OTN技术原理完整可编辑版.ppt

张杰北京邮电大学信息光子学与光通信研究院北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验2011.5.23,OTN技术原理及相关标准,提纲,历史,光电报光电话光纤通信,接收,早期的视觉光通信,“Troyisdead！”,从“烽火戏诸侯”到“特洛伊之战”,ClaudeChappe的“光电报”,欧洲最早的通信网络(1793-1852年),AlexanderGrahamBell的“光电话”,电池,光源,听筒,话筒,光束,带狭缝的活动和固定板,焦点处配备硒接收装置的反射镜,接收器发射器,光电话系统工作原理,光电话系统实验装置,1880年6月3日，继发明电话后4年贝尔实验了人类历史上的第一个光电话(LightTelephone)通信系统,(1847-1922),Bell和他的光电话,光纤通信,十九世纪人们就已经掌握了内反射现象的基本原理（JohnTyndall,1870）早期即使带包层的光纤损耗也可达1000dB/km左右（1960）工艺改进使接近理论极限的低损耗光纤成为可能（约1979）,内反射现象,水从容器中流出,光由表面反射,光线逐渐泄漏,激光光源特点,激射的一般条件：激励物质泵浦源谐振腔,普通光,激光,单色性好相干性好汇聚性好,发散角小方向性强亮度集中,非相干光，谱线很宽空间发散，方向性差难以汇聚，强度不高,粒子数反转分布,光信号正反馈与频率选择,伽马射线X-射线紫外光可见光红外光无线电波,波长（nm）,10-4,1,102,104,106,108,1010,10-2,1012,光纤的电磁波谱,光纤通信系统组成,强度调制-直接检测(IM-DD)光纤数字通信系统组成框图,信道(传输媒质),Tx,TZ,Amp,Amp,D,Q,C,I,时钟提取,判决电路,CDR,光缆,驱动电路,Rx,光发射端机,光接收端机,发光二极管或激光器,光电检测器,电数据信号,电数据信号,现状,水平与趋势需求与挑战现状与问题,当前我国网络的总体水平,Source:MIIT;CNNIC,新业务对接入带宽的要求,全球业务发展趋势预测,2009-2014年全球IP业务增长4倍以上，达到0.767Zettabyte，年复合增长率(CAGR)为34%到2014年，1个人需要花费2年以上时间才能看完IP网上在1秒内传播的视频业务流量，或者花费7200万年看完IP网上全年传播的视频业务流量,Zettabyte时代,高性能的光传送网技术,需求与挑战,挑战之一：容量,CAP,当前容量Tb/s，单通道速率40Gb/s未来10-15年容量Pb/s，单通道速率Tb/s级,现象：系统容量快速增长,措施：提高全光频谱效率,挑战之二：灵活性,CAP,基于IP的各种新业务,对光网络的期盼,问题:光交换与光联网能否很好地支持分组(IP)?,光网络,动态,灵活,高效,实现全光弹性化,挑战之三：功耗,CAP,光传送网现状：干线传送网,光传送网现状：城域传送网,光传送网现状：干线/城域核心,光传送网现状：城域接入与汇聚,承载业务流构成的演变,纯IP承载,TDM(SDH),TDM承载,2001-2010,2010-,1997-2001,比例,IP业务流,TDM业务流,Backbone,面向AllIP业务的传送网,Metro,对传送网的需求业务宽带化大颗粒/大流量业务调度网络融合化多业务承载与传递能力传送智能化自动交换/可控可管/业务感知流量突发性动态带宽调整接口统一性简化承载网和提高效率网络安全性电信级的OAM和可靠性,骨干网,AllIP化对传送网的影响,传送网面临转型的压力,SDH/MSTP以太网PTNOTN？,IP/MPLScore,OpticalCore(WDM,SDH,OTH,ROADM?),城域业务接入与汇聚,城域网核心层,干线网,ASON/GMPLS控制平面,网络管理平面,方向,光传输技术光交换技术光联网技术,IP驱动,传送网,光,灵活光交换,智能光联网,高速光传输,IP业务驱动：扁平化结构,光传输技术：超高速,光交换技术：灵活性,光电路交换,光突发交换,光分组交换,光电路交换网络,交换平面,控制平面,端到端信令,波长光通路,-routing,光交叉连接节点,GMPLS控制器,光分组交换网络,交换平面,控制平面,光分组交换节点,OPS控制器,光突发交换网络,交换平面,控制平面,光突发交换节点,OBS控制器,光联网技术：智能化,MPS,通用多协议标签交换(GMPLS),自动交换光网络(ASON),传送网：“传输+交换+联网”的载体,电路层,通道层,段层,物理层,传输媒质层,铁路,火车,集装箱,货物,光同步数字传送网(SDH),OBA,.,.,Mux,Demux,.,l1,OTU,OSC,OSC,OSC,OSC,OBA：光功率放大器OLA：光线路放大器OPA：光前置放大器,OSC,密集波分复用系统(DWDM),OPA,OLA,OLA,OPA,OLA,OLA,OBA,Demux,Mux,lk,k+1,N,l1,lk,k+1,N,OTU,OTU,OTU,彩色接口,彩色接口,彩色接口,彩色接口,普通接口,普通接口,客户,客户,客户,客户,普通接口,普通接口,客户,客户,客户,客户,多波长传输信号,OTU：光转发单元OSC：光监控信道Mux/Demux：复用器/解复用器,光传送网(OTN),分组传送网(PTN),L3ignoranceBi-directionLSPCarrierClassOAM&Protection,Simplified&Enhanced,MPLSheader,IPpayload,IPheader,Encapsulation,PHY,MPLS,(opt),Encapsulation,Connection-orientedQoSGuaranteeMPLS/IPcouplingComplexity,T-MPLS/MPLS-TP,MPLSheader,IPpayload,IPheader,Encapsulation,PHY,(opt),Encapsulation,Connection-orientedOAM&PSQoSGuaranteeMPLS/IPdecouplingSimplified,以分组交换为核心并延承SDH易于管理维护、高可靠性、丰富的OAM特点MPLS-TP是基于MPLS体系结构并满足传送网需求的PTN实现技术,全光网(AON),传送网演进的时间窗,分组化“渗透”的四个演进阶段：阶段1：电路交换光传送设备，支持表层的分组化特性(如MSTP)阶段2：波长交换光传送设备，支持表层的分组化特性(如IPoverWDM)阶段3：电层交换以分组为核心(如PTN)阶段4：光层交换以分组为核心(如OPS),提纲,光纤通信演进及趋势,1,DWDM和OTN原理对比,2,OTN技术原理与特点,3,OTN国内外标准与规范,4,波分复用(WDM),原理概念功能分类系统构成,波分复用的原理概念,SirIsaacNewton(1642-1727)andhisCorpuscularTheoryofLight,三棱镜分光实验,波分复用：Wavelength-DivisionMultiplexing,光纤,光源,把工作在不同载波波长上的多路光信号复用进一根光纤中传输，并能够在接收端实现各信道分离的光通信系统称为波分复用系统。,串扰非线性效应模拟滤波器设计.,光域复用方式,SDM：空分复用FDM：频分复用TDM：时分复用WDM：波分复用,OTDM传输系统示意图,WDM传输系统示意图,WDM和OTDM传输系统比较,WDM是释放光纤带宽潜能的钥匙,RXTDM,光放大解决了多波长传输的加油问题,EDFA：掺铒光纤放大器TDFA：掺铥光纤放大器,PDFA：掺镨光纤放大器YDFA：掺镱光纤放大器,WDM使单纤传输容量产生飞跃,假设1条行车道相当于1路64Kb/s信号，那么现有技术条件下的1根光纤包括2500万条车道，或者宽度相当于9.6万公里！,WDM为新型光器件的应用提供舞台,宽带光放大器多波长和可调谐激光器外调制器波长复用/解复用器光滤波器光开关增益均衡器色散补偿器波长变换器,稀疏波分(CWDM)技术,ITU-TG.694.2：CWDM（1271-1611nm，间隔20nm）,密集波分复用技术(DWDM),1530,1610/1625,1565,FiberG.652/G.655,lnm,BandL,ITU-TG.694.1：DWDM（193.1THz，间隔12.5,25,50或100GHz）,城域DWDM系统,长途DWDM系统,DWDM系统构成,3R：电再生器Mux：波分复用器Demux：波分解复用器B：光功率放大器L：光线路放大器P：光前置放大器,主光通道,B,P,L,L,L,L,P,B,Mux,Demux,3R,Mux,Demux,OTU,B,P,L,L,L,L,P,B,Mux,Demux,Mux,Demux,OTU,3R,3R,OTU,OTU,OTU,OTU,MPI-S,MPI-R,S,R,MPI-S,MPI-R,S,R,子光通道,子光通道,主光通道,主光通道,OTU光转发单元,SDH标准光接口S2.5G-G.95710G-G.691VSR-G.693,DWDM彩色光接口SnG.692,O,E,O,波分复用/解复用单元,l1ln,输入波导,聚焦平板波导,输出波导,例：阵列波导光栅解复用器(AWG),例：掺铒光纤放大器(EDFA),光放大单元,3R再生单元,光监控通道,OSC处理,OSC处理,OSC处理,WDM节点设备,WDM节点设备,WDM节点设备,业务波长,光监控通道(OSC),光纤,光纤,波长选择开关(WSS),ICsDevelopedforHDTVdisplaysCombinesSiCMOSbackplanewithLCoverlay-giveshighresolution(1280 x768pixel)reflectivedisplayengineCMOSbackplaneiscommerciallyavailableHDTVchip,TakesadvantageofextensivedevelopmentinHDTVtocreatealow-cost,highlyflexibleopticalswitchingcore,FlexibleBandedWavelength-SelectiveSwitching,BandDrop,BandAdd,DEMUX,MUX,DropChannelsAddChannels,MUX,DEMUX,NxNSwitchMatrixVOAs,DropChannelsAddChannels,BroadcastandSelectBus-Like&MinimalSwitching,可重构光分插复用器(ROADM),光传送网(OTN),与SDH的关系与DWDM的关系,现有技术分析,光纤/管道,WDM,SDH,TDM,IP/MPLS/以太网,VC-12/VC-4交叉，大颗粒分组业务封装效率低,WDM管理功能弱，J0,B1,组网能力弱，点到点连接网络保护方式不完善,网络层次多，功能部分重叠,目前IPoverSDHoverWDM不再适应大颗粒IP分组业务传送！,WDM点亮了光传送层,单信道系统代表技术：SDH,1980S,多信道系统代表技术：WDM,1990S,可重构网络代表技术：OTN,当前,1998年，ITU-T提出OTN的框架标准G.8721999年，Lucent提出DigitalWrapper的概念2002年，ITU-T发布了OTN接口标准G.709，定义了光传送体系(OTH)、支持多波长传输的功能开销、帧结构、比特速率、映射方式等,OTN技术背景,2000年以后，随着自动交换光网络(ASON)的出现，OTN技术增加了与智能控制相关的内容,OTN关键特征,网络范畴的扩展OTN范畴包含了光层网络和电层网络高带宽的复用、交换和配置ODU0/ODU1/ODU2(e)/ODU3/ODU4颗粒多层嵌套的串联连接监视（TCM）功能TCM1TCM6前向纠错（FEC）支持能力G.709FEC,增强型FEC,OTN技术和SDH技术的区别,OTN与SDH的关系,OTN是面向传送层的技术，内嵌标准FEC，在光层和电层具备完整的维护管理开销功能，适用于大颗粒业务的承载与调度SDH主要是面向接入和汇聚层，无FEC，电层的维护管理开销较为丰富，对于大小颗粒业务都适用OTN设计的初衷是希望将SDH作为净负荷完全封装到OTN中,OTN与SDH的关系,OTN,SDH,光复用段层(OMS),光通道层(OCh),光传输段层(OTS),复用段层(MS),通道层(PATH),再生段层(RS),物理层(FIBER),相互独立关系：OTN与SDH网络独立运行，承载不同类型的业务，原则上SDH网络用于承载小颗粒业务(GE速率以下),大颗粒业务(GE及以上颗粒)推荐直接用OTN承载客户-服务关系：适用于OTN线路速率高于SDH线路速率的情况，可提高链路资源的利用率；同时利用OTN网络的调度和保护能力,可以提高增强系统的生存性基于SDH的ASON与OTN网络在传送平面的关系上和传统的SDH网络一致，当OTN具备智能控制平面(即基于OTN的ASON)时，两者的智能控制平面应该支持互通，在客户-服务模型中还应该具备跨层次的保护恢复功能协调机制,OTN与SDH的关系,OTN技术和SDH技术的关系,OTN与WDM的关系,OTN是将波分设备抽象化的结果，可抽象为如下类型：不带ODUk交叉的波分设备（传统波分设备）带ODUk交叉的波分设备（ODUk电交叉设备）,不带ODUk层交叉的波分设备,OTN与WDM的关系,OTN与现有WDM网络的关系,带ODUk层交叉的波分设备,多业务接入,光电混合交叉联动,客户侧/线路侧分离结构,WDM是面向传送层的技术，而OTN实际也是更多关注传送层功能的技术，所以OTN基本可以理解为是为WDM量身定制的技术。G.709标准中已经提到，光复用段层(OMS)层就是依靠WDM技术来实现的最初的WDM设备在信号结构上并没有统一的标准，仅仅是将各种业务直接通过O-E-O实现非特定波长到特定波长的转换。OTN标准发布后，由于其非常适合WDM的特点，而且有利于推进不同厂家波分设备的互连互通，所以迅速成为WDM设备的事实标准,OTN与WDM的关系,提纲,光纤通信演进及趋势,1,DWDM和OTN原理对比,2,OTN技术原理与特点,3,OTN国内外标准与规范,4,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,OTN分层/分域结构,OTN的层次关系,OTN网络分域,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。不同域之间的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）,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,光层技术,光层技术,光层技术,OTM-0.m没有波长，没有光层开销，不支持光监控通道，但具有特定帧格式（OTUk）m=速率等级，1=2.5G,2=10G,3=40G，例如m=2，或m=3用于和其他厂家的波分设备互连（OTUk互连）,OTM-0.m信号,OTM-n.m是指波分设备最终输出的主光信号由多个波长组成，每个波长信号都有特定的帧格式（OTUk），同时支持光层开销（OOS）和光监控通道n=波长数，例如n=40,n=80m=速率等级，1=2.5G,2=10G,3=40G，例如m=2，或m=123用于自身的波分设备之间互连，功能强大，但无法和其他厂家波分设备互通（光监控通道各厂家的实现方法不同，另外不同厂商可能会对OTUk帧做一些特殊修改（OTUkV），例如使用AFEC替代标准FEC）,OTM-n.m信号,OTM-nr.m是指波分设备最终输出的主光信号由多个波长组成，每个波长信号都有特定的帧格式（OTUk）n=波长数，例如n=40,n=80r=Reduced，指不支持光层开销和光监控通道m=速率等级，1=2.5G,2=10G,3=40G，例如m=2，或m=123用于和其他厂家的波分设备互连（在波长级互连）,OTM-nr.m信号,OTM-n.m和OTM-nr.m的区别,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,将各种客户信号统一封装成OTUk帧，然后在网络间传递OTUk帧利用波分复用技术实现大容量业务传送依靠电层开销和光层开销实现强大的网络维护管理功能依靠统一的标准，实现不同厂家OTN设备互连互通减少了网络层次，从而可降低运行商的成本,电层技术,从狭义的角度说，OTN就是OTUk帧OTUk帧是OTN信号在电层的帧格式OTM可以理解为n个OTUk同时传送,OTUk帧,电层技术-帧结构,电层技术-速率级别,和SDH不同的是随着线路速率的提高，G.709帧的结构和长度不变，不同速率等级OTN的帧周期不一样，脱离了SDH基本的8K帧周期,电层技术-帧周期,考虑支持大颗粒业务，最低速率等级为2.5G，最高速率等级为40G/100G，只有4个速率等级多个低速ODUi汇聚成1个高速ODUk时，低速ODUi完全装入高速ODUk的净荷部分，低速ODUi和高速ODUk的开销是独立的帧速率专门针对SDH设计，OPUk帧正好能装下同速率等级的SDH帧或多个低速率的ODUi（iHOODU,电层技术-映射,通用映射(GMP),AMP(异步映射)：本地时钟固定填充指针调整,GMP(通用映射)：Cn来记录ODU承载客户信号数量，并利用填充进行速率适配,电层技术-映射,通用映射(GMP),PSI,ODUkOH,OTUkOH,(M)FAS,178141516173824,1234,Sigma-Delta算法：n*C8mod15232(OPU0)C8为数据，否则为填充,Cn,减少指示,增加指示,Byte1,Byte2,Byte3,采用SDH指针式的比特翻转以及CRC校验，防止Cn传输错误,电层技术-映射,电层技术-同步信号传送,根据运营商需求，OTN需要传送时钟信号SyncE1588v2forfrequency1588v2fortime,电层技术-同步信号传送,电层技术-同步信号传送,电层技术-同步信号传送,OTN网络时钟信息透传,频率,时间相位,电层技术-同步信号传送,支持802.3通道化接口情况下的时钟透传方案,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,业务装载,SDH为9行270*N列的字节帧，N为SDH速率等级，例如STM-16的N=16。STM-1的速率为155.52Mbps，STM-N的速率等于N*155.52MbpsGE，FC，Escon等数据业务为8b/10b编码，相当于帧长为10位的帧10GE-LAN为64/66b编码，相当于帧长为66b的帧OTUk为4行4080列的字节帧成帧的一个重要用途是能从串行数据中区分数据和开销,客户信号的帧格式,业务装载,常量比特率信号的映射,有两种方式将CBR2G5,CBR10G或者CBR40G（比特速率20ppm）映射到OPUk(k=1,2,3)，分别为：异步模式和比特同步模式。注：OPUk和用户数据的时钟同步需要为65ppm；其中OPUk的时钟同步需要为20ppm；用户数据的时钟同步需要为45ppm。OPUk开销中包含3字节的JC字节，一个中调整机会字节PJO，一个负调整机会字节NJO和3字节保留字节RES，它们的位置如下图所示。,业务装载,业务装载,同步和异步映射时JC,NJO,PJO内容定义,业务装载,将STM-16映射到OPU1，其中D为8BIT的存储单元。可以进行正负调整。,业务装载,将STM-64到OPU2其中D为8BIT的存储单元。可以进行正负调整。每行数据有16字节的FS(FIXEDSTUFF),业务装载,将STM-256到OPU3其中D为8BIT的存储单元。可以进行正负调整。每行数据有16x2字节的FS(FIXEDSTUFF),业务装载,ATM映射到OPUk中的情况。由于OPUk的净荷区（15232字节）不是ATM信元（53字节）的整数倍，所以有的ATM信元必须跨越两个OPUk帧ATM信元内容（48字节）应该加绕后进行映射。在解映射的过程必须解绕码。和ATM映射相关的OPUk开销包括PSI的PT和7个保留的字节(RES),业务装载,GFP映射入OPUk的情况如下图所示。GFP帧映射之前需要加绕码（一般GFP帧在封装时加入扰码）,业务装载,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,OTN组网技术-电层保护恢复,智能控制平面,基于ODUk传送平面,管理平面,ODUkSNCP保护ODUk共享环网保护,ODUkSNCP保护智能恢复保护结合恢复,OTN组网技术-光层保护恢复,智能控制平面,基于波长的传送平面,管理平面,波长通道保护波长共享环网保护,波长通道保护智能恢复保护结合恢复,1+1保护,工作通路,保护通路,首端信号被永久桥接到工作通路和保护通路中传输；,尾端对两路信号质量进行监测，择优确定接收通路；,传输线路发生故障；,尾端监测到工作通路信号质量劣化；,切换到保护通路，中断业务恢复；,特点：（1）并发优收，单端倒换；（2）不需要首尾双方就保护过程进行协议通信，实施简单且倒换时间很短；（3）正常情况下保护通路也在同时传送业务，不能提供资源共享，造成带宽浪费。,1:1保护,工作通路,传输线路发生故障；,保护通路正常情况下传送低等级额外业务；,首尾双方交互APS控制信令；,保护通路,尾端监测到线路信号质量劣化；,特点：（1）选发选收，双端倒换；（2）附加了APS协议开销的传送与处理过程，与1+1方式比较增加了倒换时间；（3）保护通路正常情况下可传送低等级的无保护额外业务，提高了网络利用率。,1:N保护,工作通路,保护通路,发生多路故障时，根据优先级判定应保护的工作业务；,特点：（1）N路工作业务共享1条保护通路，资源利用率较1:1方式为高；（2）发生多路故障时需要分析业务优先级；（3）当高优先级业务抢占保护资源后，将无法对低优先级的业务实施保护。,环网生存性演示方案,条件6节点自愈环网两条双向业务单一线路故障,目标演示各类环网在故障前后工作与业务路径的状态变化情况,E,C,B,A,F,D,F,C,B,D,E,A,二纤单向通道保护环(1+1)实例演示,正常状态,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,组建六节点二纤自愈环网并分配工作和保护时隙配置双向业务通道连接A-DE-F,倒换状态,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,检测到通道信号接收质量劣化在通道终端位置实施保护倒换，恢复被中断的业务,二纤双向通道保护环实例演示,1:1方式,正常状态,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,组建六节点二纤自愈环网并分配工作和保护时隙配置双向业务通道连接A-DE-F,倒换状态,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,检测到通道信号接收质量劣化在通道终端位置实施保护倒换，恢复被中断的业务,二纤双向复用段共享保护环实例演示,正常状态,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,组建由外环和内环组成的六节点自愈环网设定工作和保护时隙配置双向业务通道连接A-DE-F,环回保护倒换,节点A,节点D,节点B,节点C,节点E,节点F,复用段保护倒换（50ms以内）,外环光纤,内环光纤,检测到线路发生故障实施复用段环回保护倒换，恢复被中断的业务,链路保护/恢复,通道保护/恢复,光网络的生存性,专用保护,光网络的生存性,3,2,5,1,4,5,6,Source2,Source1,Destination,Cansharetheredundantlinkcapacity,共享保护,光网络的生存性,1.分层结构2.光层技术3.电层技术4.业务装载5.生存性6.性能监视,OTN技术,性能监视主要是在光传输段层、光复用段层或光