ROADM网络的应用优势及总体结构设计与应用场景分析

前言

为适应以IPTV、云计算、物联网等为代表的新型电信业务的飞速发展，为解决传统WDM网络系统发展及建设中存在的问题，打破省际、省内干线分层界面，采用新型ROADM设备进行扁平化组网已势在必行。新型ROADM区域网网络规划设计需提供从网络结构、局（站）设置、路由及波长规划、业务保护恢复机制以及系统调度管理等方面的整体建设策略，通过多种实验数据的对比分析，提出ROADM网络的设计方法与原则，对今后ROADM网络的规划建设给出建议。

1 与传统网络的区别

1.1 ROADM网络与传统WDM网络的区别及优势

现有传统的WDM系统采用线性组网，这是国内沿用了数十年的网络建设模式。线性组网，不同系统间需要电层转接，导致光层穿通的比例降低，建网成本增加，经济性较差。而且波分不成网，虽然可以采用调度波道接入OTN的方式，实现了少量波道的自动调度，但是由于系统数量繁多，导致系统间互联情况复杂，不利于快速调度和维护，大量电路调度必须采用手动跳纤方式，调度效率低。另外机房资源消耗严重。100G波分系统的功耗较10G波分系统增长近3倍，对机房的空间、电源、空调等系统带来巨大的压力。而不同系统间的转接带来的机位和功耗需求加剧了资源的消耗。同时工程管理复杂，系统数量多、设备厂家多，导致需要管理的项目数量和参与单位数量多、工程界面复杂、协调量大。

与传统WDM网络不同，ROADM的设备形态和技术特点直接明确了它的建网模式：区域化的网状网。采用区域化组网模式，区域内采用同一厂家设备，减少系统间转接；充分发挥ROADM技术优势，最大限度地实现光层穿通能力，减少电层中继的数量，提升建网经济性。利用ROADM技术在光层的波长调度能力，可以实现区域网内所有业务的自动调度能力，加快波长业务提供速率，快速响应客户需求，提高调度灵活性。利用多种保护方式和ROADM网络的WSON功能，建立基于传送层的保护和基于控制层的重路由恢复机制，在区域网实现网络级的保护恢复能力，提升网络可靠性及业务生存性。利用软件化的运维手段，提供基于网管的性能监测和故障管理能力，提供基于控制平面的电路、波道路由的调整能力和应对故障的自动保护和恢复能力等，提高维护便利性。

1.2 2种网络设计的区别

从传统WDM发展到ROADM网络，规划设计方法、运行维护手段都需要从业务适配网络模式转变为网络适配业务模式，主要区别如表1所示。

表1 传统WDM与ROADM网络的区别

传统的WDM系统是线性网络，结构单一，网络设计通常从局（站）设置、光缆选择、网络规模容量、设备选型等方面考虑，是从20世纪沿用至今的流程式设计方法（见图1）。

图1 传统WDM系统设计流程

ROADM系统是Mesh型网络，结构复杂，路由多样，更有多种保护方式与业务路由策略，因此网络设计也是一件极其复杂的工作。主要体现在各种因素相互影响，相互制约，需要设计人员对网络结构、业务模型、保护恢复策略、设备技术特点及其之间的关系非常了解，网络设计本身更是一个循环往复的过程（见图2）。

图2 ROADM系统设计流程

总的来说，从WDM向ROADM的发展，是网络规划“从局部到全局”的转变，是网络设计“由线向面”的转变。ROADM网络设计需要关注的内容：业务需求分析、网络拓扑设计、业务路由策略与保护机制的制定、传输性能分析与设备配置等。

2 网络总体结构设计

2.1 网络节点设置

ROADM在网络节点设置时，主要遵循以下原则。

a） 从满足业务需求的角度考虑，传输网络应在业务上下需求的节点设站。

b） 从完善网络结构的角度考虑，传输网络应在重要的光缆交叉节点设站。

c） 从确保传输信号质量考虑，传输网络中光跳段设置尽可能平均，距离设置70~90 km。

d） 个别业务节点存在机房电源和空间接近满负荷的情况，也可通过局间中继延伸的方式在市内相邻局址设站。

2.2 光缆路由选择

ROADM网络的一大优势在于其网状网的结构，可以提供丰富的系统路由，为业务的灵活调度和保护恢复提供保障。因此，丰富的光缆路由资源是建设ROADM网络并充分发挥其优势的基础。

对于光缆的选择，需要从光缆质量、光缆安全性、系统建设需求等方面综合考虑，具体的选择原则如下：

a） 基于光缆网结构，充分利用区域内所有光缆资源，尽可能丰富系统路由，以充分发挥ROADM网络的灵活性。

b） 以复用段为单位进行光缆路由选择，选取纤芯质量符合系统开通要求的光缆。

c） 同段落有多个系统路由的，宜采用不同物理路由光缆，以尽可能提升业务承载安全性。

d） 对于光缆资源丰富的段落，可考虑设置OMSP保护，但考虑到传输性能不建议设置OLP保护。

e） 由于网络的物理拓扑和业务模型存在差异，在ROADM网扩容到一定阶段会出现部分段落波道资源紧张的情况，可通过增加线路维度的方式进行扩展，这种情形应注意共享风险链路组（SRLG）的设置。

2.3 网络拓扑结构

ROADM组网可以应用于链形、环形和网状网3类网络结构中。

网状组网路由丰富，在设备或线路故障时通过路由切换迂回确保业务畅通，是智能光网络的主要组网方式之一。多维ROADM非常适合用于建设网状网（见图3）。

图3 ROADM网状组网结构示意图

从ROADM网络光层传输性能、保护恢复性能和建网经济性等方面考虑，网状网的范围不宜太大，主要应用场景包括省际区域骨干网（如京津冀区域、长三角区域等）、省内骨干网、本地网的核心汇聚层等。在网络设计时，应根据区域内业务节点分布及光缆网结构，尽可能多地实现各节点间光层连接，丰富Mesh网路由，各节点至少要有2个及以上的物理路由与其他节点互联。一条业务经过的ROADM节点数不宜太多，以提高每个节点的设备利用率，原则上建议每条业务经过的ROADM节点不超过3个（不包括业务上下节点）。

2.4 总体结构设计流程

网络总体结构的确定，是ROADM系统设计的第1步。通常要从业务需求入手，来确定节点设置与网络拓扑结构，鉴于业务种类的不同与组网范围的限制，需对业务需求进行归并整理，制定出合理的业务模型进行模拟仿真。通过智能化的仿真手段，可以找出网络结构的瓶颈，对光缆路由的建设与拓扑结构的完善给出指导意见。设计流程如图4所示。

图4 ROADM网总体结构设计流程示意图

3 网络系统方案设计

3.1 业务路由策略

ROADM系统通常需要借助专用规划软件相关功能，在进行业务路由及波长规划时需确定业务路由策略。目前主流设备厂家软件支持的基本路由策略主要有以下几种方式。

a） 最小跳数：业务经过的ROADM节点数量最少，对应业务开通的投资最小。

b） 最短路径：业务经过的光纤距离最短，对应业务的时延最小。

c） 最优信噪比：基于光学参数计算路径，对应较优的传输性能。

d） 负载均衡：路由规划时避免大量波道集中走某一路由，减少波长冲突。

对于理想的网状网，前3种路由策略往往呈现出高度的相关性。对于个别光缆质量差别较大，以及路由绕远、站距不均的段落，不同的策略会导致不同的规划结果。负载均衡策略有别于其他3种，它可以有效降低网络拥塞发生的概率，提升网络利用率。

此外，还有自定义路由约束（指定必经/必不经）、设置预留波长等路由策略，通常根据运维部门的习惯和要求来选取。在路由规划时，也可以同时选取多种路由策略，并设置不同的权重。

IP业务、大客户业务是传输网的主要业务，时延性能是其最关键指标，在进行IP业务承载时要求链路路由距离尽可能短；从传输系统设计角度考虑，要求系统路由电中继尽量少、波道利用率尽量高，以降低建网成本、减少机房配套等需求。基于上述情况，在网络规划时，建议根据业务属性选取路由策略。

a） 对于时延性能要求高的大客户、国际等业务，建议选取最短路径策略。

b） 对于数量大、时延性能要求一般的业务，建议选取最短路径+负载均衡策略。

c） 对于有特殊要求的业务，建议自定义路由约束策略（双路由分担、指定必经/必不经等）。

3.2 网络的保护与恢复

ROADM系统通常采用Mesh型组网，相比于链形系统单一路由，ROADM网络具有业务量大、网络节点多、节点连通度高等特点，保护恢复的应用更加复杂。

网络保护是指发现故障后，将业务从工作波道倒换到预先配置好的保护波道中，从而快速实现业务的恢复，降低故障对网络的影响。光层的网络保护主要分为光复用段/光放段保护、光通道层1+1保护等。

OMSP和OLP都属于光线路保护内容，主要利用在入纤点设置分光器/耦合器，通过双发选收机制来实现，一般能够满足倒换时间小于50 ms的要求。

OMSP保护是最经济高效的保护方式，已经在中国联通网络中广泛应用。OLP保护应用较少，主要原因是OLP板卡的光层损伤效应在长距离传输中得到累积，会极大地削弱传输性能。ROADM网络中，不建议采用OLP保护。OMSP保护具有单段孤立性和协议无关性，故障影响的范围更小，可以实现对80个波道的同时保护，且保护倒换时间不超过50 ms，可实现对网络的低成本高效保护。

光通道层保护（OCH 1+1）与OMSP/OLP保护相似，OCH 1+1也是通过分光器/耦合器来实现的，只是设置的位置有所不同，共有2种实现方式，利用1+1保护单元分离出工作通道和保护通道，经由不同的上下路模块接入ROADM光交叉进入网络，也是通过双发选收机制来实现业务保护，可以满足倒换时间小于50 ms的要求。OCH 1+1保护占用通道资源较多，每条业务均需配置2块保护板卡，网络重载时机房空间占用较多，不建议大量业务采用该保护方式。

ROADM网络的恢复功能基于WSON协议来实现，主要有预置重路由恢复和动态重路由恢复2种。网络恢复是通过重路由机制建立新连接以代替失效的连接，这些新连接会占用网络中预置或冗余的共享容量。与保护不同，发生故障进行恢复时，网络中支持该连接的部分或全部交叉连接会发生变化。由于WSON的协议相关性，在网络故障（尤其是多点故障）时，其恢复路由不受人为控制，会给网络运维造成困难。

需要说明的是，业务恢复过程是光信号的建立过程。光器件的相应速度决定了基于WSON的业务恢复无法满足业务中断时间小于50 ms的要求。WSON具备较强的抗多点故障的能力，启用WSON即可实现网络的全局保护。

从建网的经济性和易维护角度考虑，应选用OMSP保护；从网络的健壮性和可靠性角度考虑，WSON具有更大的优势。要充分发挥ROADM网络的可重构功能，更应开启WSON。在光缆条件具备的情况下，也可以采用OMSP+WSON协同保护的模式，OMSP在物理层实现光纤级别的保护，WSON在控制层面通过协议算法实现智能恢复（见图5）。

图5 OMSP和WSON的协同方案

在OMSP和WSON协同工作时，应遵循以下原则。

a） WSON不参与OMSP倒换，OMSP倒换不触发WSON重路由。

b） OMSP应作为单个链路参与WSON算路。

c） WSON 控制平面应实时监控 OMSP主备链路的光学性能。

3.3 电中继站的设置

ROADM组网范围受光域物理传输性能的限制，主要是色散、非线性、PMD等，以及多个ROADM级联后带来的一些系统串扰、功率均衡、瞬态效应等问题。

ROADM设备用于城域网或省内干线网建设时，受物理传输性能的影响较小；用于骨干网建设时，由于地理范围大，且节点分布不均匀，必须考虑O-E-O再生问题。

对于多维ROADM设备，普遍存在部分方向对之间需要再生、其余方向对不需要再生的情况。一方面，在网络规划中需要考虑全光域范围的问题，将全网分成若干个区域子网，子网内部业务连接尽量不用或少用O-E-O再生，发挥ROADM组网的低成本优势；另一方面，也需要ROADM设备在必要的情况下以最低的成本和最高的效率提供O-E-O再生能力。

ROADM的O-E-O再生通过下路→中继OTU→上路的方式实现，需要占用本地维度端口。对于启用了WSON的ROADM网络，需再生的波长和数量都有可能发生变化，所以需要本地上下路端口具备波长无关特性。此外，O-E-O再生还可以同时提供波长变换功能，在某些情况下可以利用波长一致性限制导致的波长碎片，优化资源利用率。

可见，电中继站的设置，对于提升ROADM网络的传输性能及业务承载能力都至关重要。

传统的链状网络设计，是遵循中继数量最少的原则：从源站点到宿站点逐个试验OSNR是否可达，不能开通则返回上一个站点加中继，保证中继数量最少，如图6所示。

图6 链状网络电中继站设置方法

对于传统的骨干网WDM系统建设，往往是省会与省会之间以OTM站型点点互联，由于传输距离适中，通常不需要或只需要1个电中继站；西部个别省会之间，也有设置2个电中继站的情况。因此在网络设计时，只需考察2个相邻省会间的OSNR是否达标，若不达标，则采用二分法或三分法设置电中继站，这种方式可以使系统传输性能达到最优。

但对于ROADM网状网的电中继站设置，无论是返回上一节点还是二分法、三分法，都已不再适用。中继站的设置位置与网络拓扑结构、光缆性能指标、业务需求模型等因素密切相关，需要通过软件手段，对中继数量、路径距离、跨段跳数、波道利用率等因素综合权重，遍历各种情况，选取最优方案。

ROADM网状网的电中继主要用于以下2种场景。

a） 光学传输性能不满足指标要求，配置中继板卡用于电再生。

b） 全程路由无一致性波长，配置中继板卡用于波长变换。

电中继的设置方式主要有以下2种。

a） 集中中继：全网统一设置电中继节点进行中继板卡配置，中继板卡只配置在少数节点，其余站点不可配置中继板卡。维护复杂度相对较低，节省人力物力。但中继站链接的OMS段波道利用率增大，不均衡，容易造成容量瓶颈。

b） 分散中继：根据业务路由需求按需配置电中继，不统一指定电中继节点。在规划设计时可以保证所有业务的最优路由。中继板卡分散不同节点，在一定程度上可以缓解中继节点的配套资源压力，同时可以降低节点失效影响，但维护复杂度相对较高。

网络设计时，在中继数量没有明显增加的情况下，为方便维护管理，节省人力物力，可适度考虑中继站集中式部署，应遵循以下原则。

a） 以网络拓扑结构为模型，应尽量选取靠近拓扑中心的节点。

b） 将节点线路维度数量排序，优先选取线路维度多的节点。

c） 若同一方向上有多个节点，可优化集中到其中一个节点。

d） 中继单板不完全集中到省会城市，降低对省会城市机房的供电压力。

e） 优先选取机房条件较好的局（站），如供电、维护力量。

3.4 设备配置方案

3.4.1 ROADM设备形态选择

采用全ROADM 组网，网络需要提供灵活的调度恢复能力，以满足故障及应急情况下紧急电路的快速开通需求，传统ROADM、C-ROADM以及D-ROADM无法满足相应要求。

CDC-ROADM功能最完善，可实现业务的全自动、无冲突调度，但上下业务数量较少，成本较高。MCS本身技术复杂度不高，可靠性较高；但是为了补偿插入损耗，需要引入EDFA阵列，带来高成本、高功耗，大量有源器件在一定程度上会影响可靠性。

CD-ROADM成本适中，技术成熟，可通过增加本地维度数量来应对波长冲突的问题。目前主流厂家CD及CDC结构的技术成熟度和设备成本存在差异，现阶段ROADM网络设计建议优先采用CD结构设备进行组网，也可适当引入CDC结构，采用联合组网方式。考虑到400 Gbit/s及更高速率的技术演进，宜选用支持灵活栅格的ROADM。

3.4.2 ROADM维度数选择

应根据网络方向数多少、上下业务方式及未来的发展来选择ROADM的维度数。骨干网状组网宜采用1×9或1×20维度的ROADM；在业务汇聚节点，应充分考虑业务方向的扩展性。

ROADM设备支持的上下路波长通道数量可以根据实际组网要求进行配置，且具备在线扩展能力，即灵活增加或减少一定单位数量的上下路端口，不影响其他上下路端口业务的正常工作，也不影响非本地上下路波长通道的正常工作。CD-ROADM设备由于上路WSS器件（1×N，只有一个合波口）的限制，不同的上/下端口无法上路/下路波长相同的业务，存在波长冲突问题。在CD-ROADM设备中，一般采用扩展本地模块的方式来解决波长冲突问题，如按照线路维度数量扩展本地模块，可以完全避免波长冲突问题。本地模块的需求设置可以从以下几个方面考虑。

a） 从提高业务安全性和满足中继需求角度考虑，各节点最少配置2个本地模块。

b） 区域ROADM网络采用动态重路由策略，约有一半通道资源用于恢复。根据WSON软件波长一致性策略，工作波长和恢复波长大多数情况下是一致的，按照线路方向的1/2来配置本地模块可以基本解决波长冲突问题。

c） 影响本地模块数量主要因素是节点的上下业务数量、线路方向以及相关链路利用率。一般情况下上下业务数量越多、线路方向越多、链路利用率越高，则该节点本地模块需求越大。

3.5 系统方案设计流程

与传统的链形WDM系统不同，ROADM系统是Mesh型网络，结构复杂，路由多样，加载WSON控制平面后，更有多种路由策略与保护方式。网络设计主要的难点在于各种因素相互影响，相互制约，是一个循环往复的过程（见图7）。

图7 ROADM系统方案设计流程

4 结束语

由于国内暂无ROADM网状网的工程建设实例，本文研究受实验条件和时间的限制，仅仅通过软件手段对单一网络模型进行了模拟仿真，从而对设计流程和设计方法给出了建议。对于跨区域、跨厂家的网络建设与协同方案，暂未进行相关研究。但是从目前的研究结果可以看出，ROADM设备功能逐渐成熟，其WSON控制平面也基本可以满足网络的保护恢复要求。可以预见，区域化的ROADM网络建设模式，将逐渐取代传统的线性WDM系统的建设模式。智能ROADM网络相比传统WDM网络可以提供更良好的生存性机制以应对网络中的故障，同时WSON控制平面的引入也使其具有动态的业务配置能力和良好的资源利用率。

随着光网络向智能化的演进，网络规划设计也由人工方式变为人+规划软件的方式，同时也对设计人员提出了更高的要求，需要对建网经济性、调度灵活性、网络可靠性与维护便利性有更深刻的理解，网络设计还有好多方面值得进一步关注和深入研究。

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