光通信中信號(hào)的多通路適配研究

顧艷麗，孫科學(xué)，肖 建

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京210023）

0 引 言

光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）作為新一代光傳輸技術(shù)，從試用到現(xiàn)在，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證，其憑借諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為干線(xiàn)傳輸網(wǎng)的主要技術(shù)。隨著通信行業(yè)日新月異的變化，各類(lèi)通信產(chǎn)品從無(wú)到有，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)不斷增大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信容量的需求也急劇增長(zhǎng)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能提出了更大的挑戰(zhàn)。目前干線(xiàn)傳輸網(wǎng)的傳輸速率主要為100 Gb/s，400 Gb/s的傳輸速率也已出現(xiàn)。在應(yīng)對(duì)不斷增大的數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí)，幾種傳輸速率并存的情況會(huì)持續(xù)一段時(shí)間[1]?，F(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成熟、價(jià)格穩(wěn)定，若能繼續(xù)使用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)幾種速率的混傳是經(jīng)濟(jì)、最有效的解決方法。以100 Gb/s傳輸速率為例，IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了物理層接口規(guī)范，100 Gb/s信號(hào)可以在4條或10條物理通路上并行承載傳輸，即可以在每個(gè)波道為25 Gb/s或10 Gb/s的光模塊上使用[2-3]。G.709標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定光通路傳送單元4（Optical Channel Transport Unit 4，OTU4）是采用100 Gb/s信號(hào)進(jìn)行映射復(fù)用[3-4]，但OTU4接口是否可以重用于基于IEEE 802.3ba的信號(hào)開(kāi)發(fā)的光模塊有待研究。為了能實(shí)現(xiàn)重用，將收到的100 Gb/s信號(hào)進(jìn)行映射，形成OTU4幀后分發(fā)到多通路并行接口上，同時(shí)能滿(mǎn)足IEEE 802.3ba物理層接口規(guī)范即可。

通過(guò)提高單模帶寬來(lái)提高以太網(wǎng)速率，并減小開(kāi)發(fā)難度，是改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的有效辦法。但這個(gè)發(fā)展過(guò)程需要時(shí)間，在技術(shù)還未成熟之前，會(huì)有一段過(guò)渡時(shí)期。在這個(gè)期間，能有一個(gè)合適的方式很好地銜接發(fā)展前后的設(shè)備使用和技術(shù)變化有著重要的意義。多通道的復(fù)用就是其中一個(gè)有效的辦法。在單通道高速化的基礎(chǔ)上進(jìn)行多通道復(fù)用，可以在成本較低的情況下獲得更高的傳輸速率，滿(mǎn)足用戶(hù)更高的傳輸需求[5-6]。由于目前全球主要為100 Gb/s骨干光傳輸網(wǎng)，所以下面以100 Gb/s光傳輸網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行多通道并行接口的設(shè)計(jì)分析。

1 多通路并行接口實(shí)現(xiàn)

用于支持OTN接口的信息有電信號(hào)和光信號(hào)兩種。其中電信號(hào)包括光通路傳送單元OTUk、光通路數(shù)據(jù)單元（Optaical Channel Data Unit-k，ODUk）和光通路凈荷單元（Optaical Channel Payload Unit-k，OPUk）。OTU4是100 Gb/s光傳輸技術(shù)客戶(hù)側(cè)的光傳送單元[7]。多通路并行接口在OTU4信號(hào)底層傳輸系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

圖1 OTU4底層傳輸系統(tǒng)圖

當(dāng)100 Gb/s信號(hào)經(jīng)過(guò)Mapper/Framer后，輸出數(shù)據(jù)格式為一個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)。通過(guò)某種方式將這一個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)變成多個(gè)通路的并行接口信號(hào)，這樣可以降低對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的要求。選擇合適的通道數(shù)量，可以將多通道復(fù)用到不同光模塊的物理通道從而將信號(hào)傳輸出去。設(shè)計(jì)中考慮該多通路并行接口須能消除傳輸中的通道延時(shí)、便于對(duì)齊，并保證在接收方向能夠正確恢復(fù)和易于恢復(fù)。下面闡述多通路并行接口的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1.1 發(fā)送方向的多通道分發(fā)

首先從發(fā)送方向來(lái)看如何將100 Gb/s信號(hào)分發(fā)到多通道上。對(duì)于OTU3信號(hào)，由于OTU3幀的尺寸為4×4 080 B，按照16 B為一組，循環(huán)分布到4條邏輯通道，所以O(shè)TU3信號(hào)的多通道旋轉(zhuǎn)和分配可以利用幀開(kāi)銷(xiāo)中的復(fù)幀定位信號(hào)（Multi-Frame Alignment Signal，MFAS）來(lái)決定，MFAS字節(jié)有256種組合，將MFAS字節(jié)中低兩位比特值的4種組合作為OTU3的通道標(biāo)識(shí)。

ITU-T G.709和G.798規(guī)范中定義了光通路傳輸鏈路（Optical Channel Transport Lane，OTL）使用20個(gè)邏輯通道[4，8]。OTU4幀的尺寸也是4×4 080 B，將OTU4幀按每16 B一組，循環(huán)分布到20條邏輯通道，在到OTU4幀邊界通道分配進(jìn)行輪詢(xún)調(diào)度（Round-Robin，RR）。OTU4幀基于16 B的分組情況如表1所示[9]。循環(huán)分布方式如圖2所示。

表1 OTU4幀基于16 B的分組

圖2 OTU4信號(hào)循環(huán)分布方式

在將OTU4幀分配到20條邏輯通道時(shí)，由于MFAS不是20的倍數(shù)，不能采用類(lèi)似于OTU3的標(biāo)記機(jī)制，需考慮其他標(biāo)識(shí)方法。OTU4幀中的幀對(duì)齊信號(hào)為“F6F6F6282828”，共6 B，48 bit，而依據(jù)ITU-T G.798規(guī)定，在接收方向的幀對(duì)齊流程中僅要求檢測(cè)32 bit，因此幀對(duì)齊字節(jié)中的第6 B可借用為邏輯通道標(biāo)識(shí)（Logical Lane Marker，LLM），對(duì)邏輯通道標(biāo)識(shí)LLM進(jìn)行取模得到邏輯通道編號(hào)。在接收方向可利用LLM對(duì)通道進(jìn)行識(shí)別，調(diào)整通道順序，消除通道間的傳輸延時(shí)后恢復(fù)出OTU4數(shù)據(jù)。將OTU4幀按照每16 B一組，依次遞增分發(fā)到20個(gè)邏輯通道上，規(guī)律如表2所示。

表2 OTU4循環(huán)分布規(guī)律

傳輸時(shí)的最大時(shí)延檢測(cè)范圍為3 840幀周期，由于邏輯通道標(biāo)識(shí)LLM隨著復(fù)幀從0～239連續(xù)增加（LLM為8 bit信號(hào)，共有256個(gè)取值，其中240是20最大的倍數(shù)），所以幀周期取240和256的最小公倍數(shù)為3 840，這樣LLM=0的位置與MFAS=0的位置對(duì)齊。

1.2 接收方向的通道重組恢復(fù)

在接收方向，從光模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比特解復(fù)用后，先恢復(fù)出每個(gè)并行通道的幀，再恢復(fù)邏輯通道標(biāo)識(shí)LLM，最后進(jìn)行時(shí)延對(duì)齊，重組通道信號(hào)。幀對(duì)齊、通道標(biāo)識(shí)恢復(fù)和多通道對(duì)齊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1.2.1 幀對(duì)齊

ITU-T G.798標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定幀對(duì)齊的處理流程中包括幀失步（Out of Frame，OOF）和幀已同步（In Frame，IF）兩個(gè)狀態(tài)。幀對(duì)齊的過(guò)程即搜索FAS中OA1（0xF6）和OA2（0x28）字節(jié)的過(guò)程[8]。

幀的默認(rèn)狀態(tài)是OOF狀態(tài)，在OOF狀態(tài)下不斷搜索幀中是否存在規(guī)律為OA1OA1OA1OA2的字節(jié)，即FAS中的前4個(gè)字節(jié)，若存在，則在1幀之后進(jìn)入IF狀態(tài)。在IF狀態(tài)下，仍然連續(xù)對(duì)幀信號(hào)進(jìn)行檢查，但此時(shí)是判斷幀信號(hào)中是否存在規(guī)律為OA1OA2OA2的字節(jié)，即FAS中的第3個(gè)、第4個(gè)和第5個(gè)共3個(gè)字節(jié)，如果連續(xù)5幀未檢測(cè)到正確的字節(jié)，則進(jìn)入OOF狀態(tài)。當(dāng)OOF狀態(tài)持續(xù)時(shí)間達(dá)到3 ms，則產(chǎn)生幀丟失（Loss of Frame，LOF）告警；若IF狀態(tài)持續(xù)3 ms，則LOF告警消失。LOF的幀對(duì)齊檢測(cè)狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

圖3 LOF告警檢測(cè)狀態(tài)機(jī)示意圖

1.2.2 通道標(biāo)識(shí)恢復(fù)和多通道對(duì)齊

通道標(biāo)識(shí)恢復(fù)的過(guò)程就是獨(dú)立恢復(fù)出每條通道的邏輯通道標(biāo)識(shí)LLM。連續(xù)檢測(cè)5個(gè)16 320（4×4 080）字節(jié)周期，得到的數(shù)值經(jīng)過(guò)取模運(yùn)算后與預(yù)設(shè)的LLM相同，則確認(rèn)為該通道的LLM，進(jìn)入恢復(fù)（In-Recovery，IR）狀態(tài)。多通道對(duì)齊處理過(guò)程包括恢復(fù)和脫離恢復(fù)（Outof-Recovery，OOR）兩個(gè)狀態(tài)。IR狀態(tài)下，若在連續(xù)5個(gè)16 320 B周期中檢測(cè)出一個(gè)不一致的LLM，則進(jìn)入OOR狀態(tài)。在OOR狀態(tài)下，最后接收到的LLM將被認(rèn)為是LLM值。每條邏輯通道根據(jù)通道對(duì)齊處理結(jié)果決定幀丟失恢復(fù)（Loss of Frame Recovery，LOR）信號(hào)是否生效。如果OOR狀態(tài)持續(xù)3 ms，則LOR信號(hào)生效；若IR狀態(tài)持續(xù)3 ms，則LOR信號(hào)消失。LOR告警的檢測(cè)狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

圖4 LOR告警檢測(cè)狀態(tài)機(jī)示意圖

最后將不同的LLM延時(shí)對(duì)齊后和通道數(shù)據(jù)重組回原始的OTU4幀。MFAS可以和通道標(biāo)識(shí)相結(jié)合提供額外的延時(shí)檢測(cè)范圍，該范圍最大可以達(dá)到“LCM（240，256)2-1”（即1 919）個(gè)OTU4幀周期（大約2.241 ms）。另外，在接收方向信息映射到OTU4幀時(shí)，將每個(gè)OTU4幀中第6個(gè)字節(jié)恢復(fù)為OA2，該字節(jié)在發(fā)送方向被借用為通道標(biāo)識(shí)。

2 接口的比特復(fù)用與解復(fù)用

前面提到OTL規(guī)定使用20條邏輯通道，而100 Gb/s線(xiàn)路側(cè)的光模塊物理通道可能是4條或10條，未來(lái)甚至可能是2條或1條。為了保證OTL層設(shè)計(jì)不受光模塊的影響，在物理媒介適配層（Physical Medium Attachment Sublayer，PMA）采用復(fù)用和解復(fù)用的方法[6]。這樣只需修改PMA的設(shè)計(jì)，就可以適配不同數(shù)量物理通道的光模塊。在IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)第83章節(jié)中對(duì)PMA接口的復(fù)用和解復(fù)用功能進(jìn)行了說(shuō)明[2]。PMA收發(fā)方向的復(fù)用功能框圖如圖5所示，圖中m值為邏輯通道數(shù)，n值為光模塊實(shí)際物理通道數(shù)。若圖5中采用OTM-0.4v4接口光模塊，m值為20，n值為4。OTM-0.4v4接口將20條邏輯通道比特復(fù)用到4條物理通道上，即每條物理通道由5條邏輯通道比特交織而成。光模塊允許每條物理通道適配任意5條邏輯通道，且這5條邏輯通道的比特復(fù)用順序也可任意。解復(fù)用的過(guò)程，即將4條物理通道的比特信息返回給20條邏輯通道，邏輯通道根據(jù)LLM進(jìn)行區(qū)分，然后組裝、恢復(fù)原來(lái)的通道信號(hào)。由于每條物理通道比特復(fù)用的順序是任意的，因此在解復(fù)用時(shí)，宿端要有能力接受邏輯通道位置的任意性[10]。圖5中光模塊實(shí)際物理通道數(shù)n的值隨著光模塊的變化而變化。接口的比特復(fù)用和解復(fù)用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單直觀，但這只是解決邏輯通道和物理通道之間連接與過(guò)渡的方式之一，目前發(fā)展較快的FlexE技術(shù)可以更好地處理兩者之間的耦合關(guān)系[11-12]。將前面的多通路接口技術(shù)與FlexE技術(shù)相結(jié)合，可以更靈活地滿(mǎn)足不同帶寬要求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)適配，這樣在使用中更方便，并更有實(shí)用價(jià)值[13-14]。

圖5 PMA收發(fā)方向的復(fù)用功能框圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)使用Xilinx公司型號(hào)為XCKU5PFFVB676I的可編程邏輯陣列（Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），對(duì)多通路并行接口的分發(fā)功能和恢復(fù)方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)[15]。FPGA芯片有16個(gè)GTY Transceivers，傳輸速率最高為32.75 Gb/s。將OTU4幀分發(fā)到20條邏輯通道的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，經(jīng)過(guò)比特交織將20條邏輯并行通道復(fù)用到物理通道上，可以適配不同光模塊。100 Gb/s的以太網(wǎng)設(shè)備可以適配不同的光模塊，對(duì)不同光模塊進(jìn)行通用處理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，既減少了設(shè)備的更新成本，也降低了技術(shù)開(kāi)發(fā)成本。若將FlexO技術(shù)、FlexE技術(shù)與文中設(shè)計(jì)的多通路并行接口結(jié)合使用[16]，則可以在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更大的帶寬和更靈活的速率。