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摘要
介紹了在最新定版的G．709標準中採用的數字包封技術，分析其開銷的套用方法和採用的前向糾錯技術
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正文
數字包封技術1 引言
人類社會已進入資訊時代，INTERNET的飛速發展帶來了信息爆炸。光纖通信成為解決頻寬問題的最佳方案，WDM（波分復用）技術作為光通信系統擴容的首選方案已經得到了廣泛的套用，並逐漸從長途骨幹網的套用向城域網和接入網滲透。WDM系統不僅能提高傳輸容量，而且具有聯網的潛力和實用價值。WDM系統的建設也從原來的點對點系統向光傳送網（OTN）發展。光傳送網的建設，為在光層上提供快速的保護和恢復功能，並能實現光路上的交換，提供了堅實的基礎。
針對光傳送網勢不可擋的發展趨勢，國際電聯（ITU）推出了一系列標準，其中尤以2001年2月推出的G．709建議具有重大意義，它指出了光聯網的技術基礎。G．709建議的核心內容就是數字包封技術（DigitalWrapper），它定義了一種特殊的幀格式，將客戶信號封裝入幀的載荷單元，在頭部提供用於運營、管理、監測和保護（OAM＆P）的開銷位元組，並在幀尾提供了前向糾錯（FEC）位元組。
2 數字包封技術
數字包封技術採用的標準幀格式如圖1所示。
從圖中可以看出，數字包封採用標準幀是4行4 080列幀格式。頭部16列為開銷位元組，尾部255列為FEC校驗位元組，中間3 808列為淨荷。頭部開銷位元組的定義如圖2所示。
其中，第一行1～7列為幀定位位元組，8～14位元組為OTUk開銷位元組，第2～4行1～14列為ODUk開銷位元組，第15、16列為OPUk開銷位元組。下面介紹其功能和作用。
2．1 OTUk開銷位元組
OTUk（Optical Channel Transport Unit）開銷位元組提供了OTN中3R再生節點之間傳輸信號狀態的監測功能。包含以下三個部分：
（1）SM（Section Monitoring）—段監測開銷位元組
SM開銷的定義如圖3所示。
數字包封技術TTI（TrailTrace Identifier）—路徑跟蹤標識提供連線監測功能。它是64位元組復幀。
SAPI（Source Access Point Identifier）—源接入點標識。
DAPI（Destination Access Point Identifier）—宿接入點標識。
以上兩個標識符必須是全球唯一的，以便於全網的管理和運營，具體格式G．709中對此有建議。
BIP－8—OTUk SM錯誤檢測碼
OPUk（15～3 824列）區域校驗位元組。提供OTUk中淨荷的誤碼監測功能。
BEI（Backward Error Indication）—後向錯誤指示。向上游節點提供信號誤碼指示。
BDI（Backward Defect Indication）—後向缺陷指示。向上游節點提供信號失效指示。
IAE（Incoming Alignment Error）—入局幀定位錯誤向它對應的出口節點提供幀定位錯誤告警。
（2）GCC0是為兩個OTUk終端之間提供通信信道的開銷位元組，格式未在建議中規定。
（3）RES是為將來的標準提供的保留位元組。
2．2 ODUk開銷位元組
ODUk（OpticalChannel Data Unit）開銷提供級聯連線監測、端到端的通道監測和通過OPUk提供客戶信號適配。ODUk提供了豐富的開銷位元組（第2～4行1～14列）以完成上述功能。
（1）M（Path Monitoring）開銷通道監測開銷提供端到端的通道監測功能，共3個位元組，其定義如圖4所示。其中TTI等位元組的定義和功能與OTUk中的相應位元組近似，不同之處在於它提供的是ODUk中的使用功能。STAT位提供了通道狀態信息。
（2）tcmi開銷
TCM開銷的定義與PM開銷定義相同，G．709幀結構共提供了6個TCM開銷。TCM開銷使複雜光網路能在光通道層提供管理、監測、運營和保護能力。它可以用在以下網路套用中：
——光UNI到UNI級聯連線監測；通過公共傳送網的ODUk級聯監測。
——光NNI到NNI級聯連線監測；通過單個運營網路的ODUk連線監測。
——對1＋1、1：1和1：n光通道子層連線保護倒換的子層監測，從而決定信號失效和信號惡化情況。
——對光通道共享保護環保護倒換子層監測，從而決定信號失效和信號惡化情況。
——對光通道級聯連線進行監測，以檢測在光通道交換連線中的信號失效和信號惡化情況，在網路中出現故障和錯誤時自動恢復連線。
——監測光通道級聯連線，如：差錯定位和驗證服務傳送質量。
（3）CM ACT
TCM Active／Deactivation位元組，有待研究。
（4）CC1，GCC2
提供任何兩個接受ODUk幀結構的網路單元之間的通信信道。
（5）APS／PCC
自動保護倒換和保護通信信道開銷位元組，有待研究。
（6）FTFL（Fault type and fault locationreporting Communication channel）
提供故障類型和故障定位信息，它是256個位元組的復幀。
（7）EXP
兩個位元組的供實驗使用的開銷位元組。
2．3 OPUk開銷位元組
OPUk是由客戶信號映射進的淨荷與其相關開銷組成，OPUk開銷定義如圖5所示。
（1）PSI—Payload Structure Identifier淨荷結構標識，256位元組的復幀。
PT—Payload Type，客戶信號類型指示。RES—保留位元組。
（2）Mapping Specific Overhead映射相關開銷。JC—Justification Control碼速調整控制位元組。
NJO—Negative Justification Opportunity 負碼速調整機會位元組。
PJO—Positive Justification Opportunity 負碼速調整機會位元組。
這三個位元組由映射過程產生。
3 前向糾錯技術
在數字包封的標準幀中採用的是16位元組比特間插RS（255，239）碼，它是一種線性循環碼。FEC處理使線路速率增加了7．14％，可糾正的突發誤碼為8位元組，檢測能力為16位元組。在OTUk幀的FEC處理過程如圖6所示，它將OTUk的每一行用比特間插的方法分割成16個FEC子行，每個FEC編碼／解碼器處理其中一個子行，FEC奇偶校驗針對每個子行的239位元組信息位進行，16個校驗位置於其後。
3.1 FEC編碼算法與結構
RS（255，239）碼的產生多項式
FEC碼字（FEC子行）包含信息位元組和校驗位元組，可由如下多項式表式
C（z）＝I（z）＋R（z）
信息位元組部分
式中，Dj（j＝16 to 254）為信息位元組，D254對應FEC子行中的第一個位元組，而D16對應第239位元組，並表示為伽羅華域GF（256）中的一個元素
式中，d7j為信息位元組的最高位，而d0j代表最低位。校驗位元組部分
式中，Rj（j＝0 to 15）為校驗位元組，R15對應FEC子行中的第240位元組，而R0對應第255位元組，並表示為伽羅華域GF（256）中的一個元素
式中，r7j為信息位元組的最高位，而r0j代表最低位。R（z）由下式計算
R（z）＝I（z）mod G（z）
綜上所述，FEC碼字（子行）的結構如圖7所示。
FEC對系統性能的改善可參考文獻［3］。
4 數字包封技術的實現與套用
4．1 數字包封功能的系統實現
上面已經介紹了數字包封技術採用的幀結構以及各種開銷，FEC算法，客戶信號的映射及維護信號，下面介紹其硬體實現方式。同SDH開銷處理一樣，數字包封的各種開銷也採用專用晶片（ASIC）來實現，現有的晶片設計技術和生產技術已能在一個3 cm×3 cm封裝的晶片上實現數字包封功能，功耗不會超過5 W。
數字包封技術是用於OTN的接口，它最主要的使用方式有兩種。一種是將客戶信號映射進數字包封所定義的幀格式中，加入相關開銷，並通過網路傳輸。另一種則是把已經經過數字包封並在網路中傳輸的信號解下來，處理其中的開銷，以完成相關功能。這是相反的兩種方式，它們相互配合，以完成所賦予的各種功能。
數字包封技術用於OTN的接口，因此相應的它套用在目前的OTU（光傳送單元）中，完成將SDH信號數字包封和信號解包封的功能，以及在光傳送網中作中繼器。圖8為採用數字包封技術的適配功能（Adaptor）OTU結構示意圖。
光收發一體模組
光收發一體模組作為系統端的光口，將系統傳來的光信號變為電信號或反之。光收發一體模組有比較成熟的產品，都符合LUCENT的多源協定。封裝為2×10針的帶雷射器監測功能，2×5封裝的不帶監測功能。
CDR＆DEMUX／MUX
CDR是時鐘提取和數據再定時晶片。DeMUX是解復用晶片，將高速串列信號解為低速並行信號。MUX是復用晶片，與DeMUX功能正好相反。
DigitalWrapper
此晶片完成數字包封與解包封功能，提供了開銷處理的輸出口。
長距離光收／發模組
長距離光收模組採用了高靈敏度的APD接收機，將從遠端接收的光信號變為電信號。在光收模組中通常帶有CDR，則後面將不再需要CDR。發模組採用帶溫度和功率控制的雷射器，具有穩定的符合ITU建議的波長，以及其它相關指標，以將電信號變為光信號，在WDM光網路中傳輸。
以上模組構成信號主通道，完成O／E／O變換，3R功能在此實現。
MCU模組
MCU部分完成與網管的通信，本盤的性能採集、監測、告警、控制等功能。
MCU部分可採用成熟的8位機，由具體情況決定。
FPGA模組
FPGA完成光通道層開銷的讀入和讀出，以及提供擴展I／O口等，與MCU協同工作。
電源模組
電源模組部分為整個盤上的器件和晶片提供工作電壓。
4．2 數字包封技術的套用
數字包封技術不僅能提高信號傳輸的質量，而且為光傳送網提供了豐富的運營、管理、監測、保護開銷，為光網路的發展提供了堅實的技術基礎。表1是對目前幾種光傳輸中採用技術的比較，從表中可以看出，數字包封技術為光傳送網提供了最強大的功能。
SDH+：通過定義未使用的開銷來增強SDH功能。
*僅能提供有限的功能
數字包封技術提供了豐富的開銷，在前面我們已對各種開銷的功能和結構作了介紹，下面就在實際網路中這些開銷的使用舉例說明。
圖9為一個光傳送網的示意圖。在圖中，USER1要使用這個光網路將信息傳送到USER2端。NO—Network Operator，NO—A～NO—D代表四個網路運營商，用戶的信息就要從他們的網路中經過。其中，B運營商和C運營商又是各自從A運營商處租用的網路B和網路C，B和C是A的子網路。圖中，三角形代表網路中使用的終端設備，它負責完成相應的開銷處理。圖中箭頭所指示的R1和R2表示線路中使用的3R再生中繼器。
USER1的終端設備對信號進行數字包封，加入相應的開銷。其中，在ODUk中的PM開銷中填入正確的信息，監測信號在整個通道中的傳輸，在OTUk中加入正確開銷信息，以便在3R再生處處理。發出的信號首先傳送到網路運營商A的網路接口處，A將接收的信號進行監測處理，如進行FEC，加入自己所需的相應開銷位元組。運營商A除在OTUk中加入相應的信息外，還會使用ODUk中的TCM1作為級聯連線監測。信息繼續傳送到運營商B的網路接口處，B在檢測OTUk開銷，進行誤碼檢測和糾錯後，加入正確的OTUk開銷，使用ODUk中的TCM2作為自己的級聯連線監測開銷。在每一個3R再生處，都會有相應的OTUk開銷的取出和加入，以及檢錯或糾錯。在網路B的出口處，相應的終端設備會終結網路B中使用的級聯監測開銷TCM2，它能反映出信號在網路中傳輸是否正確。網路C同B中的流程一樣，它可以使用除TCM1外的其它TCMi作為級聯監測開銷。信號經過網路C後，又傳送到網路A的出口，A利用TCM1可以檢查信號在整個網路A中傳輸的狀態。網路D在入口和出口處執行同樣的功能，只不過它可以使用任意的TCMi作級聯監測用。信號通過網路D達到USER2，USER2使用ODUk中的PM開銷可以監測信號整個信道中的傳輸質量。光傳送網中的3R再生器使用OTUk開銷。
從上面的分析可以看出，TCM開銷為複雜網路的管理帶來了極大的方便。網路服務提供商可以用它來監視提供服務的質量，運營商可以用來監視自己網路的運營狀況，即使在各個子網有重疊，嵌套等情況下，也能提供有效的監測手段，從而使整個網路可以以非常靈活的方式運營和管理。
圖10就是TCM使用方式的示例。在圖中，A1—A2使用TCM1作監測，B1和B2之間使用TCM2，C1—C2使用TCM3，它是嵌套在B1—B2和A1—A2中，同時B1—B2也是嵌套在A1—A2中。D1—D2使用TCM3，也可以使用TCM4～TCM6，注意此TCM3與C1—C2中的TCM3不衝突，兩個的作用域不同。B1—B2與D1—D2有重疊。
數字包封技術為保護倒換提供了4個位元組的開銷。目前的APS開銷是使用OSC來傳遞的，需要增加額外頻寬開銷，OSC信息的傳送不是“隨路”的，為了可靠地傳送環路信息，OSC信號需占用足夠的頻寬。而ODUk開銷內提供了APS開銷位元組，可以隨路傳送。當然這需要有OCh開銷處理單元，降低了透明度，但對於目前的非全光網路，3R再生器廣范套用的網路中，不失為一種有效的保護方式。圖11為數字包封技術中APS開銷的套用示例。
圖中是一個兩纖共享保護環。對A—D間客戶1和2的通信，Wλk和Wλj是工作波長，Pλk和Pλj是保護波長，在平時可傳送一些額外業務。當A、D之間的光纖發生故障，則利用保護波長中的ODUk中提供的APS開銷位元組，傳送APS信息給發端，使信號經保護波長傳送。
