鐵路通信傳送網現狀與技術發展

邱 萍

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路通信網是保證鐵路運輸正常、安全運行的重要基礎設施和基本通信手段，是支撐鐵路信息化的重要載體。鐵路傳送網是通信網的基礎網絡，為鐵路各專業提供承載通道和網絡接入。鐵路傳送網經過多年的建設和完善，已經形成了覆蓋鐵路的統一、完整的專用傳送網，同時采用了通信領域最先進、成熟的傳送技術。

2 鐵路通信傳送網現狀

鐵路傳送網以光傳送技術為主體，全路光傳送網分為骨干層、匯聚層和接入層3 層結構，全面覆蓋業務匯聚點、樞紐節點、鐵路交匯點、車站等各類節點。

采用成熟、先進的光傳送技術，選擇光傳送網（OTN）+基于SDH 的多業務傳送節點（MSTP）或MSTP 技術，OTN 采用40 波100G/10G 混傳平臺，MSTP 采用10 Gbit/s、2.5 Gbit/s、 622 Mbit/s 設備組網，個別區段還使用155 Mbit/s 設備。網絡架構一般為環型網，條件允許時采用網狀網結構，條件不具備時采用線型結構；按層級和業務需求的不同，系統容量從155 M 到4 000 Gbit/s 不等；充分利用系統冗余保護、傳送技術自身的保護機制、設備的冗余保護，為各類鐵路業務提供高可靠性的承載網；建立集中網管系統，提供靈活便捷的網絡維護和管理能力。

骨干層、匯聚層傳輸網總體網絡結構不完善，網絡冗余保護能力不足，智能化水平不高，網絡維護管理信息化手段不足。接入層技術應用不適合寬帶數據綜合接入需要；系統容量不足，帶寬小，不能滿足多種應用的需求；無法傳送高精度的時間同步信號。

3 鐵路通信傳送網承載業務

3.1 承載TDM業務

1）鐵路數字移動通信系統（GSM-R）

根據GSM-R 系統中繼互聯、移動業務交換中心（MSC）信令網網絡規劃，GSM-R 系統核心網之間需要骨干層傳輸網提供622 Mbit/s 或155 Mbit/s的通道；無線網每3 ～4 個基站組成1 個2 M 環，需占用匯聚層傳輸網2 Mbit/s 通道至基站控制器（BSC），占用接入層傳輸網2 Mbit/s 通道組環。

GSM-R 系 統 采 用 基 于IP 化 的Abis 接 口（Abis-IP），基站環組網由環網變為星形連接，每套基站設備至BSC 的上聯端口為2 個快速以太網（FE）；Abis 接口IP 化后采用FE 接口，對傳輸鏈路的帶寬需求與采用非Abis-IP 相差不大，一個O2 基站至BSC 的通道小于500 kbit/s（不開Edge功能）。

2）調度通信業務

數字調度通信系統按中國鐵路總公司（簡稱總公司）調度中心－鐵路局集團公司調度所－站段分級組網。其中總公司調度中心至各鐵路局集團公司調度所采用星狀復合結構，并有迂回路由；相鄰鐵路局集團公司調度所間設置直達路由器，每個路局出口帶寬不大于20×2 M，占用骨干層傳輸網提供2 Mbit/s 的通道。

鐵路沿線每6 ～15 個車站組成一個2 M 環，占用匯聚層傳輸網2×2 Mbit/s 帶寬至調度所，占用匯聚層、接入層傳輸網2 Mbit/s 通道組環。

3.2 承載分組業務

1）客票業務

票務系統由總公司票務中心、區域中心、車站票務系統分級架構。

骨干層傳輸網主要承載區域中心到總公司的票務業務。

接入層、匯聚層傳輸網提供各車站至原分局電算中心點對點或環形的組網通道，需要接入層傳輸網提供2 Mbit/s 通道，將各車站客票業務接入。

2）公安業務

鐵路公安信息網采用專線獨立組網，其網絡結構為公安局－公安處－派出所－警務區。專線電路要求為：鐵路公安局至所轄18 個鐵路公安局采用千兆以太網（GE）接口，鏈路帶寬不低于1 000 Mbit/s；18 個鐵路公安局至所轄鐵路公安處采用GE 接口，鏈路帶寬不低于1 000 Mbit/s；鐵路公安處至管轄內所屬派出所采用FE 接口，鏈路帶寬為100 Mbit/s；各派出所至相關警務區采用FE 接口，鏈路帶寬為10 Mbit/s。

3）調度集中/ 列車調度指揮系統（CTC/TDCS）業務

每個路局和相鄰路局之間、每個路局到總公司之間采用專線通道（2 個2 M），需骨干層傳輸網提供通道。

接入層傳輸網提供各車站至鐵路局調度所的環形組網通道，各車站信息與鐵路局調度所溝通，同時需要匯聚層傳輸網提供環形網的迂回通道；另外還需要接入層傳輸網提供至電務段和電務車間的監控通道。

每4 ～5 個站組成1 個2 M 環，占用匯聚層傳輸網2 Mbit/s 通道和接入層傳輸網2 Mbit /s 通道，采用FE 接口。

4）防災系統

相鄰鐵路局中心系統之間、車站至路局中心系統之間采用數據通信網承載。

相鄰鐵路局中心系統之間通道帶寬不小于4 Mbit/s，維護管理單位監測維護終端與鐵路局中心系統之間通道帶寬不小于4 Mbit/s，車站至鐵路局中心系統之間通道帶寬不小于4 Mbit/s。

風雨雪及異物侵限監測系統的監控單元設置在鐵路沿線的通信機械室，與車站主備用帶寬不小于2 Mbit /s。

地震預警監測系統的監控單元設置在牽引變電所、分區所、AT 所、基站、中繼站、線路所、車站等處所，與車站主備用帶寬不小于2 Mbit /s。

3.3 智能鐵路業務需求

智能鐵路對承載網除上述對既有業務的承載外，還出現了一些新的需求變化：

1）鐵路業務逐步由電路域轉換為分組域進行承載；

2）鐵路下一代寬帶移動通信系統的應用；

3）視頻監控實現全高清、全覆蓋和云存儲的架構；

4）客貨運信息服務及票務等帶寬需求激增；

5）新一代智能牽引變電系統要求通信網提供超低延時的故障切換操控需求；

6）車地間圖像實時傳送；

7）車載信息、弓網信息、路況信息、大風地震等災害信息的實時傳送；

8）數據中心的建設實現未來數據的統一應用、統一管理、統一維護；

9）萬物互聯，需要網絡具備海量接入和高精度同步特性。

4 傳送技術研究

4.1 現有傳送技術

光傳送網（OTN）：OTN 技術是在同步數字體系（SDH）和波分復用（WDM）技術的基礎上發展起來的，兼有兩種技術的優點。一方面，它處理的基本對象是波長級業務，提供對更大顆粒的2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s 和100 Gbit/s 業務的透明傳送支持；另一方面，它提供波長和子波長業務調度能力、改善了組網能力弱、保護能力弱等問題。OTN可在光層及電層實現波長及子波長業務的交叉調度，實現多業務的接入、保護和恢復、管理及維護，是承載大帶寬、多業務的理想傳送平臺。

分組增強型OTN：OTN 充分考慮了分組傳送技術和OTN 光傳送技術特點，將二者技術融合優化后形成統一分組和光交換平臺，同時具備二層交換（Ethernet/MPLS）和一層交換（OTN/SDH）。其特點是采用OTN 接口作為PTN 的線路側；支持OTN 的信道化復用結構；傳輸性能好，OTN 采用擾碼技術，安全性高；具備k 階光通道數據單元（ODUk）交叉和分組交換雙層調度能力；道化業務物理隔離、每個信道有獨立的調度器，避免信道間的相互影響；采用分層服務質量（HQoS）+硬管道，保證業務服務質量。

基于SDH 的多業務傳送節點（MSTP）：基于SDH 平臺，同時實現TDM、ATM、以太網、IP等業務的接入處理和傳送，提供統一網管的多業務平臺；具有完善的保護方式，為業務提供端到端、固定帶寬傳送。

增強型MSTP：融合了TDM 和以太網的優點，采用雙平面傳送模式，分組平面和TDM 平面采用管道物理隔離的方式分隔開，在保證高安全級別業務安全性的同時，也提高了分組業務的傳輸效率。

分組傳送網（PTN）：PTN 以分組信息業務的傳送為核心，同時支持多業務傳送；采用二層交換或三層交換的分組架構，不但能實現基于IP 的多業務的傳送、靈活的服務質量（QoS）策略、豐富的廣播/組播業務，而且能夠實現端到端的隧道管理、端到端的運行、管理與維護（OAM），提供基于同步以太網、IEEE 1588v2 的高質量同步與定時，以及快速的業務保護與恢復。

IP 無線接入網絡（IP RAN）：IP RAN 基于IP/多協議標簽交換（MPLS）技術標準體系，并且支持基于多協議標記交換的傳送協議（MPLS-TP）。IP RAN 的關鍵技術主要包括分區域和多進程技術、網絡保護技術、QoS 技術、OAM 技術、時鐘同步技術等，與PTN 技術類似。由低成本路由器組網。

4.2 適用于接入層傳送技術

接入層技術比較如表1 所示。

表1 傳輸網技術制式比較表Tab.1 Comparison of features of transmission network technology

4.3 鐵路傳送網技術應用建議

骨干層傳輸網：OTN 更適用業務高帶寬的通道需求，提供大容量的傳送通道，節省光纖。

匯聚層傳輸網：OTN+MSTP、分組增強型OTN 適用于多種業務接入、高帶寬的通道需求及高精度時間要求。

接入層傳輸網：MSTP、PTN、IP RAN、增強型MSTP 均適用業務帶寬的通道需求，PTN、IP RAN、增強型MSTP 更適用全分組交換及高精度時間要求，從技術標準化程度、保護切換時間和業務需求考慮，鐵路接入層傳輸網可選擇PTN、增強型MSTP。

5 鐵路傳送網技術發展

中國鐵路需要通過持續的技術創新，從而推動鐵路智能化、現代化水平的大幅提升，促進國內鐵路向智能鐵路轉型升級，使得國內鐵路總體技術水平達到世界領先。鐵路通信傳送網作為實現智能鐵路的基礎網絡顯得尤為重要。

智能鐵路業務要求承載網具有IP 化、大帶寬、低時延、高密度接入、高可靠性、高安全性、智能控制、高精度時間同步的傳送、網絡易于維護等特性。因此下一代鐵路傳送網將具有以下特點：

1）網絡制式高度融合，傳輸速率越來越高，網絡容量越來越大；

2）接入密度大幅提升；

3）網絡具有自適應可重構的能力，提供智能服務；

4）高質量業務保證，具有業務的QoS 保障和網絡的OAM 性能；

5）網絡實時性、可靠性、安全性更高；

6）高精度的時鐘/ 時間同步信號的應用和傳送；

7）實現網絡可編程和按需調用、端到端業務應用。

6 結束語

OTN、MSTP 等光傳送技術在鐵路通信網已經得到了成熟、大規模的應用。隨著數據中心、物聯網、大數據計算、云端業務等新的智能鐵路需求的廣泛應用，大帶寬接口、大容量需求將是常態。傳送網面臨巨大的數據流、密集接入、數據動態變化和不可預知性的沖擊，目前光傳送網絡固定速率的接口、固定帶寬、光層的固定頻譜間隔、逐層分離式管控、靜態連接等特性在這種狀況下顯得效率低下。因此鐵路下一代傳送網應向著業務自動部署、瞬時帶寬調整、開放式網絡架構、彈性管道、按需分配帶寬、扁平化、管控分離、高安全可靠性的方向發展。其價值體現在運維“易”，運營“細”，帶寬資源“零浪費”，帶寬價值“零殘留”，流量、距離自適應等方面。