【光电通信】光传送网OTN的速率解析

今日光电 2023-04-12 18:01 2274浏览 0评论 0点赞

电子元器件采购与技术方案，工程师专属平台 揭秘实时频谱分析的黑科技原理

今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。欢迎来到今日光电！

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在 OTN 协议中，出现了各种各样的速率定义。隐含在这些速率定义的数值之下的，是 OTN 协议的潜在规律和及一些关键性的原理。

下面我们试图从这些速率定义出发，揭露除 OTN 协议的部分原理，从而使得这些枯燥的数字变得鲜活起来，赋予其更深的含义；反过来，也使得我们更深刻地理解 OTN 的原理。

OTN/ODU/OPU 的速率

各个级别的 OTU 、ODU 和 OPU 速率如下所示：

下面将几个 G.709 中的表总在一起，我们来看一下其中的规律：G.709协议：超100G OTUCn信号及其帧结构。

规律 1 ： 同一等级的 OTUk 、ODUk 和 OPUk payload 的速率之比为：

OTUk：ODUk：OPUk = 255:239:238

显示，这与 OTU 的帧结构定义相关。OTU 的每一个帧大小为 4080 行 4 列的结构，其中最后 256 列为 FEC ，其它部分即 1~3824 列为 ODU 部分，因此 OTUk 和 ODUk 的比例为 255:239。1~14 列为 ODU 开销和 15 和 16 列为 OPU 开销，因此 ODU 和 OPU payload 部分相差 16 行，故 ODUk 和 OPUk payload 部分的速率之比为 239:238 。这里需要注意的是，用于速率比较的是 OPUk payload 部分，而不是 OPUk。

规律 2：OTU1/OUT2/OTU3 的基准速率分别为 STM-16/STM-64/STM-256 的速率，OTU4 的基准速率为 10 倍 STM-64 。OTU2e 的基准速率为 10GE (10.3125G) 速率。

其中，2,488,320kbit/s，9,953,280kbits/s，39,813,120kbit/s ，分别是 STM-16/STM-64/STM-256 的速率，99,532,800kbits/s 为 10 倍 STM-64 的速率。通过这些基准速率乘以一个因子，即可得到 OTU1/2/3/4 的速率。可见 OTU1/OTU2/OTU3 设计之初，就是为了装载 SDH 而考虑的。OTU2e 的基准速率式 10.3125G ，是为了装载 10GE 信号而考虑的。

规律 3：238/237/236/227 因子规律：OTU1/2/3/4 与对应基准速率的比例并不相同，而是存在 238/237/236/227 的因子关系，速率等级越高，将 STM 承载到同等级 OTN 时的填充越多。

STM-16 的速率和 OPU1 payload 速率完全相同，因此 CBR2G5 到 OPU1 的映射关系如下所示，使用了 OPU1 的所有 3804 列数据区域。

STM-64 的速率只有 OPU2 payload 速率的 237/238，因此 CBR10G 到 OPU2 的映射关系如下所示，仅使用了 OPU2 的 3788 列数据区域，其中 1905 到 1920 列为固定填充。

STM-256 的速率只有 OPU3 payload 速率的 236/238 ，因此 CBR10G 到 OPU3 的映射关系如下所示，仅使用了 OPU3 的 3772 列数据区域，其中 1265 到 1980 列、2545 到 2560 列共 32 列为固定填充。

OTU2e 的情况与 OTU2 类似，区别仅仅式载荷变成了 10GE 信号。将 10GE 映射到 OPU2e ，与 STM-64 映射到 OPU2 方法完全相同。CBR10G3 的速率为 OPU2e 的 237/238 ，映射时仅仅使用了 OPU2e 的 3788 列数据区域，其中 1905 到 1920 列为固定填充：

规律 4：

2 个 ODU0 的速率等于 1 个 OPU1 ：STM-4/2 * 2 = STM-4；
4 个 ODU1 的速率略小于 1 个 OPU2 ：239/238 * STM-16 * 4 < 238/237 * STM-64；
4 个 ODU2 的速率略小于 1 个 OPU3 ：239/237 * STM-64 * 4 < 238/236 * STM-256；
10 个ODU2 的速率略小于 1 个OPU4：239/237 * STM-64 * 10 < 238/227 * STM-64 * 10;
10 个 ODU2e 的速率略小于 1 个 OPU4：239/237 * 10GE * 10 < 238/227 * STM-64 * 10;

这使得 1 个 OPU1 可承载 2 个 ODU0 ，1 个 OPU2 里可以承载 4 个 ODU1 ，1 个 OPU3 里可以承载 4 个 ODU2 或 16 个 ODU1 ，1 个 OPU4 里可以承载 10 个 ODU2 或 10 个 ODU2e ，或 40 个 ODU1。OTN之G.709/G.872的解读-OTN的结构.

如下所示，为 OTU4 的映射路径，80 个 ODU0 ，40 个 ODU1 ，10 个 ODU2 或 ODU2e ，2 个 ODU3 都可以映射到 OPU4 中。

如下所示，为 OTU2 的映射路径，8 个 ODU0 ，4 个 ODU1 都可以映射到 OPU2 中。

如下所示，为 OTU3 的映射路径，32 个 ODU0，16 个 ODU1，或 4 个 ODU2 都可以映射到 OPU3 中。而对于 ODU2e 的情况，比较特殊。由于 OPU3 的速率小于 4 个 ODU2e 的速率，因此 OPU3 无法装载 4 个 ODU2e ，最多只能通过 ODTU3.9 支路，装载 3 个 ODU2e。

ODTU 的速率

当 OPU 中承载了低速率等级的 ODU 时，ODU 需要通过 ODTU(光数据支路单元)适配。ODTU 包含了开销了部分和 Payload 部分，以下是各种 ODTU 信号 payload 的带宽。

ODTU 有两种类型：

1) ODTU01 、ODTU12 、ODTU13 、ODTU23 是一类 (ODTUjk)，指将低等级的 ODUj 向高等级的 OPUk 映射的支路单元，使用 AMP 映射；

2) ODTU2.ts、ODTU3.ts、ODTU4.ts 是另外一类 (ODTUk.ts)，指使用了 ts 个高速率等级 OPUk 的支路单元，使用 GMP 映射。

为了更清晰地说明 ODTU 的速率规律，我们先来看一下低速率等级的 ODU 向高速率等级 OPU 映射的过程。

第一步：ODUj 可以通过 AMP 映射方式映射到 ODTUjk 中，或者通过 GMP 映射方式映射到 ODTUk.ts 中。
第二步：HO OPUk 会被分为很多的 1.25G/2.5G 的支路槽，通过字节同步映射 (简单的时分复用方式)，将 ODTUjk 或 ODTUk.ts 映射到这些 1.25G/2.5G 的支路槽中。

例如将 ODU2 映射到 OPU3 中，分为两步：

1) 先将 ODU2 映射到 ODTU23，

2) ODTU23 的速率约为 10G ，需要占用 8 个 1.25G 的支路槽，因此需要将 ODTU23 映射到 OPU3 的 8 个 1.25G 支路槽中。

再例如将 ODU2 映射到 OPU4 中，分为 2 步：

1) 先将 ODU2 映射到 ODTU4.8，

2) ODTU4.8 的速率约为 10G ，需要占用 8 个 1.25G 的支路槽，因此需要将 ODTU4.8 映射到 OPU4 的 8 个 1.25G 支路槽中。

需要注意的是，OPU2/OPU3/OPU4 的 1.25G 支路，虽然都称为 1.25G 支路，实际上它们的速率不相同，OPU2 的 1.25G 支路最慢，约 1.249Gbps；OPU4 的 1.25G 支路最快，约 1.301Gbps。

规律 5 ：ODTUjk 的 payload 带宽公式中，包括整数和尾数两个部分。

1) 整数部分：OPUk 中可以承载几个 ODTUjk ，那么整数部分就是 3808 除以几。

a) OPU1 中可以承载 2 个 ODTU01 ，整数部分 1904=3808/2

b) OPU2 中可以承载 4 个 ODTU12 ，整数部分 952=3808/4

c) OPU3 中可以承载 16 个 ODTU23 ，整数部分 238=3808/16

c) OPU3 中可以承载 4 个 ODTU13 ，整数部分 952=3808/4

2) 尾数部分：OPUk 中可以承载几个 ODTUjk，那么整数部分就是 1/4 除以几。

a) OPU1 中可以承载 2 个 ODTU01 ，小数部分 1/4/2 = 1/8

b) OPU2 中可以承载 4 个 ODTU12 ，小数部分 1/4/4 = 1/16

c) OPU3 中可以承载 16 个 ODTU13 ，小数部分 1/4/16=1/64

c) OPU3 中可以承载 4 个 ODTU23 ，小数部分 1/4/4 = 4/64

ODTU 到 OPU 的映射为时分复用的映射方式，OPU 被分为多个 1.25G/2.5G 的支路槽(tributaryslot, TS)，ODTU 映射到这些支路槽中，映射方法为简单的时分复用方式。

OPU1 承载 2 个 ODTU01 时，每个 ODTU01 的载荷占用 1/2 的 OPU1 载荷，因此 ODTU01 的载荷应该式 OPU1 载荷速率的一半，即 3808/2 /3808* OPU1 载荷速率 = 1904 / 3824 * ODU1 载荷速率。

此外，我们还需要考虑到 OPU1 开销中的 NJO 调整机会。每个 OPU1 帧 (4 行) 只有 1 个字节的 NJO 调整机会，因此对 2 个 ODTU01 ，每个 ODTU01 需要两个 OPU1 帧才能有 1 个字节的 NJO 调整机会。考虑到这个调整机会后，ODTU01 还应加上 1/4/2 /3808* OPU1 载荷速率。这就是带宽计算中的小数部分。对于 OPU2/OPU3 都是类似的计算方法。

规律 6：ODTUk.ts 的 payload 速率和占用的支路槽数 ts 成正比，和 OPUk 中 1.25G 支路槽的列数成正比。

ODTUk.ts 全部都使用 1.25G 支路槽，ts 表示占用的支路槽个数，因而其速率当然和 ts 成正比，需要的 ts 支路数越多，ODTUk.ts 的速率就越高。在不同的 OPUk 中，1.25G 支路槽占的列数不相同。OPUk 的速度等级越高，1.25G 支路槽占的列数越少。因此，以 ODUk 的速率为基准时，ODTUk.ts 的速率和 OPUk 中 1.25G 支路槽的列数成正比。

在 OPU2 中，有 8 个 1.25G 支路槽，因此列数为 3808/8 = 476；
在 OPU3 中，有 32 个 1.25G 支路槽，因此列数为 3808/32= 119；
在 OPU4 中，有 80 个 1.25G 支路槽，因此列数为 3800/80 = 47.5 (其中最右边 8 列为填充)；

ODTUk.ts 不使用 NJO 调整机会，因此其速率与 NJO 无关，也没有 ODTUjk 那样的小数部分。

如何解决速率差

当数据映射到 OPU 中 (包括客户侧信号直接映射到 OPU，和低速率等级的 ODU 映射到高速率等级的 OPU 等情况)，数据速率和 OPU 载荷速率存在一定的差异。

这种差异可能是由于数据速率和 OPU 速率本身就不匹配，也可能是产生数据的时钟和 OPU 的时钟不一致引起的。速率差异问题可以采用合理的映射方式来解决，OTN 协议规定了 AMP 、BMP 、GMP 和 GFP-F 等映射方式。

AMP：Asynchronous Mapping Procedure 异步映射规程；
BMP：Bit-synchronous Mapping Procedure 比特同步映射规程；
GMP：Generic Mapping Procedure 通用映射规程；
GFP-F：Frame mapped Generic Framing Procedure 通用成帧规程。

BMP、AMP 和 GMP 三种映射方式的使用区别如上表所示。

BMP 必须 Server 时钟和 Client 时钟完全同源；
AMP 映射必须 Client 信号时钟频率和 OPUk 的负载时钟频率误差在 65 个 ppm 以内
GMP 必须 Client 信号速率不大于 OPUk 的负载速率。

信号映射到 OPU 中有两种方式，一种是直接映射到 OPU 中，另一种是已经映射到 ODU，再次映射到更高速率等级的 OPU 中。以下式 ODUj 到 OPUk 的映射类型。

规律 7 ：PT=20 的映射为 1.25G 支路映射 (除了 ODU0->OPU1 以外)；PT=21 的映射为 2.5G 支路映射，PT=22 的映射为 5G 支路映射。

ODU0 的映射：

ODU0 -> ODTU01 (AMP) -> OPU1 (PT=20)

ODU0 -> ODTU2.1 (GMP) -> OPU2 (PT=21)

ODU0 -> ODTU3.1 (GMP) -> OPU3 (PT=21)

ODU0 -> ODTU4.1 (GMP) -> OPU4 (PT=21)

ODU1 的映射：

ODU1 -> ODTU12 (AMP)-> OPU2 (PT=20, PT=21)

ODU1 -> ODTU13 (AMP) -> OPU3 (PT=20, PT=21)

ODU1 -> ODTU4.2 (GMP) -> OPU4 (PT=21)

ODU2 的映射：

ODU2-> ODTU23 (AMP) -> OPU3 (PT = 20, PT=21)

ODU2-> ODTU4.8(GMP) -> OPU4 (PT=21)

ODU2e 的映射：

ODU2-> ODTU3.9 (GMP) -> OPU3 (PT=21)

ODU2-> ODTU4.8(GMP) -> OPU4 (PT=21)

ODU3 的映射：

ODU3-> ODTU4.31 (GMP) -> OPU4 (PT=21)

我们再把 SDH 和 ETH 客户侧信号直接映射到 OPU 的情况列举如下：

STM-16 -> OPU2 (AMP PT=02, BMP PT=03)

STM-64 -> OPU3 (AMP PT=02, BMP PT=03)

STM-256 -> OPU4(AMP PT = 02, BMP PT=03)

1000 BASE-X -> OPU0 (GMP PT=07)

10G BASE-R -> OPU2e (BMP, PT=07?)

40G BASE-R -> OPU3 (GMP PT = 07)

100G BASE-R-> OPU4 (GMP PT = 07)

规律 8：各种客户信号的映射方式如下：

ODTU01, ODTU12, ODTU13, ODTU23 使用 AMP 映射；
ODTUk.ts 使用 GMP 映射；
SDH 到对应的 OTU 使用AMP 或 BMP 映射；
以太信号使用 GMP 映射 (OTU2e 除外)；
10GE 到 OTU2e 使用 BMP 映射。

需要注意的是 10GE 到OTU2e 只能使用BMP 映射，这是由于 10GE 信号的频率偏差为100ppm， AMP 无法支持这么大的时钟 jitter ，因此只能使用 BMP 映射。

1. BMP 无速率差异

BMP 映射仅仅应用在 Client 信号和 Server 信号速率成比例关系的情况下，即两者之间没有速率差异。Client 信号的时钟进行一个分数倍频以，后即可作为 Server 信号的时钟；Server 信号的恢复之中进行分数分频以后，即可作为 Client 信号的时钟。

10BASE-R 到 OPU2e 的映射使用 BMP 。STM 信号到相应的 OPUk ，可以使用 BMP 映射，也可以使用 AMP 映射。

2.AMP 解决速率差异

AMP 信号解决 Client 信号和 Server 信号速率差异在较小的范围之内的差异。有两种情况：

1) Client 信号和 Server 信号使用成比例关系的频率：

但是由于两者各自使用自己的本地时钟，那么时钟本身的误差会导致速率造有差异。例如 STM-16 装载到 OPU2 中，OPU2 以本地时钟发送，那么发送的本地时钟和 STM-16 时钟之间的差异，造成了速率比例关系的误差。这需要通过 AMP 映射的指针调整方法解决。

AMP 映射可以解决+/-65ppm 的误差，输入信号+/-45ppm ，OPU 时钟+/-20ppm 。那么这个 65ppm 的值是怎么来的呢？其实很简单：OPUk 的载荷区域为 3080*4 个字节，每个 OPUk 帧，都存在 1 个字节的正调整机会 PJO 和 1 个字节负调整机会 NJO 。因此可以接受的最大速率差异即：

+/-1 ÷ (3080*4) = +/-65.7ppm。

2) ODTUjk 的AMP 映射：

当 ODUj 通过 ODTUjk 映射到 OPUk 的 1.25G 或 2.5G 支路，ODTUjk 具备支路开销自己 TSOH ，用于适配 ODUj 和 ODTUjk 之间的速率差。ODTUjk 包含 1 个字节的负调整机会 NJO 和2 个字节的正调整机会 PJO1、PJO2。通过 JC 判断调整机会的方法如下：

由于每个支路都需要使用 OPUk 的开销字节，因此每个支路槽的 JC 、NJO 等是时分复用的，既每个支路槽用相应复帧指示 MFAS 所表示的那一帧的 OPUk 开销。那么 PJO 也一样，每个支路的两个字节的 PJO 开销，也使用相应 MFAS 值所指示的第一列和第二列的字节。如下图所示：

那么，ODTUjk 的 AMP 映射的速率差异接受范围是 (-65ppm ，+130ppm)。计算速率差异如下：

以下是 ODU1 映射到 ODTU13 时的固定填充情况，共 238 列，地 119 列设置为固定填充。

当 ODUjk 装载时，速率差的范围为 0~35.5ppm，输入数据的时钟差为+/-20ppm，输出数据的时钟差也为+/-20ppm ，那么装载时的速率差为 -40ppm ~ 75.5ppm 。这样一个字节的调整机会+/-65ppm 显然无法满足要求。因此 ODUjk 需要使用 2 个字节的正调整机会，使得可接受的速率差达到 -65ppm ~ 130ppm。

3. GMP 映射解决更大的速率差

GMP映射可以解决更大的速率差，要求客户侧信号必须小于 OPUk 的负载速率。GMP 不使用 NJO 字节。GMP 使用 Sigma-Delta 算法，间歇性地标记 OPUk 负载中的某些数据为固定填充，不能填充客户侧型号，从而使得客户侧信号使用 OPUk 的负载速率。

OTUk.ts 承载方式，都使用 GMP 映射方式。同时1000BASE-X 、40GBASE-R 、100GBASE-R ，都是使用 GMP 方式，分别映射到 OPU0 、OPU3 和 OPU4。