OTN技術在全路骨干傳輸網應用的研究

劉子文

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

電信業重組、中國鐵通拆分后，與鐵路通信相關的業務及基礎傳輸設施資產劃轉至鐵道部，其固話及寬帶等業務留歸中國移動。因此，目前全路鐵路骨干傳輸網絡還同時運行著鐵路業務及公網業務，這種方式對鐵路路網業務的可靠性及鐵路安全運營造成了一定的隱患。另外，現有骨干網傳輸設備投入運營時間較長，系統性能降低，很多設備已無法更新。更重要的是，我國高速鐵路網正在加速形成，新的高速鐵路網的業務需求不斷增加，如GSM-R網絡、IP數據通信網、鐵路綜合視頻監控等，對鐵路通信骨干光傳送網的帶寬、大顆粒業務需求量急劇增加，進一步地提升了對網絡安全性的要求。為了給鐵路各個業務系統建設一個安全可靠、滿足不同顆粒度需求、易于維護管理的高速骨干光傳送網絡平臺，有必要對全路光傳輸網進行統一規劃。

1 功能定位、需求分析及容量估算

1.1 功能定位

全路光傳送網可以分為骨干層、中繼/匯聚層及接入層3層結構。骨干光傳送網一般承載著各鐵路局到鐵道部、鐵路局之間或跨鐵路局業務;中繼/匯聚層一般承載本鐵路局局內業務，提供本局內各站段間業務傳送，及各站段至路局調度所的業務傳送，或者僅利用相鄰局的通道構成本局內的傳輸系統保護;接入層一般為鐵路沿線各業務接入點提供服務，業務通過上層中繼/匯聚層進行匯聚。

1.2 需求分析

目前鐵路通信提供的業務包括語音、數據、圖像等，按照業務的可靠性、實時性、安全性、帶寬等要求，一般將公務電話及調度電話等語音業務、客專運營調度信息系統中的運行調度及供電調度系統、普速鐵路TDCS系統、票務系統、公安管理系統等直接在骨干光傳輸網上承載;其他運營信息系統、動車組管理、綜合維修管理、客運服務信息系統、辦公系統、會議電視系統、綜合視頻監控系統等數據業務及視頻業務，以IP數據網作為主要的數據業務承載平臺，通過骨干光傳輸網進行傳輸。

由于IP數據網承載了大量數據業務及視頻業務，如會議電視系統、綜合視頻監控系統，以及與安全、資金無關的各類信息系統，因此，IP數據網將占據全路骨干光傳送網的主要帶寬。

骨干光傳送網連接鐵道部和18個路局，承載IP數據網及TDM業務，為鐵路局至鐵道部、鐵路局之間的直達業務互通提供傳輸通道，實現各業務至鐵道部的匯聚和跨路局的互通。根據業務顆粒大小，骨干光傳送網主要承載以下通信子系統及相關業務系統的局間或跨局流量。

1.IP數據通信網。為鐵路運輸組織、客貨營銷、經營管理領域的信息應用系統，GSM-R的數據應用、綜合視頻等通信應用系統提供網絡承載平臺，主要承載會議電視系統、綜合視頻監控系統、除安全與資金以外的其他信息系統。IP數據通信網由廣域承載網和業務接入2部分組成。廣域承載網包括全國骨干網絡、區域網絡2層結構。根據不同的節點類型，節點間的單條鏈路帶寬需求為622 Mb/s、GE、2.5 Gb/s不等。

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

3.應急通信系統。在鐵路事故發生后，迅速建立“鐵道部－鐵路局－事故現場”的通信，為鐵路各級部門提供話音、數據和圖像服務。應急通信系統由鐵道部、調度所及事故現場應急通信系統構成。骨干光傳送網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網絡中繼互聯。骨干光傳輸網承載了GSM-R網絡中移動交換機的2 Mb/s中繼，以及交換機間的2 Mb/s信令鏈路通道互聯，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。節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。主要包括網管系統、時鐘同步網。通信網管系統為鐵路通信各子系統提供設備資源管理和監控，分為鐵道部、鐵路局、區域、工區幾個層次，骨干光傳輸網承載了通信網管系統的互聯通道，帶寬需求為若干2 Mb/s。時鐘同步網為全網提供同步定時基準信號，按照“鐵道部－鐵路局－站段”3級組網。同步方式為主從同步，帶寬需求為2 Mb/s。

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

7.客票發售與預訂系統。由鐵道部票務中心、區域中心、車站票務系統分級架構。骨干光傳送網主要承載由區域中心到鐵道部的票務業務，帶寬為若干個155 Mb/s不等。

8.公安管理信息系統。對警銜、指紋識別、刑事案件、站車治安等進行管理。其網絡結構為公安局、公安處、派出所3級結構，各級節點之間占用10M/100 Mb/s FE帶寬。

9.傳輸系統保護。從提高通信系統整體可靠性的角度出發，骨干光傳送網可為沿線鐵路SDH傳輸系統提供迂回保護通道。對于匯聚層SDH傳輸系統，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的可靠性。

1.3 容量估算

通過網絡的業務分析，骨干光傳送系統各業務通道估算見表1。根據表1容量估算，全路骨干光傳送網的容量可達若干個10 Gb/s帶寬，需采用大容量、高帶寬、大顆粒傳送技術。

2 光傳送技術比選

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

2.1 PTN技術

分組傳送網PTN技術基于分組交換的交換/轉發內核，支持多業務接入和轉發能力，滿足TDM、ATM、IP業務的統一接入，解決了傳統 SDH/MSTP傳送網無法適應分組業務的大規模應用缺陷。目前PTN設備成本比較高，其內核是基于包交換的內核，主要用于承載IP業務，定位于城域網的匯聚及接入層。PTN設備用于TDM、ATM，偽線成本高于MSTP方式承載幾倍，同時，業務轉發時延較大，尤其是TDM、SDH、ATM業務，首尾網元節點時延達到毫秒至幾十毫秒。在與現網的匹配上，PTN網絡需要對既有網絡全部替換，升級成本高，風險大。因此，PTN適用于全IP演進趨勢明顯，以 Ethernet業務接入為主，兼顧少量TDM、ATM業務的場景。

2.2 SDH/MSTP系統

MSTP是目前鐵路常用的光傳輸技術，解決了SDH技術不適合于數據業務傳送的不足。MSTP在SDH基礎上進行了改進，增加了對以太網業務、IP、ATM業務的支持，尤其是具有內嵌式RPR與內嵌式MPLS功能的MSTP，解決了網絡中傳送話音業務與數據業務間的矛盾。因此，MSTP大量應用在匯聚層及接入層。但是SDH/MSTP技術的內核仍然是基于TDM，需要通過虛通道級聯技術提供固定帶寬來承載IP業務，并不能實現動態帶寬分配和帶寬統計復用，造成帶寬的浪費，承載效率低。因此，MSTP適用于以鐵路業務中TDM業務為主兼有部分IP業務的場景。

2.3 DWDM/OTN系統

MSTP和PTN業務都可以通過光纖直接承載，但是每套系統都需要占用1根光纖，光纖利用率不高。基于波分復用的DWDM和OTN技術可以實現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，大大提高了光纖利用率。

表1 骨干光傳送系統業務通道估算

2.3.1 DWDM技術

DWDM技術具有超大容量、數據透明傳輸、網絡結構簡化、可靠性高、擴展靈活和經濟等特點，已廣泛應用于各大運營商的骨干網絡，也是鐵路骨干網所采用的設備。但DWDM業務調度不靈活，網絡管理手段有限，并且故障定位困難，給網絡維護帶來不便。另外，DWDM系統組網主要采用點對點的應用方式，其組網能力較弱，網絡生存性手段和能力不夠。

2.3.2 OTN網絡

OTN光傳送網技術是在SDH和WDM技術的基礎上發展起來的，兼有2種技術的優點，解決傳統WDM網絡無波長/子波長業務調度能力、組網能力弱、保護能力弱等問題，其優點如下。

1．業務透明傳輸:OTN幀結構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測機制，使波分系統具備類似SDH性能和故障監測能力。

4．豐富的組網和保護能力:OTN提供更為靈，需求靈活選擇保護機制。

2.4 ASON網絡

ASON自動交換光網絡是一種動態、自動交換傳送網。在傳統的傳輸網絡上，ASON引入了控制平面，實現了對傳送平面的智能控制，實現了資源管理、連接、保護恢復等方面的智能化。ASON技術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互通等問題，如ASON網絡結構比較復雜、業務承載量比較大，或者端到端多條鏈路失效的情況下，系統恢復速度比較慢，有時甚至達到十幾秒的級別，而且多廠商互聯互通仍沒有徹底解決。

2.5 推薦技術

由于鐵路骨干光傳送網是跨鐵路局的全國性網絡，需要長距離傳送、大顆粒承載、大容量及高可靠性的網絡技術，而OTN技術先進性及成熟性，正好滿足了鐵路骨干光傳送網的需要，建議采用OTN技術構建鐵路骨干傳送網。

3 方案研究

3.1 網絡層級結構

骨干光傳送網絡覆蓋鐵道部及全路18個鐵路局，其覆蓋區域廣、傳輸節點多，可以組成單級網絡和二級網絡2種方案。

方案一，單級網絡架構。鐵道部及18個鐵路局在一個層級內，所有節點通過鐵路沿線提供的光纖組網。任意路局間的業務互通，直接通過骨干光傳送網的OTN提供波長或子波長實現。

方案二，二級網絡架構。第1級，鐵道部+北京、上海、廣州、武漢、西安、成都6個大區，鐵道部與6個大區間通過光纖組成第1級網絡。第2級，6個大區+各鐵路局，每個大區與其下有關的鐵路局通過光纖分別組成第2級網絡。二級網絡各自通過鐵路沿線提供的光纖組成，采用波分側互聯，任意路局間的業務互通可以通過第1級OTN網絡提供的子波長實現。

由于鐵道部、各鐵路局的所有節點均在一個網絡內，因此方案一網絡結構簡單，能夠實現端到端基于子波長的業務發放，業務規劃比較簡單，工程實施也比較容易，并且該網絡結構與現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置更多光放等，投資較低。但是，該網絡中間節點除了承擔本身業務外，還需要為遠端骨干波分節點承擔波長穿通，使中間部分的網絡容量利用率有所降低，這對骨干網初期容量不大時影響不大。

方案二網絡結構清晰，易于業務規劃和管理。網絡中心部分的節點不需要再為遠端節點承擔波長穿通，遠端節點業務可以直接從最近的波分點直接進入到第1層網絡，網絡承載效率發揮的比較好。但是，由于需要構建二級網絡，投資會比方案一高很多;并且由于路局業務主要向該所屬的大區收斂，地域上容災性較差，如果鐵路管理模式發生變化，將導致其業務規劃和承載效率大幅降低。在工程實施方面，該方案與全路現有的波分系統網絡結構差別較大，新、老業務割接也會異常復雜。

綜合比較以上2種網絡結構，并考慮到骨干光傳送網的業務量及流向，以及工程的投資及可實施性，推薦采用方案一。

3.2 網絡拓撲的選擇

為保證骨干光傳送網絡的可靠性，骨干光傳送網的網絡拓撲可以采用網狀網及環狀網2個方案。

方案一，組建環形網。環網最突出的優勢是其有自愈能力，在環形網工作通道發生故障時，網絡會在50 ms內自動倒換到保護通道。同時，OTN網絡支持光復用段OMSP、OCH/ODU電層保護，以及通過SDH自愈環保護。但是，在大型長途骨干網中采用環形網結構，許多情況信息傳送要通過迂回路由實現，傳輸路徑過長，傳輸經過的節點數過多，這會導致整個信息的端到端傳送時延過大。因此，應盡可能的劃分為較小區域的環型網。

方案二，組建網狀網結構。每個鐵路局都和其相鄰鐵路局建立直達路由。所有節點通過鐵路沿線提供的光纖組成網狀網，并部署OTN-ASON。每節點的度數盡可能到達3維，以確保能夠抗多次斷纖故障。其優點是:①網絡生存性高;②擴展性較強，只要增加新的節點和鏈路即可，不用全網配合，便于升級和維護;③業務路徑路由選擇多，能夠輕易實現容災，網絡可靠性高。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，部分鐵路局節點由于不具備多方向的鐵路徑路，可能無法實現3維以上。并且由于ASON尚未大規模應用，在全國性骨干網上尚無實際的應用經驗，因此，其有效性還有待驗證，因而近期不推薦采用。遠期當ASON技術成熟且大規模應用，或者出現更為成熟、先進的技術時可以考慮采用網狀組網。

3.3 系統保護

OTN網絡保護可以有光層網絡保護及電層網絡保護。光層保護有光通道1+1保護、1+1光復用段(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系統自愈保護等。

由于光纜線路已形成網狀結構，全路OTN網絡每個節點至少有2個以上方向的光纜、且光纜條件較好。綜合考慮投資、業務保護等因素，推薦采用Och/ODUk電層網絡保護，實現波長/子波長級別，對業務豐富的顆粒度實現快速保護。

對于IP業務與TDM業務，利用不同波道承載，采用不同的電層保護方式。IP業務采用SNCP子網保護，提供波長/子波長級別的顆粒保護;TDM業務采用SDH的自愈環保護(MSP)。

4 結束語

隨著通信技術的日新月異，光傳送網的新技術也在不斷發展，鐵路的各種業務保護及可靠性、帶寬等也在不斷變化。如何真正做到既滿足鐵路需要，又保證技術先進、成熟、可靠、適用等，是今后工作中需反復研究的。因此，全路骨干光傳送網的方案需要及時跟進新技術，以保證為鐵路安全運營提供更可靠的優質服務。

［1］趙文玉.光傳送網(OTN)技術應用分析［J］.通信世界，2008(10).

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