OTN技術特點及發展趨勢分析*

李海量 ，張 紅 ，張晶晶

（1.中國電信股份有限公司河南分公司 鄭州 450000；2.中訊郵電咨詢設計院有限公司 北京 100048；3.中國聯合網絡通信集團有限公司 北京 100140）

1 前言

伴隨IP業務的蓬勃發展，波分網絡扮演了越來越重要的角色，以往在電層實現的多種網絡拓撲、網絡顆粒也將下移到波分層面，與之相伴的是網絡的靈活調度和生存性問題日益突出，傳統的點對點WDM（波分復用）傳輸已經不能滿足需求，OTN（optical transport network，光傳送網）技術因此得以快速發展。OTN技術自2010年開始規模應用，目前各運營商在現網均已部署大量城域OTN設備。現網常用的OTN設備類型包括OTN光終端復用設備（OTM）、OTN電交叉連接設備和OTN光交叉連接設備。目前主流傳送設備商都支持以上3種類型。

隨著大顆粒帶寬業務的持續強勁驅動和OTN設備的逐漸應用，OTN將朝著逐步提升OTN設備功能、性能的方向發展，主要體現為大容量交叉、多粒度調度、長距離傳輸、智能化演進和分組化融合等。本文在簡要描述OTN技術特點的基礎上，詳細分析了OTN技術的未來演進方向。

2 OTN技術特點

OTN技術主要有以下特點。

（1）多種客戶信號綜合承載

OTN幀可以接入多種業務信號，這就使得OTN成為以太網、MPLS、光纖通道、HDLC/PPP、PRP、IP、FICON、ESCON及DVB ASI視頻信號等多業務綜合承載的傳送平臺。

（2）業務透明傳輸

OTN 定義的 OPUk（overhead processing unit k，開銷處理單元k）容器在業務映射和傳輸中一般不更改它們的任何凈荷和開銷信息，異步映射模式也保證了客戶信號定時信息的“透明”。

（3）FEC 標準化

在OTN標準體系中，明確了前向糾錯 （FEC）技術。FEC可以顯著增加光層傳輸的距離：采用標準G.709的FEC編碼，光信噪比（OSNR）容限可降低 5～7 dB；采用增強型FEC編碼，OSNR容限可降低7～9 dB。

另外，通過對FEC糾錯前誤碼率的在線實時測試，豐富了OTN的在線維護指標和技術手段。隨著WDM波道速率的不斷提升，系統性能也不能簡單通過OSNR進行判斷。

（4）大顆粒的業務復用、交叉和配置

OTN 定義的 ODU0（1.25 Gbit/s）、ODUflex（N×1.25 Gbit/s）、ODU1（2.5 Gbit/s）、ODU2(10 Gbit/s)、ODU2e(10.39 Gbit/s)、ODU3(40 Gbit/s)、ODU3e(42 Gbit/s)、ODU4（104.79 Gbit/s），相對于SDH的VC-12/VC-4的業務顆粒，OTN處理的顆粒明顯要大很多。

多樣的高速率顆粒使得OTN的業務封裝成本低、交叉效率高、帶寬利用率高，設備也更容易實現大的交叉連接。

（5）強大的開銷和維護管理能力

OTN提供類似SDH的開銷管理能力：

·OTUk（optical channel transport unit k）層的段監控（section monitoring，SM）字節可以對電再生段進行性能和故障監測；

·ODUk（optical channel data unit k）層的通道監測（path monitoring，PM）字節可以對端到端的波長通道進行性能和故障監測。

這些豐富的開銷使OTN具備類似SDH的性能和故障監測能力。

（6）涵蓋光層和電層兩個層面，增強了組網和保護能力

通過OTN電交叉連接設備和多維光交叉連接設備（如ROADM（可重配置的光分插復用器）），大大增強了光層的組網能力。光層交叉連接設備的應用將大大減少對OTU的需求，降低網絡運營成本。

能夠提供比較靈活的基于電層和光層的業務保護功能，如基于ODU層的 SNCP（sub network connection protection，子網連接保護）和共享環網保護、基于光層的光通道或復用段保護等。

（7）多樣化的設備類型，滿足各種場景的應用需要

OTN技術能夠提供終端復用設備、電交叉連接設備、光交叉連接設備、光電混合交叉連接設備等多種類型，滿足鏈型網絡、環型網絡、網狀網絡等多種應用場景的需求。

3 OTN技術的分組化演進

由于業務網IP化的不斷發展，OTN技術分組化將是OTN技術未來發展的方向。2010年5月在ITU-T全會上討論了E-OTN的應用場景，在此基礎上，中國通信標準化協會(CCSA)于2011年開始制定分組增強型OTN設備技術要求，目前該標準已進入報批稿階段。在2012年9月的ITU-T SG15會議上，也明確將CCSA定義的分組增強型OTN相關內容引入G.709和G.798.1等標準中。

分組增強型OTN設備是OTN設備和分組設備的進一步融合，采用多平面或統一交叉模型實現ODU時隙的TDM交叉和分組交換功能，深化多業務的綜合接入。分組增強型OTN設備技術要求明確定義了分組增強型OTN的兩種設備架構，包括板卡式和集中交叉式，分別如圖1和圖2所示。

板卡式設備架構類似傳統MSTP的架構，在OTN設備上增加具有分組業務處理能力的板卡，實現板卡級分組業務的接入、交換、匯聚和傳送；ODUk級的交換通過OTN設備電交叉矩陣完成。這種方式屬于分組增強型OTN技術的初級階段，單板分組業務的吞吐量可達到100 Gbit/s。

集中交叉式設備架構采用統一交換矩陣技術，基于該技術的產品發展很快，也促進分組交換和ODUk交叉融合，相應產品已經出現，部分設備廠商已經能夠提供基于該技術的初級產品，但在分組業務處理方面的功能和性能都還不完善。

近期中國電信、中國聯通等運營商都將進行分組增強型OTN設備和組網測試，預計在2013年底，分組增強型OTN設備將在現網進行部署。

4 OTN技術的智能化演進

無論是ITU-T、IETF還是國內的CCSA，都在OTN標準體系中提到智能控制平面的要求。在2010年中國電信、中國聯通組織的OTN技術測試中，多數廠商都能夠支持智能控制技術，但目前在OTN上的智能控制技術的功能與基于SDH的ASON（自動交換光網絡）相比，還需更多改進。

在電層 ，OTN包括 ODU0、ODU1、ODU2、ODU3、ODU4等多種顆粒，比基于SDH的ASON的VC4顆粒多，而OTN多顆粒的業務在復用和時隙占用上有較多的限制，如何通過智能控制選擇時隙和通道，避免系統資源的不合理利用，是需要智能控制技術解決的問題。

在光層，全光層智能控制技術WSON（wavelength switchedopticalnetwork）主要采用通用多協議標簽交換（GMPLS）技術和路徑計算單元（PCE）技術等控制平面技術，實現波長路由的動態調度，通過光層自身自動完成波長路由計算和波長分配，實現波長調度的智能化，提高WDM網絡調度的靈活性和網絡管理的效率。但在WSON中，光路徑的配置受到底層物理傳輸系統和鏈路層物理特性的諸多限制。例如：路由和波長分配需要考慮的設備單元包括波分復用鏈路、可調諧激光器、ROADM以及波長轉換器。對于光層的損傷，在接入、城域和長距WSON系統中考慮的技術因素各不相同。因此，在WSON中，為了實現動態的光路徑建立，就需要對現有的GMPLS和PCE控制平面協議進行擴展，通過靜態配置或者動態監測等手段，獲取底層的物理層信息，通過動態信令和路由控制，完成端到端光路徑的配置。

基于上述原因，WSON目前需要重點研究和解決以下問題。

·WSON的路由和波長分配體系架構，主要分析WSON系統架構及WSON中的路由和波長分配（RWA）問題。

·WSON的信息建模主要分析WSON中傳輸物理層的限制條件，對網絡中的節點和鏈路進行信息建模，便于實現GMPLS以及PCE的路由和信令擴展。

·WSON的信令擴展主要包括標簽擴展機制和標簽分配機制，用于指示建立底層的波長交叉，WSON的信令擴展重點關注WSON中雙向路徑建立的標簽分配機制。

·WSON的路由擴展主要考慮路由消息的洪泛機制，實現網絡中節點和鏈路信息的高效廣播傳送。

·WSON的損傷感知機制主要考慮物理層的特性，如色散、損耗等，同時結合網絡提供的損傷補償機制以及路由控制技術，在路徑計算的過程中避免有損傷的物理鏈路。

5 向光子集成技術方向發展

電子集成電路目前應用普遍，但光子集成電路（photonic integrated circuit，PIC）還比較少，導致現在的光通信系統設備體積大、耗電大，部件和板卡之間的連纖量大、難以管理，很難滿足業務對帶寬不斷高速增長的需求。光子集成技術是光通信技術未來發展的主要方向之一。

光子集成技術通過材料生長技術和光刻技術將不同功能分離的光器件，例如激光器、檢測器、光調制解調器等集成在單個襯底上，構成單片集成電路。這種光子集成技術器件結構緊湊小巧，性能可以滿足大多數光纖通信系統的需求。目前已經能夠實現4對OTU、10對OTU和40對OTU的集成芯片。每個OTU的速率為10 Gbit/s，甚至為40 Gbit/s。

從上述光子集成技術特點來看，光通信技術從分離光器件向光子集成器件的演進可以與當年電子產品從晶體管向集成電路的演進相類比，其優勢也可以類比，與傳統光通信技術相比，其主要優點如下。

·根據統計分析，光層系統70%的故障問題都是光纖耦合導致的，光子集成將大量的光纖耦合集成在PIC中，大大減少了光纖連接的數量，從而大幅度提高網絡的可靠性。采用PIC的40×10 Gbit/s WDM系統僅需要一個子架即可，傳統40×10 Gbit/s WDM系統需要2個機架。

·大量的光纖連接和光子器件集成在PIC中，大幅度減少了器件和板卡的數量，從而降低了維護工作量。

·PIC大大降低了設備的尺寸，大幅度降低對機房面積的需求（目前產品不足傳統設備的1/4），間接降低網絡成本。

·PIC大大降低了設備功耗（目前產品不足傳統設備的1/3），減少日常運維支出。

自2004年第一款集成了50個光子器件的PIC出現，光子集成技術迅速發展，目前英飛朗公司、CIP技術公司、OneChip Photonic和Enablence Technology等公司的光子集成產品相繼進入市場。

國內部分設備廠商在其OTN產品上也開發出基于光子集成技術的產品，將12個或20個10 Gbit/s線路側光模塊、合分波器等器件集成到一個芯片上，實現120 Gbit/s/200 Gbit/s容量傳輸，簡化網絡配置，實現系統的快速部署，可應用于小容量匯聚層網絡或業務發展較快的邊緣層網絡。

6 超100 Gbit/s時代的OTN承載模式

400GE作為400 Gbit/s OTN的主要客戶側信號，驅動著OTN向400 Gbit/s演進，400 Gbit/s OTN如何有效承載400GE將成為亟待解決的關鍵技術問題。同時400 Gbit/s OTN的定義也必須兼容已有低階的ODU業務，即如何做到有效承載 ODU0、ODU1、ODU2、ODU2e、ODU3、ODU3e1、ODU3e2及ODU4等低速業務信號。隨著速率的提升，以小顆粒劃分時隙，在一定程度上使400 Gbit/s OTN時隙管理復雜化以及低階到高階的映射復用復雜化。

2012年9月的ITU-T SG15會議上，明確提出了OTN速率達到100 Gbit/s后的兩種演進方案，一是傳統的OTN演進思路，引入一種新的400 Gbit/s速率等級的OTU5；二是向著flex-OTN演進，引入一種新的速率靈活可變的OTUflex，可兼容400GE業務的有效傳送。

（1）固定比特率OTU5

固定比特率承載模式如圖3所示。對于400GE客戶信號，可以通過GMP方式完成400GE業務的映射及封裝到OTU5，實現400GE的串行比特透傳。對于低速率信號，可將400 Gbit/s OTN劃分為多個時隙 （如320個等），通過GMP方式進行低階到高階的映射復用，兼容現有的OTN體系架構，可以承載所有低階ODUk信號。

該方式延用現有網絡規劃和維護方式，技術實現較容易。但是也存在網絡速率升級造成組網的復雜性、低速接口的再利用問題等，并且在400 Gbit/s之后，速率的升級并不能顯著提高頻譜效率。

（2）靈活比特流flex-OTN

靈活比特率承載模式如圖4所示。flex-OTN承載模式需要定義N倍基準速率的高階ODUflex/OTUflex，其中基準速率可以考慮選擇為 25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s、200 Gbit/s、400 Gbit/s等。針對各種不同的高階OTUflex線路速率，不再考慮類似PDH的層層復用功能，僅需要復用現有的低階ODU到高階ODUflex/OTUflex。靈活多樣的線路速率能夠滿足不同應用場景下對傳送帶寬的需求。

圖3 400 Gbit/s OTN承載模式——固定比特率

圖4 400 Gbit/s OTN承載模式——靈活比特率

該方式可以避免運營商速率選擇的風險，可根據業務帶寬需求靈活配置接口速率，提高設備和頻譜資源利用率。但該方式將改變現有網絡規劃和維護方式，技術實現難度較大。

7 結束語

OTN技術作為高帶寬傳送技術，在多業務承載和分組化演進方面符合融合網絡的發展方向。預計在未來幾年，將會不斷有更大交叉容量（超過10 Tbit/s）的OTN交叉設備面世，在適應全業務發展的同時，其有力的網絡支撐能力也將對數據業務發展起到強大的推動作用，屆時能夠提供大顆粒帶寬的調度與管理的OTN將真正成為能夠靈活調度、具備保護恢復功能的新一代光網絡。