论OTN网络规划设计及在铁路中的应用

王继海

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

近年来，通信网络所承载的业务发生了巨大的变化。数据业务发展非常迅速，特别是宽带、视频业务的发展，对传送网络提出了新的要求。传送网络要能够提供适应这种增长的海量带宽，更重要的是要求传送网络可以进行快速灵活的业务调度，完善便捷的网络维护管理（OAM功能），以适应业务的需求。目前传送网使用的主要是SDH和WDM技术，但这2种技术都存在一定的局限性。

SDH技术偏重于业务的电层处理，具有灵活的调度、管理和保护能力，OAM功能完善。但是，它以VC4为基本交叉调度颗粒，采用单通道线路，容量增长和调度颗粒大小受到限制，无法满足业务的快速增长。WDM技术以业务的光层处理为主，多波长通道的传输特性决定了它具有提供大容量传输的天然优势。但是，目前的WDM网络主要采用点对点的应用方式，缺乏有效的网络维护管理手段。纯光调度系统（如ROADM）虽然可实现类似于SDH的调度和保护功能，但由于物理受限和波长受限问题，很难在大范围网络中应用。而且颗粒度单一，灵活性差，不能实现不同厂家设备的互通。

OTN技术是在SDH和WDM技术的基础上发展起来的，兼有两种技术的优点，OTN解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题。OTN技术包括了光层和电层的完整体系结构，各层网络都有相应的管理监控机制。OTN技术简单的说就是对SDH技术和WDM技术的扬长避短，其优点体现为以下几点。

1）业务透明传输

OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、GE和10GE等。OTN传送客户信号时不更改其净荷和开销信息，而其采用的异步映射模式保证了客户信号定时信息的透明。

2）大颗粒的带宽复用、交叉和配置

OTN目前定义的电层带宽颗粒为2.5、10 Gb/s和40 Gb/s，相对于SDH的VC-12/VC－4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，对高带宽数据客户业务的适配和传送效率显著提升。

3）强大的维护管理能力

OTN提供了和SDH类似的开销管理能力，具备完善的性能和故障监测机制，从而使WDM系统具备类似SDH的性能和故障监测能力。

4）丰富的组网和保护能力

通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器(ROADM)的引入，大大增强了光传送网的组网能力。诸如前向纠错(FEC)技术的采用，显著增加了光层传输的距离。另外，OTN提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如OSMP保护、板间OSP保护、客户侧保护以及基于ODUk层的光子网连接保护(SNCP)和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等，根据业务需求灵活选择保护机制。

本文将探讨OTN网络规划设计流程，分析网络规划设计中的基本四要素及OTN在铁路上的应用。

2 OTN网络规划设计流程

1）根据业务需求规划系统容量。

一般100～600 km覆盖范围内配置8波OTN系统，1 500～3 000 km覆盖范围内配置40/80波OTN系统，超过5 000 km配置160/192波OTN系统。

2）确定OTN网元类型。

OTN网元包括光终端复用站 OTM（Optical Terminal Multiplexer）、光线路放大站 OLA（Optical Line Amplifier）、光分插复用站 OADM（Optical Add/Drop Multiplexer）、电中继站REG（Regenerator）。

3）确定有业务上下节点（OADM/ROADM/OTM）的合波器和分波器。

一般小于8波时采用串行OADM，大于8波时，一般选择OTM或并行OADM。

OTN网络规划设计流程如图1所示。

3 OTN网络规划设计基本四要素

OTN网络规划设计基本四要素为光功率、色散、信噪比及非线性效应。

3.1 光功率计算

光功率计算主要考虑线路衰减。

线路衰减(dB)=Pout(dBm)-Pin(dBm)，如图2所示。

计算是考虑光纤老化余量，不需考虑OTN设备合波分波单元的设备插损。

线路衰耗=距离×光纤衰耗系数+光纤老化余量+光纤跳转站点的衰耗

在1 550 nm窗口，G.652和G.655光纤的损耗系数按0.22 dB/km考虑。

光纤老化余量一般按3 dB考虑。光纤跳转站点的衰耗按0.5 dB/站考虑。根据上述等式可计算出受限光功率距离。

3.2 色散计算

色散的计算考虑色度色散和偏振模色散PMD。

色度色散受限距离（km）= 色散容限（ps/nm）/ 色散系数（ps/nm.km）

理论上G.652光纤的色散系数为17 ps/nm.km，G.655光纤的色散系数为4.5 ps/nm.km。在OTN网络规划中考虑一定预留，一般G.652光纤的色散系数按20 ps/nm.km、G.655光纤的色散系数按6 ps/nm.km考虑，则色度色散受限距离如表1所示。

表1 色度色散受限距离

偏振模色散受限距离（km）＝（差分群时延DGD（ps）/PMD 系数 (ps/km1/2)）2

偏振模色散受限距离如表2所示。

根据表1、表2可见，实际网络规划中主要考虑色度色散。

在长距离传输的情况下，可配置色散补偿模块（DCM）进行色散补偿。DCM能够放在OPU、OBU之前，或放在OAU的PA和BA模块之间，但绝不能放在拉曼放大板之前。

色散补偿为分段补偿，系统的残余色散必须在OTU的残余色散要求范围之内。

表2 偏振模色散受限距离

色散补偿模块（DCM）配置可采用完全补偿模式和发端预补偿模式。

3.3 光信噪比计算

光信噪比计算根据ITU-T G.692建议，如果级联的每个放大器输出的总光功率相同，并且放大器增益远大于1，那么OSNR可以近似为：

OSNR=Pout-L-NF-10lgN-10lg[hvΔv0]其中：

Pout：单通道的输出光功率；

L：放大器之间的段损耗；

NF：噪声系数；

Δv0：光信号带宽；

N：链路中的段数，并假设每一段的损耗相同。

在1 550 nm波段，0.1 nm带宽内，10lg(hvΔv0)=-58 dBm

由OSNR计算公式可看，OSNR与光功率预算和配置的光放大器有关。不同OTU的OSNR容限不同。当计算出来的OSNR值不满足OTU的OSNR要求时，可以考虑使用拉曼放大器、更高输出光功率的放大器或增加中继站等。

OSNR要求如表3所示。

表3 OSNR要求

3.4 非线性效应计算

非线性效应主要是受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频、自相位调制、交叉相位调制等引起。可通过使用高性能的光纤作为传输媒质、控制信号光功率、良好的色散管理、采用先进的光源技术等技术来处理非线性效应。

在OTN网络规划设计时，一般考虑2dB的OSNR冗余作为非线性效应的影响。

4 OTN系统在铁路上应用

作为承载2.5 Gb/s颗粒以上的传送网技术，考虑到现有的传送网络分层关系和传送业务颗粒分布特征，OTN应主要应用于全国骨干传送网络及路局内汇聚层传送网络。

全国骨干层覆盖铁道部及各路局，解决各路局至铁道部及路局间业务，并可为路局汇聚层业务提供保护通道。路局汇聚层解决路局内业务，为路局内SDH系统业务提供保护通道。

全国骨干层节点设置选择应为部局所在地、局交界、大型枢纽等重要节点。采用40/80波×10Gb/s OTN系统。

路局汇聚层OTN节点应选择在局内业务汇聚点、铁路交汇点、枢纽节点。采用40/80波×10Gb/s或2.5 Gb/s OTN系统。

OTN系统可采用链型、星型、环型、环带链型、环相切、环相交和MESH等组网方式。

根据铁路业务流向来看，铁路业务多为集中式业务，跨子网业务，且铁路业务安全可靠要求较高，故铁路OTN建设不宜采用环网保护。复用段保护需要在主备用路由上均建设光放大器，采用光复用段保护，建设和维护成本较大，铁路建设不建议采用。铁路建设宜采用子网连接保护的ODUk 1＋1保护。具备双路由光缆资源OTN网络，宜采用光线路保护方式，对整个波道进行保护。

铁路OTN应采用光监控信道。保证能够监控到任何一个站点。

5 结束语

宽带、多媒体等多种业务的发展促使传输网向高带宽、高速率的宽带OTN发展。铁路OTN部署也将开始，本文对OTN系统设计流程，设计四要素、OTN在铁路上的应用进行了探讨。随着ROADM技术的引入以及OTN智能控制平面的成熟，对OTN网管规划设计及应用的探讨还将继续。

［1］ ITU-T G.872 Architecture of optical transport networks[S].

［2］ ITU-T G.709 Interfaces for the Optical Transport Network （OTN）[S].

［3］ ITU-T G.798 Characteristics of optical transport network hierarchy equipment[S].

［4］ ITU-T G.873.1 Optical Transport Network （OTN） :Linear protection[S].

［5］ ITU-T G.808.1 Generic protection switching-Linear trail and subnetwork[S].