G.709 光傳送網(wǎng)（OTN）的基本應用

朗訊科技光網(wǎng)絡 秦元東
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摘要：本文從產(chǎn)品開發(fā)者的角度對G.709光傳送網(wǎng)（OTN）的基本應用和對其新一代傳送網(wǎng)所具有的優(yōu)勢進行了論述。
關鍵詞：G.709 OTN

1. 引言
隨著網(wǎng)絡業(yè)務對帶寬的需求越來越大，運營商和系統(tǒng)制造商一直在不斷地考慮改進業(yè)務傳送技術的問題。數(shù)字傳送網(wǎng)的演化也從最初的基于T1/E1的第一代數(shù)字傳送網(wǎng)，經(jīng)歷了基于SONET/SDH的第二代數(shù)字傳送網(wǎng)，發(fā)展到了目前以OTN為基礎的第三代數(shù)字傳送網(wǎng)。第一、二代傳送網(wǎng)最初是為支持話音業(yè)務而專門設計的，雖然也可用來傳送數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務，但是傳送效率并不高。相比之下，第三代傳送網(wǎng)技術，從設計上就支持話音、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務，配合其他協(xié)議時可支持帶寬按需分配（BOD）、可裁剪的服務質量（QoS）及光虛擬轉網(wǎng)（OVPN）等功能。

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。

 

在OTN的功能描述中，光信號是由波長（或中心波長）來表征。光信號的處理可以基于單個波長，或基于一個波分復用組。（基于其他光復用技術，如時分復用，光時分復用，或光碼分復用的OTN，還有待研究。）OTN在光域內可以實現(xiàn)業(yè)務信號的傳遞、復用、路由選擇、監(jiān)控，并保證其性能要求和生存性。OTN可以支持多種上層業(yè)務或協(xié)議，如SONET/SDH，ATM，Ethernet，IP，PDH，F(xiàn)ibre Channel，GFP，MPLS，OTN虛級聯(lián)，ODU復用等，是未來網(wǎng)絡演進的理想基礎。全球范圍內越來越多的運營商開始構造基于OTN的新一代傳送網(wǎng)絡，系統(tǒng)制造商們也推出具有更多OTN功能的產(chǎn)品來支持下一代傳送網(wǎng)絡的構建。

在OTN應用的初期，運營商和系統(tǒng)制造商更多地關注OTN作為傳輸層所具有的功能，本文也僅從傳輸層的角度來討論OTN的結構和功能。對于結構和映射基于ITU-T G.709的OTN，我們經(jīng)常稱之為G.709 OTN. ITU-T 制定了一系列的建議來規(guī)范和促進OTN的發(fā)展，表1列出了ITU-T 關于OTN的一些建議。

2. G.709 OTN 信息結構 (information structure)
G.709定義了兩種光傳送模塊（OTM-n），一種是完全功能光傳送模塊（OTM-n.m），另一種是簡化功能光傳送模塊（OTM-0.m，OTM-nr.m），如圖2和圖3所示。

 


OTM-n.m定義了OTN透明域內接口，而OTM-nr.m定義了OTN透明域間接口。這里m表示接口所能支持的信號速率類型或組合，n表示接口傳送系統(tǒng)允許的最低速率信號時所能支持的最多光波長數(shù)目。當n為0時，OTM-nr.m即演變?yōu)镺TM-0.m，這時物理接口只是單個無特定頻率的光波。

從客戶業(yè)務適配到光通道層（OCh），信號的處理都是在電域內進行，包含業(yè)務負荷的映射復用、OTN開銷的插入，這部分信號處理處于時分復用（TDM）的范圍。從光通道層（OCh）到光傳輸段（OTS），信號的處理是在光域內進行，包含光信號的復用、放大及光監(jiān)控通道（OOS/OSC）的加入，這部分信號處理處于波分復用（WDM）的范圍。

G.959.1定義了簡化功能光傳送模塊的物理接口，分別是單跨距單波長接口（OTM-0.1/2.5G，OTM-0.2/10G和OTM-0.3/40G）及單跨距16波長接口（OTM-16r.1/2.5G，OTM-16r.2/10G），物理接口的標準化使得域間互通成為可能。完全功能光傳送模塊（OTM-n.m）尚沒有統(tǒng)一的標準，因為這種接口定義在光透明域內部，一般是同一設備商所提供的網(wǎng)元組成的網(wǎng)絡，而設備制造商通常有自己的物理層工程規(guī)范包括傳輸技術、光學參數(shù)、波長數(shù)目等指標。另外，不同設備制造商使用不同的OSC信息結構，及光通道傳送單元（OTUk[V]），這使得不同設備制造商的設備難以在完全功能光傳送模塊這一層上互通。

在純粹的波分復用傳送系統(tǒng)中，客戶業(yè)務的封裝及G.709 OTN開銷插入一般都是在波長轉換盤上（Optical Translation Unit）完成的，這些過程包含圖2或圖3中的從Client 層到OCh（r）層的處理。輸入信號是以電接口或光接口接入的客戶業(yè)務，輸出是具有G.709 OTUk[V]幀格式的WDM波長。OTUk稱為完全標準化的光通道傳送單元，而OTUkV則是功能標準化的光通道傳送單元。G.709對OTUk的幀格式有明確的定義，如圖4所示：
 

需要指出的是，對于不同速率的G.709 OTUk 信號，即OTU1，OTU2，和OTU3具有相同的幀尺寸，即都是4´4080個字節(jié)，但每幀的周期是不同的，這跟SDH的STM-N幀不同。SDH STM-N幀周期均為125微妙，不同速率的信號其幀的大小是不同的。G.709已經(jīng)定義了OTU1，OTU2和OTU3的速率，關于OTU4速率的制定還在進行中，尚未最終確定。如表2所示：

當G.709 OTN 信號經(jīng)過OTN網(wǎng)絡節(jié)點接口（NNI）或OTN用戶－網(wǎng)絡接口（UNI）時， OTN的開銷就應當被適當終結和再生，圖5顯示了G.709 OTN信號通過OTN NNI時開銷字節(jié)的終結情況。標明綠色的字節(jié)是透傳的開銷。標明紅色的字節(jié)是需要終結和再生的開銷。標明黃色的是基于協(xié)商而決定終結或透傳的開銷。標明藍色的EXP字節(jié)是用于自用目的的開銷，G.709對其不加以標準化，用戶或網(wǎng)絡運營商可自行決定如何在自己網(wǎng)絡內部運用這個開銷，這個開銷字節(jié)有可能在NNI被覆蓋。標明蘭綠兩色的是跟串連監(jiān)控（TCM）相關的開銷（下面會談到），根據(jù)配置決定終結或透過。

當G.709 OTN 信號通過OTN UNI時，F(xiàn)TFL（故障類型及故障地點）字節(jié)也要終結和再生，其余字節(jié)的處理跟信號通過NNI時相同。當非G.709 OTN信號如客戶10GbE LAN 信號通過UNI時，則所有的OTN開銷及FEC都必須終結。

對G.709 OTN 承載客戶業(yè)務如Ethernet、ATM和SDH信號的最基本應用中，至少以下開銷字節(jié)需要處理：

     □ OPUk Client Specific，用來存放速率調整控制字節(jié)或虛級聯(lián)開銷字節(jié)。
     □ OPUk Payload Structure Identifier (PSI) ，用來監(jiān)測客戶信號類型或負荷結構是否與預期的一致。
     □ ODUk Path Monitoring (PM) ，用來監(jiān)測通道層的蹤跡字節(jié)（TTI）、負荷誤碼（BIP-8）、遠端誤碼指示（BEI）、反向缺陷指示（BDI）及判斷當前信號是否是維護信號（ODUk-LCK，ODUk-OCI，ODUk-AIS）等。
     □ OTUk Section Monitoring (SM)， 用來監(jiān)測段層的蹤跡字節(jié)（TTI）、誤碼（BIP-8）、遠端誤碼指示（BEI）及反向缺陷指示（BDI）等。
     □ Frame Alignment (FAS, MFAS)，幀及復幀定位開銷字節(jié)。

3. 為什么應用G.709 OTN

        G.709 OTN作為新一代數(shù)字傳送網(wǎng)，它究竟能帶來哪些益處呢？

1. G.709 OTN的透明傳送能力

需要業(yè)務透明傳輸?shù)膽�用越來越多。大部分運營商之間的業(yè)務希望能夠透傳，如移動運營商的業(yè)務，來自于其他國家運營商的過境業(yè)務，或大的因特網(wǎng)服務提供商的業(yè)務。一些數(shù)據(jù)業(yè)務比較集中的大企業(yè)客戶也希望業(yè)務透明傳輸。用 G.709 OTN可以做到以下幾方面的業(yè)務透明傳輸：
     □ 比特透明。例如，當客戶信號如SDH/SONET通過OTN傳輸?shù)臅r候，除客戶信號負荷以外，其開銷字節(jié)可保持不變（盡管幾乎所有的OTN芯片都支持客戶信號開銷字節(jié)的修改），客戶信號的完整性得到保持。
     □ 定時（Timing）透明。當對恒定速率的客戶信號以比特同步映射入OTN幀時，產(chǎn)生的OTN線路信號與客戶信號具有相同的定時特性，并將定時特性向下游傳送并在解映射時提取出原來的定時信息。即使恒定速率客戶信號以異步映射模式被映射入OTN幀，其定時特性通過OTN幀內調整控制字節(jié)（Justification Control Byte）而得以保留，在遠端客戶信號在解映射時，通過參考OTN幀內調整控制字節(jié)，可以將定時信息在一定程度上恢復。

2. 支持多種客戶信號的封裝傳送。

今天的網(wǎng)絡運營商為了減少在各種業(yè)務網(wǎng)絡上的運營成本和不必要的投資成本，不得不開始考慮網(wǎng)絡融合（Convergence）。每一個網(wǎng)絡運營商都試圖用盡量少的基礎設施來提供盡量多的業(yè)務類型。為盡快取得投資回報，傳統(tǒng)電信運營商也正試圖把居民寬帶接入、大企業(yè)的數(shù)據(jù)及視頻接入業(yè)務集成到已有的語音業(yè)務網(wǎng)絡中。

G.709 OTN幀可以支持多種客戶信號的映射，如SDH/SONET，ATM，GFP，虛級聯(lián)，ODU復用信號，以及自定義速率數(shù)據(jù)流。這就使得G.709可以傳送這些信號格式或以這些信號為載體的更高層次的客戶信號如以太網(wǎng)、MPLS、光纖通道、HDLC/PPP、PRP、IP、MPLS、FICON、ESCON及DVB ASI視頻信號等，這就使得不同應用的客戶業(yè)務都可統(tǒng)一到一個傳送平臺上去。更重要的是，G.709 OTN是目前業(yè)界是唯一的能在IP/以太網(wǎng)交換機和路由器間全速傳送10G 以太網(wǎng)業(yè)務的傳送平臺。在目前迅速向以IP/以太網(wǎng)為基礎業(yè)務架構的演化中，G.709 OTN也越來越成為網(wǎng)絡運營商的首選的傳送平臺。

另外，G.709 OTN甚至還具有跟SDH類似的虛級聯(lián)功能，并能支持LCAS。當然，因為G.709 OTN的最低速率是2.5G（OTU1），目前還沒有多少業(yè)務需要這么大的粒度來做高效地傳送，當下一代100G的以太網(wǎng)開始應用時，G.709 OTN的虛級聯(lián)功能可以得到很好的發(fā)揮了。

3. 交叉連接的可升級性

自從80年代中期以傳送語音業(yè)務為最初目的的SONET/ SDH/SONET數(shù)字傳送技術開始應用以來，以VC-11/VC-12 作為低階交叉粒度直接支持T1/E1語音信號，而以VC-3/VC-4作為高階交叉粒度實現(xiàn)對業(yè)務工程管理（Traffic Engineering），更高比特率的交叉粒度還沒有出現(xiàn)。而今單路數(shù)字信號速率已經(jīng)發(fā)展到了40Gbps，例如要實現(xiàn)四個10G SDH支路信號到一路40G SDH線路信號的復用，即使用高階交叉粒度如VC-4來實現(xiàn)交叉連接，也需要對256個VC-4進行處理。這種復用方案不僅使得硬件設計復雜，而且管理和操作也是一個很大的負擔。但OTN為這個例子提供了簡單得多的方案，每個10G SDH信號先映射入OTN ODU2中，然后四個ODU2復成一個ODU3，就可以在線路傳輸了。過程相對比較簡單，管理操作也容易得多。

4. 強大的帶外前向糾錯功能（FEC）

FEC已經(jīng)被證明在信噪比受限及色散受限的系統(tǒng)中對提高傳輸性能是非常有效的，因此傳送系統(tǒng)的投資成本也被相應地降低了。FEC降低了信號接收端對入射信號的信噪比的要求。因為在光傳輸中，光信噪比（OSNR）是個比較容易測量的指標，所以經(jīng)常以OSNR要求的改善來衡量FEC的效果�？傊�，F(xiàn)EC帶來的好處是：
□ 增加了最大單跨距距離或是跨距的數(shù)目，因而可以延長信號的總傳輸距離。應用FEC加多種放大方案（包括高級拉曼放大，EDFA及遙泵等），技術上已經(jīng)可以實現(xiàn)16波10G 信號傳輸300公里的距離。
□ 在一個光放輸出總功率有限的情況下，可以通過降低每通道光功率來增加光通道數(shù)。在線性條件下，降低了單通道光功率也即降低了信號到達通道接收端的OSNR降低了，而FEC又抵消了這個OSNR的降低，使業(yè)務仍然以無誤碼傳輸。
□ FEC的出現(xiàn)降低了對器件指標和系統(tǒng)配置的要求。FEC在一定程度上也彌補了信號在傳輸過程中所經(jīng)歷的損傷所帶來的代價。例如當信號經(jīng)過ROADM或OXC節(jié)點的時候，信號經(jīng)歷了比較大的衰減，并增加了一些色散�；虍斝盘柕穆酚稍趧討B(tài)變化的時候，不同的路徑所帶來的信號損傷會有不同，F(xiàn)EC的使用也提高了信號對路徑變化的容忍度。

FEC帶來的傳輸性能的改善可以用一個簡單的例子加以說明。圖6中顯示了一個單跨距衰減相同，OA（EDFA）增益及噪聲性能相同的單波或多波傳送系統(tǒng)。

運用G.692中所提到的經(jīng)驗公式（見圖6），假定單通道入纖光功率（ Pch）為3.5dBm，每個光放的噪聲指數(shù)（NF）為6dB，每個跨距損耗（Lspan）為24dB（80km）假設傳輸是線性的并且傳輸中色散得到最佳分布補償，忽略通道間的相互干擾以及通道內的噪聲積累，計算得到的傳送距離：
□ 對普通的無FEC功能的10G SDH信號來說，假定接收端需要的OSNR為26dB，計算得到最遠傳送距離為3.55span´80 km/span=284km。
□ 對具有FEC功能的10G 信號來說，假定接收端需要的OSNR為17dB，計算得到的最大傳輸距離為28.2span´80km/span=2240km。

例中的非整數(shù)跨距數(shù)只是為了給出一個參考性的結果。由此可以看出接收端OSNR要求的不同，導致了系統(tǒng)傳送距離的巨大不同。

雖然第二代數(shù)字傳送網(wǎng)SDH已經(jīng)支持了前向糾錯功能（利用了段開銷中的P1和Q1字節(jié)，因而是帶內FEC），由于SDH幀內存儲FEC糾錯功能的字節(jié)數(shù)有限，即便私有開發(fā)的（Proprietary ）FEC編碼所起的作用也是有限的，因而SDH的帶內FEC有時也稱為弱（Weak）FEC，理論及測試顯示，SDH帶內FEC打開時在誤碼率為10-15的水平上比FEC關掉時能提供4dB左右的OSNR凈編碼增益。OTN的一大特點就是具有很強的前向糾錯功能。G.709在完全標準化的光通道傳輸單元（OTUk）中使用了 Reed-Solomon RS (255,239)（簡稱RS-FEC）算法的FEC，并在每個OTUk幀中使用4´256個字節(jié)的空間來存放FEC計算信息。RS-FEC在G.975中定義，最初是應用在海底光纜傳送應用中，其能在誤碼率為10-15的水平上提供超過6dB的OSNR凈編碼增益。同時，G.709在功能標準化的光傳送單元（OTUkV）中也支持私有的FEC編碼。通常私有的FEC編碼比標準的RS-FEC編碼具有更強的糾錯能力，私有FEC編碼有可能使用更多的開銷字節(jié)存放它們，因而使線路速率增加。不同的私有FEC編碼方式可能具有不同的名稱，有的叫增強FEC（簡稱E-FEC），有的叫超級FEC（G.975.1中也定義了一種超級FEC）。私有FEC的應用，使得系統(tǒng)傳送能力有了進一步的提高。為兼容性起見，G.709 OTN信號處理芯片一般都同時支持標準的RS-FEC和私有FEC編碼方式。圖7顯示了一種10G OTN 信號（OTU2 [V] ）處理芯片在測試中在不同F(xiàn)EC工作狀態(tài)下的典型的誤碼糾錯性能，其中入射光功率為-17dBm。結果顯示，RS-FEC在誤碼率為10-15時的OSNR凈編碼增益約為6dB，E-FEC在誤碼率為10-15時的OSNR凈編碼增益約為8dB。測試中使用了商用的Transonder作為光收發(fā)器件，由于光學性能的差異及接收端閾值判斷點調整能力的不同，使用不同廠家的Transponder測出的FEC編碼增益會有一定程度的差別，一些測試結果顯示E-FEC的OSNR凈編碼增益可高達9dB以上。E-FEC的使用，可以使原高達10-3的誤碼在小于10dB的OSNR情況下，降至10-15以下，可以用來傳送電信級業(yè)務。考慮到系統(tǒng)的老化和處于惡劣工作環(huán)境下傳輸性能的劣化，在系統(tǒng)鋪設時可以考慮加上合理的OSNR余量，比如在使用E-FEC時，可以增加7～8dB的OSNR的余量（即OSNR為17～18dB），以保證系統(tǒng)在整個生命周期內其誤碼率維持在10-15以下。

 

FEC檢測并糾錯的功能使得它可以用來作數(shù)字性能監(jiān)測（Digital Performance Monitoring）。

當然，私有FEC的使用也帶來了一些小小的不便。不同系統(tǒng)制造商采取的私有FEC格式可能不同，因此不同制造商的設備的傳送信號不能互通，好在G.709 OTN芯片基本上都支持帶有RS-FEC的OTU2標準幀結構，不同廠商設備可在此平面上實現(xiàn)閾間互通。第二，如果私有FEC的支持會帶來線路速率的變化，那么硬件設計上就應需要增加相應的時鐘源。第三，由于私有FEC為達到更好的糾錯效果而大多采用多次迭代解碼，客戶信號通過FEC處理芯片的時延（Latency）就會增長。RS-FEC解碼時引起的時延在十幾個微秒左右，測試中觀察到前面提到的那種E-FEC引起的時延比RS-FEC可平均增加20微秒左右（收發(fā)共40微秒左右）。這個時間尺度對傳統(tǒng)的語音業(yè)務不會有顯著影響，但對一些實時性要求比較強的數(shù)據(jù)業(yè)務、自動保護切換、告警指示信號的產(chǎn)生，就需要加以考慮，尤其是在業(yè)務傳送鏈路上有多處FEC編解碼時（如在光電再生節(jié)點）。最后，對于私有FEC，解碼過程中每多一次迭代，都需會更多的功耗，即便采用微米以下的半導體工藝，多次迭代解碼使FEC處理芯片所需的功耗可達瓦的量級。

5. 串連監(jiān)控（Tandem Connection Monitoring）

為了便于監(jiān)測OTN信號跨越多個光學網(wǎng)絡時的傳輸性能，ODUk的開銷提供了多達6級的串連監(jiān)控TCM1-6。TCM1-6字節(jié)類似于PM開銷字節(jié)，用來監(jiān)測每一級的蹤跡字節(jié)（TTI）、負荷誤碼（BIP-8）、遠端誤碼指示（BEI）、反向缺陷指示（BDI）及判斷當前信號是否是維護信號（ODUk-LCK，ODUk-OCI，ODUk-AIS）等。

這6個串連監(jiān)控功能可以以堆疊或嵌套的方式實現(xiàn)，從而允許ODU連接在跨越多個光學網(wǎng)絡或管理域時實現(xiàn)任意段的監(jiān)控。圖8給出了應用了4級串連監(jiān)控的例子。

 
G.709 OTN 串連監(jiān)測的功能，可以做到：
q UNI到UNI之間的串連監(jiān)測�？梢员O(jiān)測經(jīng)過公共傳送網(wǎng)的ODUk連接的傳輸情況（從公共網(wǎng)絡的入點到出點）。
q NNI到NNI之間的串連監(jiān)測�？梢员O(jiān)測經(jīng)過一個網(wǎng)絡運營商的網(wǎng)絡的ODUk連接的傳輸情況（從這個網(wǎng)絡運營商的網(wǎng)絡的入點到出點）
q 基于串連監(jiān)測所探測到的信號失效或信號裂化，可以在子網(wǎng)內部觸發(fā)1＋1，1：1或1：n等各種方式的光通道線性保護切換。
q 基于串連監(jiān)測所探測到的信號失效或信號裂化，也可實現(xiàn)光通道共享保護環(huán)的保護切換。
q 運用串連監(jiān)測功能可用來進行故障定位，及業(yè)務質量（QoS）的確認。

6. 豐富的維護信號（Maintenance Signal）

G.709 OTN提供了豐富的維護信號用以進行故障隔離和告警抑制，極大地減輕了系統(tǒng)維護的負擔。在圖9所示的例子中，客戶信號經(jīng)過3R再生并由G.709 OTN承載網(wǎng)傳送至遠端目的地，并從G.709 OTN承載網(wǎng)解映射然后經(jīng)過3R進入客戶設備。這是一個典型的傳送網(wǎng)的部分結構，其中的XC有可能是純光交叉連接，如果傳輸距離受限的話，也可以先做3R再生再作光交叉連接。

如果在光傳送途中發(fā)生了光纖斷開事故，如圖中所示，光纖內傳輸?shù)拿恳宦饭馔ǖ蓝及l(fā)生了信號丟失（LOS）。如果下游網(wǎng)元就每一路光通道信號丟失都向網(wǎng)管系統(tǒng)報告一個信號丟失告警，那么對于長途密集波分復用傳送系統(tǒng)來說，網(wǎng)管系統(tǒng)處理告警的負擔是非常重的，而且對同一個原因導致的信號失效，各個網(wǎng)元會重復告警。

在G.709 OTN 網(wǎng)絡中，如在圖中所示的地方發(fā)生了光纖斷開事故，下游第一個再生網(wǎng)元（Repeater）就向下游在光傳送段（OTS）發(fā)送OTS-PM信號，在光復用段（OMS）發(fā)送OMS-PM維護信號。在光復用段終結后，OMS-PM維護信號轉變?yōu)楣馔ǖ缹覱Ch-FDI維護信號。在光通道層3R再生時，OCH-FDI維護信號轉化為ODUk-AIS維護信號。這樣對于一個光纖斷開事件，最終可以只上報一個告警給網(wǎng)管系統(tǒng)，光纖斷裂處下游的告警均可用維護信號抑制了。

4. 結束語
從以上論述來看，G.709 OTN作為新一代的傳送平臺是非常值得關注的。目前，世界上比較大的美國和歐洲網(wǎng)絡運營商如Verizon，德國電信等，都已經(jīng)建立了G.709 OTN 網(wǎng)絡作為新一代的傳送平臺。