OTN技术在全路骨干传输网应用的研究

2012-11-27刘子文

铁道通信信号 2012年5期

刘子文

刘子文:中铁第四勘察设计院集团有限公司通信信号研究设计处高级工程师 430063 武汉

电信业重组、中国铁通拆分后，与铁路通信相关的业务及基础传输设施资产划转至铁道部，其固话及宽带等业务留归中国移动。因此，目前全路铁路骨干传输网络还同时运行着铁路业务及公网业务，这种方式对铁路路网业务的可靠性及铁路安全运营造成了一定的隐患。另外，现有骨干网传输设备投入运营时间较长，系统性能降低，很多设备已无法更新。更重要的是，我国高速铁路网正在加速形成，新的高速铁路网的业务需求不断增加，如GSM-R网络、IP数据通信网、铁路综合视频监控等，对铁路通信骨干光传送网的带宽、大颗粒业务需求量急剧增加，进一步地提升了对网络安全性的要求。为了给铁路各个业务系统建设一个安全可靠、满足不同颗粒度需求、易于维护管理的高速骨干光传送网络平台，有必要对全路光传输网进行统一规划。

1 功能定位、需求分析及容量估算

1.1 功能定位

全路光传送网可以分为骨干层、中继/汇聚层及接入层3层结构。骨干光传送网一般承载着各铁路局到铁道部、铁路局之间或跨铁路局业务;中继/汇聚层一般承载本铁路局局内业务，提供本局内各站段间业务传送，及各站段至路局调度所的业务传送，或者仅利用相邻局的通道构成本局内的传输系统保护;接入层一般为铁路沿线各业务接入点提供服务，业务通过上层中继/汇聚层进行汇聚。

1.2 需求分析

目前铁路通信提供的业务包括语音、数据、图像等，按照业务的可靠性、实时性、安全性、带宽等要求，一般将公务电话及调度电话等语音业务、客专运营调度信息系统中的运行调度及供电调度系统、普速铁路TDCS系统、票务系统、公安管理系统等直接在骨干光传输网上承载;其他运营信息系统、动车组管理、综合维修管理、客运服务信息系统、办公系统、会议电视系统、综合视频监控系统等数据业务及视频业务，以IP数据网作为主要的数据业务承载平台，通过骨干光传输网进行传输。

由于IP数据网承载了大量数据业务及视频业务，如会议电视系统、综合视频监控系统，以及与安全、资金无关的各类信息系统，因此，IP数据网将占据全路骨干光传送网的主要带宽。

骨干光传送网连接铁道部和18个路局，承载IP数据网及TDM业务，为铁路局至铁道部、铁路局之间的直达业务互通提供传输通道，实现各业务至铁道部的汇聚和跨路局的互通。根据业务颗粒大小，骨干光传送网主要承载以下通信子系统及相关业务系统的局间或跨局流量。

1.IP数据通信网。为铁路运输组织、客货营销、经营管理领域的信息应用系统，GSM-R的数据应用、综合视频等通信应用系统提供网络承载平台，主要承载会议电视系统、综合视频监控系统、除安全与资金以外的其他信息系统。IP数据通信网由广域承载网和业务接入2部分组成。广域承载网包括全国骨干网络、区域网络2层结构。根据不同的节点类型，节点间的单条链路带宽需求为622 Mb/s、GE、2.5 Gb/s不等。

2.数字调度通信系统。提供用于运输指挥的行调、电调等调度电话，满足运营维护的各种专用电话通信。调度通信系统按“铁道部－铁路局－站段”分级组网。骨干光传送网承载了铁道部至各铁路局调度所、相关及相邻路局调度所之间的2 Mb/s调度中继互联通道。

3.应急通信系统。在铁路事故发生后，迅速建立“铁道部－铁路局－事故现场”的通信，为铁路各级部门提供话音、数据和图像服务。应急通信系统由铁道部、调度所及事故现场应急通信系统构成。骨干光传送网承载了铁道部救援指挥中心与各个铁路局救援指挥中心间2 Mb/s传输通道。

4.GSM-R网络中继互联。骨干光传输网承载了GSM-R网络中移动交换机的2 Mb/s中继，以及交换机间的2 Mb/s信令链路通道互联，主要有各铁路局至铁道部间、相邻铁路局间的移动交换中心MSC的中继链路、信令链路互联等，以及铁路局MSC与其归属的汇聚交换机TMSC之间的中继及信令链路互联。节点间的单条链路带宽需求一般为若干个2 Mb/s。

5.通信支撑网。主要包括网管系统、时钟同步网。通信网管系统为铁路通信各子系统提供设备资源管理和监控，分为铁道部、铁路局、区域、工区几个层次，骨干光传输网承载了通信网管系统的互联通道，带宽需求为若干2 Mb/s。时钟同步网为全网提供同步定时基准信号，按照“铁道部－铁路局－站段”3级组网。同步方式为主从同步，带宽需求为2 Mb/s。

6.运营调度信息系统。主要指客专中的计划编制、运行管理、车辆管理、供电管理、客运调度等，采用铁道部、铁路局调度所、站段分级结构。骨干光传输网承载了各铁路局与铁道部之间、铁路局之间的运行调度、供电调度等系统的信息互联通道，带宽为若干个2M～155 Mb/s不等。

7.客票发售与预订系统。由铁道部票务中心、区域中心、车站票务系统分级架构。骨干光传送网主要承载由区域中心到铁道部的票务业务，带宽为若干个155 Mb/s不等。

8.公安管理信息系统。对警衔、指纹识别、刑事案件、站车治安等进行管理。其网络结构为公安局、公安处、派出所3级结构，各级节点之间占用10M/100 Mb/s FE带宽。

9.传输系统保护。从提高通信系统整体可靠性的角度出发，骨干光传送网可为沿线铁路SDH传输系统提供迂回保护通道。对于汇聚层SDH传输系统，还可以采用骨干层提供的波分进行迂回保护，有效提高汇聚层传输系统的可靠性。

1.3 容量估算

通过网络的业务分析，骨干光传送系统各业务通道估算见表1。根据表1容量估算，全路骨干光传送网的容量可达若干个10 Gb/s带宽，需采用大容量、高带宽、大颗粒传送技术。

2 光传送技术比选

目前，主流的光传送技术可以分成3类:基于时分复用的光传输技术，如SDH和MSTP;基于包交换的PTN传送技术和基于波分复用的传送技术，如DWDM和OTN。

2.1 PTN技术

分组传送网PTN技术基于分组交换的交换/转发内核，支持多业务接入和转发能力，满足TDM、ATM、IP业务的统一接入，解决了传统 SDH/MSTP传送网无法适应分组业务的大规模应用缺陷。目前PTN设备成本比较高，其内核是基于包交换的内核，主要用于承载IP业务，定位于城域网的汇聚及接入层。PTN设备用于TDM、ATM，伪线成本高于MSTP方式承载几倍，同时，业务转发时延较大，尤其是TDM、SDH、ATM业务，首尾网元节点时延达到毫秒至几十毫秒。在与现网的匹配上，PTN网络需要对既有网络全部替换，升级成本高，风险大。因此，PTN适用于全IP演进趋势明显，以 Ethernet业务接入为主，兼顾少量TDM、ATM业务的场景。

2.2 SDH/MSTP系统

MSTP是目前铁路常用的光传输技术，解决了SDH技术不适合于数据业务传送的不足。MSTP在SDH基础上进行了改进，增加了对以太网业务、IP、ATM业务的支持，尤其是具有内嵌式RPR与内嵌式MPLS功能的MSTP，解决了网络中传送话音业务与数据业务间的矛盾。因此，MSTP大量应用在汇聚层及接入层。但是SDH/MSTP技术的内核仍然是基于TDM，需要通过虚通道级联技术提供固定带宽来承载IP业务，并不能实现动态带宽分配和带宽统计复用，造成带宽的浪费，承载效率低。因此，MSTP适用于以铁路业务中TDM业务为主兼有部分IP业务的场景。

2.3 DWDM/OTN系统

MSTP和PTN业务都可以通过光纤直接承载，但是每套系统都需要占用1根光纤，光纤利用率不高。基于波分复用的DWDM和OTN技术可以实现多个波共用一条光纤，每个波承载一套甚至多套MSTP或PTN系统，大大提高了光纤利用率。

表1 骨干光传送系统业务通道估算

2.3.1 DWDM技术

DWDM技术具有超大容量、数据透明传输、网络结构简化、可靠性高、扩展灵活和经济等特点，已广泛应用于各大运营商的骨干网络，也是铁路骨干网所采用的设备。但DWDM业务调度不灵活，网络管理手段有限，并且故障定位困难，给网络维护带来不便。另外，DWDM系统组网主要采用点对点的应用方式，其组网能力较弱，网络生存性手段和能力不够。

2.3.2 OTN网络

OTN光传送网技术是在SDH和WDM技术的基础上发展起来的，兼有2种技术的优点，解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题，其优点如下。

1．业务透明传输:OTN帧结构支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、GE和10GE等。

2．大颗粒的带宽复用、交叉和配置:OTN目前定义了电层带宽颗粒 GE、2.5 Gb/s、10 Gb/s和40 Gb/s;光层的带宽颗粒为波长。

3．强大维护管理能力:OTN提供和SDH类似的开销管理能力，具备完善的性能和故障监测机制，使波分系统具备类似SDH性能和故障监测能力。

4．丰富的组网和保护能力:OTN提供更为灵，需求灵活选择保护机制。

2.4 ASON网络

ASON自动交换光网络是一种动态、自动交换传送网。在传统的传输网络上，ASON引入了控制平面，实现了对传送平面的智能控制，实现了资源管理、连接、保护恢复等方面的智能化。ASON技术虽然目前取得了较大进展，但还存在性能本身的完善和互联互通等问题，如ASON网络结构比较复杂、业务承载量比较大，或者端到端多条链路失效的情况下，系统恢复速度比较慢，有时甚至达到十几秒的级别，而且多厂商互联互通仍没有彻底解决。

2.5 推荐技术

由于铁路骨干光传送网是跨铁路局的全国性网络，需要长距离传送、大颗粒承载、大容量及高可靠性的网络技术，而OTN技术先进性及成熟性，正好满足了铁路骨干光传送网的需要，建议采用OTN技术构建铁路骨干传送网。

3 方案研究

3.1 网络层级结构

骨干光传送网络覆盖铁道部及全路18个铁路局，其覆盖区域广、传输节点多，可以组成单级网络和二级网络2种方案。

方案一，单级网络架构。铁道部及18个铁路局在一个层级内，所有节点通过铁路沿线提供的光纤组网。任意路局间的业务互通，直接通过骨干光传送网的OTN提供波长或子波长实现。

方案二，二级网络架构。第1级，铁道部+北京、上海、广州、武汉、西安、成都6个大区，铁道部与6个大区间通过光纤组成第1级网络。第2级，6个大区+各铁路局，每个大区与其下有关的铁路局通过光纤分别组成第2级网络。二级网络各自通过铁路沿线提供的光纤组成，采用波分侧互联，任意路局间的业务互通可以通过第1级OTN网络提供的子波长实现。

由于铁道部、各铁路局的所有节点均在一个网络内，因此方案一网络结构简单，能够实现端到端基于子波长的业务发放，业务规划比较简单，工程实施也比较容易，并且该网络结构与现有的铁路管理模式匹配。与方案二比较，不需要另外再占用光纤资源及设置更多光放等，投资较低。但是，该网络中间节点除了承担本身业务外，还需要为远端骨干波分节点承担波长穿通，使中间部分的网络容量利用率有所降低，这对骨干网初期容量不大时影响不大。

方案二网络结构清晰，易于业务规划和管理。网络中心部分的节点不需要再为远端节点承担波长穿通，远端节点业务可以直接从最近的波分点直接进入到第1层网络，网络承载效率发挥的比较好。但是，由于需要构建二级网络，投资会比方案一高很多;并且由于路局业务主要向该所属的大区收敛，地域上容灾性较差，如果铁路管理模式发生变化，将导致其业务规划和承载效率大幅降低。在工程实施方面，该方案与全路现有的波分系统网络结构差别较大，新、老业务割接也会异常复杂。

综合比较以上2种网络结构，并考虑到骨干光传送网的业务量及流向，以及工程的投资及可实施性，推荐采用方案一。

3.2 网络拓扑的选择

为保证骨干光传送网络的可靠性，骨干光传送网的网络拓扑可以采用网状网及环状网2个方案。

方案一，组建环形网。环网最突出的优势是其有自愈能力，在环形网工作通道发生故障时，网络会在50 ms内自动倒换到保护通道。同时，OTN网络支持光复用段OMSP、OCH/ODU电层保护，以及通过SDH自愈环保护。但是，在大型长途骨干网中采用环形网结构，许多情况信息传送要通过迂回路由实现，传输路径过长，传输经过的节点数过多，这会导致整个信息的端到端传送时延过大。因此，应尽可能的划分为较小区域的环型网。

方案二，组建网状网结构。每个铁路局都和其相邻铁路局建立直达路由。所有节点通过铁路沿线提供的光纤组成网状网，并部署OTN-ASON。每节点的度数尽可能到达3维，以确保能够抗多次断纤故障。其优点是:①网络生存性高;②扩展性较强，只要增加新的节点和链路即可，不用全网配合，便于升级和维护;③业务路径路由选择多，能够轻易实现容灾，网络可靠性高。但是，对比方案一，方案二需要占用更多的光缆资源，投资略高，部分铁路局节点由于不具备多方向的铁路径路，可能无法实现3维以上。并且由于ASON尚未大规模应用，在全国性骨干网上尚无实际的应用经验，因此，其有效性还有待验证，因而近期不推荐采用。远期当ASON技术成熟且大规模应用，或者出现更为成熟、先进的技术时可以考虑采用网状组网。