分组光传送网络在铁路的应用

邱 萍

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

分组光传送网络在铁路的应用

邱 萍

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

在研究分组光传送网络的网络结构、功能、关键技术的基础上，结合运营商分组光传送网络的应用模型和建设情况，重点分析铁路的应用需求，探讨铁路分组光传送网络建设思路。

分组光传送网络标准；网络结构；关键技术；网络建设

1 概述

为了解决城域骨干层PTN设备和OTN设备背靠背组网的场景，实现大容量传送和对分组业务的高效处理，从便于网络运维、减少传送设备类型、降低综合成本的角度出发，提出一种新的分组光传送网（POTN）。

POTN集成OTN、TDM和分组技术于一身，根据业务的类型选择最佳的传送方式。POTN技术是将OTN技术和PTN技术进行有效融合，继承OTN网络容量大、长距离传送的优点及PTN网络统计复用、对分组业务承载能力强的特点，在OTN层面上增加通道提供机制和操作、管理和维护（OAM），形成面向连接的分组传输POTN。

POTN融合多种技术，对波分功能进行了集成，对多层网络进行了优化，使得网络更加高效、安全可靠。在数据转发面，统一信元交换矩阵，实现业务任意比例交换，支持E1～ODU4的多业务灵活接入；在光层实现波分的集成化，简化光层的规划和运维工作，提供便捷的运维管理能力；在映射层次，去除ETH层简化网路层次，提升承载效率。

目前，国内POTN主流生产厂家有中兴、华为、烽火。

2 标准制定情况

在POTN国际标准方面，2011年提出在ITU-T SG15 WP3 Q12工作组成立新的标准，对POTN进行研究和标准化。

在POTN国内标准方面，目前已发布《分组增强型光传送网（OTN）总体技术要求》（YD/T 2939-2015）和《分组增强型光传送网（OTN）设备技术要求》（YD/T 2484-2013）行业标准。

3 POTN层网络结构

POTN的层网络结构分为客户业务层、分组传送层、SDH传送层（可选）、OTN电传送层、OTN光波长传送和物理层，如图1所示。

4 POTN关键技术

4.1统一交换技术

所有的分组业务及ODU子波长业务均通过切片成信元进入统一交换矩阵，实现分组业务和ODU子波长业务的无阻交叉。实现ODUk和Packet混合调度。支持ODUk的交换容量和分组的交换容量任意搭配，满足不同场景、不同阶段的各种比例业务需求，网络运用灵活。

4.2多层网络保护之间的协调

POTN涉及OTN和MPLSTP/以太网的两种网络层面的保护，不同层的网络保护机制相互独立，因此，POTN的网络保护方案应遵循分层保护和分段保护的原则。

对于一种类型的端到端业务，仅配置单层的网络保护机制；对于可靠性要求很高的重要业务，或者在不同层网络有嵌套的组网场景下实现对多故障点的保护时，可配置两层的网络保护机制，此时需要在分组层设置启动拖延时间（hold-off timer）。

当仅仅在分组层面出现故障时，该层的Hold off时间仍然有效，导致分组层保护的业务整体受损时间加长，因此需要对等待时间的机制进行改进。即可以向客户层插入通知信息，如果客户层还处于所设定的等待时间周期内，可以立即启动本层的保护与恢复。

4.3多层网络的OAM协调和联动机制

POTN网络的PW、LSP、ODUk、OCh各层均具有相对独立和完善的OAM功能，根据业务的封装协议和转发路径决定采取哪种OAM。

当接入业务量不大时，可采用MPLS-TP的数据协议封装，这时应采用MPLS-TP和OTN的OAM机制；当接入业务量变大时，可采用ODUk的封装格式，这时应采用OTN的OAM机制。

POTN网络在多层OAM机制同时运行的情况下，应提供基于客户/服务者的层间OAM告警传递和告警压制功能，以提高多层网络的运维效率。服务层故障应向相邻客户层插入AIS来进行告警压制，UNI的客户层故障，服务层应支持客户信号失效指示。

图1　POTN的层网络结构

4.4多层网络统一管理和规划技术

POTN涉及L0波长，L1的ODUk/SDH，L2的MPLS-TP、LSP/PW或VLAN/MAC，因此需要统一网管便捷、高效的管理POTN网络。

POTN同时支持IP/MPLS/MPLS-TE和GMPLS的双协议栈，前者控制MPLS-TP的LSP 和PW层，后者控制ODUk、OCh。

4.5封装效率优化

POTN通过电层封装映射的优化，提升业务承载效率。在映射路径上，取消ETH层，减少映射，提升承载效率。如对于64 Byte的业务，POTN比PTN封装承载效率提升20%。

5 POTN主要功能

POTN设备具有PTN和OTN有机融合、统一交换平台架构、统一控制和管理平面3个主要功能特征。包括：

1）提供SDH、以太网、OTN、FC、CPRI、PDH等多种业务接口。

2）提供SDH、以太网、OTN等多业务信号到ODUk通道信号的封装、映射和复用等功能。

3）提供以太网处理或/和MPLS-TP处理功能；提供分组业务的适配、QoS和OAM处理等功能。

4）支持分组业务及ODU子波长业务通过切片成信元进入统一交换矩阵。

5）支持频率同步和时间同步处理功能，并提供相应的外同步接口。

6）提供基于分组业务和通道层的多种保护方式，支持GMPLS控制平面，实现ODUk、OCh通道自动建立，可支持自动发现和恢复等智能功能。

7）提供LSP/PW、VC4、OPUk、ODUk、OTUk、OCh、OMS、OTS的配置和性能/告警监视功能；分组业务接口支持以太网OAM、MPLSTP层网络OAM等能力。

6 运营商POTN应用需求和场景分析

6.1应用需求分析

POTN实现了PTN和OTN的联合组网。随着接入业务的提速，在城域网核心层、汇聚层需要实现PTN和OTN的融合组网，提供分组业务的高效承载、完善的保护方式、时间的同步传递、统一控制和管理等功能。同时PTN和OTN的融合型设备还能减少传输设备的种类、功耗和机房面积，增强传送网络的统一维护管理，简化网络运维。POTN技术主要解决以下应用需求。

6.1.1移动回传业务承载

2G单基站的带宽为2～8 Mbit/s，3G单基站的带宽为2～100 Mbit/s，随着LTE网络的演进，S1/X2接口流量增加，LTE单基站的流量将达到60～450 Mbit/s，城域汇聚层带宽需求超过100 Gbit/s，城域核心层带宽需求超过200 Gbit/s。随着LTE的应用，建设超大带宽、网状连接、密集覆盖的传输网络成为必然。

因此在城域核心层、汇聚层采用基于40 G/ 100 G线路速率POTN组网，为分组业务提供更低时延、更高QoS保障、更高的组网灵活性。

6.1.2专线业务承载

专线业务由2～10 Mbit/s带宽升级到千兆甚至万兆，且对安全性和隔离度有较高的要求。因此需要在城域层面和骨干层面为以太网专线和专网业务提供电信级传送、汇聚和大带宽传输功能，为集团客户提供保证带宽、物理隔离、低时延、高品质的传输承载。

6.1.3优化IP和OTN的联合组网

IP数据业务急速发展导致IP骨干网流量急剧增长，核心路由器扩容和处理压力不断增加，导致其容量、功耗和复杂度不断提高。通过对IP和OTN网络进行联合路由规划和优化，针对P路由器之间大量“过境”中转业务流量，通过POTN的L1或L2层实现中转业务分流，解决核心路由器扩容压力和高成本等问题。

6.2应用场景分析

6.2.1骨干网应用场景

采用POTN设备实现PE路由器之间大量中转业务传输层的穿通处理，节省核心P路由器的接口数量，降低对其能力的要求，提升业务的转发效率。结合GMPLS控制平面和ODUflex无损带宽调整技术，实现IP路由器和POTN设备的带宽灵活适配和动态调整。

IP与POTN联合组网场景下，POTN设备需支持以太网透传、基于VLAN的以太网交换功能、MPLS-TP交换功能和ODUflex无损带宽调整等功能。

6.2.2城域网应用场景

1）IP城域骨干网承载

采用POTN为已经扁平化的IP网提供承载。当POTN提供端口汇聚功能，可以采用以太网交换方式实现；当POTN提供带宽和端口汇聚功能时，需要POTN设备支持以太网或MPLS-TP的分组交换功能。网络结构如图2所示。

图2　POTN网络承载IP城域冒干网业务

2）移动回传网络承载

在城域汇聚层采用POTN设备，这种承载方式的基本特点与PTN承载方式基本相同，同时具备OTN大容量传送和调度的特点，减少网络中设备数量，节省网络建设和维护成本。网络结构如图3所示。

3）OLT上联承载

当OLT与接入路由器之间光纤资源紧张且敷设光缆困难时，可采用POTN网络进行OLT上联承载。此时POTN设备可提供数据链路承载和带宽、端口汇聚。

6.2.3 专线承载

利用ODUflex、ASON/ GMPLS等技术，POTN可以提供带宽灵活、动态调整的Gbit级大容量以太网智能专线业务；利用以太网交换功能可以提供汇聚型以太网专线业务；利用MPLS-TP功能可以提供基于MPLS-TP的以太网虚拟专线等小颗粒业务。

图3　POTN在移动回传中的应用

7 铁路POTN网络建设分析

7.1 铁路既有光传送网网络结构

铁路光传送网采用骨干层、汇聚层（局内干线）和接入层的3层网络架构。

骨干层网络包括京沪穗和东南环，东北环、西南环、西北环OTN传输网，京沪穗和东南环、西北环容量为40×10 Gbit/s或100 Gbit/s，东北环、西南环容量为40×100 Gbit/s，覆盖铁路总公司及18个铁路局（铁路公司）。提供铁路总公司至各路局之间的SDH和IP数据业务通道。

汇聚层为各铁路局局干网络，大多数铁路局采用OTN技术，部分铁路局采用MSTP技术组建汇聚层传输系统。局干OTN网络采用40×10 Gbit/ s或100 Gbit/s速率混合传输的OTN技术设备，MSTP采用10 Gbit/s的设备。提供路局内骨干、汇聚层面各节点之间的SDH和IP数据业务通道。

接入层已经覆盖所有干线及支线铁路。既有线主要是155 Mbit/s和622 Mbit/s SDH（MSTP）传输系统，也有部分区段采用2.5 Gbit/s MSTP传输系统；客运专线及新建铁路接入层传输系统为2.5 G/622 Mbit/s MSTP系统。提供2 M、155 M、以太网等小颗粒业务通道汇聚至路局局干网络。

7.2 铁路POTN应用需求分析

铁路目前业务主要是TDM业务和IP业务，在汇聚层、接入层主要由MSTP系统承载TDM业务和小颗粒IP业务的接入和传送，在骨干层、汇聚层主要由OTN网络承载大颗粒IP业务和MSTP系统。随着铁路LTE-R技术的不断演进和应用，大容量分组业务的需求日益增长。

铁路LTE-R主要承载和行车相关的CTCS-3列控、调度语音、调度指挥行车数据、列车视频图像等重要业务，条件具备时还可以承载旅客信息服务业务。承载网主要负责LTE-R业务回传，将BBU处的业务汇聚到LTE核心网。因此LTE-R要求承载网具有高安全性与高可靠性、低时延和低抖动的通信指标，能够实现多业务的统一接入和承载，易于管理和升级，能提供IEEE 1588v2时间同步等条件。

为了满足以上需求，LTE-R回传业务可以采用增强型MSTP、PTN（POTN）和IP RAN网络承载，根据这些技术在标准制定、技术能力、应用领域、设备支持成熟度、成本等方面分析，建议铁路LTE-R回传业务采用PTN（POTN）承载。

7.3 铁路POTN网络建设分析

通过以上对运营商POTN网络的应用可以看出，运营商POTN主要应用在城域网骨干层和汇聚层，承载业务主要是移动回传业务、集团客户/普通大客户专线/专网业务和固网宽带上行业务等。业务种类主要是分组业务，少量TDM专线业务。

结合铁路的业务需求和现有铁路传送网的网络结构，建议在汇聚层（路局局干网）建设POTN网络。

在接入层首先引入PTN网络，用于承载LTE-R回传业务，满足LTE-R对承载网在高质量的QoS、高精度时间同步技术、高质量传输通道、丰富的保护技术等要求。

目前在汇聚层，有的路局建设了OTN传输网，有的路局没有建设OTN传输网。对于没有建设OTN传输网的路局，可以引入POTN的建设，用于承载大容量LTE-R业务承载和汇聚层IP数据的承载，实现多业务的综合接入，采用统一交叉平台，满足高带宽通道的需求，减少网络层次、设备转接、基础能源消耗，降低运维难度。对于已经建设OTN传输网的路局，在LTE-R建成后，可以将现有的OTN网络升级为POTN系统，满足LTE-R业务对承载网的要求。

8 结束语

铁路分组光传送网网络建设应根据铁路既有传送网的网络结构、承载的业务类型、运维管理模式，结合既有传输网结构建设，选择适合铁路业务的保护方式、OAM机制和同步技术。

在没有建设汇聚层OTN网络（路局骨干层）的路局，可以考虑优先建设POTN网络，为以后LTE-R的建设以及综合分组业务的接入预留传送条件。

在建有汇聚层OTN网络的路局，结合LTE-R 和PTN网络的建设情况，逐步过渡到POTN网络，提高汇聚层网络的综合分组业务的汇聚能力。

［1］李允博.光传送网（OTN）技术的原理与测试［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［2］李芳，付锡华，赵文玉，等.分组光传送网（OTN）技术和应用研究［R］.中国通信标准类研究报告，2011.

［3］OIF.OTN Over Packet Fabric Protocol（OPF） Implementation Agreement［S］.IA OIF-OFP-01.0，2011.

Based on the research on the network structure， functions and key technologies of Packet Optical Transport Network （POTN）， the paper analyzes railway application requirements combined with the application model and construction situation， and discusses the construction method of railway POTN.

POTN standard； network structure； key technology； network construction

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.007

中国铁路总公司科技研究开发重大课题项目（2015X001-B）

2016-04-02）