鐵路通信傳輸系統(tǒng)的組網(wǎng)與優(yōu)化技術(shù)

傅 勇

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 武漢 430073）

0 引 言

鐵路通信傳輸系統(tǒng)是鐵路通信的承載系統(tǒng)，為其他系統(tǒng)及其他專業(yè)提供安全、實(shí)時(shí)的跨地域信息傳送工作，對(duì)整個(gè)鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著基礎(chǔ)支撐作用。從工程角度出發(fā)，結(jié)合傳輸系統(tǒng)的設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、光纖光纜及電源等，介紹鐵路通信傳輸系統(tǒng)的組網(wǎng)與優(yōu)化技術(shù)。

1 設(shè)備選型及優(yōu)化

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路對(duì)傳輸設(shè)備的選型要結(jié)合通信技術(shù)發(fā)展的主流，使其具備技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、兼容性好、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、組網(wǎng)靈活、運(yùn)維方便以及經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，能夠充分滿足其他系統(tǒng)對(duì)傳輸系統(tǒng)的要求。目前，在鐵路傳輸網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的是同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）和光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）設(shè)備。

1.1 SDH 設(shè)備

SDH 是從20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來(lái)的一種時(shí)分復(fù)用同步傳輸體制，具備統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和外部接口，集接入、交叉、傳輸于一身，組網(wǎng)靈活，管理方便，非常適用于鐵路通信網(wǎng)。尤其是隨著其融入了多業(yè)務(wù)接入功能，SDH 設(shè)備迅速成為我國(guó)鐵路傳輸系統(tǒng)的主力軍。目前，匯聚層和接入層傳輸網(wǎng)中幾乎都采用SDH 設(shè)備。

1.2 OTN 設(shè)備

OTN 是在波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）超大傳輸容量的基礎(chǔ)上引入SDH 強(qiáng)大的操作、維護(hù)、管理與調(diào)度能力，兼具WDM、SDH 的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有電層交叉調(diào)度，還具有光層交換和選路功能，組網(wǎng)能力非常強(qiáng)大[1]。近年來(lái)，隨著鐵路綜合視頻、實(shí)名制售檢票等高帶寬、大顆粒業(yè)務(wù)的不斷增加，OTN 設(shè)備逐步在鐵路傳輸網(wǎng)尤其是骨干網(wǎng)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 設(shè)備優(yōu)化

在工程建設(shè)中，傳輸設(shè)備的選型并不是越先進(jìn)越好，設(shè)備容量的配置也并不是越高越好，而是要與業(yè)務(wù)需求和發(fā)展規(guī)劃相適應(yīng)，以近期業(yè)務(wù)需求為主，兼顧遠(yuǎn)期業(yè)務(wù)發(fā)展。過(guò)高的設(shè)備配置和數(shù)量不僅沒有實(shí)際用途，還極大地浪費(fèi)了投資，增加了工程量，因此優(yōu)化設(shè)備配置至關(guān)重要。鐵路骨干網(wǎng)OTN 一般采用40 波、10 Gb/s 或100 Gb/s 的速率（重要節(jié)點(diǎn)預(yù)留升級(jí)80 波、400 Gb/s）[2]。匯聚層采用SDH 的10 Gb/s速率，接入層采用SDH 的2.5 Gb/s 或622 Mb/s 速率，其中業(yè)務(wù)量較大的站場(chǎng)、車站等采用2.5 Gb/s 速率，業(yè)務(wù)量較小的區(qū)間采用622 Mb/s速率。設(shè)備的主控板、交叉板、時(shí)鐘板、群路板以及電源板等核心板件要采用1+1 配置，2M、FE、GE、10GE 等業(yè)務(wù)板采用N+1 配置。同方向、同環(huán)的線路接口要分布在不同的群路板上，重要業(yè)務(wù)要分布在不同的業(yè)務(wù)板上。骨干層設(shè)備的系統(tǒng)容量預(yù)留不少于70%，匯聚層設(shè)備的系統(tǒng)容量預(yù)留不少于50%，接入層設(shè)備的系統(tǒng)容量預(yù)留不少于40%，業(yè)務(wù)接口容量預(yù)留不少于30%[3]。隨著鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的業(yè)務(wù)分流，現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)直接承載的業(yè)務(wù)相比以前減少了很多，主要的業(yè)務(wù)有信號(hào)調(diào)度集中系統(tǒng)/列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（Centralized Traffic Control System/Train Operation Dispatching Command System，CTC/TDCS）、無(wú)線閉塞、臨時(shí)限速、調(diào)度通信、鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）、公安通道、電子客票、數(shù)據(jù)網(wǎng)互聯(lián)、防災(zāi)安全監(jiān)控以及應(yīng)急通信等。總的來(lái)說(shuō)，2M 業(yè)務(wù)的需求在減少，IP 業(yè)務(wù)的需求在增多，因此配置上要逐步減少2M 業(yè)務(wù)板，適當(dāng)增加IP業(yè)務(wù)板。對(duì)設(shè)備的安裝位置及配線路由要仔細(xì)優(yōu)化、合理布局，避免不合理施工造成的隱患。有條件的推薦采用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)提前進(jìn)行優(yōu)化。

2 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及優(yōu)化

2.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳輸組網(wǎng)首要考慮的問(wèn)題是業(yè)務(wù)的安全性。因此，傳輸組網(wǎng)必須要使業(yè)務(wù)有自愈功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，不需要人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)本身能在極短的時(shí)間內(nèi)使業(yè)務(wù)自動(dòng)從故障中恢復(fù)。傳輸網(wǎng)絡(luò)主要有線形、星形、樹形、環(huán)形及網(wǎng)孔形等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際上，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并非獨(dú)立存在，往往是多種結(jié)構(gòu)相互交織。只有從全程全網(wǎng)的角度合理優(yōu)化、精心調(diào)整，才能組成一張完整、高效的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 鐵路傳輸網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)

鐵路通信傳輸網(wǎng)采用分層結(jié)構(gòu)，一般分為骨干層、匯聚層以及接入層3 層結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 鐵路通信傳輸網(wǎng)3 層結(jié)構(gòu)

2.2.1 骨干層傳輸網(wǎng)絡(luò)

骨干層一般采用OTN+SDH 組網(wǎng)，主要承載鐵路總公司到鐵路局和鐵路局之間的業(yè)務(wù)以及匯聚層的迂回保護(hù)通道，在鐵路總公司、鐵路局所在地、鐵路沿線省會(huì)、鐵路交匯地及鐵路局分界地等地點(diǎn)設(shè)置網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)[4]。

受歷史原因的影響，鐵路骨干層傳輸網(wǎng)絡(luò)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)缺乏長(zhǎng)期性、連續(xù)性和系統(tǒng)性的規(guī)劃，造成骨干網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后。隨著中國(guó)鐵通集團(tuán)有限公司的重組和我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路骨干層傳輸網(wǎng)絡(luò)有了統(tǒng)一、連續(xù)的規(guī)劃，目前已基本形成了以鐵路總公司為中心，聯(lián)接全國(guó)18 個(gè)鐵路局及重要節(jié)點(diǎn)的骨干OTN+SDH 網(wǎng)絡(luò)。

骨干層傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)、優(yōu)化及維護(hù)都由鐵路總公司統(tǒng)一實(shí)施，一旦全路的布局成型后，骨干層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要工作就是通過(guò)最經(jīng)濟(jì)的手段，采用一些先進(jìn)的路由算法，逐步將已有的環(huán)狀拓?fù)鋬?yōu)化為可靠性更高的網(wǎng)孔形拓?fù)洌茖W(xué)規(guī)劃業(yè)務(wù)路由和波道分配，充分利用系統(tǒng)超強(qiáng)的光層、電層自愈功能，盡可能提高業(yè)務(wù)的承載能力和安全性。

2.2.2 匯聚層傳輸網(wǎng)絡(luò)

匯聚層主要承載鐵路局內(nèi)較大通信節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)及接入層的迂回保護(hù)通道。一般在鐵路沿線業(yè)務(wù)匯聚地、鐵路交匯地及鐵路樞紐等地點(diǎn)設(shè)置網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將重要站點(diǎn)和沿線接入層的業(yè)務(wù)匯聚后送往鐵路各部門，以及轉(zhuǎn)發(fā)骨干層上的業(yè)務(wù)。匯聚層在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用，一般采用SDH 設(shè)備的10 Gb/s 速率。鐵路一般都是鏈狀結(jié)構(gòu)，因此前些年網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都采用1+1 線性復(fù)用段保護(hù)組網(wǎng)。近些年，由于鐵路局內(nèi)骨干網(wǎng)的OTN 系統(tǒng)日漸成熟，現(xiàn)在建設(shè)的匯聚層網(wǎng)絡(luò)都利用OTN 系統(tǒng)提供的10 Gb/s 端口，組建四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 匯聚層傳輸網(wǎng)路拓?fù)?/p>

圖2 中，節(jié)點(diǎn)之間利用4 條光纖互聯(lián)，其中W1、W2為工作路由，P1、P2為保護(hù)路由。正常情況下，業(yè)務(wù)走工作路由。當(dāng)工作路由故障時(shí)，業(yè)務(wù)進(jìn)入保護(hù)路由進(jìn)行傳送。此外，在合適的節(jié)點(diǎn)處，還與骨干層、其他匯聚層、接入層網(wǎng)絡(luò)分別互聯(lián)，起到承上啟下的作用。

如果首尾節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)N 不直接互聯(lián)，整個(gè)系統(tǒng)呈開放狀態(tài)，就是1+1 線性復(fù)用段保護(hù)拓?fù)洹Ｈ绻肙TN 等通道將A 和N 互聯(lián)，使整個(gè)系統(tǒng)呈封閉環(huán)形狀態(tài)，就組成了四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)拓?fù)洹?+1 線性復(fù)用段保護(hù)拓?fù)涠嘤糜阪溞尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詮?fù)用段為基礎(chǔ)分段保護(hù)，如果某區(qū)段的工作和保護(hù)路由全部故障，則流經(jīng)該區(qū)段的所有業(yè)務(wù)將中斷。當(dāng)采用四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)拓?fù)鋾r(shí)，即使某區(qū)段的工作和保護(hù)路由全部失效，流經(jīng)該區(qū)段的所有業(yè)務(wù)也不會(huì)中斷，而會(huì)通過(guò)迂回通道對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)行保護(hù)。可見，四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)的業(yè)務(wù)安全性比1+1 線性復(fù)用段保護(hù)要高得多。

匯聚層傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作主要是將1+1 線性復(fù)用段保護(hù)結(jié)構(gòu)升級(jí)為四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)網(wǎng)管軟件進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)，更改邏輯拓?fù)漕愋汀Ｔ缙诘膮R聚層傳輸部分采用2.5 Gb/s 速率，也需要優(yōu)化升級(jí)到10 Gb/s 速率。另外，需要優(yōu)化群路光口，工作路由和保護(hù)路由的群路接口必須安排在不同的光板上，且要成對(duì)偶關(guān)系，與設(shè)備背板的總線與帶寬相適應(yīng)。在升級(jí)成環(huán)后，必須重新優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)鐘關(guān)系。在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)只允許有一主一備2 個(gè)時(shí)鐘源。時(shí)鐘流向要簡(jiǎn)潔清晰，路由越短越好，尤其是在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中必須要選擇合適的時(shí)鐘流向和斷點(diǎn)，嚴(yán)禁時(shí)鐘封閉成環(huán)。另外，在與既有傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)要特別注意互聯(lián)地點(diǎn)、接口、速率以及業(yè)務(wù)流向的優(yōu)化。

2.2.3 接入層傳輸網(wǎng)絡(luò)

接入層傳輸主要承載鐵路沿線各車站以及區(qū)間站點(diǎn)等最終用戶的業(yè)務(wù)，一般在鐵路沿線車站、站場(chǎng)、線路所、信號(hào)中繼站、基站以及電氣化所等地點(diǎn)設(shè)置網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，是傳輸網(wǎng)的最底層部分。它的特點(diǎn)是單用戶業(yè)務(wù)量不大、業(yè)務(wù)分散、接口眾多。最常見的是利用2 條環(huán)狀光纖組成SDH 二纖單向通道保護(hù)環(huán)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有節(jié)約光纖資源、業(yè)務(wù)流向清晰、安全性高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。此外，在合適的節(jié)點(diǎn)上通過(guò)2.5 Gb/s 速率與匯聚層傳輸互聯(lián)。

早期的接入層傳輸網(wǎng)絡(luò)采用鏈形、星型、樹形等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，占用了大量光纖資源，因此需要統(tǒng)籌規(guī)劃，結(jié)合業(yè)務(wù)流向、光纖資源等因素，逐步優(yōu)化調(diào)整為二纖單向通道保護(hù)環(huán)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般在同一區(qū)段內(nèi)要組建至少2個(gè)接入環(huán)，如信號(hào)電牽環(huán)、基站環(huán)等[5]。重要業(yè)務(wù)如CTC、電子客票等通道必須安排在不同機(jī)房的設(shè)備、單板上。在業(yè)務(wù)返回中心的抽頭節(jié)點(diǎn)，必須要在不同的機(jī)房設(shè)置多套節(jié)點(diǎn)設(shè)備且分屬不同的系統(tǒng)環(huán)，以保障業(yè)務(wù)的安全。成環(huán)后必須重新優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)鐘關(guān)系，嚴(yán)禁時(shí)鐘封閉成環(huán)。

3 光纖光纜及電源

光纖光纜及電源是整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提，優(yōu)化工作至關(guān)重要。

3.1 光纖光纜

客運(yùn)專線一般都沿鐵路兩側(cè)各有一條48 芯光纜，優(yōu)化的重點(diǎn)是從鐵路兩側(cè)引入機(jī)房的這一段路徑。左右側(cè)、上下行光纜必須采用不同的物理路徑引入機(jī)房。從高架橋引下的光纜必須通過(guò)不同的橋墩和鋸齒孔引下。組網(wǎng)采用的光纖要優(yōu)先選用客運(yùn)專線及新建鐵路的光纜線路，然后選擇既有普速鐵路的空余光纖。工作路由和保護(hù)路由的光纖要安排在不同物理路徑的光纜中，嚴(yán)禁使用同一條光纜。

3.2 電 源

傳輸設(shè)備一般要求輸入2 路-48 V 直流電源，必須從高開電源的二次下電端子取電，嚴(yán)禁在傳輸設(shè)備內(nèi)部直接將2 路-48 V 電源復(fù)聯(lián)。

在車站、通信站等有多臺(tái)高壓開關(guān)電源機(jī)房，此2 路-48 V 電源要優(yōu)化為從不同的電源上取電，另外建議去掉電源內(nèi)部的交流外電源切換電路，直接從電力配電箱上取不同的外電源回路，避免高壓開關(guān)電源內(nèi)部來(lái)回切換造成-48 V 直流電源的不穩(wěn)定。蓄電池組要做定期的均充和放電試驗(yàn)，以保證蓄電池的活性，減少蓄電池的內(nèi)阻。

4 結(jié) 論

結(jié)合鐵路傳輸系統(tǒng)的3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別介紹了骨干層、匯聚層以及接入層傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、設(shè)置原則，探討了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，介紹了傳輸系統(tǒng)使用的光纖光纜及電源的應(yīng)用原則與優(yōu)化內(nèi)容，以期為相關(guān)研究提供參考。