关于光纤通信中的ROADM入门科普

文章来源：鲜枣课堂（ID：xzclasscom）

如今我们所处的时代，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。

文章来源：鲜枣课堂（ID：xzclasscom）

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