Optická hierarchie OTH

Velkokapacitní páteřní a metropolitní přenosové sítě se již více jak 10 let budují na základě synchronní digitální hierarchie SDH. Požadavky na růst přenosové rychlosti se promítají na růstu řádu synchronního transportního modulu STM až k STM-64 (cca 10 Gbit/s) a STM-256 (cca 40 Gbit/s). Vývoj směřuje k páteřním sítím OTN (Optical Transport Network) budovaným na čistě optickém principu na základě hierarchie OTH.

---

Optical Transport Hierarchy

Abstract

Mass storage backbone and metropolitan access networks for more than last 10 years are built on synchronous digital hierarchy SDH bases. Requirements on increasing transfer rate are projected on growth of synchronous transport module frames STM up to STM-64 (around 10 Gbit/s) and STM-256 (around 40Gbit/s). Development leads to backbone networks OTN (Optical Transport Networks) built on all-optical principle based on OTH hierarchy.

---

Logický vývoj v oblasti páteřních sítí se ubírá cestou plně optických síťových prvků založených na vlnovém multiplexování DWDM. Pro tyto účely zavádí standardizace (ITU-T G.709, G.798) optickou hierarchii OTH (Optical Transport Hierarchy). Smyslem OTH je vytvořit společnou platformu pro různé technologie přenosu (SDH, ATM, IP, Ethernet) s vyspělou podporou služební části sítě (monitorování kvality, management), podporou vysokých přenosových rychlostí a s vysokou kvalitou přenosu.

Typicky se pro vlnové dělení DWDM používá pásmo 196,1 – 192,1 THz, tj. 1528,77 až 1560,61 nm podle doporučení ITU-T G.692, které připouští dvojí kanálovou rozteč a různý maximální počet vlnových délek v multiplexu:

• 40 vlnových délek po 100 GHz tj. po cca 0,8 nm
• 80 vlnových délek po 50 GHz tj. po cca 0,4 nm

Kmitočet 193,10 THz odpovídající vlnové délce 1552,52 nm je referenční bod ITU-T, od kterého se odvíjí frekvence výše zmíněných kanálů. Optický dohledový kanál (Optical Supervisory Channel) je preferován na vlnové délce 1510 nm.

Optické transportní moduly

Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportní moduly OTM (Optical Transport Modul). Nejjednodušší varianta signálu (nultý hierarchický stupeň) uvedená tab. 1 nepočítá s vlnovým multiplexováním a vysílá signál na jediné vlnové délce s přenosovými rychlostmi odvozenými z STM-16 až 256.

Hierarchický stupeň	Přenosová rychlost [Mbit/s]	Doba  rámce [ms]	Přenáší	Užitečná přenosová rychlost [Mbit/s]	Může přenášet
OTM-0.1	2666,057	48,971	CBR2G5	2488,32	STM-16
OTM-0.2	10709,225	12,191	CBR10G	9953,28	STM-64
OTM-0.3	43018,414	3,035	CBR40G	39813,12	STM-256

CBR (Constant Bit Rate) – signál s konstantní přenosovou rychlost

Tab. 1  Stupně optické hierarchie bez vlnového multiplexování

Pak existuje varianta využívající vlnové multiplexování DWDM s n vlnovými délkami v redukované formě s označením OTM-nr („r“ v označení signálu), tj. bez optického dohledového kanálu.

Plnohodnotné optické transportní moduly mají obecně označení OTM-n.m, kde n je počet vlnových délek (optických kanálů) a m vyjadřuje jaké typy signálu se přenášejí. Základní stupně, pro které charakteristické, že na všech vlnových délkách se přenášejí signály stejnou přenosovou rychlostí, ukazuje tab. 2.. Zde se využívá i plnohodnotné záhlaví optického modulu na vyhrazené služební vlnové délce OSC (Optical Supervisory Channel).

Vedle základních stupňů OTM podle tab. 2 se mohou ovšem vyskytnout i vlnové multiplexory s různými kombinacemi přenosových rychlostí CBR na různých vlnových délkách. Možné kombinace charakterizuje následující výčet řádu OTU, kdy všechny tři možné rychlosti zahrnuje OTM-n.123 (2,5; 10; 40 Gbit/s), kombinace dvou z nich pak OTM‑n.12 a OTM-n.23.

Hierarchický stupeň	Přenosová rychlost  n x OTU [Mbit/s]	Přenáší	Užitečná přenosová rychlost [Mbit/s]	Může přenášet
OTM-n.1	n x 2666,057	n x CBR2G5	n x 2488,32	n x STM-16
OTM-n.2	n x 10709,225	n x CBR10G	n x 9953,28	n x STM-64
OTM-n.3	n x 43018,414	n x CBR40G	n x 39813,12	n x STM-256

n – počet vlnových délek WDM
CBR (Constant Bit Rate) – signál s konstantní přenosovou rychlost

Tab. 2  Stupně optické hierarchie s vlnovým multiplexováním

Multiplexní struktura

Podobně jako u SDH byla vytvořena i u OTH poměrně komplikovaná vnitřní multiplexní struktura. OTM má u SDH paralelu v STM. OTM přenáší skupiny optických nosných OCG (paralela v AUG u SDH). Jednotlivé optické nosné OCC (Optical Channel Carrier) nesou optické kanály OCh (Optical Channel). Optickými kanály se přenášejí transportní jednotky optických kanálů OTU (Optical Channel Transport Unit).

Postup vytvoření optického transportního modulu OTM je popsaný multiplexním schématem OTH. Zjednodušený postup zpracování signálu pro plnohodnotný modul OTM-n.m ukazuje obr. 1. Z obrázku jsou patrné tři základní přenosové rychlosti elektrického signálu (vlevo).

Obr. 1  Postup multiplexování  v OTH

Počínaje zleva blokem OPU a konče OTU probíhá zpracování signálu v elektrické formě, počínaje blokem OCh se dále zpracovává optický signál. Vlastní klíčová operace multiplexování probíhá v bloku OCG, kde se vytváří skupina n optických nosných kombinací optických kanálů nesoucích signály různých přenosových rychlostí (v celkovém počtu n a dílčím počtu i OTU3, j OTU2, k OTU1). Celková přenosová rychlost přenášených dat je pak odvoditelná z rychlosti STM-1 o hodnotě 155,52 Mbit/s takto

 v_p = v_pSTM-1 (256 i + 64 j +16 k) = i . 39813,12 + j .9953,28 + k . 2488,32   [Mbit/s]

U plnohodnotné OTM-n.m je zřejmé přidání optického dohledového kanálu OSC.

Ještě před tím, než se převede signál do optické podoby sestavují se časový rámce TDM v podobě 4‑řádkové matice (obr. 2). K vlastnímu datovému signálu se přidává několik dílčích částí záhlaví, která jsou časově přidružena. Podrobný význam jednotlivých bajtů si nebudeme uvádět, lze jej nalézt v doporučení ITU-T G.709.

Do informačního pole optického kanálu OPU (Optical Channel Payload Unit) je možné mapovat následující příspěvkové signály:

• Asynchronní / bitově synchronní mapování signálů s konstantní přenosovou rychlostí (CBR) – typicky STM; pro bitově synchronní mapování se neprovádí stuffing
• ATM buňky
• Rámce GFP (Generic Framing Procedure) s délkou 4 až 65535 bajtů s výplní 4 bajty
• Nespecifikované signály (bit stream)

Přidáním dvou sloupců záhlaví vznikne kompletní jednotka OPU. Záhlaví OPU‑OH obsahuje identifikaci signálu, způsob mapování a vyrovnání přenosových rychlostí mezi rámcem OTU a příspěvkovým signálem metodou bajtového kombinovaného stuffingu.

Dále se vytváří datová jednotka optického kanálu ODU (Optical Channel Data Unit) přidáním 3x14 bajtů záhlaví ODU‑OH. Záhlaví podporuje tandemová propojení TCM (6 úrovní), obsahuje služební kanál pro management sítě, zajišťuje indikaci chyb metodou BIP-8 včetně zpětné indikace defektů protějšímu muldexu BDI (Backward Defect Indication) a chyb BEI (Backward Error Indication), jakož i indikaci přístupového bodu sítě, kde byly příslušná ODU sestavena.

Obr. 2  Struktura OTU vznikající z OPU a ODU přidáváním služební informace

Transportní jednotka optického kanálu OTU (Optical Channel Transport Unit) vznikne přidáním záhlaví OTU‑OH, tvořeného prvními 14 bajty rámce podle obr. 2, zajišťujícími rámcovou synchronizaci FAS (synchroskupina rámcového souběhu), další úroveň indikace chyb BIP-8 včetně zpětné indikace BDI (Backward Defect Indication), BEI (Backward Quality Indication) a komunikaci protokolu APS (Automatic Protection Switching) pro ochranné přepínání. Druhá část záhlaví OTU-OH obsazující posledních 256 bajtů každého řádku má na starosti zabezpečení FEC (Forward Error Correction) opravným kódem RS (Reed-Solomon). Kód teoreticky zvládne opravit v každém řádku 128 chybně přenesených bajtů. Rámec OTU tedy obsahuje celkem 4x4080=16320 bajtů, z toho je 4x3808=15232 bajtů vlastního informační pole (např. pro kompletní rámec STM).

Rozměr rámce OTU je stejný pro všechny tři druhy a podporované přenosové rychlosti. Mění se doba přenosu rámce (viz tab. 1) a tím i opakovací frekvence rámců.

Poznámka: V doporučení ITU-T G.707 je nově definován způsob přenosu datových jednotek ODU1 a ODU2 přes síť SDH. Pro přenos ODU1 je nutno použít 17 virtuálně zřetězených virtuálních kontejnerů VC-4 (VC-4-17v) a pro přenos ODU2 je nutno použít 68 x VC-4 (VC‑4-68v).

Služební vlnová délka OSC slouží k přenosu těchto specifických částí záhlaví:

• OCh-OH - záhlaví optického kanálu WDM 1 až n
• OMS-OH - záhlaví optické multiplexní sekce
• OTS-OH - záhlaví optického přenosové sekce

Pro optické sítě byly definovány poplachové a indikační signály, které si uvedeme v porovnání s adekvátními událostmi u SDH: LOC (Loss of Continuity) ztráta kontinuity - obdoba LOS (Loss of Frame), SD (Signal Degradation) degradace signálu, TIM (Trace Identifier Mismatch) zmatení identifikátoru trasy TTI (Trail Trace Identifier), PMI (Payload Missing Indication) indikace absence přenášeného signálu - obdoba PLM (Payload Label Mismatch), UNEQ (Unequipped Path).  Na základě defektů se generuje dopředný signál FDI (Forward Defect Indication) - obdoba AIS (Alarm Indication Signal) a protějšímu konci se pro indikaci posílá zpětná indikace poruchy  BDI - obdoba RDI (Remote Defect Indication) a zpětná indikace kvality BQI - obdoba REI (Remote Error Indication).

Závěr

Optická hierarchie OTH zúročila zkušenosti s provozem sítí SDH i systémů DWDM. Na první pohled se může zdát nadbytečné sestavování specifického rámce OTU ještě v elektrické oblasti, nicméně přidaná záhlaví činí OTH nezávislou na SDH s perspektivou přímého začleňování paketů s podporou protokolu druhé vrstvy GFP (Generic Framing Procedure). Přidané zabezpečení zvyšuje kvalitu přenosu v případě extrémních podmínek a rychlostí.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií č. MSM6840770014.

Odkazy

[1] Doporučení ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN). 3/2003.
[2] Doporučení ITU-T G.798. Characteristics of optical transport network hierarchy equipment functional blocks. 6/2004.
[3] Vodrážka, J.; Havlan, M. Přenosové systémy 2. Sítě a zařízení SDH a jejich návrh. Vydavatelství ČVUT, Praha 2004.