OTN、PTN、SPN、PON传输网络技术

OTN： 英文全称：optical transport network。中文意思为光传输网络。OTN传输技术具有高速的特点，可以满足大容量网络的带宽需求，可以为宽带接入网和光纤网的改造提供有力支撑。从目前的整体情况来看，OTN传输技术已经比较成熟，广泛应用于各大运营商的干线传输网络建设，推动了相关业务的发展。在省级干线网络中，可以应用400G-OTN传输技术。由于400G-OTN中引入了高阶调制技术，调制方式可以变得更加多样化，可以满足不同应用场景的需求。

例如，在城域承载的应用场景中，可以采用单载波16QAM进行调制，在骨干承载的应用场景中，可以采用双载波16QAM或双载波QPSK进行调制。双载波16QAM的频谱效率可以达到5.33bit/s/hz，技术实现难度相对较低。因此，推荐使用这种调制方法。在省级干线网中应用400G-OTN传输技术时，可以根据不同的应用场景构建相应的网络模型。

例如，在业务量较小的场景下，可以根据透传信令指示的方向要求部署400G光电层设备，合理配置分支侧端口，满足业务调度需要。又比如，在中等流量的场景下，可以结合传输距离，在流量相对集中的骨干节点部署400G通道，根据透传需要配置电层集群的交叉功能和中转，可以有效解决本地流量突然增加造成的网络资源浪费问题。再比如，对于流量大、粒度复杂的应用场景，可以根据电路的传输距离来划分网络架构。然后根据透传中转的需要，在骨干层部署400G通道，并在各个关键节点配置电路层的集群交叉功能，保证远距离的上行业务传输层可以有效迁移。

OTN传输技术主要用于移动网络建设初期的骨干传输网络建设，但随着移动网络技术的发展，越来越多的用户对4G、5G、家庭宽带、互联网电视等业务表现出强烈的需求。因此，从目前的情况来看，OTN传输网络正在逐步下沉到移动城域传输网络的建设中，用于满足传输网络大宽带、大容量的业务需求，不断提高光纤芯的利用率。

移动网络容量根据移动网络业务的需求确定，城域网OTN网络的单波速率可以是10G、40G或100G。当现有城域网专线业务增加时，可将单波40G或100G-OTN系统建设到核心汇聚层，对应的通道数为40波或80波。OTN网络站可采用光复用终端站（OTM站），用于搭建光电混合子架，可承载多速率业务，具有波分侧光接口调度功能，用于上传或登录所承载的服务。还可以采用光分插复用站（OADM站），用于实现不同信号之间的交叉传输，设置在业务需求大的站。

在OTN传输技术的应用中，可以根据城域网的流量需求，构建核心层、汇聚层、接入层三层网络架构，并结合点对点组网采用传输端到端服务以及以链式组网的形式，将网络中的各个节点串联起来，支持线性保护，主要应用于光传输网络的接入层，还可以采用环形网络的形式，建立双向自愈环形结构，应用于光传输网络的汇聚层；采用网状网络，使节点设备支持四个或更多光的方向，主要应用于光传输网络的核心层，以减少对光缆的需求，提高线路的利用率。

PTN: 英文全称：Packet Transport Network。中文表示：”分区“。PTN是指这样一种光传送网络架构和具体技术：在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本（TCO），同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。

功能组成，PTN是基于分组交换、面向连接的多业务统一传送技术，不仅能较好地承载以太网业务，而且兼顾了传统的TDM和ATM业务，满足高可靠、可灵活扩展、严格QoS和完善的OAM等基本属性。从网元的功能结构来看，PTN网元由传送平面、管理平面和控制平面共同构成。

**SPN: **什么是SPN小颗粒技术？SPN小颗粒技术（FGU，Fine Granularity Unit）继承了SPN高效以太网内核，将细粒度切片融入SPN整体架构，提供了低成本、精细化、硬隔离的小颗粒承载管道。FGU将硬切片的颗粒度从5Gbps细化为10Mbps，以满足5G+垂直行业应用和专线业务等场景下小带宽、高隔离性、高安全性等差异化业务承载需求。SPN承载网络的小颗粒切片能力将助力5G+垂直行业及政企专线应用部署的关键力量。

为什么需要SPN小颗粒技术 ;

SPN小颗粒技术有哪些优势 ** ;**

SPN小颗粒技术应用场景 。

为什么需要SPN小颗粒技术

当前，5G建设正在如火如荼地进行，垂直行业应用成为5G产业链关注的焦点，例如电力、交通、政府、银行等。运营商面向垂直行业在作为基础设施的公共物理网络之上创建的多个相互隔离的虚拟网络，提供不同程度的隔离能力，相互独立运行，可独立生命周期管理。SPN硬隔离切片技术较好的实现了不同行业不同业务的安全承载。

随着5G+ 垂直行业应用逐步从单一场景向系统化复杂场景发展以及算力网络的兴起，行业用户需求的差异性和应用场景的复杂性，”海量数据“和”高效算力“带来了大量确定性时延、高安全性的1Gbps 及以下带宽业务的承载需求。此外，大量的政务专线、金融专线、大企业专线业务承载也对SPN的切片隔离度和颗粒度提出了不同要求。

2021中国光网络研讨会发布的《SPN小颗粒技术白皮书》中调研结果显示，5G+垂直行业（含算力业务）及政企专线最小带宽需求可达2Mbps；10Mbps以内带宽的业务占比较大。当前切片技术粒度均为Gbit/s级别，在千行百业中小带宽需求，一方面网络承载效率低，另一方面对整体网络带宽要求更高。因此，与业务带宽匹配的小颗粒切片成为SPN技术发展的方向。

SPN小颗粒技术是一种将细粒度切片技术融入SPN整体架构，提供低成本、精细化、硬隔离的小颗粒承载通道的技术。

SPN小颗粒技术有哪些优势

SPN小颗粒技术保持SPN技术架构不变，只在切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传送层（STL）进行了部分增强，如下图所示。

支持小颗粒技术的SPN架构

• 切片分组层（SPL）：新增CBR (constant bit rate, 固定比特率)业务类型。SPL层提供基于E1、STM-1等细粒度CBR业务映射，实现业务从设备入口到出口的全流程时隙交换，确保业务硬隔离效果。
• 切片通道层（SCL）：新增FGU(Fine Granularity Unit，小颗粒单元)层，为业务提供10Mbps粒度硬切片。FGU层是独立子层，与服务层解耦，可按需灵活选择承载于MTN通道层、MTN段层和以太网物理层。
• 切片传送层（STL）：除支持SPN已经定义的50GE、100GE、200GE、400GE等高速以太网物理层接口外，针对行业应用场景新增10GE端口。物理层中的以太网物理编码子层（Physical Coding Sublayer，PCS）采用符合以太网底层协议栈要求的64/66B 编码块，保障FGU 与以太网物理层底层协议栈无缝兼容。

FGU继承 SPN 硬切片不感知、不识别业务报文数据的特点，不对用户报文数据做任何改动，支持分组报文在小颗粒硬切片透传，从而实现对分组技术的兼容。

SPN小颗粒技术尽可能重用现有技术，简化处理机制，且覆盖CPE、HUB、接入、汇聚、核心等多种设备类型，满足现网端到端FGU部署。

华为SPN设备，通过软件升级和新插入小颗粒处理板的方式，使得现网设备平滑支持小颗粒功能。华为新开发的小型化SPN设备型态直接支持小颗粒切片、SDN管控和标准化南向接口，无缝对接SPN承载网全系列设备。

同时SPN兆级小颗粒切片技术完善了FGU OAM功能和切片时隙、带宽调整机制，形成了以下几大技术优势：

• 高安全：小颗粒通道通过独享确定的时隙保证严格TDM 特性，通道任一节点的出端口和入端口时隙通过管控层提前分配并固定。实现硬隔离，确保业务和算力数据安全。
• 高可靠性：FGU OAM与原SPN/MTN通道OAM兼容共存，为每条小颗粒通道提供端到端OAM监测能力，插入/提取OAM客户无感知。小颗粒通道1+1保护功能，在整机掉电、链路故障等场景下倒换性能均达到电信级要求。
• 确定性时延：端到端无阻塞时隙交换，实现纳秒级业务抖动，确保稳定的业务传输时延。
• 切片带宽调整无损：完善的时隙和带宽调整机制，确保小颗粒切片的时隙和带宽在减小或增大的情况下原有业务“零丢包”。

SPN小颗粒技术应用场景

5G+ 垂直行业场景

网络切片技术作为5G垂直行业基础使能技术，可满足不同行业、不同业务SLA 承载需求以及业务安全性、可靠性、软硬隔离的需求。5G垂直行业控制类业务呈现出小颗粒硬管道隔离的高安全承载需求特点，要求网络保障低时延与高可靠，SPN 承载网络的小颗粒切片能力将成为助力5G+ 垂直行业应用部署的关键力量。

以电力行业为例，遵循电力安全“业务分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”要求，电网切片以安全分区为颗粒度，可分为 4 个区 ：生产控制区（又称安全区 I）、生产非控制区（又称安全区 II）、生产管理区（又称安全区 III）、管理信息区（又称安全区 IV）。各分区典型业务示例如下表所示。

表1-1 电力业务分区及典型业务举例

电力业务分区	典型业务举例
生产控制区（又称安全区 I）	能量管理、广域相量测量、配电自动化、变电站自动化等
生产非控制区（又称安全区 II）	故障录波信息管理、电能量计量等
生产管理区 - 安全区 III	调度生产管理、工地监控、机器人巡检、无人机巡检、智能配电房、智慧品控等
管理信息区 - 安全区 IV

5G+智能电网生产控制类业务的关键通信指标如下表所示。

表1-2 智能电网生产类业务关键指标

应用场景	端到端单向时延	带宽	可靠性
分布式配电自动化	≤15ms	2Mbps~10Mbps	99.999%
集中式配电自动化（终端到主站）	≤50ms	＜2Mbps	99.999%
配电PMU（Power Monitoring Unit，电源监控模块）	≤50ms	<10Mbps	99.999%
精准负荷控制	≤50ms	10kbps~2Mbps	99.999%

为满足电力行业网络安全要求， 5G 承载网需要按照接入、汇聚和核心三级的网络架构进行建设，并部署端到端的 MTN 切片，实现业务硬隔离。承载网基于MTN 硬隔离技术创建独立网络切片，确保电网业务安全可靠 ；超低时延类业务采用独立切片承载，确保业务低时延承载 ；小带宽切片需求，可以采用10Mbps 级小颗粒技术满足。

**FGU 应用于5G+ 智能电网场景场景**

政企专线场景

政企专线主要包括政府部门、金融机构客户、大企业等重要客户的专线业务，业务诉求差异大。

政企专线场景网络要求如下表所示。

表1-3 政企专线场景网络要求

场景	专线业务	典型应用	网络要求
政企专线	政府专线业务	传送各项政务信息、视频会议系统、视频监控信号等业务	安全性、高可靠性，严格隔离
金融高品质专线业务	金融生产交易类业务	安全性、可靠性、超低时延、灵活联接
大企业高品质专线业务	云业务、语音/ 视频、办公、生产等	安全性、灵活联接、接入方便

5G回传网作为综合承载网，可通过具有TDM硬隔离特性的小颗粒通道承载党政军、金融客户和部分大企业专线，通过MTN接口分组切片承载无硬隔离需求的企业专线，并利用软硬切片技术提供差异化专线服务。

基于对5G传输承载网络需求的广泛分析，中国移动已经确定，切片分组网络（SPN）是最佳的技术，用其来支撑下一代网络架构，带宽，流量模式，切片，延迟及时间同步。弹性以太网或FlexE与SPN绑定使用灵活实现从一个较大的物理链路创建成较小的物理通道，或反之亦然，以保证服务质量（QoS）及在传输层间切片的隔离。中国移动已需求ITU组织的SPN-FlexE的标准化。Viavi 通过提供SPN-FlexE测试平台致力于支持中国移动，同时为网络设备制造商、芯片开发商和模块供应商建立一个共同行业测试基准，以便更好地验证基于这种技术的产品。

SPN 2.0基于InBand OAM的端到端随流实时监测功能，能够对业务报文进行直接测量，达到实时感知每业务、每报文粒度SLA的目的，配合Telemetry秒级数据采集和统一管控、计算、可视的能力，实现网络质量实时可视、主动监控，故障快速定界定位。除了在中国移动的规模应用，SPN凭借其特色的TDM与分组复用深度融合的技术优势和支持确定性、灵活切片等网络优势，将在智能电网、智慧铁路、智能矿山等典型的5G+垂直行业中广泛应用，成为新一代综合业务承载网络的标杆。

**PON: **英文全称：Passive Optical Network。即无源光网络，一种基于点到多点(P2MP)拓朴的技术。“无源”指ODN(光分配网络)不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器Splitter等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。

目前的PON技术分为以下几种：

• APON：ATM PON，基于ATM的无源光接入技术。上世纪90年代中期由ITU和FSAN提出并标准化，由于容易被用户认为只能提供ATM业务，2001年被改称BPON.遵循ITU-T G.983系列标准。

• EPON：Ether PON，基于以太网的无源光接入技术。2000年11月成立IEEE研究小组(即后来的EFM工作组)，2004年4月工作组形成IEEE 802.3ah系列标准。现统称为IEEE 802.3-2005。

• GPON：Gigabit(千兆) PON，基于ATM/GEM的无源光接入技术。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN进行标准化，遵循ITU-T G.984系列标准。

• WDM-PON：基于波分复用的无源光接入技术，尚无统一标准。
  ** PON****技术的特点**
  PON是一种接入网技术，定位在常说的“最后一公里”，即在服务提供商、电信局端和商业用户或家庭用户之间的解决方案。
  PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。
  优点：

  1. 多业务：PON系统要求提供语音，数据，视频等业务接入，业务透明性好，实现真正意义的全业务接入与“三网合一” 。
  2. 高带宽：EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。
  3. 长距离接入：光纤的传输距离高达数百公里，所以实际上物理传输层的距离瓶颈在收发光信号的设备光器件上，目前PON标准规定距离为20km，这样的长度对社区网络来说已是绰绰有余；
  4. 成本相对低：由于PON系统的ODN部分没有电子部件，无需电源供应，因此容易铺设，基本不用维护，建设维护成本低。设备相对简单，系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。
  5. 扩展性好：目前PON网络一般采用树型网络结构，作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构既节省光纤的资源，同时这种共享带宽的网络结构能够提供灵活的带宽分配。对终端的接入无需增加主干部分的线路，另外，系统在设计增加了动态测距和分配时隙的技术，终端的增加和拆除不影响整个系统的稳定运行，所以，当系统需要扩充时，所需改动的部分最小，为工程实施提供了灵活的解决方案。
  6. 良好的QoS保证；PON系统设计中，由于本身就是为电信运营商提供多业务接入而设计的技术方案， G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。在不同业务的服务质量、优先级保证等技术措施上，提供了多种应用解决手段，实现用户级的SLA，因此，用户可根据接入的设备重要性的不同，分别设置不同的服务等级，对重要的用户或重要的应用设备，设置及时、可靠的响应机制，从而实现了多业务、不同服务等级的综合接入系统。
  7. 无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

  缺点：

  1. 建网需要重新布线，但布线成本低于铜缆。
  2. 网络拓朴以星树形为主。虽然有环形保护的变通方案，但成本效率不是最优，PON最适合的就是末端接入。
  3. 国内应用规模尚小，设备成本降低尚未到位。

1.2 PON系统模型

以EPON(以太网无源光网络)系统为例。

 EPON就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON。由于以太网相关器件价格相对低廉，并且对于在通信业务量中所占比例越来越大的以太网承载的数据业务而言，EPON免去了IP数据传输的协议和格式转化，效率高，传输速率达1.25 Gbit/s，且有进一步升级的空间，因此EPON受到了普遍关注。

 EPON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型。

 EPON系统由局侧的OLT(光线路终端)、用户侧的光网络单元ONU/ONT(光网络单元/终端)和ODN (光分配网络)组成，为单纤双向系统。在下行方向(OLT到ONU，广播)，OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向(ONU到OLT，点到点)，ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁。ODN也指POS(Passive Optical Splitter)，由光纤和一个或多个无源光分路器等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光通道。

 一般而言，OLT位于网络侧，放在中心局端(CentralOffice，CO)，多为以太网络交换机或媒体转换器平台，提供网络集中和接入，能完成光/电转换、带宽分配和控制各信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能；ONU位于用户侧(如路边、建筑物或用户住处)，采用以太网协议，实现以太网第二层第三层交换功能。