[通信前沿] G.709 光传送网(OTN)的基本应用 [复制链接]

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发表于 2006-10-9 13:40:00 |显示全部楼层

摘要：本文从产品开发者的角度对G.709光传送网（OTN）的基本应用和对其新一代传送网所具有的优势进行了论述。
关键词：G.709OTN
1.引言
随着网络业务对带宽的需求越来越大，运营商和系统制造商一直在不断地考虑改进业务传送技术的问题。
数字传送网的演化也从最初的基于T1/E1的第一代数字传送网，经历了基于SONET/SDH的第二代数字传送网，发展到了目前以OTN为基础的第三代数字传送网。第一、二代传送网最初是为支持话音业务而专门设计的，虽然也可用来传送数据和图像业务，但是传送效率并不高。相比之下，第三代传送网技术，从设计上就支持话音、数据和图像业务，配合其他协议时可支持带宽按需分配（BOD）、可裁剪的服务质量（QoS）及光虚拟转网（OVPN）等功能。
1998年，国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）正式提出了OTN的概念。从其功能上看，OTN在子网内可以以全光形式传输，而在子网的边界处采用光-电-光转换。这样，各个子网可以通过3R再生器联接，从而构成一个大的光网络，如图1所示。因此，OTN可以看作是传送网络向全光网演化过程中的一个过渡应用。

在OTN的功能描述中，光信号是由波长（或中心波长）来表征。光信号的处理可以基于单个波长，或基于一个波分复用组。（基于其他光复用技术，如时分复用，光时分复用，或光码分复用的OTN，还有待研究。）OTN在光域内可以实现业务信号的传递、复用、路由选择、监控，并保证其性能要求和生存性。OTN可以支持多种上层业务或协议，如SONET/SDH，ATM，Ethernet，IP，PDH，FibreChannel，GFP，MPLS，OTN虚级联，ODU复用等，是未来网络演进的理想基础。全球范围内越来越多的运营商开始构造基于OTN的新一代传送网络，系统制造商们也推出具有更多OTN功能的产品来支持下一代传送网络的构建。
在OTN应用的初期，运营商和系统制造商更多地关注OTN作为传输层所具有的功能，本文也仅从传输层的角度来讨论OTN的结构和功能。对于结构和映射基于ITU-TG.709的OTN，我们经常称之为G.709OTN.ITU-T 制定了一系列的建议来规范和促进OTN的发展，表1列出了ITU-T 关于OTN的一些建议。

2.G.709OTN信息结构 (information structure)
G.709定义了两种光传送模块（OTM-n），一种是完全功能光传送模块（OTM-n.m），另一种是简化功能光传送模块（OTM-0.m，OTM-nr.m），如图2和图3所示。

OTM-n.m定义了OTN透明域内接口，而OTM-nr.m定义了OTN透明域间接口。这里m表示接口所能支持的信号速率类型或组合，n表示接口传送系统允许的最低速率信号时所能支持的最多光波长数目。当n为0时，OTM-nr.m即演变为OTM-0.m，这时物理接口只是单个无特定频率的光波。
从客户业务适配到光通道层（OCh），信号的处理都是在电域内进行，包含业务负荷的映射复用、OTN开销的插入，这部分信号处理处于时分复用（TDM）的范围。从光通道层（OCh）到光传输段（OTS），信号的处理是在光域内进行，包含光信号的复用、放大及光监控通道（OOS/OSC）的加入，这部分信号处理处于波分复用（WDM）的范围。
G.959.1定义了简化功能光传送模块的物理接口，分别是单跨距单波长接口（OTM-0.1/2.5G，OTM-0.2/10G和OTM-0.3/40G）及单跨距16波长接口（OTM-16r.1/2.5G，OTM-16r.2/10G），物理接口的标准化使得域间互通成为可能。完全功能光传送模块（OTM-n.m）尚没有统一的标准，因为这种接口定义在光透明域内部，一般是同一设备商所提供的网元组成的网络，而设备制造商通常有自己的物理层工程规范包括传输技术、光学参数、波长数目等指标。另外，不同设备制造商使用不同的OSC信息结构，及光通道传送单元（OTUk[V]），这使得不同设备制造商的设备难以在完全功能光传送模块这一层上互通。
在纯粹的波分复用传送系统中，客户业务的封装及G.709OTN开销插入一般都是在波长转换盘上（OpticalTranslationUnit）完成的，这些过程包含图2或图3中的从Client 层到OCh（r）层的处理。输入信号是以电接口或光接口接入的客户业务，输出是具有G.709 OTUk[V]帧格式的WDM波长。OTUk称为完全标准化的光通道传送单元，而OTUkV则是功能标准化的光通道传送单元。G.709对OTUk的帧格式有明确的定义，如图4所示：

需要指出的是，对于不同速率的G.709OTUk信号，即OTU1，OTU2，和OTU3具有相同的帧尺寸，即都是4´4080个字节，但每帧的周期是不同的，这跟SDH的STM-N帧不同。SDHSTM-N帧周期均为125微妙，不同速率的信号其帧的大小是不同的。G.709已经定义了OTU1，OTU2和OTU3的速率，关于OTU4速率的制定还在进行中，尚未最终确定。如表2所示：

当G.709OTN信号经过OTN网络节点接口（NNI）或OTN用户－网络接口（UNI）时，OTN的开销就应当被适当终结和再生，图5显示了G.709 OTN信号通过OTN NNI时开销字节的终结情况。标明绿色的字节是透传的开销。标明红色的字节是需要终结和再生的开销。标明黄色的是基于协商而决定终结或透传的开销。标明蓝色的EXP字节是用于自用目的的开销，G.709对其不加以标准化，用户或网络运营商可自行决定如何在自己网络内部运用这个开销，这个开销字节有可能在NNI被覆盖。标明兰绿两色的是跟串连监控（TCM）相关的开销（下面会谈到），根据配置决定终结或透过。

当G.709OTN信号通过OTNUNI时，FTFL（故障类型及故障地点）字节也要终结和再生，其余字节的处理跟信号通过NNI时相同。当非G.709 OTN信号如客户10GbE LAN 信号通过UNI时，则所有的OTN开销及FEC都必须终结。
对G.709OTN承载客户业务如Ethernet、ATM和SDH信号的最基本应用中，至少以下开销字节需要处理：
□OPUkClient Specific，用来存放速率调整控制字节或虚级联开销字节。
□OPUkPayload Structure Identifier (PSI) ，用来监测客户信号类型或负荷结构是否与预期的一致。
□ODUkPath Monitoring (PM) ，用来监测通道层的踪迹字节（TTI）、负荷误码（BIP-8）、远端误码指示（BEI）、反向缺陷指示（BDI）及判断当前信号是否是维护信号（ODUk-LCK，ODUk-OCI，ODUk-AIS）等。
□OTUkSection Monitoring (SM)，用来监测段层的踪迹字节（TTI）、误码（BIP-8）、远端误码指示（BEI）及反向缺陷指示（BDI）等。
□FrameAlignment (FAS, MFAS)，帧及复帧定位开销字节。
3.为什么应用G.709OTN
G.709OTN作为新一代数字传送网，它究竟能带来哪些益处呢？
1.G.709OTN的透明传送能力
需要业务透明传输的应用越来越多。大部分运营商之间的业务希望能够透传，如移动运营商的业务，来自于其他国家运营商的过境业务，或大的因特网服务提供商的业务。一些数据业务比较集中的大企业客户也希望业务透明传输。用G.709OTN可以做到以下几方面的业务透明传输：
□比特透明。例如，当客户信号如SDH/SONET通过OTN传输的时候，除客户信号负荷以外，其开销字节可保持不变（尽管几乎所有的OTN芯片都支持客户信号开销字节的修改），客户信号的完整性得到保持。
□定时（Timing）透明。当对恒定速率的客户信号以比特同步映射入OTN帧时，产生的OTN线路信号与客户信号具有相同的定时特性，并将定时特性向下游传送并在解映射时提取出原来的定时信息。即使恒定速率客户信号以异步映射模式被映射入OTN帧，其定时特性通过OTN帧内调整控制字节（JustificationControl Byte）而得以保留，在远端客户信号在解映射时，通过参考OTN帧内调整控制字节，可以将定时信息在一定程度上恢复。
2.支持多种客户信号的封装传送。
今天的网络运营商为了减少在各种业务网络上的运营成本和不必要的投资成本，不得不开始考虑网络融合（Convergence）。每一个网络运营商都试图用尽量少的基础设施来提供尽量多的业务类型。为尽快取得投资回报，传统电信运营商也正试图把居民宽带接入、大企业的数据及视频接入业务集成到已有的语音业务网络中。
G.709OTN帧可以支持多种客户信号的映射，如SDH/SONET，ATM，GFP，虚级联，ODU复用信号，以及自定义速率数据流。这就使得G.709可以传送这些信号格式或以这些信号为载体的更高层次的客户信号如以太网、MPLS、光纤通道、HDLC/PPP、PRP、IP、MPLS、FICON、ESCON及DVBASI视频信号等，这就使得不同应用的客户业务都可统一到一个传送平台上去。更重要的是，G.709OTN是目前业界是唯一的能在IP/以太网交换机和路由器间全速传送10G 以太网业务的传送平台。在目前迅速向以IP/以太网为基础业务架构的演化中，G.709 OTN也越来越成为网络运营商的首选的传送平台。
另外，G.709OTN甚至还具有跟SDH类似的虚级联功能，并能支持LCAS。当然，因为G.709OTN的最低速率是2.5G（OTU1），目前还没有多少业务需要这么大的粒度来做高效地传送，当下一代100G的以太网开始应用时，G.709OTN的虚级联功能可以得到很好的发挥了。
3.交叉连接的可升级性
自从80年代中期以传送语音业务为最初目的的SONET/SDH/SONET数字传送技术开始应用以来，以VC-11/VC-12作为低阶交叉粒度直接支持T1/E1语音信号，而以VC-3/VC-4作为高阶交叉粒度实现对业务工程管理（TrafficEngineering），更高比特率的交叉粒度还没有出现。而今单路数字信号速率已经发展到了40Gbps，例如要实现四个10G SDH支路信号到一路40G SDH线路信号的复用，即使用高阶交叉粒度如VC-4来实现交叉连接，也需要对256个VC-4进行处理。这种复用方案不仅使得硬件设计复杂，而且管理和操作也是一个很大的负担。但OTN为这个例子提供了简单得多的方案，每个10G SDH信号先映射入OTN ODU2中，然后四个ODU2复成一个ODU3，就可以在线路传输了。过程相对比较简单，管理操作也容易得多。
4.强大的带外前向纠错功能（FEC）
FEC已经被证明在信噪比受限及色散受限的系统中对提高传输性能是非常有效的，因此传送系统的投资成本也被相应地降低了。FEC降低了信号接收端对入射信号的信噪比的要求。因为在光传输中，光信噪比（OSNR）是个比较容易测量的指标，所以经常以OSNR要求的改善来衡量FEC的效果。总之，FEC带来的好处是：
□增加了最大单跨距距离或是跨距的数目，因而可以延长信号的总传输距离。应用FEC加多种放大方案（包括高级拉曼放大，EDFA及遥泵等），技术上已经可以实现16波10G信号传输300公里的距离。
□在一个光放输出总功率有限的情况下，可以通过降低每通道光功率来增加光通道数。在线性条件下，降低了单通道光功率也即降低了信号到达通道接收端的OSNR降低了，而FEC又抵消了这个OSNR的降低，使业务仍然以无误码传输。
□FEC的出现降低了对器件指标和系统配置的要求。FEC在一定程度上也弥补了信号在传输过程中所经历的损伤所带来的代价。例如当信号经过ROADM或OXC节点的时候，信号经历了比较大的衰减，并增加了一些色散。或当信号的路由在动态变化的时候，不同的路径所带来的信号损伤会有不同，FEC的使用也提高了信号对路径变化的容忍度。
FEC带来的传输性能的改善可以用一个简单的例子加以说明。图6中显示了一个单跨距衰减相同，OA（EDFA）增益及噪声性能相同的单波或多波传送系统。

运用G.692中所提到的经验公式（见图6），假定单通道入纤光功率（Pch）为3.5dBm，每个光放的噪声指数（NF）为6dB，每个跨距损耗（Lspan）为24dB（80km）假设传输是线性的并且传输中色散得到最佳分布补偿，忽略通道间的相互干扰以及通道内的噪声积累，计算得到的传送距离：
□对普通的无FEC功能的10GSDH信号来说，假定接收端需要的OSNR为26dB，计算得到最远传送距离为3.55span´80km/span=284km。
□对具有FEC功能的10G信号来说，假定接收端需要的OSNR为17dB，计算得到的最大传输距离为28.2span´80km/span=2240km。
例中的非整数跨距数只是为了给出一个参考性的结果。由此可以看出接收端OSNR要求的不同，导致了系统传送距离的巨大不同。
虽然第二代数字传送网SDH已经支持了前向纠错功能（利用了段开销中的P1和Q1字节，因而是带内FEC），由于SDH帧内存储FEC纠错功能的字节数有限，即便私有开发的（Proprietary）FEC编码所起的作用也是有限的，因而SDH的带内FEC有时也称为弱（Weak）FEC，理论及测试显示，SDH带内FEC打开时在误码率为10-15的水平上比FEC关掉时能提供4dB左右的OSNR净编码增益。OTN的一大特点就是具有很强的前向纠错功能。G.709在完全标准化的光通道传输单元（OTUk）中使用了Reed-SolomonRS (255,239)（简称RS-FEC）算法的FEC，并在每个OTUk帧中使用4´256个字节的空间来存放FEC计算信息。RS-FEC在G.975中定义，最初是应用在海底光缆传送应用中，其能在误码率为10-15的水平上提供超过6dB的OSNR净编码增益。同时，G.709在功能标准化的光传送单元（OTUkV）中也支持私有的FEC编码。通常私有的FEC编码比标准的RS-FEC编码具有更强的纠错能力，私有FEC编码有可能使用更多的开销字节存放它们，因而使线路速率增加。不同的私有FEC编码方式可能具有不同的名称，有的叫增强FEC（简称E-FEC），有的叫超级FEC（G.975.1中也定义了一种超级FEC）。私有FEC的应用，使得系统传送能力有了进一步的提高。为兼容性起见，G.709 OTN信号处理芯片一般都同时支持标准的RS-FEC和私有FEC编码方式。图7显示了一种10G OTN 信号（OTU2 [V] ）处理芯片在测试中在不同FEC工作状态下的典型的误码纠错性能，其中入射光功率为-17dBm。结果显示，RS-FEC在误码率为10-15时的OSNR净编码增益约为6dB，E-FEC在误码率为10-15时的OSNR净编码增益约为8dB。测试中使用了商用的Transonder作为光收发器件，由于光学性能的差异及接收端阈值判断点调整能力的不同，使用不同厂家的Transponder测出的FEC编码增益会有一定程度的差别，一些测试结果显示E-FEC的OSNR净编码增益可高达9dB以上。E-FEC的使用，可以使原高达10-3的误码在小于10dB的OSNR情况下，降至10-15以下，可以用来传送电信级业务。考虑到系统的老化和处于恶劣工作环境下传输性能的劣化，在系统铺设时可以考虑加上合理的OSNR余量，比如在使用E-FEC时，可以增加7～8dB的OSNR的余量（即OSNR为17～18dB），以保证系统在整个生命周期内其误码率维持在10-15以下。

FEC检测并纠错的功能使得它可以用来作数字性能监测（DigitalPerformanceMonitoring）。当然，私有FEC的使用也带来了一些小小的不便。不同系统制造商采取的私有FEC格式可能不同，因此不同制造商的设备的传送信号不能互通，好在G.709OTN芯片基本上都支持带有RS-FEC的OTU2标准帧结构，不同厂商设备可在此平面上实现阈间互通。第二，如果私有FEC的支持会带来线路速率的变化，那么硬件设计上就应需要增加相应的时钟源。第三，由于私有FEC为达到更好的纠错效果而大多采用多次迭代解码，客户信号通过FEC处理芯片的时延（Latency）就会增长。RS-FEC解码时引起的时延在十几个微秒左右，测试中观察到前面提到的那种E-FEC引起的时延比RS-FEC可平均增加20微秒左右（收发共40微秒左右）。这个时间尺度对传统的语音业务不会有显著影响，但对一些实时性要求比较强的数据业务、自动保护切换、告警指示信号的产生，就需要加以考虑，尤其是在业务传送链路上有多处FEC编解码时（如在光电再生节点）。最后，对于私有FEC，解码过程中每多一次迭代，都需会更多的功耗，即便采用微米以下的半导体工艺，多次迭代解码使FEC处理芯片所需的功耗可达瓦的量级。
5.串连监控（TandemConnectionMonitoring）
为了便于监测OTN信号跨越多个光学网络时的传输性能，ODUk的开销提供了多达6级的串连监控TCM1-6。TCM1-6字节类似于PM开销字节，用来监测每一级的踪迹字节（TTI）、负荷误码（BIP-8）、远端误码指示（BEI）、反向缺陷指示（BDI）及判断当前信号是否是维护信号（ODUk-LCK，ODUk-OCI，ODUk-AIS）等。
这6个串连监控功能可以以堆叠或嵌套的方式实现，从而允许ODU连接在跨越多个光学网络或管理域时实现任意段的监控。图8给出了应用了4级串连监控的例子。

G.709OTN串连监测的功能，可以做到：
qUNI到UNI之间的串连监测。可以监测经过公共传送网的ODUk连接的传输情况（从公共网络的入点到出点）。
qNNI到NNI之间的串连监测。可以监测经过一个网络运营商的网络的ODUk连接的传输情况（从这个网络运营商的网络的入点到出点）
q基于串连监测所探测到的信号失效或信号裂化，可以在子网内部触发1＋1，1：1或1：n等各种方式的光通道线性保护切换。
q基于串连监测所探测到的信号失效或信号裂化，也可实现光通道共享保护环的保护切换。
q运用串连监测功能可用来进行故障定位，及业务质量（QoS）的确认。
6.丰富的维护信号（MaintenanceSignal）
G.709OTN提供了丰富的维护信号用以进行故障隔离和告警抑制，极大地减轻了系统维护的负担。在图9所示的例子中，客户信号经过3R再生并由G.709OTN承载网传送至远端目的地，并从G.709OTN承载网解映射然后经过3R进入客户设备。这是一个典型的传送网的部分结构，其中的XC有可能是纯光交叉连接，如果传输距离受限的话，也可以先做3R再生再作光交叉连接。
如果在光传送途中发生了光纤断开事故，如图中所示，光纤内传输的每一路光通道都发生了信号丢失（LOS）。如果下游网元就每一路光通道信号丢失都向网管系统报告一个信号丢失告警，那么对于长途密集波分复用传送系统来说，网管系统处理告警的负担是非常重的，而且对同一个原因导致的信号失效，各个网元会重复告警。
在G.709OTN网络中，如在图中所示的地方发生了光纤断开事故，下游第一个再生网元（Repeater）就向下游在光传送段（OTS）发送OTS-PM信号，在光复用段（OMS）发送OMS-PM维护信号。在光复用段终结后，OMS-PM维护信号转变为光通道层OCh-FDI维护信号。在光通道层3R再生时，OCH-FDI维护信号转化为ODUk-AIS维护信号。这样对于一个光纤断开事件，最终可以只上报一个告警给网管系统，光纤断裂处下游的告警均可用维护信号抑制了。