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关于WSS 的工作原理

如今我们所处的时代，是流量爆炸性增长的时代 。4K/8K、VR/AR 轮番上阵，5G、WiFi-6 加速普及，对整个通信承载网络，带来了巨大的带宽压力 。
想要应对这样的压力，目前看来只有一个办法，那就是将整个网络全面光纤化，建设大一统的全光网络 。
关于WSS 的工作原理
文章插图
全光网络，也称全光网，英文名是 All-Optical Network，AON 。这是一种网络传输和交换过程全部通过光纤实现的网络，中间不需要进行光信号和电信号的转换 。
打个比方：
传统电网络，也就是铜线网线连接的网络，我们可以把它看成公共汽车交通网，存在时间长，分布广泛 。
而光网络，采用的是光纤传输，速率更快，带宽更高 。我们可以把它看成地铁交通网 。
所谓“全光网”，就是把整个公交系统，全部替换成地铁 。
怎么样？是不是看上去超赞？
然鹅，这么一个宏大的工程，是不可能在短期内完成的 。
按行业大佬们的规划，全光网的演进过程分为三个阶段：第一阶段，骨干和传输光纤化；第二阶段，接入网光纤化；第三阶段，传输节点引入光交换，即引入 ROADM 和 OXC 。
哎哟，本文的主角——ROADM，出现了嘛 。别急，先晾在这，我们继续往下说 。
第一阶段的骨干和传输光纤化，很容易理解，就是把网络骨干线路的路由器、交换机全部换成光通信设备，引入 WDM（波分复用）/OTN（光传送网），把铜缆网线全部换成光纤 。
第二阶段的接入网光纤化，更简单，就是使用 PON（无源光网络）系统，把家里的 ADSL 网线（电话线）上网，全部换成光纤宽带接入 。这也就是我们常说的 FTTx（例如 FTTH，Fiber To The Home，光纤入户），也称接入网的“光进铜退” 。
第三阶段，传输节点引入光交换（ROADM 和 OXC） 。这一阶段很容易被人忽视，但是重要性不亚于前两个阶段 。它是我们今天文章讨论的重点 。
大家应该知道，光纤通信有一个很重要的特点，就是——“一站到底” 。
光纤作为一根“玻璃管道”，里面传输的是光信号，很难附加信号和提取信号 。一条光线路，通常只能从起点站上车，到终点站才能下车 。
光纤的特点：“一站到底”
相比之下，铜线网线里传输的是电信号，电信号的“上下车”要方便得多 。
电信号的特点：容易交换，容易“上下车”
为了能容纳更多“乘客”，光纤通信引入了 WDM 波分复用技术，将不同波长的光，塞在一根光纤里，然后进行传输 。
WDM，Wavelength Division Multiplexing
WDM 是最常见的光层组网技术，但它本质上仍然是一个点到点的线路系统 。
那么问题来了，城市交通（通信网络）是复杂的多节点网络，有很多的车站，如果地铁只支持点到点的传输，那么中间车站的乘客怎么办呢？下了地铁再换乘公交吗？
地铁：速度快，但是站点死
公交：速度慢，但是站点灵活
如果采用“地铁换乘公交”的方式，既增加了复杂度，也形成了速率和带宽瓶颈 。
于是，我们就会想到，可以建设更多的地铁换乘站，让乘客实现中间站点上下车，以及地铁线路之间的无缝换乘 。
所有站点改造成“地铁换乘站”
而咱们今天要说的 ROADM 技术，就是“地铁换乘站”的专有技术 。
ROADM，可以念做“肉德姆”，英文全称比较长，也比较烧脑，是 Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers，可重构光分插复用器 。
介绍 ROADM 之前，我们先看看 FOADM 。FOADM 是 Fixed OADM，固定式光分叉复用器 。它比 ROADM 更早出现，目的是一样的，为了实现乘客的上车、下车 。
FOADM 分为串型和并型 。下图是并型的简单原理示意图：
关于WSS 的工作原理
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FOADM（并型）结构示意图
很容易看懂，首先使用 DEMUX（分波器）将所有波长解复用（拆分开），之后根据需要，将某些波长直接穿通，同时，将特定波长下路至本地（下车） 。
要上路（上车）的特定波长，和其它波长一起，再次经过 MUX（合波器）复用，然后开车去下一节点 。
这种方式貌似简单，但是有一个很要命的缺点，就是限制太死——哪些波可以下车，哪些波可以上车，都是固定死的，你没有办法动态修改 。如果你硬要改，只能人工维护 。
正因为如此，这种方式才被称为固定式OADM 。
FOADM 过于死板，维护复杂，无法满足网络灵活多变的需求，所以，取而代之的 ROADM 出现了 。
ROADM 的特点是可重构、可动态配置，可灵活调整 。它大概出现于 2000 年左右，至今为止经历 20 年的发展 。
最开始的阶段，是 2001 年首次实现商业化的基于WB（Wavelength Blocker，波长阻断器）技术的 ROADM 。
WB 波长阻断器，可以把指定的波长通道给“打掉”：
关于WSS 的工作原理
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完整的 WB-ROADM 实现原理如下：
关于WSS 的工作原理
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WB-ROADM
当 WDM 过来信号后，分光器会把波长信号分为 2 束，一束经过 WB 模块，一束则送到下行滤波器 。下行滤波器将信号在本地下车，接收所需要的信号波长 。
WB 把信号中已经下车的波长“打掉”，然后汇合本地上车的波长，进行合路，然后再往下一站送 。
2003 年左右，出现了基于平面光波导回路（Planar Lightwave Circuit，PLC）技术的 ROADM 。
PLC 是一种基于硅工艺的集成电路 。采用 PLC 的 ROADM，将解复用器、光开关、VOA（可变光衰器）、分光器及复用器等集成在一块芯片上，提高了集成度，降低了系统成本 。
关于WSS 的工作原理
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PLC-ROADM，就是统统打包
再到后来，WSS 出现了，ROADM 进入了一个新的阶段 。
WSS，就是波长选择开关（Wavelength Selective Switch） 。它的端口结构为 1×K（1 进 K 出），拥有一个输入端口和 K 个输出端口 。WSS 采用光开关阵列，可以将波长信号分插到任意通道进行传输 。
WSS 波长选择开关
也就是说，基于 WSS，可以实现端口的任意指配，具有很高的自由度 。
WSS 波长选择开关
具体来看 WSS 的内部结构：光波通过准直透镜输入后，采用衍射光栅或 AWG（Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅）进行滤波，把不同波长的光波给分拆出来，然后各个波长的光送到光开关 。光开关根据需要，把指定的光折返到指定的方向，把不要的光给干掉，就实现了对波长的选择 。
WSS 的工作原理
大家应该看出来了，WSS 的核心关键，就在于光开关方案 。
【关于WSS 的工作原理】 目前主流的 WSS 光开关方案有三种，分别是 MEMS、LC 和 LCoS 。
限于篇幅，三种方案的具体原理就不做详细解释了 。网上的资料比较多，搜一下就有 。
三种方案中，LCoS（硅基液晶）方案属于第三代 ROADM 技术，它和另外两种方案最大的区别在于，它原生支持灵活栅格（Flexi-Grid）功能，支持可变 channel 宽度以及超级通道 。（LC WSS 经优化设计之后也能支持灵活带宽功能，而 MEMS WSS 则不支持该功能 。）
这是什么意思呢？
前面我们说过了，由于 WSS 的出现，使得 ROADM 有了更高的自由度 。它可以从之前的一进一出的两维，变成多进多出的多维 。
四维 ROADM
也就是说，我们的换乘站，变成了中转换乘站，可以去不同的方向 。
对于 ROADM 这个中转换乘站，运营商对中转换乘能力（光网络交叉能力）提出了更高的要求 。这些要求归纳起来，就是四个字母——C、D、C、F，也就是：
Colorless（波长无关）
Directionless（方向无关）
Contentionless（竞争无关）
Flexi-Grid（波道间隔可调）
我们一个一个来说 。
首先是 Colorless（波长无关） 。
波长无关也称为“无色”，是指任何波长通道都可以从任何端口进行上下路 。
简单来说，以前这个站只能上班族上下车，现在变成了学生、老人、儿童、军人等所有人都可以上下车 。
然后是 Directionless（方向无关） 。
这个也很好理解，是指任何本地业务可以配置为发送到任何方向，或者任何方向的业务都可以配置到本地下路 。
简单来说，以前这个站上车只能去中山陵，现在可以去夫子庙、总统府、老门东等所有方向 。所有方向来的乘客，也都可以在这下车 。
再就是 Contentionless（竞争无关） 。
这也称为“无冲突” 。它是指支持同样波长的多个业务在同一个本地节点上下路 。
简单来说，就是来自不同方向的同一类乘客，都可以在这个站下车 。或者，想去不同方向的同一类乘客，都可以在这个站上车 。
注①：看红色的线，相同波长的波可以同时上车、下车
最后一个，就是前面我们提到的灵活栅格（Flexi-Grid），也称为 Gridless，意思是波道间隔任意可调 。这是一种提高频谱效率的新技术，随着高速大容量 WDM 技术发展过程而出现 。
在传统 DWDM 技术中，各种的分合波器件都是基于固定的带宽栅格定义，例如 50/100 GHz 。而在可变带宽光网络中，为了支持新型高速和超高速数据传输并提高网络资源利用率，系统根据各信号需要的频谱分配不同的带宽 。这就是灵活栅格（Flexi-Grid） 。
支持灵活栅格的 ROADM，就是支持动态波长上下和带宽分配 。
基于以上 4 个字母：
方向无关、波长相关，叫 D-ROADM ；
方向无关、波长无关，叫 CD-ROADM ；
方向无关，波长无关，竞争无关，叫 CDC-ROADM ；
方向无关，波长无关，竞争无关，灵活栅格，叫 CDC-F ROADM。
Are you clear？
除了功能强大之外，ROADM 还有一个巨大的优势，那就是管理运维方便 。
前面我们就有提到，ROADM 的波长信号和通道配置，都是可以通过网管软件远程进行操作的，降低了运维难度，缩短了部署周期，也节约了人力成本，提高了网络管理效率 。
此外，基于 ROADM 的网络交通管理功能，大家应该很容易会想到，我们现在非常流行的 SDN（软件定义网络）技术，其实是可以与 ROADM 进行结合的 。
现在有行业企业发起成立的Open ROADM，干的就是这个事 。
他们计划把 ROADM 按功能模块进行拆分，然后将厂商私有的 ROADM 软硬件进行解耦，利用 SDN 控制器来进行统一调度 。
SDN+ROADM
最后，我再总结一下 。
ROADM 技术作为一项重要的“中转换乘站”技术，可以帮助网络实现电节点到光节点的全面升级，突破网络节点容量瓶颈，实现全光自动调度 。
ROADM 自身也还处于不断发展的阶段 。ROADM 的器件性能还有待进一步提升，成本也有很大的下降空间 。ROADM 的产业链，还需要持续推动向前发展 。
随着 ROADM 不断走向高效、智能、开放，我们最终将会迎来真正的终极版“全光网”时代 。
       责任编辑:pj

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