使用波长选择型ROADM构筑IP网络的光损失特性

熊　莹，金　刚，汪亚玲，刘　星，毛雪松

（1.武汉科技大学计算机科学与技术学院，武汉，430065；2.智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室，武汉，430065；3.武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉，430081）

使用波长选择型ROADM构筑IP网络的光损失特性

熊莹1,2，金刚1，汪亚玲1，刘星1，毛雪松3

（1.武汉科技大学计算机科学与技术学院，武汉，430065；2.智能信息处理与实时工业系统湖北省重点实验室，武汉，430065；3.武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉，430081）

针对近年网络数据流量呈指数率增长，传统型的光分插复用器往往不能满足大容量波分复用网中在网络结构变化时要求架构保持快速平滑变化的情况。提出使用ROADM来构筑光环形网，并搭建了以ROADM为主要器件构筑的四个节点实验光网络，通过实验测量环形网不同链路的光损失，得到随光波长变化的光损失特性，确定环形网络链路设计的数据传递可靠性。

ROADM；波分复用网络；光损失

0　引言

WDM（Wavelength Division Multiplexing）是使用具有不同波长的光束来传递信息的技术[1]，可以实现多路信息在同一根光纤中互不干扰地传输。WDM技术可分为CWDM和DWDM，其主要区别在于波长分割间隔。DWDM用于大容量、远距离传输（大于100km），而CWDM主要用于容量要求较小，传送距离较近（小于50km）的应用场景。无论DWDM还是CWDM，近年来都得到了快速的发展。

OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）[2~4]是构成WDM网络的关键设备，它将来自不同信道的光信号复用（路由）到单模光纤。近年来，OADM器件的发展使其具备可远程配置的功能，设备维护人员可通过远程发送命令来重新配置器件。ROADM（Reconfigurable Op tical Add/Drop Multiplexer）的结构保证光上路/下路（Add/Drop）不影响信号地通过（Passing through），具有操作灵活、性能稳定的优点，且ROADM技术的发展使其具有很高的性价比[5~6]。近年来，研究人员在ROADM中引入阵列光放大器，实现了127Gb的正交相位键控传输系统[7~8]。在DWDM网络中使用ROADM，存在通带变窄以及串话的问题[9]。

本文首先分析了ROADM的结构及其在WDM网络中的应用，然后使用ROADM搭建具有4个节点的CWDM网络，并通过实验测量网络不同链路的波长损失特性，找出不同节点间最大路径长度。通过实验研究，得出来WDM网络中不同节点间的波长损失特性，验证了设计的可行性，提高了网络运维的管理效率使用ROADM搭建环形网络，除了链路损失问题，最近有研究者观察到基于ROADM的WDM网络存在功率失常问题，并给出解决方案[10]。

1　ROADM

传统的环形光通信网一般选用OADM来实现光的上路/下路，但由于该器件不具备任意波长上路/下路的功能，使得光路选择必须通过人工设定来调整。图1为传统OADM工作原理图，假定一束光由λ1、λ2、…、λn构成，只有λ1能够通过OADM上路或下路到光收发器，因此通过这种方式搭建局域网，具有成本高、效率低的缺点。本文选用一种新型设备ROADM用于光网络中信号的上路/下路，降低网络成本并提高网络传输效率。

图2给出实验选用ROADM的结构。它由一个波长相关的耦合器/分光器、2×2机械式光开关（SW）和一个光开关驱动器构成。ROADM的每个SW都有上路、下路和通过三种工作状态。ROADM的左侧连接到环形网，右边连接到光收发器。环形网中的光信号由λ1、λ2、λ3和λ4四个波长组成。通过分光器分为四个独立波长的信号分别进入四个光开关，或者来自四个光开关的信号通过耦合器合并为一路信号进入光网络传输。连接在光开关后面的光收发器可以将光信号转换为电信号，也可以由电信号转换生成光信号。

图1　OADM的结构

图2　ROADM的结构

ROADM器件中关键设备是四个2×2光开关，其结构如图3所示。这种光开关具有两种状态：第一种状态为端口1与端口4相连、端口2与端口3相连，用以实现光信号的上路和下路；第二种状态为端口1与端口2相连、端口3与端口4相连，用以实现光信号的通过。这四个端口都是光信号的输入/输出端口。

图3　光开关结构

2　WDM网络拓扑及实验平台

本文使用ROADM搭建一个4节点IP网络，如图4所示。其中，每个ROADM作为一个网络节点。连接节点之间的光纤长度为预先设定的固定值。框图中使用了两种ROADM，一种是CWDM标准的8波长ROADM，用于节点1；另一种是4波长ROADM，用于节点2到节点4。网络通过使用单模光纤连接4个节点形成环形网络。节点1到节点4之间的间隔分别为6km、6km、5km、5km。环形网络还包括一个控制环路用于网络保护。ROADM中光开关的上路、下路和通过的三种状态切换通过远程控制系统来发送控制信号来实现。每个ROADM都连接到一个3层交换机，控制信号通过3层交换机发送到光开关驱动器上。

图4　4节点IP网络实验框架

在光学系统中，光损耗定义为光学器件输出功率与输入功率比值的对数，即：

其中，P2和P1分别为输出功率和输入功率，采用这一定义测量图4中环形网络的损失特性。

光纤环路总长为22km，环路所使用的信号光波长分别为1530nm、1550nm、1570nm和1590nm，对应于图4中的λ1、λ2、λ3和λ4。

本文实验中，当工作波长为λ1即信号波长为1530nm时，节点1和节点4光开关的状态设定为上路/下路，节点2和节点3光开关的状态设定为通过。同理，当工作波长为其他波长时，各节点的开关状态如表1所示。

表1　ROADM的工作状态

3　实验与结果分析

首先测量出单个OADM在上路、下路和通路三种状态下的损耗值，经过分析多次测量获取的数据，并计算数据的平均值μ和标准差σ，可获得OADM的性能参数。

图5的测量结果表明，当波长为1530nm、1550nm、1570和1590nm时，测量值的68.7%位于μ±σ范围内，表明测量系统对这四个波长是有效的。

对于1530nm、1550nm、1570nm和1590nm这四种波长，每个节点可以分别选择这四个波长的上路、下路和通过这3种状态，当节点1设定为上路，节点4设定为下路，节点2和3设定为通过状态时，网络中就产生了4条在不同波长的链路，分别测量4条链路的波长损失特性，结果如图6所示。

图5　单个OADM损失多次测量统计数据

表2给出四个链路在上路/下路波长选择为1530nm、1550nm、1570nm和1590nm时损失值。

假定光纤的损失为0.35dB/km，根据测量结果，当最大损失值为16dB，得到允许的光纤长度：

从上式可以计算出6dB是功率预算。因此，节点1~4的顺时针方向允许的链路长度可达到17km，同理可以计算出整个环形网络的最大允许链路长度可以达到22km。

表2　四个链路的损失值

图6　光链路损失特性

4　结语

本文介绍了一种使用波长选择型ROADM的4节点环形网络配置模型,以及实验测量该模型波长损失特性的方法。首先测量了单个ROADM的损失特性，通过多次测量，分析实验数据，得出68.7%的实验数据位于μ±σ内，符合高斯分布的统计规律，表明测量方法对1530nm、1550nm、1570和1590nm这四个波长是有效的。然后测量整个网络链路的损失特性，通过测量最长链路，即节点1到节点4的波长损失特性，计算分析得出使用ROADM搭建环形网络的最大链路长度。根据测量结果，4节点网络对于构建小型局域网是可行的，构成环路的光纤长度可以达到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

熊莹（1978-），女，湖北人，硕士，实习研究员，研究方向为高速大容量网络

金刚（1961-），男，江苏人，本科，工程师，研究方向为计算机组成原理、单片机应用

汪亚玲（1962-），女，河南人，本科，高级工程师，研究方向为应用软件开发

刘星（1975-），女，湖北人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为计算机网络、自然语义分析

毛雪松（1975-），男，江苏人，博士研究生，教授，研究方向为车载多普勒激光雷达信号处理

2015-02-05

2015-03-25