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数字包封技术
[英] The technology of digital enclosing
数字包封技术及其应用
【摘要】介绍了在最新定版的G．709标准中采用的数字包封技术，分析其开销的应用方法和采用的前向纠错技术。并介绍了数字包封技术的应用系统设计。最后举例说明了各种开销的应用方法。
关键词：数字包封 光传送网 波分复用
1 引言
人类社会已进入信息时代，INTERNET的飞速发展带来了信息爆炸。光纤通信成为解决带宽问题的最佳方案，WDM（波分复用）技术作为光通信系统扩容的首选方案已经得到了广泛的应用，并逐渐从长途骨干网的应用向城域网和接入网渗透。WDM系统不仅能提高传输容量，而且具有联网的潜力和实用价值。WDM系统的建设也从原来的点对点系统向光传送网（OTN）发展。光传送网的建设，为在光层上提供快速的保护和恢复功能，并能实现光路上的交换，提供了坚实的基础。
针对光传送网势不可挡的发展趋势，国际电联（ITU）推出了一系列标准，其中尤以2001年2月推出的G．709建议具有重大意义，它指出了光联网的技术基础。G．709建议的核心内容就是数字包封技术（DigitalWrapper），它定义了一种特殊的帧格式，将客户信号封装入帧的载荷单元，在头部提供用于运营、管理、监测和保护（OAM＆P）的开销字节，并在帧尾提供了前向纠错（FEC）字节。
2 数字包封技术
数字包封技术采用的标准帧格式如图1所示。
从图中可以看出，数字包封采用标准帧是4行4 080列帧格式。头部16列为开销字节，尾部255列为FEC校验字节，中间3 808列为净荷。头部开销字节的定义如图2所示。
其中，第一行1～7列为帧定位字节，8～14字节为OTUk开销字节，第2～4行1～14列为ODUk开销字节，第15、16列为OPUk开销字节。下面介绍其功能和作用。
2．1 OTUk开销字节
OTUk（Optical Channel Transport Unit）开销字节提供了OTN中3R再生节点之间传输信号状态的监测功能。包含以下三个部分：
（1）SM（Section Monitoring）—段监测开销字节
TTI（TrailTrace Identifier）—路径跟踪标识提供连接监测功能。它是64字节复帧。
SAPI（Source Access Point Identifier）—源接入点标识。
DAPI（Destination Access Point Identifier）—宿接入点标识。
以上两个标识符必须是全球唯一的，以便于全网的管理和运营，具体格式G．709中对此有建议。
BIP－8—OTUk SM错误检测码
OPUk（15～3 824列）区域校验字节。提供OTUk中净荷的误码监测功能。
BEI（Backward Error Indication）—后向错误指示。向上游节点提供信号误码指示。
BDI（Backward Defect Indication）—后向缺陷指示。向上游节点提供信号失效指示。
IAE（Incoming Alignment Error）—入局帧定位错误向它对应的出口节点提供帧定位错误告警。
（2）GCC0是为两个OTUk终端之间提供通信信道的开销字节，格式未在建议中规定。
（3）RES是为将来的标准提供的保留字节。
2．2 ODUk开销字节
ODUk（OpticalChannel Data Unit）开销提供级联连接监测、端到端的通道监测和通过OPUk提供客户信号适配。ODUk提供了丰富的开销字节（第2～4行1～14列）以完成上述功能。
（1）M（Path Monitoring）开销通道监测开销提供端到端的通道监测功能，共3个字节，其定义如图4所示。其中TTI等字节的定义和功能与OTUk中的相应字节近似，不同之处在于它提供的是ODUk中的使用功能。STAT位提供了通道状态信息。
（2）TCMi开销
TCM开销的定义与PM开销定义相同，G．709帧结构共提供了6个TCM开销。TCM开销使复杂光网络能在光通道层提供管理、监测、运营和保护能力。它可以用在以下网络应用中：
——光UNI到UNI级联连接监测；通过公共传送网的ODUk级联监测。
——光NNI到NNI级联连接监测；通过单个运营网络的ODUk连接监测。
——对1＋1、1：1和1：n光通道子层连接保护倒换的子层监测，从而决定信号失效和信号恶化情况。
——对光通道共享保护环保护倒换子层监测，从而决定信号失效和信号恶化情况。
——对光通道级联连接进行监测，以检测在光通道交换连接中的信号失效和信号恶化情况，在网络中出现故障和错误时自动恢复连接。
——监测光通道级联连接，如：差错定位和验证服务传送质量。
（3）CM ACT
TCM Active／Deactivation字节，有待研究。
（4）CC1，GCC2
提供任何两个接受ODUk帧结构的网络单元之间的通信信道。
（5）APS／PCC
自动保护倒换和保护通信信道开销字节，有待研究。
（6）FTFL（Fault type and fault locationreporting communication channel）
提供故障类型和故障定位信息，它是256个字节的复帧。
（7）EXP
两个字节的供实验使用的开销字节。
2．3 OPUk开销字节
OPUk是由客户信号映射进的净荷与其相关开销组成，OPUk开销定义如图5所示。
（1）PSI—Payload Structure Identifier净荷结构标识，256字节的复帧。
PT—Payload Type，客户信号类型指示。RES—保留字节。
（2）Mapping Specific Overhead映射相关开销。JC—Justification Control码速调整控制字节。
NJO—Negative Justification Opportunity 负码速调整机会字节。
PJO—Positive Justification Opportunity 负码速调整机会字节。
这三个字节由映射过程产生。
3 前向纠错技术
在数字包封的标准帧中采用的是16字节比特间插RS（255，239）码，它是一种线性循环码。FEC处理使线路速率增加了7．14％，可纠正的突发误码为8字节，检测能力为16字节。在OTUk帧的FEC处理过程如图6所示，它将OTUk的每一行用比特间插的方法分割成16个FEC子行，每个FEC编码／解码器处理其中一个子行，FEC奇偶校验针对每个子行的239字节信息位进行，16个校验位置于其后
3.1 FEC编码算法与结构
RS（255，239）码的产生多项式
FEC码字（FEC子行）包含信息字节和校验字节，可由如下多项式表式
C（z）＝I（z）＋R（z）
信息字节部分式中，Dj（j＝16 to 254）为信息字节，D254对应FEC子行中的第一个字节，而D16对应第239字节，并表示为伽罗华域GF（256）中的一个元素式中，d7j为信息字节的最高位，而d0j代表最低位。校验字节部分式中，Rj（j＝0 to 15）为校验字节，R15对应FEC子行中的第240字节，而R0对应第255字节，并表示为伽罗华域GF（256）中的一个元素式中，r7j为信息字节的最高位，而r0j代表最低位。R（z）由下式计算 R（z）＝I（z）mod G（z）
综上所述，FEC码字（子行）的结构如图7所示。
FEC对系统性能的改善可参考文献［3］。
4 数字包封技术的实现与应用
4．1 数字包封功能的系统实现
上面已经介绍了数字包封技术采用的帧结构以及各种开销，FEC算法，客户信号的映射及维护信号，下面介绍其硬件实现方式。同SDH开销处理一样，数字包封的各种开销也采用专用芯片（ASIC）来实现，现有的芯片设计技术和生产技术已能在一个3 cm×3 cm封装的芯片上实现数字包封功能，功耗不会超过5 W。
数字包封技术是用于OTN的接口，它最主要的使用方式有两种。一种是将客户信号映射进数字包封所定义的帧格式中，加入相关开销，并通过网络传输。另一种则是把已经经过数字包封并在网络中传输的信号解下来，处理其中的开销，以完成相关功能。这是相反的两种方式，它们相互配合，以完成所赋予的各种功能。
数字包封技术用于OTN的接口，因此相应的它应用在目前的OTU（光传送单元）中，完成将SDH信号数字包封和信号解包封的功能，以及在光传送网中作中继器。图8为采用数字包封技术的适配功能（Adaptor）OTU结构示意图。
光收发一体模块
光收发一体模块作为系统端的光口，将系统传来的光信号变为电信号或反之。光收发一体模块有比较成熟的产品，都符合LUCENT的多源协议。封装为2×10针的带激光器监测功能，2×5封装的不带监测功能。
CDR＆DeMUX／MUX
CDR是时钟提取和数据再定时芯片。DeMUX是解复用芯片，将高速串行信号解为低速并行信号。MUX是复用芯片，与DeMUX功能正好相反。
DigitalWrapper
此芯片完成数字包封与解包封功能，提供了开销处理的输出口。
长距离光收／发模块
长距离光收模块采用了高灵敏度的APD接收机，将从远端接收的光信号变为电信号。在光收模块中通常带有CDR，则后面将不再需要CDR。发模块采用带温度和功率控制的激光器，具有稳定的符合ITU建议的波长，以及其它相关指标，以将电信号变为光信号，在WDM光网络中传输。
以上模块构成信号主通道，完成O／E／O变换，3R功能在此实现。
MCU模块
MCU部分完成与网管的通信，本盘的性能采集、监测、告警、控制等功能。
MCU部分可采用成熟的8位机，由具体情况决定。
FPGA模块
FPGA完成光通道层开销的读入和读出，以及提供扩展I／O口等，与MCU协同工作。
电源模块
电源模块部分为整个盘上的器件和芯片提供工作电压。
4．2 数字包封技术的应用
数字包封技术不仅能提高信号传输的质量，而且为光传送网提供了丰富的运营、管理、监测、保护开销，为光网络的发展提供了坚实的技术基础。表1是对目前几种光传输中采用技术的比较，从表中可以看出，数字包封技术为光传送网提供了最强大的功能。
SDH+：通过定义未使用的开销来增强SDH功能。
*仅能提供有限的功能
数字包封技术提供了丰富的开销，在前面我们已对各种开销的功能和结构作了介绍，下面就在实际网络中这些开销的使用举例说明。
图9为一个光传送网的示意图。在图中，USER1要使用这个光网络将信息传送到USER2端。NO—Network Operator，NO—A～NO—D代表四个网络运营商，用户的信息就要从他们的网络中经过。其中，B运营商和C运营商又是各自从A运营商处租用的网络B和网络C，B和C是A的子网络。图中，三角形代表网络中使用的终端设备，它负责完成相应的开销处理。图中箭头所指示的R1和R2表示线路中使用的3R再生中继器。
USER1的终端设备对信号进行数字包封，加入相应的开销。其中，在ODUk中的PM开销中填入正确的信息，监测信号在整个通道中的传输，在OTUk中加入正确开销信息，以便在3R再生处处理。发出的信号首先传送到网络运营商A的网络接口处，A将接收的信号进行监测处理，如进行FEC，加入自己所需的相应开销字节。运营商A除在OTUk中加入相应的信息外，还会使用ODUk中的TCM1作为级联连接监测。信息继续传送到运营商B的网络接口处，B在检测OTUk开销，进行误码检测和纠错后，加入正确的OTUk开销，使用ODUk中的TCM2作为自己的级联连接监测开销。在每一个3R再生处，都会有相应的OTUk开销的取出和加入，以及检错或纠错。在网络B的出口处，相应的终端设备会终结网络B中使用的级联监测开销TCM2，它能反映出信号在网络中传输是否正确。网络C同B中的流程一样，它可以使用除TCM1外的其它TCMi作为级联监测开销。信号经过网络C后，又传送到网络A的出口，A利用TCM1可以检查信号在整个网络A中传输的状态。网络D在入口和出口处执行同样的功能，只不过它可以使用任意的TCMi作级联监测用。信号通过网络D达到USER2，USER2使用ODUk中的PM开销可以监测信号整个信道中的传输质量。光传送网中的3R再生器使用OTUk开销。
从上面的分析可以看出，TCM开销为复杂网络的管理带来了极大的方便。网络服务提供商可以用它来监视提供服务的质量，运营商可以用来监视自己网络的运营状况，即使在各个子网有重叠，嵌套等情况下，也能提供有效的监测手段，从而使整个网络可以以非常灵活的方式运营和管理。
数字包封技术为保护倒换提供了4个字节的开销。目前的APS开销是使用OSC来传递的，需要增加额外带宽开销，OSC信息的传送不是“随路”的，为了可靠地传送环路信息，OSC信号需占用足够的带宽。而ODUk开销内提供了APS开销字节，可以随路传送。当然这需要有OCh开销处理单元，降低了透明度，但对于目前的非全光网络，3R再生器广范应用的网络中，不失为一种有效的保护方式。
数字包封技术及其应用
【摘要】介绍了在最新定版的G．709标准中采用的数字包封技术，分析其开销的应用方法和采用的前向纠错技术。并介绍了数字包封技术的应用系统设计。最后举例说明了各种开销的应用方法。
关键词：数字包封 光传送网 波分复用
1 引言
人类社会已进入信息时代，INTERNET的飞速发展带来了信息爆炸。光纤通信成为解决带宽问题的最佳方案，WDM（波分复用）技术作为光通信系统扩容的首选方案已经得到了广泛的应用，并逐渐从长途骨干网的应用向城域网和接入网渗透。WDM系统不仅能提高传输容量，而且具有联网的潜力和实用价值。WDM系统的建设也从原来的点对点系统向光传送网（OTN）发展。光传送网的建设，为在光层上提供快速的保护和恢复功能，并能实现光路上的交换，提供了坚实的基础。
针对光传送网势不可挡的发展趋势，国际电联（ITU）推出了一系列标准，其中尤以2001年2月推出的G．709建议具有重大意义，它指出了光联网的技术基础。G．709建议的核心内容就是数字包封技术（DigitalWrapper），它定义了一种特殊的帧格式，将客户信号封装入帧的载荷单元，在头部提供用于运营、管理、监测和保护（OAM＆P）的开销字节，并在帧尾提供了前向纠错（FEC）字节。
2 数字包封技术
数字包封技术采用的标准帧格式如图1所示。
从图中可以看出，数字包封采用标准帧是4行4 080列帧格式。头部16列为开销字节，尾部255列为FEC校验字节，中间3 808列为净荷。头部开销字节的定义如图2所示。
其中，第一行1～7列为帧定位字节，8～14字节为OTUk开销字节，第2～4行1～14列为ODUk开销字节，第15、16列为OPUk开销字节。下面介绍其功能和作用。
2．1 OTUk开销字节
OTUk（Optical Channel Transport Unit）开销字节提供了OTN中3R再生节点之间传输信号状态的监测功能。包含以下三个部分：
（1）SM（Section Monitoring）—段监测开销字节
TTI（TrailTrace Identifier）—路径跟踪标识提供连接监测功能。它是64字节复帧。
SAPI（Source Access Point Identifier）—源接入点标识。
DAPI（Destination Access Point Identifier）—宿接入点标识。
以上两个标识符必须是全球唯一的，以便于全网的管理和运营，具体格式G．709中对此有建议。
BIP－8—OTUk SM错误检测码
OPUk（15～3 824列）区域校验字节。提供OTUk中净荷的误码监测功能。
BEI（Backward Error Indication）—后向错误指示。向上游节点提供信号误码指示。
BDI（Backward Defect Indication）—后向缺陷指示。向上游节点提供信号失效指示。
IAE（Incoming Alignment Error）—入局帧定位错误向它对应的出口节点提供帧定位错误告警。
（2）GCC0是为两个OTUk终端之间提供通信信道的开销字节，格式未在建议中规定。
（3）RES是为将来的标准提供的保留字节。
2．2 ODUk开销字节
ODUk（OpticalChannel Data Unit）开销提供级联连接监测、端到端的通道监测和通过OPUk提供客户信号适配。ODUk提供了丰富的开销字节（第2～4行1～14列）以完成上述功能。
（1）M（Path Monitoring）开销通道监测开销提供端到端的通道监测功能，共3个字节，其定义如图4所示。其中TTI等字节的定义和功能与OTUk中的相应字节近似，不同之处在于它提供的是ODUk中的使用功能。STAT位提供了通道状态信息。
（2）TCMi开销
TCM开销的定义与PM开销定义相同，G．709帧结构共提供了6个TCM开销。TCM开销使复杂光网络能在光通道层提供管理、监测、运营和保护能力。它可以用在以下网络应用中：
——光UNI到UNI级联连接监测；通过公共传送网的ODUk级联监测。
——光NNI到NNI级联连接监测；通过单个运营网络的ODUk连接监测。
——对1＋1、1：1和1：n光通道子层连接保护倒换的子层监测，从而决定信号失效和信号恶化情况。
——对光通道共享保护环保护倒换子层监测，从而决定信号失效和信号恶化情况。
——对光通道级联连接进行监测，以检测在光通道交换连接中的信号失效和信号恶化情况，在网络中出现故障和错误时自动恢复连接。
——监测光通道级联连接，如：差错定位和验证服务传送质量。
（3）CM ACT
TCM Active／Deactivation字节，有待研究。
（4）CC1，GCC2
提供任何两个接受ODUk帧结构的网络单元之间的通信信道。
（5）APS／PCC
自动保护倒换和保护通信信道开销字节，有待研究。
（6）FTFL（Fault type and fault locationreporting communication channel）
提供故障类型和故障定位信息，它是256个字节的复帧。
（7）EXP
两个字节的供实验使用的开销字节。
2．3 OPUk开销字节
OPUk是由客户信号映射进的净荷与其相关开销组成，OPUk开销定义如图5所示。
（1）PSI—Payload Structure Identifier净荷结构标识，256字节的复帧。
PT—Payload Type，客户信号类型指示。RES—保留字节。
（2）Mapping Specific Overhead映射相关开销。JC—Justification Control码速调整控制字节。
NJO—Negative Justification Opportunity 负码速调整机会字节。
PJO—Positive Justification Opportunity 负码速调整机会字节。
这三个字节由映射过程产生。
3 前向纠错技术
在数字包封的标准帧中采用的是16字节比特间插RS（255，239）码，它是一种线性循环码。FEC处理使线路速率增加了7．14％，可纠正的突发误码为8字节，检测能力为16字节。在OTUk帧的FEC处理过程如图6所示，它将OTUk的每一行用比特间插的方法分割成16个FEC子行，每个FEC编码／解码器处理其中一个子行，FEC奇偶校验针对每个子行的239字节信息位进行，16个校验位置于其后
3.1 FEC编码算法与结构
RS（255，239）码的产生多项式
FEC码字（FEC子行）包含信息字节和校验字节，可由如下多项式表式
C（z）＝I（z）＋R（z）
信息字节部分式中，Dj（j＝16 to 254）为信息字节，D254对应FEC子行中的第一个字节，而D16对应第239字节，并表示为伽罗华域GF（256）中的一个元素式中，d7j为信息字节的最高位，而d0j代表最低位。校验字节部分式中，Rj（j＝0 to 15）为校验字节，R15对应FEC子行中的第240字节，而R0对应第255字节，并表示为伽罗华域GF（256）中的一个元素式中，r7j为信息字节的最高位，而r0j代表最低位。R（z）由下式计算 R（z）＝I（z）mod G（z）
综上所述，FEC码字（子行）的结构如图7所示。
FEC对系统性能的改善可参考文献［3］。
4 数字包封技术的实现与应用
4．1 数字包封功能的系统实现
上面已经介绍了数字包封技术采用的帧结构以及各种开销，FEC算法，客户信号的映射及维护信号，下面介绍其硬件实现方式。同SDH开销处理一样，数字包封的各种开销也采用专用芯片（ASIC）来实现，现有的芯片设计技术和生产技术已能在一个3 cm×3 cm封装的芯片上实现数字包封功能，功耗不会超过5 W。
数字包封技术是用于OTN的接口，它最主要的使用方式有两种。一种是将客户信号映射进数字包封所定义的帧格式中，加入相关开销，并通过网络传输。另一种则是把已经经过数字包封并在网络中传输的信号解下来，处理其中的开销，以完成相关功能。这是相反的两种方式，它们相互配合，以完成所赋予的各种功能。
数字包封技术用于OTN的接口，因此相应的它应用在目前的OTU（光传送单元）中，完成将SDH信号数字包封和信号解包封的功能，以及在光传送网中作中继器。图8为采用数字包封技术的适配功能（Adaptor）OTU结构示意图。
光收发一体模块
光收发一体模块作为系统端的光口，将系统传来的光信号变为电信号或反之。光收发一体模块有比较成熟的产品，都符合LUCENT的多源协议。封装为2×10针的带激光器监测功能，2×5封装的不带监测功能。
CDR＆DeMUX／MUX
CDR是时钟提取和数据再定时芯片。DeMUX是解复用芯片，将高速串行信号解为低速并行信号。MUX是复用芯片，与DeMUX功能正好相反。
DigitalWrapper
此芯片完成数字包封与解包封功能，提供了开销处理的输出口。
长距离光收／发模块
长距离光收模块采用了高灵敏度的APD接收机，将从远端接收的光信号变为电信号。在光收模块中通常带有CDR，则后面将不再需要CDR。发模块采用带温度和功率控制的激光器，具有稳定的符合ITU建议的波长，以及其它相关指标，以将电信号变为光信号，在WDM光网络中传输。
以上模块构成信号主通道，完成O／E／O变换，3R功能在此实现。
MCU模块
MCU部分完成与网管的通信，本盘的性能采集、监测、告警、控制等功能。
MCU部分可采用成熟的8位机，由具体情况决定。
FPGA模块
FPGA完成光通道层开销的读入和读出，以及提供扩展I／O口等，与MCU协同工作。
电源模块
电源模块部分为整个盘上的器件和芯片提供工作电压。
4．2 数字包封技术的应用
数字包封技术不仅能提高信号传输的质量，而且为光传送网提供了丰富的运营、管理、监测、保护开销，为光网络的发展提供了坚实的技术基础。表1是对目前几种光传输中采用技术的比较，从表中可以看出，数字包封技术为光传送网提供了最强大的功能。
SDH+：通过定义未使用的开销来增强SDH功能。
*仅能提供有限的功能
数字包封技术提供了丰富的开销，在前面我们已对各种开销的功能和结构作了介绍，下面就在实际网络中这些开销的使用举例说明。
图9为一个光传送网的示意图。在图中，USER1要使用这个光网络将信息传送到USER2端。NO—Network Operator，NO—A～NO—D代表四个网络运营商，用户的信息就要从他们的网络中经过。其中，B运营商和C运营商又是各自从A运营商处租用的网络B和网络C，B和C是A的子网络。图中，三角形代表网络中使用的终端设备，它负责完成相应的开销处理。图中箭头所指示的R1和R2表示线路中使用的3R再生中继器。
USER1的终端设备对信号进行数字包封，加入相应的开销。其中，在ODUk中的PM开销中填入正确的信息，监测信号在整个通道中的传输，在OTUk中加入正确开销信息，以便在3R再生处处理。发出的信号首先传送到网络运营商A的网络接口处，A将接收的信号进行监测处理，如进行FEC，加入自己所需的相应开销字节。运营商A除在OTUk中加入相应的信息外，还会使用ODUk中的TCM1作为级联连接监测。信息继续传送到运营商B的网络接口处，B在检测OTUk开销，进行误码检测和纠错后，加入正确的OTUk开销，使用ODUk中的TCM2作为自己的级联连接监测开销。在每一个3R再生处，都会有相应的OTUk开销的取出和加入，以及检错或纠错。在网络B的出口处，相应的终端设备会终结网络B中使用的级联监测开销TCM2，它能反映出信号在网络中传输是否正确。网络C同B中的流程一样，它可以使用除TCM1外的其它TCMi作为级联监测开销。信号经过网络C后，又传送到网络A的出口，A利用TCM1可以检查信号在整个网络A中传输的状态。网络D在入口和出口处执行同样的功能，只不过它可以使用任意的TCMi作级联监测用。信号通过网络D达到USER2，USER2使用ODUk中的PM开销可以监测信号整个信道中的传输质量。光传送网中的3R再生器使用OTUk开销。
从上面的分析可以看出，TCM开销为复杂网络的管理带来了极大的方便。网络服务提供商可以用它来监视提供服务的质量，运营商可以用来监视自己网络的运营状况，即使在各个子网有重叠，嵌套等情况下，也能提供有效的监测手段，从而使整个网络可以以非常灵活的方式运营和管理。
数字包封技术为保护倒换提供了4个字节的开销。目前的APS开销是使用OSC来传递的，需要增加额外带宽开销，OSC信息的传送不是“随路”的，为了可靠地传送环路信息，OSC信号需占用足够的带宽。而ODUk开销内提供了APS开销字节，可以随路传送。当然这需要有OCh开销处理单元，降低了透明度，但对于目前的非全光网络，3R再生器广范应用的网络中，不失为一种有效的保护方式。
