大容量骨干光传输网技术及运维案例解析.pdf

2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT71ELECTRIC POWER ICT.技术研究中图分类号：TP319文献标志码：B文章编号：2095-641X(2013)12-0071-06大容量骨干光传输网技术及 运维案例解析陈灿（国家电网公司 信息通信分公司，北京 100761）摘要：国家电网公司大容量骨干光传输网工程作为国家电网公司“十二五”通信网重点项目，采用成熟先进的光传送网（Optical Transport Network，OTN）技术，大幅提高了骨干传输网的传输容量。充分健全对重要电路、业务的保护机制，完善业务调度管理功能，全面提高网络安全性、可管理性、可扩展性及容灾恢复能力，对于我国电力通信网络的发展以及信息化业务的深化部署均具有重要意义。文章主要介绍了OTN 关键技术及协议解析，重点分析了不同设备板卡对信号流的处理，以及站点典型信号流分析。最后本文给出一些常见故障的告警处理及运维案例，为电力通信一线运维工作提供参考素材。关键词：波分复用系统；光传输网络；信号流；故障处理0引言为了能增加光传输系统的网络容量，人们先后应用了空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）3 种主要的解决方案，其中空分复用以增加物理光纤数量的方式来增加光传输系统的容量，其时间成本与经济成本都非常高；传统的准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）和同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）都属于时分复用系统，其中 PDH 和 SDH 越来越成熟的复用技术使得传输系统的传输速率更高，但是随之而来的是设备的成本和复杂度的提高，并且信号速率的升级也缺乏灵活性1。1WDM 原理及 OTN 协议波分复用的本质实际上就是光域上的频分复用技术，即把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送。WDM 技术实现了信息的超大容量超长距离传送，并且 WDM 系统依照光波长的不同进行复用和解复用，与传输信号的调制方式及速率无关，因此 WDM 系统可以实现对数据的“透明”传输。除此之外，对于系统升级和网络扩充，WDM 系统无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射/接收机即可实现。由此可见，WDM 具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。然而纯光网络是没有传输信号性能监视能力的，不能保证业务信号的 质量。OTN 技术是在 SDH 和 WDM 技术的基础上发展起来的，具有超大传送容量、对承载信号语义透明及在电层和光层面上实现保护和路由功能的特点，它解决了传统 SDH 的大带宽业务适配效率低、带宽粒度小以及 WDM 组网能力弱和保护能力差等问题，支持多业务传送，有强大的操作、管理、维护功能和灵活的组网方式。同时为了避免不同设备厂家在具体实现方面引发争议，国际电信联盟远程通信标准化组织在“先标准，后实现”的理想标准思路下构建起 OTN 协议，其标准无论从理论上还是架构上都比之前的光传输协议更为清晰合理。2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT72.ELECTRIC POWER ICT技术研究1.1 OTN 层次结构用于支持 OTN 接口的信息结构称为光传送模块 n（Optical Transport Module n，OTM-n），它 有 2种结构：完整功能 OTM 接口 OTM-n.m、简化功能OTM 接口 OTM-0.m 和 OTM-nr.m。下面以完整功能 OTM 接口 OTM-n.m 为例介绍其基本信息包含关系（见图 1）。?k?k?k?k?k?k?n?n?n?n?n?m?n?m?n?m?图 1 OTM-n.m 基本信息包含关系Fig.1 The basic information of the OTM-n.mOTM-n.m 由最多 n 个复用的波长和支持非随路开销的 OTM 开销信号组成。m 代表数字 1、2、3、4，表示承载的信号分别为 OTU1/OTU1V、OTU2/OTU2V、OTU3/OTU3V、OTU4/OTU4V。其 中 光通 道 净 荷 单 元 k（Optical Channel Payload Unit k，OPUk）、光 通 道 数 据 单 元 k（Optical Channel Data Unit k，ODUk）、完全标准化的光通道传送单元 k（Optical Channel Transport Unit k，OTUk）为 电 层单元，其开销 OH 为随路开销和净荷一起传送。完整功能的光通道（Optical Channel，OCh）开销、光复用段（Optical Multiplex Section，OMS）开销 和 光 传 输 段 层（Optical Transmission Section，OTS）开销等光层开销和通用管理信息一起构成了 OTM 开 销 信 号（OTM Overhead Signal，OOS）。OOS 是非随路开销信号，它通过光监控信道（Optical Supervisory Channel，OSC）进行传送，而这 1 路光监控信道和主信道完全独立。其中，OSC 监控波长为 1 510 nm，工作波长区在 C 波段和 L 波段。1.2 OTN 信号帧结构和开销OTUk（k=1，2，3，4）帧为基于字节的 4 行 4 080列的块状结构（见图 2）。?k?k?k?k?k?k?k?k?图 2 OTN 信号帧结构Fig.2 The frame structure of the OTN signalOPUk 单 元 占 用 了 OTN 信 号 帧 的 第 15 到 3 824 列，其中第 15 和 16 2 列为 OPUk 层开销，第17 到 3 824 列为 OPUk 净荷区域，OPUk 净荷区域承载了客户信号。信号帧的第 3 825 到 4 080 列为前向纠错（Forward Error Correction，FEC）区域。第1 行的 8 到 14 列为 OTUk 开销区域。帧结构的左下角 2 至 4 行的第 1 到 14 列为 ODUk 开销区域，它和 OPU 构成 4 行 3 824 列的块状结构，称为 ODUk，第 1 行的第 1 至 7 列为帧对齐开销区域，8 至 14 列 全 02。SDH 帧结构和 OTN 帧结构的异同对比见表 1所列。表 1 SDH 和 OTN 帧结构对比Tab.1 Comparison of frame structures of SDH and OTNSDH 帧结构OTN 电层帧结构帧结构9 行、270n 列、长度可变4 行、4 080 列、固定不变帧速率8 000 帧/s，固定不变可变帧构造段开销、指针、通道开销、净荷OPUk、ODUk、OTUk、FEC对于一线运维工作人员来讲，更重要的是对通信网络告警信号的分析与设备故障排查。而 OTN提供了丰富的维护信号，可进行故障隔离和告警抑制，方便运维人员对系统的维护。本 文 主 要 关 注 OTN 电 层 开 销 中 的 OTUk 层开销与 ODUk 层的开销。OTUk 层开销用于支持一个或多个光通道连接的传送运行功能，在 OTUk信号组装和分解处被终结，由段监控开销（Section Monitor，SM）GCC0 通用通信通道开销以及 2 个字节的保留开销 RES 构成；ODUk 层开销用于支持光通道的维护和运行，由用于端到端 ODUk 通道2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT73ELECTRIC POWER ICT.技术研究监控的开销（Path Monitor，PM）、各 3 个字节的用于 6 级串行连接监视开销 TCM1TCM6（Tandem Connection Monitor，TCM）等 构 成，其 中 6 级 的TCM 开销在对应的串行连接的源处被加入，在宿处被终结。OTUk 层的 SM 段监控开销和 ODUk 层的PM 通道监控开销可以对照 SDH 的规定来理解：SM就相当于再生段开销，PM 相当于复用段开销。1.3 OTN 路径层次OTN 路径包括电层路径和光层路径，每个层次的路径都对应特有的开销，通过处理源宿节点的OTN 开销，实现对传送网络的 OTN 信号、网络运行商之间的连接信号进行监视，便于整个网络信号的管理、维护和故障定位。为了讲解网络层次，以下举例说明。如图 3 所示，从 A 节点上一个 2.5G 业务，从左到右经过 B，C 节点，到 D 节点下业务。对于这条业务，图中 4 个节点的类型分别是 TM，REG，ODU ADM，TM。粉红色表示 SDH 信号，在这里是作为需要上 OTN 网络传送的客户业务。褐色表示的 ODUkP，客户信号上增加了 ODU 的包封，ODU 层有丰富的开销。绿色表示 TCM，它是可选的功能。蓝色表示 OTU，增加帧头及 OTU 层开销及 FEC，因为 OCh 的终结再生的点一般与 OTU 相同，在本图中蓝色同时表示OCh。橘红色表示 OMS，一般是指从一个节点的合波到另一个节点的分波之间。灰色表示 OTS，一般是指从一个节点的光放光纤接口单元（Fiber Interface Unit,FIU）到另一个节点的光放 FIU 之间3。?k?k?1）A 节点使用的是普通 OTU 单板，产生 SM、PM、TCM1。2）B 节点使用的是中继 OTU 单板，终结 SM，产生 SM。3）C 节点使用的是线路 OTU 单板，终结 SM、TCM1,产生 SM。4）D 节点使用的是普通 OTU 单板，终结 SM、PM。图 3 OTN 网络路径Fig.3 The network path of the OTNOTS、OMS、OCH 路径的开销对应于 OTN 帧结构中不同层次的光层开销，在光监控信道 OSC 中传 输，光 层 开 销 在 FIU 板、MUX/DEMUX/OADM板、OUT/线路板进行处理，可以提供不同层次的光层告警。OTUk 路径的信号监视和管理功能使用帧结构中 OTUk 开销中的 SM 段，负责整个 OTUk 段状态，在 OUT/支路/线路板进行处理，产生相应的告警。ODUk 路径使用帧结构中 ODUk 开销中 PM 段和 PCM 段，默认情况是 PM 段开销负责监控整个ODUk 段状态，TCM 段监控可以进行设置，在 OUT/支路/线路板进行处理，产生相应的告警4。1.4 OTN 维护信号及告警本文只列出常见维护信号和告警信息（见表 2、表 3），不做具体解释，具体应用见下文所述。表 2 电层提供的维护信号和管理信号Tab.2 The maintenance signal and the management signal provided by the electric layer管理功能信号网络层次OTUkODUkP ODUkT定位监控LOF/LOMYY连通性监控TTIYYY维护信息AISYYYOCIYYLCKYYLTCYBDIYYYBEIYYYIAE/BIAEYY信号质量监控 基于 BIP-8 计算的性能监测YYY表 3 OTN 常见告警Tab.3 The common alarming of the OTN层次告警信息OTUkOTUk_LOF、OTUk_AIS、OTUk_LOM、OTUk_TIM、OTUk_DEG、OTUk_EXC、OTUk_BDI、BEFFEC_EXCODUk_PMODUk_PM_TIM、ODUk_PM_DEG、ODUk_PM_EXC、ODUk_PM_BDI、ODUk_PM_LCK、ODUk_PM_OCI、ODUk_PM_AIS、ODUk_LOFLOMODUk_TCMiODUk_TCMi_TIM、ODUk_TCMi_DEG、ODUk_TCMi_EXC、ODUk_TCMi_BDI、ODUk_TCMi_LCK、ODUk_TCMi_OCI、ODUk_TCMi_AIS、ODUk_TCMi_LTC、OPUkOPUk_PLM、OPU2_MSIM、OPU3_MSIM2设备组网及应用本章详细介绍在波分网络中广泛应用的各种2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT74.ELECTRIC POWER ICT技术研究站点类型的信号流，站点中涉及到的华为 Optix OSN6800/8800 设备单板，本文只做简单描述。波分系统中广泛应用的站点类型主要有光终端复用站（Optical Terminal Multiplexer，OTM）、光线路 放 大 站（Optical Line Amplifier，OLA）、静 态 光分 插 复 用 站（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer，FOADM）、动 态 光 分 插 复 用 站（Reconfiguration Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM）。OTM 设备应用于终端站，站点信号流（40 波）如图 4 所示。?图 4 OTM 站点典型信号流Fig.4 The typical signal flow of an OTM station接收端从接收方向接收线路信号，从中分离出主业务信道光信号和光监控信号，其中光监控信号送入光监控单元处理，主业务光信号经过光放送入光分波单元，被分离出来的光波进入相应的波长转换单元。发送方向的信号流是接收方向的逆过程。OTM 站点主要注意 OUT 单板发送方向的光波功率平坦，通常将可调节光衰减器放置在 M40 之前或者采用 M40V 配置。另外在 OUT 客户侧和波分侧的接收端要加固定光衰减器，调节光功率至接收灵敏度和过载点之间。OLA 设备用于光放大站，用于对传输的光信号进行放大。OLA 站点首先从接收方向接收到的线路信号中分离出主信道光信号和光监控信号，业务信道光信号通过光放大单元进行放大，然后与处理后的光监控信号合波，送入光纤线路传输。OLA 站点的光监控信道类单板采用双向光监控信道板 SC2 单板。FOADM 站点可以分为 2 种：并行 FOADM（背靠背 OTM）采用 M40(V)/D40(V)；串行 FOADM 采用 MR2/MR4/MR8/MR8V。本文介绍并行 FOADM（M40V/D40），其站点信号流如图 5 所示。?图 5 并行 FOADM 站点信号流（M40V/D40）Fig.5 The signal flow of a parallel FOADM station(M40V/D40)并行 FOADM 站点接收端从接收到的线路信号中分离出业务信道光信号和光监控信号，主信道光信号经过光放后送入光分波单元，部分波长被分离出来进入波长转换单元，下业务到本地客户端；其余波长不解复用到本地，穿通后与本地上插的业务信号通过光合波单元复用后，与光监控信号合波送入线路传输。即当业务需要穿通时，以西向到东向穿通业务为例，直接通过西向 D40 到东向 M40V 跳纤即可，当有多个方向时通过 ODF 架跳纤。当业务需要上下时，M40V/D40 连接 OUT 单板。当业务需要中继时，可以再西向发往东向的过程中串联中继OUT 进行中继（见图 5）。华为 ROADM 站点模型主要有 3 种：第 1 种为RDU9 和 WSM9 单板构成的 ROADM 站点（40/80波），第 2 种为 WSD9 和 WSM9 单板配合使用构成的 ROADM 站 点（40/80 波），第 3 种 为 WSMD2/WSMD4/WSMD9 构 成 的 ROADM 站 点。以 上 所述的单板均为华为动态光分插复用类单板，具体单板功能下文做简要介绍。本文介绍 2 维 RDU9 和WSM9 配合使用构成的 ROADM 站点以及 2 维利用WSMD4 单板的 ROADM 解决方案。如 图 6 所 示，RDU9+WSM9 的 组 网 方 式 是ROADM 常见的一种配置，其中，RDU9 具有光层广播功能。从 IN 口输入的光信号通过分光模块按功率分光后，主光信号从 EXPO 端口输出，需要下波的从 TOA 光口输出。TOA 光口输出的光信号可与光纤放大器类单板级联，如不需要级联，应将该光信号2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT75ELECTRIC POWER ICT.技术研究直接输入 ROA 光口，从 ROA 光口输入的光波长信号通过功率等分后，再通过 DM1DM8 光口输出。?图 6 2 维 ROADM（RDU9+WSM9）站点信号流Fig.6 The signal flow of a two-dimensional ROADM station在合波过程中采用 WSS 结构可以通过网关配置实现光波长在光层的动态调度。当合路信号从EXPI、AM1AM8 端口输入到 WSM9 后，通过网管配置可以从这 9 个对等的端口中选择相应的波长，合波输出到 OUT 端口，WSM9 单板内部集成了可调光衰阵列，可调节单波功率。其中，主光信道的合波光信号从 EXPI 口接入，需要本地上插的合波或者单波光信号通过 AM1AM8 光口输入。?图 7 2 维 ROADM（WSMD4）站点信号流。Fig.7 The signal flow of a two-dimensional ROADM(WSMD4)stationWSMD4 仅支持 4 个方向的互联。通过 14 Coupler 的功分，可以实现波长广播功能。WSMD4单板同时具有 RDU9 模块和 WSS 模块，可以看作是 RDU9+WSM9 单板的结合，只不过只能支持 4 个方向的互联；WSMD4 单板可以实现任意波长发送到任意端口的动态配置功能，在波分分配上实现完全的动态分配。图 7 中，2 维 ROADM 站点由 2 块WSMD4 单板组成。以西向 WSMD4 单板的信号调度过程为例，从接收到的线路信号分离出主信道光信号和光监控信号，其中主信道光信号经光放大后送入西向 WSMD4 单板，光监控信号送入光监控单元处理。西向 WSMD4 单板将主光信号分成 4 路相同的光信号（2 维场景下只使用其中 2 路光信号）：1路光信号经 D40 分波后在本地下波；另外 1 路光信号穿通到东向 WSMD4 单板3。3分类故障处理波分系统常见的故障大致分为 8 类，最常见的是业务中断、业务瞬断、光功率异常以及误码类的故障。下文分类介绍 2 种重要故障的处理思路。3.1 业务中断类故障业务中断后，设备会出现 R_LOS、R_LOF、R_OOF、MUT_LOS 等告警，造成业务中断的问题有很多原因，应首先分析故障发生时的运行环境条件，如可能是由于设备温度异常、外部干扰等原因造成的业务中断。外围硬件设备故障，如线路板连接光缆终端、电源故障、支路板链接的线缆断裂等故障也会造成业务中断。也可以利用光监控信号判断故障原因。比如网元业务全部中断，如果是线路光纤导致的业务中断，那么光监控信道 OSC 也会同时出现 R_LOS 告警；如果只有主路光路业务全部中断，而监控信道正常，那么光功率异常或者合波分波板/OA 单板出现故障的概率会比较大。以上告警用信号流分析法/告警性能分析法/仪表测试法来定位故障。断纤故障中开销应用如图 8 所示。?图 8 断纤故障中开销应用Fig.8 The cost of fused optical fiber2013 年第11卷第12期ELECTRIC POWER ICT76.ELECTRIC POWER ICT技术研究当 A、B 2 节点间断纤时，开销处理与检测、告警上报情况如图 8 所示。其中光层开销处理和检测 如 下：B 节 点 FIU 检 测 上 报 OTS_LOS 告 警，对上游 A 节点回插 OTS_BDI，A 节点 FIU 检测上报OTS_BDI 告警。C 节点 LSX 单板上报 OCh_SSF 告警。电层开销处理与检测如下：B 节点有 R_LOS 和OTU2_SSF 告警出发对下游 C 节点下插 ODU2_PM_AIS、对上游 A 节点回插 OTU2_BDI，C 节点检测到ODU2_PM_AIS 指示后，想 A 节点回插 ODU2_PM_BDI 指示、A 节点将检测到 ODU2_PM_BDI。A、B、C 节点在检测到开销指示时，均会产生对应的告警，从以上分析中可判断，“A 节点发、B 节点收方向”的光信号中断。3.2 光功率异常类故障光功率值是光传输系统中一项十分重要的性能指标，输入光功率异常会导致系统误码，严重时可能会导致业务中断。光功率异常产生的原因除了设备本身模块损坏外，最大可能是尾纤受损、尾纤连接头脏或弯曲半径过小等。为了能及时发现和定位光功率异常故障，运维人员应当在日常维护中定期备份系统各点光功率，特别是备份重要单板的收发光功率值，记录各通道波长以及各接收点的信噪比，为设备的维护提供可靠的历史参考数据5。4结语本文简要介绍了 WDM 原理及 OTN 协议，方便读者对于 OTN 帧结构开销产生直观的认识，对波分Large-capacity Backbone Optical Transmission Network Technology and Analysis of Maintenance CasesCHEN Can(State Grid Information and Telecommunication Branch,Beijing 100761,China)Abstract:As a major project of State Grids twelfth five year plan,the project of State Grid high speed backbone optical transmission network uses the advanced OTN technology,which provides high capacity and large coverage.There is an important significance for the development of our country power communication network and the deepen deployment of informatization businesses to sufficiently improve the protection mechanism of critical businesses and circuits,and business schedule management,and comprehensively enhance network security,manageability,scalability and disaster recovery capacity.This paper mainly introduces key technologies and protocol of the OTN technology,focuses on the signal flow processing with various device board cards,as well as analysis of typical signal flows.At last,a few cases for common faults alarming processing and maintenance are given,which provides a reference for power communication maintenance jobs.Key words:wavelength division multiplexing(WDM);optical transmission network(OTN);signal flow;fault handling陈灿（1987），女，河北任丘人，助理工程师，从事通信技术研究工作。作者简介：复用信号的电层和光层信号的性能监测、告警状态指示进行初步了解。最后重点分析典型站点信号流的处理流程，从理论层面深入了解电力通信网络的部署。最后故障告警的解析处理及运维案例，总结了电力通信一线运维工作的心得。光传送网技术，作为成熟先进的大容量传输技术，能大幅提高骨干传输网的传输容量，对于未来我国电力通信网及建设坚强智能电网有重大意义。参考文献：1 王韵,林燕,何一心.光传输网络技术:SDH与DWDMM.北京:人民邮电出版社,2013.2 李允博.光传送网(OTN)技术的原理与测试M.北京:人民邮电出版社,2013.3 华为公司.Optix OSN 6800/8800(OTN)高级维护工程师培训教材Z.2010.4 李海斌.OTN技术在联通国际互联网穿透业务平台的应用研 究D.北京:北京邮电大学,2011.5 刘鎏.德州联通城域网建设方案的设计与实现D.南京:南京邮电大学,2012.编辑刘生收稿日期：2013-10-13