使用波長選擇型ROADM構筑IP網絡的光損失特性

熊　瑩，金　剛，汪亞玲，劉　星，毛雪松

（1.武漢科技大學計算機科學與技術學院，武漢，430065；2.智能信息處理與實時工業系統湖北省重點實驗室，武漢，430065；3.武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢，430081）

使用波長選擇型ROADM構筑IP網絡的光損失特性

熊瑩1,2，金剛1，汪亞玲1，劉星1，毛雪松3

（1.武漢科技大學計算機科學與技術學院，武漢，430065；2.智能信息處理與實時工業系統湖北省重點實驗室，武漢，430065；3.武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢，430081）

針對近年網絡數據流量呈指數率增長，傳統型的光分插復用器往往不能滿足大容量波分復用網中在網絡結構變化時要求架構保持快速平滑變化的情況。提出使用ROADM來構筑光環形網，并搭建了以ROADM為主要器件構筑的四個節點實驗光網絡，通過實驗測量環形網不同鏈路的光損失，得到隨光波長變化的光損失特性，確定環形網絡鏈路設計的數據傳遞可靠性。

ROADM；波分復用網絡；光損失

0　引言

WDM（Wavelength Division Multiplexing）是使用具有不同波長的光束來傳遞信息的技術[1]，可以實現多路信息在同一根光纖中互不干擾地傳輸。WDM技術可分為CWDM和DWDM，其主要區別在于波長分割間隔。DWDM用于大容量、遠距離傳輸（大于100km），而CWDM主要用于容量要求較小，傳送距離較近（小于50km）的應用場景。無論DWDM還是CWDM，近年來都得到了快速的發展。

OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）[2~4]是構成WDM網絡的關鍵設備，它將來自不同信道的光信號復用（路由）到單模光纖。近年來，OADM器件的發展使其具備可遠程配置的功能，設備維護人員可通過遠程發送命令來重新配置器件。ROADM（Reconfigurable Op tical Add/Drop Multiplexer）的結構保證光上路/下路（Add/Drop）不影響信號地通過（Passing through），具有操作靈活、性能穩定的優點，且ROADM技術的發展使其具有很高的性價比[5~6]。近年來，研究人員在ROADM中引入陣列光放大器，實現了127Gb的正交相位鍵控傳輸系統[7~8]。在DWDM網絡中使用ROADM，存在通帶變窄以及串話的問題[9]。

本文首先分析了ROADM的結構及其在WDM網絡中的應用，然后使用ROADM搭建具有4個節點的CWDM網絡，并通過實驗測量網絡不同鏈路的波長損失特性，找出不同節點間最大路徑長度。通過實驗研究，得出來WDM網絡中不同節點間的波長損失特性，驗證了設計的可行性，提高了網絡運維的管理效率使用ROADM搭建環形網絡，除了鏈路損失問題，最近有研究者觀察到基于ROADM的WDM網絡存在功率失常問題，并給出解決方案[10]。

1　ROADM

傳統的環形光通信網一般選用OADM來實現光的上路/下路，但由于該器件不具備任意波長上路/下路的功能，使得光路選擇必須通過人工設定來調整。圖1為傳統OADM工作原理圖，假定一束光由λ1、λ2、…、λn構成，只有λ1能夠通過OADM上路或下路到光收發器，因此通過這種方式搭建局域網，具有成本高、效率低的缺點。本文選用一種新型設備ROADM用于光網絡中信號的上路/下路，降低網絡成本并提高網絡傳輸效率。

圖2給出實驗選用ROADM的結構。它由一個波長相關的耦合器/分光器、2×2機械式光開關（SW）和一個光開關驅動器構成。ROADM的每個SW都有上路、下路和通過三種工作狀態。ROADM的左側連接到環形網，右邊連接到光收發器。環形網中的光信號由λ1、λ2、λ3和λ4四個波長組成。通過分光器分為四個獨立波長的信號分別進入四個光開關，或者來自四個光開關的信號通過耦合器合并為一路信號進入光網絡傳輸。連接在光開關后面的光收發器可以將光信號轉換為電信號，也可以由電信號轉換生成光信號。

圖1　OADM的結構

圖2　ROADM的結構

ROADM器件中關鍵設備是四個2×2光開關，其結構如圖3所示。這種光開關具有兩種狀態：第一種狀態為端口1與端口4相連、端口2與端口3相連，用以實現光信號的上路和下路；第二種狀態為端口1與端口2相連、端口3與端口4相連，用以實現光信號的通過。這四個端口都是光信號的輸入/輸出端口。

圖3　光開關結構

2　WDM網絡拓撲及實驗平臺

本文使用ROADM搭建一個4節點IP網絡，如圖4所示。其中，每個ROADM作為一個網絡節點。連接節點之間的光纖長度為預先設定的固定值。框圖中使用了兩種ROADM，一種是CWDM標準的8波長ROADM，用于節點1；另一種是4波長ROADM，用于節點2到節點4。網絡通過使用單模光纖連接4個節點形成環形網絡。節點1到節點4之間的間隔分別為6km、6km、5km、5km。環形網絡還包括一個控制環路用于網絡保護。ROADM中光開關的上路、下路和通過的三種狀態切換通過遠程控制系統來發送控制信號來實現。每個ROADM都連接到一個3層交換機，控制信號通過3層交換機發送到光開關驅動器上。

圖4　4節點IP網絡實驗框架

在光學系統中，光損耗定義為光學器件輸出功率與輸入功率比值的對數，即：

其中，P2和P1分別為輸出功率和輸入功率，采用這一定義測量圖4中環形網絡的損失特性。

光纖環路總長為22km，環路所使用的信號光波長分別為1530nm、1550nm、1570nm和1590nm，對應于圖4中的λ1、λ2、λ3和λ4。

本文實驗中，當工作波長為λ1即信號波長為1530nm時，節點1和節點4光開關的狀態設定為上路/下路，節點2和節點3光開關的狀態設定為通過。同理，當工作波長為其他波長時，各節點的開關狀態如表1所示。

表1　ROADM的工作狀態

3　實驗與結果分析

首先測量出單個OADM在上路、下路和通路三種狀態下的損耗值，經過分析多次測量獲取的數據，并計算數據的平均值μ和標準差σ，可獲得OADM的性能參數。

圖5的測量結果表明，當波長為1530nm、1550nm、1570和1590nm時，測量值的68.7%位于μ±σ范圍內，表明測量系統對這四個波長是有效的。

對于1530nm、1550nm、1570nm和1590nm這四種波長，每個節點可以分別選擇這四個波長的上路、下路和通過這3種狀態，當節點1設定為上路，節點4設定為下路，節點2和3設定為通過狀態時，網絡中就產生了4條在不同波長的鏈路，分別測量4條鏈路的波長損失特性，結果如圖6所示。

圖5　單個OADM損失多次測量統計數據

表2給出四個鏈路在上路/下路波長選擇為1530nm、1550nm、1570nm和1590nm時損失值。

假定光纖的損失為0.35dB/km，根據測量結果，當最大損失值為16dB，得到允許的光纖長度：

從上式可以計算出6dB是功率預算。因此，節點1~4的順時針方向允許的鏈路長度可達到17km，同理可以計算出整個環形網絡的最大允許鏈路長度可以達到22km。

表2　四個鏈路的損失值

圖6　光鏈路損失特性

4　結語

本文介紹了一種使用波長選擇型ROADM的4節點環形網絡配置模型,以及實驗測量該模型波長損失特性的方法。首先測量了單個ROADM的損失特性，通過多次測量，分析實驗數據，得出68.7%的實驗數據位于μ±σ內，符合高斯分布的統計規律，表明測量方法對1530nm、1550nm、1570和1590nm這四個波長是有效的。然后測量整個網絡鏈路的損失特性，通過測量最長鏈路，即節點1到節點4的波長損失特性，計算分析得出使用ROADM搭建環形網絡的最大鏈路長度。根據測量結果，4節點網絡對于構建小型局域網是可行的，構成環路的光纖長度可以達到22 km。

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Optical Loss Property of IP Network with Wavelength-Selectable ROADMs

XIONG Ying1,2，JIN Gang1，WANG Ya-ling1，LIU Xing1，MAO Xue-song3

（1.College of Computer Science and Technology,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065; 2.Hubei Province Key Laboratory of Intelligent Information Processing and Real-time Industrial System,Wuhan 430065; 3.School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081）

Due to recent exponential increase of network traffic volume,classical Optical Add/Drop Multiplexers generally cannot satisfy the requirement of keeping the framework of large capacity Wavelength Division Multiplexing network rapid and smooth variation along with the changes of network structure.Proposes Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers to be used for constructing a fiber ring network.Establishes a 4-node optical network,which uses ROADMs as its main components.By experiments,optical losses of different fiber links, which consists of the ring network,are measured.The result shows the loss variation against light wavelength,and confirms reliable data transferring through fiber link of the ring network.

ROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers）;WDM Network;Optical Loss

1007-1423（2015）11-0010-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.002

熊瑩（1978-），女，湖北人，碩士，實習研究員，研究方向為高速大容量網絡

金剛（1961-），男，江蘇人，本科，工程師，研究方向為計算機組成原理、單片機應用

汪亞玲（1962-），女，河南人，本科，高級工程師，研究方向為應用軟件開發

劉星（1975-），女，湖北人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為計算機網絡、自然語義分析

毛雪松（1975-），男，江蘇人，博士研究生，教授，研究方向為車載多普勒激光雷達信號處理

2015-02-05

2015-03-25