GPON接入技术在铁路班组信息化建设中的应用探讨

王昱琦

（中铁通信信号勘测设计（北京）有限公司，北京 100036）

GPON接入技术在铁路班组信息化建设中的应用探讨

王昱琦

（中铁通信信号勘测设计（北京）有限公司，北京 100036）

介绍铁路班组信息化网络的现状，对近、远期班组信息化业务需求进行分析，阐述无源光网络（PON）技术在铁路班组信息化建设中的技术优势。结合铁路班组信息化工程实践经验，论述光纤到班组解决方案的设计思路，并对吉比特无源光网络（GPON）技术在铁路专网综合视频监控、应急通信接入等领域的应用进行展望。在保护既有投资的情况下，GPON技术可快速部署现代化、可视化和移动化的下一代铁路通信光纤接入网，助力全路班组信息化建设。

无源光网络；GPON；智能铁路；铁路班组；信息化

在《十二五铁路通信网规划》指导下，各铁路局通信基础网陆续建成投产，其核心层、汇聚层、接入层数据通信能力显著提升。随着新一代客票系统、货运电子商务、运输企业管理信息化系统的陆续应用，对铁路专网通信的带宽、服务质量、接入能力的要求也大幅提升，而对于铁路基层站段最小职能单位的车间、班组依旧面临着“有网难用”或“无网可用”的问题。因此，迫切需要打通铁路专网信息高速公路“最后一公里”，彻底解决铁路各车间、班组语音和数据业务接入面临的带宽瓶颈、设备老旧、运维复杂、可靠性较低等问题。借鉴电信运营商大规模PON技术建网思路，将GPON先进技术应用到铁路班组信息化建设中，是可行的解决方案。

1 铁路班组信息化现状

截至2016年底，全国铁路营业里程达12.4万km，其中高速铁路2.2万km以上。“智能铁路”概念的提出，使铁路从传统的承载客、货运运输的企业逐步转变为让广大民众享受出行、旅游、购物、休闲等功能于一体的综合服务载体。智能铁路的创新和发展进一步促使铁路信息化程度的提高，要求铁路通信专网业务类型不断丰富，而作为铁路运输基层部门的车间、班组信息化建设对保障运输安全、提高生产效率和企业管理水平越发重要[1]。

自2014年起开始建设的铁路通信数据、传输骨干网已陆续建成投产，可提供10 Gbit/s或100 Gbit/s以上带宽；各铁路局进行建设的通信网基础设施改造工程中数据、传输网可提供1 Gbit/s或10 Gbit/s以上带宽。上述工程为铁路信息化建设打下良好基础，但铁路“最后一公里”仍存在瓶颈，接入带宽不足、铜线老化严重、电磁干扰等问题导致车间班组信息化程度普遍较为薄弱，无法满足车间、班组基层单位信息化办公网、视频会议、监测系统等应用需求，制约铁路运营管理效率的提升。

以中国铁路郑州局集团有限公司为例，车务、机务、工务、电务、车辆、供电、客运、建筑、生活、职教等专业总计43个站段、757个车间、4 516个班组（工区），联网情况如下：实现光纤接入车间占总量的34.6%，实现光纤接入班组占总量的7.4%，尚有14.8%的车间和28.6%的班组未实现信息系统联网。已实现联网的车间、班组接入方式以光纤收发器、电缆+HDSL调制解调器并租用中移铁通公司等电信运营商提供的通道实现信息系统联网为主[2]。可见既有铁路信息系统无法满足铁路运输生产的需要，制约着铁路运输现代化的发展，急需进行全局性、系统性建设。

2 GPON在铁路班组信息化建设中的应用

2.1 业务需求及分析

铁路站段、车间、班组信息化网络主要承载客货运营销、经营管理和部分运输组织的信息应用系统，例如，旅客服务信息系统、办公信息化、运输生产及调度指挥信息系统、各类监测系统等，以及通信系统数据业务（如铁路综合视频监控系统、会议电视系统等）。

根据铁路各专业站段、车间、班组节点信息系统承载业务进行网络带宽统计分析，站段级节点信息化网络近、远期带宽为300～1 000 Mb/s，车间级节点信息化网络近、远期带宽为20～50 Mb/s，班组级节点信息化网络近远、期带宽为8～12 Mb/s。随着路网的建设与完善，以及智能铁路信息化的快速推进，特别是视频业务及IP化数据业务的不断增长，对信息接入系统的带宽要求也呈几何式增长，同时对铁路专网信息接入系统的可靠性和可扩展性要求越来越高。

2.2 技术优势

针对铁路车间、班组信息化接入网络具有点多面广、承载业务种类丰富、应用场景复杂、可靠性较高、维护管理便捷、工程造价经济适用等特点，传统接入技术已不再适用。采用星型或树型结构组网基于无源光网络的GPON技术，具有带宽大、组网灵活、节省光纤资源、维护管理便捷、安全保护机制完善、兼容公用电话交换网（PSTN）/下一代网络（NGN）/IP多媒体系统（IMS）等优点，天然适配铁路班组信息化的需求。

GPON系统中光线路终端（OLT）作为业务汇聚节点可设置在车站，负责接入光网络单元（ONU）的管理和业务转发；光分配网络（ODN）为中间链路层，全部为无源器件，主干光纤拉至车间，经过分光器后进入临近班组，可以实现点到多点接入；ONU为接入单元，负责用户终端接入，为用户提供100M/1G/10G数据业务、传统E1业务接口及自动电话等业务。

近年来，GPON被众多运营商选择作为下一代接入网主流承载方案，具有传统接入方式无法比拟的优势：

（1）端到端多层级保护，通信安全可靠。针对OLT设备本身，提供双电源、双主控板、双上行口冗余备份保护，确保从OLT到核心层网络不中断。ODN光纤部分支持多种Type X保护方式，小于50 ms的保护切换使用户无感知。ITU G 984标准规定Type X保护方式主要包括Type B、Type C及其对应的双归属保护方案。

（2）光网络采用无源器件，传输距离远，故障率低。整个ODN不含有任何有源电子器件，全部由光纤、分光器（Splitter）等无源器件组成。最大传输距离40 km，可覆盖大多数区间场景，光纤采用直埋、管道、架空敷设，故障率低，维护简单。

（3）节省干线光纤资源，降低工程造价。GPON光纤可以一分多路，数据单纤双波传输，多用户接入，按照Type C保护方式建网，可节省一半的光纤资源，从而降低整个工程造价。

（4）接入业务丰富，带宽充足，可平滑升级。将光纤直接接至用户侧，其带宽、波长和传输技术种类都没有限制，适于引入各种新业务，是理想的业务透明网络，其支持的业务类型非常丰富，包括视频监控、会议电视、办公网、自动电话、传统E1业务及xDSL业务等。丰富的业务类型需要高带宽为基础，GPON提供下行带宽2.5 Gbit/s，上行1.25 Gbit/s，未来在不变动ODN的情况下，通过更换OLT板卡和ONU光模块平滑升级至10 Gbit/s、40 Gbit/s或更高带宽，有效保护投资。

（5）统一管理，运维简单。OLT和ONU统一网管管理，业务远程开通，即插即用，免进站，设备出现故障自动上报告警到网管。支持多种远程仿真测试和链路质量检测，快速判断故障点并恢复网络。

（6）节约能耗、节省机房面积。GPON无源网络结构只有两端设备需要供电，中间网络全程无源，免机房免供电。ONU终端设备体积小、能耗低，节省运营维护成本。

（7）环境适应能力强，能够避免电磁干扰。无源光网络为纯光纤介质网络，不含任何有源器件，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合电气化铁路电磁干扰较强的场景应用。

（8）多重安全防护，网络安全可控。GPON系统针对用户接入侧支持防IP欺骗、防MAC欺骗、防DOS攻击，支持DHCP Option82特性、802.1X认证，确保免受用户侧攻击。GPON线路上，支持AES-128位数据加密，防止用户数据被窃听。支持流氓ONT检测和隔离，防止个别终端设备出现故障后对其他用户造成影响。针对具体业务，支持基于VLAN、ACL、MAC地址、IP地址进行控制，安全性得到有效保障。

总之，GPON技术在多业务的支持性、高安全性、高可靠性、可扩展性、可管理性以及经济适用性等方面具有明显优势，是铁路专网班组信息化宽带接入的适合技术。

3 设计思路

3.1 GPON OLT

GPON OLT在GPON系统业务中起到业务汇聚和管理等作用，通常设置在车站通信机械室或通信站，是整个GPON系统建网成本最高的设备。OLT至ONU最大光缆距离可达40 km，我国普速铁路车站间距多为10～15 km，快速铁路、客运专线车站间距多大于40 km。因此普速铁路GPON OLT可采用间隔设置方式，快速铁路、客运专线铁路则建议采用逐站设置方式。间隔设置OLT方案示意见图1。

间隔设置GPON OLT方案仅根据各站接入业务节点数量，选取在业务接入节点多的车站通信机械室设置GPON OLT，业务接入节点较少的车站在满足GPON系统传输距离技术要求前提下不设GPON OLT，不设GPON OLT设备的车站其GPON ONU通过区段光缆接入临站GPON OLT设备。间隔设施GPON OLT方案具有在满足工程建设需求前提下，可有效控制建设投资，减少部分机房占用面积，降低设备能耗，减轻维护单位工作量等优势。

GPON OLT设备遵循分等级装备的原则，根据各站接入节点数量及容量选取不同接入能力的设备，在满足本工程建设前提下，充分预留中远期接入能力并合理降低工程投资。大型枢纽、区段站、编组场等节点，GPON OLT建议在本站通信机械室、通信站分别设置，便于该站区内站段、车间、班组设置的ONU就近接入OLT，以合理降低站场光缆敷设投资，同时对于站区内重要业务节点设置的ONU采用Type C双归属保护方式接入同站异址OLT，进一步提升网络容灾能力。同时工程设计时建议对于接入节点密集的大型枢纽车站，GPON OLT与接入层路由器、接入层路由器与汇聚层路由器采用10GE带宽互联，以满足该类节点班组信息化接入带宽需求。

3.2 GPON ONU

站段、车间、班组节点根据终端用户、自动电话的数量按需分等级设置GPON ONU设备，GPON ONU的安装位置应便于维护管理单位日常管理，且宜结合各节点既有综合布线情况设置，减少末端布线的工作量。由于GPON系统支持NGN/IMS，部分省份中移铁通有限公司已为铁路专网建设了NGN系统，可利用GPON系统与NGN系统互联互通，直接利用GPON ONU为沿线车间、班组提供IP电话。近期仍维持PSTN自动电话的铁路局，可在各程控交换机处增设信令/语音网关设备，实现GPON ONU为终端用户提供铁路自动电话业务。

铁路沿线各通信机械室、通信站等为解决铁路自动电话，均已建设传统窄带接入网。对于近期无更新公用电话交换网计划的铁路局，车站通信机械室可暂不设置GPON ONU，对于GPON ONU未覆盖的或既有站场电缆性能满足需求的铁路自动电话用户，仍维持传统接入网提供铁路自动电话模式不变。可随班组信息化工程在程控交换机处设置信令/语音网关设备，实现GPON系统与程控交换机互联，利用设置在车间、班组的GPON ONU设备为电缆性能劣化或覆盖不足的用户提供自动电话业务。

对于近期已建或拟建NGN网络的铁路局，可随班组信息化工程在铁路沿线各车站通信机械室、通信站设置GPON ONU设备，直接利用GPON系统与NGN互联，为终端用户提供IP电话。传统窄带接入网系统仍可为调度电话延伸、二/四线音频等低速数据类业务提供接入。部分采用华为公司UA5000系列产品接入网的线路，由于该产品为宽窄带一体化设备，仅需在接入网局端设备增加IP接口板，即可实现与NGN系统互联，为铁路沿线用户提供IP电话业务，此种线别的车站通信机械室、通信站可不再设置GPON ONU设备。

3.3 GPON系统保护方案

ITU G 984.1标准中定义了4种双PON保护方式，其中Type B和Type C保护组网具有可行性，也最常用。Type C保护方式又可细分为Type C单归属和Type C双归属防护。

Type B保护仅对OLT PON口及主干光纤提供冗余保护，Type C保护相对于Type B保护具有更高的可靠性，对于OLT/ONU PON口、主干光纤、光分路器和配线光纤都提供了冗余保护，当某一部件发生故障，可以自动切换到另外一路光纤。当原故障链路的故障恢复后，可以实现业务自动回切到原故障链路上。

一般情况下，网络保护方式的完善性与建网成本成正比，由于Type B和Type C保护方式均要求主干或分支光纤采用不同路由进行建设，若全部车间、班组均采用该方式进行建设，将大幅提升建设成本。铁路班组信息化建设涉及节点众多，应根据各节点承载业务类型的性质，综合确定合理、经济、适用的建网方式。对于一般仅接入办公网、会议电视等与铁路行车指挥无关业务的节点，可不采取Type B和Type C保护进行建设。对于承载行车指挥、重要监测信息或终端用户较为集中的节点可采用Type B和Type C保护方式进行建设。Type C保护方式较Type B保护方式更为完善，2种方式建网成本差异最大之处在于分支光缆的建设存在较大差异。Type B保护方式分支光纤无保护，该保护方式下分支只需敷设单条光缆，Type C保护方式分支光纤有保护，该保护方式下分支光缆宜采用不同物理路由光缆接入。而对于铁路班组信息化应用场景，分支光缆覆盖的节点多为班组级节点，承载重要业务或终端用户较为集中的节点多由主干光缆覆盖，因此对于铁路专网班组信息化应用场景Type B和Type C两种保护方式建网成本差异不大，宜优选Type C保护方式作为承载重要业务或终端用户较为集中节点的建网方案。具体建议如下：

（1）未设置GPON OLT设备的普速铁路车站，若通信机械室新建GPON ONU可采用Type C双归属保护方式，即该站通信机械室ONU通过上下行区间各1芯光纤分别接入临近上下行车站各1套OLT设备，主要解决该站铁路自动电话接入，替代传统的窄带接入网。

（2）已设置单套OLT车站，该站重要业务节点设置的ONU可采用Type C单归属保护方式，即该节点ONU通过不同路由光纤接入本站同一套OLT不同PON接口板。

（3）已同站异址设置多套OLT的大型枢纽、区段站、编组场，该站重要业务节点设置的ONU可采用Type C双归属保护方式，即该节点ONU通过不同路由光纤接入同站异址OLT设备。

3.4 GPON ODN

ODN是GPON光接入网中设置在GOPN光线路终端和光网络单元之间线路和设备的总称，用来分配光信号功率，是实现OLT与ONU之间光信号传输的物理通道。ODN通常由分光器、光缆、光缆接续及终端的配线设备组成。

GPON系统支持的分光比为1∶2/4/8/16/32/64/128，分光器分光路数越大，OLT每PON口可接入ONU数量越多，但带来插入损耗增大，ODN光纤链路长度缩短，每ONU终端用户可用带宽降低等问题。ODN网络分光方式可以采用一级分光或二级分光或多级分光，铁路班组信息化建设场景具有业务接入点相对分散、安全可靠性较高等特点，设计时宜按一级分光方式建设ODN网络，设置在各业务汇聚点的分光器宜优选1∶8或1∶16的分光器；区间接入节点宜采用不等比（5∶95）多级分光方式建设ODN网络，一方面可节省干线光纤资源、降低区间分光器插入损耗，另一方面也便于后期增加分光器。

根据相关铁路局及运营商建设经验，ODN中光缆线路的建设投资占GPON光网络总投资的50%～70%，因此合理的规划和设计ODN中的光缆线路对于控制工程造价非常关键。

铁路专网班组信息化GPON光网络在车站、站区范围通常采用树型或星型网络结构，部分业务量较大且周边有较多车间、班组接入的节点作为汇聚节点，该节点至通信机械室、通信站OLT设备敷设的光缆作为主干光缆，并在该节点设置分光器，临近汇聚节点的车间、班组节点可就近敷设短段分支光缆接入汇聚节点，避免所有接入光缆集中敷设至通信机械室、通信站，可以大量节省敷设光缆的数量，有效降低工程投资。

ODN敷设光缆纤芯容量设计原则推荐如下：周边节点较少的末端接入节点ONU设备主用1芯光纤、备用1芯光纤，同时考虑中远期业务发展方向，预留该节点临近1～2个接入节点接入能力及预留部分光纤资源，该类型节点的光缆宜按照8～12芯设置；周边节点较多的汇聚接入节点ONU设备主用1芯光纤、备用1芯光纤，同时考虑中远期业务发展方向，预留该类节点临近4～6个接入节点接入能力及预留部分光纤资源，该类型节点的光缆宜按照16～24芯设置；接入终端较为集中的重要业务节点ONU设备主用2芯光纤、备用2芯光纤（考虑与既有光缆置换形成不同物理路由Type C保护），预留该类节点临近6～10个接入节点接入能力及预留部分光纤资源，该类型节点光缆宜不小于24芯。

4 GPON系统在铁路专网其他应用展望

GPON系统建成后不仅可用于承载班组信息化业务，设置在车站、站区以及区间的综合视频监控、旅服视频监控等前端采集点也可利用GPON系统承载视频类业务的接入[3]。车站、站区范围内视频采集点以星型或树型组网实现前端视频采集点信息的传送，设置在区间的视频采集点可采用不等比分光多级接入或手拉手方式设置GPON ONU，实现区间视频采集点信息的接入。采用该方式区间设置GPON ONU设备多余的以太网接口可兼作区间应急通信数据类业务接入，ONU的自动电话接口可实现区间应急救援指挥语音电话功能。

近期随着公安反恐和铁路运输安全形势的需要，京沪高铁、武广高铁、广深港客专、京广线广坪段、广深线等铁路陆续启动区间线路重点地段综合视频补强改造。相关工程区间视频采集点多采用间隔二三百米交织覆盖设置，区间采集点利用工业级以太网交换机承载视频监控信息。采用该方案补强建设的视频监控工程，可在前端采集点工业级以太网交换机处预留1个GE光接口和电源分路，当区间出现抢险救援时，临近事故现场电务人员可仅携带1台上联GE光接口GPON ONU设备，利用区间视频采集点预留的GE光接口和电源实现便携式ONU接入GPON光网络，实现事故救援现场应急通信数据和语音业务的快速接入。采用该方式进行综合视频补强的铁路，每间隔数百米即可提供应急通信接入能力，大大缩短了电务人员传统背负2～3 km野战光缆接入临近车站或基站的应急通信接入响应时间，为快速恢复事故区段铁路运输秩序创造了条件。

对于未采用上述方式建设区间视频采集点的铁路，可在铁路沿线间隔1 km左右，或在桥梁、隧道等重点区域，利用既有干线光缆设置分光器分歧2～4芯光纤引入区间光通话柱。出现事故时，电务人员只需携带数百米野战光缆及GPON ONU、便携式锂电池即可实现区间应急通信的快速接入[4]。

5 结束语

伴随全球“光进铜退”的趋势，GPON技术具备高带宽、业务支持能力强、安全性好、完善的操作管理维护（OAM）功能等特性，仅在我国已经有超过1.5亿用户使用。特别是4K视频、云业务的兴起，对高带宽需求的持续增加，以及国家大力发展光纤到户（FTTH）宏观政策驱动下，都将加快促进光纤接入的发展进程，进而带动整个光纤通信产业。将GPON技术应用在铁路车间、班组信息化建设中，符合铁路行业特点，也符合未来技术发展趋势，部分已建成的GPON系统应用效果良好。因此，采用GPON系统建设的光纤到班组解决方案必将全面推进铁路信息网向着现代化、可视化和移动化方向发展，适应铁路信息化的快速发展，满足铁路运输企业管理信息化的需求，符合“智能铁路”的发展战略，可进一步提升铁路行业竞争力。

[1]沈海燕，贺晓玲，朱建生. 铁路信息系统运维管理 信息化需求分析[J]. 中国铁路，2014(10)：25-28.

[2]王志伟. 铁路信息化建设站段、车间、班组信息联 网技术浅析[J]. 通信世界，2015(15)：63-64.

[3]孔令鑫. 高速铁路高清视频监控系统解决方案[J]. 中国铁路，2014(1)：79-83.

[4]李润武，冯占武，鲍金华. 铁路区间光通信系统在集 通铁路的应用[J]. 中国铁路，2014(3)：86-89.

Discussion on Application of GPON Access Technology in IT Application Construction of Railway Grass-roots Working Team

WANG Yuqi
（CRCS，Beijing 100036，China）

The paper introduces current status of IT network in railway grass-roots working team, analyzes the requirements for IT application construction in short term and long term, and explains the advantages of PON. In combination with practices, the paper discusses the design ideas of solutions for cables reaching working team,and looks forward at the application of GPON technologies in such fi elds as comprehensive video surveillance system and emergency communication access of railway-dedicated network. GPON technologies, protecting existing investment, could help to deploy the next generation of a modern, visible and mobile access network for railway communication cable, and thus supporting IT application construction of working teams.

PON；GPON；intelligent railway；railway grass-roots working team；IT application

U285

A

1001-683X（2017）12-0093-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.093

王昱琦（1977—），男，高级工程师。E-mail：13683062551@163.com

责任编辑 卢敏

2017-11-20