infrastructure, NII)的实施及其对全世界的带动，光缆得到大量敷设，骨干通信网已经完全实现光纤化，并留下大量的冗余容量，使得光纤通信行业的发展，在2000年达到高峰之后转入低谷，经历了大约三年的调整期之后，随着光纤接入网的发展，光纤通信开始复苏。光纤接入网的发展，以光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)为主导，首先在日本得到迅猛发展，目前北美和欧洲的FTTH市场业已启动，发展态势良好。光纤接入网的发展，为用户提供了充足的通信带宽，促进了各种通信业务的发展，而通信业务的增长，特别是多媒体之类比较耗带宽资源的业务，反过来促进对骨干网容量的需求，带动骨干网进入新一轮发展。

　　光纤通信的发展历史，至今已有三十多年，使光纤通信特别是密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)光纤通信成为可能的关键要素有三个：低损耗的光纤、半导体激光器(Laser Diode, LD)和掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)。

　　1966年，后来被誉为“光纤之父”的英籍华人高昆和他的同事Hockman，在论文《光频的电介质纤维表面波导》中首次提出利用玻璃纤维传导激光的概念，并且明确指出通过材料提纯光纤的损耗可以降到20dB/公里以下;1970年美国康宁企业的Maurer等人拉制出第一条损耗低于20dB/公里的光纤，当时的传输波长是633nm;至今1550nm波段的光纤损耗已降至0.2dB/公里以下，最近几年发展起来的全波光纤，消除了1383nm附近的OH-吸取峰，使光纤通信波段扩展到1260～1625nm，可容纳近千个波长信道。

　　1962年美国通用电气企业的Hall和Fenner制造了第一台工作于超低温下的半导体激光器，另外三个小组几乎同时独立制造出了类似的半导体激光器;1970年前苏联Loffe物理技术研究所的Alferov和美国贝尔实验室的Hayashi各自独立研制成功第一台能够在室温下连续工作的半导体激光器[21-24]。前面提到的第一条低损耗光纤也是在这一年拉制成功，因此1970年被称为光纤通信的元年，而第一个商用的光纤通信系统于1977年由美国通用电话和电子设备企业与贝尔系统企业在芝加哥合作建成。

　　1987年，英国南安普敦大学的Payne等人发明EDFA，被视为光纤通信发展的另一个里程碑，EDFA具有增益高、噪声小、偏振不敏感、输出功率大、与传输速率无关及放大区域正好对应于光纤的最低衰耗窗口1550nm等特点，能够补偿光纤的衰耗，延长传输中继距离。单个波长信道的电子时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)，加上DWDM+EDFA技术，使单根光纤的通信容量达到太比特量级。

　　2.点到点传输系统

　　目前的光纤通信还处于点到点传输阶段，如图1.1所示，DWDM信号在第一个节点被复用，经过一段光纤线路和数个光放大器，在第二个节点被解复用和接收。光放大器分为功率放大器、线路放大器和前置放大器，其中线路光放大器可以有多个，每个光放大器可延长无中继距离大约80公里。

　　

　　图1.1 点到点传输的DWDM光纤通信系统

　　在点到点传输系统中，目标地址为其他节点的信号，需经第二个节点转发，转发信号也需要先用光探测器转换为电信号，解读其协议格式和地址信息，再用半导体激光器转换为光信号，进行转发。光-电-光转换的缺点是：

　　限制了通信速率，成为整个系统的带宽瓶颈;

　　通信网络中存在SDH、ATM、MSTP等各种协议格式的信息流，信息速率和调制方式也各不相同，光-电-光转换过程对协议格式和通信速率不透明，使得转换设备非常复杂;

　　大量复杂的高速电子设备使系统成本增加。

　　3.全光通信网结构

　　光纤通信的发展趋势是由点到点传输向动态、智能化的全光通信网发展，全光通信网的网络结构如图1.2所示，它由广域网(Long Haul Network)、城域网(Metro Network)和接入网(Access Network)三级组成，其中广域网为全互连的网格结构，节点采用N维光交叉互连设备(Optical Cross Connect, OXC);城域网和接入网为双向光纤环网结构，节点分别采用二维可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer, ROADM)和复用/解复用器;从接入网到终端用户的分配网络即光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)，采用光分路器(Splitter)实现。广域网与城域网之间通过一个二维ROADM节点连通，城域网与接入网之间通过一个四维OXC节点连通，分配网通过一个复用/解复用器与接入网的光纤环连通。此处ROADM和OXC的维数指的是用于节点之间互连的端口数，不包括本地上/下载端口，考虑光纤线路保护，两个节点之间往往采用一对光纤相对传输，仅算作一个互连端口。

　　

　　图1.2 全光通信网结构

　　相对于点到点通信，全光通信网具有如下优点：

　　投资成本低，因为省去了大量昂贵的高速电子设备;

　　运营成本低，可靠性提高，因为网络元件减少;

　　体积小，因为省去了光-电-光转换，设备复杂度下降;

　　升级方便，因为采用光交换，与通信速率和协议格式无关。

　　4.全光通信网的演化

　　现代社会的通信业务呈现多样化，特别是数据业务和多媒体业务的发展，对带宽资源的需求增加，而且业务量的预测也越来越困难，采用ROADM和OXC的动态全光通信网，可以根据通信业务的发展灵活配置网络结构。在全光通信网中，发展最快的是城域网，其业务量持续增加，网络结构也在不断演化。

　　 　　

　　 　　

　　

　　图1.3 城域网的演化

　　考虑到器件的级联特性，光信号能够无需再生而透明通过的节点数量是有限的，一般为16～24个，而城域网中的总节点数量往往达到100～150个，因此城域网一般被分成数个互联的环网，其中一个为核心环网，其他为分配环网。而一个新建的城域网，其初始节点数量一般只有20～50个，因此初始的城域网结构相对比较简单，但是需要为将来的升级扩容作好准备，如图1.3(a)所示。随着新用户的加入和业务量的增长，初始环网中的光放大器可以直接被网络节点设备取代，成为新的业务汇聚点，在核心环网的周围也可以增加新的分配环网，如图1.3(b)所示。随着用户数和业务量继续增长，节点数和分配环网数继续增加，城域网演化出更复杂的网络结构，如图1.3(c)和图1.3(d)所示。

　　由于城域网中演化出更多互联的分配环网，需要更多和更高维数的OXC和ROADM设备。2006年9月，专业咨询企业Heavy Reading发布ROADM设备市场研究报告，对前两年的市场额度进行统计，并对未来五年内的市场发展进行预测，如图1.4所示，预计2011年较2006年增长246%，市场总额将达到9.2亿美金。

　　图1.4 ROADM设备市场预测

ROADM现状二：全光通信网中的ROADM2007

1、全光通信网中的节点设备

1)可重构光分插复用器

ROADM设备的功能是，对通过的一组DWDM信号，下载其中目的地址为本节点的波长信号，并上载从本节点发出的波长信号，其他波长则透明通过。一个典型的ROADM节点结构如图2.1所示，它由两台ROADM设备和两个2×2光开关组成，每台ROADM中的下载模块与上载模块分离，ROADM①的下载模块和上载模块分别与ROADM②的上载模块和下载模块连接。采用两台ROADM的目的是对系统进行备份以提高可靠性，光开关的作用是线路保护，系统备份和线路保护的工作模式如下：

a)城域网一般采用双向光纤环网结构，信号在两根光纤中分别沿顺时针和逆时针传输，ROADM①的下载模块与ROADM②的上载模块接入顺时针传输光纤，而ROADM②的下载模块与ROADM①的上载模块接入逆时针传输光纤，系统正常工作时，两个2×2光开关均为直通状态，两根光纤上各传输一半波长。

b)当线路上的某点发生故障时，与故障点紧邻的两个ROADM节点中，靠近故障点的两个2×2光开关切换至交叉状态，通过这两个光开关，顺时针信号转向逆时针传输，形成一个新的单光纤环网，长度为原双光纤环网的两倍，新的光纤环网中传输所有波长。

c)当某个节点中的设备ROADM ①发生故障时，则将ROADM②中下载模块的输出端与其上载模块的输入端相连，同时将靠近ROADM①的2×2光开关切换至交叉状态，这样也形成一个新的两倍长度单光纤环网，保证信号的传输，而ROADM①可取出维修。

在ROADM设备的下载模块中，采用20%分光比的TAP耦合器从线路上取出部分光功率进行解复用，而在解复用之前，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控。在上载模块的输入输出端口，以及解复用器和复用器之间的每个信道上，用5%分光比的TAP耦合器取出部分光功率进行监控，每个信道上的1×2光开关用于选择每个信道被上/下载或者直通，可调光衰减器VOA用于信道功率均衡。上载模块输出端的光放大器，相当于图1.1中的功率放大器。

   

  

2)光交叉互连设备

一台OXC设备有N个输入/输出端口和若干个本地上/下载端口，它的功能是将任意输入端口中的任意波长信号，交换到任意输出端口中，并下载部分目标地址为本节点的波长信号和上传部分从本节点发出的波长信号。OXC设备的结构比ROADM要复杂的多，去除系统备份、线路保护、控制电路、功率监控和通道均衡部分，典型的OXC设备光路结构如图2.2所示，它由N个复用器、N个解复用器和N个(N×K)×(N×K)光开关组成。该OXC有N个输入/输出端口和(N×K)个上/下载端口，能够从每条线路上/下载K个波长信号。   

图2.2 典型的OXC设备光路结构

2、广义的ROADM概念

核心的ROADM和OXC器件，辅之外围控制系统，称为OXC和ROADM子系统，再加上各种信息处理和管理功能，则称为OXC和ROADM设备，本文以下部分所提到的OXC和ROADM，均指器件。

ROADM器件由一个输入端口、一个输出端口、一组下载端口和一组上载端口组成，如图2.3所示，它能够从输入端口上/下载任一或任一组波长，其他波长则透明通过。OXC器件由N个输入端口和N个输出端口组成，如图2.4所示，它能够将任一输入端口中的任一或任一组波长，交换到任一输出端口中。波长选择开关（Wavelength Selective Switch, WSS）是实现多维ROADM和OXC的重要器件，1×N WSS由一个输入端口和N个输出端口组成，如图2.5所示，它能够将输入端口中的任一或任一组波长，切换到任一输出端口中。WSS也可以反过来使用，将从多个端口输入的不同波长，合并到一个端口输出。

图2.3 ROADM器件功能图 图2.4 OXC器件功能图   图2.5 WSS器件功能图

OXC器件主要用于光纤环网之间的互连，一般要求它也具有一定的本地上/下载功能；多维的ROADM器件（关于ROADM的维数，下文将会先容），除了用于本环网中节点互连的IN/THRU端口之外，还可以通过某些ADD/DROP端口与另一个环网中的节点互连（续文将会有图例）；两个WSS组合，可以构成一个ROADM器件（如图2.6所示），多个WSS组合，可以构成一个OXC器件（如图2.7所示）。因此OXC、WSS和传统的ROADM器件，可以纳入更加广义的ROADM概念中。

  

  

图2.6 由两个WSS构成的ROADM

  

图2.7 由2N个WSS构成的N×N端口OXC

如图2.3所示的传统结构ROADM，通过其IN和THRU端口接入光纤环网，此ROADM的维数为2；如图2.6所示的ROADM由两个WSS构成，其IN/THRU端口和另外（S-1)个Input/Output端口均可用于光纤环网的接入或者与其他OXC节点之间的互连，此ROADM的维数为2S；图2.2所示的传统结构OXC和图2.7所示的基于WSS的OXC，维数均为2N。

衡量ROADM器件性能的主要技术指标有：插入损耗IL、偏振相关损耗PDL、通带特性、串扰水平、响应时间、色散水平和扩展能力，等等。在信道的通带边缘总是存在上升沿和下降沿，当多个ROADM串联时，通带将会因乘积效应而变窄，而激光器的波长总是存在一定的漂移，较窄的通带宽度会增加误码率，因此ROADM的通带特性决定了能够串联的节点数。ROADM的响应时间主要取决于其中的光开关，因为通信线路的保护切换时间是50ms，一般要求ROADM的响应时间小于10ms。为了降低初装成本，同时又能够应对将来的业务增长和网络扩展，要求ROADM具有较好的模块化和扩展能力，而且在网络重构和升级扩展时尽量不影响现有通信线路。