運營商城域傳送網ROADM技術發展研究

摘要：光纖通信中光波長調度技術是運營商光傳輸網絡關鍵技術之一，本文概述了光調度技術以及涉及的光器件的發展歷程。結合當前通信行業光調度產品的研究情況，針對運營商城域光傳輸網絡不同網層的光調度技術分別進行了演進分析和規劃部署建議，最后分析了城域網光調度技術的五大關鍵技術的進展和研究方向。

關鍵詞：光通信技術；運營商城域傳送網建設；城域傳送網關鍵光層技術-ROADM

隨著信息高速發展，流量爆炸性增長，行業預測2024年—2030年帶寬還有5倍增長潛力。同時，算力網絡下算力業務對基礎承載網絡提出大帶寬、高靈活、低時延、彈性可擴展、智能化和自動化的訴求。這些都對運營商目前的城域光傳送網絡提出了新的挑戰。對于城域傳送網的建設來說，光層系統建設是其中重要一環，光層系統建設的好壞決定了系統中業務調度的靈活性，以及能否支撐未來更高速率業務的平滑演進。目前，可重構光分插復用器（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM）技術已在業內廣泛應用，是支撐構建新型城域全光架構的關鍵技術之一。本文梳理了ROADM技術演進代際及關鍵技術發展，圍繞城域的組網特性闡述了城域ROADM技術發展方向，為運營商城域光傳送網建設提供了指導。

一、城域光調度技術發展趨勢

隨著城域業務的發展，城域WDM光傳送網網絡結構逐漸從原來的點到點發展到MESH架構。其中支撐這樣架構演進的主要技術之一是合分波與路由光器件的技術。最初，FOADM（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer，固定光波長上下復用器）采用TFF（Thin-Film Filter，鍍膜濾波器）或AWG（Arrayed Waveguide Grating，陣列波導光柵 ）技術為代表的固定波長合分波光器件，極大提升了WDM光網絡傳輸容量，但FOADM網絡調度強依賴人工，效率低、靈活性差。為提升網絡自動化調測運維水平，ROADM光網應運而生，網絡靈活性和健壯性顯著增強。早期的ROADM采用以PLC（Planer Lightwave Circuits，平面光波導）或自由空間光路（LC或DLP）為代表的WB（Wavelength Blocker，波長阻斷器），ROADM只支持2維。隨著新技術不斷成熟，ROADM逐步演進到采用以MEMS（Micro-electromechanical System，微機電系統）、LC（liquid crystal，液晶）和LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）技術為代表的WSS（Wavelength Selective Switch，多端口波長選擇開關），網絡維度也從二維擴展到多維，從而支持網絡架構從點到點演進到MESH互連。

二、WSS器件技術演進

WSS是實現ROADM全光調度網絡的關鍵器件，先后經歷過MEMS、LC和LCoS三種主要技術階段。MEMS轉鏡技術雖然具有大帶寬、無偏振處理等優點，但由于原理上不支持Flexgrid靈活柵格功能而被淘汰；LC液晶盒技術通過結合晶體光楔實現兩個端口之間的切換，液晶控制算法相對簡單，但帶寬較小、更多端口切換需要多級液晶疊加等缺點，因此主要用于低端口場景；而LCOS技術具有大帶寬、多端口擴展、靈活柵格等優秀特性，在攻克其復雜的相位光柵算法后，逐步成為主導，成為當前WSS的主流商用技術，并得到業界主流WSS器件廠家的廣泛認可。LCOS技術對來網絡演進具有匹配的潛力和優勢。

三、城域新型ROADM發展方向

傳統ROADM主要是往高維度/高性能方向發展，可以很好地匹配城域核心－匯聚網層大容量、多方向的特征。但是對于城域匯聚－接入網層，由于接入網層站點規模數量急劇增加，對ROADM網絡的建網成本提出更高的要求，需要匹配城域匯聚－接入網層的場景對ROADM架構進行相應的創新。城域匯聚－接入層具備多環少波的特征，即組網拓撲以環為主，一對匯聚節點帶多個接入環，每個接入點的流量相對較小，帶寬在幾十G至幾百G之間，是典型的少波系統。傳統ROADM組網需要在匯聚、接入節點的每個線路方向都配置一個獨立的1×N WSS，會導致節點的空間占用與成本都比較高，影響ROADM在城域匯聚－接入網層的廣泛部署。為了解決城域組網的靈活調度和經濟性的問題，匹配城域的組網特征，本文通過對業內主流供應商的分析，認為下一代城域ROADM網絡的創新主要分為如下三個方面。

（一）城域匯聚節點由1×N WSS向支持池化共享架構的M×N WSS演進

城域匯聚節點是一個承上啟下的節點，往上連接到核心層，往下連接多個接入環。通過一組新型的M×N ROADM架構可以替代掉傳統的多組1×N WSS，實現波長資源池化的架構。多個接入環共享96/120個波長，大幅度降低匯聚節點的空間占用、功耗和成本。

如圖1，城域匯聚節點創新架構的核心是M×N WSS。其中，N端口對應下掛接入環的數量，M端口提供本地上下波和一跳直達到核心層的能力，構建多環共享波長資源池。M×N WSS將資源池的波長分發到N個接入環共享，同時將多個接入環匯聚的波長進行分配，一部分本地下波，一部分一跳直達核心層。同理，匯聚－核心側的M×N WSS，N端口與其他方向的1×N WSS MESH組網，實現業務波長多維度調度；M端口則提供本地上下波和承接接入環業務一跳直達接入層的能力。

（二）城域接入節點由傳統ROADM向極簡T-ROADM演進

接入節點通常只有單向的東西向連接，傳統的2D ROADM由多個單板堆疊的分離架構組成，集成度較低。城域接入節點的機房空間通常較為緊張，需要提供更緊湊的ROADM方案以提升系統集成度，降低機房空間的占用。極簡T-ROADM架構通過硅光集成和混合封裝的技術把上下波、放大器、OSC、OTDR等光線路功能集成到一個單板上，實現一個方向一個槽位，支持東西向穿通和本地上下波的功能，同時大幅提升集成度而不損失功能。

（三）城域核心/匯聚層CDC架構由MCS向ADWSS演進

在城域核心或部分匯聚層，ROADM支路通常采用CD組網。CDC ROADM（Colorless波長無關，Directionless方向無關，Contentionless競爭無關）相對于CD ROADM，可實現網絡無阻塞調度。當前有兩種CDC上下波技術，一種是早期的MCS技術，另一種是當前正持續演進的ADWSS技術。M×N MCS通過M個1×N的分光功率器件把每個COM端口信號廣播到N個方向，然后通過N個M×1的光開關選擇每個Port端口所對應的COM端口。然而，該架構存在三大缺陷：一是無濾波效果，其他波長會串擾到下波通道，該問題可以通過在下波端口集成可調濾波器來解決，但成本會大幅增加；二是器件插損大，支持上下16波的MCS插損高達15dB，導致上下波均需使用陣列光放來補償損耗，成本高、集成度低；三是端口擴展難，端口數量增加會帶來內部器件熔接點和盤纖數量迅猛增長，工藝復雜度顯著上升、可靠性快速下降。相比之下，ADWSS架構可以克服上述問題。M×N ADWSS通過LCoS WSS技術把每個COM端口信號分波長路由到任意不同的Port端口上，然后通過N個M×1的光開關來選擇每個Port端口特定波長所對應的COM端口；該架構通常采用LCoS和MEMS的自由空間光路方案，實現低成本。

四、城域ROADM關鍵技術方向

本文結合當前主流光器件廠家和設備廠家的研究方向，對城域ROADM涉及的關鍵技術進行了初步分析，具體如下：

（一）新型M×N WSS

高集成度、低功耗是通信設備發展的重要趨勢之一。相比傳統的1×N WSS，新型M×N WSS支持池化波分多環共享架構，可降低器件的體積和功耗，并進一步節省機房空間等資源。但是新型池化WSS需要擴展更多的合波端口，為實現M×N WSS池化多環共享能力，業內一般采用M個1×N WSS堆疊集成的架構。通過空間光學多路復用技術，從Twin到Quad到Multiple的多組復用，充分利用空間和偏振維度復用維度疊加，實現了M×N WSS的功能。然而，多路堆疊技術受限于Lcos尺寸，切換角度和插損較高，光學光路復雜，性能難達成最佳水平。此外，引入多個線路端口池化共享架構會導致不同環之間的同頻業務穿通WSS時存在鏡像串擾（Mirrored Crosstalk），從而劣化信號的光信噪比。

（二）光路設計

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現極簡的架構，但是可能會存在像差較大的問題。為了解決這一問題，可以通過在光束上加載額外相位調節以校正光路像差。目前業內評估的一種技術方式是直接在LCoS處配置額外相位補償光路像差，另一種方式是采用自由曲面鏡面補償光路像差。這兩種技術方案都需要改變光路設計，并且可能會增加裝調工藝難度。

（三）高分辨率LCoS技術

為提升系統容量，需要提高LCoS分辨率以接收更多的波長。此外，相同波長通道數下，高分辨率LCoS處的波長通道物理間隔也會增加。通過提高LCoS的分辨率，WSS帶寬也會相應提升，從而降低系統的濾波代價。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向4k分辨率演進，預計4k分辨率的LCOS芯片也將在WSS中推廣應用，以滿足更高容量和性帶來更大的靈活性和效率。

（四）算法技術

WSS模塊性能強依賴于LCoS相位光柵算法的設計及優化調測，通常采用IFTA（迭代傅里葉變換）優化算法。這種算法通過迭代尋優來找到有效抑制邊緣場效應的全息相位圖，以解決插損劣化問題。然而，由于遍歷迭代搜索空間較大，往往容易陷入局部最優且解析性不足，在實際場景中應用受限。隨著機器學習算法的快速發展，基于深度學習的ML-APRA（機器學習輔助的相位檢索算法）相位光柵調制算法是當前學術研究的熱點和關注方向。然而，目前該法普遍對算力要求較高，模型泛化能力較差，這是制約其應用的主要挑戰。需要進一步攻克和提升算法，以提高其在實際場景中的可應用性和性能表現。

（五）光數字標簽技術

傳統的運維技術主要依賴于OPM、PD等功率檢測器件，但這些器件成本高、設備集成度差，因此調頂的技術被應用來實現數字化的光標簽。業內采用的方法一般是在光模塊的ODSP中集成調制單元來實現調頂信號加載，而在光層上利用普通PD和ASIC芯片就可以檢測得到業務波長信號上的數字光標簽，從而得到波長、譜寬、速率、FEC、碼型、路由等信息。這種技術可實現多項網絡性能檢測，減少外置檢測硬件，有利于節能環保。通過波長路由標簽管理功能，可以大幅降低站點交付和運維難度，實現網絡問題精準識別、動態自愈功能。這種方法有望為網絡運維帶來更高效、智能化的管理方式。

五、運營商城域網ROADM部署建議

隨著算力網絡的逐步普及，針對時延敏感型業務在城域網上部署低時延平面成為新的趨勢，需要考慮基于 ROADM的端到端網絡架構。當前城域網絡以FOADM為主，但業務發放需人工入站操作，影響了業務發放效率。在城域網絡建設時，可根據機房定位來選擇合適的ROADM方案實現網絡架構優化，具體如下：

城域核心和城域重要匯聚：面向未來算力網絡，核心層要求全互聯Mesh化，要求光方向可擴容，波長資源可擴展，同時降低新擴容交付難度。這可以通過采用大容量全光交叉OXC實現，更有利于未來網絡彈性擴容。

普通匯聚：典型特點是多環少波系統，通過池化共享方案提升資源利用率，降低建網TCO。采用M*N WSS技術，接收多個方向的線路合波光信號，實現多環共享一組WSS，從而節省空間，降低功耗和成本。

綜合業務機房：相比于匯聚節點，典型環形組網，東西向互為保護，采用極簡T-ROADM高集成度，具備100G演進和靈活調度能力。

六、結束語

在算力時代，對城域網絡的靈活調度和演進能力提出了更高的要求。為滿足大帶寬、確定性低時延及基礎架構穩定的目標和要求，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的業務特征，并通過池化共享的M×N WSS和極簡T-ROADM架構創新的方式滿足城域經濟性建網的要求。這種方法可以降低ROADM在城域廣泛部署的成本壓力，并且通過數字化光標簽的技術實現網絡全自動化的極簡運維。

作者單位：何映仙 中國移動通信集團陜西有限公司

參考文獻

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