CN111641892B - 一种otn中高精度业务时钟映射和恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，包括在源端把业务信号的时钟信息映射进OTN网络及在宿端恢复业务信号时钟，此转换可以保证业务信号的时钟质量，测试结果表明，经过OTN传输后，宿端恢复出的时钟可以满足ITU‑T的抖动和漂移的要求。本发明方法易于用FPGA实现业务时钟映射和恢复功能及OTN中低成本CRU，并用一个统一的业务时钟映射模块同时实现AMP和GMP映射，其恢复出的SDH/SONET业务时钟抖动和漂移性能指标远优于ITU‑T标准的要求。

Description

一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法

技术领域

本发明涉及OTN(光传送网)技术领域，特别是一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法。

背景技术

OTN(光传送网)基于WDM技术，可以提供更大的传输速率，更高的传输效率和更好的OAM能力，OTN网络已经成为骨干传输网的主流技术。

基于ITU-T G.709的OTN帧结构可以承载多种业务信号的传输，例如SDH/SONET，GB/10GB/100GB以太网信号，ATM，FC100/FC400，CPRI等客户业务。这些业务都可以透明穿过OTN承载网络，意味着OTN网络不仅要传送业务负荷，还要传送业务定时信息(主要是时钟同步频率)。OTN网络的核心技术之一就是怎样把各种种类和速率的客户业务映射到OTN帧并在OTN网络下业务网元恢复客户业务和时钟，并确保时钟质量(抖动和漂移)满足ITU标准的严格要求。

传统的映射/解映射器一般用一个缓冲器直接比较客户时钟和传输时钟，依据比较结果调整OTN帧中装载的客户数据量，没有用阶梯波发生器。精度低，容易引入低频噪声造成恢复出时钟抖动和漂移较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，该方法恢复出的客户时钟抖动和漂移优于ITU-T的标准要求，并能用一个统一的业务时钟映射模块同时实现AMP和GMP，可以用FPGA实现OTN中低成本的CRU(时钟恢复单元)。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，包括业务时钟映射和业务时钟恢复，具体如下：

1)业务时钟映射

1.1)将提取到的客户时钟和数据一起送到缓冲器；客户时钟同时送到客户时钟阶梯波生成器，客户时钟若为155.520MHz的整数倍，则要经过分频器分频到155.520MHz再送到客户时钟阶梯波生成器；

1.2)缓冲器接收输入的客户数据并存储，并在客户信号读模块的读使能控制下根据输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块；

1.3)客户时钟阶梯波生成器使用客户时钟产生一个参考阶梯波，输出阶梯波信号由两个部分构成：第一个代表整数的UI(单元间隔)数目个数，第二个代表小于1UI中的小数部分；在每个客户时钟周期，阶梯波整数部分加1UI，小数部分会加1个步进；小数部分阶梯波生成器位数D由以下公式得到：

式中，phase_precision为相位精度，单位ps，client_clk_freq为客户时钟频率或分频后客户时钟频率，单位MHz；

1.4)反馈OTN时钟阶梯波生成器产生一个阶梯波；

对每一个传输时钟信号，反馈OTN时钟阶梯波生成器产生的步进值lb_single_step由如下公式得到：

式中，total_increased_steps为总共增加的阶梯值；

1.5)相位和频率检测器比较客户时钟阶梯波生成器和反馈OTN时钟阶梯波生成器输出的阶梯波的差值；

1.6)滤波器对相位和频率检测器输出的电压信号滤波；

1.7)经过滤波和增益放大后的相位差filtered_phase_deviation产生调整控制命令AMP或Cn(GMP)；

(1)AMP模式

1字节负调整产生的相位变化为：(1字节负调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)，这个相位变化经相位和频率检测器、滤波器、增益放大器处理后的电压值是U_neg_1；

1字节正调整产生的相位变化为：(1字节正调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)，这个相位变化经相位和频率检测器、滤波器、增益放大器处理后的电压值是U_pos_1；

调整控制模块产生JC调整的规则如下：若filtered_phase_deviation>＝U_neg_1，产生JC负调整命令；若filtered_phase_deviation<＝U_pos_1，产生正调整命令；否则产生零调整命令；

(2)GMP模式：

确定Cn值，即一个OTN容器装载的客户业务字节数目；

式中，f_{client_nominal}是客户业务标准比特率，f_{server_nominal}是OTN容器server标准比特率；B_server是一个OTN容器的比特数，n为每字节的Bit数；

1.8)客户信号读模块接收调整控制命令或Cn值，产生读使能控制缓冲器，缓冲器根据读使能和输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块；

1.9)OTN开销插入模块继续完成OTN帧开销插入和数据包封过程，形成完整的OTU帧；

2、业务时钟恢复

2.1)OTN解包封器完成开销及客户数据提取，从高阶OTN帧中提取业务数据及JC开销；

2.2)OTN时钟阶梯波生成器接收OTN解包封器提取的JC值或Cn值，对AMP模式，将JC翻译为当前OTN帧装载的客户业务字节数目，对GMP模式，Cn即当前OTN帧装载的客户业务字节数目；然后用传输时钟信号按以下公式生成阶梯波信号：

OTN时钟阶梯波生成器产生阶梯波的方式与步骤1.4)中反馈OTN时钟阶梯波生成器产生一个阶梯波一样；

2.3)反馈客户时钟阶梯波生成器根据数控振荡器生成的客户时钟产生反馈的阶梯波信号，其产生方式与步骤1.3)中客户时钟阶梯波生成器使用客户时钟产生一个参考阶梯波一样；

2.4)相位和频率检测器比较OTN时钟阶梯波生成器和反馈客户时钟阶梯波生成器输出的阶梯波的差值；

2.5)滤波器对相位和频率检测器输出的电压信号滤波；

2.6)经过滤波和增益放大后的相位差信号用于控制数控振荡器输出频率；

2.7)数控振荡器的输出即为恢复出的客户时钟；

2.8)缓冲器根据CRU恢复的客户时钟对客户数据进行输出。

进一步地，步骤1.6)和步骤2.5)中，所述滤波器采用数字二阶锁相环实现。

进一步地，所述滤波器为一个通带为0.1-10MHz的低通滤波器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法经过OTN传输后，宿端恢复出的时钟可以满足ITU-T的抖动和漂移的要求，易于用FPGA实现业务时钟映射和恢复功能及OTN中低成本CRU，并用一个统一的业务时钟映模块同时实现AMP和GMP映射。

附图说明

图1是客户业务时钟映射过程图。

图2是客户业务时钟恢复过程图。

图3是抖动测试结果图。

图4是漂移测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一、业务时钟映射过程

ITU-T G.709定义了AMP(异步映射规程)，BMP(比特同步映射规程)和GMP(通用映射规程)三种映射模式。在BMP模式中，一个OTN帧中装载的客户业务字节是固定的，因此不需要时钟映射过程。在AMP和GMP模式中，一个OTN帧中装载的客户业务字节是随时间变化的。因此，在OTN网络宿端恢复出正确的客户业务时钟依赖于OTN帧和客户业务之间的正确的映射和解映射过程。传统的映射/解映射器一般用一个缓冲器直接比较客户时钟和传输时钟，依据比较结果调整OTN帧中装载的客户数据量，精度低，容易引入低频噪声造成恢复出时钟抖动和漂移较大。

AMP模式中，一个OPU(光信道净荷单元)帧里有3个JC(调整控制)字节，1个PJO(正调整机会)字节和1个NJO(负调整机会)字节。3个JC字节采用少数服从多数原则，代表3个调整命令：(1)零调整(不调整,每OPU帧装载客户数据和上一帧相同)(2)负调整(每OPU帧多装载1字节客户数据，NJO和PJO字节是客户数据)(3)正调整(每OPU帧少装载1字节客户数据，NJO和PJO都是全0的调整字节)。一旦调整机会命令确定，一个OTN帧中装载的客户业务字节数量也就确定了。

对GMP，OPU帧中3个字节JC可解释为一个OTN帧装载的客户业务字节数目，即Cn。因此，可用一个统一的业务时钟映射功能模块来实现AMP和GMP映射模式，如图1所示。其中虚线的客户时钟提取和分频功能块不属于业务时钟映射模块，该功能块从收到的客户数据信号中提取客户时钟(比如对STM-N(N速率等级的同步传输模块)业务信号通过DPLL(数字锁相环)提取客户时钟，对同步以太网信号通过SyncE从物理层提取客户时钟)。将提取到的客户时钟和数据一起送到缓冲器；客户时钟同时送到客户时钟阶梯波生成器client_step，客户时钟若超过155.520MHz(通常是其整数倍)，则要经过分频器分频到155.520MHz后再送到客户时钟阶梯波生成器。

客户业务时钟映射模块包括：缓冲器(buffer)，客户信号读模块(读控制)，OTN帧开销(OH)插入，客户时钟阶梯波信号生成器(client_step),反馈OTN时钟阶梯波信号生成器(loopback_step)，相位和频率检测器(PFD)，增益放大器和调整控制(JC)模块。

缓冲器接收输入的客户数据并存储。并在客户信号读模块的读使能控制下根据输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块。

客户时钟阶梯波信号生成器(client_step)使用客户时钟产生一个参考阶梯波。为了达到足够的时钟相位精度，阶梯波生成器包括整数和小数两部分。输出阶梯波信号由2个部分构成：第一个代表整数的UI数目个数，第二个代表小于1UI中的小数部分。在每个客户时钟周期(对SDH，这个时钟频率通常是155.520MHz)，阶梯波整数部分加1UI，小数部分会加1个步进。

可以从下面公式推导出小数部分阶梯波生成器位数D和相位精度关系：

假设相位精度phase_precision单位为ps，客户时钟周期或分频后客户时钟周期client_clk_period，频率为client_clk_freq，则：

client_clk_period＝phase_precision×2^D

相位精度phase_precision常用单位为ps，client_clk_freq常用单位为MHz，进行单位转换后公式如下：

从公式(2)可以根据预期的相位精度得到小数部分阶梯波生成器位数D。比如相位精度目标phase_precision是15ps，客户信号是STM-16，分频后客户时钟频率client_clk_freq是155.520MHz，则可算出阶梯波生成器小数部分位数D＝9。

客户时钟阶梯波信号生成器小数部分是基于传输时钟(采样时钟)信号对整数部分进行插值和滤波而形成的。这个采样时钟一般就是用OTN帧的传输时钟，采样时钟信号频率一般是客户时钟频率client_clk_freq的4倍以上。

反馈OTN时钟阶梯波信号生成器(loopback_step)产生方法不同于client_step，但有类似的位数D。

一个OTN帧周期中loopback_step总共增加的阶梯值(total increased steps)＝该OTN帧装载的客户业务比特数目*2^D。对每一个传输时钟(采样时钟)信号，反馈OTN时钟阶梯波信号生成器(loopback_step)产生的步进值lb_single_step，由如下公式得到：

即每一个采样时钟，loopback_step输出阶梯波信号增加lb_single_step。

相位和频率检测器(PFD)用于比较client_step和loopback_step输出的阶梯波的差值(相位差)。PFD输出一个电压信号，电压幅度指示2个时钟相位差的大小。其物理意义为每个OTN帧平均到每个采样时钟周期内所装载的客户数据量。

滤波器用于对PFD输出的电压信号滤波。用一个数字二阶PLL来实现这个滤波器，滤除测量误差和采样时钟的抖动。为更好滤除误差和抖动，建议滤波器是一个通带为0.1-10MHz的低通滤波器LPF。滤波器结果经过一个增益放大器放大输出。记增益器放大输出信号为filtered_phase_deviation。

调整控制模块基于上述增益器输出的经滤波和放大的相位差filtered_phase_deviation产生JC命令(AMP)或Cn(GMP)。

(1)AMP模式：

AMP模式中调整控制模块要产生JC调整命令。

1字节负调整产生的相位变化为：(1字节负调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)。这个相位变化经PFD，滤波器和增益放大器处理后的电压值是U_neg_1。

1字节正调整产生的相位变化为：(1字节正调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)。这个相位变化经PFD，滤波器和增益放大器处理后的电压值是U_pos_1。

由于负调整即每OPU帧多装载1字节客户数据，因此U_neg_1>0；相应地，正调整即每OPU帧少装载1字节客户数据，因此U_pos_1<0。

调整控制模块产生JC调整的规则如下：

若filtered_phase_deviation>＝U_neg_1，产生JC负调整命令。

若filtered_phase_deviation<＝U_pos_1，产生正调整命令。

否则产生零调整命令。

(2)GMP模式：

GMP模式中调整控制模块要确定Cn值，即一个OTN容器装载的客户业务字节数目。Cn公式参见ITU-T G.709D1：

其中：f_client是客户业务比特率；f_server是OTN容器比特率；B_server是一个OTN容器的比特数，对通常的OTN帧是15232×8。n通常是8，表示8Bit/字节。

对ITU-T G.709D1中公式修正如下：

其中，f_{client_nominal}:客户业务标准比特率，例如客户业务是STM-16，f_{client_nominal}就是2488320kbit/s。f_{server_nominal}是OTN容器server标准比特率。调整模块可按公式(5)得到Cn值。

对GMP模式，调整模块直接把Cn传给客户信号读模块，读模块就可知道多少个客户字节要放到当前OTN帧中。对AMP模式，调整模块把JC命令传给客户信号读模块，读模块就可知道相对于上一个OTN帧，本OTN帧中客户字节数目要增加/减少1字节还是保持不变，即可知道多少个客户字节要放到当前OTN帧/复帧中。客户信号读模块产生读使能控制缓冲器，缓冲器根据读使能和输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块。

OTN开销插入模块会继续完成OTN帧开销插入和数据包封过程，最后形成完整的OTU帧。

二、业务时钟恢复过程

图2给出了解映射过程的实现方法，即从OTN帧恢复出客户业务时钟的方法。解映射的核心功能是图2中虚线框的CRU，当需要从高速容器中解映射出低速用户数据流时都要用到CRU。

OTN解包封器完成开销及客户数据提取，从高阶OTN帧中提取业务数据及JC开销。

OTN时钟阶梯波信号生成器(otn_step)接收OTN解包封器提取的JC值(AMP映射模式)或Cn值(GMP映射模式)，对AMP模式，将JC翻译为当前OTN帧装载的客户业务字节数目；对GMP模式，Cn即当前OTN帧装载的客户业务字节数目。然后用传输时钟(采样时钟)信号按公式(3)生成阶梯波信号。算法和时钟映射过程中反馈OTN时钟阶梯波生成器产生方法一样。反馈客户时钟阶梯波生成器(loopback_step)根据数控振荡器NCO生成的客户时钟产生反馈的阶梯波信号。阶梯波产生方法和时钟映射过程中客户时钟阶梯波生成器产生方法一样。

其它模块，如PFD，滤波器和增益放大器和映射过程中对应的功能模块一样。PFD用于比较otn_step和loopback_step输出的阶梯波的差值(相位差)。PFD输出一个电压信号，电压幅度指示2个时钟相位差的大小。滤波器用于对PFD输出的电压信号滤波。滤波器结果经过一个增益放大器放大输出。记增益器放大输出信号用于控制NCO输出频率。NCO输出即为恢复出的客户时钟。

最后缓冲器(buffer)根据CRU恢复的客户时钟对客户数据进行输出。数控振荡器NCO可以是外部专门的NCO器件(例如ZL30237 NCO时钟芯片)或用FPGA的特定逻辑块(例如Altera FPGA芯片中的快速锁相环FPLL)来实现NCO。从成本考虑，只有最后一级解映射出客户数据信号时需要用外部NCO，以使恢复出的客户信号有更低的抖动和更好的频率精准度。在中间解映射级别，例如ODU1时钟恢复，使用低成本的FPGA来实现NCO即可，没必要使用外部NCO芯片。通过逐级解映射过程，最后恢复出的客户时钟有更好的抖动和漂移性能指标。

以下通过一个具体实例对本发明有益效果进行验证。

以OTU2承载STM-16客户信号为例，测试基于上述方法映射和解映射后恢复的STM-16客户时钟质量。测试方法及要满足的时钟抖动和漂移指标基于G.813标准。

映射过程：STM-16→OPU1→ODU1→ODTU12→OTU2。

解映射过程：OTU2→ODTU12→ODU1→OPU1→STM-16。

G.813规定的STM-16输出抖动标准见表1。

表1G.813STM-16输出抖动标准

因为最小滤波器带宽是5000Hz，使用500us的时间窗口来观察抖动峰-峰值幅度(UI)，结果见图3。可见，最大抖动峰-峰值是0.06UI，远优于标准要求。

G.813规定的STM-16输出漂移标准指标见表2。

表2G.813STM-16option1漂移(MTIE)

漂移测试结果见图4。可见，最大TIE(MTIE)小于300ps.也远优于标准要求。

Claims (3)

1.一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，其特征在于，包括业务时钟映射和业务时钟恢复，具体如下：

1)业务时钟映射

1.1)将提取到的客户时钟和数据一起送到缓冲器；客户时钟同时送到客户时钟阶梯波生成器，客户时钟若为155.520MHz的整数倍，则要经过分频器分频到155.520MHz再送到客户时钟阶梯波生成器；

1.2)缓冲器接收输入的客户数据并存储，并在客户信号读模块的读使能控制下根据输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块；

1.3)客户时钟阶梯波生成器使用客户时钟产生一个参考阶梯波，输出阶梯波信号由两个部分构成：第一个代表整数的UI数目个数，第二个代表小于1UI中的小数部分；在每个客户时钟周期，阶梯波整数部分加1UI，小数部分会加1个步进；小数部分阶梯波生成器位数D由以下公式得到：

式中，phase_precision为相位精度，单位ps，client_clk_freq为客户时钟频率或分频后客户时钟频率，单位MHz；

1.4)反馈OTN时钟阶梯波生成器产生一个阶梯波；

对每一个传输时钟信号，反馈OTN时钟阶梯波生成器产生的步进值lb_single_step由如下公式得到：

式中，total_increased_steps为总共增加的阶梯值；

1.5)相位和频率检测器比较客户时钟阶梯波生成器和反馈OTN时钟阶梯波生成器输出的阶梯波的差值；

1.6)滤波器对相位和频率检测器输出的电压信号滤波；

1.7)调整控制模块基于经过滤波和增益放大后的相位差filtered_phase_deviation产生调整控制命令或Cn值；

(1)AMP模式

1字节负调整产生的相位变化为：(1字节负调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)，这个相位变化经相位和频率检测器、滤波器、增益放大器处理后的电压值是U_neg_1；

1字节正调整产生的相位变化为：(1字节正调整后的业务比特率/OTN容器比特率)–(标准业务比特率/OTN容器比特率)，这个相位变化经相位和频率检测器、滤波器、增益放大器处理后的电压值是U_pos_1；

调整控制模块产生JC调整的规则如下：若filtered_phase_deviation>＝U_neg_1，产生JC负调整命令；若filtered_phase_deviation<＝U_pos_1，产生正调整命令；否则产生零调整命令；

(2)GMP模式：

确定Cn值，即一个OTN容器装载的客户业务字节数目；

式中，f_{client_nominal}是客户业务标准比特率，f_{server_nominal}是OTN容器server标准比特率；B_server是一个OTN容器的比特数，n为每字节的Bit数；

1.8)客户信号读模块接收调整控制命令或Cn值，产生读使能控制缓冲器，缓冲器根据读使能和输入的客户时钟输出客户数据到OTN帧开销模块；

1.9)OTN开销插入模块继续完成OTN帧开销插入和数据包封过程，形成完整的OTU帧；

2） 业务时钟恢复

2.1)OTN解包封器完成开销及客户数据提取，从高阶OTN帧中提取业务数据及JC开销；

2.2)OTN时钟阶梯波生成器接收OTN解包封器提取的JC值或Cn值，对AMP模式，将JC翻译为当前OTN帧装载的客户业务字节数目，对GMP模式，Cn即当前OTN帧装载的客户业务字节数目；然后用传输时钟信号按以下公式生成阶梯波信号：

OTN时钟阶梯波生成器产生阶梯波的方式与步骤1.4)中反馈OTN时钟阶梯波生成器产生一个阶梯波一样；

2.3)反馈客户时钟阶梯波生成器根据数控振荡器生成的客户时钟产生反馈的阶梯波信号，其产生方式与步骤1.3)中客户时钟阶梯波生成器使用客户时钟产生一个参考阶梯波一样；

2.4)相位和频率检测器比较OTN时钟阶梯波生成器和反馈客户时钟阶梯波生成器输出的阶梯波的差值；

2.5)滤波器对相位和频率检测器输出的电压信号滤波；

2.6)经过滤波和增益放大后的相位差信号用于控制数控振荡器输出频率；

2.7)数控振荡器的输出即为恢复出的客户时钟；

2.8)缓冲器根据CRU恢复的客户时钟对客户数据进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，其特征在于，步骤1.6)和步骤2.5)中，所述滤波器采用数字二阶锁相环实现。

3.根据权利要求2所述的一种OTN中高精度业务时钟映射和恢复方法，其特征在于，所述滤波器为一个通带为0.1-10MHz的低通滤波器。

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