如今我們所處的時(shí)代,是流量爆炸性增長的時(shí)代。4K/8K、VR/AR 輪番上陣,5G、WiFi-6 加速普及,對整個(gè)通信承載網(wǎng)絡(luò),帶來了巨大的帶寬壓力。
想要應(yīng)對這樣的壓力,目前看來只有一個(gè)辦法,那就是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全面光纖化,建設(shè)大一統(tǒng)的全光網(wǎng)絡(luò)。
全光網(wǎng)絡(luò),也稱全光網(wǎng),英文名是 All-Optical Network,AON。這是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換過程全部通過光纖實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò),中間不需要進(jìn)行光信號和電信號的轉(zhuǎn)換。
打個(gè)比方:
傳統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò),也就是銅線網(wǎng)線連接的網(wǎng)絡(luò),我們可以把它看成公共汽車交通網(wǎng),存在時(shí)間長,分布廣泛。
而光網(wǎng)絡(luò),采用的是光纖傳輸,速率更快,帶寬更高。我們可以把它看成地鐵交通網(wǎng)。
所謂“全光網(wǎng)”,就是把整個(gè)公交系統(tǒng),全部替換成地鐵。
怎么樣?是不是看上去超贊?
然鵝,這么一個(gè)宏大的工程,是不可能在短期內(nèi)完成的。
按行業(yè)大佬們的規(guī)劃,全光網(wǎng)的演進(jìn)過程分為三個(gè)階段:第一階段,骨干和傳輸光纖化;第二階段,接入網(wǎng)光纖化;第三階段,傳輸節(jié)點(diǎn)引入光交換,即引入 ROADM 和 OXC。
哎喲,本文的主角——ROADM,出現(xiàn)了嘛。別急,先晾在這,我們繼續(xù)往下說。
第一階段的骨干和傳輸光纖化,很容易理解,就是把網(wǎng)絡(luò)骨干線路的路由器、交換機(jī)全部換成光通信設(shè)備,引入 WDM(波分復(fù)用)/OTN(光傳送網(wǎng)),把銅纜網(wǎng)線全部換成光纖。
第二階段的接入網(wǎng)光纖化,更簡單,就是使用 PON(無源光網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng),把家里的 ADSL 網(wǎng)線(電話線)上網(wǎng),全部換成光纖寬帶接入。這也就是我們常說的 FTTx(例如 FTTH,F(xiàn)iber To The Home,光纖入戶),也稱接入網(wǎng)的“光進(jìn)銅退”。
第三階段,傳輸節(jié)點(diǎn)引入光交換(ROADM 和 OXC)。這一階段很容易被人忽視,但是重要性不亞于前兩個(gè)階段。它是我們今天文章討論的重點(diǎn)。
大家應(yīng)該知道,光纖通信有一個(gè)很重要的特點(diǎn),就是——“一站到底”。
光纖作為一根“玻璃管道”,里面?zhèn)鬏數(shù)氖枪庑盘枺茈y附加信號和提取信號。一條光線路,通常只能從起點(diǎn)站上車,到終點(diǎn)站才能下車。
光纖的特點(diǎn):“一站到底”
相比之下,銅線網(wǎng)線里傳輸?shù)氖请娦盘枺娦盘柕摹吧舷萝嚒币奖愕枚唷?/p>
電信號的特點(diǎn):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 波分復(fù)用技術(shù),將不同波長的光,塞在一根光纖里,然后進(jìn)行傳輸。
WDM,Wavelength Division Multiplexing
WDM 是最常見的光層組網(wǎng)技術(shù),但它本質(zhì)上仍然是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的線路系統(tǒng)。
那么問題來了,城市交通(通信網(wǎng)絡(luò))是復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),有很多的車站,如果地鐵只支持點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸,那么中間車站的乘客怎么辦呢?下了地鐵再換乘公交嗎?
地鐵:速度快,但是站點(diǎn)死板
公交:速度慢,但是站點(diǎn)靈活
如果采用“地鐵換乘公交”的方式,既增加了復(fù)雜度,也形成了速率和帶寬瓶頸。
于是,我們就會想到,可以建設(shè)更多的地鐵換乘站,讓乘客實(shí)現(xiàn)中間站點(diǎn)上下車,以及地鐵線路之間的無縫換乘。
所有站點(diǎn)改造成“地鐵換乘站”
而咱們今天要說的 ROADM 技術(shù),就是“地鐵換乘站”的專有技術(shù)。
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(gòu)光分插復(fù)用器。
介紹 ROADM 之前,我們先看看 FOADM。FOADM 是 Fixed OADM,固定式光分叉復(fù)用器。它比 ROADM 更早出現(xiàn),目的是一樣的,為了實(shí)現(xiàn)乘客的上車、下車。
很容易看懂,首先使用 DEMUX(分波器)將所有波長解復(fù)用(拆分開),之后根據(jù)需要,將某些波長直接穿通,同時(shí),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(jīng)過 MUX(合波器)復(fù)用,然后開車去下一節(jié)點(diǎn)。
這種方式貌似簡單,但是有一個(gè)很要命的缺點(diǎn),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(dòng)態(tài)修改。如果你硬要改,只能人工維護(hù)。
正因?yàn)槿绱耍@種方式才被稱為固定式OADM。
FOADM 過于死板,維護(hù)復(fù)雜,無法滿足網(wǎng)絡(luò)靈活多變的需求,所以,取而代之的 ROADM 出現(xiàn)了。
ROADM 的特點(diǎn)是可重構(gòu)、可動(dòng)態(tài)配置,可靈活調(diào)整。它大概出現(xiàn)于 2000 年左右,至今為止經(jīng)歷 20 年的發(fā)展。
最開始的階段,是 2001 年首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的基于WB(Wavelength Blocker,波長阻斷器)技術(shù)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(shí)現(xiàn)原理如下:
WB-ROADM
當(dāng) WDM 過來信號后,分光器會把波長信號分為 2 束,一束經(jīng)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(jīng)下車的波長“打掉”,然后匯合本地上車的波長,進(jìn)行合路,然后再往下一站送。
2003 年左右,出現(xiàn)了基于平面光波導(dǎo)回路(Planar Lightwave Circuit,PLC)技術(shù)的 ROADM。
PLC 是一種基于硅工藝的集成電路。采用 PLC 的 ROADM,將解復(fù)用器、光開關(guān)、VOA(可變光衰器)、分光器及復(fù)用器等集成在一塊芯片上,提高了集成度,降低了系統(tǒng)成本。
PLC-ROADM,就是統(tǒng)統(tǒng)打包
再到后來,WSS 出現(xiàn)了,ROADM 進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
WSS,就是波長選擇開關(guān)(Wavelength Selective Switch)。它的端口結(jié)構(gòu)為 1×K(1 進(jìn) K 出),擁有一個(gè)輸入端口和 K 個(gè)輸出端口。WSS 采用光開關(guān)陣列,可以將波長信號分插到任意通道進(jìn)行傳輸。
WSS 波長選擇開關(guān)
也就是說,基于 WSS,可以實(shí)現(xiàn)端口的任意指配,具有很高的自由度。
WSS 波長選擇開關(guān)
具體來看 WSS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu):光波通過準(zhǔn)直透鏡輸入后,采用衍射光柵或 AWG(Arrayed Waveguide Grating,陣列波導(dǎo)光柵)進(jìn)行濾波,把不同波長的光波給分拆出來,然后各個(gè)波長的光送到光開關(guān)。光開關(guān)根據(jù)需要,把指定的光折返到指定的方向,把不要的光給干掉,就實(shí)現(xiàn)了對波長的選擇。
WSS 的工作原理
大家應(yīng)該看出來了,WSS 的核心關(guān)鍵,就在于光開關(guān)方案。
目前主流的 WSS 光開關(guān)方案有三種,分別是 MEMS、LC 和 LCoS。
限于篇幅,三種方案的具體原理就不做詳細(xì)解釋了。網(wǎng)上的資料比較多,搜一下就有。
三種方案中,LCoS(硅基液晶)方案屬于第三代 ROADM 技術(shù),它和另外兩種方案最大的區(qū)別在于,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(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后也能支持靈活帶寬功能,而 MEMS WSS 則不支持該功能。)
這是什么意思呢?
前面我們說過了,由于 WSS 的出現(xiàn),使得 ROADM 有了更高的自由度。它可以從之前的一進(jìn)一出的兩維,變成多進(jìn)多出的多維。
四維 ROADM
也就是說,我們的換乘站,變成了中轉(zhuǎn)換乘站,可以去不同的方向。
對于 ROADM 這個(gè)中轉(zhuǎn)換乘站,運(yùn)營商對中轉(zhuǎn)換乘能力(光網(wǎng)絡(luò)交叉能力)提出了更高的要求。這些要求歸納起來,就是四個(gè)字母——C、D、C、F,也就是:
Colorless(波長無關(guān))
Directionless(方向無關(guān))
Contentionless(競爭無關(guān))
Flexi-Grid(波道間隔可調(diào))
我們一個(gè)一個(gè)來說。
首先是 Colorless(波長無關(guān))。
波長無關(guān)也稱為“無色”,是指任何波長通道都可以從任何端口進(jìn)行上下路。
簡單來說,以前這個(gè)站只能上班族上下車,現(xiàn)在變成了學(xué)生、老人、兒童、軍人等所有人都可以上下車。
然后是 Directionless(方向無關(guān))。
這個(gè)也很好理解,是指任何本地業(yè)務(wù)可以配置為發(fā)送到任何方向,或者任何方向的業(yè)務(wù)都可以配置到本地下路。
簡單來說,以前這個(gè)站上車只能去中山陵,現(xiàn)在可以去夫子廟、總統(tǒng)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(guān))。
這也稱為“無沖突”。它是指支持同樣波長的多個(gè)業(yè)務(wù)在同一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)上下路。
簡單來說,就是來自不同方向的同一類乘客,都可以在這個(gè)站下車。或者,想去不同方向的同一類乘客,都可以在這個(gè)站上車。
注①:看紅色的線,相同波長的波可以同時(shí)上車、下車
最后一個(gè),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(diào)。這是一種提高頻譜效率的新技術(shù),隨著高速大容量 WDM 技術(shù)發(fā)展過程而出現(xiàn)。
在傳統(tǒng) DWDM 技術(shù)中,各種的分合波器件都是基于固定的帶寬柵格定義,例如 50/100 GHz。而在可變帶寬光網(wǎng)絡(luò)中,為了支持新型高速和超高速數(shù)據(jù)傳輸并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,系統(tǒng)根據(jù)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(dòng)態(tài)波長上下和帶寬分配。
基于以上 4 個(gè)字母:
方向無關(guān)、波長相關(guān),叫 D-ROADM ;
方向無關(guān)、波長無關(guān),叫 CD-ROADM ;
方向無關(guān),波長無關(guān),競爭無關(guān),叫 CDC-ROADM ;
方向無關(guān),波長無關(guān),競爭無關(guān),靈活柵格,叫 CDC-F ROADM 。
Are you clear?
除了功能強(qiáng)大之外,ROADM 還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢,那就是管理運(yùn)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(wǎng)管軟件遠(yuǎn)程進(jìn)行操作的,降低了運(yùn)維難度,縮短了部署周期,也節(jié)約了人力成本,提高了網(wǎng)絡(luò)管理效率。
此外,基于 ROADM 的網(wǎng)絡(luò)交通管理功能,大家應(yīng)該很容易會想到,我們現(xiàn)在非常流行的 SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù),其實(shí)是可以與 ROADM 進(jìn)行結(jié)合的。
現(xiàn)在有行業(yè)企業(yè)發(fā)起成立的Open ROADM,干的就是這個(gè)事。
他們計(jì)劃把 ROADM 按功能模塊進(jìn)行拆分,然后將廠商私有的 ROADM 軟硬件進(jìn)行解耦,利用 SDN 控制器來進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。
SDN+ROADM
最后,我再總結(jié)一下。
ROADM 技術(shù)作為一項(xiàng)重要的“中轉(zhuǎn)換乘站”技術(shù),可以幫助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電節(jié)點(diǎn)到光節(jié)點(diǎn)的全面升級,突破網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量瓶頸,實(shí)現(xiàn)全光自動(dòng)調(diào)度。
ROADM 自身也還處于不斷發(fā)展的階段。ROADM 的器件性能還有待進(jìn)一步提升,成本也有很大的下降空間。ROADM 的產(chǎn)業(yè)鏈,還需要持續(xù)推動(dòng)向前發(fā)展。
隨著 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(wǎng)”時(shí)代。
? ? ? 責(zé)任編輯:tzh
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