刘杰

（广东省电信规划设计院有限公司，广州 510630）

1 引言

近年来，随着5G、OTT、云计算、物联网、VR、网络电视（IPTV）等电信业务的发展，网络带宽的需求越来越大。100G/200G/400G 技术[1]的成熟与发展使得网络带宽从技术上已经没有了“瓶颈”，相干技术的应用使得色散不再是DWDM 系统的“短板”，基于WSS 为核心的ROADM 网络开启了全光网2.0 时代。目前运用最成熟的是20 维收发合一WSS、32维收发合一WSS、光背板技术也开始逐步应用到网络中。中国电信对ROADM 技术使用最早、发展最快、覆盖面积最广。随着ROADM网络的大规模建设，对网络承载的业务规划提出了极大的挑战，基本上无法依靠人力来完成，只能依靠规划软件。在不同的运营商、不同的区域、不同的场景下，业务规划的策略要求不尽相同，需要根据实际策略定制合适的规划软件，那么研究业务路径策略及算法就变得很重要了。

2 ROADM网络简介

2.1 ROADM结构

ROADM网络[2]是以WSS为核心器件的DWDM系统，包含两类基本功能模块：

（1）可重构波长上下路模块（R-WADD: Reconfigurable Wavelength Add/Drop Devices），其功能为实现任意一个波长通路从一个光线路方向传输到另一个线路方向；

（2）可重构本地上下路模块（R-LADD: Reconfigurable Local Add/Drop Devices），其功能为实现任意线路方向的任意波长下路和任意本地波长上路到任意线路方向。

R-WADD 和R-LADD 均为WSS 器件，WSS 两两通过端口进行连接组成光交叉矩阵，实现上述两类功能模块的功能，光交叉矩阵在技术上通过光纤互连或光背板技术均可实现。反映到整个ROADM网络，即为承载任意两个节点业务的波长可在全网任意复用段及节点内穿行。

图2 是六节点ROADM 网络，节点A 至F 的业务路由可以是A-B-F、A-D-F、A-C-E-F、A-D-C-E-F等等，业务路由安排由ROADM网络的相关策略决定。

ROADM网络业务路由策略按影响的因素来划分，可分为两大类：业务路径策略和业务规避策略。

2.2 ROADM业务路径策略

业务路径策略指的是业务路由寻路的方法，常用的有三种：最短路径、最优OSNR、最少跳数，此类策略的选取与ROADM网络承载的业务类型关系最大。

通常情况下，时延要求高的业务建议采用最短路径策略，这是因为业务传输距离越短时延越优，反之亦然。对时延不敏感的业务建议采用最优OSNR策略，以尽可能把业务安排在ROADM网络光缆质量较好的段落，在对长距离传输的业务来说，能最大限度节省电中继，对较短距离传输的业务来说，业务全程的OSNR 较高，相对来说有更多的维护余量。ROADM网络节点密集、传输距离较长的业务建议采用最少跳数策略，以减少业务传输时过多地穿通WSS 而带来的OSNR代价。

但业务类型并不是决定路由策略的唯一因素，在实际工程应用中，应结合ROADM网络的拓扑结构、光缆资源、机房资源、承载的业务类型、工程投资等等因素综合考虑。可采用单一路径策略或多种路径策略相结合的混合策略。

2.3 ROADM业务规避策略

业务规避策略指的是由于业务层级的限制，导致业务路由需要做出相应的规避。主要有下面四种[3]：

（1）关联业务组

ROADM网络承载的业务，大部分是要求1+1开通的，需要分A/B路由进行承载，这部分业务包括：同源同宿、同源异宿、异源同宿、异源异宿四种。

鉴于此，业界引入了关联业务概念，根据Q/CT 2620-2016，《中国电信可重构光分插复用（ROADM）设备技术要求》的定义：ROADM 网络中的关联业务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。

关联业务组指的是由关联业务组成的业务组，通常情况下分组A、组B，分别由A、B路由承载。

（2）业务必不经

业务必不经是指ROADM 网络承载的业务不允许经过特定的节点或特定的OMS。

（3）业务必经

业务必经是指ROADM 网络承载的业务必须要经过特定的节点或特定的OMS。

（4）路径中间节点分离

关联业务组是要求组内业务分A/B路由承载，使用两个尽可能物理独立的波长通道。对于一些安全要求高的业务，考虑到单节点故障的问题，会进一步要求A/B路由在不同时经过同一物理路由外，也不能同时经过某节点，即需要路径中间节点分离。

如有关联业务组，业务起点为A、终点为F，业务路由A为“A-D-F”，路由B 可为“A-C-D-E-F”，如图3 左图所示。但执行路径节点分离策略后，路由B 是不满足策略要求的，因为路由A/B同时经过了节点D。路由B可调整为“A-C-E-F”,如图3右图所示。

其中红实线表示路由A，蓝线表示路由B，A/B路由不允许同时经过节点D。

3 Floyd算法应用

不同的路由策略需通过不同的算法来实现，常用的最短路径算法有：Dijkstra算法，Bellman-Ford算法，Floyd算法[4]和SPFA 算法等，最优OSNR、最少跳数算法可由最短路径算法衍生出来。

本节以Floyd算法为例详细阐述ROADM网络三种路由策略在算法上的实现方法。

3.1 Floyd算法简介

Floyd 算法是一种利用动态规划的思想，寻找给定的加权图中多源点之间最短路径的算法，该算法名称以创始人之一、1978 年图灵奖获得者、斯坦福大学计算机科学系教授罗伯特·弗洛伊德命名。Floyd 算法可以求出任意两个点之间最短路径，可以正确处理有向图或无向图或负权（但不可存在负权回路)的最短路径问题，同时也被用于计算有向图的传递闭包，时间复杂度是O(N3)，空间复杂度是O(N2)。

ROADM 网络为无向图 ，Floyd 算法适用于ROADM 网络的最短路径计算。

3.2 Floyd算法思路

Floyd 算法计算图G 各个顶点的最短路径时，引入矩阵D 和矩阵P。矩阵D 中的元素D[i][j]表示顶点i(第i 个顶点)到顶点j(第j个顶点)的距离。矩阵P中的元素P[i][j]，表示顶点i到顶点j经过了P[i][j]记录的值所表示的顶点。

假设图G 中顶点个数为N，则需要对矩阵D 和矩阵P 进行N次更新：

（1）初始值。矩阵D 中顶点D[i][j]的数值为顶点i 到顶点j 的距离，如果i 和j 不相邻，则D[i][j]=∞；矩阵P 的值为顶点P[i][j]的j值。在代码编写时，一般定义一个很大的常量代表∞。

（2）矩阵D、P 的N 次更新。引用变量k，其值为1～N。如果D[i][j]>D[i][k]+D[k][j]，则更新D[i][j]=D[i][k]+D[k][j]，更新P[i][j]=P[i][k]。更新n次后得到任意两顶点间的最短距离。

使用C语言实现Floyd算法如下：

4 ROADM业务路径策略算法实现

4.1 最短路径算法

ROADM 网络是以ROADM 节点为顶点的图G，ROADM 每个OMS 为图G 的边。使用Floyd 算法计算ROADM 网络任意两节点间最短路径时，G 图顶点对应ROADM节点，N即为ROADM节点数；矩阵D的各个元素为OMS长度，其中i为OMS的起点，j为OMS的终点；矩阵P的各个元素即为计算路径途经的ROADM节点，为更清晰地描绘路径信息，通常情况下会对每个OMS进行编码，因此矩阵P 的元素除了ROADM 节点信息外，还应包含OMS 编码信息。

依据上述对应关系，使用Floyd 算法，即可计算中ROADM网络任意两节点间的最短路由。

4.2 最优OSNR算法

根据ITU-TG.692建议，WDM系统光信道的信噪比（OSNR）的计算公式[5]为：

其中POUT是每信道的输出功率，单位为dBm；L是光放大器之间光纤段的损耗，单位为dB；NF是EDFA 的噪声指数，单位为dB；hv∆v0是光滤波器的带宽；N是链路中光纤段数。

假定WDM 系统所有光放段的损耗是相等的，则在1550nm 波长窗口，光滤波器带宽为0.1nm时，10 log[hv∆v0]=-58dBm，即得：

在实际WDM系统中，每个光放段的POUT、L、NF均有可能是不同的，变换公式后推导后得：

ROADM 网络每个OMS 的信噪比（OSNR）可以据此公式进行计算。其中每个光放段的POUT可以依据国标、行标或企标进行取定，L根据实际光缆的测试值并预留一定维护余量进行取定，NF可根据EDFA的技术水平进行取定。

假设一个业务穿通N 个OMS，业务全程的OSNR=58-10 log(T1+T2+…+Tn)，即

代入OMS信噪比（OSNR），即可求得业务全程OSNR。当全程OSNR小于标准要求的容限时，需要在中间节点设置电中继。

由上述公式可知，当T的总和越小，业务全程OSNR 值越大，业务的OSNR越优。因此参考Floyd算法的思路，使用OMS 的T 值替代OMS 的距离，再使用Floyd 算法，则可以计算出ROADM网络任意两节点间最优OSNR路由。

4.3 最少跳数算法

把ROADM 网络每个OMS 的距离设置为1，再使用Floyd 算法，即可计算出ROADM 网络任意两节点间的最少跳数路由。

5 ROADM业务规避策略算法实现

5.1 关联业务组

关联业务组在程序实现上是先根据路径策略（指：最短路径、最优OSNR、最少跳数，下同）计算出业务A路由。然后将A 路由所经过的OMS 断开，再利用路由策略计算业务B路由。

假设A 至F 的业务A 路由为A-D-F，在计算业务B 路由时需先断开AD、DF，再使用Floyd算法计算A至F的路径，即得业务B路由，如图5所示。

OMS 断开动作在程序实现上，当路由策略为最短路径时，设置相应OMS的距离为∞；当路由策略为最优OSNR时，设置相应OMS 的T 值为∞；当路由策略为最少跳数时，设置相应OMS的距离为∞。

5.2 业务必不经

业务必不经分OMS 必不经、节点必不经。在程序实现上，OMS必不经先断开相应OMS，节点必不经先断开与该节点相关的OMS，再根据路由策略计算出业务的路径。

假设A 至F 的业务要求必不经节点D，在计算业务路由时先断开AD、BD、CD、DE、DF，再使用Floyd算法计算A至F的路径，即得符合业务策略的路径，如图6所示。

5.3 业务必经

业务必经分OMS必经、节点必经两种。

在程序实现上，OMS 必经先根据路径策略计算业务起点至必经OMS 两个节点的路由，按策略要求保留符合条件的路由（记为路由A）及OMS 节点；再计算业务终点至必经OMS 另一节点的路由（记为路由B）。业务最终全程路由应为“路由A+OMS+路由B”。

节点必经在程序实现上同理，分别根据路由策略计算业务起点至必经节点路由、业务终点至必经节点路由，业务最终全程路由为两路由相加。

5.4 路径中间节点分离

关联业务组路径节点分离策略在程序实现上，先根据路径策略计算出业务A 路由，然后将A 路由所有中间节点找出，断开与这些节点相关的OMS，然后根据路由策略计算业务B路由。

假设A 至F 的业务A 路由为A-C-E-F，即其中间节点为C、E。在计算业务B路由时先断开AC、BC、CD、CE、DE、EF，再使用Floyd算法计算A至F的路径，即得到业务B路由，如图7所示。

6 结束语

ROADM网络在网络结构、组网方案、业务安排、业务开通等方面均与传统链状波分系统有很大的差别，在ROADM网络规划设计时，合理、高效的业务路由方案将更能发挥ROADM网络的各项优势。