基于WSON 功能的ROADM 网络规划方法研究

［刘杰 叶胤］

1 引言

采用相干接收技术的100G/超100G 技术已经在各大运营商得到大规模的商用，成熟的数字信号处理（DSP）技术在电域实现了对色散的补偿，使得色散不再是限制DWDM 系统长距离传输的关键因素。与此同时，WSS 技术在提高可靠性、提升密度、降低成本等方面不断进步与成熟，促进了以DWDM 技术为基石、WSS 技术为核心的ROADM 网络发展。

ROADM 网络共有6 种基本设备结构：ROADM（方向相关、波长相关、没有竞争）、C-ROADM（方向相关、波长无关、没有竞争）、D-ROADM（方向无关、波长相关、竞争相关）、CD-ROADM（方向无关、波长无关、竞争相关）、CDC-ROADM（方向无关、波长无关、竞争无关）、CDCF-ROADM（方向无关、波长无关、竞争无关、灵活栅格）。WSON 是IETF标准组织倡导的智能波分标准，其主要功能为波长资源的自动检测与发现、波长通道的调度与配置、波长通道的保护与恢复等。

2 规划策略与思路

2.1 路径策略

路径策略可分为寻路策略和规避策略，寻路策略主要有最短路径、最少代价、最少跳数共3 种策略；规避策略主要有必经路径、必不经路径。

最短路径策略实现业务全程端到端的距离最短，主要考虑到业务时延是与光网络传输距离是强相关的，即主要时延开销是在传输距离上，实现了传输距离的最短，基本上就实现了业务时延最优，设备的时延开销占比较少。最少代价策略实现业务全程端到端的电中继最少或性能最优，鉴于目前影响光网络性能最大的因素是光纤衰耗，明显指标是OSNR，因此最少代价策略基本上可以理解成业务全程端到端OSNR 余量最大。最少跳数策略实现业务全程端到端的光交换次数最小，反映在光网络为业务途经的ROADM 节点最少。

必经路径策略指的是业务必须要经过某个段落或某个节点，同理，必不经路径策略指的是业务不允许经过某个段落或某个节点。在实际网络规划时，必经路径策略主要是为了契合某些运维习惯而使业务遵循大路由方向，必不经路径策略主要是为了规避资源紧缺的瓶颈位置。

2.2 关联业务

关联业务的定义：指的是两个波长通道之间的关系，互为关联业务的两个波长通道的工作路由不允许使用同一链路和同一共享风险链路组（SLRG）内的链路；在资源允许的情况下，应当尽可能避免经过相同的中间节点。

关联业务主要是由数据网的需求而来，数据网的一个节点对A-B 通常会建设4 个路由器，分别为A1、A2、B1、B2，呈“口”字型组网。其中A1-B1、A2-B2 是节点间链路，显然这两条链路不能同时中断，否则该节点对会全部失效。对于传输网来说，这两条链路即为关联业务，路由要求称“双路由”。在路由资源丰富的网络，也可以具备“三路由”甚至“四路由”，但代价通常是牺牲低时延。

关联业务组指是同一组内的每条业务与其他组的业务均满足关联业务的要求，无论是从数据网还是传输网来看，均建议同一组内的业务走同一个路由。

2.3 共享风险链路组

共享风险组（SRG）指的是：共享相同风险的一组资源，一个资源的故障同时也会引起组中所有资源的故障。共享风险链路组（SRLG）指的是：共享相同风险的一组链路，一条链路可以分别属于多个不同的SRLG。在实际网络中，通常将同沟、同管道光缆和同光缆开通的链路设置为共享风险链路组，显然每个故障段落对应一个共享风险链路组。故障的原因通常来源于光缆，例如道路施工失误挖断光缆，桥梁坍塌导致光缆中断，船舶的锚勾断海底或河底光缆等等。

3 业务工作路由规划

业务工作路由指的是网络无故障情况下，业务长期稳定运行的路由。

3.1 工作路由寻路

针对一个已知RAODM 网络，基于上一章节阐述的路径策略，无论使用那种算法，所计算出来的单条业务路由应该是一样的。但路径策略的使用不应该是单一、死板的套用，而是需要考虑其他因素来综合分析和优化。

首先需要考虑的是关联业务组的约束，不能让关联业务的一组路由把另一组完全封闭起来导致无法寻路，或者导致另一组的路由需要绕远。如图1 所示，链路A1-B1把A2、B2 从中间隔断，A2 至B2 已无路由可寻（中间节点不可重叠）。如图2 所示，假设A1-C 段距离特别长、性能较差，首先规划A2-B2 路由导致A1-B2 的路由必须绕完走A1-C 这个段落。较为合适的路由规划应为如图3所示。

图1 路由规划示例一

图2 路由规划示例二

图3 路由规划示例三

因此，路径策略的考量指标应该是所有业务的综合结果，而不是单条业务的。

其次是灵活使用多策略组合来优化业务路由，即使用某种路径策略完成一次寻路，再使用另一种策略进行二次优化。根据3 种路径策略排列组合，共有3 种组合方式，如表1 所示。

表1 路径策略组合表

在实际网络规划中，需根据项目的要求、网络的特点进行选择。

3.2 电中继站设定

光信号在ROADM 网络长距离传输时，由于系统引入了噪声而导致光信号逐步劣化，劣化到一定程度后光信号的数据将无法正确读取，因此需要在信号劣化前进行“光-电-光”的转换，以保证光信号的正确传输。此项转换是对每个波长通道进行处理，其中配置了“光-电-光”转换设备的局站称“电中继站”（REG），两个相邻电中继站所组成的波长通道称“电中继段”，一个电中继段包含一个或多个OMS，电中继段内不配置“光-电-光”转换设备的ROADM 站只进行光交换。

在100 Gbit/s 后时代，系统的色散容限已经很大，色散对传输距离已基本没有影响，限制传输距离的主要因素是光纤的衰耗，反映在DWDM 系统的性能指标即为系统的OSNR。当系统的OSNR 下降到一定水平时（通过测试获得标准值并由相关标准定义，又称“OSNR 容限”），光信号就会出现误码，因此可以根据业务OSNR 的变化设定电中继站。

基本步骤为：从业务起点出发，沿业务工作路由逐段OMS累计OSNR值和计算OSNR容限，如完成全程累计后，OSNR 值大于OSNR 容限，则该业务无需配置电中继；当OSNR 值不满足OSNR 容限时，则需要在起点与当前节点间的节点配置电中继，最具经济性是在当前节点配置电中继，如节点的机房配套不满足也可以在前一节点配置电中继，再以配置了电中继的节点为起点，继续沿业务工作路由逐段OMS 累计OSNR 值和计算OSNR 容限，直到完成工作路由全程遍历。

电中继配置优化：完成业务的电中继设定后，通常情况下会出现部分电中继设置不合理的情况，主要表现在电中继段的长度参差不齐。优化的手段之一是计算平均电中继段的长度，按此长度均匀的在相应节点配置电中继。

4 业务恢复路由规划

业务恢复路由指的是网络在单点故障情况下，中断业务通过路由绕行重新建立的端到端路由，每一个共享风险链路组对应一个业务恢复路由组。

4.1 恢复源宿节点规划

业务恢复需要建立的是全程端到端的路由，但是故障只会发生在业务工作路由的某一个或两个OMS，即中断的基本是单个电中继段，为了尽量不去动非中断位置，应该基于业务工作路由的电中继节点分布，来计算最佳的业务恢复源宿节点。

具体步骤为：遍历业务工作路由的起点、终点、电中继节点三类节点，其两两间的恢复路由，计算每两个节点间恢复路由需要电中继的次数，次数最少的两个节点即为最优恢复源宿节点；当中继次数相等时，两节点间的业务恢复路由长度最短即为最优恢复源宿节点。当业务恢复路由需要电中继的次数大于等于3 时，就应当检查网络拓扑结构设计，看网络结构是否设计有误。

如图4 所示，OTU 为业务起点、终点，REG 为业务工作路由电中继节点，中断的是第二个电中继段，那么需要遍历的节点对数量为6，分别为图4 中的1～6。当完成了上述最优恢复源宿节点规划后，已经初步完成了业务的第一次恢复路由规划。

图4 最优恢复源宿节点遍历示意图

基于投资最优的角度来考虑，需要配置的电中继越少，投资就越少，因此对于无电中继即可完全恢复的业务，上述规划结果较好，无需调整与优化。例如大型城域ROADM 网、中小型省级ROADM 网络，业务通常可实现无电中继完全恢复。

对于大型省级RAODM 网络、中型省际ROADM 网络，业务最多一次电中继即完全恢复，对于大型省际ROADM网络，业务最多两次电中继即可完全恢复。需要一次和二次电中继才能恢复的业务，上述规划结果的电中继数量还有进一步优化的空间。

4.2 一次电中继恢复路由优化

设计一个三维恢复矩阵Array（i，j，k），其中i 为网络故障点对应的业务中断场景，j 为业务中断场景中恢复电中继次数为1 的业务，k 为网络节点。遍历计算出网络其余节点（除业务工作路由经过的节点）至业务最优恢复源宿节点的路由及性能，如果该节点下得到的路由性能满足要求，则设置相应矩阵值为1。

如图5 所示，业务最优恢复源宿节点为B、D，故障点位于第2 个电中继段，如第1 个中断场景、第1 条中继次数为1 的业务、在节点F（节点序号为1）设置电中继时业务恢复路由性能满足要求，即F-B、F-D 的路由不需要电中继，则Array（1,1,1）=1。

图5 一次电中继恢复示意图

其余中断场景、业务恢复、节点按上述思路遍历，计算出三维矩阵Array（i,j,k）。由于采用的共享资源恢复方式，因此节点A 的恢复电中继数A=max（A1,A2,……An），其他节点依次类推，最优恢复三维矩阵如表2 所示。

表2 最优恢复三维矩阵表

矩阵的最优解是所节点的恢复电中继数最少，即为最优解=min（A,B,……,J）。计算出矩阵的最优解，并按此给相应业务规划恢复路由及电中继，即可完成需一次中继才能恢复的业务规划。

4.3 两次电中继恢复路由优化

对于大型省际ROADM 网络来说，完成了无电中继恢复和需一次电中继恢复的业务后，会剩余少量需要两次电中继才能恢复的业务，与此同时，也在相应节点规划了一定数量的电中继。

需两次电中继才能恢复的业务，其电中继优化思路与一次电中继相同，即计算出当前中继场景下每个节点冗余的电中继数量，取有冗余电中继的节点两两组合，在最优源宿节点间进行业务恢复，恢复路由的性能满足要求即可。恢复示意图如图6 所示。

图6 二次电中继恢复示意图

由于需要两次电中继才能恢复的业务较少，且使用三维恢复矩阵计算最优解极为复杂，因此建议采用上述思路优化即可。

5 波道规划

波道规划是在业务全程路由经过的每个OMS 为其分配波道的操作，在业务的同一个电中继段内有波长一致性的要求。通常作法是以业务的电中继段为单位，搜索电中继段内所有OMS 的空闲波道号，如果所有OMS 有同一个空闲的波长，刚该业务占用此波长，并作标识以防被其它业务占用；对业务的每个电中继段执行该步骤，直至所有电中继段均完成波道规划。

如果在电中继段内无法找到空闲波长，有两种解决方法。

（1）变波长：由于电中继段内有波长一致性的要求，可以通过增加电中继站的方式将一个电中继段截成两个电中继段，为两个电中继段分配不同的波长，此为变波长。此种方法的好处是不需要新增OMS，坏处是增加了电中继，从而增加投资和机房能耗。如图7 所示，电中继段A-E，全程找不到同一空闲波长，但A-D 第20 波空闲，D-E 第40 波空闲，可以在D 设置REG 从而实现变波长。

图7 波道规划示意图

（2）光层叠加：将电中继段内所有OMS 按波道利用率由高到低排序，在利用率较高的OMS 进行光层叠加。此种方法的好处是系统容量变大，更有利于网络规划，坏处是消耗了光纤资源。在图7 可以在D-E 间新建一个OMS，即可得到D-E 有1～80 波均可用。

6 结束语

ROADM 网络技术是当前传输网发展的重要方向，随着超100 Gbit/s 技术、高维度WSS 和OXC 的发展，ROADM 网络技术仍有较大的提高。启用了WSON 功能的ROADM 网络为业务提供了分钟级的恢复能力，使得网络服务质量、运维能力均上了一个台阶。目前业内围绕着如何更快速的恢复、更节省恢复资源等方面努力优化，本文即是在如何节省恢复资源上给出了相应的思路与建议。