OTN技术在神朔铁路传输系统中的应用分析

马健康

（中国神华神朔铁路分公司，陕西榆林 719316）



OTN技术在神朔铁路传输系统中的应用分析

马健康

（中国神华神朔铁路分公司，陕西榆林 719316）

摘要：随着通信网络的飞速发展，为适应传输网长距离、大颗粒承载、大容量及高可靠性的技术要求，OTN逐渐成为铁路骨干层传输所采用的主要技术，铁路通信网的建设也将以OTN为主要发展方向。从OTN技术优势、网络拓扑结构以及网络保护等方面进行分析，探讨将OTN技术应用于神朔铁路传输系统。

关键词：传输系统；OTN；组网

Abstract:With the rapid development of communication networks, OTN becomes gradually the main technology used in railway backbone transmission layer, in order to meet speci fi cations of long distance, large data bearing, large capacity and high reliability of the transmission network. So OTN will be the main developing trend in construction of railway communication networks. The paper analyzes the advantages, network topology structure and network protection of OTN technology and discusses the application of OTN technology in the transmission system for Shenshuo railway line.

Keywords:transmission system; OTN; networking

随着新一代客票系统、货运电子商务平台、综合视频监控和运输企业管理信息化等业务在铁路领域的展开，尤其是LTE宽带无线通信系统在重载货运线路的应用，各类新兴业务和技术对铁路通信基础传输网和数据网的带宽需求量日趋增加。

1　神朔铁路传输系统概述及现状

神朔铁路于1996年7月1日开通运营，自陕西神木县大柳塔镇至山西朔州市，正线全长266 km，其中大柳塔—神池南为双线电气化铁路(线路长228 km)、神池南至朔州为单线电气化铁路（线路长38 km）。它北接包神铁路、南连神延铁路、东贯朔黄铁路，自毛乌素沙漠边缘的陕西神木，途经陕西、山西两省七县(市)，跨越黄河，向东蜿蜒曲折至山西朔州与北同蒲线接轨。全线地形复杂，桥隧相连，全线桥梁249座，43 368.8延米；隧道61座，37 429.5延米；涵渠743座，28 904.3延米，总长109 702.6延米（不包括32 km复线），约占线路总长的22.28%，是我国继大秦铁路之后的第二条西煤东运大通道，主要担负着神府东胜煤田煤炭外运任务。

神朔铁路的传输系统由2.5 G骨干网和622 M接入层两层网络组成，其中2.5 G传输系统采用MSP 1+1复用段保护，在大型车站设有节点设备，622 M接入层在2个2.5 G传输节点间采用2纤通道保护环。既有传输系统存在系统容量不足、保护能力不足、安全性差、设备使用年限长以及无法扩容等问题，而通信网络业务的高速发展，使得铁路运输系统对传送网络技术提出了更高的要求。因此考虑对骨干层进行OTN网络建设，对接入层组建自愈环或1+1链状保护。

神朔铁路全线从大柳塔—朔西段于2004年和1997年分别建成24芯光缆和8芯光缆各一条。目前24芯光缆中13、14芯为空余纤芯，8芯光缆中已无空余纤芯。同时在2011年神朔铁路在大柳塔—黄羊城段、保德—神池南段新建1条24芯光缆；神池南—九圪塔段新建1条48芯光缆，这三段光缆中有较多空余纤芯可供使用。

2　神朔铁路业务需求分析

神朔铁路初期单线设计运输能力为3 500万t，2002年3月开工建设复线，复线全线贯通后的运输能力为每年1.4亿t。随后经过扩能改造和各项技术革新，运能逐年提升。2005年开行5千t列车，2009年开行万t列车，2012年运量突破2亿t。随着神朔铁路运能的逐年提高，若未来开行2万t列车，将会对列车运行控制技术提出更高的要求，目前在大秦线、朔黄线均采用机车同步操控和可控列尾来解决2万t列车编组，并采用更先进的移动通信技术来解决车与车之间和车与地之间的控车信息交互，如大秦线采用GSM-R系统，朔黄线采用LTE系统。随着铁路移动通信技术的演进和LTE系统在朔黄线的成功应用，LTE-R作为铁路下一代移动通信体制已被提上日程。

LTE-R网络要求承载网络支持IPv4/IPv6双协议栈。LTE网络结构的变化对承载网需求有较大影响，其中S1接口（基站与核心网间）和X2（基站与基站间）接口的引入打破了原有移动通信2G 或3G汇聚型组网架构，这就要求承载网在原有基础上，具有灵活的业务调度能力。

铁路LTE网络基站为两扇区，若特殊时隙配比为10：2：2，上下行子帧结构为2：1：2，考虑S1接口和X2接口的吞吐量及网管开销，两扇区基站至核心网的传输带宽约为300 M，基站对核心网的带宽需要GE来承载。

因此，目前神朔铁路由2.5 G骨干网和622 M接入层两层组网的传输结构已不能满足未来LTE系统建设的需求，需对现有的传输网络进行改造，首先应将骨干层升级为OTN系统，这也符合目前国铁传输网骨干层方案，对将来神朔铁路与其他国铁或朔黄线接轨提供了有力的条件。

3　OTN概述

目前，随着国内外通信技术的发展，OTN成为铁路通信网建设的主要发展方向。光传送网（Optical Transport Network，OTN）是以波分复用技术为基础，在光层组织网络的传送网。OTN 将SDH的可管理能力应用到DWDM系统中，具有SDH的安全与调度和WDM大容量远距离传输的优势。OTN能最大程度地满足多业务、大颗粒、大容量的传送需求，同时具有为数据业务提供最低的时延抖动，最完善的OAM能力，近乎无限的升级扩容潜力以及可节省大量的光纤资源的优势。

运用OTN技术能够弥补传统的铁路骨干传送网技术灵活性差，不易实现不同设备之间的互通等问题，能够很好的满足铁路骨干传输的需要。OTN可实现完全向后兼容，它可以建立在现有的SDH管理功能基础上，不仅提供了存在的通信协议的完全透明，而且还为WDM提供端到端的连接和组网能力，OTN概念涵盖了光层和电层两层网络，其技术继承了SDH和WDM的双重优势，主要表现为以下几个方面：

1）多种客户信号封装和透明传输

基于ITU-TG.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输，如SDH、ATM、以太网等。对于SDH和ATM可实现标准封装和透明传送，但对于不同速率以太网的支持有所差异。OTN传送信号并不改变它的净荷信息和开销信息，它采用异步映射模式能确保信号定时信息的完全透明化。

2）大颗粒的带宽复用、交叉和配置

OTN定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元（O-DUk，k=0，1，2，3），即ODUO（GE，1 000 Mb/s）、ODU1（2.5 Gb/s）、ODU2（10 Gb/s）和ODU3（40 Gb/s），光层的带宽颗粒为波长，相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒，OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多，能够显著提升高带宽数据业务的适配能力和传送效率。

3）强大的开销和维护管理能力

OTN提供了和SDH类似的开销管理能力，OTN光通路层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力。另外，OTN还提供6层嵌套串联连接监视(TCM)功能，这样使得OTN组网时，采取端到端和多个分段同时进行性能监视的方式成为可能。

4）增强了组网和保护能力

通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器(ROADM)的引入，大大增强了光传送网的组网能力，改变了基于SDH VC-12/VC-4调度带宽和WDM点到点提供大容量传送带宽的现状。前向纠错(FEC)技术的采用，显著增加了光层传输的距离。另外，OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能，如基于ODUk层的光子网连接保护(SNCP)和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。

4　网络拓扑结构的选择

网络的物理拓扑结构即网络节点和传输线路的几何排列，反映了物理上的连接性。网络的效能、可靠性和经济性在很大程度上与具体物理拓扑有关。OTN网络的基本物理拓扑结构主要有以下4种类型。

1）线型拓扑

当所有的网络节点以一种非闭合的链路形式连接在一起时所形成的拓扑就是线型拓扑。线型拓扑的优点是网络结构简单，对线路系统要求较低，可以灵活的上下光载波；缺点是它的生存性较差，不能完全发挥OTN技术的优势。线型拓扑如图1所示。

2）星型拓扑

星型拓扑如图2所示。网络中有一个中心节点与其他所有节点都有物理连接，而其他各节点之间都没有物理连接。星型拓扑可以更加有效的对网络带宽进行管理和利用，但对中心节点的要求很高，因为它的失效将导致整个网络的瘫痪。

3）环型拓扑

环型拓扑如图3所示。线型拓扑的两个端点同样使用光分插复用设备并用光缆线路连接，就形成了环型拓扑。环型拓扑实现简单，并且任何两个节点之间都有两条传输方向相反的路由进行保护，环型拓扑结构也是目前铁路上常用的一种组网方式。

4）网型拓扑

网型拓扑如图4所示。在保持连通的情况下，所有网络节点之间至少存在两条不同的物理连接的非环型拓扑就是网型拓扑。

网型拓扑结构和响应的控制管理都比较复杂，且不便于网络的后期维护。

根据业务需求分析，骨干层作为整个传送网的核心部分，承载的业务非常重要，需要提供全面的高可靠性保障。并且在铁路运营使用的现有各系统中，随着系统IP化的逐步渗透，视频类业务的不断增多以及集中控制管理的需求增加，骨干层所需承载的业务带宽迅速增加，因此需要骨干层具备很强的业务接入能力。另外，骨干网需要统一维护管理，需要具备较强的端到端的维护管理和快速问题的定位能力。同时由于环形拓扑结构自愈能力强，网络结构简单，易于维护和管理并且技术成熟。因此选择在传输网的骨干层使用环型拓扑结构。

5　OTN技术在神朔铁路传输系统的应用研究

5.1OTN系统组网方案

神朔铁路涉及大柳塔、朱盖塔、燕家塔、神木北、黄羊城、新城川、孤山川、府谷、保德、王家寨、阴塔、韩家楼、三岔、贺职、南坡底、神池南、上圪佬、九圪塔、仓庄、朔西20座车站。全线分河东、河西两个运输段，分别负责东西两段的运营管理。其中大柳塔为北接包神铁路的交接站，神木北为调度中心，位于河西运输段，阴塔为中间段，位于河东运输段，神池南为东贯朔黄铁路的交接站。

根据新业务需求及既有通信资源情况，采用OTN技术，在大柳塔、神木北、阴塔、神池南设置OTN节点，按照图3拓扑结构，构成OTN环网如图5所示。

传输系统采用40×10 Gb/s（预留平滑升级为80波的条件）的单纤单向OTN系统。传输设备采用10 G OTN设备，设备预留平滑升级100 G系统能力。环上有上下业务需求的节点配置OADM设备，在沿线的既有通信站内设置OLA设备，光放距离按80 km左右考虑。所有大颗粒业务（2.5 G及以上）均通过OTN层进行传输，小颗粒业务均通过SDH传输层进行汇聚。

5.2OTN系统保护方案

OTN光传送网同时采用设备级保护和网络级保护两种保护方式。其中OTN网络级保护分为光层保护和电层保护，光层主要保护技术有：光线路保护、光复用段1+1保护、光通道1+1保护等。电层主要保护技术有基于ODUk的环网保护，基于ODUk的子网连接保护(ODUk SNCP)，独有的具有ASON特性的基于ODUk及波长的MESH保护。OTN电层保护能力的基础主要在OTN设备的电交叉模块，现阶段OTN电交叉连接技术已经成熟，保护功能完善，倒换时间小于50 ms。光线路保护、光通道1+1保护需要额外配置保护单板来实现保护倒换功能，成本相对较高，并且当保护单板出现故障时会增加故障点隐患。Och共享环保护和光复用段保护的保护机制复杂，倒换时间较长，造价高，在大型骨干网中没有成熟应用。ODUk共享环路方式保护机制复杂，整个网络有节点数限制，当多个子波长失效则无法保护，在大型骨干网中也极少应用。同时基于在铁路骨干传输网中承载的大多是汇聚型业务，考虑采用基于电层的ODUk SNCP保护方式，该方式保护颗粒更精细，倒换时间快，应用成熟。

神朔铁路OTN系统建议采用基于ODUk的SNCP保护方式实现对数据业务的保护，SDH业务采用SDH自身的MSP保护方式实现保护。在神木北调度中心的机房内设置两套OADM设备，通过业务规划来实现网元级保护。设备级保护采用所有OTN网元关键板件（如主控板、交叉板、电源板、时钟处理板等）1+1热备的方式；网络级保护采用OTN OADM设备，采用双电子架构成，同机房OTN系统中承载的SDH设备，利用本机房OTN设备双电子架提供的波道（子波道）组网，当单套OTN电子架设备失效，利用SDH系统自愈环保护的方式。

具体保护实现方式如下：

1）当单套电子架线路板失效时，可通过两套电子架间互联1×100 G接口板件，通过跨子架间业务调度，恢复失效线路板承载业务，电子架间互联用于进行跨子架间业务调度的100 G接口板应支持ODUk复用功能，且满足进行跨子架间业务调度时采用ODUk SNCP保护的业务不受影响。

2）利用神朔铁路线路两侧的光缆作光线路OLP 1+1保护，所有节点均配置OLP单板。光缆条件具备的区段，初期开通OLP保护；初期不具备开通OLP保护条件的站点，其设备须配置OLP单板，但不接入备纤。

3）系统也可同时实施光层光线路1+1（OLP）保护及电层子网连接（ODUk SNCP）保护，需要OTN系统进行多层保护协调，避免嵌套保护的网络震荡。

5.3OTN系统波道分配方案

神朔铁路OTN承载业务主要包括：

2波10G子波道：承载大柳塔、神木北、阴塔、神池南节点间大环A、B双平面SDH业务；

2波10G子波道：承载数据网骨干层业务；预留波道：

1）为大柳塔、神木北、阴塔、神池南节点间SDH系统预留4个10 G子波道。

2）为骨干数据网互联预留8个10 G备用子波道。

3）各SDH节点之间预留4个10 G备用子波道。

4）预留4个10 G维护倒接用子波道，在各OTN节点均上下波道。

5）为其他业务预留4个10 G备用子波道，在各OTN节点上下波道。

5.4OTN系统网络管理方案

根据神朔铁路维护管理模式，可在河东、河西两个运输段设置OTN网元级网管系统各1套，互为异地双机热备，数据自动同步，负责整个OTN设备的维护管理。

网管至少应具备以下功能：

1）网元管理系统应能对光波长转换器、 光合波器、 光分波器、 光放大器以及OTN系统的其他辅助设备等进行管理；

2）故障管理功能，主要包括告警监测、故障定位、故障隔离、故障修正、报告管理、环回测试功能等；

3）光谱分析功能：支持OTN在线检测能力，用于对OTN各波道OSNR、光功率、中心波长等系统性能进行监视和管理；

4）配置管理功能：包括拓扑管理、配置数据管理、网元配置管理、TMUX配置管理、交叉连接配置管理、保护配置管理、APR配置管理、光线路功率自动控制、光通道自动功率均衡、网元时间管理、安全管理等。

5.5OTN系统时间同步与时钟同步

OTN设备支持通过IEEE 1588 V2透传时间同步信号，在所有OADM节点均需设置时间同步处理板，在大柳塔、神木北、阴塔、神池南节点配置高精度时间同步输出接口，接口数量不应小于2路。

OTN设备支持传送时钟频率同步信息功能，在所有OADM节点均需设置时钟同步处理板，利用神木北调度中心既有的时钟同步传送时钟源。在大柳塔、神木北、阴塔、神池南节点配置高精度时钟同步传送输出接口板，接口数量不应小于2路。

6　结束语

综上所述，由于神朔铁路现有的2.5 G骨干层传输网不能满足新业务发展的需要，经过OTN改造后能够解决大颗粒业务带宽资源的需求等问题。另外，在进行系统设计的过程中需要对光功率衰耗、色散、信噪比以及非线性效应等进行计算。通过对OTN技术的研究及应用分析，我们将不断提升铁路传输系统的传输能力，为铁路各业务系统保驾护航。

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收稿日期：（2015-09-22）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.006