OTN原理及關鍵技術

OTN原理及關鍵技術OTN原理及關鍵技術OTN原理及關鍵技術xxx公司OTN原理及關鍵技術文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度OTN技術1OTN產生的背景OTN（光傳送網(wǎng)，OpticalTransportNetwork），是以WDM為基礎、在光層組織網(wǎng)絡的傳送網(wǎng)，是下一代的骨干傳送網(wǎng)。眾所周知，傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)是基于語音業(yè)務而設計和優(yōu)化的，它提儀2M、155M業(yè)務的匯聚，具備分插復用、交叉連接、管理監(jiān)視以及自動保護倒換等功能。隨著寬帶業(yè)務的發(fā)展，特別是VOIP、VOD、IPTV對帶寬的巨大需求，原有傳送網(wǎng)越來越難以負擔對大顆粒業(yè)務高效率低成本傳送的需求，低的傳送效率和復雜的維護管理限制了WDM(波分復用)設備在城域光網(wǎng)絡的發(fā)展。1998年，國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（ITU-T）正式提出了OTN的概念。從其功能上看，OTN在子網(wǎng)內可以以全光形式傳輸，而在子網(wǎng)的邊界處采用光-電-光轉換。這樣，各個子網(wǎng)可以通過3R再生器聯(lián)接，從而構成一個大的光網(wǎng)絡，如圖1所示。因此，OTN可以看作是傳送網(wǎng)絡向全光網(wǎng)演化過程中的一個過渡應用。ITU-T在2002年發(fā)布（Interfacesfortheopticaltransportnetwork）協(xié)議。定義了OpticalTransportModuleofordern(OTMn)的以下需求:（1）光傳送體系OpticalTransportHierarchy(OTH)（2）支撐多波長傳輸網(wǎng)絡的開銷定義（3）幀結構（4）比特速率（5）各種映射方式OTN與SDH相比，OTN是面向傳送層的技術，特點是結構簡單，內嵌標準FEC，豐富的維護管理開銷，只有很少的時隙，只適用于大顆粒業(yè)務接入；SDH主要面向接入和匯聚層，結構較為復雜，有豐富的時隙，對于大小顆粒業(yè)務都適用，無FEC，維護管理開銷較為豐富。OTN設計的初衷就是希望將SDH作為凈荷完全封裝到OTN中，以彌補SDH在面向傳送層時的功能缺乏和維護管理開銷的不足。波分和OTN的關系是，WDM是面向傳送層的技術，而OTN實際也是更多關注傳送層功能的技術，所以OTN基本可以理解為是為WDM量身定制的技術。在標準中已經(jīng)提到，OMS層就是依靠WDM技術來實現(xiàn)的最初的WDM設備在信號結構上并沒有統(tǒng)一的標準，僅僅是將各種業(yè)務直接通過O-E-O實現(xiàn)非特定波長到特定波長的轉換。OTN標準發(fā)布后，由于其非常適合WDM的特點，而且有利于推進不同廠家波分設備的互連互通，所以迅速成為WDM設備的事實標準。OTN對于以太網(wǎng)的支持是，OTN在設計時是面向TDM業(yè)務的，對于數(shù)據(jù)業(yè)務的支持并沒有過多地考慮。數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展速度遠遠超過了TDM業(yè)務，OTN必須要考慮對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持。在現(xiàn)有技術條件下，OTN有兩種方式來支持數(shù)據(jù)業(yè)務：一種為通過GFP適配數(shù)據(jù)業(yè)務，例如多個GE通過GFP封裝后再封裝到OTN凈荷中，此方式適用于低速的GE業(yè)務；一種為采用更高速率的OTN幀（OverClock）將以太網(wǎng)直接作為凈荷封裝到OTN中，適用于高速以太網(wǎng)業(yè)務。例如10GELAN速率為，可以將其映射到的OTU2幀中實現(xiàn)完全透傳。2OTN的基本概念和特點OTN，通常也稱為OTH(OpticalTransportHierarchy)，是通過G．872、G．709、G．798等一系列ITu—T的建議所規(guī)范的新一代“數(shù)字傳送體系”和“光傳送體系”。從居于核心地位的G．709協(xié)議中可以看出，OTN跨越了傳統(tǒng)的電域(數(shù)字傳送)和光域(模擬傳送)，成為管理電域和光域的統(tǒng)一標準。從電域看，OTN保留了許多傳統(tǒng)數(shù)字傳送體系(SDH)行之有效的方面。同時，OTN擴展了新的能力和領域，如提供對更大顆粒的2．5G、10G、4oG業(yè)務的透明傳送的支持，通過異步映射同時支持業(yè)務和定時的透明傳送，對帶外FEc的支持，對多層、多域網(wǎng)絡連接監(jiān)視的支持等。從光域看，OTN第一次為波分復用系統(tǒng)提供了標準的物理接口，同時將光域劃分成0ch(光信道層)、OMS(光復用段層)、OTS(光傳送段層)三個子層，另外，為了解決客戶信號的數(shù)字監(jiān)視問題，光通道層又分為光通道傳送單元(OTUk)和光通道數(shù)據(jù)單元(ODUk)兩個子層，類似于SDH技術的段層和通道層。因此，從技術本質上而言，OTN技術是對已有的SDH和WDM的傳統(tǒng)優(yōu)勢進行了更為有效的繼承和組合，同時擴展了與業(yè)務傳送需求相適應的組網(wǎng)功能，而從設備類型上來看，OTN設備相當于SDH和WDM設備融合為一種設備，同時拓展了原有設備類型的優(yōu)勢功能。OTN的特點有：

（1）多種客戶信號封裝和透明傳輸基于的OTN幀結構可以支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，如SDH、ATM、以太網(wǎng)等。目前對SDH和ATM可實現(xiàn)標準封裝和透明傳送，但對不同速率的以太網(wǎng)的支持有所差異。為10GE業(yè)務實現(xiàn)不同程度的透明傳輸提供了補充建議，而對于GE、40GE、100GE以太網(wǎng)和專網(wǎng)業(yè)務光纖通道(FC)以及接入網(wǎng)業(yè)務吉比特無源光網(wǎng)絡(GPON)等，其到OTN幀中標準化的映射方式目前正在討論之中。（2）大顆粒調度和保護恢復OTN技術提供3種交叉顆粒，即ODU1（s）、ODU2（10Gbit/s）和ODU3（40Gbit/s）。高速率的交叉顆粒具有更高的交叉效率，使得設備更容易實現(xiàn)大的交叉連接能力，降低設備成本。經(jīng)過測算，基于OTN交叉設備的網(wǎng)絡投資將低于基于SDH交叉設備的網(wǎng)絡投資。在OTN大容量交叉的基礎上，通過引入ASON智能控制平面，可以提高光傳送網(wǎng)的保護恢復能力，改善網(wǎng)絡調度能力。（3）大顆粒的帶寬復用、交叉和配置OTN目前定義的電層帶寬顆粒為光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk,k=1,2,3)，即ODU1s)、ODU2(10Gbit/s)和ODU3(40Gbit/s)，光層的帶寬顆粒為波長，相對于SDH的VC-12/VC-4的調度顆粒，OTN復用、交叉和配置的顆粒明顯要大很多，對高帶寬數(shù)據(jù)客戶業(yè)務的適配和傳送效率顯著提升。OTN的交叉分為電交叉和光交叉。光交叉，例如ROADM，OXC。ROADM是波分設備采用的一種較為成熟的光交叉技術。利用現(xiàn)有技術，ROADM可以較為方便的實現(xiàn)4個光方向每個光方向40或80波的交叉，交叉容量或，預計將來可以很快支持8個光方向。它適用于大顆粒業(yè)務在現(xiàn)有技術條件下，大容量時成本明顯低于電交叉技術，在小容量時成本高于電交叉。傳輸距離可能受到色散，OSNR和非線性等光特性的限制，增加OTU中繼可以解決這個問題，但成本過高；電交叉，包括多種實現(xiàn)方式，例如基于SDHTSI時隙交換的交叉，基于ODU1的交叉容量低于光交叉，目前技術最大也就T比特量級支持子波長一級的交叉，適用于大顆粒和小顆粒業(yè)務，容量低時有成本優(yōu)勢，容量高時成本很高，O-E-O技術使得傳輸距離不受色散等光特性限制。（4）完善的性能和故障監(jiān)測能力目前基于SDH的WDM系統(tǒng)只能依賴SDH的B1和J0進行分段的性能和故障監(jiān)測。當一條業(yè)務通道跨越多個WDM系統(tǒng)時，無法實現(xiàn)端到端的性能和故障監(jiān)測，以及快速的故障定位。而OTN引入了豐富的開銷，具備完善的性能和故障監(jiān)測機制。OTUk層的段監(jiān)測字節(jié)（SM）可以對電再生段進性能和故障監(jiān)測；ODUk層的通道監(jiān)測字節(jié)（PM）可以對端到端的波長通道進行性能和故障監(jiān)測。從而使WDM系統(tǒng)具備類似SDH的性能和故障監(jiān)測能力。OTN還可以提供6級連接監(jiān)視功能（TCM），對于多運營商/多設備商/多子網(wǎng)環(huán)境，可以實現(xiàn)分級和分段管理。適當配置各級TCM，可以為端到端通道的性能和故障監(jiān)測提供有效的監(jiān)視手段，實現(xiàn)故障的快速定位。因此在WDM系統(tǒng)中引入OTN接口，可以實現(xiàn)對波長通道端到端的性能和故障監(jiān)測，而不需要依賴于所承載的業(yè)務信號（SDH/10GE等）的OAM機制。從而使基于OTN的WDM網(wǎng)絡成為一個具備OAM功能的獨立傳送網(wǎng)。（5）增強了組網(wǎng)和保護能力

通過OTN幀結構、ODUk交叉和多維度可重構光分插復用器(ROADM)的引入，大大增強了光傳送網(wǎng)的組網(wǎng)能力，改變了目前基于SDHVC-12/VC-4調度帶寬和WDM點到點提供大容量傳送帶寬的現(xiàn)狀。而采用前向糾錯(FEC)技術，顯著增加了光層傳輸?shù)木嚯x。為OTN幀結構定義了標準的帶外FEC糾錯算法，F(xiàn)EC校驗字節(jié)長達4×256字節(jié)，使用RS（255,239）算法，可以帶來最大（BER＝10-15）編碼增益，降低OSNR容限，延長電中繼距離，減少系統(tǒng)站點個數(shù)，降低建網(wǎng)成本。定義了非標準FEC，進一步提高了編碼增益，實現(xiàn)更長距離的傳送，但是因為多種編碼方式不能兼容，不利于不同廠家設備的對接，通常只能應用于IaDI接口互聯(lián)。另外，OTN將提供更為靈活的基于電層和光層的業(yè)務保護功能，如基于ODUk層的光子網(wǎng)連接保護(SNCP)和共享環(huán)網(wǎng)保護、基于光層的光通道或復用段保護等，但目前共享環(huán)網(wǎng)技術尚未標準化。

作為新型的傳送網(wǎng)絡技術，OTN并非盡善盡美。最典型的不足之處就是不支持s以下顆粒業(yè)務的映射與調度。另外，OTN標準最初制定時并沒有過多考慮以太網(wǎng)完全透明傳送的問題，導致目前通過超頻方式實現(xiàn)10GELAN業(yè)務比特透傳后，出現(xiàn)了與ODU2速率并不一致的ODU2e顆粒，40GE也面臨著同樣的問題。這使得OTN組網(wǎng)時可能出現(xiàn)一些業(yè)務透明度不夠或者傳送顆粒速率不匹配等互通問題。目前ITU-TSG15的相關研究組正在積極組織討論以解決OTN目前面臨的一些缺陷，例如提出新的ODU0/ODU4顆粒，定義高階ODU和低階ODU，定義基于多種帶寬顆粒的通用映射規(guī)程(GMP)等，以便逐漸建立兼容現(xiàn)有框架體系的新一代OTN(NG-OTN)網(wǎng)絡架構。同SDH傳送網(wǎng)一樣，光傳送網(wǎng)也有線形、星形、樹形、環(huán)形和網(wǎng)孔形五種網(wǎng)絡形式，使用波分復用終端設備、光分插復用設備(OADM)和光交叉連接設備（OXC），適用于接入網(wǎng)，城域網(wǎng)和干線網(wǎng)。光傳送網(wǎng)，同SDH傳送網(wǎng)一樣，采用I—TU—TG805建議所規(guī)范的術語、功能體系和圖表形式來定義光傳送網(wǎng)的功能。據(jù)此，可將光傳送網(wǎng)分為電路(客戶)層網(wǎng)絡、光通道層網(wǎng)絡、光復用段層網(wǎng)絡、光傳輸段層和媒介層網(wǎng)絡。電路（客戶）層網(wǎng)絡，將來自用戶的電信業(yè)務信號，轉換成為適合于在光傳送網(wǎng)中傳送的形式，反之亦然。光通道層具有光通道端到端聯(lián)網(wǎng)功能，透明轉換不同格式(如STM—N、PDH565Mbit／s、ATM信號、lP信號等)的來自電路層信號，不修改來自電路層的信號，但在光傳送網(wǎng)輸入／輸出處對電路層信號進行監(jiān)測和維護。在光傳送網(wǎng)發(fā)生故障時，電路(客戶)層網(wǎng)絡應能夠進行監(jiān)測，如同SDH網(wǎng)絡要有AIS監(jiān)測。光復用段層具有多波長f包括一個波長的情況)光信號聯(lián)網(wǎng)功能。光傳輸段層的主要功能是實現(xiàn)光信號在各種不同類型光傳輸媒介（如G652、G653和G655光纖）上傳送。物理媒介層網(wǎng)絡，由光纖類型決定，是光傳輸段層的服務者。3OTN的關鍵技術3．1各種業(yè)務信號的映射方式目前，在光傳送網(wǎng)中，常用的映射方式有：SDHoverOTN、ATMoverOTN和ATMoverSDHoverOTN。對于SDHoverOTN方式來講，它具有SDH本身所具備的0A&M功能，具有比較強的保護和恢復能力，可以在SDH的基礎上實現(xiàn)各種業(yè)務的綜合，可以按照波長根據(jù)發(fā)展需要進行擴容，缺點是各種業(yè)務信號在進入SDH后，缺乏像ATM那樣的QoS保證。對于ATMoverOTN方式來講，雖然它具有ATM和OTN方式的優(yōu)點，可以提供端到端QoS保證；但由于沒有SDH，加之OTN本身的限制，使得這種傳送方式缺乏足夠的保護和恢復能力及網(wǎng)管功能，進而使得這種方式和應用在現(xiàn)在受到了很大的限制。對于ATMoverSDHoverOTN方式來講，這種方式在目前技術發(fā)展情況下，是技術性能最完善的，但也是最復雜，最昂貴的。此外，還可以將以太網(wǎng)(GE)信號直接映射到OTN，這種方式可以使廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和局域網(wǎng)作到無縫連接，可大大簡化設備、降低成本，在小范圍內抖動與定時性能較好，但這種方式只有有限的故障檢測和性能管理功能，沒有保護倒換能力。將來光傳送網(wǎng)會采用ITU—TG．709建議所規(guī)范的數(shù)字包封(DigitalWrap—per)技術，解決各種信號的映射問題。這種技術不僅徹底解決了客戶層信號透明傳送及網(wǎng)絡邊緣處故障檢測和性能管理問題，而且還解決了光路性能監(jiān)視和光層保護和恢復指令傳送問題。另外，結合使用帶外FEC，可以明顯地改善系統(tǒng)的光信噪比。3．2傳輸技術對于光傳送網(wǎng)，WDM傳輸技術是比較合適的選擇。目前，擴展WDM傳輸系統(tǒng)容量的方法主要側重于以下三個方面，一個是提高每個通道的基礎速率，由2．5Gbit／s、10Gbit／s提高到40Gbit／s；另一方面，擴展使用波段，由c波段(1530～1565(nm))擴展至L波段(1565～1620nm))：最后，減少通道間隔，增加復用通道數(shù)，通道間隔由200GHz、100GHz減少到50GHz乃至25GHz；復用通道數(shù)由l6、32擴展至80、100甚至200個通道。與10Gbit／s速率相比，40Gbids基礎速率具有頻譜效率高，降低設備成本，減少網(wǎng)管系統(tǒng)復雜性等優(yōu)點，但在幀同步，特別是PMD補償方面的技術問題有待于解決。光傳送網(wǎng)使用兩種再生中繼方式，一種是全光再生中繼，這種形式在光通道層、光復用段和光傳輸段層均可使用。另一種再生中繼方式為光電變換再生中繼，這種形式僅允許在光通道層中使用。4OTN網(wǎng)絡的生存性為光傳送網(wǎng)OTN的分層結構作了定義，細分為光通路層（OCh），光復用段層（OMS）和光傳輸段層（OTS）。OCh層為各種數(shù)字化的用戶信號提供接口，它為透明的傳送SDH、PDH、ATM、IP等業(yè)務信號提供點到點的以光通路為基礎的組網(wǎng)功能；OMS層為經(jīng)DWDM復用的多波長信號提供組網(wǎng)功能；OTS層經(jīng)光接口與傳輸媒質相連，它提供在光介質上傳輸光信號的功能。OTN核心設備和業(yè)務的保護恢復的主要載體是光交叉連接設備OXC和光分插復用設備OADM，與SDH的最大區(qū)別在于SDH是基于時分復用的對時隙進行操作的“數(shù)字網(wǎng)絡”，而OTN處理的對象是光載波，也就是模擬的“頻率時隙”或“光通道波長”，是一個“模擬傳送網(wǎng)絡”。但是OTN和SDH網(wǎng)絡結構一樣也是面向連接的網(wǎng)絡，所使用的網(wǎng)絡技術和網(wǎng)絡單元極為相似，因此它們的保護恢復技術基本相似，主要有以下幾種；

①點到點的線路（光復用段OMS）保護倒換方案，其原理是當工作鏈路傳輸中斷或性能劣化到一定程度后，系統(tǒng)倒換設備將主信號自動轉至備用光纖系統(tǒng)來傳輸，從而使接收端仍能接收到正常的信號而感覺不到網(wǎng)絡已出現(xiàn)了故障。該保護方法只能保護傳輸鏈路，無法提供網(wǎng)絡節(jié)點的失效保護，因此主要適用于點到點應用的保護。a)(1:1)光層保護方式，是由一個備用保護系統(tǒng)和一個工作系統(tǒng)組成的保護網(wǎng)絡，系統(tǒng)的冗余度顯然為100％。這種設置方式通常用于低階Path和路由容量較低的系統(tǒng)之中；其收發(fā)端的發(fā)送機和接收機為成對設置，因而在無故障的情況下，可以用備用保護信道進行優(yōu)先級較低的通信，借以提高光纜系統(tǒng)的利用率,適用于端到端的保護和業(yè)務的保護。業(yè)務流量并不是被永久的橋接到工作和保護光纖上，相反，只有出現(xiàn)故障時，才在工作光纖和保護光纖之間進行一次切換。b)(1＋1)光鏈路保護方式，是由一個備用保護系統(tǒng)與一個工作系統(tǒng)組成的保護網(wǎng)絡，與１:１方式不同的是采用了單方向工作的方式，即收發(fā)信機本身不設備份，但發(fā)射機同時要與主備兩個傳輸系統(tǒng)相連，而接收機則要根據(jù)主備通道的質量情況，選擇其中之一作為工作信道，并在沒有任何故障返回信令的情況下，獨立完成保護切換的功能，只能對鏈路故障中的業(yè)務進行保護。這種方法是利用光濾波器來橋接光信號，并把同樣的兩路信號分別送入方向相反的工作光纖和保護光纖的通道中。保護倒換完全是在光域實現(xiàn)。當遇到單一的鏈路故障時，在接收端的光開關便把線路切換到保護光纖。由于在這里沒有電層的復制和操作，所以除了當發(fā)射機和接收機發(fā)生故障時會丟失業(yè)務外，一切鏈路故障都可以恢復。

c)(1:N)光層保護結構與（1:1）的保護結構相類似。然而在這里，N個工作實體共享同一個保護光纖。如果有多條工作光纖斷裂，那么只有其中的一條所承載的流量可以恢復。最先恢復的是具有最高優(yōu)先級的故障。d)M:N方式，資源共享的保護方式，通常采用通道保護方式。是由ｍ個備用保護系統(tǒng)和ｎ個工作系統(tǒng)組成的復用段保護網(wǎng)絡；當接收機檢出故障以后，需將故障報警信息返回到發(fā)射機端，才能實現(xiàn)主備段的保護切換。

②核心傳輸網(wǎng)DWDM的自愈環(huán)網(wǎng)保護恢復技術－自愈環(huán)網(wǎng)SHR(SelfHealingRing)就是無需人為干預，利用網(wǎng)絡具有發(fā)現(xiàn)替代傳輸路由并重新建立通信的能力，在極短的時間內從失效的故障中自動恢復所攜帶的業(yè)務的環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)APS保護方式，包括兩纖單向環(huán)、兩纖雙向環(huán)和四纖雙向環(huán)。在環(huán)網(wǎng)中又分復用段保護和通道共享保護，是利用環(huán)網(wǎng)的特殊結構來實施的一種保護方式，屬于對資源的保護?；谕ǖ赖箵Q的環(huán)是一種單向的通道保護環(huán)（UPPR）結構，而基于線路倒換的環(huán)被稱為SPRING結構。5OTN技術發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的大力驅動和OTN技術的日益成熟，采用OTN技術構建更為高效和可靠的傳送網(wǎng)是OTN技術必然的發(fā)展結果?，F(xiàn)有城域核心層及干線的SDH網(wǎng)絡適合傳送的主要為TDM業(yè)務，而目前迅猛增加的主要為具備統(tǒng)計特性的數(shù)據(jù)業(yè)務，因此在這些網(wǎng)絡層面后續(xù)的網(wǎng)絡建設不可能大規(guī)模新建SDH網(wǎng)絡，但WDM網(wǎng)絡的規(guī)模建設和擴容不可避免，可IP業(yè)務通過POS或者以太網(wǎng)接口直接上載到現(xiàn)有WDM網(wǎng)絡將面臨組網(wǎng)、保護和維護管理等方面的缺陷。鑒于此，基于現(xiàn)有WDM系統(tǒng)的已有網(wǎng)絡，條件具備時可根據(jù)需求逐步升級為支持開銷的維護管理功能，而對于現(xiàn)有WDM系統(tǒng)新建或擴容的傳送網(wǎng)絡，在省去SDH網(wǎng)絡層面以后，至少應支持基于開銷的維護管理功能和基于光層的保護倒換功能，也就是說，OTN網(wǎng)絡替代了SDH網(wǎng)絡相應的功能。WDM網(wǎng)絡則應逐漸升級過渡到OTN網(wǎng)絡，而基于OTN技術的組網(wǎng)則應逐漸占據(jù)傳送網(wǎng)主導地位。國外運營商對傳送網(wǎng)絡的OTN接口的支持能力已提出明顯需求，而實際的網(wǎng)絡應用當中則以ROADM設備類型為主，這主要與網(wǎng)絡管理維護成本和組網(wǎng)規(guī)模等因素密切相關。國內運營商對OTN技術的發(fā)展和應用也頗為關注，從2007年開始，中國電信集團、中國網(wǎng)通集團和中國移動集團等已經(jīng)或者正在開展OTN技術的應用研究與測試驗證，而且部分省內或城域網(wǎng)絡也局部部署