超100Gbit/s OTN标准及关键技术

杨天普，戴广翀，杜铮，孙冀

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

超100Gbit/s OTN标准及关键技术

杨天普，戴广翀，杜铮，孙冀

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

4G/5G、4K/8K视频和物联网等新型应用和业务不断涌现，驱动带宽需求迅猛增长。超100 Gbit/s时代的来临，驱动OTN在网络架构、业务适配等方面引入创新技术特征，解决了OTN向更高速率扩展的问题，并优化了以太网业务承载能力，使得网络部署更加灵活和经济。本文通过对超100 Gbit/s OTN协议栈、OTUCn帧结构、比特速率、以太网映射、光传输调制技术的研究，提出超100 Gbit/s OTN技术后续演进方向，对相关技术研究和商用均有一定的意义。

超100 Gbit/s；OTN；OTUCn；以太网映射；Flexible grid

1 面向超100Gbit/s的OTN演进

近年来，随着4G/5G、4K/8K视频和物联网等新型业务的兴起，互联网用户数和带宽需求等都呈现出爆炸式的增长。面对巨大的数字洪流，大带宽、高速率成为光传送网演进的必然趋势。OTN因具有强大的综合业务承载能力、可靠的信号管理和监控、灵活的大容量业务调度及疏导等特征，已成为传送网的主流技术。虽然在G.709V3（2009.12）中定义了一种支持可变速率的低阶ODUflex客户侧接口，但线路侧仍局限于2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s和100 Gbit/s的固定带宽，为适应业务发展的趋势，在超100 Gbit/s的波分平台上考虑采用可灵活调整的线路速率，其既兼容已有线路带宽，同时可满足超100 Gbit/s如400 Gbit/s、1T等大超大带宽客户业务的传送需求，以提升光频谱资源利用率，构建高效、灵活、低成本的传送网络。

2 标准演进历程

超100 Gbit/s OTN技术线路侧演进方向，初期业界有两种观点：一种观点认为超100 Gbit/s OTN线路接口速率应遵从传统OTN演进路线，即定义400 Gbit/s OTU5线路速率；另一种观点认为超100 Gbit/s OTN应定义灵活的线路速率OTUCn (n×100 Gbit/s)。

2012年9月ITU-T SG15全会上，国际电信联盟ITU-T将固定速率OTU5和灵活速率OTUCn纳入到超100 Gbit/s OTN研究范畴，并将需要考虑的研究点以及可能的影响列入超100 Gbit/s研究列表，供业界研究。

2013年2月美国Q11中间会议后，越来越多的参会单位投入基于灵活线路速率OTUCn的研究和标准推动。在2013年7月的ITU-T SG15日内瓦会议上达成了一致意见：即采用基于OTUCn的n×100 Gbit/s作为OTN下一步的演进方向。随后，ITU-T SG15 Q11对超100 Gbit/s多方面的技术方案达成了一致意见。

2016年6月，ITU-T SG15正式发布了包含超100 Gbit/s OTN技术规范的G.709V5，超100 Gbit/s OTN技术正式进入商用进程。

3 超100 Gbit/s OTN标准的关键技术

超100 Gbit/s OTN技术标准目前主要包括超100 Gbit/s OTN协议栈、帧结构、比特率、以太网映射等技术，这些技术旨在解决灵活速率适配、复用、映射、精细化管理等问题；另外在传输调制技术上的研究主要解决单通道的信息承载能力、非线性等问题。

3.1 协议栈

超100 Gbit/s OTN采用基于灵活速率的OTUCn（n×100 Gbit/s） 技术，可以提供200 Gbit/s、 300 Gbit/s、400 Gbit/s等n×100 Gbit/s系列多等级灵活速率线路接口，如图1所示。客户侧采用灵活的客户封装容器ODUflex，满足多样化业务、超大颗粒业务承载需求；线路侧采用灵活的n×100 Gbit/s线路速率，满足运营商对光频谱带宽资源的精细化运营，提供端到端弹性传送管道，提高整体网络运营效率。

图1 OTN速率演进

优化的超100 Gbit/s OTN协议栈如图2所示，在已有OTN架构上增加了类似SDH再生段的RS OTUCn和复用段MS ODUCn的层次和开销，使超100 Gbit/s ODUCn可选择在不同层次（再生段、复用段或ODU）进行终结和再生；同时实现了类似SDH的分级监控和管理；另外该方式给网络设计也带来了一定的灵活性和通用性，用户可根据需求选择不同的线路速率，也能适应未来更高线路速率传送需求，如基于OTUC256的25.6 Tbit/s线路速率。

超100 Gbit/s OTN协议栈采用了多级“容器”封装、映射和复用，是现网OTN技术的发展和升级。不过，采用类似SDH再生、复用的功能，虽然调度更加灵活，在监控和管理上也能带来一定的优势，但由于增加大量开销，势必导致传输效率相对降低。

3.2 OTUCn帧结构

n×100 Gbit/s OTUCn有两种不同的帧结构方式：延续已有OTU固定帧结构方式，通过改变OTU帧频支持多种比特速率；保持固定的OTU帧频，通过构建可变的OTU帧结构支持多种比特速率。

图2 超100Gbit/s OTN协议栈

第一种方式定义的OTUCn帧结构为4行3 824列，OTUCn比特速率为N倍的100 Gbit/s速率。该方式需考虑将固定大小（4行3 824列）的OTUCn进行多通道分发，因此会带来设计的复杂度。

第二种方式定义的OTUCn帧结构，是将n个固定速率和固定帧结构的OTUC交织，形成4×3 824×n的帧结构，随着n值的变化形成支持多种速率的OTUCn，其主要由两部分构成：FACn、OTUCn、ODUCn和OPUCn开销区域和OPUCn净荷区域；具体如图3所示。

图3 超100Gbit/s OTUCn帧结构

这种OTUCn帧结构能方便地支持多种n×100 Gbit/s速率，并可容易实现多通道分发，需要说明的是，OTUCn帧结构中不再包含FEC区域，且对于具体的n个OTUC交织方式、后续FEC方案、加扰处理方式等，标准没有进行详细规定，由设备厂商自行确定。

OTUCn帧结构相对于现网使用OTN产品帧结构来说是全新的，全面变革的。由于OTUCn帧结构中不再包含FEC区域，因此在现网产品升级或OTUCn与现场产品混合使用时需对现网FEC区域部分进行重新封装或解封装，虽然在技术实现上并不困难，但OTUCn帧结构实现上各厂家需重点解决与现网产品的一致性问题。

3.3 OTUCn比特速率

超100 Gbit/s ODUCn采用n×100 Gbit/s线路速率。为高效承载400 GE和ODU4，并兼容ODU4速率体系，ODUCn采用ODU4基准速率，并选用合适的速率因子，使得ODUC4必须要能够高效承载4路ODU4或者1路400 GE。最终ITU-T确定为ODUCn采用239/226速率因子，如表1所示。需要说明的是OTUCn帧不包含FEC区域，因此OTUCn速率与ODUCn速率一致。

表1 超100 Gbit/s OTN比特速率

3.4 以太网映射

3.4.1 25GE映射

当前25 GE定义了3种方式。

（1）采用RS (528,514) FEC的多模MMF 25 GBASESR、背板25 GBASE-KR和铜线25 GBASE-CR-L接口。

（2） 采用BASE-R FEC的25 GBASE-CR-S接口。

（3）不带FEC的铜线25 GE接口。

采用RS (528, 514) FEC方式下，25 GE接口需要添加码字标识（CWM），OTN映射处理CWM的方式可以有不同选择，并且会影响OTN承载25 GE的透明性。为了消除以上影响，最终确定针对25 GE提供帧、前导和时钟透明的映射方式。即将25 GE的64 B/66 B编码数据比特同步映射到ODUflex。对于不带FEC的情况，实际上提供的是物理层的比特透明方式；而对于BASE-R FEC方式，需要修正FEC错误并终结，将64 B/65 B翻译成64 B/66 B，再映射到ODUflex；而对于RS FEC方式，需要修正FEC错误并终结FEC，删除CWM，将256 B/257 B翻译为64 B/66 B，同时重新配置IDLE码块，再映射到ODUflex。

3.4.2 400 GE映射

IEEE定义的OTN参考点对400 GE映射存在一定影响。即在映射400GE时，需要终结FEC并删除AM码块，并将码流翻译为64 B/66 B，再BMP映射到ODUflex。但该映射过程需要用28 bit的分频器实现，显得尤为复杂，就当前的技术而言实现起来困难较大。采用RC速率补偿的方式可以有效降低实现复杂度，并将补偿后的数据BMP映射到ODUflex。

3.4.3 FlexE映射

OIF定义的FlexE分为服务层和客户层。FlexE服务层采用n路捆绑100 GBASE-R PHY实现，并且能够灵活划分不同的组。客户层支持10 Gbit/s、25 Gbit/s、40 GE和n×25 Gbit/s以太网接入。FlexE的主要功能在FlexE SHIM中实现，采用类似OTN的TDM时分技术。FlexE的时隙粒度也定义为5G，能够实现以太网业务的复接。

目前ITU-T标准化的OTN承载FlexE的方案主要分为3种。

（1）不感知FlexE映射方案。该方案需要将FlexE的每路PHY采用PCS透明映射方案映射到OTN。该方案需要FlexE SHIM补偿穿越OTN引入的延时差。

（2）终结FlexE的映射方案。该方案需要在映射FlexE到OTN中之前，先终结FlexE的SHIM，解析FlexE的客户信号，然后将FlexE客户信号通过IMP映射到ODUflex中。因为终结了SHIM，因此FlexE只需要补偿FlexE域内的延时差，而不需要考虑OTN引入的延时差。

（3）感知FlexE的映射方案。该方案需要在OTN中保留FlexE SHIM，并且需要识别FlexE帧结构，并删除其中的不可用FlexE时隙块，然后添加填充块，补偿部分FlexE速率。FlexE可以根据不同的组，交织成一路码流，并通过BGMP映射到ODUflex。该方案因删除了不可用时隙，因此承载效率较高，同时尽可能保留了FlexE业务特征。

在研究100 Gbit/s OTN映射时曾考虑过采用10 Gbit/s×10和25 Gbit/s×4将高速串行100 GE信号反向复用成为低速并行信号的方案。因此，25 GE映射方式的研究将在比较成熟的基础上进行，与现网接近，容易实现。FlexE映射虽可解决多元化以太网速率映射，但由于其掺入的时延差，使得技术实现复杂度增加，与现网中映射技术有较大差异，因此，FlexE映射的发展将相对滞后。

3.5 光传输技术

在通信系统中，调制技术可简单分为星座图映射和频谱搬移两个流程，星座图映射是指基带的二进制数据基于系统设计规格转成不同星座图大小的BPSK、QPSK、xQAM等信号格式；频谱搬移则是把基带数据信号转移到适合传输媒质的载波频率上；不同的调制格式，原理上都可以用一种调制器结构来实现。来自发射端DSP的输出信号经DAC输出基带电信号，如果对应QPSK调制，则输出两电平信号，如果对应16QAM调制，则输出4电平信号；如果对应64QAM调制，则输出6电平信号；多幅度电信号分别通过IQ调制器生成多幅度光信号，其中一路光信号相位旋转90°后两路光信号再进行相干，就得到幅度和相位正交调制的QAM信号；该技术方案从架构上和现有的100 Gbit/s调制器基本类似，但是当调制阶数为16QAM或更高阶调制时，电域需要产生多电平幅度，因此对应的驱动器和调制器的线性度比QPSK要求更高。

传统DWDM使用的是固定栅格 (Fixed Grid)技术，符合ITU-T G.694.1标准定义，Fixed Grid只能以固定步进在25～100 GHz固定带宽的通道中传输相应速率的光信号，导致相应的100 Gbit/s、10 Gbit/s等技术系统组件、设备单元及网络管理控制也只能据此设计。超100 Gbit/s使用高阶调制技术提升单通道承载信息量，同时，也需要考虑整网方案优化频谱效率从而提升资源利用率。在超100 Gbit/s高速传输中，400 G/1 Tbit/s信号将占据更大的频谱带宽，面向多速率混合组网的场景如依旧采用Fixed Grid，会造成通道带宽轻载和频谱浪费、从而降低光纤资源利用率，如图4所示。

Flexible Grid技术采用可变栅格来完成传输业务与网络带宽的按需匹配，解决传统波长间隔的刚性限制，从而实现灵活的网络规划管理及提升频谱利用率。ITU-T Q6已经正式引入Flexible Grid技术，并对可变栅格使能技术、器件成熟度和应用场景进行了深入研究，为实现未来灵活组网、多速率混传提供了可能。

从应用上来看，Flexible Grid技术的应用需对全网频谱资源进行更加精细管理，在管控的复杂度、精细化、带宽抑制、频谱分配等方面操作较难，现网条件和资源暂不能满足其需求，因此，需各方面技术进一步成熟，满足网络精细化管理能力之后才可实现。

4 超100 Gbit/s OTN后续演进

随着G.709版本5的正式发布，业界已经开始探讨后续可能的物理层接口演进方向。例如定义FlexO IrDI接口，支持B100 Gbit/s OTN采用以太网客户侧模块实现互联互通。该FlexO IrDI接口能够重用以太网100 G/200 G/400 Gbit/s模块，实现灵活速率的IrDI接口能力。甚至扩展FlexO至Mv IaDI接口，实现城域范围内的互联互通。

图4 传统Fixed Grid网络和Flexible Grid网络

除了更强的互联互通能力，业界还在探讨扩展OTN的可编程能力。即在维持现有OTN投资的同时，实现一定程度的硬件可编程。该技术能够基于客户需求，定制传送网带宽，提供高效、低延时的5G、4K/8K视频等新型业务的承载。

5 结束语

ITU-T定义的超100 Gbit/s OTN技术在OTUCn协议栈、帧结构、线路速率和客户信号映射等方面均采用了与以往不同的解决方案，最大限度满足运营商大带宽、多样化业务的承载需求，提高网络带宽资源利用率，降低运营商网络成本。随着超100 Gbit/s OTN标准和产业链的成熟，超100 Gbit/s OTN技术必将在未来网络中获得大规模商用。

Research on standards and key technologies of beyond 100 Gbit/s OTN

YANG Tian-pu, DAI Guang-chong, DU Zheng, SUN Ji
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Bandwidth requirements substantially increase with the continuous emergence of innovative applications and services, such as 4G/5G, 4K/8K video, and Internet of things. The incoming beyond 100Gbit/s era drives the introduction of innovative technologies into OTN in the aspects of network architecture and service adaptation. These technologies enable OTN evolution towards higher rates, optimize the ethernet service bearer capability, and achieve more flexible and economical network deployment. Based on the research on the beyond 100Gbit/s OTN protocol stack, OTUCn frame structure, bit rate, ethernet mapping, and optical transmission modulation technologies, this document proposes the evolution direction of the beyond 100Gbit/s OTN technology and is meaningful to research and commercial use of related technologies.

beyond 100Gbit/s; OTN; OTUCn; ethernet mapping; Flexible Grid

TN915

A

1008-5599（2017）04-0032-05

2017-03-03