劉子文

劉子文:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司通信信號研究設(shè)計處高級工程師 430063 武漢

電信業(yè)重組、中國鐵通拆分后，與鐵路通信相關(guān)的業(yè)務(wù)及基礎(chǔ)傳輸設(shè)施資產(chǎn)劃轉(zhuǎn)至鐵道部，其固話及寬帶等業(yè)務(wù)留歸中國移動。因此，目前全路鐵路骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)還同時運行著鐵路業(yè)務(wù)及公網(wǎng)業(yè)務(wù)，這種方式對鐵路路網(wǎng)業(yè)務(wù)的可靠性及鐵路安全運營造成了一定的隱患。另外，現(xiàn)有骨干網(wǎng)傳輸設(shè)備投入運營時間較長，系統(tǒng)性能降低，很多設(shè)備已無法更新。更重要的是，我國高速鐵路網(wǎng)正在加速形成，新的高速鐵路網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求不斷增加，如GSM-R網(wǎng)絡(luò)、IP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、鐵路綜合視頻監(jiān)控等，對鐵路通信骨干光傳送網(wǎng)的帶寬、大顆粒業(yè)務(wù)需求量急劇增加，進一步地提升了對網(wǎng)絡(luò)安全性的要求。為了給鐵路各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)一個安全可靠、滿足不同顆粒度需求、易于維護管理的高速骨干光傳送網(wǎng)絡(luò)平臺，有必要對全路光傳輸網(wǎng)進行統(tǒng)一規(guī)劃。

1 功能定位、需求分析及容量估算

1.1 功能定位

全路光傳送網(wǎng)可以分為骨干層、中繼/匯聚層及接入層3層結(jié)構(gòu)。骨干光傳送網(wǎng)一般承載著各鐵路局到鐵道部、鐵路局之間或跨鐵路局業(yè)務(wù);中繼/匯聚層一般承載本鐵路局局內(nèi)業(yè)務(wù)，提供本局內(nèi)各站段間業(yè)務(wù)傳送，及各站段至路局調(diào)度所的業(yè)務(wù)傳送，或者僅利用相鄰局的通道構(gòu)成本局內(nèi)的傳輸系統(tǒng)保護;接入層一般為鐵路沿線各業(yè)務(wù)接入點提供服務(wù)，業(yè)務(wù)通過上層中繼/匯聚層進行匯聚。

1.2 需求分析

目前鐵路通信提供的業(yè)務(wù)包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等，按照業(yè)務(wù)的可靠性、實時性、安全性、帶寬等要求，一般將公務(wù)電話及調(diào)度電話等語音業(yè)務(wù)、客專運營調(diào)度信息系統(tǒng)中的運行調(diào)度及供電調(diào)度系統(tǒng)、普速鐵路TDCS系統(tǒng)、票務(wù)系統(tǒng)、公安管理系統(tǒng)等直接在骨干光傳輸網(wǎng)上承載;其他運營信息系統(tǒng)、動車組管理、綜合維修管理、客運服務(wù)信息系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、會議電視系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及視頻業(yè)務(wù)，以IP數(shù)據(jù)網(wǎng)作為主要的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載平臺，通過骨干光傳輸網(wǎng)進行傳輸。

由于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)承載了大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及視頻業(yè)務(wù)，如會議電視系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及與安全、資金無關(guān)的各類信息系統(tǒng)，因此，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)將占據(jù)全路骨干光傳送網(wǎng)的主要帶寬。

骨干光傳送網(wǎng)連接鐵道部和18個路局，承載IP數(shù)據(jù)網(wǎng)及TDM業(yè)務(wù)，為鐵路局至鐵道部、鐵路局之間的直達業(yè)務(wù)互通提供傳輸通道，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)至鐵道部的匯聚和跨路局的互通。根據(jù)業(yè)務(wù)顆粒大小，骨干光傳送網(wǎng)主要承載以下通信子系統(tǒng)及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的局間或跨局流量。

1.IP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。為鐵路運輸組織、客貨營銷、經(jīng)營管理領(lǐng)域的信息應(yīng)用系統(tǒng)，GSM-R的數(shù)據(jù)應(yīng)用、綜合視頻等通信應(yīng)用系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)承載平臺，主要承載會議電視系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、除安全與資金以外的其他信息系統(tǒng)。IP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)由廣域承載網(wǎng)和業(yè)務(wù)接入2部分組成。廣域承載網(wǎng)包括全國骨干網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)2層結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的節(jié)點類型，節(jié)點間的單條鏈路帶寬需求為622 Mb/s、GE、2.5 Gb/s不等。

2.數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)。提供用于運輸指揮的行調(diào)、電調(diào)等調(diào)度電話，滿足運營維護的各種專用電話通信。調(diào)度通信系統(tǒng)按“鐵道部－鐵路局－站段”分級組網(wǎng)。骨干光傳送網(wǎng)承載了鐵道部至各鐵路局調(diào)度所、相關(guān)及相鄰路局調(diào)度所之間的2 Mb/s調(diào)度中繼互聯(lián)通道。

3.應(yīng)急通信系統(tǒng)。在鐵路事故發(fā)生后，迅速建立“鐵道部－鐵路局－事故現(xiàn)場”的通信，為鐵路各級部門提供話音、數(shù)據(jù)和圖像服務(wù)。應(yīng)急通信系統(tǒng)由鐵道部、調(diào)度所及事故現(xiàn)場應(yīng)急通信系統(tǒng)構(gòu)成。骨干光傳送網(wǎng)承載了鐵道部救援指揮中心與各個鐵路局救援指揮中心間2 Mb/s傳輸通道。

4.GSM-R網(wǎng)絡(luò)中繼互聯(lián)。骨干光傳輸網(wǎng)承載了GSM-R網(wǎng)絡(luò)中移動交換機的2 Mb/s中繼，以及交換機間的2 Mb/s信令鏈路通道互聯(lián)，主要有各鐵路局至鐵道部間、相鄰鐵路局間的移動交換中心MSC的中繼鏈路、信令鏈路互聯(lián)等，以及鐵路局MSC與其歸屬的匯聚交換機TMSC之間的中繼及信令鏈路互聯(lián)。節(jié)點間的單條鏈路帶寬需求一般為若干個2 Mb/s。

5.通信支撐網(wǎng)。主要包括網(wǎng)管系統(tǒng)、時鐘同步網(wǎng)。通信網(wǎng)管系統(tǒng)為鐵路通信各子系統(tǒng)提供設(shè)備資源管理和監(jiān)控，分為鐵道部、鐵路局、區(qū)域、工區(qū)幾個層次，骨干光傳輸網(wǎng)承載了通信網(wǎng)管系統(tǒng)的互聯(lián)通道，帶寬需求為若干2 Mb/s。時鐘同步網(wǎng)為全網(wǎng)提供同步定時基準信號，按照“鐵道部－鐵路局－站段”3級組網(wǎng)。同步方式為主從同步，帶寬需求為2 Mb/s。

6.運營調(diào)度信息系統(tǒng)。主要指客專中的計劃編制、運行管理、車輛管理、供電管理、客運調(diào)度等，采用鐵道部、鐵路局調(diào)度所、站段分級結(jié)構(gòu)。骨干光傳輸網(wǎng)承載了各鐵路局與鐵道部之間、鐵路局之間的運行調(diào)度、供電調(diào)度等系統(tǒng)的信息互聯(lián)通道，帶寬為若干個2M～155 Mb/s不等。

7.客票發(fā)售與預(yù)訂系統(tǒng)。由鐵道部票務(wù)中心、區(qū)域中心、車站票務(wù)系統(tǒng)分級架構(gòu)。骨干光傳送網(wǎng)主要承載由區(qū)域中心到鐵道部的票務(wù)業(yè)務(wù)，帶寬為若干個155 Mb/s不等。

8.公安管理信息系統(tǒng)。對警銜、指紋識別、刑事案件、站車治安等進行管理。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為公安局、公安處、派出所3級結(jié)構(gòu)，各級節(jié)點之間占用10M/100 Mb/s FE帶寬。

9.傳輸系統(tǒng)保護。從提高通信系統(tǒng)整體可靠性的角度出發(fā)，骨干光傳送網(wǎng)可為沿線鐵路SDH傳輸系統(tǒng)提供迂回保護通道。對于匯聚層SDH傳輸系統(tǒng)，還可以采用骨干層提供的波分進行迂回保護，有效提高匯聚層傳輸系統(tǒng)的可靠性。

1.3 容量估算

通過網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分析，骨干光傳送系統(tǒng)各業(yè)務(wù)通道估算見表1。根據(jù)表1容量估算，全路骨干光傳送網(wǎng)的容量可達若干個10 Gb/s帶寬，需采用大容量、高帶寬、大顆粒傳送技術(shù)。

2 光傳送技術(shù)比選

目前，主流的光傳送技術(shù)可以分成3類:基于時分復(fù)用的光傳輸技術(shù)，如SDH和MSTP;基于包交換的PTN傳送技術(shù)和基于波分復(fù)用的傳送技術(shù)，如DWDM和OTN。

2.1 PTN技術(shù)

分組傳送網(wǎng)PTN技術(shù)基于分組交換的交換/轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)核，支持多業(yè)務(wù)接入和轉(zhuǎn)發(fā)能力，滿足TDM、ATM、IP業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入，解決了傳統(tǒng) SDH/MSTP傳送網(wǎng)無法適應(yīng)分組業(yè)務(wù)的大規(guī)模應(yīng)用缺陷。目前PTN設(shè)備成本比較高，其內(nèi)核是基于包交換的內(nèi)核，主要用于承載IP業(yè)務(wù)，定位于城域網(wǎng)的匯聚及接入層。PTN設(shè)備用于TDM、ATM，偽線成本高于MSTP方式承載幾倍，同時，業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)時延較大，尤其是TDM、SDH、ATM業(yè)務(wù)，首尾網(wǎng)元節(jié)點時延達到毫秒至幾十毫秒。在與現(xiàn)網(wǎng)的匹配上，PTN網(wǎng)絡(luò)需要對既有網(wǎng)絡(luò)全部替換，升級成本高，風(fēng)險大。因此，PTN適用于全IP演進趨勢明顯，以 Ethernet業(yè)務(wù)接入為主，兼顧少量TDM、ATM業(yè)務(wù)的場景。

2.2 SDH/MSTP系統(tǒng)

MSTP是目前鐵路常用的光傳輸技術(shù)，解決了SDH技術(shù)不適合于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的不足。MSTP在SDH基礎(chǔ)上進行了改進，增加了對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、IP、ATM業(yè)務(wù)的支持，尤其是具有內(nèi)嵌式RPR與內(nèi)嵌式MPLS功能的MSTP，解決了網(wǎng)絡(luò)中傳送話音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)間的矛盾。因此，MSTP大量應(yīng)用在匯聚層及接入層。但是SDH/MSTP技術(shù)的內(nèi)核仍然是基于TDM，需要通過虛通道級聯(lián)技術(shù)提供固定帶寬來承載IP業(yè)務(wù)，并不能實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配和帶寬統(tǒng)計復(fù)用，造成帶寬的浪費，承載效率低。因此，MSTP適用于以鐵路業(yè)務(wù)中TDM業(yè)務(wù)為主兼有部分IP業(yè)務(wù)的場景。

2.3 DWDM/OTN系統(tǒng)

MSTP和PTN業(yè)務(wù)都可以通過光纖直接承載，但是每套系統(tǒng)都需要占用1根光纖，光纖利用率不高?；诓ǚ謴?fù)用的DWDM和OTN技術(shù)可以實現(xiàn)多個波共用一條光纖，每個波承載一套甚至多套MSTP或PTN系統(tǒng)，大大提高了光纖利用率。

表1 骨干光傳送系統(tǒng)業(yè)務(wù)通道估算

2.3.1 DWDM技術(shù)

DWDM技術(shù)具有超大容量、數(shù)據(jù)透明傳輸、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化、可靠性高、擴展靈活和經(jīng)濟等特點，已廣泛應(yīng)用于各大運營商的骨干網(wǎng)絡(luò)，也是鐵路骨干網(wǎng)所采用的設(shè)備。但DWDM業(yè)務(wù)調(diào)度不靈活，網(wǎng)絡(luò)管理手段有限，并且故障定位困難，給網(wǎng)絡(luò)維護帶來不便。另外，DWDM系統(tǒng)組網(wǎng)主要采用點對點的應(yīng)用方式，其組網(wǎng)能力較弱，網(wǎng)絡(luò)生存性手段和能力不夠。

2.3.2 OTN網(wǎng)絡(luò)

OTN光傳送網(wǎng)技術(shù)是在SDH和WDM技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兼有2種技術(shù)的優(yōu)點，解決傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)無波長/子波長業(yè)務(wù)調(diào)度能力、組網(wǎng)能力弱、保護能力弱等問題，其優(yōu)點如下。

1．業(yè)務(wù)透明傳輸:OTN幀結(jié)構(gòu)支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，如SDH、GE和10GE等。

2．大顆粒的帶寬復(fù)用、交叉和配置:OTN目前定義了電層帶寬顆粒 GE、2.5 Gb/s、10 Gb/s和40 Gb/s;光層的帶寬顆粒為波長。

3．強大維護管理能力:OTN提供和SDH類似的開銷管理能力，具備完善的性能和故障監(jiān)測機制，使波分系統(tǒng)具備類似SDH性能和故障監(jiān)測能力。

4．豐富的組網(wǎng)和保護能力:OTN提供更為靈，需求靈活選擇保護機制。

2.4 ASON網(wǎng)絡(luò)

ASON自動交換光網(wǎng)絡(luò)是一種動態(tài)、自動交換傳送網(wǎng)。在傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)上，ASON引入了控制平面，實現(xiàn)了對傳送平面的智能控制，實現(xiàn)了資源管理、連接、保護恢復(fù)等方面的智能化。ASON技術(shù)雖然目前取得了較大進展，但還存在性能本身的完善和互聯(lián)互通等問題，如ASON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、業(yè)務(wù)承載量比較大，或者端到端多條鏈路失效的情況下，系統(tǒng)恢復(fù)速度比較慢，有時甚至達到十幾秒的級別，而且多廠商互聯(lián)互通仍沒有徹底解決。

2.5 推薦技術(shù)

由于鐵路骨干光傳送網(wǎng)是跨鐵路局的全國性網(wǎng)絡(luò)，需要長距離傳送、大顆粒承載、大容量及高可靠性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而OTN技術(shù)先進性及成熟性，正好滿足了鐵路骨干光傳送網(wǎng)的需要，建議采用OTN技術(shù)構(gòu)建鐵路骨干傳送網(wǎng)。

3 方案研究

3.1 網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)

骨干光傳送網(wǎng)絡(luò)覆蓋鐵道部及全路18個鐵路局，其覆蓋區(qū)域廣、傳輸節(jié)點多，可以組成單級網(wǎng)絡(luò)和二級網(wǎng)絡(luò)2種方案。

方案一，單級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。鐵道部及18個鐵路局在一個層級內(nèi)，所有節(jié)點通過鐵路沿線提供的光纖組網(wǎng)。任意路局間的業(yè)務(wù)互通，直接通過骨干光傳送網(wǎng)的OTN提供波長或子波長實現(xiàn)。

方案二，二級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。第1級，鐵道部+北京、上海、廣州、武漢、西安、成都6個大區(qū)，鐵道部與6個大區(qū)間通過光纖組成第1級網(wǎng)絡(luò)。第2級，6個大區(qū)+各鐵路局，每個大區(qū)與其下有關(guān)的鐵路局通過光纖分別組成第2級網(wǎng)絡(luò)。二級網(wǎng)絡(luò)各自通過鐵路沿線提供的光纖組成，采用波分側(cè)互聯(lián)，任意路局間的業(yè)務(wù)互通可以通過第1級OTN網(wǎng)絡(luò)提供的子波長實現(xiàn)。

由于鐵道部、各鐵路局的所有節(jié)點均在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，因此方案一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端基于子波長的業(yè)務(wù)發(fā)放，業(yè)務(wù)規(guī)劃比較簡單，工程實施也比較容易，并且該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的鐵路管理模式匹配。與方案二比較，不需要另外再占用光纖資源及設(shè)置更多光放等，投資較低。但是，該網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點除了承擔(dān)本身業(yè)務(wù)外，還需要為遠端骨干波分節(jié)點承擔(dān)波長穿通，使中間部分的網(wǎng)絡(luò)容量利用率有所降低，這對骨干網(wǎng)初期容量不大時影響不大。

方案二網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，易于業(yè)務(wù)規(guī)劃和管理。網(wǎng)絡(luò)中心部分的節(jié)點不需要再為遠端節(jié)點承擔(dān)波長穿通，遠端節(jié)點業(yè)務(wù)可以直接從最近的波分點直接進入到第1層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)承載效率發(fā)揮的比較好。但是，由于需要構(gòu)建二級網(wǎng)絡(luò)，投資會比方案一高很多;并且由于路局業(yè)務(wù)主要向該所屬的大區(qū)收斂，地域上容災(zāi)性較差，如果鐵路管理模式發(fā)生變化，將導(dǎo)致其業(yè)務(wù)規(guī)劃和承載效率大幅降低。在工程實施方面，該方案與全路現(xiàn)有的波分系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差別較大，新、老業(yè)務(wù)割接也會異常復(fù)雜。

綜合比較以上2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并考慮到骨干光傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)量及流向，以及工程的投資及可實施性，推薦采用方案一。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲的選擇

為保證骨干光傳送網(wǎng)絡(luò)的可靠性，骨干光傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲可以采用網(wǎng)狀網(wǎng)及環(huán)狀網(wǎng)2個方案。

方案一，組建環(huán)形網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)最突出的優(yōu)勢是其有自愈能力，在環(huán)形網(wǎng)工作通道發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)會在50 ms內(nèi)自動倒換到保護通道。同時，OTN網(wǎng)絡(luò)支持光復(fù)用段OMSP、OCH/ODU電層保護，以及通過SDH自愈環(huán)保護。但是，在大型長途骨干網(wǎng)中采用環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，許多情況信息傳送要通過迂回路由實現(xiàn)，傳輸路徑過長，傳輸經(jīng)過的節(jié)點數(shù)過多，這會導(dǎo)致整個信息的端到端傳送時延過大。因此，應(yīng)盡可能的劃分為較小區(qū)域的環(huán)型網(wǎng)。

方案二，組建網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。每個鐵路局都和其相鄰鐵路局建立直達路由。所有節(jié)點通過鐵路沿線提供的光纖組成網(wǎng)狀網(wǎng)，并部署OTN-ASON。每節(jié)點的度數(shù)盡可能到達3維，以確保能夠抗多次斷纖故障。其優(yōu)點是:①網(wǎng)絡(luò)生存性高;②擴展性較強，只要增加新的節(jié)點和鏈路即可，不用全網(wǎng)配合，便于升級和維護;③業(yè)務(wù)路徑路由選擇多，能夠輕易實現(xiàn)容災(zāi)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高。但是，對比方案一，方案二需要占用更多的光纜資源，投資略高，部分鐵路局節(jié)點由于不具備多方向的鐵路徑路，可能無法實現(xiàn)3維以上。并且由于ASON尚未大規(guī)模應(yīng)用，在全國性骨干網(wǎng)上尚無實際的應(yīng)用經(jīng)驗，因此，其有效性還有待驗證，因而近期不推薦采用。遠期當(dāng)ASON技術(shù)成熟且大規(guī)模應(yīng)用，或者出現(xiàn)更為成熟、先進的技術(shù)時可以考慮采用網(wǎng)狀組網(wǎng)。

3.3 系統(tǒng)保護

OTN網(wǎng)絡(luò)保護可以有光層網(wǎng)絡(luò)保護及電層網(wǎng)絡(luò)保護。光層保護有光通道1+1保護、1+1光復(fù)用段(OMSP)保護、1:1光線路保護。電層保護有Och1+1保護、Och m:n保護、Och Ring保護、SDH系統(tǒng)自愈保護等。

由于光纜線路已形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，全路OTN網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點至少有2個以上方向的光纜、且光纜條件較好。綜合考慮投資、業(yè)務(wù)保護等因素，推薦采用Och/ODUk電層網(wǎng)絡(luò)保護，實現(xiàn)波長/子波長級別，對業(yè)務(wù)豐富的顆粒度實現(xiàn)快速保護。

對于IP業(yè)務(wù)與TDM業(yè)務(wù)，利用不同波道承載，采用不同的電層保護方式。IP業(yè)務(wù)采用SNCP子網(wǎng)保護，提供波長/子波長級別的顆粒保護;TDM業(yè)務(wù)采用SDH的自愈環(huán)保護(MSP)。

4 結(jié)束語

隨著通信技術(shù)的日新月異，光傳送網(wǎng)的新技術(shù)也在不斷發(fā)展，鐵路的各種業(yè)務(wù)保護及可靠性、帶寬等也在不斷變化。如何真正做到既滿足鐵路需要，又保證技術(shù)先進、成熟、可靠、適用等，是今后工作中需反復(fù)研究的。因此，全路骨干光傳送網(wǎng)的方案需要及時跟進新技術(shù)，以保證為鐵路安全運營提供更可靠的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

［1］趙文玉.光傳送網(wǎng)(OTN)技術(shù)應(yīng)用分析［J］.通信世界，2008(10).

［2］杜鵑，張鑫林，張翔宇.基于OTN的ASON技術(shù)發(fā)展［J］. 電信網(wǎng)技術(shù)，2008(10)．

［3］劉國輝，毛謙．OTN的線型保護機制研究［J］.光通信技術(shù)，2006(9)．