0 前言
為適應以IPTV、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型電信業(yè)務的飛速發(fā)展，為解決傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)展及建設中存在的問題，打破省際、省內(nèi)干線分層界面，采用新型ROADM設備進行扁平化組網(wǎng)已勢在必行。新型ROADM區(qū)域網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃設計需提供從網(wǎng)絡結構、局（站）設置、路由及波長規(guī)劃、業(yè)務保護恢復機制以及系統(tǒng)調(diào)度管理等方面的整體建設策略，通過多種實驗數(shù)據(jù)的對比分析，提出ROADM網(wǎng)絡的設計方法與原則，對今后ROADM網(wǎng)絡的規(guī)劃建設給出建議。
1 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的區(qū)別
1.1 ROADM網(wǎng)絡與傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡的區(qū)別及優(yōu)勢
現(xiàn)有傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)采用線性組網(wǎng)，這是國內(nèi)沿用了數(shù)十年的網(wǎng)絡建設模式。線性組網(wǎng)，不同系統(tǒng)間需要電層轉接，導致光層穿通的比例降低，建網(wǎng)成本增加，經(jīng)濟性較差。而且波分不成網(wǎng)，雖然可以采用調(diào)度波道接入OTN的方式，實現(xiàn)了少量波道的自動調(diào)度，但是由于系統(tǒng)數(shù)量繁多，導致系統(tǒng)間互聯(lián)情況復雜，不利于快速調(diào)度和維護，大量電路調(diào)度必須采用手動跳纖方式，調(diào)度效率低。另外機房資源消耗嚴重。100G波分系統(tǒng)的功耗較10G波分系統(tǒng)增長近3倍，對機房的空間、電源、空調(diào)等系統(tǒng)帶來巨大的壓力。而不同系統(tǒng)間的轉接帶來的機位和功耗需求加劇了資源的消耗。同時工程管理復雜，系統(tǒng)數(shù)量多、設備廠家多，導致需要管理的項目數(shù)量和參與單位數(shù)量多、工程界面復雜、協(xié)調(diào)量大。
與傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡不同，ROADM的設備形態(tài)和技術特點直接明確了它的建網(wǎng)模式：區(qū)域化的網(wǎng)狀網(wǎng)。采用區(qū)域化組網(wǎng)模式，區(qū)域內(nèi)采用同一廠家設備，減少系統(tǒng)間轉接；充分發(fā)揮ROADM技術優(yōu)勢，最大限度地實現(xiàn)光層穿通能力，減少電層中繼的數(shù)量，提升建網(wǎng)經(jīng)濟性。利用ROADM技術在光層的波長調(diào)度能力，可以實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)所有業(yè)務的自動調(diào)度能力，加快波長業(yè)務提供速率，快速響應客戶需求，提高調(diào)度靈活性。利用多種保護方式和ROADM網(wǎng)絡的WSON功能，建立基于傳送層的保護和基于控制層的重路由恢復機制，在區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡級的保護恢復能力，提升網(wǎng)絡可靠性及業(yè)務生存性。利用軟件化的運維手段，提供基于網(wǎng)管的性能監(jiān)測和故障管理能力，提供基于控制平面的電路、波道路由的調(diào)整能力和應對故障的自動保護和恢復能力等，提高維護便利性。
1.2 2種網(wǎng)絡設計的區(qū)別
從傳統(tǒng)WDM發(fā)展到ROADM網(wǎng)絡，規(guī)劃設計方法、運行維護手段都需要從業(yè)務適配網(wǎng)絡模式轉變?yōu)榫W(wǎng)絡適配業(yè)務模式。
傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)是線性網(wǎng)絡，結構單一，網(wǎng)絡設計通常從局（站）設置、光纜選擇、網(wǎng)絡規(guī)模容量、設備選型等方面考慮。ROADM系統(tǒng)是Mesh型網(wǎng)絡，結構復雜，路由多樣，更有多種保護方式與業(yè)務路由策略，因此網(wǎng)絡設計也是一件極其復雜的工作。主要體現(xiàn)在各種因素相互影響，相互制約，需要設計人員對網(wǎng)絡結構、業(yè)務模型、保護恢復策略、設備技術特點及其之間的關系非常了解。
總的來說，從WDM向ROADM的發(fā)展，是網(wǎng)絡規(guī)劃“從局部到全局”的轉變，是網(wǎng)絡設計“由線向面”的轉變。ROADM網(wǎng)絡設計需要關注的內(nèi)容：業(yè)務需求分析、網(wǎng)絡拓撲設計、業(yè)務路由策略與保護機制的制定、傳輸性能分析與設備配置等。
2 網(wǎng)絡總體結構設計
2.1 網(wǎng)絡節(jié)點設置
ROADM在網(wǎng)絡節(jié)點設置時，主要遵循以下原則。
a） 從滿足業(yè)務需求的角度考慮，傳輸網(wǎng)絡應在業(yè)務上下需求的節(jié)點設站。
b） 從完善網(wǎng)絡結構的角度考慮，傳輸網(wǎng)絡應在重要的光纜交叉節(jié)點設站。
c） 從確保傳輸信號質量考慮，傳輸網(wǎng)絡中光跳段設置盡可能平均，距離設置70~90 km。
d） 個別業(yè)務節(jié)點存在機房電源和空間接近滿負荷的情況，也可通過局間中繼延伸的方式在市內(nèi)相鄰局址設站。
2.2 光纜路由選擇
ROADM網(wǎng)絡的一大優(yōu)勢在于其網(wǎng)狀網(wǎng)的結構，可以提供豐富的系統(tǒng)路由，為業(yè)務的靈活調(diào)度和保護恢復提供保障。因此，豐富的光纜路由資源是建設ROADM網(wǎng)絡并充分發(fā)揮其優(yōu)勢的基礎。
對于光纜的選擇，需要從光纜質量、光纜安全性、系統(tǒng)建設需求等方面綜合考慮，具體的選擇原則如下：
a） 基于光纜網(wǎng)結構，充分利用區(qū)域內(nèi)所有光纜資源，盡可能豐富系統(tǒng)路由，以充分發(fā)揮ROADM網(wǎng)絡的靈活性。
b） 以復用段為單位進行光纜路由選擇，選取纖芯質量符合系統(tǒng)開通要求的光纜。
c） 同段落有多個系統(tǒng)路由的，宜采用不同物理路由光纜，以盡可能提升業(yè)務承載安全性。
d） 對于光纜資源豐富的段落，可考慮設置OMSP保護，但考慮到傳輸性能不建議設置OLP保護。
e） 由于網(wǎng)絡的物理拓撲和業(yè)務模型存在差異，在ROADM網(wǎng)擴容到一定階段會出現(xiàn)部分段落波道資源緊張的情況，可通過增加線路維度的方式進行擴展，這種情形應注意共享風險鏈路組（SRLG）的設置。
2.3 網(wǎng)絡拓撲結構
ROADM組網(wǎng)可以應用于鏈形、環(huán)形和網(wǎng)狀網(wǎng)3類網(wǎng)絡結構中。
網(wǎng)狀組網(wǎng)路由豐富，在設備或線路故障時通過路由切換迂回確保業(yè)務暢通，是智能光網(wǎng)絡的主要組網(wǎng)方式之一。
從ROADM網(wǎng)絡光層傳輸性能、保護恢復性能和建網(wǎng)經(jīng)濟性等方面考慮，網(wǎng)狀網(wǎng)的范圍不宜太大，主要應用場景包括省際區(qū)域骨干網(wǎng)（如京津冀區(qū)域、長三角區(qū)域等）、省內(nèi)骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)的核心匯聚層等。在網(wǎng)絡設計時，應根據(jù)區(qū)域內(nèi)業(yè)務節(jié)點分布及光纜網(wǎng)結構，盡可能多地實現(xiàn)各節(jié)點間光層連接，豐富Mesh網(wǎng)路由，各節(jié)點至少要有2個及以上的物理路由與其他節(jié)點互聯(lián)。一條業(yè)務經(jīng)過的ROADM節(jié)點數(shù)不宜太多，以提高每個節(jié)點的設備利用率，原則上建議每條業(yè)務經(jīng)過的ROADM節(jié)點不超過3個（不包括業(yè)務上下節(jié)點）。
2.4 總體結構設計流程
網(wǎng)絡總體結構的確定，是ROADM系統(tǒng)設計的第1步。通常要從業(yè)務需求入手，來確定節(jié)點設置與網(wǎng)絡拓撲結構，鑒于業(yè)務種類的不同與組網(wǎng)范圍的限制，需對業(yè)務需求進行歸并整理，制定出合理的業(yè)務模型進行模擬仿真。通過智能化的仿真手段，可以找出網(wǎng)絡結構的瓶頸，對光纜路由的建設與拓撲結構的完善給出指導意見。
3 網(wǎng)絡系統(tǒng)方案設計
3.1 業(yè)務路由策略
ROADM系統(tǒng)通常需要借助專用規(guī)劃軟件相關功能，在進行業(yè)務路由及波長規(guī)劃時需確定業(yè)務路由策略。目前主流設備廠家軟件支持的基本路由策略主要有以下幾種方式。
a） 最小跳數(shù)：業(yè)務經(jīng)過的ROADM節(jié)點數(shù)量最少，對應業(yè)務開通的投資最小。
b） 最短路徑：業(yè)務經(jīng)過的光纖距離最短，對應業(yè)務的時延最小。
c） 最優(yōu)信噪比：基于光學參數(shù)計算路徑，對應較優(yōu)的傳輸性能。
d） 負載均衡：路由規(guī)劃時避免大量波道集中走某一路由，減少波長沖突。
對于理想的網(wǎng)狀網(wǎng)，前3種路由策略往往呈現(xiàn)出高度的相關性。對于個別光纜質量差別較大，以及路由繞遠、站距不均的段落，不同的策略會導致不同的規(guī)劃結果。負載均衡策略有別于其他3種，它可以有效降低網(wǎng)絡擁塞發(fā)生的概率，提升網(wǎng)絡利用率。
此外，還有自定義路由約束（指定必經(jīng)/必不經(jīng)）、設置預留波長等路由策略，通常根據(jù)運維部門的習慣和要求來選取。在路由規(guī)劃時，也可以同時選取多種路由策略，并設置不同的權重。
IP業(yè)務、大客戶業(yè)務是傳輸網(wǎng)的主要業(yè)務，時延性能是其最關鍵指標，在進行IP業(yè)務承載時要求鏈路路由距離盡可能短；從傳輸系統(tǒng)設計角度考慮，要求系統(tǒng)路由電中繼盡量少、波道利用率盡量高，以降低建網(wǎng)成本、減少機房配套等需求�；谏鲜銮闆r，在網(wǎng)絡規(guī)劃時，建議根據(jù)業(yè)務屬性選取路由策略。
a） 對于時延性能要求高的大客戶、國際等業(yè)務，建議選取最短路徑策略。
b） 對于數(shù)量大、時延性能要求一般的業(yè)務，建議選取最短路徑+負載均衡策略。
c） 對于有特殊要求的業(yè)務，建議自定義路由約束策略（雙路由分擔、指定必經(jīng)/必不經(jīng)等）。
3.2 網(wǎng)絡的保護與恢復
ROADM系統(tǒng)通常采用Mesh型組網(wǎng)，相比于鏈形系統(tǒng)單一路由，ROADM網(wǎng)絡具有業(yè)務量大、網(wǎng)絡節(jié)點多、節(jié)點連通度高等特點，保護恢復的應用更加復雜。
網(wǎng)絡保護是指發(fā)現(xiàn)故障后，將業(yè)務從工作波道倒換到預先配置好的保護波道中，從而快速實現(xiàn)業(yè)務的恢復，降低故障對網(wǎng)絡的影響。光層的網(wǎng)絡保護主要分為光復用段/光放段保護、光通道層1+1保護等。
OMSP和OLP都屬于光線路保護內(nèi)容，主要利用在入纖點設置分光器/耦合器，通過雙發(fā)選收機制來實現(xiàn)，一般能夠滿足倒換時間小于50 ms的要求。
OMSP保護是最經(jīng)濟高效的保護方式，已經(jīng)在中國聯(lián)通網(wǎng)絡中廣泛應用。OLP保護應用較少，主要原因是OLP板卡的光層損傷效應在長距離傳輸中得到累積，會極大地削弱傳輸性能。ROADM網(wǎng)絡中，不建議采用OLP保護。OMSP保護具有單段孤立性和協(xié)議無關性，故障影響的范圍更小，可以實現(xiàn)對80個波道的同時保護，且保護倒換時間不超過50 ms，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡的低成本高效保護。
光通道層保護（OCH 1+1）與OMSP/OLP保護相似，OCH 1+1也是通過分光器/耦合器來實現(xiàn)的，只是設置的位置有所不同，共有2種實現(xiàn)方式，利用1+1保護單元分離出工作通道和保護通道，經(jīng)由不同的上下路模塊接入ROADM光交叉進入網(wǎng)絡，也是通過雙發(fā)選收機制來實現(xiàn)業(yè)務保護，可以滿足倒換時間小于50 ms的要求。OCH 1+1保護占用通道資源較多，每條業(yè)務均需配置2塊保護板卡，網(wǎng)絡重載時機房空間占用較多，不建議大量業(yè)務采用該保護方式。
ROADM網(wǎng)絡的恢復功能基于WSON協(xié)議來實現(xiàn)，主要有預置重路由恢復和動態(tài)重路由恢復2種。網(wǎng)絡恢復是通過重路由機制建立新連接以代替失效的連接，這些新連接會占用網(wǎng)絡中預置或冗余的共享容量。與保護不同，發(fā)生故障進行恢復時，網(wǎng)絡中支持該連接的部分或全部交叉連接會發(fā)生變化。由于WSON的協(xié)議相關性，在網(wǎng)絡故障（尤其是多點故障）時，其恢復路由不受人為控制，會給網(wǎng)絡運維造成困難。
需要說明的是，業(yè)務恢復過程是光信號的建立過程。光器件的相應速度決定了基于WSON的業(yè)務恢復無法滿足業(yè)務中斷時間小于50 ms的要求。WSON具備較強的抗多點故障的能力，啟用WSON即可實現(xiàn)網(wǎng)絡的全局保護。
從建網(wǎng)的經(jīng)濟性和易維護角度考慮，應選用OMSP保護；從網(wǎng)絡的健壯性和可靠性角度考慮，WSON具有更大的優(yōu)勢。要充分發(fā)揮ROADM網(wǎng)絡的可重構功能，更應開啟WSON。在光纜條件具備的情況下，也可以采用OMSP+WSON協(xié)同保護的模式，OMSP在物理層實現(xiàn)光纖級別的保護。在OMSP和WSON協(xié)同工作時，應遵循以下原則。
a） WSON不參與OMSP倒換，OMSP倒換不觸發(fā)WSON重路由。
b） OMSP應作為單個鏈路參與WSON算路。
c） WSON 控制平面應實時監(jiān)控 OMSP主備鏈路的光學性能。
3.3 電中繼站的設置
ROADM組網(wǎng)范圍受光域物理傳輸性能的限制，主要是色散、非線性、PMD等，以及多個ROADM級聯(lián)后帶來的一些系統(tǒng)串擾、功率均衡、瞬態(tài)效應等問題。
ROADM設備用于城域網(wǎng)或省內(nèi)干線網(wǎng)建設時，受物理傳輸性能的影響較�。挥糜诠歉删W(wǎng)建設時，由于地理范圍大，且節(jié)點分布不均勻，必須考慮O-E-O再生問題。
對于多維ROADM設備，普遍存在部分方向對之間需要再生、其余方向對不需要再生的情況。一方面，在網(wǎng)絡規(guī)劃中需要考慮全光域范圍的問題，將全網(wǎng)分成若干個區(qū)域子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)部業(yè)務連接盡量不用或少用O-E-O再生，發(fā)揮ROADM組網(wǎng)的低成本優(yōu)勢；另一方面，也需要ROADM設備在必要的情況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再生通過下路→中繼OTU→上路的方式實現(xiàn)，需要占用本地維度端口。對于啟用了WSON的ROADM網(wǎng)絡，需再生的波長和數(shù)量都有可能發(fā)生變化，所以需要本地上下路端口具備波長無關特性。此外，O-E-O再生還可以同時提供波長變換功能，在某些情況下可以利用波長一致性限制導致的波長碎片，優(yōu)化資源利用率。
可見，電中繼站的設置，對于提升ROADM網(wǎng)絡的傳輸性能及業(yè)務承載能力都至關重要。
傳統(tǒng)的鏈狀網(wǎng)絡設計，是遵循中繼數(shù)量最少的原則：從源站點到宿站點逐個試驗OSNR是否可達，不能開通則返回上一個站點加中繼，保證中繼數(shù)量最少。對于傳統(tǒng)的骨干網(wǎng)WDM系統(tǒng)建設，往往是省會與省會之間以OTM站型點點互聯(lián)，由于傳輸距離適中，通常不需要或只需要1個電中繼站；西部個別省會之間，也有設置2個電中繼站的情況。因此在網(wǎng)絡設計時，只需考察2個相鄰省會間的OSNR是否達標，若不達標，則采用二分法或三分法設置電中繼站，這種方式可以使系統(tǒng)傳輸性能達到最優(yōu)。
但對于ROADM網(wǎng)狀網(wǎng)的電中繼站設置，無論是返回上一節(jié)點還是二分法、三分法，都已不再適用。中繼站的設置位置與網(wǎng)絡拓撲結構、光纜性能指標、業(yè)務需求模型等因素密切相關，需要通過軟件手段，對中繼數(shù)量、路徑距離、跨段跳數(shù)、波道利用率等因素綜合權重，遍歷各種情況，選取最優(yōu)方案。
ROADM網(wǎng)狀網(wǎng)的電中繼主要用于以下2種場景。
a） 光學傳輸性能不滿足指標要求，配置中繼板卡用于電再生。
b） 全程路由無一致性波長，配置中繼板卡用于波長變換。
電中繼的設置方式主要有以下2種。
a） 集中中繼：全網(wǎng)統(tǒng)一設置電中繼節(jié)點進行中繼板卡配置，中繼板卡只配置在少數(shù)節(jié)點，其余站點不可配置中繼板卡。維護復雜度相對較低，節(jié)省人力物力。但中繼站鏈接的OMS段波道利用率增大，不均衡，容易造成容量瓶頸。
b） 分散中繼：根據(jù)業(yè)務路由需求按需配置電中繼，不統(tǒng)一指定電中繼節(jié)點。在規(guī)劃設計時可以保證所有業(yè)務的最優(yōu)路由。中繼板卡分散不同節(jié)點，在一定程度上可以緩解中繼節(jié)點的配套資源壓力，同時可以降低節(jié)點失效影響，但維護復雜度相對較高。
網(wǎng)絡設計時，在中繼數(shù)量沒有明顯增加的情況下，為方便維護管理，節(jié)省人力物力，可適度考慮中繼站集中式部署，應遵循以下原則。
a） 以網(wǎng)絡拓撲結構為模型，應盡量選取靠近拓撲中心的節(jié)點。
b） 將節(jié)點線路維度數(shù)量排序，優(yōu)先選取線路維度多的節(jié)點。
c） 若同一方向上有多個節(jié)點，可優(yōu)化集中到其中一個節(jié)點。
d） 中繼單板不完全集中到省會城市，降低對省會城市機房的供電壓力。
e） 優(yōu)先選取機房條件較好的局（站），如供電、維護力量。
3.4 設備配置方案
3.4.1 ROADM設備形態(tài)選擇
采用全ROADM 組網(wǎng)，網(wǎng)絡需要提供靈活的調(diào)度恢復能力，以滿足故障及應急情況下緊急電路的快速開通需求，傳統(tǒng)ROADM、C-ROADM以及D-ROADM無法滿足相應要求。
CDC-ROADM功能最完善，可實現(xiàn)業(yè)務的全自動、無沖突調(diào)度，但上下業(yè)務數(shù)量較少，成本較高。MCS本身技術復雜度不高，可靠性較高；但是為了補償插入損耗，需要引入EDFA陣列，帶來高成本、高功耗，大量有源器件在一定程度上會影響可靠性。
CD-ROADM成本適中，技術成熟，可通過增加本地維度數(shù)量來應對波長沖突的問題。目前主流廠家CD及CDC結構的技術成熟度和設備成本存在差異，現(xiàn)階段ROADM網(wǎng)絡設計建議優(yōu)先采用CD結構設備進行組網(wǎng)，也可適當引入CDC結構，采用聯(lián)合組網(wǎng)方式�？紤]到400 Gbit/s及更高速率的技術演進，宜選用支持靈活柵格的ROADM。
3.4.2 ROADM維度數(shù)選擇
應根據(jù)網(wǎng)絡方向數(shù)多少、上下業(yè)務方式及未來的發(fā)展來選擇ROADM的維度數(shù)。骨干網(wǎng)狀組網(wǎng)宜采用1×9或1×20維度的ROADM；在業(yè)務匯聚節(jié)點，應充分考慮業(yè)務方向的擴展性。
ROADM設備支持的上下路波長通道數(shù)量可以根據(jù)實際組網(wǎng)要求進行配置，且具備在線擴展能力，即靈活增加或減少一定單位數(shù)量的上下路端口，不影響其他上下路端口業(yè)務的正常工作，也不影響非本地上下路波長通道的正常工作。CD-ROADM設備由于上路WSS器件（1×N，只有一個合波口）的限制，不同的上/下端口無法上路/下路波長相同的業(yè)務，存在波長沖突問題。在CD-ROADM設備中，一般采用擴展本地模塊的方式來解決波長沖突問題，如按照線路維度數(shù)量擴展本地模塊，可以完全避免波長沖突問題。本地模塊的需求設置可以從以下幾個方面考慮。
a） 從提高業(yè)務安全性和滿足中繼需求角度考慮，各節(jié)點最少配置2個本地模塊。
b） 區(qū)域ROADM網(wǎng)絡采用動態(tài)重路由策略，約有一半通道資源用于恢復。根據(jù)WSON軟件波長一致性策略，工作波長和恢復波長大多數(shù)情況下是一致的，按照線路方向的1/2來配置本地模塊可以基本解決波長沖突問題。
c） 影響本地模塊數(shù)量主要因素是節(jié)點的上下業(yè)務數(shù)量、線路方向以及相關鏈路利用率。一般情況下上下業(yè)務數(shù)量越多、線路方向越多、鏈路利用率越高，則該節(jié)點本地模塊需求越大。
3.5 系統(tǒng)方案設計流程
與傳統(tǒng)的鏈形WDM系統(tǒng)不同，ROADM系統(tǒng)是Mesh型網(wǎng)絡，結構復雜，路由多樣，加載WSON控制平面后，更有多種路由策略與保護方式。網(wǎng)絡設計主要的難點在于各種因素相互影響，相互制約。
4 結束語
由于國內(nèi)暫無ROADM網(wǎng)狀網(wǎng)的工程建設實例，本文研究受實驗條件和時間的限制，僅僅通過軟件手段對單一網(wǎng)絡模型進行了模擬仿真，從而對設計流程和設計方法給出了建議。對于跨區(qū)域、跨廠家的網(wǎng)絡建設與協(xié)同方案，暫未進行相關研究。但是從目前的研究結果可以看出，ROADM設備功能逐漸成熟，其WSON控制平面也基本可以滿足網(wǎng)絡的保護恢復要求。可以預見，區(qū)域化的ROADM網(wǎng)絡建設模式，將逐漸取代傳統(tǒng)的線性WDM系統(tǒng)的建設模式。智能ROADM網(wǎng)絡相比傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡可以提供更良好的生存性機制以應對網(wǎng)絡中的故障，同時WSON控制平面的引入也使其具有動態(tài)的業(yè)務配置能力和良好的資源利用率。
隨著光網(wǎng)絡向智能化的演進，網(wǎng)絡規(guī)劃設計也由人工方式變?yōu)槿?規(guī)劃軟件的方式，同時也對設計人員提出了更高的要求，需要對建網(wǎng)經(jīng)濟性、調(diào)度靈活性、網(wǎng)絡可靠性與維護便利性有更深刻的理解，網(wǎng)絡設計還有好多方面值得進一步關注和深入研究。
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