OTN原理及关键技术

1、OTN技术1 OTN产生的背景OTN (光传送网，Optical Transport Network),是以 WDM 为基础、在光层 组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。众所周知，传统的传送网是基于语 音业务而设计和优化的，它提仪 2M 155M业务的汇聚，具备分插复用、交叉连 接、管理监视以及自动保护倒换等功能。随着宽带业务的发展，特别是 VOIR VOD IPTV对带宽的巨大需求，原有传送网越来越难以负担对大颗粒业务高效率 低成本传送的需求，低的传送效率和复杂的维护管理限制了 WDM(分复用)设备 在城域光网络的发展。数字传送网的演化从最初的基于 T1/E1的第一代数字传送 网，经历了

2、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)及光虚拟专网(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

3、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。ITU-T 在 2002 年发布 G709 (Interfaces for the optical transport network) 协议。G709 定义了 Optical Transport Module of order n (OTMn)的以下需求：(1)光传送体系 Optical Transport Hierarchy (OTH)(2)支撑多波长传输网络的开销定义(3)帧结构(4)比特速率(5)各种映射方式OTN与SDH相比，OTN是面向传送层的技术，特点是结构简单，嵌标准 FEC,丰富的维护管理开销，只有很少

4、的时隙，只适用于大颗粒业务接入；SDH主要面向接入和汇聚层，结构较为复杂，有丰富的时隙，对于大小颗粒业务都适 用，无FEC,维护管理开销较为丰富。OTN设计的初衷就是希望将SDH作为净荷完全封装到OTN中，以弥补SDH在面向传送层时的功能缺乏和维护管理开销 的不足。波分和OTN的关系是，WDM是面向传送层的技术，而 OTN实际也是 更多关注传送层功能的技术，所以 OTN基本可以理解为是为 WDM量身定制的 技术。在G.709标准中已经提到，OMS层就是依靠 WDM技术来实现的 最初的WDM设备在信号结构上并没有统一的标准，仅仅是将各种业务直接通过 O-E-O实现非特定波长到特定波长的转换。OT

5、N标准发布后，由于其非常适合 WDM的特点，而且有利于推进不同厂家波分设备的互连互通，所以迅速成为 WDM设备的事实标准。OTN对于以太网的支持是，OTN在设计时是面向TDM 业务的，对于数据业务的支持并没有过多地考虑。数据业务的发展速度远远超过了 TDM业务，OTN必须要考虑对数据业务的支持。在现有技术条件下，OTN有两种方式来支持数据业务：一种为通过 GFP适配数据业务，例如多个 GE通 过GFP封装后再封装到OTN净荷中，此方式适用于低速的 GE业务；一种为采 用更高速率的OTN帧（Over Clock）将以太网直接作为净荷封装到 OTN中，适 用于高速以太网业务。例如 10GE LAN

6、速率为10.3125Gbp6可以将其映射到 11.1Gbps的OTU2帧中实现完全透传。OTN的基本概念和特点OTN,通常也称为 OTH （Optical Transport Hierarchy）,是通过 G. 872、G. 709、 G. 798等一系列ITuT的建议所规的新一代“数字传送体系”和“光传送体系”。 从居于核心地位的G. 709协议中可以看出，OT滥越了传统的电域（数字传送）和 光域（模拟传送），成为管理电域和光域的统一标准。从电域看，OT眠留了许多传统数字传送体系（SDH亍之有效的方面。同时，OTIT展了新的能力和领域，如 提供对更大颗粒的2. 5G 10G 4oG务的透明传

7、送的支持，通过异步映射同时 支持业务和定时的透明传送，对带外FE由勺支持，对多层、多域网络连接监视的 支持等。从光域看，OTN第一次为波分复用系统提供了标准的物理接口，同时将光域划分成0cM光信道层）、OMS代复用段层）、OTS优传送段层）三个子层，另 外，为了解决客户信号的数字监视问题，光通道层又分为光通道传送单元（OTUk） 和光通道数据单元（ODUk）两个子层，类似于SDK术的段层和通道层。因此，从 技术本质上而言，OTK术是对已有的SDH5WDM传统优势进行了更为有效的继承和组合，同时扩展了与业务传送需求相适应的组网功能， 而从设备类型上来看， OTN设备相当于SDIWWDM备融合为一

8、种设备，同时拓展了原有设备类型的优势 功能。OTN的特点有：(1)多种客户信号封装和透明传输基于ITU-TG.709的OTNM结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输， 如SDH ATM以太网等。目前对 SDH和ATM可实现标准封装和透明传送，但对 不同速率的以太网的支持有所差异。ITU-TG.sup43为10GE务实现不同程度的 透明传输提供了补充建议，而对于GE 40GE 100GE以太网和专网业务光纤通道 (FC)以及接入网业务吉比特无源光网络(GPON等，其到OTNM中标准化的映射方 式目前正在讨论之中。(2)大颗粒调度和保护恢复OTN 技术提供 3 种交叉颗粒，即 ODU1 (2.5

9、Gbit/s)、ODU2 (10Gbit/s)和 ODU3 (40Gbit/s)o高速率的交叉颗粒具有更高的交叉效率，使得设备更容易实 现大的交叉连接能力，降低设备成本。经过测算，基于OTN交叉设备的网络投资将低于基于SDH交叉设备的网络投资。在OTN大容量交叉的基础上，通过引 入ASON智能控制平面，可以提高光传送网的保护恢复能力，改善网络调度能 力。(3)大颗粒的带宽复用、交叉和配置OTN目前定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元(ODUk,k=1,2,3),即ODU1(2.5Gbit/s)、ODU2(10Gbit/s)和 ODU3(40Gbit/s),光层的带宽颗粒为波长， 相对于SDH的V

10、C-12/VC-4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要 大很多，对高带宽数据客户业务的适配和传送效率显著提升。OTN 的交叉分为电交叉和光交叉。光交叉，例如 ROADM , OXC。ROADM 是波分设备采用的一种较为成熟的光交叉技术。利用现有技术，ROADM可以较 为方便的实现4个光方向每个光方向40或80波的交叉，交叉容量1.6T或3.2T, 预计将来可以很快支持8个光方向。它适用于大颗粒业务在现有技术条件下， 大 容量时成本明显低于电交叉技术，在小容量时成本高于电交叉。传输距离可能受到色散，OSNR和非线性等光特性的限制，增加 OTU中继可以解决这个问题， 但成本过高；电交叉，

11、包括多种实现方式，例如基于SDH TSI时隙交换的交叉，基于ODU1的交叉容量低于光交叉，目前技术最大也就T比特量级支持子波长一级的交叉，适用于大颗粒和小颗粒业务，容量低时有成本优势，容量高时成本 很高，O-E-O技术使得传输距离不受色散等光特性限制。（4）完善的性能和故障监测能力目前基于SDH的WDM系统只能依赖SDH的B1和J0进行分段的性能和故 障监测。当一条业务通道跨越多个 WDM系统时，无法实现端到端的性能和故障 监测，以及快速的故障定位。而OTN引入了丰富的开销，具备完善的性能和故障监测机制。OTUk层的段监测字节（SM）可以对电再生段进性能和故障监测；ODUk层的通道监测字节（P

12、M）可以对端到端的波长通道进 行性能和故障监测。从而使 WDM系统具备类似SDH的性能和故障监测能力。OTN还可以提供6级连接监视功能（TCM）,对于多运营商/多设备商/多子 网环境，可以实现分级和分段管理。适当配置各级TCM,可以为端到端通道的性能和故障监测提供有效的监视手段，实现故障的快速定位。因此在WDM系统中引入OTN接口，可以实现对波长通道端到端的性能和 故障监测，而不需要依赖于所承载的业务信号（SDH/10GE等）的OAM机制。 从而使基于OTN的WDM网络成为一个具备OAM功能的独立传送网。（5）增强了组网和保护能力通过OTNM结构、ODU皮叉和多维度可重构光分插复用器（ROAD

13、M15引入， 大大增强了光传送网的组网能力，改变了目前基于SDHVC-12/VC-4调度带宽和WDMK到点提供大容量传送带宽白现状。而采用前向纠错 （FEC）技术，显著增加 了光层传输的距离。G709为OTN帧结构定义了标准的带外FEC纠错算法，FEC 校验字节长达4X256字节，使用RS （255,239）算法，可以带来最大6.2dB （ BER = 10-15）编码增益，降低OSNR容限，延长电中继距离，减少系统站点个数， 降低建网成本。G975.1定义了非标准FEC,进一步提高了编码增益，实现更长 距离的传送，但是因为多种编码方式不能兼容， 不利于不同厂家设备的对接，通 常只能应用于Ia

14、DI接口互联。另外，OTN等提供更为灵活的基于电层和光层的业 务保护功能，如基于ODUkg的光子网连接保护（SNCP和共享环网保护、基于光 层的光通道或复用段保护等，但目前共享环网技术尚未标准化。作为新型的传送网络技术，OTN非尽善尽美。最典型的不足之处就是不支 持2.5GEt/s以下颗粒业务的映射与调度。另外，OTNB准最初制定时并没有过 多考虑以太网完全透明传送的问题，导致目前通过超频方式实现10GELANlk务比 特透传后，出现了与ODU2a率并不一致的ODU2颗粒,40GE也面临着同样的问 题。这使得OTNfi网时可能出现一些业务透明度不够或者传送颗粒速率不匹配等 互通问题。目前ITU

15、-TSG15的相关研究组正在积极组织讨论以解决 OTN目前面临 的一些缺陷，例如提出新的 ODU0/ODU颗粒，定义高阶ODUffi低阶ODU定义基 于多种带宽颗粒的通用映射规程（GMP痔，以便逐渐建立兼容现有框架体系的新 一代 OTN（NG-OTNI络架构。同SD能送网一样，光传送网也有线形、星形、树形、环形和网孔形五种网 络形式，使用波分复用终端设备、光分插复用设备 （OADM和光交叉连接设备 （OXC ,适用于接入网，城域网和干线网。光传送网，同 SD喉送网一样，采用 I -TU-T G805建议所规的术语、功能体系和图表形式来定义光传送网的功能。 据此，可将光传送网分为电路（客户）层网

16、络、光通道层网络、光复用段层网络、 光传输段层和媒介层网络。电路（客户）层网络，将来自用户的电信业务信号， 转换成为适合于在光传送网中传送的形式，反之亦然。光通道层具有光通道端到端联网功能，透明转换不同格式 （如STM-N、PDH 565Mbit/s、ATMS号、lP信号等）的来自电路层信号，不修改来自电路层的信号， 但在光传送网输入/输出处对电路层信号进行监测和维护。在光传送网发生故 障时，电路（客户）层网络应能够进行监测，如同SDHI络要有AIS监测。光复用段 层具有多波长f包括一个波长的情况）光信号联网功能。光传输段层的主要功能是 实现光信号在各种不同类型光传输媒介（如 G652 G65

17、前G65就纤）上传送。 物理媒介层网络，由光纤类型决定，是光传输段层的服务者。OTN的关键技术1各种业务信号的映射方式目前，在光传送网中，常用的映射方式有： SDH over OTN、ATM over OTN 和ATM over SDH over OTN。对于SDH over OTN方式来讲，它具有SDK身所具 备的0A&M功能，具有比较强的保护和恢复能力， 可以在SDH的基础上实现各种 业务的综合，可以按照波长根据发展需要进行扩容， 缺点是各种业务信号在进入 SDH后，缺乏像ATM那样的QoS保证。对于ATM over OTN方式来讲，虽然它具 有ATM和OTN方式的优点，可以提供端到端 Q

18、oS保证；但由于没有SDH ,加之 OTN本身的限制，使得这种传送方式缺乏足够的保护和恢复能力及网管功能，进而使得这种方式和应用在现在受到了很大的限制。对于ATM over SDH over OTN方式来讲，这种方式在目前技术发展情况下，是技术性能最完善的，但也是最复 杂，最昂贵的。止匕外，还可以将以太网(GE)信号直接映射到OTN,这种方式可 以使广域网、城域网和局域网作到无缝连接，可大大简化设备、降低成本，在小 围抖动与定时性能较好，但这种方式只有有限的故障检测和性能管理功能，没有保护倒换能力。将来光传送网会采用ITUTG 709建议所规的数字包封(Digital Wrap per)技 术

19、，解决各种信号的映射问题。这种技术不仅彻底解决了客户层信号透明传送及 网络边缘处故障检测和性能管理问题，而且还解决了光路性能监视和光层保护和 恢复指令传送问题。另外，结合使用带外FEC可以明显地改善系统的光信噪比。2传输技术对于光传送网，WDM输技术是比较合适的选择。目前，扩展WDM输系统容 量的方法主要侧重于以下三个方面，一个是提高每个通道的基础速率，由2.5Gbit /s、10Gbit/s提高到40Gbit/s；另一方面，扩展使用波段，由c波段(1530 1565(nm)扩展至L波段(15651620 nm):最后，减少通道间隔，增加复用通道 数，通道间隔由200GHz 100GH减少到5

20、0GHz5至25GHz复用通道数由l6、32 扩展至80、100甚至200个通道。与10Gbit/s速率相比，40Gbids基础速率具有频 谱效率高，降低设备成本，减少网管系统复杂性等优点，但在帧同步，特别是PMD 补偿方面的技术问题有待于解决。 光传送网使用两种再生中继方式，一种是全光另一种再生再生中继，这种形式在光通道层、光复用段和光传输段层均可使用 中继方式为光电变换再生中继，这种形式仅允许在光通道层中使用OTN网络的生存性G.872为光传送网OTN的分层结构作了定义，细分为光通路层（OCh）, 光复用段层（OMS）和光传输段层（OTS）。OCh层为各种数字化的用户信号 提供接口，它为透

21、明的传送SDH PDH ATM IP等业务信号提供点到点的以光通 路为基础的组网功能；OMS为经DWDM1用的多波长信号提供组网功能；OTS 层经光接口与传输媒质相连，它提供在光介质上传输光信号的功能。OTN核心设备和业务的保护恢复的主要载体是光交叉连接设备OXC和光分插复用设备OADM ,与SDH的最大区别在于SDH是基于时分复用的对时隙进行操作的“数 字网络，而OTN处理的对象是光载波，也就是模拟的“频率时隙”或“光通 道波长”，是一个“模拟传送网络”。但是OTN和SDH网络结构一样也是面向 连接的网络，所使用的网络技术和网络单元极为相似， 因此它们的保护恢复技术 基本相似，主要有以下几种

22、； 点到点的线路（光复用段OMS）保护倒换方案，其原理是当工作链路传 输中断或性能劣化到一定程度后，系统倒换设备将主信号自动转至备用光纤系统 来传输，从而使接收端仍能接收到正常的信号而感觉不到网络已出现了故障。该保护方法只能保护传输链路，无法提供网络节点的失效保护，因此主要适用于点 到点应用的保护。（1:1）光层保护方式，是由一个备用保护系统和一个工作系统组成的保护 网络，系统的冗余度显然为100%。这种设置方式通常用于低阶 Path和路由容 量较低的系统之中；其收发端的发送机和接收机为成对设置，因而在无故障的情 况下，可以用备用保护信道进行优先级较低的通信， 借以提高光缆系统的利用率， 适用

23、于端到端的保护和业务的保护。业务流量并不是被永久的桥接到工作和保护 光纤上，相反，只有出现故障时，才在工作光纤和保护光纤之间进行一次切换。（1 +1）光链路保护方式，是由一个备用保护系统与一个工作系统组成的 保护网络，与1 : 1方式不同的是采用了单方向工作的方式，即收发信机本身不 设备份，但发射机同时要与主备两个传输系统相连， 而接收机则要根据主备通道 的质量情况，选择其中之一作为工作信道，并在没有任何故障返回信令的情况下， 独立完成保护切换的功能，只能对链路故障中的业务进行保护。 这种方法是利用 光滤波器来桥接光信号，并把同样的两路信号分别送入方向相反的工作光纤和保 护光纤的通道中。保护倒

24、换完全是在光域实现。当遇到单一的链路故障时，在接 收端的光开关便把线路切换到保护光纤。 由于在这里没有电层的复制和操作，所 以除了当发射机和接收机发生故障时会丢失业务外，一切链路故障都可以恢复。(1: N)光层保护结构与(1:1)的保护结构相类似。然而在这里，N个工作实体共享同一个保护光纤。如果有多条工作光纤断裂，那么只有其中的一条 所承载的流量可以恢复。最先恢复的是具有最高优先级的故障。M:N方式，资源共享的保护方式，通常采用通道保护方式。是由m个备 用保护系统和n个工作系统组成的复用段保护网络；当接收机检出故障以后，需将故障报警信息返回到发射机端，才能实现主备段的保护切换。 核心传输网 D

25、WDM的自愈环网保护恢复技术自愈环网SHR(SelfHealing Ring)就是无需人为干预，利用网络具有发现替代传输路由并重新建立通 信的能力，在极短的时间从失效的故障中自动恢复所携带的业务的环网。环网 APS保护方式，包括两纤单向环、两纤双向环和四纤双向环。 在环网中又分复用 段保护和通道共享保护，是利用环网的特殊结构来实施的一种保护方式，属于对资源的保护。基于通道倒换的环是一种单向的通道保护环( UPPR)结构，而基 于线路倒换的环被称为SPRING结构。5 OTN技术发展现状及发展趋势随着宽带数据业务的大力驱动和 OTN技术的日益成熟，采用OTN技术构 建更为高效和可靠的传送网是 O

26、TN技术必然的发展结果。现有城域核心层及干 线的SDH网络适合传送的主要为TDM业务，而目前迅猛增加的主要为具备统 计特性的数据业务，因此在这些网络层面后续的网络建设不可能大规模新建 SDH网络，但WDM网络的规模建设和扩容不可避免， 可IP业务通过POS或者 以太网接口直接上载到现有WDM网络将面临组网、保护和维护管理等方面的缺 陷。鉴于此，基于现有WDM系统的已有网络，条件具备时可根据需求逐步升级 为支持G709开销的维护管理功能，而对于现有WDM系统新建或扩容的传送网络，在省去SDH网络层面以后，至少应支持基于 G.709开销的维护管理功能和 基于光层的保护倒换功能，也就是说，OTN网络替代了 SDH网络相应的功能。 WDM网络则应逐渐升级过渡到 OTN网络，而基于OTN技术的组网则应逐渐占 据传送网主导地位。国外运营商对传送网络的 OTNg 的支持能力已提出明显需求，而实际的网络应用当中则以 ROAD成备类型为主，这主要与网络管理维护 成本和组网规模等因素密切相关。国运营商对 OTNft术的发展和应用也颇为关 注，从2007年开始，中国电信集团、中国网通集团和中国移动集团等已经或者 正在开展OTNK术的应用研究与测试验证，而且部分省或城域网络也局部部署了 基于OT