光傳送網OTN技術的特點及應用

1引言

20世紀80年代末，同步數字體系（SDH/SONET）問世，SDH在歷史上第一次實現了全球統一的傳送網標準，規范了光接口，而且定義了對光信號質量的監控、故障定位和遠程配置等重要的網絡管理功能。SDH很快進入了實用化階段，在國際上和在我國已得到了廣泛的應用，成為信息高速公路的重要支柱之一。但是，在光域，SDH主要起傳輸煤質的作用，信息的處理都是在電域完成的，這不僅需要龐大的光/電、電/光變換設備，而且處理速度受到電子遷移率的限制。在DWDM極大地增加了傳輸容量的情況下，交換節點的速率瓶頸已日趨嚴重。另外，隨著數據業務的爆炸式的增長，基于電路交換的SDH/SONET已不能完全適應網絡發展的需求，光網絡有進一步發展的迫切要求。

光波分復用（WDM）技術進一步挖掘了光纖的帶寬潛力，極大地增加了光纖的傳輸容量，同時也為光層的聯網提供了可能。ITU-T提出的光傳送網（OTN）以波長（也可以是波帶或光纖）作為交換粒度，通過光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）實現組網，形成具有高度靈活性、透明性和生存性的網絡。

OTN的主要特點是引入了“光層”概念，在SDH傳送網的電復用層和物理層之間加入光層。OTN處理的最基本的對象是光波長，客戶層業務以光波長形式在光網絡上復用、傳輸、選路和放大，在光域上分插復用和交叉連接，為客戶信號提供有效和可靠的傳輸。

2OTN概念

2.1OTN提出的背景

在20世紀90年代中期，波分復用（WDM）技術趨于成熟并開始商用，傳輸系統容量的飛速增長帶來的是對交換系統的壓力和促使其發展的驅動力。為了解決電子瓶頸限制問題，全光通信網迅速發展。

所謂全光通信網是指信號以光的形式穿過整個網絡，直接在光域內進行信號的傳輸、再生、光交叉連接（OXC）、光分插復用（OADM）和交換/選路，中間不需經過光電、電光轉換，因此它不受檢測器、調制器等光電器件響應速度的限制，對比特速率和調制方式透明，可以大大提高整個網絡的傳輸容量和交換節點的吞吐量。

考慮到光信號固有的模擬特性和光器件的水平，目前在光域內很難完成3R中繼功能（即再定時、整形和放大），人們暫時放下了全光網絡的追求，轉而用“光傳送網”來代替。其出發點是子網內全光透明，而在子網邊界處采用O/E/O技術。1998年，ITU-T正式提出光傳送網（OTN）的概念。OTN是指為客戶層信號提供光域處理的傳送網絡，主要的功能包括傳送、復用、選路、監視和生存性功能等。

2.2OTN標準基礎定義

OTN光傳送網（Optical Transport Network）由光纖連接的一系列網絡單元組成，提供光通道承載任何客戶信號、具有客戶無關性，提供客戶信號的傳輸、復用、路由、管理、監控。OTN借鑒SDH的開銷思想，引入豐富的開銷，使OTN真正具有OAMP能力。OTN定義了OCH、OMSn、OTSn三個光層概念，其中OCH通過數字域的三個子層OPUk、ODUk、OTUk來實現。此外，OTN還引入了帶外FEC，增強了線路的容差性。

2.3OTN幀結構與開銷

2.3.1OTN幀結構

G.709定義的是OTN的結構和映射，圖1就是G.709的幀結構：

圖1中Client Signal指的是客戶信號，OPUk指的是光通道凈荷單元，ODUk指的是光通道數據單元，OTUk指的是光通道傳送單元，Alignm指的是幀定界，其中k代表速率級別，0代表1.25G，1代表2.5G，2代表10G，3代表40G。

由圖1可以看出，G.709幀結構包括了OPUk、ODUk、OTUk、FEC幾個部分，為4行、4080列、固定不變的幀結構，而它的幀速率則可變。

2.3.2OTN開銷

圖2為OTUk/ODUk/OPUk開銷。

可以看到OTUk/ODUk/OPUk開銷內容非常豐富，下面就簡單介紹一下這些開銷。FAS：幀對齊信號；MFAS：復幀對齊信號；SM：段監控；RES：保留作后續國際標準化；TCMACT：TCM激活標志；PM：通道監控；EXP：實驗通道；GCC1/2：通用通信通道1/2；APS/PCC：自動保護倒換和保護通信控制通道；PSI：凈荷結構標示符；JC：調整控制。

3OTN的特點

3.1客戶信號承載的開放性

POS的全稱是IP over SDH，也就是用SDH來傳送IP業務。路由器利用POS端口的SDH開銷字節，快速準確地檢測線路傳輸質量，使得線路發生故障后快速啟動保護倒換。然而，POS端口比特成本較高，路由器直接出LAN端口可大幅降低網絡建設成本。通過提供G.709的OTN接口，OTN設備接入路由器所出的LAN口信號時會疊加類似SDH的開銷字節（OTU/ODU/OPU），代替了路由器POS端口的開銷字節功能，從而消除路由器對POS端口的依賴性。

OTN定義的數字包封（DW：Digital Wrapper）結構，可將任意客戶業務包含SDH/SONET、ATM、Ethernet、SAN、Video業務適配到數字包封結構中；加上OTN設備上集成Any-ADM特性，還可提供任意速率業務的疏導功能，使得IP網絡配置更加靈活，業務傳送更加可靠。

3.2靈活的光電層調度疏導

如果WDM能夠具備類似SDH的波長/子波長調度能力，并組建一張端到端的WDM承載網絡，就可以實現GE、10GE、40G等大顆粒業務端到端地快速調度和保護，減少對路由器端口的需求。

ROADM（動態可重配置光ADM）技術的出現使得WDM能以非常低廉的成本（無OEO轉換）完成超大容量的光波長交換；但受波長沖突、光信噪比、色度色散、偏振模色散限制等難以突破的物理光層限制。而OTN交換技術，以2.5G或10G為顆粒，可在電層上完成大容量的業務調度。如果將ROADM與OTN結合，形成“光+電”混合交換結構，就可構建一個大容量、大范圍、端到端的WDM網絡。

3.3大顆粒業務的可靠保護

電信級業務需要達到50ms的保護倒換時間。傳統電信級IP網中引入SDH層面，一個重要原因就是為了提供50ms的保護恢復時間。

除傳統WDM設備均支持的1+1光線路保護（<50ms），1+1光通道保護（<50ms）及波長環路共享保護(50~150ms)外，基于OTN交換的WDM設備還可實現波長或子波長級的Mesh保護加恢復、Mesh恢復，子波長SNCP（<50ms）、子波長環網共享保護等，如同SDH/ASON一樣豐富、靈活、可靠。

3.4增強的運維管理能力

如同SDH一樣， OTN也定義了豐富的開銷字節，具備了SDH相似的運維管理能力。當某個WDM網絡使用字節TCMi時，一旦出現誤碼將被記錄到TCMi。GCC0可以用于承載某設備商自己的通信管理信息，類似SDH的DCC字節。至于GCC1、GCC2，可以用來透傳其他設備商的通信管理信息，有利于多個設備商共同組建一個端到端的WDM網絡。

4OTN與SDH及WDM技術的關系

4.1OTN與SDH及WDM技術的對比

針對IP業務適配到WDM光層進行傳輸，業界曾提出過多種實現方案。IP是網絡層（L3）協議，而WDM是物理層（L1）技術，IP業務要想在WDM網絡中直接傳輸，必須經過中間的數據鏈路層（L2）進行適配，如IP over SDH（即POS）和IP over GE/10GE等等。

SDH是目前骨干、城域核心網絡中應用最廣泛的傳輸技術，能夠提供多種不同速率的復用和業務整合、調度功能，且具有強大的故障恢復和保護能力。IP與SDH的結合是將IP數據包通過GFP/PPP（數據鏈路層）等協議封裝映射到SDH幀，取代原有的ATM層，從而簡化網絡體系結構，提高了傳輸效率，易于實現網間互連，是一種較為現實和高效的IP傳送方式，已在現網中獲得廣泛的應用驗證。

然而，與正在蓬勃發展的IP over GE方案相比，IP over SDH方案存在以下弊端：（1）鏈路帶寬調整靈活性不足(只能四倍速提升)，（2）缺乏必要的服務質量優先級策略（GE支持IEEE 802.1Q/1P服務等級策略），（3）不具備成本優勢（路由器中千兆比特線路卡提供與SDH相當的容量時，成本只是SDH的1/6~1/4左右)。從長遠的觀點來看，不是非常有效的IP到WDM的適配方式。

IP over GE方案也有自己的短板：（1）缺乏成熟、可規模部署的網絡保護機制；（2）缺乏完善的OAM能力，特別是傳送性能監控方面完全缺乏；（3）與WDM光波長相比，早期部署的GE速率較低，卻要獨占一個本可達到10G/40G速率的波長，沒有一個能充分利用波長帶寬的子波長（小于10G）業務復用、整合和調度的適配技術。

因此ITU-T標準組織提出OTN（光傳送網）這樣一套全新的傳送網絡體制，期望通過它來消除運營商對于上述兩種方案在抉擇上的困擾。通過對SDH和WDM兩種技術優勢功能的擇取、融合和優化提升，OTN在同一技術體制下兼具了SDH和WDM復用整合、保護調度、性能監控、拉遠擴展、開放性和多業務接入能力。完整功能的OTN設備本質上可看作為傳統WDM+ADM+MSTP設備的組合。

4.2OTN對SDH技術的繼承與發展

4.2.1分層結構及其演進

OTN可以在光域對客戶信號提供傳送、復用、選路、監控和生存性功能。從某種意義上講，我們可將OTN看成是傳送SDH信號的光段層擴展。繼承SDH在電域的分層結構，ITU-T G.872標準，將OTN光域也分為三個子層：它們是光通道層（OCH），負責對電復用段層客戶信號路由和分配波長，選路和監測管理、保護恢復；光復用段層（OMS），負責對單波長光層信號復用和監測控制；和光傳送段層（OTS），負責為光信號在不同類型光傳輸媒介上提供傳輸功能，同時對WDM光放大器實施監測和管理。

4.2.2數字包封幀結構

SDH信號有一種基本的塊狀幀結構STM-1，更高速率的信號則由N*STM-1信號字節同步間插構成，這樣在不同速率情況下每一幀傳送所需的時間相同。同樣，OTUk也有一種基本的塊狀幀結構，但不同速率情況下，均采用固定的幀格式和幀大小，這樣不同速率時每一幀傳送所需的時間是不同的，換句話說就是單位時間內傳送的幀數不同。

4.2.3串聯連接監視TCM

相對于SDH只能提供單級TCM能力，OTN可以提供6級連接監視功能。對于多運營商/設備商/子網環境，可實現分級分段管理。TCM字節幀格式與SM/PM字節基本相同，不同的是TCM監測點的起始位置、使能狀態完全由網管隨意控制。6個TCM段可以以嵌套、重疊和串聯的方式實現。

4.3OTN對WDM技術的繼承與發展

OTN技術體制中的光域部分其實就是傳統WDM設備光復用/解復用過程，光放大過程的繼承和數字化。相對于傳統WDM技術體制，OTN的優勢主要體現在光層的管理能力上。

4.3.1增強的保護方案

OTN定義了三種類別的保護，分別是：路徑保護、子網連接保護和共享保護環，而傳統點對點WDM只有路徑保護這一種保護方式。路徑保護為專屬端到端保護機制，可用于任何物理結構（網、環和混合）。如果工作路徑失效或性能跌至最低要求，工作路徑將由保護路徑代替。

4.3.2完善的光層OAM

OTN電層的維護管理依賴于OTU/ODU的開銷字節，其作用已在前面章節做了分析，這里主要說明光層的維護管理。OTN相對于傳統WDM，在光層管理上相對傳統技術體制有較大提升，傳統點對點WDM設備基本上只實現了連續性監控和部分管理通信功能（通道信息管理）。

5OTN應用前景

OTN是WDM發展的必由之路。新一代大容量傳送系統需要完成從簡單的P2PWDM技術向E2E自動交換OTN系統的轉變，才能全面解決了從業務變化和組網功能轉移的多維度難題，所以點對點WDM向OTN組網演進是必然趨勢。

各廠家OTN設備也正在逐步實現，如華為、阿爾卡特朗訊、英飛朗、愛立信、諾基亞西門子、烽火和中興都在研發與測試OTN設備。下面主要列舉阿爾卡特朗訊與華為兩家廠家的OTN設備當前的研發測試情況，其中阿爾卡特朗訊的1850系列設備已在上海移動正式使用。

阿爾卡特朗訊1850 TSS-160、1850 TSS-320、1850 TSS-640支持多業務：FE/GE/10GE（對于10GE LAN支持ODU2/1e/2e）、STM-64/16/4/1、FE、E1/E3、DS1/DS3、C/DWDM 2.5G/10G、OUT-1，OUT-2，OUT-3；支持SWXC電交叉功能：ODU1/ODU2交叉，今后會實現ODU0/ODU3交叉，G.709的TCM字段；光層C/DWDM/ROADM功能：8波CWDM/10G44波DWDM，4-8維基于WSS的ROADM；控制平面支持TDM、分組業務的電路建立和資源管理。

華為OSN1800，OSN3800，OSN6800，OSN8800當前支持SWXC的ODU1電交叉（暫不支持ODU0/ODU2），對10GE LAN支持ODU2/1e/2e（OSN6800），并計劃支持OTU3線路板（NS3單板）、40G POS/OTN接入支路板（TSXL單板）、單子架T級別交叉，提升單板端口密度。

6結論與展望

無論固定通信還是移動通信領域，基于IP的數據業務都在逐漸成為業務的主導。波分復用（WDM）技術由于能夠提供巨大的帶寬，無可爭議地成為骨干網與城域核心網最主要的傳輸技術。而簡單來說，OTN=WDM大容量傳送＋SDH豐富OAM＋其他。目前，已經實施了IP over SDH向IP over WDM的演進、解決了IP大顆粒業務的傳送、1+1保護等問題，但尚有一些需求與挑戰，例如全業務和互聯網的大力發展將導致傳輸容量劇增、去掉SDH層面后，WDM層面要承擔起傳送網的管理維護、靈活組網、保護和調度功能、集團客戶專線業務運營要求傳送網成為調度型網絡等。

OTN在速率體系、復用體系、映射方式等方面的演進已經更加適應全業務和IP化發展。在工信部的領導下，中國的運營商和設備制造商推動了OTN演進，主導了OTN標準的制定。而隨著全業務的發展和OTN技術的成熟，OTN必將在干線和城域網得到廣泛應用。