3.5 可重构的光分插复用器（ROADM）
近年来由于 DWDM 系统的飞速发展，传输带宽早已不再是传输网的瓶颈，相对来讲，大容量业务流量带来的数据管理上的困难正逐渐摆在网络运营商的面前。在网络的核心节点处，节点设备往往需要处理上百个波长信道的上下路或者直通，而且这种庞大的节点信息处理量还会随着信息流的日益增大而有所提高。最初的WDM系统属于点对点的链路式系统，大部分的信息处理在终端站（TM）进行，后来出现的OADM设备，实现了在光域的波长分离，摆脱了业务上下需要光电转换的束缚，但是由于较为固定的结构形式，使OADM只能上下固定数目的选定波长，无法真正实现灵活的可控的光层组网能力，对复杂业务的调度能力远远达不到网络管理者的要求。为了满足IP网络业务的发展需求，一种新的光层网络节点技术——可重构式光分插复用技术ROADM，为基础承载网的建设开辟了新的道路。
3.5.1 ROADM应用驱动力
随着全IP化的趋势，IPTV、三重播放、P2P等业务的带宽容量在按照摩尔定律增长，中继带宽膨胀，这些新兴业务的风起云涌让电信运营商看到了商机，也给运营商带来了难题。带宽的增长使得原有的SDH技术不堪负荷，SDH在运营商的网络中开始逐渐淡出和边缘化，在骨干网和城域核心网，IP化的业务通过路由器直接在DWDM上承载成为主流。
早期的 DWDM 在网络中一般只作为刚性大管道出现，起到延伸传输距离和节省光纤的作用，设备类型主要是背靠背OTM和固定波长上下的OADM，这种固定连接的方式组网能力弱，业务的开通和调度全部需要在现场人工进行。
ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）的初步设想是可以选择性地分插复用一部分需要本地处理的波长通道，通过网管系统对波长业务的上下路或直通进行远程配置，实现任意波长到任意端口的操作。传统WDM系统通过FOADM来实现固定波长的上下，需要人工现场配置而无法自动调整。ROADM 可以在无需人工现场调配的情况下实现对波长信道的上下路及直通配置。ROADM 技术可以增加波分网络的弹性，使网络管理者远程动态控制波长传输的路径，大大简化初期的网络规划难度；ROADM 设备的灵活性可以充分满足未来数据业务的需求；ROADM 通过提供网络节点的重构能力使得 DWDM 网络可以方便地重构，无需人工操作，极大地提升了工作效率及对网络需求的反应速度，同时有效地降低运营维护成本。
第一个商用化的可重构设备在20世纪90年代进入市场。目前，尽管ROADM的主要市场在城域网，但这些设备最初是为长途应用设计的。相对于长途应用，城域网或区域网对网络成本比较敏感，ROADM 技术初期高昂的成本阻碍了这种技术的大规模应用。近几年来，相关光器件的发展，已经极大地降低了动态 OADM 光网络结构的成本。正因为 ROADM 具有以上优势，国内外运营商开始关注 ROADM 技术的发展并开始规划由 OADM 节点向灵活多变的ROADM节点的设备升级。
ROADM 是一个自动化的光传输技术，可以对输入光纤中的波长重新配置路由，有选择性地下路和上路一个或多个波长。ROADM技术具有以下的技术特点：
① 支持链形、环形、格形、多环的拓扑结构；
② 支持线性（支持2个光收发线路和本地上下）和多维（至少支持3个以上光收发线路和本地上下）的节点结构；
③ 波长调度的最小颗粒度为1个波长，可支持任意波长组合的调度和上下，及任意方向和任意波长组合的调度和上下；
④ 支持上下波长端口的通用性（即改变上下路业务的波长分配时，不需要人工重新配置单板或连接尾纤）；
⑤ 业务的自动配置功能；
⑥ 支持功率自动管理；
⑦ 支持WASON功能的物理实现。
可以看到，ROADM 节点相对于传统的光交换设备，在功能方面有了很大的提升，可以看作是DWDM网络向真正的智能化网络演进的重要阶梯。一个主要由ROADM节点构建的本地/城域DWDM 网络，极大地改变当前DWDM网络的面貌。上述这些技术优势应用后带给运营商的好处是巨大的，ROADM技术的市场驱动力主要体现在如下几个方面。
（1）波长级业务的快速提供
面对大客户提供波长级业务，只能依托DWDM网络，而传统的DWDM设备配置主要通过人工进行，费时费力，直接影响业务的开通及对客户新需求的反应速度。而如果网络中主要的节点设备是 ROADM，则在硬件具备的条件下，仅需通过网管系统进行远端配置即可，极大地方便了这种新类型业务的开展。另一方面，随着竞争的白热化，快速开通业务快速占领市场，也可以大大提高运营商自营业务的收益。
（2）便于进行网络规划，降低运营费用
在正确预测业务分布及其发展的基础上，进行合理的网络规划，对于降低网络建设成本、提升网络利用效率和延长升级扩容的间隔有重要影响。但由于对业务分布及其发展进行预测的难度，特别是由于某些特殊事件所引起突发业务的情况的大量存在，网络规划是很困难的，甚至在不少情况下，网络如果不具备灵活重构的能力，则很难高效运行。而ROADM正解决了这些问题，它通过提供节点的重构能力，使得 DWDM 网络也可以方便重构，因此对网络规划的要求就可以大大降低，而且应付突发情况的能力也大大增强，使整个网络的效率有很大的提升。
（3）便于维护，降低维护成本
在对网络进行日常维护的过程中，增开业务及进行线路调整，如果采用人工手段，不但费时费力，而且容易出错。而采用 ROADM，绝大多数操作（除必要的插拔单板）通过网管进行，可极大地提高工作效率，从而降低维护成本。
3.5.2 ROADM的技术实现
本节介绍ROADM设备的几种常见的实现方式，ROADM设备的核心部件是波长选择功能单元，根据该单元的技术不同，大致可以分为基于波长阻断器（WB，Wavelength Blocker）的ROADM设备、基于平面波导电路（PLC，Planar Lightwave Circuit）的ROADM设备和基于波长选择开关（WSS，Wavelength Selective Switch）的ROADM设备3种。
随着ROADM设备的应用，除了对上下路端口灵活性的要求，本节还将对波长无关、方向无关和竞争无关等几种上下路灵活性功能的常见实现方式进行介绍。
1.基于波长阻断器（WB）的ROADM设备
波长阻断器（WB）是一种可以调整特定波长衰耗的光器件，通过调大指定波长通道的衰耗，达到阻断该波道的目的。
可以基于波长阻断器实现两方向ROADM，其原理参见图3-62。基于WB的ROADM方案由以下 3 个部分组成：穿通控制部分（波长阻断器）、下路解复用部分（光耦合器+解复用器）和上路复用部分（复用器+光耦合器）。来自上游的信号光首先经过下路解复用的光耦合器分成两路光信号，一路光信号被送往解复用器作为本地下路波长，另外一路经过波长阻断器，由波长阻断器选择需要继续往下游传递的波长，完成穿通波长的选路和控制；穿通波长在上路耦合器与本地经过复用器复用后的上路信号复用成一路，继续向下游传递。
图3-62 基于WB方案的两方向ROADM示意图
基于WB的ROADM可以采用Drop and Continue的方式实现波长广播/组播功能。
2.基于平面波导电路（PLC）的ROADM设备
平面波导电路（PLC）技术是一种基于硅工艺的光子集成技术，它可以将分波器（DMUX）、合波器（MUX）、光开关等器件集成在一起，从而提高了ROADM设备的集成度。
通常基于PLC的ROADM设备只能支持两方向，其原理如图3-63所示，包含下路解复用、穿通及上路复用两个部分。下路解复用结构和WB方案完全一致的，它通过一个耦合器将上游传送过来的光信号功分成两路光信号，一路光信号被传送到下路解复用器完成信号的本地下路，另外一路光信号经过穿通及上路复用功能单元，完成穿通通道的选择控制和上路信号的复用，然后向下游传送。与基于WB的ROADM方案相比，基于PLC的ROADM方案差异点在于它的穿通和上路复用部分合二为一。
基于PLC的ROADM可以采用Drop and Continue的方式实现波长广播/组播功能。
3.基于波长选择开关（WSS）的ROADM设备
波长选择开关（WSS）是随着ROADM设备的应用而发展起来一种新型波长选择器件，通常是一进多出或多进一出的形态，称为1×m WSS和m×1WSS，两种WSS的内部结构完全一致，区别仅在于光信号传输方向。图3-64是1个最多支持n个波长通道的1×mWSS原理示意图，它可以将输入端口的n个波长任意分配到m个输出端口。目前成熟的WSS产品最大支持1×9 WSS，更大维度的WSS，例如1×16、1×20、1×23等规格也陆续出现，尚待成熟。
图3-63 基于PLC方案的两方向ROADM
图3-64 1×m WSS原理示意图
WSS与WB和PLC相比，最大的差异是可以支持多方向ROADM，具备良好的可扩展性，图 3-65 给出了一个基于 WSS 的四方向 ROADM 结构示意图。多方向 ROADM 极大扩展了ROADM设备的应用范围，因此基于WSS的方案也逐渐成为目前商用ROADM设备的主流形态。
图3-65 基于WSS的四方向ROADM结构示意图
基于 WSS 的 ROADM 方案只包含两个部分：下路解复用及穿通控制部分、上路复用及穿通控制部分。下路解复用及穿通控制部分既可以完成本地业务的下路，同时还能对穿通波长进行控制；上路复用及穿通控制部分既可以对上路波长信号进行管理，同时也能对穿通信号进行控制。对于多方向ROADM设备，这里穿通控制的含义不仅仅是上下路、直通两种状态的选择，还包括出口方向的选择。
根据两个穿通控制部分选用的器件不同，基于 WSS 的 ROADM 设备可以分成 B&S（Broadcast and Select）和R&S（Route and Select）两种结构，如图3-66所示，两者的区别在于：B&S 结构的下路穿通控制部分采用分光器（Splitter），而 R&S 结构采用了 WSS。B&S结构的优点是成本低，且天然支持广播/组播，缺点是随着方向数的增加，下路波道的插损快速增长；R&S结构的优点是插损与方向数基本无关，且可以选择进入下路模块的波道，缺点是成本相对较高，且需要特殊的WSS才能支持广播。
图3-66 B&S和R&S两种ROADM设备结构示意图
目前商用ROADM设备多数采用B&S结构，未来随着相干光通信技术的普及和对波长无关上下路能力的需要，R&S结构将取得更多的应用空间。
4.上下路端口灵活性的实现方式
（1）波长无关（Colorless）
上下路端口波长无关特性的实现需要可调谐滤波器和OTU支持可调谐波长，目前商用的可调谐滤波器就是WSS，图3-67是基于WSS的波长无关上下路模块的典型结构。
图3-67 基于WSS的波长无关上下路模块结构示意图
基于WSS的波长无关上下路模块支持的端口数受限于WSS的维度，可以通过WSS级联或者分光器加WSS级联的方式进行扩展。
但是，随着相干光通信技术在100Gbit/s WDM系统中的普及应用，利用相关接收本振激光器与信号光混频时的波长选择特性，可以利用低成本的分光器/耦合器来实现波长无关上下路，如图3-68所示。这种结构支持适用于少量上下路端口，分光比过高将造成上下路波长插损过大，同时也将影响到接收性能。若确有必要，可以通过 WSS 下挂多个分光器/耦合器的方式扩展端口数量。
图3-68 用于相干光通信系统的基于分光器/耦合器的波长无关上下路模块结构示意图
（2）方向无关（Directionless）
方向无关特性是实现波长通道端到端路由灵活变化的基本条件，也是基于ROADM的光网络实现控制平面自动恢复的基本条件。
实现方向无关有两种思路：一种是多个方向共享上下路模块，其优点是技术简单，成本低廉，缺点是带来新的波长竞争（Contentionless）限制，极端情况下所有方向的某个波长通道只能被一个方向使用，极大地降低了波长资源利用率；二是上下路端口可灵活选择关联方向，其优点是可以同时实现方向无关和竞争无关（Contentionless），没有第一种思路带来的降低波长利用率的缺点，缺点是成本过于高昂，性价比低。目前商用 ROADM 设备普遍采用第一种思路实现方向无关，但是通过大维度WSS空闲的维度扩展了上下路模块数量，一定程度上降低了波长冲突的概率，提高了网络资源利用率，如图 3-69所示，这是目前业界最成熟的多方向 ROADM 方向无关上下路解决方案。第二种思路将结合竞争无关关特性一起介绍。
图3-69 基于WSS的ROADM设备扩展方向无关上下路模块示意图
（3）竞争无关（Contentionless）
竞争（Contention）是方向无关特性的伴生问题，因此竞争无关特性总是与方向无关特性同时出现，仅具备竞争无关特性，不具备方向无关特性是无意义的。虽然图 3-69 给出了一种目前常用的扩展多方向ROADM设备方向无关上下路模块数量的结构，但是这种结构不是真正意义上的竞争无关，原因是业务在模块间的调整需要人工干预，无法实现远程配置。
目前业界比较主流的竞争无关特性实现方式有基于MCS（广播光开关）的基于大维度n×n光开关两种方案。图3-70是一个基于MCS实现的八方向方向无关和竞争无关ROADM设备的上下路模块部分结构示意图，它提供了384个端口，可以实现8个方向、96波、50%波长上下路。图3-71给出了一个基于n×n光开关实现的十方向方向无关和竞争无关ROADM设备结构示意图，上路和下路各使用了一个960×960的大规模光开关，可以实现所有10个方向、96波、100%波长上下路。这两种结构均能够实现波长无关、方向无关、竞争无关的同时支持，即所谓的C&D&C ROADM。
从目前来看，完全意义的方向无关和竞争无关仅具备技术可行性，过于复杂的结构不仅意味着更高的成本，也意味着性能的劣化和可靠性的下降，所以目前还没有成为商用ROADM设备的主流。
图3-70 基于MCS的方向无关/竞争无关上下路模块结构示意图
图3-71 基于n×n光开关的方向无关/竞争无关ROADM设备结构示意图
（4）波长无关、方向无关、竞争无关特性的组合
在波长无关、方向无关和竞争无关 3 种特性中，波长无关特性是相对独立的，方向无关和竞争无关是伴生问题，因此存在如下几种组合：
——波长有关、方向有关；
——仅波长无关，方向有关；
——仅方向无关，波长有关，竞争有关；
——波长无关，方向无关，竞争有关；
——方向无关，竞争无关，波长有关；
——波长无关，方向无关，竞争无关。
上述组合的实现方式参考本章描述，实际应用应根据业务需求和网络拓扑，选择合适的上下路端口的灵活性。
3.5.3 ROADM组网应用
基于WB和PLC技术的ROADM成本相对较低，主要用于二维站点，因此一般在环形组网中应用，如图3-72所示。
图3-72 基于WB/PLC的ROADM在环网的应用
对于环形组网，所有站点均只有两个光方向，采用二维ROADM技术后，波长可以在任意节点间自由调度。这样，相比于传统的OADM环网，在开通业务时仅需要在源宿站点人工连纤，其他站点不需要人工干预，仅需要在网管上进行设置，降低了维护工作量，缩短了业务开通时间。另一方面，二维 ROADM 与 OADM 环网相比，由于上下路波长可重构，也降低了规划难度，增加了规划的灵活性，节省了预留波道资源，提高了网络的利用率。
基于WSS的ROADM具有更高的灵活性，可用于二维到多维站点，因此可以应用于环、多环、网状网等各种复杂组网，图3-73是4维WSS ROADM用于田字形组网的典型例子。
图3-73 基于WSS的多维ROADM在网状网中的应用
在网状网应用中，采用多维ROADM可以实现波长在各个方向上的调度，对于核心站点E 来说，经过其的任何波长均可在远端实现灵活的调度，配合本地上下路单元的灵活设计和上下路资源的规划和预留，就可以在远端实现全网的资源重构。
1.ROADM组网的限制因素
ROADM组网具备波长级业务重构的灵活性，但由于ROADM是一种全光的技术，在应用中也面临着一些挑战。
首先，ROADM 只能以波长为单位调度业务，对网络中大量存在的 GE 等子波长业务的处理效率较低；其次，ROADM 对波长在光域透传，需要面对系统光信噪比、色散、偏振模色散、非线性效应、滤波器损伤等光域的损伤对系统性能的影响；最后，ROADM 如要对业务进行完全无阻的调度，还需要面对波长冲突的问题。
因此，为了提高ROADM组网的效率、扩大ROADM的应用范围，可以在ROADM的应用中引入电层交叉、智能规划、智能控制等功能。
在城域网应用中，往往会出现较多的小颗粒业务，基于ODUk的电层交叉可以高效地处理GE等颗粒的子波长业务的调度问题，但与ROADM的光层调度相比，存在着成本和功耗较高、交叉容量难以做大的问题，比较适合于小规模的交叉调度组网，但难于满足网络大规模重构的需求。因此，同时引入ROADM和电交叉的光电混合架构，对于大容量的波长级业务通过ROADM调度，对于小颗粒的子波长级业务采用电层调度，可以很好地满足复杂网络的调度需求。
对于光域的传输损伤和波长冲突问题，则主要通过网络的规划和控制来规避。通过光域的透明传输来减少网络中的光电转换是光层调度相对于电层调度的一大优势，但在部分应用，尤其是长途干线应用中，往往受网络状况和业务路由所限，无法完全消除网络中的电再生。通过智能规划软件来合理规划业务的路由，减少网络对于光电转换的总体需求，同时权衡光/电转换和网络性能，仅在必要的场景才进行电再生，可以最大限度地减少光/电转换，降低全网的CAPEX和OPEX。另一方面，通过提高硬件系统的传输性能，也可以部分解决传输损伤的问题，例如，光收发模块采用特殊的调制方式，可以消除色散、偏振模色散等参数的影响，提高光信噪比容限等等。
2.加载ASON的ROADM网络
ROADM网络在硬件上具备了灵活的调度能力，为加载智能的控制平面提供了硬件基础。ROADM网络在加载了基于GMPLS的ASON后，可以实现自动化的业务调度，包括业务的自动发现、自动路由、自动信令等，可以实现快速的业务自动配置和智能化的业务疏导，可以提供多层次的业务服务等级和抗击多点失效的业务自动恢复和保护，可以提供流量工程和负载均衡等等自动化的功能，进一步简化网络的管理和运维。
在前期采用智能的规划软件进行网络规划，加载智能控制平面，同时具备电交叉能力的ROADM网络具备非常高的智能性和灵活性，基本可以满足相当长一段时间内的智能组网需求。