關於ROADM的入門科普_風聞

　　如今我們所處的時代，是流量爆炸性增長的時代。4K/8K、VR/AR輪番上陣，5G、WiFi-6加速普及，對整個通信承載網絡，帶來了巨大的帶寬壓力。

　　想要應對這樣的壓力，目前看來只有一個辦法，那就是將整個網絡全面光纖化，建設大一統的全光網絡。

　　全光網絡，也稱全光網，英文名是All-Optical Network，AON。這是一種網絡傳輸和交換過程全部通過光纖實現的網絡，中間不需要進行光信號和電信號的轉換。

　　打個比方：

　　傳統電網絡，也就是銅線網線連接的網絡，我們可以把它看成公共汽車交通網，存在時間長，分佈廣泛。

　　而光網絡，採用的是光纖傳輸，速率更快，帶寬更高。我們可以把它看成地鐵交通網。

　　所謂“全光網”，就是把整個公交系統，全部替換成地鐵。

　　怎麼樣？是不是看上去超讚？

　　然鵝，這麼一個宏大的工程，是不可能在短期內完成的。

　　按行業大佬們的規劃，全光網的演進過程分為三個階段：第一階段，骨幹和傳輸光纖化；第二階段，接入網光纖化；第三階段，傳輸節點引入光交換，即引入ROADM和OXC。

　　哎喲，本文的主角——ROADM，出現了嘛。別急，先晾在這，我們繼續往下説。

　　第一階段的骨幹和傳輸光纖化，很容易理解，就是把網絡骨幹線路的路由器、交換機全部換成光通信設備，引入WDM（波分複用）/OTN（光傳送網），把銅纜網線全部換成光纖。

　　第二階段的接入網光纖化，更簡單，就是使用PON（無源光網絡）系統，把家裏的ADSL網線（電話線）上網，全部換成光纖寬帶接入。這也就是我們常説的FTTx（例如FTTH，Fiber To The Home，光纖入户），也稱接入網的“光進銅退”。

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

　　大家應該知道，光纖通信有一個很重要的特點，就是——“一站到底”。

　　光纖作為一根“玻璃管道”，裏面傳輸的是光信號，很難附加信號和提取信號。一條光線路，通常只能從起點站上車，到終點站才能下車。

　　光纖的特點：“一站到底”

　　相比之下，銅線網線裏傳輸的是電信號，電信號的“上下車”要方便得多。

　　電信號的特點：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波分複用技術，將不同波長的光，塞在一根光纖裏，然後進行傳輸。

WDM，Wavelength Division Multiplexing

　　WDM是最常見的光層組網技術，但它本質上仍然是一個點到點的線路系統。

　　那麼問題來了，城市交通（通信網絡）是複雜的多節點網絡，有很多的車站，如果地鐵只支持點到點的傳輸，那麼中間車站的乘客怎麼辦呢？下了地鐵再換乘公交嗎？

　　地鐵：速度快，但是站點死板

　　公交：速度慢，但是站點靈活

　　如果採用“地鐵換乘公交”的方式，既增加了複雜度，也形成了速率和帶寬瓶頸。

　　於是，我們就會想到，可以建設更多的地鐵換乘站，讓乘客實現中間站點上下車，以及地鐵線路之間的無縫換乘。

所有站點改造成“地鐵換乘站”

　　而咱們今天要説的ROADM技術，就是“地鐵換乘站”的專有技術。

　　ROADM，可以念做“肉德姆”，英文全稱比較長，也比較燒腦，是Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers，可重構光分插複用器。

　　介紹ROADM之前，我們先看看FOADM。FOADM是Fixed OADM，固定式光分叉複用器。它比ROADM更早出現，目的是一樣的，為了實現乘客的上車、下車。

　　FOADM分為串型和並型。下圖是並型的簡單原理示意圖：

FOADM（並型）結構示意圖

　　很容易看懂，首先使用DEMUX（分波器）將所有波長解複用（拆分開），之後根據需要，將某些波長直接穿通，同時，將特定波長下路至本地（下車）。

　　要上路（上車）的特定波長，和其它波長一起，再次經過MUX（合波器）複用，然後開車去下一節點。

　　這種方式貌似簡單，但是有一個很要命的缺點，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，你沒有辦法動態修改。如果你硬要改，只能人工維護。

　　正因為如此，這種方式才被稱為固定式OADM。

　　FOADM過於死板，維護複雜，無法滿足網絡靈活多變的需求，所以，取而代之的ROADM出現了。

　　ROADM的特點是可重構、可動態配置，可靈活調整。它大概出現於2000年左右，至今為止經歷20年的發展。

　　最開始的階段，是2001年首次實現商業化的基於WB（Wavelength Blocker，波長阻斷器）技術的ROADM。

　　WB波長阻斷器，可以把指定的波長通道給“打掉”：

　　完整的WB-ROADM實現原理如下：

WB-ROADM

　　當WDM過來信號後，分光器會把波長信號分為2束，一束經過WB模塊，一束則送到下行濾波器。下行濾波器將信號在本地下車，接收所需要的信號波長。

　　WB把信號中已經下車的波長“打掉”，然後匯合本地上車的波長，進行合路，然後再往下一站送。

　　2003年左右，出現了基於**平面光波導迴路（Planar Lightwave Circuit，PLC）**技術的ROADM。

　　PLC是一種基於硅工藝的集成電路。採用PLC的ROADM，將解複用器、光開關、VOA（可變光衰器）、分光器及複用器等集成在一塊芯片上，提高了集成度，降低了系統成本。

PLC-ROADM，就是統統打包

　　再到後來，WSS出現了，ROADM進入了一個新的階段。

　　**WSS，就是波長選擇開關（Wavelength Selective Switch）。**它的端口結構為1×K（1進K出），擁有一個輸入端口和K個輸出端口。WSS採用光開關陣列，可以將波長信號分插到任意通道進行傳輸。

WSS波長選擇開關

　　也就是説，基於WSS，可以實現端口的任意指配，具有很高的自由度。

WSS波長選擇開關

　　具體來看WSS的內部結構：光波通過準直透鏡輸入後，採用衍射光柵或AWG（Arrayed Waveguide Grating，陣列波導光柵）進行濾波，把不同波長的光波給分拆出來，然後各個波長的光送到光開關。光開關根據需要，把指定的光折返到指定的方向，把不要的光給幹掉，就實現了對波長的選擇。

WSS的工作原理

　　大家應該看出來了，WSS的核心關鍵，就在於光開關方案。

　　目前主流的WSS光開關方案有三種，分別是MEMS、LC和LCoS。

　　限於篇幅，三種方案的具體原理就不做詳細解釋了。網上的資料比較多，搜一下就有。

　　三種方案中，LCoS（硅基液晶）方案屬於第三代ROADM技術，它和另外兩種方案最大的區別在於，它原生支持**靈活柵格（Flexi-Grid）**功能，支持可變channel寬度以及超級通道。（LC WSS經優化設計之後也能支持靈活帶寬功能，而MEMS WSS則不支持該功能。）

　　這是什麼意思呢？

　　前面我們説過了，由於WSS的出現，使得ROADM有了更高的自由度。它可以從之前的一進一出的兩維，變成多進多出的多維。

​四維ROADM

　　也就是説，我們的換乘站，變成了中轉換乘站，可以去不同的方向。

　　對於ROADM這個中轉換乘站，運營商對中轉換乘能力（光網絡交叉能力）提出了更高的要求。這些要求歸納起來，就是四個字母——C、D、C、F，也就是：

　　Colorless（波長無關）

　　Directionless（方向無關）

　　Contentionless（競爭無關）

　　Flexi-Grid（波道間隔可調）

　　我們一個一個來説。

　　首先是Colorless（波長無關）。

　　波長無關也稱為“無色”，是指任何波長通道都可以從任何端口進行上下路。

　　簡單來説，以前這個站只能上班族上下車，現在變成了學生、老人、兒童、軍人等所有人都可以上下車。

　　然後是Directionless(方向無關)。

　　這個也很好理解，是指任何本地業務可以配置為發送到任何方向，或者任何方向的業務都可以配置到本地下路。

　　簡單來説，以前這個站上車只能去中山陵，現在可以去夫子廟、總統府、老門東等所有方向。所有方向來的乘客，也都可以在這下車。

　　再就是Contentionless（競爭無關）。

　　這也稱為“無衝突”。它是指支持同樣波長的多個業務在同一個本地節點上下路。

　　簡單來説，就是來自不同方向的同一類乘客，都可以在這個站下車。或者，想去不同方向的同一類乘客，都可以在這個站上車。

　　注①：看紅色的線，相同波長的波可以同時上車、下車

　　最後一個，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。這是一種提高頻譜效率的新技術，隨着高速大容量WDM技術發展過程而出現。

　　在傳統DWDM技術中，各種的分合波器件都是基於固定的帶寬柵格定義，例如 50/100 GHz。而在可變帶寬光網絡中，為了支持新型高速和超高速數據傳輸並提高網絡資源利用率，系統根據各信號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，就是支持動態波長上下和帶寬分配。

　　基於以上4個字母：

　　方向無關、波長相關，叫D-ROADM ；

　　方向無關、波長無關，叫CD-ROADM ；

　　方向無關，波長無關，競爭無關，叫CDC-ROADM ；

　　方向無關，波長無關，競爭無關，靈活柵格，叫CDC-F ROADM 。

　　Are you clear？

　　除了功能強大之外，ROADM還有一個巨大的優勢，那就是管理運維方便。

　　前面我們就有提到，ROADM的波長信號和通道配置，都是可以通過網管軟件遠程進行操作的，降低了運維難度，縮短了部署週期，也節約了人力成本，提高了網絡管理效率。

　　此外，基於ROADM的網絡交通管理功能，大家應該很容易會想到，我們現在非常流行的SDN（軟件定義網絡）技術，其實是可以與ROADM進行結合的。

　　現在有行業企業發起成立的Open ROADM，乾的就是這個事。

　　他們計劃把ROADM按功能模塊進行拆分，然後將廠商私有的ROADM軟硬件進行解耦，利用SDN控制器來進行統一調度。

　　SDN+ROADM

　　最後，我再總結一下。

　　ROADM技術作為一項重要的“中轉換乘站”技術，可以幫助網絡實現電節點到光節點的全面升級，突破網絡節點容量瓶頸，實現全光自動調度。

　　ROADM自身也還處於不斷發展的階段。ROADM的器件性能還有待進一步提升，成本也有很大的下降空間。ROADM的產業鏈，還需要持續推動向前發展。

　　隨着ROADM不斷走向高效、智能、開放，我們最終將會迎來真正的終極版“全光網”時代。