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hg0088科普:什么是 ROADM?

(来源:网站编辑 2020-07-27 11:43)
文章正文

如今我们所处的时代,hg0088是流量爆炸性增长的时代。4K/8K、VR/AR 轮番上阵,5G、WiFi-6 加速普及,对整个通信承载网络,带来了巨大的带宽压力。

想要应对这样的压力,目前看来只有一个办法,那就是将整个网络全面光纤化,建设大一统的全光网络。

全光网络,也称全光网,英文名是 All-Optical Network,AON。这是一种网络传输和交换过程全部通过光纤实现的网络,中间不需要进行光信号和电信号的转换。

打个比方:

传统电网络,也就是铜线网线连接的网络,我们可以把它看成公共汽车交通网,存在时间长,分布广泛。

而光网络,采用的是光纤传输,速率更快,带宽更高。我们可以把它看成地铁交通网。

所谓 “全光网”,就是把整个公交系统,全部替换成地铁。

怎么样?是不是看上去超赞?

然鹅,这么一个宏大的工程,是不可能在短期内完成的。

按行业大佬们的规划,全光网的演进过程分为三个阶段:第一阶段,骨干和传输光纤化;第二阶段,接入网光纤化;第三阶段,传输节点引入光交换,即引入 ROADM 和 OXC。

哎哟,本文的主角——ROADM,出现了嘛。别急,先晾在这,我们继续往下说。

第一阶段的骨干和传输光纤化,很容易理解,就是把网络骨干线路的路由器、交换机全部换成光通信设备,引入 WDM(波分复用)/OTN(光传送网),把铜缆网线全部换成光纤。

第二阶段的接入网光纤化,更简单,就是使用 PON(无源光网络)系统,把家里的 ADSL 网线(电话线)上网,全部换成光纤宽带接入。这也就是我们常说的 FTTx(例如 FTTH,Fiber To The Home,光纤入户),也称接入网的 “光进铜退”。

第三阶段,传输节点引入光交换(ROADM 和 OXC)。这一阶段很容易被人忽视,但是重要性不亚于前两个阶段。它是我们今天文章讨论的重点。

大家应该知道,光纤通信有一个很重要的特点,就是——“一站到底”。

光纤作为一根 “玻璃管道”,里面传输的是光信号,很难附加信号和提取信号。一条光线路,通常只能从起点站上车,到终点站才能下车。

光纤的特点:“一站到底”

相比之下,铜线网线里传输的是电信号,电信号的 “上下车”要方便得多。

电信号的特点:容易交换,容易 “上下车”

为了能容纳更多 “乘客”,光纤通信引入了 WDM 波分复用技术,将不同波长的光,塞在一根光纤里,然后进行传输。

WDM,Wavelength Division Multiplexing

WDM 是最常见的光层组网技术,但它本质上仍然是一个点到点的线路系统。

那么问题来了,城市交通(通信网络)是复杂的多节点网络,有很多的车站,如果地铁只支持点到点的传输,那么中间车站的乘客怎么办呢?下了地铁再换乘公交吗?

地铁:速度快,但是站点死板

公交:速度慢,但是站点灵活

如果采用 “地铁换乘公交”的方式,既增加了复杂度,也形成了速率和带宽瓶颈。

于是,我们就会想到,可以建设更多的地铁换乘站,让乘客实现中间站点上下车,以及地铁线路之间的无缝换乘。

所有站点改造成 “地铁换乘站”

而咱们今天要说的 ROADM 技术,就是 “地铁换乘站”的专有技术。

ROADM,可以念做 “肉德姆”,英文全称比较长,也比较烧脑,是 Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers,可重构光分插复用器。

介绍 ROADM 之前,我们先看看 FOADM。FOADM 是 Fixed OADM,固定式光分叉复用器。它比 ROADM 更早出现,目的是一样的,为了实现乘客的上车、下车。

FOADM 分为串型和并型。下图是并型的简单原理示意图:

FOADM(并型)结构示意图

很容易看懂,首先使用 DEMUX(分波器)将所有波长解复用(拆分开),之后根据需要,将某些波长直接穿通,同时,将特定波长下路至本地(下车)。

要上路(上车)的特定波长,和其它波长一起,再次经过 MUX(合波器)复用,然后开车去下一节点。

这种方式貌似简单,但是有一个很要命的缺点,就是限制太死——哪些波可以下车,哪些波可以上车,都是固定死的,你没有办法动态修改。如果你硬要改,只能人工维护。

正因为如此,这种方式才被称为固定式 OADM。

FOADM 过于死板,维护复杂,无法满足网络灵活多变的需求,所以,取而代之的 ROADM 出现了。

ROADM 的特点是可重构、可动态配置,可灵活调整。它大概出现于 2000 年左右,至今为止经历 20 年的发展。

最开始的阶段,是 2001 年首次实现商业化的基于 WB(Wavelength Blocker,波长阻断器)技术的 ROADM。

WB 波长阻断器,可以把指定的波长通道给 “打掉”:

完整的 WB-ROADM 实现原理如下:

WB-ROADM

当 WDM 过来信号后,分光器会把波长信号分为 2 束,一束经过 WB 模块,一束则送到下行滤波器。下行滤波器将信号在本地下车,接收所需要的信号波长。

WB 把信号中已经下车的波长 “打掉”,然后汇合本地上车的波长,进行合路,然后再往下一站送。

2003 年左右,出现了基于平面光波导回路(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术的 ROADM。

PLC 是一种基于硅工艺的集成电路。采用 PLC 的 ROADM,将解复用器、光开关、VOA(可变光衰器)、分光器及复用器等集成在一块芯片上,提高了集成度,降低了系统成本。

PLC-ROADM,就是统统打包

再到后来,WSS 出现了,ROADM 进入了一个新的阶段。

WSS,就是波长选择开关(Wavelength Selective Switch)。它的端口结构为 1×K(1 进 K 出),拥有一个输入端口和 K 个输出端口。WSS 采用光开关阵列,可以将波长信号分插到任意通道进行传输。

WSS 波长选择开关

也就是说,基于 WSS,可以实现端口的任意指配,具有很高的自由度。

WSS 波长选择开关

具体来看 WSS 的内部结构:光波通过准直透镜输入后,采用衍射光栅或 AWG(Arrayed Waveguide Grating,阵列波导光栅)进行滤波,把不同波长的光波给分拆出来,然后各个波长的光送到光开关。光开关根据需要,把指定的光折返到指定的方向,把不要的光给干掉,就实现了对波长的选择。

WSS 的工作原理

大家应该看出来了,WSS 的核心关键,就在于光开关方案。

目前主流的 WSS 光开关方案有三种,分别是 MEMS、LC 和 LCoS。

限于篇幅,三种方案的具体原理就不做详细解释了。网上的资料比较多,搜一下就有。

三种方案中,LCoS(硅基液晶)方案属于第三代 ROADM 技术,它和另外两种方案最大的区别在于,它原生支持灵活栅格(Flexi-Grid)功能,支持可变 channel 宽度以及超级通道。(LC WSS 经优化设计之后也能支持灵活带宽功能,而 MEMS WSS 则不支持该功能。)

这是什么意思呢?

前面我们说过了,由于 WSS 的出现,使得 ROADM 有了更高的自由度。它可以从之前的一进一出的两维,变成多进多出的多维。

四维 ROADM

也就是说,我们的换乘站,变成了中转换乘站,可以去不同的方向。

对于 ROADM 这个中转换乘站,运营商对中转换乘能力(光网络交叉能力)提出了更高的要求。这些要求归纳起来,就是四个字母——C、D、C、F,也就是:

Colorless(波长无关)

Directionless(方向无关)

Contentionless(竞争无关)

Flexi-Grid(波道间隔可调)

我们一个一个来说。

首先是 Colorless(波长无关)。

波长无关也称为 “无色”,是指任何波长通道都可以从任何端口进行上下路。

简单来说,以前这个站只能上班族上下车,现在变成了学生、老人、儿童、军人等所有人都可以上下车。

然后是 Directionless(方向无关)。

这个也很好理解,是指任何本地业务可以配置为发送到任何方向,或者任何方向的业务都可以配置到本地下路。

简单来说,以前这个站上车只能去中山陵,现在可以去夫子庙、总统府、老门东等所有方向。所有方向来的乘客,也都可以在这下车。

再就是 Contentionless(竞争无关)。

这也称为 “无冲突”。它是指支持同样波长的多个业务在同一个本地节点上下路。

简单来说,就是来自不同方向的同一类乘客,都可以在这个站下车。或者,想去不同方向的同一类乘客,都可以在这个站上车。

注①:看红色的线,相同波长的波可以同时上车、下车

最后一个,就是前面我们提到的灵活栅格(Flexi-Grid),也称为 Gridless,意思是波道间隔任意可调。这是一种提高频谱效率的新技术,随着高速大容量 WDM 技术发展过程而出现。

在传统 DWDM 技术中,各种的分合波器件都是基于固定的带宽栅格定义,例如 50/100 GHz。而在可变带宽光网络中,为了支持新型高速和超高速数据传输并提高网络资源利用率,系统根据各信号需要的频谱分配不同的带宽。这就是灵活栅格(Flexi-Grid)。

支持灵活栅格的 ROADM,就是支持动态波长上下和带宽分配。

基于以上 4 个字母:

方向无关、波长相关,叫 D-ROADM ;

方向无关、波长无关,叫 CD-ROADM ;

方向无关,波长无关,竞争无关,叫 CDC-ROADM ;

方向无关,波长无关,竞争无关,灵活栅格,叫 CDC-F ROADM 。

Are you clear?

除了功能强大之外,ROADM 还有一个巨大的优势,那就是管理运维方便。

前面我们就有提到,ROADM 的波长信号和通道配置,都是可以通过网管软件远程进行操作的,降低了运维难度,缩短了部署周期,也节约了人力成本,提高了网络管理效率。

此外,基于 ROADM 的网络交通管理功能,大家应该很容易会想到,我们现在非常流行的 SDN(软件定义网络)技术,其实是可以与 ROADM 进行结合的。

现在有行业企业发起成立的 Open ROADM,干的就是这个事。

他们计划把 ROADM 按功能模块进行拆分,然后将厂商私有的 ROADM 软硬件进行解耦,利用 SDN 控制器来进行统一调度。

SDN+ROADM

最后,我再总结一下。

ROADM 技术作为一项重要的 “中转换乘站”技术,可以帮助网络实现电节点到光节点的全面升级,突破网络节点容量瓶颈,实现全光自动调度。

ROADM 自身也还处于不断发展的阶段。ROADM 的器件性能还有待进一步提升,成本也有很大的下降空间。ROADM 的产业链,还需要持续推动向前发展。

随着 ROADM 不断走向高效、智能、开放,我们最终将会迎来真正的终极版 “全光网”时代。

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