OTN技术特点及发展趋势分析*

李海量 ，张 红 ，张晶晶

（1.中国电信股份有限公司河南分公司 郑州 450000；2.中讯邮电咨询设计院有限公司 北京 100048；3.中国联合网络通信集团有限公司 北京 100140）

1 前言

伴随IP业务的蓬勃发展，波分网络扮演了越来越重要的角色，以往在电层实现的多种网络拓扑、网络颗粒也将下移到波分层面，与之相伴的是网络的灵活调度和生存性问题日益突出，传统的点对点WDM（波分复用）传输已经不能满足需求，OTN（optical transport network，光传送网）技术因此得以快速发展。OTN技术自2010年开始规模应用，目前各运营商在现网均已部署大量城域OTN设备。现网常用的OTN设备类型包括OTN光终端复用设备（OTM）、OTN电交叉连接设备和OTN光交叉连接设备。目前主流传送设备商都支持以上3种类型。

随着大颗粒带宽业务的持续强劲驱动和OTN设备的逐渐应用，OTN将朝着逐步提升OTN设备功能、性能的方向发展，主要体现为大容量交叉、多粒度调度、长距离传输、智能化演进和分组化融合等。本文在简要描述OTN技术特点的基础上，详细分析了OTN技术的未来演进方向。

2 OTN技术特点

OTN技术主要有以下特点。

（1）多种客户信号综合承载

OTN帧可以接入多种业务信号，这就使得OTN成为以太网、MPLS、光纤通道、HDLC/PPP、PRP、IP、FICON、ESCON及DVB ASI视频信号等多业务综合承载的传送平台。

（2）业务透明传输

OTN 定义的 OPUk（overhead processing unit k，开销处理单元k）容器在业务映射和传输中一般不更改它们的任何净荷和开销信息，异步映射模式也保证了客户信号定时信息的“透明”。

（3）FEC 标准化

在OTN标准体系中，明确了前向纠错 （FEC）技术。FEC可以显著增加光层传输的距离：采用标准G.709的FEC编码，光信噪比（OSNR）容限可降低 5～7 dB；采用增强型FEC编码，OSNR容限可降低7～9 dB。

另外，通过对FEC纠错前误码率的在线实时测试，丰富了OTN的在线维护指标和技术手段。随着WDM波道速率的不断提升，系统性能也不能简单通过OSNR进行判断。

（4）大颗粒的业务复用、交叉和配置

OTN 定义的 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），相对于SDH的VC-12/VC-4的业务颗粒，OTN处理的颗粒明显要大很多。

多样的高速率颗粒使得OTN的业务封装成本低、交叉效率高、带宽利用率高，设备也更容易实现大的交叉连接。

（5）强大的开销和维护管理能力

OTN提供类似SDH的开销管理能力：

·OTUk（optical channel transport unit k）层的段监控（section monitoring，SM）字节可以对电再生段进行性能和故障监测；

·ODUk（optical channel data unit k）层的通道监测（path monitoring，PM）字节可以对端到端的波长通道进行性能和故障监测。

这些丰富的开销使OTN具备类似SDH的性能和故障监测能力。

（6）涵盖光层和电层两个层面，增强了组网和保护能力

通过OTN电交叉连接设备和多维光交叉连接设备（如ROADM（可重配置的光分插复用器）），大大增强了光层的组网能力。光层交叉连接设备的应用将大大减少对OTU的需求，降低网络运营成本。

能够提供比较灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如基于ODU层的 SNCP（sub network connection protection，子网连接保护）和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。

（7）多样化的设备类型，满足各种场景的应用需要

OTN技术能够提供终端复用设备、电交叉连接设备、光交叉连接设备、光电混合交叉连接设备等多种类型，满足链型网络、环型网络、网状网络等多种应用场景的需求。

3 OTN技术的分组化演进

由于业务网IP化的不断发展，OTN技术分组化将是OTN技术未来发展的方向。2010年5月在ITU-T全会上讨论了E-OTN的应用场景，在此基础上，中国通信标准化协会(CCSA)于2011年开始制定分组增强型OTN设备技术要求，目前该标准已进入报批稿阶段。在2012年9月的ITU-T SG15会议上，也明确将CCSA定义的分组增强型OTN相关内容引入G.709和G.798.1等标准中。

分组增强型OTN设备是OTN设备和分组设备的进一步融合，采用多平面或统一交叉模型实现ODU时隙的TDM交叉和分组交换功能，深化多业务的综合接入。分组增强型OTN设备技术要求明确定义了分组增强型OTN的两种设备架构，包括板卡式和集中交叉式，分别如图1和图2所示。

板卡式设备架构类似传统MSTP的架构，在OTN设备上增加具有分组业务处理能力的板卡，实现板卡级分组业务的接入、交换、汇聚和传送；ODUk级的交换通过OTN设备电交叉矩阵完成。这种方式属于分组增强型OTN技术的初级阶段，单板分组业务的吞吐量可达到100 Gbit/s。

集中交叉式设备架构采用统一交换矩阵技术，基于该技术的产品发展很快，也促进分组交换和ODUk交叉融合，相应产品已经出现，部分设备厂商已经能够提供基于该技术的初级产品，但在分组业务处理方面的功能和性能都还不完善。

近期中国电信、中国联通等运营商都将进行分组增强型OTN设备和组网测试，预计在2013年底，分组增强型OTN设备将在现网进行部署。

4 OTN技术的智能化演进

无论是ITU-T、IETF还是国内的CCSA，都在OTN标准体系中提到智能控制平面的要求。在2010年中国电信、中国联通组织的OTN技术测试中，多数厂商都能够支持智能控制技术，但目前在OTN上的智能控制技术的功能与基于SDH的ASON（自动交换光网络）相比，还需更多改进。

在电层 ，OTN包括 ODU0、ODU1、ODU2、ODU3、ODU4等多种颗粒，比基于SDH的ASON的VC4颗粒多，而OTN多颗粒的业务在复用和时隙占用上有较多的限制，如何通过智能控制选择时隙和通道，避免系统资源的不合理利用，是需要智能控制技术解决的问题。

在光层，全光层智能控制技术WSON（wavelength switchedopticalnetwork）主要采用通用多协议标签交换（GMPLS）技术和路径计算单元（PCE）技术等控制平面技术，实现波长路由的动态调度，通过光层自身自动完成波长路由计算和波长分配，实现波长调度的智能化，提高WDM网络调度的灵活性和网络管理的效率。但在WSON中，光路径的配置受到底层物理传输系统和链路层物理特性的诸多限制。例如：路由和波长分配需要考虑的设备单元包括波分复用链路、可调谐激光器、ROADM以及波长转换器。对于光层的损伤，在接入、城域和长距WSON系统中考虑的技术因素各不相同。因此，在WSON中，为了实现动态的光路径建立，就需要对现有的GMPLS和PCE控制平面协议进行扩展，通过静态配置或者动态监测等手段，获取底层的物理层信息，通过动态信令和路由控制，完成端到端光路径的配置。

基于上述原因，WSON目前需要重点研究和解决以下问题。

·WSON的路由和波长分配体系架构，主要分析WSON系统架构及WSON中的路由和波长分配（RWA）问题。

·WSON的信息建模主要分析WSON中传输物理层的限制条件，对网络中的节点和链路进行信息建模，便于实现GMPLS以及PCE的路由和信令扩展。

·WSON的信令扩展主要包括标签扩展机制和标签分配机制，用于指示建立底层的波长交叉，WSON的信令扩展重点关注WSON中双向路径建立的标签分配机制。

·WSON的路由扩展主要考虑路由消息的洪泛机制，实现网络中节点和链路信息的高效广播传送。

·WSON的损伤感知机制主要考虑物理层的特性，如色散、损耗等，同时结合网络提供的损伤补偿机制以及路由控制技术，在路径计算的过程中避免有损伤的物理链路。

5 向光子集成技术方向发展

电子集成电路目前应用普遍，但光子集成电路（photonic integrated circuit，PIC）还比较少，导致现在的光通信系统设备体积大、耗电大，部件和板卡之间的连纤量大、难以管理，很难满足业务对带宽不断高速增长的需求。光子集成技术是光通信技术未来发展的主要方向之一。

光子集成技术通过材料生长技术和光刻技术将不同功能分离的光器件，例如激光器、检测器、光调制解调器等集成在单个衬底上，构成单片集成电路。这种光子集成技术器件结构紧凑小巧，性能可以满足大多数光纤通信系统的需求。目前已经能够实现4对OTU、10对OTU和40对OTU的集成芯片。每个OTU的速率为10 Gbit/s，甚至为40 Gbit/s。

从上述光子集成技术特点来看，光通信技术从分离光器件向光子集成器件的演进可以与当年电子产品从晶体管向集成电路的演进相类比，其优势也可以类比，与传统光通信技术相比，其主要优点如下。

·根据统计分析，光层系统70%的故障问题都是光纤耦合导致的，光子集成将大量的光纤耦合集成在PIC中，大大减少了光纤连接的数量，从而大幅度提高网络的可靠性。采用PIC的40×10 Gbit/s WDM系统仅需要一个子架即可，传统40×10 Gbit/s WDM系统需要2个机架。

·大量的光纤连接和光子器件集成在PIC中，大幅度减少了器件和板卡的数量，从而降低了维护工作量。

·PIC大大降低了设备的尺寸，大幅度降低对机房面积的需求（目前产品不足传统设备的1/4），间接降低网络成本。

·PIC大大降低了设备功耗（目前产品不足传统设备的1/3），减少日常运维支出。

自2004年第一款集成了50个光子器件的PIC出现，光子集成技术迅速发展，目前英飞朗公司、CIP技术公司、OneChip Photonic和Enablence Technology等公司的光子集成产品相继进入市场。

国内部分设备厂商在其OTN产品上也开发出基于光子集成技术的产品，将12个或20个10 Gbit/s线路侧光模块、合分波器等器件集成到一个芯片上，实现120 Gbit/s/200 Gbit/s容量传输，简化网络配置，实现系统的快速部署，可应用于小容量汇聚层网络或业务发展较快的边缘层网络。

6 超100 Gbit/s时代的OTN承载模式

400GE作为400 Gbit/s OTN的主要客户侧信号，驱动着OTN向400 Gbit/s演进，400 Gbit/s OTN如何有效承载400GE将成为亟待解决的关键技术问题。同时400 Gbit/s OTN的定义也必须兼容已有低阶的ODU业务，即如何做到有效承载 ODU0、ODU1、ODU2、ODU2e、ODU3、ODU3e1、ODU3e2及ODU4等低速业务信号。随着速率的提升，以小颗粒划分时隙，在一定程度上使400 Gbit/s OTN时隙管理复杂化以及低阶到高阶的映射复用复杂化。

2012年9月的ITU-T SG15会议上，明确提出了OTN速率达到100 Gbit/s后的两种演进方案，一是传统的OTN演进思路，引入一种新的400 Gbit/s速率等级的OTU5；二是向着flex-OTN演进，引入一种新的速率灵活可变的OTUflex，可兼容400GE业务的有效传送。

（1）固定比特率OTU5

固定比特率承载模式如图3所示。对于400GE客户信号，可以通过GMP方式完成400GE业务的映射及封装到OTU5，实现400GE的串行比特透传。对于低速率信号，可将400 Gbit/s OTN划分为多个时隙 （如320个等），通过GMP方式进行低阶到高阶的映射复用，兼容现有的OTN体系架构，可以承载所有低阶ODUk信号。

该方式延用现有网络规划和维护方式，技术实现较容易。但是也存在网络速率升级造成组网的复杂性、低速接口的再利用问题等，并且在400 Gbit/s之后，速率的升级并不能显著提高频谱效率。

（2）灵活比特流flex-OTN

灵活比特率承载模式如图4所示。flex-OTN承载模式需要定义N倍基准速率的高阶ODUflex/OTUflex，其中基准速率可以考虑选择为 25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s、200 Gbit/s、400 Gbit/s等。针对各种不同的高阶OTUflex线路速率，不再考虑类似PDH的层层复用功能，仅需要复用现有的低阶ODU到高阶ODUflex/OTUflex。灵活多样的线路速率能够满足不同应用场景下对传送带宽的需求。

图3 400 Gbit/s OTN承载模式——固定比特率

图4 400 Gbit/s OTN承载模式——灵活比特率

该方式可以避免运营商速率选择的风险，可根据业务带宽需求灵活配置接口速率，提高设备和频谱资源利用率。但该方式将改变现有网络规划和维护方式，技术实现难度较大。

7 结束语

OTN技术作为高带宽传送技术，在多业务承载和分组化演进方面符合融合网络的发展方向。预计在未来几年，将会不断有更大交叉容量（超过10 Tbit/s）的OTN交叉设备面世，在适应全业务发展的同时，其有力的网络支撑能力也将对数据业务发展起到强大的推动作用，届时能够提供大颗粒带宽的调度与管理的OTN将真正成为能够灵活调度、具备保护恢复功能的新一代光网络。