OTN引入电力通信网的关键技术分析

文｜西北电力设计院 刘庆欣

1 引言

传统的电力通信网是为安全生产、调度、指挥服务而建设的。由于定位不同，电力通信网建设相对分散，从而造成网络业务有限、结构单一、接入方式简单等问题。就电力系统而言，原来的信息业务具有单一、窄带化的特点，主要通信方式有调度、行政电话和电话会议、自动化信息通信等，这对于原来电力系统原有的通信建设、运行、管理以及网络模式还较为适应。“十二五”期间，随着非实时、高带宽、大颗粒IP业务的快速增长以及信息业务的综合化、宽带化和多媒体化，对现代通信提出了严峻的挑战。由于信息化进程的加速，对信源和信宿之间的通信网的通信能力、通信结构及方式、业务承载能力、安全可靠性提出了新的要求。因此，如何利用新技术促进通信网络的发展，如何提升通信网络整体能力，如何降低整体网络的综合成本以及如何保证网络的可持续发展，来充分满足电力系统在“十二五”中后期适应信息化时代产生的日益增长的通信需求，是电力系统通信发展的根本任务。电力通信系统国家干线和许多省内、省际干线，目前主要采用2.5G、10G的传输容量，随着长途骨干网承载业务量的爆炸式增长，基于TDM设计理念承载CBR业务的SDH技术已成为瓶颈，而传统的WDM只能提供点对点的大颗粒管道，却不能组网且不具备灵活的调度管理功能和网络的生存性。OTN作为海量业务带宽的新型传输技术以其可管理易调度的特点，被业界认为是下一代传送网技术的首选，因而，现阶段正是电力系统引入该技术的契机。下文主要针对OTN引入的一些关键技术作初步的分析与探讨。

2 OTN关键技术

2.1 光/电交叉技术

根据OTN设备的接口适配、线路接口以及光/电交叉等功能的不同，可以分为OTN终端复用设备、电交叉设备、光交叉设备及光电混合设备四种类型。

（1）OTN终端复用设备

OTN终端复用设备指支持电层（ODUk）和光层（OCH）复用的WDM传输设备。

这种OTN设备用白光OTUk接口代替传统传送设备SDH和以太网等客户业务接口，实现不同厂商传送设备互联，通过OTN信号可以实现对波长通道端对端的性能及故障监测。

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，为未来引入大容量的OTN交叉设备做准备；同时，OTN可以实现多种客户信号的透明传送，这是路由器采用10GE接口的前提条件。因此，标准的OTN域间互通接口将是WDM系统进行互通的主要接口形式。目前，国内外主流厂商的WDM系统均支持G.709标准的OTN接口，可以实现不同系统的互通，并且大多数厂商的WDM设备支持 OTU2 信号的网管支配选择， 便于对OTU应用方式（上下业务或中继）进行选择。

（2）OTN电交叉设备

OTN电交叉设备（即OTH）完成ODUk级别的电路交叉功能，为OTN网络提供灵活的电路调度和保护能力。OTN电交叉设备可以独立存在，对外提供各种业务接口和OTUk接口（包括IrDI接口）；也可以与OTN终端复用功能集成在一起，除了提供各种业务接口和OTUk接口（包括IrDI接口）以外，同时提供光复用段和光传输段功能，支持WDM传输。

（3）OTN光交叉设备

OTN光交叉设备（即ROADM/PXC）提供OCH光层调度能力，实现波长级别业务的调度和保护恢复，目前，这类设备的形态为ROADM。采用这类设备组网，可以减少光电光转换环节，从而在一定程度上降低成本。但其组网受传输距离、保护倒换速度、波长分配冲突、多厂商设备互联能力和不同规格WDM线路系统等条件的限制，导致交叉的灵活性受到一定的限制。

（4）OTN光电混合交叉设备

OTN光电交叉设备可以与OTN光交叉设备相结合，同时提供ODUk电层和OCH光层调度能力，波长级别的业务可以直接通过OCH交叉，其他需要调度的业务经过ODUk交叉，两者配合可以优势互补，又同时规避各自的劣势。这种大容量的调度设备就是OTN光电混合交叉设备。

综上所述，基于光（波长）交叉的ROADM设备的主要优势是基于波长调度，子网内部全光操作，省去了O-E-O功能单元，有效地实现在增加组网灵活性的同时降低光电变换的组网成本，但组网半径和物理参数（如色度色散、偏振模色散、非线性效应、光信噪比等）限制等因素在一定程度上妨碍了ROADM在大范围和传输线路复杂环境下的组网应用。基于电（ODUk）交叉的OTN设备正好规避了ROADM设备的这些缺陷，可以同时支持波长和子波长粒度的调度，但有限的调度容量限制了其在大容量节点组网中的应用。同时支持光电混合调度的OTN设备可以在一定程度上解决上述这些缺陷，但在实际组网应用中，尤其是在省际干线组网应用时，采用单一厂家组网的可能性不大。因此，采用支持光电混合调度的OTN设备也并不是任何场景都适用。另外，对于仅需固定提供大容量传送带宽的应用场景，基于点到点的OTN传送设备依然是最佳选择。

简言之，基于OTN的四种设备类型中并没有哪种设备具有绝对的应用优势，而是应根据其应用的网络层面、业务传送需求和实际组网成本等多方因素综合选择，同时可采用分域的方式解决组网的一些限制因素。

2.2 网络保护

OTN中生存性技术主要包括保护技术和恢复技术。保护就是在网络中预先为业务分配保护路径，发生故障后，将受影响的业务倒换到事先已连接好的保护路径上去。恢复是指在网络中并不对业务预先分配保护资源，而是在发生故障后使可用容量上根据一定的算法和策略选择并建立新的业务路径，这两种方式各有优缺点。

《光传送网（OTN）网络整体技术要求》（YD/T 1990-2009）标准中提出了三种保护类型：线性路径保护、子网连接保护（ODUk SNC）和共享保护环。

2.2.1 线性路径保护

线性路径保护一般包括基于光放段光缆线路保护（OLP）、基于光复用段层（OMSP）的保护和基于单个波长的光通道层保护（OCP）等。线性路径保护主要采用光保护单板（OP）的双发选收功能，在相邻的光放站或光复用站间，利用分离路由对光纤或光通道提供保护，倒换一般在单端进行，不需要APS协议。

（1）OCH 1+1保护

OCH 1+1保护是采用OCH信号并发选收的原理。保护倒换动作只发生在宿端，在源端进行永久桥接。一般情况下，OCH 1+1保护工作支持可返回操作，并且允许用户进行配置。

（2）OCH 1:N保护

1个或多个工作通道共享1个保护通道资源。当超过1个工作通道处于故障状态时，OCH 1:N保护类型只能对其中优先级最高的工作通道进行保护。OCH 1:N保护支持可返回与不可返回两种操作类型，并允许用户进行配置。OCH 1:N保护支持单向倒换与双向倒换，并允许用户进行配置。不管对于单向倒换还是双向倒换，OCH 1:N保护都需要在保护组内进行APS协议交互，OCH 1:N保护可以支持额外业务。

图1 ODUk 1+1 SNC保护示意图

2.2.2 ODUk SNC保护

子网连接（SNC）保护是一种专用保护机制，可以用于任何物理结构（即网状、环状和混合结构），对子网络连接中的网元数量没有根本的限制。

在ODUk层采用子网连接保护（SNCP）。子网连接保护是用于保护一个运营商网络或多个运营商网络内的一部分路径。一旦检测到启动倒换事件，保护倒换应在50ms内完成。受到保护的子网连接可以是两个连接点（CP）之间，也可以是一个连接点和一个终结连接点之间（TCP）或两个终结连接点之间的完整端到端的网络连接。

与SDH类似，子网连接保护可以看作是失效条件的检测，是在服务层网络、子层或其他传送网络，而保护倒换的动作是发生在客户层网络的保护方法。从倒换类型上看，子网连接保护主要包括ODUk 1+1保护和ODUk M:N保护两种。

（1）ODUk 1+1 保护

对于ODUk 1+1保护，一个单独的工作信号由一个单独的保护实体进行保护。如图1所示，保护倒换动作只发生在宿端，在源端进行永久桥接。

（2）ODUk M:N保护

ODUk M:N保护指一个或N个工作ODUk共享1个或M个保护ODUk资源。每一个保护传送实体带宽的划分都应保证在最少有一个M保护传送实体时对任何N工作传送实体进行保护。当确定某一个工作传送实体受到损伤时，首先将其正常流量信号分配至一个可用的保护传送实体，之后在受保护域的源和汇集端点中，将信号从工作保护实体转向被分配的保护传送实体。应当指出，当多个M工作传送实体受到损伤时，只有一个M工作传送实体能够得到保护。

2.2.3 环网保护

（1）OCH SPRing保护

OCH SPRing（光通道共享环保护）只能用于环网结构，如图2所示。其中细实线XW表示工作波长，细虚线XP表示保护波长，粗实线YW表示反方向工作波长，粗虚线YP表示反方向保护波长。

图2 OCH SPRing组网示意图

（2）ODUk SPRing 保护

ODUk SPRing保护只能用于环网结构，同图2所示，其中细实线XW表示工作ODU，细虚线XP表示保护ODU，粗实线YW表示反方向工作ODU，粗虚线YP表示反方向保护ODU。

ODUk SPRing保护仅仅在环上的节点对信号质量情况进行检测，作为保护倒换条件，对协议的传递也仅仅需要环上的节点进行相应处理。ODUk SPRing保护仅支持双向倒换，其保护倒换粒度为ODUk。ODUk SPRing保护仅在业务上下路节点发生保护倒换动作。ODUk SPRing保护需要在保护组内相关节点进行APS协议交互。ODUk SPRing保护同时支持可返回与不可返回两种操作类型，并允许用户进行配置。ODUk SPRing保护在多点故障要求不能发生错连。

2.2.4 多种保护与恢复方面的比较

OTN保护方式比较，如表1所示。

2.3 调制编解码技术

2.3.1 FEC编码

FEC是一种数据编码技术，传输中检错由接收方进行验证，在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。FEC方式必须使用纠错码，发现错误无须通知发送方重发，区别于ARQ方式。

表1 OTN保护方式比较

FEC分为带内FEC和带外FEC。所谓带外FEC，是指在SDH层下面另外增加一个FEC层，专门用于FEC的处理。这种方式要进行码速调整，增加了线路码率，从而提高了系统的成本和复杂性；带内编码是将监督码元映射到帧结构中使用的开销字节，即利用未使用的开销字节传送FEC的校验位，显然，这种方法避免了码速调整，对系统的成本提高不多。但这种方法的译码延时比带外编码稍大，并占用了部分开销，同时由于校验位可获得的带宽受限，从而使其纠错性能受到一定的影响。

ITU-T G.709标准支持OTN技术即为带外FEC。G.709标准规定使用RS编码，编码冗余度更大。带外FEC编码冗余度大，纠错能力强，编码增益也较高，一般可达到5dB～6dB，并且可方便地插入FEC冗余码而不受SDH帧格式的限制，具有较强的灵活性。

2.3.2 调制编码方式

当前40G主要码型技术性能对比如表2所示。

通过对比可知，没有一种技术能做到各方面都好，每种技术都有自己最合适的应用场景；ODB作为成熟可行的技术，性价比高，适合短距离传送；DPSK PMD容限很小，不适用于骨干层，只适于短距离传输；DQPSK各方面性能比较平衡，是干线传送的主流技术。

2.4 互联互通

2.4.1 OTN网络域间及域内互通接口

OTN传送网络从水平方向可分为不同的管理域，其中单个管理域可以由单个设备商OTN设备组成，也可由运营商的某个网络或子网组成，如图3所示。不同域之间物理连接称为域间接口（IrDI），域内的物理连接称为域内接口（IaDI）。IaDI为非标准接口，所有的器件仅在功能层面是标准化的，具体的实现方式各个厂家有所不同。

图3 OTN网络域间及域内接口

由于客户数字信号通过OTN传送时可能需要3R中继，因此，单个的管理域可进一步分割为不同的3R中继段。通过不同的3R中继段时，OCH层网络需要终结，具体3R的中继功能由客户数字信号到OCH适配的源端和宿端来实现，而客户数字信号是否需要终结，取决于客户信号的类型。

由于IrDI采用无3R互通的接口尚未规范，IrDI通过3R再生的方式是IrDI实现互通唯一可行的途径，具体包括以下四种方式：

（1）非OTN域通过非OTN IrDI和OTN域互联

表2 编码调制技术性能对比

非OTN域（如SDH、以太网等）通过非OTN IrDI接口（如SDH接口、以太网接口等）和OTN域实现互联，在非OTN IrDI接口的客户层实现互通。

（2）非OTN域通过OTN IrDI和OTN域互联

非OTN域通过OTN IrDI接口和OTN域实现互联，在ODU子层实现互通。

（3）OTN域通过非OTN IrDI互联

OTN域通过非OTN IrDI接口（如SDH接口、以太网接口等）实现互联，在非OTN IrDI接口的客户层实现互通。

（4）OTN域通过OTN IrDI互联

OTN域通过OTN IrDI接口实现互联，在ODU子层实现互通。

2.4.2 基于OTN接口的WDM系统的互联互通

如上所述，ITU-T为不同厂商设备OTN互通制定了专门的域间接口IrDI。光层面要求采用白光口对接，消除WDM波长、调制方式等因素的影响。主要限制在电层面，包括帧结构、开销处理、FEC处理、业务信号封装格式等方面。ITU-T已严格定义了OTUk的帧结构、帧定位（FA）、OTUk、ODUk、OPUk等层面的开销字节以及标准的RS（255，239）FEC算法。出于不同厂商互联互通的要求，FEC可以选择关闭或采用标准RS（255，239）算法。关于各项开销字节的处理方法，ITU-T也做了相当完善的定义，多厂商设备测试结果也表明，如果严格按照ITU-T的技术规范进行处理，各种开销信息都能准确无误地进行传递。从技术层面考虑，目前WDM系统基于OTN接口的互联互通，主要限制因素是客户信号的映射格式不统一，更确切地说是非SDH/SONET客户信号的映射格式不统一。主要原因是OTN系列标准尚未定义，标准的Ethernet等数据业务的封装格式在应用过程中，各厂商提出了不同的解决方案，例如ITU-T G.Sup.43文件中列入的10GE信号映射方案就超过了三种，各厂商GE信号的映射方案也是五花八门。因此，要想推广WDM系统基于OTN接口的互联互通，首先要完成主要业务映射方案的标准化和统一化。

与基于客户接口的互联互通相比，OTN接口的互联互通突出的优点是可以提供端到端的性能监测，而实现这一切的基础就是在ODUk开销中的TCMi-TCM 6级联连接监测（TCM）字节。TCMi开销与SM、PM开销一样都占3个字节，各字节的定义也基本相同。通过对6级TCMi进行合理的配置，OTN可以实现端到端的性能监测，即在接收端或发送端就可以实现对故障或者误码的基本定位（定位到某个段落），从而减少网管查询的工作量，提高故障处理效率。

为了支持10GE LAN业务的全透明传输，一些厂商提出用超频的方式（OTU 2e）承载10GE LAN业务，此方式已经纳入ITU-T G.Sup.431。这些超频帧结构与标准OTUk帧结构完全一致，区别仅在于时钟频率，如果各厂商均按照G.Sup.431定义的方式进行超频和封装，不会影响各厂商设备基于OT N接口的互通和TCMi的应用。

综上所述，按照目前ITU-T的标准体系，WDM系统是基于OTN接口的互联互通（包括TCM功能），在技术上是可行的，但是在实际应用中，应该解决Ethernet业务信号映射方案的标准化和统一化问题。

3 结束语

OTN设备具有多种业务信号封装和透明传输、大颗粒带宽复用、交叉和配置、强大的开销和维护管理以及先进的组网保护能力的特点，已成为当今最为先进、成熟的大容量传输组网技术，并得到了广泛的应用。因此，在OTN关键技术的研究上多做文章，合理选用OTN技术，组建电力系统大容量传输网是适合的，能够较好的满足电力系统信息业务未来的发展需要。