OTN引入電力通信網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

文｜西北電力設(shè)計院 劉慶欣

1 引言

傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)是為安全生產(chǎn)、調(diào)度、指揮服務而建設(shè)的。由于定位不同，電力通信網(wǎng)建設(shè)相對分散，從而造成網(wǎng)絡業(yè)務有限、結(jié)構(gòu)單一、接入方式簡單等問題。就電力系統(tǒng)而言，原來的信息業(yè)務具有單一、窄帶化的特點，主要通信方式有調(diào)度、行政電話和電話會議、自動化信息通信等，這對于原來電力系統(tǒng)原有的通信建設(shè)、運行、管理以及網(wǎng)絡模式還較為適應?！笆濉逼陂g，隨著非實時、高帶寬、大顆粒IP業(yè)務的快速增長以及信息業(yè)務的綜合化、寬帶化和多媒體化，對現(xiàn)代通信提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。由于信息化進程的加速，對信源和信宿之間的通信網(wǎng)的通信能力、通信結(jié)構(gòu)及方式、業(yè)務承載能力、安全可靠性提出了新的要求。因此，如何利用新技術(shù)促進通信網(wǎng)絡的發(fā)展，如何提升通信網(wǎng)絡整體能力，如何降低整體網(wǎng)絡的綜合成本以及如何保證網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展，來充分滿足電力系統(tǒng)在“十二五”中后期適應信息化時代產(chǎn)生的日益增長的通信需求，是電力系統(tǒng)通信發(fā)展的根本任務。電力通信系統(tǒng)國家干線和許多省內(nèi)、省際干線，目前主要采用2.5G、10G的傳輸容量，隨著長途骨干網(wǎng)承載業(yè)務量的爆炸式增長，基于TDM設(shè)計理念承載CBR業(yè)務的SDH技術(shù)已成為瓶頸，而傳統(tǒng)的WDM只能提供點對點的大顆粒管道，卻不能組網(wǎng)且不具備靈活的調(diào)度管理功能和網(wǎng)絡的生存性。OTN作為海量業(yè)務帶寬的新型傳輸技術(shù)以其可管理易調(diào)度的特點，被業(yè)界認為是下一代傳送網(wǎng)技術(shù)的首選，因而，現(xiàn)階段正是電力系統(tǒng)引入該技術(shù)的契機。下文主要針對OTN引入的一些關(guān)鍵技術(shù)作初步的分析與探討。

2 OTN關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光/電交叉技術(shù)

根據(jù)OTN設(shè)備的接口適配、線路接口以及光/電交叉等功能的不同，可以分為OTN終端復用設(shè)備、電交叉設(shè)備、光交叉設(shè)備及光電混合設(shè)備四種類型。

（1）OTN終端復用設(shè)備

OTN終端復用設(shè)備指支持電層（ODUk）和光層（OCH）復用的WDM傳輸設(shè)備。

這種OTN設(shè)備用白光OTUk接口代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳送設(shè)備SDH和以太網(wǎng)等客戶業(yè)務接口，實現(xiàn)不同廠商傳送設(shè)備互聯(lián)，通過OTN信號可以實現(xiàn)對波長通道端對端的性能及故障監(jiān)測。

在WDM系統(tǒng)中引入OTN接口，可以實現(xiàn)對波長通道端到端的性能和故障監(jiān)測，為未來引入大容量的OTN交叉設(shè)備做準備；同時，OTN可以實現(xiàn)多種客戶信號的透明傳送，這是路由器采用10GE接口的前提條件。因此，標準的OTN域間互通接口將是WDM系統(tǒng)進行互通的主要接口形式。目前，國內(nèi)外主流廠商的WDM系統(tǒng)均支持G.709標準的OTN接口，可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)的互通，并且大多數(shù)廠商的WDM設(shè)備支持 OTU2 信號的網(wǎng)管支配選擇， 便于對OTU應用方式（上下業(yè)務或中繼）進行選擇。

（2）OTN電交叉設(shè)備

OTN電交叉設(shè)備（即OTH）完成ODUk級別的電路交叉功能，為OTN網(wǎng)絡提供靈活的電路調(diào)度和保護能力。OTN電交叉設(shè)備可以獨立存在，對外提供各種業(yè)務接口和OTUk接口（包括IrDI接口）；也可以與OTN終端復用功能集成在一起，除了提供各種業(yè)務接口和OTUk接口（包括IrDI接口）以外，同時提供光復用段和光傳輸段功能，支持WDM傳輸。

（3）OTN光交叉設(shè)備

OTN光交叉設(shè)備（即ROADM/PXC）提供OCH光層調(diào)度能力，實現(xiàn)波長級別業(yè)務的調(diào)度和保護恢復，目前，這類設(shè)備的形態(tài)為ROADM。采用這類設(shè)備組網(wǎng)，可以減少光電光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而在一定程度上降低成本。但其組網(wǎng)受傳輸距離、保護倒換速度、波長分配沖突、多廠商設(shè)備互聯(lián)能力和不同規(guī)格WDM線路系統(tǒng)等條件的限制，導致交叉的靈活性受到一定的限制。

（4）OTN光電混合交叉設(shè)備

OTN光電交叉設(shè)備可以與OTN光交叉設(shè)備相結(jié)合，同時提供ODUk電層和OCH光層調(diào)度能力，波長級別的業(yè)務可以直接通過OCH交叉，其他需要調(diào)度的業(yè)務經(jīng)過ODUk交叉，兩者配合可以優(yōu)勢互補，又同時規(guī)避各自的劣勢。這種大容量的調(diào)度設(shè)備就是OTN光電混合交叉設(shè)備。

綜上所述，基于光（波長）交叉的ROADM設(shè)備的主要優(yōu)勢是基于波長調(diào)度，子網(wǎng)內(nèi)部全光操作，省去了O-E-O功能單元，有效地實現(xiàn)在增加組網(wǎng)靈活性的同時降低光電變換的組網(wǎng)成本，但組網(wǎng)半徑和物理參數(shù)（如色度色散、偏振模色散、非線性效應、光信噪比等）限制等因素在一定程度上妨礙了ROADM在大范圍和傳輸線路復雜環(huán)境下的組網(wǎng)應用?；陔姡∣DUk）交叉的OTN設(shè)備正好規(guī)避了ROADM設(shè)備的這些缺陷，可以同時支持波長和子波長粒度的調(diào)度，但有限的調(diào)度容量限制了其在大容量節(jié)點組網(wǎng)中的應用。同時支持光電混合調(diào)度的OTN設(shè)備可以在一定程度上解決上述這些缺陷，但在實際組網(wǎng)應用中，尤其是在省際干線組網(wǎng)應用時，采用單一廠家組網(wǎng)的可能性不大。因此，采用支持光電混合調(diào)度的OTN設(shè)備也并不是任何場景都適用。另外，對于僅需固定提供大容量傳送帶寬的應用場景，基于點到點的OTN傳送設(shè)備依然是最佳選擇。

簡言之，基于OTN的四種設(shè)備類型中并沒有哪種設(shè)備具有絕對的應用優(yōu)勢，而是應根據(jù)其應用的網(wǎng)絡層面、業(yè)務傳送需求和實際組網(wǎng)成本等多方因素綜合選擇，同時可采用分域的方式解決組網(wǎng)的一些限制因素。

2.2 網(wǎng)絡保護

OTN中生存性技術(shù)主要包括保護技術(shù)和恢復技術(shù)。保護就是在網(wǎng)絡中預先為業(yè)務分配保護路徑，發(fā)生故障后，將受影響的業(yè)務倒換到事先已連接好的保護路徑上去?；謴褪侵冈诰W(wǎng)絡中并不對業(yè)務預先分配保護資源，而是在發(fā)生故障后使可用容量上根據(jù)一定的算法和策略選擇并建立新的業(yè)務路徑，這兩種方式各有優(yōu)缺點。

《光傳送網(wǎng)（OTN）網(wǎng)絡整體技術(shù)要求》（YD/T 1990-2009）標準中提出了三種保護類型：線性路徑保護、子網(wǎng)連接保護（ODUk SNC）和共享保護環(huán)。

2.2.1 線性路徑保護

線性路徑保護一般包括基于光放段光纜線路保護（OLP）、基于光復用段層（OMSP）的保護和基于單個波長的光通道層保護（OCP）等。線性路徑保護主要采用光保護單板（OP）的雙發(fā)選收功能，在相鄰的光放站或光復用站間，利用分離路由對光纖或光通道提供保護，倒換一般在單端進行，不需要APS協(xié)議。

（1）OCH 1+1保護

OCH 1+1保護是采用OCH信號并發(fā)選收的原理。保護倒換動作只發(fā)生在宿端，在源端進行永久橋接。一般情況下，OCH 1+1保護工作支持可返回操作，并且允許用戶進行配置。

（2）OCH 1:N保護

1個或多個工作通道共享1個保護通道資源。當超過1個工作通道處于故障狀態(tài)時，OCH 1:N保護類型只能對其中優(yōu)先級最高的工作通道進行保護。OCH 1:N保護支持可返回與不可返回兩種操作類型，并允許用戶進行配置。OCH 1:N保護支持單向倒換與雙向倒換，并允許用戶進行配置。不管對于單向倒換還是雙向倒換，OCH 1:N保護都需要在保護組內(nèi)進行APS協(xié)議交互，OCH 1:N保護可以支持額外業(yè)務。

圖1 ODUk 1+1 SNC保護示意圖

2.2.2 ODUk SNC保護

子網(wǎng)連接（SNC）保護是一種專用保護機制，可以用于任何物理結(jié)構(gòu)（即網(wǎng)狀、環(huán)狀和混合結(jié)構(gòu)），對子網(wǎng)絡連接中的網(wǎng)元數(shù)量沒有根本的限制。

在ODUk層采用子網(wǎng)連接保護（SNCP）。子網(wǎng)連接保護是用于保護一個運營商網(wǎng)絡或多個運營商網(wǎng)絡內(nèi)的一部分路徑。一旦檢測到啟動倒換事件，保護倒換應在50ms內(nèi)完成。受到保護的子網(wǎng)連接可以是兩個連接點（CP）之間，也可以是一個連接點和一個終結(jié)連接點之間（TCP）或兩個終結(jié)連接點之間的完整端到端的網(wǎng)絡連接。

與SDH類似，子網(wǎng)連接保護可以看作是失效條件的檢測，是在服務層網(wǎng)絡、子層或其他傳送網(wǎng)絡，而保護倒換的動作是發(fā)生在客戶層網(wǎng)絡的保護方法。從倒換類型上看，子網(wǎng)連接保護主要包括ODUk 1+1保護和ODUk M:N保護兩種。

（1）ODUk 1+1 保護

對于ODUk 1+1保護，一個單獨的工作信號由一個單獨的保護實體進行保護。如圖1所示，保護倒換動作只發(fā)生在宿端，在源端進行永久橋接。

（2）ODUk M:N保護

ODUk M:N保護指一個或N個工作ODUk共享1個或M個保護ODUk資源。每一個保護傳送實體帶寬的劃分都應保證在最少有一個M保護傳送實體時對任何N工作傳送實體進行保護。當確定某一個工作傳送實體受到損傷時，首先將其正常流量信號分配至一個可用的保護傳送實體，之后在受保護域的源和匯集端點中，將信號從工作保護實體轉(zhuǎn)向被分配的保護傳送實體。應當指出，當多個M工作傳送實體受到損傷時，只有一個M工作傳送實體能夠得到保護。

2.2.3 環(huán)網(wǎng)保護

（1）OCH SPRing保護

OCH SPRing（光通道共享環(huán)保護）只能用于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中細實線XW表示工作波長，細虛線XP表示保護波長，粗實線YW表示反方向工作波長，粗虛線YP表示反方向保護波長。

圖2 OCH SPRing組網(wǎng)示意圖

（2）ODUk SPRing 保護

ODUk SPRing保護只能用于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同圖2所示，其中細實線XW表示工作ODU，細虛線XP表示保護ODU，粗實線YW表示反方向工作ODU，粗虛線YP表示反方向保護ODU。

ODUk SPRing保護僅僅在環(huán)上的節(jié)點對信號質(zhì)量情況進行檢測，作為保護倒換條件，對協(xié)議的傳遞也僅僅需要環(huán)上的節(jié)點進行相應處理。ODUk SPRing保護僅支持雙向倒換，其保護倒換粒度為ODUk。ODUk SPRing保護僅在業(yè)務上下路節(jié)點發(fā)生保護倒換動作。ODUk SPRing保護需要在保護組內(nèi)相關(guān)節(jié)點進行APS協(xié)議交互。ODUk SPRing保護同時支持可返回與不可返回兩種操作類型，并允許用戶進行配置。ODUk SPRing保護在多點故障要求不能發(fā)生錯連。

2.2.4 多種保護與恢復方面的比較

OTN保護方式比較，如表1所示。

2.3 調(diào)制編解碼技術(shù)

2.3.1 FEC編碼

FEC是一種數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，傳輸中檢錯由接收方進行驗證，在FEC方式中，接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯，而且能確定二進制碼元發(fā)生錯誤的位置，從而加以糾正。FEC方式必須使用糾錯碼，發(fā)現(xiàn)錯誤無須通知發(fā)送方重發(fā)，區(qū)別于ARQ方式。

表1 OTN保護方式比較

FEC分為帶內(nèi)FEC和帶外FEC。所謂帶外FEC，是指在SDH層下面另外增加一個FEC層，專門用于FEC的處理。這種方式要進行碼速調(diào)整，增加了線路碼率，從而提高了系統(tǒng)的成本和復雜性；帶內(nèi)編碼是將監(jiān)督碼元映射到幀結(jié)構(gòu)中使用的開銷字節(jié)，即利用未使用的開銷字節(jié)傳送FEC的校驗位，顯然，這種方法避免了碼速調(diào)整，對系統(tǒng)的成本提高不多。但這種方法的譯碼延時比帶外編碼稍大，并占用了部分開銷，同時由于校驗位可獲得的帶寬受限，從而使其糾錯性能受到一定的影響。

ITU-T G.709標準支持OTN技術(shù)即為帶外FEC。G.709標準規(guī)定使用RS編碼，編碼冗余度更大。帶外FEC編碼冗余度大，糾錯能力強，編碼增益也較高，一般可達到5dB～6dB，并且可方便地插入FEC冗余碼而不受SDH幀格式的限制，具有較強的靈活性。

2.3.2 調(diào)制編碼方式

當前40G主要碼型技術(shù)性能對比如表2所示。

通過對比可知，沒有一種技術(shù)能做到各方面都好，每種技術(shù)都有自己最合適的應用場景；ODB作為成熟可行的技術(shù)，性價比高，適合短距離傳送；DPSK PMD容限很小，不適用于骨干層，只適于短距離傳輸；DQPSK各方面性能比較平衡，是干線傳送的主流技術(shù)。

2.4 互聯(lián)互通

2.4.1 OTN網(wǎng)絡域間及域內(nèi)互通接口

OTN傳送網(wǎng)絡從水平方向可分為不同的管理域，其中單個管理域可以由單個設(shè)備商OTN設(shè)備組成，也可由運營商的某個網(wǎng)絡或子網(wǎng)組成，如圖3所示。不同域之間物理連接稱為域間接口（IrDI），域內(nèi)的物理連接稱為域內(nèi)接口（IaDI）。IaDI為非標準接口，所有的器件僅在功能層面是標準化的，具體的實現(xiàn)方式各個廠家有所不同。

圖3 OTN網(wǎng)絡域間及域內(nèi)接口

由于客戶數(shù)字信號通過OTN傳送時可能需要3R中繼，因此，單個的管理域可進一步分割為不同的3R中繼段。通過不同的3R中繼段時，OCH層網(wǎng)絡需要終結(jié)，具體3R的中繼功能由客戶數(shù)字信號到OCH適配的源端和宿端來實現(xiàn)，而客戶數(shù)字信號是否需要終結(jié)，取決于客戶信號的類型。

由于IrDI采用無3R互通的接口尚未規(guī)范，IrDI通過3R再生的方式是IrDI實現(xiàn)互通唯一可行的途徑，具體包括以下四種方式：

（1）非OTN域通過非OTN IrDI和OTN域互聯(lián)

表2 編碼調(diào)制技術(shù)性能對比

非OTN域（如SDH、以太網(wǎng)等）通過非OTN IrDI接口（如SDH接口、以太網(wǎng)接口等）和OTN域?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)，在非OTN IrDI接口的客戶層實現(xiàn)互通。

（2）非OTN域通過OTN IrDI和OTN域互聯(lián)

非OTN域通過OTN IrDI接口和OTN域?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)，在ODU子層實現(xiàn)互通。

（3）OTN域通過非OTN IrDI互聯(lián)

OTN域通過非OTN IrDI接口（如SDH接口、以太網(wǎng)接口等）實現(xiàn)互聯(lián)，在非OTN IrDI接口的客戶層實現(xiàn)互通。

（4）OTN域通過OTN IrDI互聯(lián)

OTN域通過OTN IrDI接口實現(xiàn)互聯(lián)，在ODU子層實現(xiàn)互通。

2.4.2 基于OTN接口的WDM系統(tǒng)的互聯(lián)互通

如上所述，ITU-T為不同廠商設(shè)備OTN互通制定了專門的域間接口IrDI。光層面要求采用白光口對接，消除WDM波長、調(diào)制方式等因素的影響。主要限制在電層面，包括幀結(jié)構(gòu)、開銷處理、FEC處理、業(yè)務信號封裝格式等方面。ITU-T已嚴格定義了OTUk的幀結(jié)構(gòu)、幀定位（FA）、OTUk、ODUk、OPUk等層面的開銷字節(jié)以及標準的RS（255，239）FEC算法。出于不同廠商互聯(lián)互通的要求，F(xiàn)EC可以選擇關(guān)閉或采用標準RS（255，239）算法。關(guān)于各項開銷字節(jié)的處理方法，ITU-T也做了相當完善的定義，多廠商設(shè)備測試結(jié)果也表明，如果嚴格按照ITU-T的技術(shù)規(guī)范進行處理，各種開銷信息都能準確無誤地進行傳遞。從技術(shù)層面考慮，目前WDM系統(tǒng)基于OTN接口的互聯(lián)互通，主要限制因素是客戶信號的映射格式不統(tǒng)一，更確切地說是非SDH/SONET客戶信號的映射格式不統(tǒng)一。主要原因是OTN系列標準尚未定義，標準的Ethernet等數(shù)據(jù)業(yè)務的封裝格式在應用過程中，各廠商提出了不同的解決方案，例如ITU-T G.Sup.43文件中列入的10GE信號映射方案就超過了三種，各廠商GE信號的映射方案也是五花八門。因此，要想推廣WDM系統(tǒng)基于OTN接口的互聯(lián)互通，首先要完成主要業(yè)務映射方案的標準化和統(tǒng)一化。

與基于客戶接口的互聯(lián)互通相比，OTN接口的互聯(lián)互通突出的優(yōu)點是可以提供端到端的性能監(jiān)測，而實現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)就是在ODUk開銷中的TCMi-TCM 6級聯(lián)連接監(jiān)測（TCM）字節(jié)。TCMi開銷與SM、PM開銷一樣都占3個字節(jié)，各字節(jié)的定義也基本相同。通過對6級TCMi進行合理的配置，OTN可以實現(xiàn)端到端的性能監(jiān)測，即在接收端或發(fā)送端就可以實現(xiàn)對故障或者誤碼的基本定位（定位到某個段落），從而減少網(wǎng)管查詢的工作量，提高故障處理效率。

為了支持10GE LAN業(yè)務的全透明傳輸，一些廠商提出用超頻的方式（OTU 2e）承載10GE LAN業(yè)務，此方式已經(jīng)納入ITU-T G.Sup.431。這些超頻幀結(jié)構(gòu)與標準OTUk幀結(jié)構(gòu)完全一致，區(qū)別僅在于時鐘頻率，如果各廠商均按照G.Sup.431定義的方式進行超頻和封裝，不會影響各廠商設(shè)備基于OT N接口的互通和TCMi的應用。

綜上所述，按照目前ITU-T的標準體系，WDM系統(tǒng)是基于OTN接口的互聯(lián)互通（包括TCM功能），在技術(shù)上是可行的，但是在實際應用中，應該解決Ethernet業(yè)務信號映射方案的標準化和統(tǒng)一化問題。

3 結(jié)束語

OTN設(shè)備具有多種業(yè)務信號封裝和透明傳輸、大顆粒帶寬復用、交叉和配置、強大的開銷和維護管理以及先進的組網(wǎng)保護能力的特點，已成為當今最為先進、成熟的大容量傳輸組網(wǎng)技術(shù)，并得到了廣泛的應用。因此，在OTN關(guān)鍵技術(shù)的研究上多做文章，合理選用OTN技術(shù)，組建電力系統(tǒng)大容量傳輸網(wǎng)是適合的，能夠較好的滿足電力系統(tǒng)信息業(yè)務未來的發(fā)展需要。