運(yùn)營(yíng)商城域傳送網(wǎng)ROADM技術(shù)發(fā)展研究

摘要：光纖通信中光波長(zhǎng)調(diào)度技術(shù)是運(yùn)營(yíng)商光傳輸網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一，本文概述了光調(diào)度技術(shù)以及涉及的光器件的發(fā)展歷程。結(jié)合當(dāng)前通信行業(yè)光調(diào)度產(chǎn)品的研究情況，針對(duì)運(yùn)營(yíng)商城域光傳輸網(wǎng)絡(luò)不同網(wǎng)層的光調(diào)度技術(shù)分別進(jìn)行了演進(jìn)分析和規(guī)劃部署建議，最后分析了城域網(wǎng)光調(diào)度技術(shù)的五大關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展和研究方向。

關(guān)鍵詞：光通信技術(shù)；運(yùn)營(yíng)商城域傳送網(wǎng)建設(shè)；城域傳送網(wǎng)關(guān)鍵光層技術(shù)-ROADM

隨著信息高速發(fā)展，流量爆炸性增長(zhǎng)，行業(yè)預(yù)測(cè)2024年—2030年帶寬還有5倍增長(zhǎng)潛力。同時(shí)，算力網(wǎng)絡(luò)下算力業(yè)務(wù)對(duì)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)提出大帶寬、高靈活、低時(shí)延、彈性可擴(kuò)展、智能化和自動(dòng)化的訴求。這些都對(duì)運(yùn)營(yíng)商目前的城域光傳送網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于城域傳送網(wǎng)的建設(shè)來(lái)說(shuō)，光層系統(tǒng)建設(shè)是其中重要一環(huán)，光層系統(tǒng)建設(shè)的好壞決定了系統(tǒng)中業(yè)務(wù)調(diào)度的靈活性，以及能否支撐未來(lái)更高速率業(yè)務(wù)的平滑演進(jìn)。目前，可重構(gòu)光分插復(fù)用器（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM）技術(shù)已在業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，是支撐構(gòu)建新型城域全光架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文梳理了ROADM技術(shù)演進(jìn)代際及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，圍繞城域的組網(wǎng)特性闡述了城域ROADM技術(shù)發(fā)展方向，為運(yùn)營(yíng)商城域光傳送網(wǎng)建設(shè)提供了指導(dǎo)。

一、城域光調(diào)度技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著城域業(yè)務(wù)的發(fā)展，城域WDM光傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸從原來(lái)的點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)展到MESH架構(gòu)。其中支撐這樣架構(gòu)演進(jìn)的主要技術(shù)之一是合分波與路由光器件的技術(shù)。最初，F(xiàn)OADM（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer，固定光波長(zhǎng)上下復(fù)用器）采用TFF（Thin-Film Filter，鍍膜濾波器）或AWG（Arrayed Waveguide Grating，陣列波導(dǎo)光柵 ）技術(shù)為代表的固定波長(zhǎng)合分波光器件，極大提升了WDM光網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，但FOADM網(wǎng)絡(luò)調(diào)度強(qiáng)依賴人工，效率低、靈活性差。為提升網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化調(diào)測(cè)運(yùn)維水平，ROADM光網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，網(wǎng)絡(luò)靈活性和健壯性顯著增強(qiáng)。早期的ROADM采用以PLC（Planer Lightwave Circuits，平面光波導(dǎo)）或自由空間光路（LC或DLP）為代表的WB（Wavelength Blocker，波長(zhǎng)阻斷器），ROADM只支持2維。隨著新技術(shù)不斷成熟，ROADM逐步演進(jìn)到采用以MEMS（Micro-electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）、LC（liquid crystal，液晶）和LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）技術(shù)為代表的WSS（Wavelength Selective Switch，多端口波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)），網(wǎng)絡(luò)維度也從二維擴(kuò)展到多維，從而支持網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從點(diǎn)到點(diǎn)演進(jìn)到MESH互連。

二、WSS器件技術(shù)演進(jìn)

WSS是實(shí)現(xiàn)ROADM全光調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，先后經(jīng)歷過(guò)MEMS、LC和LCoS三種主要技術(shù)階段。MEMS轉(zhuǎn)鏡技術(shù)雖然具有大帶寬、無(wú)偏振處理等優(yōu)點(diǎn)，但由于原理上不支持Flexgrid靈活柵格功能而被淘汰；LC液晶盒技術(shù)通過(guò)結(jié)合晶體光楔實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端口之間的切換，液晶控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但帶寬較小、更多端口切換需要多級(jí)液晶疊加等缺點(diǎn)，因此主要用于低端口場(chǎng)景；而LCOS技術(shù)具有大帶寬、多端口擴(kuò)展、靈活柵格等優(yōu)秀特性，在攻克其復(fù)雜的相位光柵算法后，逐步成為主導(dǎo)，成為當(dāng)前WSS的主流商用技術(shù)，并得到業(yè)界主流WSS器件廠家的廣泛認(rèn)可。LCOS技術(shù)對(duì)來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)具有匹配的潛力和優(yōu)勢(shì)。

三、城域新型ROADM發(fā)展方向

傳統(tǒng)ROADM主要是往高維度/高性能方向發(fā)展，可以很好地匹配城域核心－匯聚網(wǎng)層大容量、多方向的特征。但是對(duì)于城域匯聚－接入網(wǎng)層，由于接入網(wǎng)層站點(diǎn)規(guī)模數(shù)量急劇增加，對(duì)ROADM網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)成本提出更高的要求，需要匹配城域匯聚－接入網(wǎng)層的場(chǎng)景對(duì)ROADM架構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新。城域匯聚－接入層具備多環(huán)少波的特征，即組網(wǎng)拓?fù)湟原h(huán)為主，一對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)帶多個(gè)接入環(huán)，每個(gè)接入點(diǎn)的流量相對(duì)較小，帶寬在幾十G至幾百G之間，是典型的少波系統(tǒng)。傳統(tǒng)ROADM組網(wǎng)需要在匯聚、接入節(jié)點(diǎn)的每個(gè)線路方向都配置一個(gè)獨(dú)立的1×N WSS，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的空間占用與成本都比較高，影響ROADM在城域匯聚－接入網(wǎng)層的廣泛部署。為了解決城域組網(wǎng)的靈活調(diào)度和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，匹配城域的組網(wǎng)特征，本文通過(guò)對(duì)業(yè)內(nèi)主流供應(yīng)商的分析，認(rèn)為下一代城域ROADM網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新主要分為如下三個(gè)方面。

（一）城域匯聚節(jié)點(diǎn)由1×N WSS向支持池化共享架構(gòu)的M×N WSS演進(jìn)

城域匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)承上啟下的節(jié)點(diǎn)，往上連接到核心層，往下連接多個(gè)接入環(huán)。通過(guò)一組新型的M×N ROADM架構(gòu)可以替代掉傳統(tǒng)的多組1×N WSS，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)資源池化的架構(gòu)。多個(gè)接入環(huán)共享96/120個(gè)波長(zhǎng)，大幅度降低匯聚節(jié)點(diǎn)的空間占用、功耗和成本。

如圖1，城域匯聚節(jié)點(diǎn)創(chuàng)新架構(gòu)的核心是M×N WSS。其中，N端口對(duì)應(yīng)下掛接入環(huán)的數(shù)量，M端口提供本地上下波和一跳直達(dá)到核心層的能力，構(gòu)建多環(huán)共享波長(zhǎng)資源池。M×N WSS將資源池的波長(zhǎng)分發(fā)到N個(gè)接入環(huán)共享，同時(shí)將多個(gè)接入環(huán)匯聚的波長(zhǎng)進(jìn)行分配，一部分本地下波，一部分一跳直達(dá)核心層。同理，匯聚－核心側(cè)的M×N WSS，N端口與其他方向的1×N WSS MESH組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)波長(zhǎng)多維度調(diào)度；M端口則提供本地上下波和承接接入環(huán)業(yè)務(wù)一跳直達(dá)接入層的能力。

（二）城域接入節(jié)點(diǎn)由傳統(tǒng)ROADM向極簡(jiǎn)T-ROADM演進(jìn)

接入節(jié)點(diǎn)通常只有單向的東西向連接，傳統(tǒng)的2D ROADM由多個(gè)單板堆疊的分離架構(gòu)組成，集成度較低。城域接入節(jié)點(diǎn)的機(jī)房空間通常較為緊張，需要提供更緊湊的ROADM方案以提升系統(tǒng)集成度，降低機(jī)房空間的占用。極簡(jiǎn)T-ROADM架構(gòu)通過(guò)硅光集成和混合封裝的技術(shù)把上下波、放大器、OSC、OTDR等光線路功能集成到一個(gè)單板上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向一個(gè)槽位，支持東西向穿通和本地上下波的功能，同時(shí)大幅提升集成度而不損失功能。

（三）城域核心/匯聚層CDC架構(gòu)由MCS向ADWSS演進(jìn)

在城域核心或部分匯聚層，ROADM支路通常采用CD組網(wǎng)。CDC ROADM（Colorless波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，Directionless方向無(wú)關(guān)，Contentionless競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)）相對(duì)于CD ROADM，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)阻塞調(diào)度。當(dāng)前有兩種CDC上下波技術(shù)，一種是早期的MCS技術(shù)，另一種是當(dāng)前正持續(xù)演進(jìn)的ADWSS技術(shù)。M×N MCS通過(guò)M個(gè)1×N的分光功率器件把每個(gè)COM端口信號(hào)廣播到N個(gè)方向，然后通過(guò)N個(gè)M×1的光開(kāi)關(guān)選擇每個(gè)Port端口所對(duì)應(yīng)的COM端口。然而，該架構(gòu)存在三大缺陷：一是無(wú)濾波效果，其他波長(zhǎng)會(huì)串?dāng)_到下波通道，該問(wèn)題可以通過(guò)在下波端口集成可調(diào)濾波器來(lái)解決，但成本會(huì)大幅增加；二是器件插損大，支持上下16波的MCS插損高達(dá)15dB，導(dǎo)致上下波均需使用陣列光放來(lái)補(bǔ)償損耗，成本高、集成度低；三是端口擴(kuò)展難，端口數(shù)量增加會(huì)帶來(lái)內(nèi)部器件熔接點(diǎn)和盤(pán)纖數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，工藝復(fù)雜度顯著上升、可靠性快速下降。相比之下，ADWSS架構(gòu)可以克服上述問(wèn)題。M×N ADWSS通過(guò)LCoS WSS技術(shù)把每個(gè)COM端口信號(hào)分波長(zhǎng)路由到任意不同的Port端口上，然后通過(guò)N個(gè)M×1的光開(kāi)關(guān)來(lái)選擇每個(gè)Port端口特定波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的COM端口；該架構(gòu)通常采用LCoS和MEMS的自由空間光路方案，實(shí)現(xiàn)低成本。

四、城域ROADM關(guān)鍵技術(shù)方向

本文結(jié)合當(dāng)前主流光器件廠家和設(shè)備廠家的研究方向，對(duì)城域ROADM涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析，具體如下：

（一）新型M×N WSS

高集成度、低功耗是通信設(shè)備發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。相比傳統(tǒng)的1×N WSS，新型M×N WSS支持池化波分多環(huán)共享架構(gòu)，可降低器件的體積和功耗，并進(jìn)一步節(jié)省機(jī)房空間等資源。但是新型池化WSS需要擴(kuò)展更多的合波端口，為實(shí)現(xiàn)M×N WSS池化多環(huán)共享能力，業(yè)內(nèi)一般采用M個(gè)1×N WSS堆疊集成的架構(gòu)。通過(guò)空間光學(xué)多路復(fù)用技術(shù)，從Twin到Quad到Multiple的多組復(fù)用，充分利用空間和偏振維度復(fù)用維度疊加，實(shí)現(xiàn)了M×N WSS的功能。然而，多路堆疊技術(shù)受限于Lcos尺寸，切換角度和插損較高，光學(xué)光路復(fù)雜，性能難達(dá)成最佳水平。此外，引入多個(gè)線路端口池化共享架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同環(huán)之間的同頻業(yè)務(wù)穿通WSS時(shí)存在鏡像串?dāng)_（Mirrored Crosstalk），從而劣化信號(hào)的光信噪比。

（二）光路設(shè)計(jì)

WSS光路核心功能單元包括切換方向X透鏡單元、色散方向Y透鏡單元、波長(zhǎng)分光單元（棱鏡光柵）、衰減切換單元（LCoS）。其中，色散方向透鏡和切換方向透鏡采用單片透鏡可以實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)的架構(gòu)，但是可能會(huì)存在像差較大的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)在光束上加載額外相位調(diào)節(jié)以校正光路像差。目前業(yè)內(nèi)評(píng)估的一種技術(shù)方式是直接在LCoS處配置額外相位補(bǔ)償光路像差，另一種方式是采用自由曲面鏡面補(bǔ)償光路像差。這兩種技術(shù)方案都需要改變光路設(shè)計(jì)，并且可能會(huì)增加裝調(diào)工藝難度。

（三）高分辨率LCoS技術(shù)

為提升系統(tǒng)容量，需要提高LCoS分辨率以接收更多的波長(zhǎng)。此外，相同波長(zhǎng)通道數(shù)下，高分辨率LCoS處的波長(zhǎng)通道物理間隔也會(huì)增加。通過(guò)提高LCoS的分辨率，WSS帶寬也會(huì)相應(yīng)提升，從而降低系統(tǒng)的濾波代價(jià)。例如，如果將LCoS分辨率從2k提升至2.4k，帶寬可提升約3GHz，濾波代價(jià)可降低約1dB。目前WSS模塊中普遍采用2k分辨率的LCoS芯片，但隨著信息顯示系統(tǒng)向4k分辨率演進(jìn)，預(yù)計(jì)4k分辨率的LCOS芯片也將在WSS中推廣應(yīng)用，以滿足更高容量和性帶來(lái)更大的靈活性和效率。

（四）算法技術(shù)

WSS模塊性能強(qiáng)依賴于LCoS相位光柵算法的設(shè)計(jì)及優(yōu)化調(diào)測(cè)，通常采用IFTA（迭代傅里葉變換）優(yōu)化算法。這種算法通過(guò)迭代尋優(yōu)來(lái)找到有效抑制邊緣場(chǎng)效應(yīng)的全息相位圖，以解決插損劣化問(wèn)題。然而，由于遍歷迭代搜索空間較大，往往容易陷入局部最優(yōu)且解析性不足，在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用受限。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的ML-APRA（機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的相位檢索算法）相位光柵調(diào)制算法是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和關(guān)注方向。然而，目前該法普遍對(duì)算力要求較高，模型泛化能力較差，這是制約其應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步攻克和提升算法，以提高其在實(shí)際場(chǎng)景中的可應(yīng)用性和性能表現(xiàn)。

（五）光數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)

傳統(tǒng)的運(yùn)維技術(shù)主要依賴于OPM、PD等功率檢測(cè)器件，但這些器件成本高、設(shè)備集成度差，因此調(diào)頂?shù)募夹g(shù)被應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的光標(biāo)簽。業(yè)內(nèi)采用的方法一般是在光模塊的ODSP中集成調(diào)制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頂信號(hào)加載，而在光層上利用普通PD和ASIC芯片就可以檢測(cè)得到業(yè)務(wù)波長(zhǎng)信號(hào)上的數(shù)字光標(biāo)簽，從而得到波長(zhǎng)、譜寬、速率、FEC、碼型、路由等信息。這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè)，減少外置檢測(cè)硬件，有利于節(jié)能環(huán)保。通過(guò)波長(zhǎng)路由標(biāo)簽管理功能，可以大幅降低站點(diǎn)交付和運(yùn)維難度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題精準(zhǔn)識(shí)別、動(dòng)態(tài)自愈功能。這種方法有望為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維帶來(lái)更高效、智能化的管理方式。

五、運(yùn)營(yíng)商城域網(wǎng)ROADM部署建議

隨著算力網(wǎng)絡(luò)的逐步普及，針對(duì)時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)在城域網(wǎng)上部署低時(shí)延平面成為新的趨勢(shì)，需要考慮基于 ROADM的端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。當(dāng)前城域網(wǎng)絡(luò)以FOADM為主，但業(yè)務(wù)發(fā)放需人工入站操作，影響了業(yè)務(wù)發(fā)放效率。在城域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，可根據(jù)機(jī)房定位來(lái)選擇合適的ROADM方案實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化，具體如下：

城域核心和城域重要匯聚：面向未來(lái)算力網(wǎng)絡(luò)，核心層要求全互聯(lián)Mesh化，要求光方向可擴(kuò)容，波長(zhǎng)資源可擴(kuò)展，同時(shí)降低新擴(kuò)容交付難度。這可以通過(guò)采用大容量全光交叉OXC實(shí)現(xiàn)，更有利于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)彈性擴(kuò)容。

普通匯聚：典型特點(diǎn)是多環(huán)少波系統(tǒng)，通過(guò)池化共享方案提升資源利用率，降低建網(wǎng)TCO。采用M*N WSS技術(shù)，接收多個(gè)方向的線路合波光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多環(huán)共享一組WSS，從而節(jié)省空間，降低功耗和成本。

綜合業(yè)務(wù)機(jī)房：相比于匯聚節(jié)點(diǎn)，典型環(huán)形組網(wǎng)，東西向互為保護(hù)，采用極簡(jiǎn)T-ROADM高集成度，具備100G演進(jìn)和靈活調(diào)度能力。

六、結(jié)束語(yǔ)

在算力時(shí)代，對(duì)城域網(wǎng)絡(luò)的靈活調(diào)度和演進(jìn)能力提出了更高的要求。為滿足大帶寬、確定性低時(shí)延及基礎(chǔ)架構(gòu)穩(wěn)定的目標(biāo)和要求，需要將ROADM下沉到城域邊緣。這樣做可以更好地匹配城域組網(wǎng)的業(yè)務(wù)特征，并通過(guò)池化共享的M×N WSS和極簡(jiǎn)T-ROADM架構(gòu)創(chuàng)新的方式滿足城域經(jīng)濟(jì)性建網(wǎng)的要求。這種方法可以降低ROADM在城域廣泛部署的成本壓力，并且通過(guò)數(shù)字化光標(biāo)簽的技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全自動(dòng)化的極簡(jiǎn)運(yùn)維。

作者單位：何映仙 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司

參考文獻(xiàn)

[1]趙文玉，徐云斌，湯瑞，等.全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].信息通信技術(shù)與政策，2021，（12）：1-7.

[2]呂凱，齊斌，鐘勝前，等.ROADM全光交換網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望[J].電信科學(xué)，2022，38（07）：37-42.

[3]中國(guó)算力大會(huì).中國(guó)運(yùn)力白皮書(shū)（2022）.