光傳輸技術在鐵路通信中的應用

曹 惠

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

1 鐵路傳輸網概述

鐵路專用通信系統是服務于鐵路運輸和管理，為鐵路系統各專用用戶提供業務信息處理、傳送、數據支撐等服務的系統。鐵路專用通信網絡按照網絡層次可以分為通信終端接入層、承載層以及支撐層，其中傳輸系統屬于承載層，是保證業務信息能安全、準確、迅速傳送的重要一環[1]。而我國的鐵路通信傳輸網大致可以分為骨干層、匯聚層以及接入層。骨干層是鐵路系統各分局與鐵路總公司之間組成的最上層的傳輸網絡，鐵路系統中通常設有多個骨干線大環網。匯聚層是骨干層之下的網絡，主要以各分局下的大型鐵路車站和調度所等作為匯聚中心節點，與分局管轄下其他各站連接組成業務信息匯聚層網絡。接入層則位于傳輸網的最底層，是傳輸網絡的末端，通過接入網將鐵路沿線各站點或各種終端設備的業務信息接入到傳輸網中，從而實現鐵路各業務信息數據在鐵路網中的快速有效傳送[2]。

鐵路傳輸系統為鐵路專用通信網絡提供有效的服務與支撐，在業務類型、組網結構、信息容量以及技術升級更新頻率等方面區別于公共傳輸系統。不同于公網，鐵路網業務種類繁多。鐵路專用通信網中的終端用戶較為固定和穩定，在數量上比公網用戶要少很多。鐵路專用通信網根據鐵路鋪設線路的具體情況進行規劃設計，在傳輸節點的設置和網絡拓撲結構的設計上與公網有著很大的不同[3]。

2 鐵路專用通信傳輸技術

按照時間發展，傳輸技術經歷了準同步數字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）、同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、基于SDH的多業務傳送（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）、分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）、波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光傳送網（Optical Transport Network，OTN）等階段。目前，采用準同步數字體系和同步數字體系技術的設備已經被淘汰，鐵路專網中主要采用MSTP、WDM以及 OTN。

2.1 MSTP

MSTP在業務處理上比SDH多了一些數據封裝功能，但其在傳輸速率上并沒有提升，各設備廠商只能實現單波最高處理商用速率為10 Gb/s，該技術在目前的公網中早已不適用。但由于鐵路專用通信網中老線路站點較多，所需傳送的信息容量不大，因此這些老線路站點在傳輸設備上依然采用MSTP設備[4]。在鐵路通信網中，MSTP設備主要承載以太網數據業務和2M業務等。

2.2 WDM

WDM可分為密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和稀疏波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）。CWDM能復用的波長數較少，在100 km內提供8波或16波的場景比較適用。DWDM用于鐵路傳輸系統中的骨干網，CWDM主要用于短距離城域網。WDM相比MSTP在傳輸速率上有了極大的提高，但其業務調度能力和保護能力并沒有SDH技術完善[5]。如果WDM能將SDH技術中對電層的靈活調度功能加入進來，就能更完美地接入處理低速率業務。

2.3 OTN

OTN結合了SDH和WDM的優點，有自己特定的幀結構，同時設有豐富的開銷字節。傳統的波分復用設備不具備多波長靈活的交叉處理能力，而且在保護方式上比較單一，對新型IP業務分組處理能力不足，不能適應多業務、多種格式數據的接入承載。OTN在光領域的處理能力大大滿足了公網復雜拓撲結構和多業務處理的需求，其交叉功能強大、保護方式完善，在目前的鐵路骨干傳輸網、局干傳輸網以及地鐵專網中得到廣泛應用[6]。

3 鐵路通信傳輸網絡拓撲結構和自愈保護

鏈型網和環型網是鐵路專用通信傳輸網中常見的拓撲結構。由于鐵路中各專網通信終端是沿鐵路線根據車站分布來進行設置，因此鐵路傳輸網在進行節點設備設置時會將節點設在相關業務匯聚的車站機房中，并考慮將這些節點通過線形網或環形網的拓撲結構來進行組網連接設計。此時，需要考慮網絡自愈的問題，即如何提升網絡的安全性和可靠性。在線形網中考慮設置1+1或1∶1保護，在環形網中考慮設置雙向復用段保護或通道保護[7]。例如，在鐵路系統的骨干網中，設置以波分設備為主的西北環、西南環、東南環、東北環以及京滬穗環等環網拓撲結構。

在鐵路傳輸網中必須要考慮網絡安全問題，其中自愈保護按照保護層次可以分為通道保護和復用段保護。在SDH技術中，鏈形網中可采用1+1保護和1∶N保護，環形網中有二纖單/雙向通道保護、二纖單/雙向復用段保護、四纖雙向復用段保護。在OTN技術中，保護方式包括線性保護、子網連接保護以及共享保護。在鐵路傳輸網中，根據傳輸接入層和骨干層具體使用的設備和技術情況，采用不同的網絡保護方式。例如，在蘭西至天水的天蘭線接入網傳輸中采用了2.5G的通道保護環，而在西北環省內西環中則采用了四纖雙向復用段保護，在太中銀傳輸網干線層中采用了二纖雙向復用段保護[8]。

4 鐵路通信傳輸網絡的時鐘同步系統

同步系統又分為時間同步和頻率同步。鐵路時鐘同步系統采用主從同步方式，在整個鐵路通信網中按等級從高到低分別設有一級、二級、三級時鐘源。一級時鐘源設在鐵路總公司，二級時鐘源位于鐵路系統各分局中心，三級時鐘源則位于各分局管轄下屬的各傳輸核心機房中。這3個級別的時鐘源之間通過傳輸系統相互聯系，組成了等級自上而下、主從同步的結構，通過傳輸鏈路將時鐘源分別傳遞至鐵路通信網中的各個節點。也就是說，鐵路通信系統中的各級通信設備可通過傳輸線路獲取線路側時鐘，從而實現系統的頻率同步[9]。

傳輸設備獲取時鐘源的方式有外部時鐘、線路時鐘、支路時鐘以及設備內時鐘。鐵路傳輸網中的外部時鐘由鐵路傳輸網中3個等級的時鐘源提供。其中，第二、三級時鐘源分別為鐵路總公司下屬各分局內所管轄的傳輸設備提供時鐘源，又可稱為轉接局時鐘（SSU-T）和本地局時鐘（SSU-L）。線路時鐘則是從傳輸線路中獲取的時鐘，由于各節點傳輸設備網絡結構不同，有些節點可能有多個線路時鐘獲取途徑，因此在傳輸系統網管中可根據線路時鐘的質量等級來設置優先級別[10]。一般情況下，從外部時鐘源獲取的時鐘優于線路時鐘，而通過直達鏈路從設備節點的上一級節點設備中獲取的線路時鐘要優于從其他設備節點獲取的線路時鐘。支路時鐘就是從設備支路中獲取的時鐘信號，但由于支路時鐘信號質量等級不高，因此一般不采用。設備內時鐘則是設備內部時鐘晶體產生的時鐘，每個傳輸設備節點都有設備內時鐘，其優先級別一般低于線路時鐘。

對于鐵路通信傳輸系統中的時間同步，鐵路通信網中要求獲取高精度的協調世界時（Universal Time Coordinated，UTC）信息，通過傳輸網中的同步鏈路將時間信息由上一級設備傳到下一級設備，以此類推一級級傳遞下去，從而構成全網的時鐘同步。主從同步下時鐘鏈路逐級傳送如圖1所示。

圖1 主從同步下時鐘逐級傳送示意

5 新一代鐵路通信傳輸網絡展望

隨著高鐵線路數、站點數的增加和列車運行速率的飛速提升，高鐵沿線上5G移動通信網絡的接入和高鐵列車控制信號對傳輸質量要求逐漸提高，鐵路通信傳輸網也面臨著升級擴容的考驗。目前，鐵路移動通信網已經由原來的鐵路窄帶移動通信系統GSM-R逐漸向鐵路寬帶移動通信系統LTE-R演變。此外，基于5G的鐵路移動通信系統即5G-R也在研發試運行應用中。5G-R是在鐵路系統GSM-R、LTE-R技術體系上自行研發的基于5G的鐵路通信專網系統，是我國鐵路5G網絡新的發展方向。

由于鐵路系統對設備運行的穩定性和安全可靠性等要求較高，因此鐵路通信專用網絡中將出現老舊線路站點設備、新普速鐵路設備、新高鐵線路設備以及以5G移動通信網絡為應用場景的相關設備并存的局面。對于鐵路通信傳輸網來說，要求能同時承載和處理來自不同型號設備、不同業務等級、老舊和新型、無線和有線的綜合業務信息。對于傳統鐵路線來說，傳輸設備以夠用、安全穩定為主，將保留繼續使用；對于新型鐵路干線來說，將考慮到站點的定位問題和列車信號控制等問題。對于鐵路系統的新一代基建項目，將考慮到鐵路智能化、信息化、高效率等需求。特別對基于5G-R的下一代鐵路移動通信系統和智能化調度指揮系統，要求傳輸網絡能提供更大的傳送通道和更高的傳輸質量。與此同時，將GSM-R系統、LTE-R系統、5G-R鐵路系統、鐵路數據通信網、調度集中CTC系統、鐵路智能網、鐵路數字調度通信系統、鐵路固定電話交換網、鐵路時鐘同步網、票務系統、會議電視系統、辦公自動化系統、動環監控系統以及監控中心等進行有效互聯互通，兼容處理各種不同系統的業務數據。

6 結 論

鐵路通信專網中的傳輸系統承載著鐵路不同種類的業務和數據，能夠對不同格式的信號進行封裝、復用、分插并交叉連接到不同路徑，為業務提供保護功能，能實現實時監控信號的傳送與分發。鐵路通信專網中的傳輸系統經歷了從明線傳輸、電纜傳輸到光傳輸的過程，目前以采用MSTP技術和波分復用技術為主。對于鐵路系統的新基建項目，鐵路專用通信網絡將迎來新的變革與優化改進。新一代信息技術特別是以5G、大數據技術等為主的新技術將逐步應用于提高鐵路專網系統的智能化水平，使得傳統的專網系統產業得到全面完善的優化升級。通過在鐵路專網傳輸系統中引入更新的OTN技術，可以有效滿足各智能系統的全方位傳送服務需求。