下一代铁路通信传输网组网技术研究

2021-06-01沙玉林

铁道通信信号 2021年5期

沙玉林

目前在铁路通信传输网中，基于SDH的MSTP技术仍然是主流。但随着铁路移动通信5G-R时代的到来，云平台技术的应用以及铁路通信业务的IP化趋势加速，传输网所承载的业务必将发生巨大的变化。MSTP技术将逐渐退出历史舞台，因此，下一代铁路通信传输网需要引进新的主流传输技术以适应各种变化，并根据业务的特点和需求，合理组建网络。

1 铁路通信传输网承载的业务分析

1.1 业务分类

铁路通信传输网承载的业务按照业务性质大致可以划分为安全类、辅助行车及监测类、其他等3类。

第1类：涉及安全的业务。主要包括行车安全、资金安全和公共安全。涉及行车安全的，主要包括CTC、TDCS、C3区段的GSM-R/5G-R、信号安全数据网（通信只提供光纤）、灾害监测、红外监测等业务；涉及资金安全的，主要是客票业务；涉及公共安全的，主要是公安信息系统（不含视频）。

第2类：辅助行车及监测类的业务。主要包括：①通信，C2及以下区段的GSM-R/5G-R、调度电话、语音记录仪、电源及环境监控、应急、数据网、时钟同步、时间同步等；②信号，微机监测等；③信息，旅客服务及其他信息系统等；④供（变）电/电力，远动、维护、固标等；⑤接触网，6C业务；⑥车辆，车号自动识别等。

第3类：其他业务。主要包括综合视频监控、自动电话、综合网管，以及客运管理、办公等。

1.2 业务对传输网的需求分析

由以上业务分类可以看出，业务的性质不同，业务种类对传输网的要求也不一样。有的业务要求传输网具有高可靠性，如涉及安全的业务，此时传输网的最佳选择是组建独立的双系统（目前的传输网对信号CTC、电子客票等业务的承载已经按照双系统标准在执行）；有的业务要求传输网具有大带宽，如数据网、远期5G-R业务在车站以上部分，综合视频监控业务等，此时传输网的最佳选择是组建大带宽系统，如使用波分系统组网；有的业务要求传输网具有低时延，如5G-R业务、某些监测类业务，此时传输网的最佳选择是网元数量尽量少，网络简洁，逻辑简单，组网灵活；有的业务要求传输网有特殊功能，如高精度时间同步要求等，此时传输网的技术选择应有所限制；有的业务只要求通信专业提供光纤，如信号的安全数据网、5G-R车站以下（此类业务目前尚不十分明确），对传输网无要求。

另外，随着高速铁路和通信信息技术的飞速发展，TDM类业务正在逐步萎缩，将很快消失，取而代之的是全IP网络的数据类业务。

2 铁路通信传输网的技术选择

2.1 SDH/MSTP技术存在的问题

在铁路通信以TDM业务为主的时代，SDH/MSTP是非常适合的传输技术，它以带宽刚性、保护完善著称。但随着业务的变化，铁路通信越来越多的以IP业务为主流，对带宽的需求变得弹性、灵活，SDH/MSTP技术也就越来越显示出了其不适应性。另外，SDH/MSTP不具备对IEEE 1588v2的支持，对一些新增业务无法提供服务。

综合上述分析，急需寻找一种新的合适的传输技术来作为铁路通信传输网的主流技术。

2.2 技术选择

近年来，通信光传输领域涌现了OTN/P-OTN、IPRAN、PTN/SPN等多种技术。OTN/P-OTN是波分复用技术，其中P-OTN技术是OTN技术与PTN（分组传送网）技术的融合，适合大颗粒业务承载和长距离通信传输，在前期的网络建设中，铁路通信骨干层传输网以及部分局内汇聚层传输网中大量采用了OTN技术；跟PTN技术相比，IPRAN技术是一种更偏向于交换的技术，因此不太适合铁路通信传输网这种带宽“刚性”需求较强的网络。另外，在系统配置、网络结构以及网络维护和管理等方面，IPRAN技术要比PTN技术复杂得多。因此长远看，IPRAN技术不太适合在铁路通信中应用。

PTN技术是一种以分组业务为核心的技术，并且支持多种业务，采用基于二层交换的分组架构。PTN技术有多种保护方式可以选择，各层面的保护机制均比较完善。SPN技术是PTN技术与SDN（软件定义光网络）技术的有机融合，可以使业务的应用和网络的配置管理维护更加智能化。

下一代铁路通信传输网的技术选择应根据业务的需求及发展，以及各种传输技术的特点做出合理的选择。传输网的骨干层和汇聚层适合采用OTN/P-OTN技术，接入层则适合采用SPN技术。

3 铁路通信传输网组网研究

3.1 传输网与数据网的关系及界面研究

在研究铁路通信传输网组网之前，首先需要探讨传输网与数据网的界面问题。

铁路通信承载网包括传输网和数据网。在SDH时代，传输网被视作“通道”，因此跟数据网的界面是清晰的，即便MSTP也承担了一部分局域网的功能，但那也仅仅是IP端口适配和通道汇聚的功能，不能将MSTP当作数据网的一部分。但随着传输网技术向着PTN、IPRAN等方向发展时，就有取代数据网功能的可能。尤其是IPRAN技术，脱胎于路由器，本身就是一种数据网设备。

目前，铁路通信承载网有2个发展方向：一是两者融合，由一种技术实现，也即只建设传输网，由传输网兼顾数据网的功能；另一个是二者分开建设，仍然保持传输网和数据网两张网。

经过多年的建设，数据网已经成为铁路通信网中的一个基础网络，拥有庞大的用户群和一套完整的管理方案。如果将其功能并进传输网，势必带来传输网的复杂程度急剧加深，从而造成其性能的降低。另外，为了信息安全，目前一些重要业务只在传输网传送（如客票、CTC、公安等），而数据网中的用户和业务相对更繁杂，若并到传输网，也可能会对传输网造成一定的影响。

因此，传输网和数据网分开建设应更为合理，这样可以充分发挥数据网对IP业务的分类承载功能，尤其是三层功能。数据网的规模控制在车站以上，车站至区间仍然由传输网完成信息传送，二者的接口在车站。这样既可以保持与传输网的界面清晰，又限制了数据网过度向下延伸造成网络过于庞大。

3.2 骨干层

铁路通信传输网的骨干层主要为解决铁路局至国铁集团、铁路局至铁路局之间的业务通道，它是一个全国性的网络。目前，已经建成的骨干层网络采用的是OTN技术，一般为10G/100G混传。在未来的一段时间，只需要对其进行网络层面的完善即可，本文不再赘述。

3.3 汇聚层

汇聚层主要解决铁路局内各业务汇聚点至路局所在地之间的业务通道，一般包括铁路局内的区域性网络（局内汇聚层）和各铁路线的汇聚层网络（线路汇聚层）2部分。

3.3.1局内汇聚层

目前，部分铁路局已经建成了传输网的局内汇聚层，网络一般采用OTN技术，辅以SDH设备解决一些小颗粒业务。早期的局内汇聚层一般是沿着既有普速铁路线建设，随着高铁和客专的发展，这些既有节点显得力不从心，因此对局内汇聚层包括枢纽汇聚层的完善也应该提前规划，补齐必要的节点，才能充分发挥它的作用。另外，局内汇聚层网络的另一个重点应考虑容量问题。大部分局内通道均指向铁路局所在地，若所有线路汇聚层均建成OTN/P-OTN网络，可以预见局内汇聚层的带宽瓶颈将很快到来。因此，局内汇聚层应在初期规划时就充分考虑波道的可扩充性，以及单波道的带宽能力（应考虑单波道100G系统）。

3.3.2 线路汇聚层

如前文所述，SDH/MSTP技术已经不适合未来的线路汇聚层，而是应该选择OTN/P-OTN技术。

线路汇聚层设备的设置按照综合考虑节点业务量、节点重要性、节点远期发展和节点间距等因素布设，不必站站布设。

线路汇聚层的组网，可以组成光线路保护OLP 1+1系统，远期成网后，可与其他线路的系统一起组建环网，作为局内汇聚层的一部分，逐渐融合成一个完整的汇聚层网络。

由于数据网的组网可以按照区间光纤直连，两头接入线路汇聚层的方式，因此线路汇聚层的波道分配，初期可以参照如下原则：2波用于接入层接入通道；2波用于5G-R通道；2波用于数据网通道；2波用于局内汇聚层成环业务使用（规划预留）。

3.4 接入层

3.4.1 接入层组网原则

铁路通信传输网的接入层是直接面向用户的网络，其特点是业务种类繁多，节点分散。对接入层的组网研究，立足于2个条件：①5G-R采用CU、DU、AAU组网方案，车站DU—区间AAU采用裸光纤组网方式；②信号专业、客票的需求按照双设备考虑。前文已经述及，接入层采用SPN组网则更为合适。区间接入层按照2个SPN环（10GE）独立组网考虑，车站内接入层组建一个SPN环（10GE）。铁路通信传输网组网示意见图1。

图1 铁路通信传输网组网示意

3.4.2 区间业务解决方案

通过对区间的业务分析可以发现，移动通信采用5G-R以后，区间传输节点大为减少，也将造成区间传输节点间距加大。这就带来了一系列的变化。

需要解决的区间业务主要是灾害监测、远动、警务区、视频、应急、其他监测等。灾害监测、远动和其他监测点，可以通过短段光纤接到最近的传输节点，将会出现短段光纤使用量大增。警务区考虑作为传输节点。受区间传输节点间距增大影响，应急通信将会弱化光缆传输方式（或者通过AAU站点的预留光纤实现），演变为以卫星为主要传输方式。

区间视频业务将是最大的一类业务，它可以选择多个方案：①维持目前的模式，即使用以太网交换机独立组网，在车站接入数据网；②接入层增加一个SPN环（10GE）承载视频业务，在车站接入数据网；③维持区间2个SPN环（10GE），视频业务通过光纤接入最近的传输节点。这3种方案都可行，其中第1种方案更为简洁，网络层次更为清晰。图1的传输网组网示意图中就是按照第1种方式考虑的。

3.5 过渡期传输网的渐进演变

5G-R的大规模建设尚需时日，在此期间，传输网需要做好准备，逐步演变。

1）要完善骨干层以及局内汇聚层OTN。5G-R业务应用后，首先受冲击的就是局内汇聚层的带宽瓶颈，其次是骨干层，因此，完善局内汇聚层成为当务之急。目前看，许多路局的局内汇聚层网络存在着覆盖面小、带宽不足的问题。枢纽地区的汇聚层网络更加薄弱，且或多或少存在缺乏全局规划，经常是各铁路项目均在调度所上设备，不仅造成调度所机房拥挤不堪，而且会因传输节点过于集中而不利于网络安全。

2）在新建铁路项目中，尽可能的按照OTN/P-OTN技术建设线路汇聚层网络，逐步打通上层通道带宽瓶颈。

3）尽快进行SPN、P-OTN等技术的试验线工作，为后面的部署做好准备。