2.6 光波长选择及交叉技术
本节将组合前面章节的模块、器件，达到在整个光层组网调度光信号的目的。
2.6.1 传统波分复用技术
传统的波分复用系统主要就是将前面章节的各个技术点组合在一起，完成多个波长信号在同一个系统中的传输过程。
1．WDM 系统
在发射端，利用WDM器件（合波器件）将不同波长的光信号合并到一根光纤中进行传输，并使用光放大器件和光纤介质完成长距离的传输。在接收端，使用一个光信号解波分复用器件（分波器件）再将光纤中不同波长进行分离，并将每个波长上承载的信号分别解出。上述整个WDM 的原理示意如图2-26 所示。
图2-26 WDM 系统原理示意
WDM 系统是用光信号的不同波长（频率）分插复用的方式来传输的，其最大的技术特征和技术价值主要有以下两点。
（1）波分系统极大地扩展了光纤系统的整体传输容量，在单波容量一定的前提下，通过多个波段内的上百个波长进行复用并传，极大地提升了单根光纤的传输容量。
（2）波分系统完成了光信号的长距离传输，通过光域的光纤传输特性和光信号放大技术，让业务信号可以在几千千米的范围内进行无电中继传输。
因此，智慧光网络的超宽特性在波分系统上得到了很好的体现。
2．WDM 系统中的光监测信道
在上述系统中，我们可以根据站点和网元的类型，将波分系统分成光终端复用网元（OTM，Optical Terminal Multiplexer）和光线路放大网元（OLA）。
在电层系统中，各网元之间使用开销和帧结构来进行系统的管理和监测。WDM 系统中的OTM 和OLA 也需要使用特定的方法进行光通道的管理和监测。常用方法是在每一段光纤中，增加一个波长信道对光纤进行监测，这个信道就是光监控信道（OSC，Optical Supervisory Channel），它负责监控系统内各信道的传输情况，信道内传输着帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等。
通过OSC 物理层传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节，网络管理系统和网络控制系统（如后面章节介绍的网络层控制平面）要完成对WDM 系统的管理，并实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能。需要注意的是，业务信号在OTM站点之间传输时，OSC 信号需要监测所有站点之间的各段光缆的状态，因此OSC 信号是逐站点终结，如图2-27 所示。
图2-27 OSC 信号逐站点监测
值得注意的是，OSC 的引入主要是监测物理层逐段光纤的状态，但并不感知光纤中有多少承载业务的波长，以及这些波长光学参数的状态，进而也无法感知业务信号包括信号质量、功率、BER 等在内的实时状态。因此后面在进行ROADM 新技术发展趋势介绍时，还将介绍波长标签技术，它可以细致地监控每一个波道的具体的信号质量参数，这些参数的采集是智慧光网络产生智慧的数据来源。
3．WDM 系统的常见组网方式
传统WDM 系统一般使用链状组网或环形组网。图2-28（a）所示的链状组网可以应对点
对点的大容量、长距离传输需求，图2-28（b）所示的环状组网可以完成多点之间的大容量传输，每个OTM 站点可以根据业务需求选择终结波长或是串通波长，并通过光开关器件对波长业务进行环网保护。
图2-28 WDM 系统的链状组网和环状组网
在这些传统的WDM 系统中，所有业务沿着规划的固定路径传播，只能完成点对点的信号传播或是简单的1+1 保护，大大限制了网络业务的丰富性（组网灵活性），制约了智慧光网络的其他网络特性（如随需、泛在）的发展。因此，后面介绍的ROADM 相关技术也将详细展开介绍传统WDM 系统在灵活业务调度技术领域的发展。
2.6.2 ROADM 光交叉矩阵技术
前面章节提到的OTM 站点虽然可以同时进行波长的上下话和串通，但每一个波长的调度方式都是直接绑定物理光纤和端口连接。ROADM 组网技术的核心技术特征就是可重构，即可根据业务连接需求去打破业务和物理光纤、物理端口的绑定关系，通过网络层管理程序或控制软件去灵活创建、调度、监控光通道。具备这种特性的站点，一般被称为ROADM 网元。相比OTM，只有ROADM 网元构成的WDM 网络才能满足智慧光网络随需调度的需求。ROADM 网元中有两方面的核心技术。
（1）ROADM 网元内的光交叉矩阵，即在网元内将不同方向光纤中的波长逐一解复用，并分别进行调度。其展示出来的灵活调度波长方向的特征，被称为方向无关（Directionless）特征，此特征将在2.6.3 节中展开介绍。
（2）承载业务的光波长灵活地在WDM 系统中实现波长的上下话，除第（1）点内解耦业务和方向调度外，还需要解耦业务和波长、业务和上下话端口、业务和传输码型等，这些特性分别被称为波长无关（Colorless）、竞争无关（Contentionless）、灵活栅格（Flexible Grid），它们分别将在2.6.4 节～ 2.6.7 节中展开介绍。
在电芯片传输网元内，一般通过成帧和交换芯片将所有网络侧接口（NNI，Network to
Network Interface）和用户- 网络接口（UNI，User Network Interface）内的业务颗粒进行打散、交叉、重新映射。
如图2-29 所示，光交叉矩阵的处理逻辑和电交叉芯片类似，它们都需要一个“光交叉矩阵”将若干接口内的所有波长打散，并按业务需求调度到接口，完成基于每个波长的光信号方向调度。
光交叉矩阵的处理逻辑虽然和电交叉芯片趋同，但在调度能力上存在差异，在内部组成上都具备自己的特点。
（1）调度能力的差异
光交叉矩阵与电交叉调度的最大区别在于，光交叉矩阵只能改变光波长的传播方向，无法改变承载业务的波长、频率。对于后面提到的智慧光网络的网络层控制技术，电交叉可以调度不同接口中的不同标签，而光交叉矩阵调度同一业务时，标签在光交叉前后必须保持一致。
（2）内部组成的特点
光交叉矩阵无法像电芯片一样由单体芯片完成整体业务调度，需要若干WSS 器件进行内部端口连接，通过多器件“拼接”组成光交叉矩阵。每个1×n 的WSS 板卡提供1 个外部接口和n 个内部接口，这n 个内部接口与另外n 块WSS 板卡的内部端口互联。
图2-29 光交叉矩阵的处理逻辑和电交叉芯片类似
2.6.3 从方向相关（Directioned）到方向无关（Directionless）
2.6.1 节中介绍了早期WDM 系统，那时WSS 器件成本昂贵，并且人们对网络的调度要求不高，因此OTM 内本地上下话的波长根据要去的方向进行光纤连接，波长和光纤连接一一对应，也就是波长和端到端路径一一对应。这种网络我们无法通过动态配置去调整波长传输的方向，因此叫作方向相关。例如在2.6.1 节中OTM 环形组网的例子，如果展开到OTM1 网元内部，如图2-30 所示。
图2-30 OTM 网元的方向相关特征及内部展开
随着智慧光网络的引入和发展，我们对波长业务的诉求除大容量、超高速外，还有就是承载业务的波长随需调度，此时需要利用ROADM 网元的方向无关特征，即在每一个ROADM 网元内通过给光交叉矩阵中的每一个WSS 器件下发动态的配置来确定不同波长通过的路径，也可以下发配置动态地更改这些波长路径。
在光交叉矩阵内部，根据波长传输路径需求去动态配置WSS 器件的过程如图2-31 所示，只需要通过分析WSS 之间光纤连接的关系，将端口和波长对应关系的配置下发到目标机盘，就完成了波长串通过程。
图2-31 光交叉矩阵内部连纤
ROADM 网元的方向无关组网方式和特性主要可以提升网络对每个波长所走路径的调度能力，这增强了智慧光网络随需灵动的特性。无论是使用波长交换光网络（WSON，Wavelength Switched Optical Network）还是路径计算单元（PCE，Path Computation Element）、SDN 等控制面，无论是割接时的主动运维还是光纤中断时的被动倒换恢复，都需要利用方向无关的特性完成波长在网络中路径的切换。
2.6.4 从波长相关（Colored）到波长无关（Colorless）
方向无关主要是将承载业务的波长和路径解耦，但波长和业务仍然是一一对应的，这主要是因为使用AWG 器件来进行光波长的耦合和分波时，需要将光转换单元（OTU）输出端口固定连接在AWG 器件对应波长的物理端口上。比如在ROADM 网络发展起步初期，使用AWG 器件上下话波长，虽然每一个波长在网络中仍然可以调度方向，但锁定了业务和波长的对应关系。
随着WDM 网络的发展，WDM 网络需承载的业务数量的急速增加与系统波长总数之间存在着突出的矛盾。如图2-32（a）所示，使用AWG 进行波长上下话时，无论网络发生什么变化，或者是业务需求发生什么变化，OTU 的波长都无法变换。当需要对网络中的OCh 更换波长时，就必须人为去机房更换OCh 到AWG 器件的连纤，将光信道业务的收发光转换单元的尾纤更换到AWG 器件的新目标波长对应的端口上。这种网络被称为波长相关（Colored）网络，它需要人为地去更改物理连纤的运维方式，它和智慧光网相去甚远。
在图2-32（b）所示的场景中，ROADM 网络经常需要同时调整承载业务的波长和波长使用的路径，此时就必须同时使用方向无关和波长无关组网。
如图2-32（c）所示，使用WSS 器件替代AWG 器件完成波长的合分波过程，并将业务端口逐一连接合分波WSS 器件的内部端口，通过WSS 器件动态配置来设置每一个WSS 可以透过的波长，从而解绑波长和业务的固定联系。这种将业务和波长解耦的ROADM 网络被
称为波长无关网络，波长无关网络再面对图2-32（b）所示的应用场景时，只需要对WSS 更新透过的波长配置，并同步配置OCh 的收发光波长，即可最终打通整个波长业务，而不需人工进行光纤连接的更改。
图2-32 波长无关网络特性及应用场景
