0 前言
為適應以IPTV、云計算、物聯網等為代表的新型電信業務的飛速發展，為解決傳統WDM網絡系統發展及建設中存在的問題，打破省際、省內干線分層界面，采用新型ROADM設備進行扁平化組網已勢在必行。新型ROADM區域網網絡規劃設計需提供從網絡結構、局（站）設置、路由及波長規劃、業務保護恢復機制以及系統調度管理等方面的整體建設策略，通過多種實驗數據的對比分析，提出ROADM網絡的設計方法與原則，對今后ROADM網絡的規劃建設給出建議。
1 與傳統網絡的區別
1.1 ROADM網絡與傳統WDM網絡的區別及優勢
現有傳統的WDM系統采用線性組網，這是國內沿用了數十年的網絡建設模式。線性組網，不同系統間需要電層轉接，導致光層穿通的比例降低，建網成本增加，經濟性較差。而且波分不成網，雖然可以采用調度波道接入OTN的方式，實現了少量波道的自動調度，但是由于系統數量繁多，導致系統間互聯情況復雜，不利于快速調度和維護，大量電路調度必須采用手動跳纖方式，調度效率低。另外機房資源消耗嚴重。100G波分系統的功耗較10G波分系統增長近3倍，對機房的空間、電源、空調等系統帶來巨大的壓力。而不同系統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，系統數量多、設備廠家多，導致需要管理的項目數量和參與單位數量多、工程界面復雜、協調量大。
與傳統WDM網絡不同，ROADM的設備形態和技術特點直接明確了它的建網模式：區域化的網狀網。采用區域化組網模式，區域內采用同一廠家設備，減少系統間轉接；充分發揮ROADM技術優勢，最大限度地實現光層穿通能力，減少電層中繼的數量，提升建網經濟性。利用ROADM技術在光層的波長調度能力，可以實現區域網內所有業務的自動調度能力，加快波長業務提供速率，快速響應客戶需求，提高調度靈活性。利用多種保護方式和ROADM網絡的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，在區域網實現網絡級的保護恢復能力，提升網絡可靠性及業務生存性。利用軟件化的運維手段，提供基于網管的性能監測和故障管理能力，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種網絡設計的區別
從傳統WDM發展到ROADM網絡，規劃設計方法、運行維護手段都需要從業務適配網絡模式轉變為網絡適配業務模式。
傳統的WDM系統是線性網絡，結構單一，網絡設計通常從局（站）設置、光纜選擇、網絡規模容量、設備選型等方面考慮。ROADM系統是Mesh型網絡，結構復雜，路由多樣，更有多種保護方式與業務路由策略，因此網絡設計也是一件極其復雜的工作。主要體現在各種因素相互影響，相互制約，需要設計人員對網絡結構、業務模型、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的發展，是網絡規劃“從局部到全局”的轉變，是網絡設計“由線向面”的轉變。ROADM網絡設計需要關注的內容：業務需求分析、網絡拓撲設計、業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 網絡總體結構設計
2.1 網絡節點設置
ROADM在網絡節點設置時，主要遵循以下原則。
a） 從滿足業務需求的角度考慮，傳輸網絡應在業務上下需求的節點設站。
b） 從完善網絡結構的角度考慮，傳輸網絡應在重要的光纜交叉節點設站。
c） 從確保傳輸信號質量考慮，傳輸網絡中光跳段設置盡可能平均，距離設置70~90 km。
d） 個別業務節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相鄰局址設站。
2.2 光纜路由選擇
ROADM網絡的一大優勢在于其網狀網的結構，可以提供豐富的系統路由，為業務的靈活調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網絡并充分發揮其優勢的基礎。
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） 基于光纜網結構，充分利用區域內所有光纜資源，盡可能豐富系統路由，以充分發揮ROADM網絡的靈活性。
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開通要求的光纜。
c） 同段落有多個系統路由的，宜采用不同物理路由光纜，以盡可能提升業務承載安全性。
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） 由于網絡的物理拓撲和業務模型存在差異，在ROADM網擴容到一定階段會出現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 網絡拓撲結構
ROADM組網可以應用于鏈形、環形和網狀網3類網絡結構中。
網狀組網路由豐富，在設備或線路故障時通過路由切換迂回確保業務暢通，是智能光網絡的主要組網方式之一。
從ROADM網絡光層傳輸性能、保護恢復性能和建網經濟性等方面考慮，網狀網的范圍不宜太大，主要應用場景包括省際區域骨干網（如京津冀區域、長三角區域等）、省內骨干網、本地網的核心匯聚層等。在網絡設計時，應根據區域內業務節點分布及光纜網結構，盡可能多地實現各節點間光層連接，豐富Mesh網路由，各節點至少要有2個及以上的物理路由與其他節點互聯。一條業務經過的ROADM節點數不宜太多，以提高每個節點的設備利用率，原則上建議每條業務經過的ROADM節點不超過3個（不包括業務上下節點）。
2.4 總體結構設計流程
網絡總體結構的確定，是ROADM系統設計的第1步。通常要從業務需求入手，來確定節點設置與網絡拓撲結構，鑒于業務種類的不同與組網范圍的限制，需對業務需求進行歸并整理，制定出合理的業務模型進行模擬仿真。通過智能化的仿真手段，可以找出網絡結構的瓶頸，對光纜路由的建設與拓撲結構的完善給出指導意見。
3 網絡系統方案設計
3.1 業務路由策略
ROADM系統通常需要借助專用規劃軟件相關功能，在進行業務路由及波長規劃時需確定業務路由策略。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：業務經過的ROADM節點數量最少，對應業務開通的投資最小。
b） 最短路徑：業務經過的光纖距離最短，對應業務的時延最小。
c） 最優信噪比：基于光學參數計算路徑，對應較優的傳輸性能。
d） 負載均衡：路由規劃時避免大量波道集中走某一路由，減少波長沖突。
對于理想的網狀網，前3種路由策略往往呈現出高度的相關性。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劃結果。負載均衡策略有別于其他3種，它可以有效降低網絡擁塞發生的概率，提升網絡利用率。
此外，還有自定義路由約束（指定必經/必不經）、設置預留波長等路由策略，通常根據運維部門的習慣和要求來選取。在路由規劃時，也可以同時選取多種路由策略，并設置不同的權重。
IP業務、大客戶業務是傳輸網的主要業務，時延性能是其最關鍵指標，在進行IP業務承載時要求鏈路路由距離盡可能短；從傳輸系統設計角度考慮，要求系統路由電中繼盡量少、波道利用率盡量高，以降低建網成本、減少機房配套等需求。基于上述情況，在網絡規劃時，建議根據業務屬性選取路由策略。
a） 對于時延性能要求高的大客戶、國際等業務，建議選取最短路徑策略。
b） 對于數量大、時延性能要求一般的業務，建議選取最短路徑+負載均衡策略。
c） 對于有特殊要求的業務，建議自定義路由約束策略（雙路由分擔、指定必經/必不經等）。
3.2 網絡的保護與恢復
ROADM系統通常采用Mesh型組網，相比于鏈形系統單一路由，ROADM網絡具有業務量大、網絡節點多、節點連通度高等特點，保護恢復的應用更加復雜。
網絡保護是指發現故障后，將業務從工作波道倒換到預先配置好的保護波道中，從而快速實現業務的恢復，降低故障對網絡的影響。光層的網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容，主要利用在入纖點設置分光器/耦合器，通過雙發選收機制來實現，一般能夠滿足倒換時間小于50 ms的要求。
OMSP保護是最經濟高效的保護方式，已經在中國聯通網絡中廣泛應用。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網絡中，不建議采用OLP保護。OMSP保護具有單段孤立性和協議無關性，故障影響的范圍更小，可以實現對80個波道的同時保護，且保護倒換時間不超過50 ms，可實現對網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/耦合器來實現的，只是設置的位置有所不同，共有2種實現方式，利用1+1保護單元分離出工作通道和保護通道，經由不同的上下路模塊接入ROADM光交叉進入網絡，也是通過雙發選收機制來實現業務保護，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，每條業務均需配置2塊保護板卡，網絡重載時機房空間占用較多，不建議大量業務采用該保護方式。
ROADM網絡的恢復功能基于WSON協議來實現，主要有預置重路由恢復和動態重路由恢復2種。網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絡中預置或冗余的共享容量。與保護不同，發生故障進行恢復時，網絡中支持該連接的部分或全部交叉連接會發生變化。由于WSON的協議相關性，在網絡故障（尤其是多點故障）時，其恢復路由不受人為控制，會給網絡運維造成困難。
需要說明的是，業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的業務恢復無法滿足業務中斷時間小于50 ms的要求。WSON具備較強的抗多點故障的能力，啟用WSON即可實現網絡的全局保護。
從建網的經濟性和易維護角度考慮，應選用OMSP保護；從網絡的健壯性和可靠性角度考慮，WSON具有更大的優勢。要充分發揮ROADM網絡的可重構功能，更應開啟WSON。在光纜條件具備的情況下，也可以采用OMSP+WSON協同保護的模式，OMSP在物理層實現光纖級別的保護。在OMSP和WSON協同工作時，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 控制平面應實時監控 OMSP主備鏈路的光學性能。
3.3 電中繼站的設置
ROADM組網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級聯后帶來的一些系統串擾、功率均衡、瞬態效應等問題。
ROADM設備用于城域網或省內干線網建設時，受物理傳輸性能的影響較小；用于骨干網建設時，由于地理范圍大，且節點分布不均勻，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，在網絡規劃中需要考慮全光域范圍的問題，將全網分成若干個區域子網，子網內部業務連接盡量不用或少用O-E-O再生，發揮ROADM組網的低成本優勢；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，需要占用本地維度端口。對于啟用了WSON的ROADM網絡，需再生的波長和數量都有可能發生變化，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，優化資源利用率。
可見，電中繼站的設置，對于提升ROADM網絡的傳輸性能及業務承載能力都至關重要。
傳統的鏈狀網絡設計，是遵循中繼數量最少的原則：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，保證中繼數量最少。對于傳統的骨干網WDM系統建設，往往是省會與省會之間以OTM站型點點互聯，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傳輸性能達到最優。
但對于ROADM網狀網的電中繼站設置，無論是返回上一節點還是二分法、三分法，都已不再適用。中繼站的設置位置與網絡拓撲結構、光纜性能指標、業務需求模型等因素密切相關，需要通過軟件手段，對中繼數量、路徑距離、跨段跳數、波道利用率等因素綜合權重，遍歷各種情況，選取最優方案。
ROADM網狀網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：全網統一設置電中繼節點進行中繼板卡配置，中繼板卡只配置在少數節點，其余站點不可配置中繼板卡。維護復雜度相對較低，節省人力物力。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：根據業務路由需求按需配置電中繼，不統一指定電中繼節點。在規劃設計時可以保證所有業務的最優路由。中繼板卡分散不同節點，在一定程度上可以緩解中繼節點的配套資源壓力，同時可以降低節點失效影響，但維護復雜度相對較高。
網絡設計時，在中繼數量沒有明顯增加的情況下，為方便維護管理，節省人力物力，可適度考慮中繼站集中式部署，應遵循以下原則。
a） 以網絡拓撲結構為模型，應盡量選取靠近拓撲中心的節點。
b） 將節點線路維度數量排序，優先選取線路維度多的節點。
c） 若同一方向上有多個節點，可優化集中到其中一個節點。
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設備形態選擇
采用全ROADM 組網，網絡需要提供靈活的調度恢復能力，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，可實現業務的全自動、無沖突調度，但上下業務數量較少，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，現階段ROADM網絡設計建議優先采用CD結構設備進行組網，也可適當引入CDC結構，采用聯合組網方式。考慮到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維度數選擇
應根據網絡方向數多少、上下業務方式及未來的發展來選擇ROADM的維度數。骨干網狀組網宜采用1×9或1×20維度的ROADM；在業務匯聚節點，應充分考慮業務方向的擴展性。
ROADM設備支持的上下路波長通道數量可以根據實際組網要求進行配置，且具備在線擴展能力，即靈活增加或減少一定單位數量的上下路端口，不影響其他上下路端口業務的正常工作，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） 從提高業務安全性和滿足中繼需求角度考慮，各節點最少配置2個本地模塊。
b） 區域ROADM網絡采用動態重路由策略，約有一半通道資源用于恢復。根據WSON軟件波長一致性策略，工作波長和恢復波長大多數情況下是一致的，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） 影響本地模塊數量主要因素是節點的上下業務數量、線路方向以及相關鏈路利用率。一般情況下上下業務數量越多、線路方向越多、鏈路利用率越高，則該節點本地模塊需求越大。
3.5 系統方案設計流程
與傳統的鏈形WDM系統不同，ROADM系統是Mesh型網絡，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
由于國內暫無ROADM網狀網的工程建設實例，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。對于跨區域、跨廠家的網絡建設與協同方案，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絡的保護恢復要求。可以預見，區域化的ROADM網絡建設模式，將逐漸取代傳統的線性WDM系統的建設模式。智能ROADM網絡相比傳統WDM網絡可以提供更良好的生存性機制以應對網絡中的故障，同時WSON控制平面的引入也使其具有動態的業務配置能力和良好的資源利用率。
隨著光網絡向智能化的演進，網絡規劃設計也由人工方式變為人+規劃軟件的方式，同時也對設計人員提出了更高的要求，需要對建網經濟性、調度靈活性、網絡可靠性與維護便利性有更深刻的理解，網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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