高速公路通信系统中OTN技术的应用

熊首成，刘轶

（江西路通科技有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

高速公路通信传输是公路设计中的重要环节，一般情况下，高速公路的收费计算机网络、视频监控、车辆检测器、紧急电话、雾检测器等业务均需要接入和传输，因此，其通信系统必须按照专网性质的多媒体传输系统设计。常规技术所要求的专网上所提供的上述信息业务的接入和传输可采用两种方案：一是将各种信息单独组网并分别形成数据网及图像监控网，并各自独立运行和管理；二是通过提供宽带传输平台以便向各种信息分配固定带宽，并借助外围辅助性接口设备接入和传输多媒体信息。以上两种方案技术支持能力较弱、性价比不高，且面临光纤占用率高及大带宽传输能力差，无法满足我国高速公路通信专网内容日益扩充、功能日益拓展的多媒体信息传输需要。为此，必须积极探索高速公路通信系统设计及使用中业务接入便捷、网络管理简便、系统运行可靠稳定的数据网、图像监控网、电话网三网合一的综合业务通信管理平台。OTN 平台作为开放性的网络平台，传输媒体主要为光纤，能在一个网络内集成语音、图像、广播等业务信息，并将此类业务信息快捷准确地传输至各个站点。

1 OTN通信技术概述

传统网络作为基础性承载网络，必须适应更大容量及业务高速率等要求，动态化的IP 业务在传统智能化较为滞后的情形下无法满足相关要求，OTN 技术的提出，为未来实现全光网络提供了方向。

国际电信联盟电信标准分局于1998 年正式提出光传送网，即OTN 的概念，其出发点主要为实现子网内透明光传输，通过子网边界应用O/E/O 的3R 再生技术以便构成完整的光网络。在此基础上，各大网络运营商便开始加快OTN 建设步伐。中国联通自2009 年开始研究OTN 以及40G DWDM 技术，并选定OTN 为下一代网络传输主要技术；中国香港最大的电信运营商——电讯盈科也于2010 年通过华为的40G OTN 设备构建起OTN 通信网络，网络骨干层传送总容量高达3.2Tbit/s；2011 年，中国移动在我国东北片区构建起OTN 省际干线，且经业务承载优化后，将OTN 确定为主要的省际传输网络技术，并基于此陆续建设了覆盖全国主要纵横高速公路交通网的OTN商用传输系统。

OTN 通信系统主要包括OTN 节点机、单模光纤、用户界面卡及网管中心四个模块，其中节点机主要包括8 个通用性的槽位，用户可依据实际业务量接入方面的需要插入界面卡，其所对应的界面卡有数十种，具体种类详见表1。以上各种形式的界面卡均适用于高速公路通信网络现有业务的接入，有效克服了传统通信网络中上下电路层层复用及层层编解码的繁琐操作[1]。

表1 通用性槽位所接入界面卡类型

2 OTN通信技术的应用

2.1 系统建设思路

随着高速公路信息通信网全国性互联的实现，省级高速公路传输网所承载的内部信息管理、监控信息传输等业务量日益增多。在当前建设资金较为有限的情况下，构建省级高速公路OTN 通信网络不可能一蹴而就，必须结合区域具体业务量和光缆资源配置情况统一规划、分步实施。为此，该省高速公路传输网络规划必须立足当前、适度超前，主要着眼未来3～5 年的业务发展实际，并充分应用成熟的OTN技术实现对全省高速公路通信光传输网的规划建设。全省高速公路共组建3个OTN骨干环网、4个OTN 城域环网，倒换迅速的各种复杂网络拓扑与健全的OTN保护机制配合后，打造高安全可靠性的电信级公路通信网络。基于该省高速公路OTN通信系统设计思路，进行省级高速公路传输网规划。该省行政划分为七地市，高速公路通车里程数已逾4 000km，其省级高速公路OTN 通信传输网按照“两纵四横”的OTN骨干网建设，业务节点遍及全省各地市。

该高速公路通过OTN 语音卡的应用能将与管理中心PBX 连接的用户拨号音快速传输至各收费站点接收系统，满足高速公路业务电话、指令电话及紧急电话等语音业务方面的要求；通过应用RS422/RS232 及N×64kbit/s 接口界面卡能将路况信息、车辆检测及识别信息、气象信息等实时传输至管理中心接收端，管理中心同时依据所接收到的数据信息向地方发出相应的控制指令；通过OTN 通信系统中的100Mbits/s 以太网接口进行各收费站收费实际信息采集及传输管理；利用图像处理界面卡，能对收费广场、匝道立交、收费站等区域实时监控。高速公路收费系统OTN 通信技术应用情况详见图1。并且根据设计要求，在该高速公路管理中心及若干收费站点均设置有1～4 个OTN 节点机，且收费站业务系统均直接接入OTN 的业务接口，从而将高速公路全部通信系统内的语音、图像等数据信息均集成于一个系统网络中。

图1 收费系统OTN通信技术应用架构

OTN 通信系统主要采用时分复用技术（Time-Divi⁃sion Multiplexing,TDM），且全系统主要为4 芯单模光纤所组成的双环自愈网[2]，所使用的IEC825型光源主要有1 310nm 和1 550nm 两种发光体；节点机主要安装在标准尺寸19 英寸的工业机柜内，且节点机间距可以按照110km 确定，误码率不超过10-9%，功耗在200W 以内，电源使用常规220VAC/+25VDC/-48VDC 电源即可，系统带宽有 36Mbit/s、150Mbit/s、600Mbit/s 和 2.5Gbit/s 等可供选择。

考虑到路段里程长度对通信系统数据业务带宽的具体要求，高速公路路段中心自用业务需求带宽应达到526～1 184M，远期则必须根据各路段中心业务需求量加倍考虑带宽。

结合高速公路网规划及带宽业务需求，该高速公路预计设置160 个路段中心，各路段中心远期自用带宽需求将达到1 052～2 368Mbps，考虑到通信业务具有的汇聚型特征，该高速公路通信网核心网承载带宽或超100Gbps，部分汇聚环网的带宽业务需求以及网络末端支链带宽业务需求最大值分别会超过40Gbps 和10Gbps[3]。

2.2 网络拓扑选择

在进行高速公路通信系统网络拓扑选择时，必须将公路全线作为业务节点，根据业务需求进行满足公路当前及未来若干年扩容需求的网络设计。网络拓扑图包括星形、链形、树形、环形等。链形拓扑属于最为基础的拓扑形式，结构简单，两个节点之间仅需1条光缆连接，但缺乏必要保护，一旦光缆中断，中断处以下的业务便会全部中断，故该形式仅适用于侧业务接入。星形拓扑形式下各节点均与中心节点相连，中心节点能够实时向其余节点发送并接收信息，因此中心节点负担重，一旦中心节点发生故障，则整个网络均将陷于瘫痪。树形拓扑形式就像树木分支一样，能有效实现故障隔离以及新支路的加入，但如果根部光缆或设备出现故障，便会影响下续节点数据传输。环形拓扑形式在当前应用较为广泛，网络为环状设计，任意两个节点出现故障，通信便会通过环网另一侧传输，基本不受影响，网络保护能力强。

OTN 网络拓扑结构中，链形拓扑形式安全系数最低，通常仅用于业务量不高的节点接入以及波道内SDH 环网构建、业务段延伸。树形结构对于高速公路全段及任何局域网均较为适用。网状拓扑形式通常只适用于光缆资源充足的全光网目标网络情形，故该高速公路以环形网为主要网络结构，链形为辅助。

2.3 OTN网管系统

该系统具备自我诊断能力，一旦系统出现故障便会自动发出可视警告示警，还能同时以彩色图像的形式将故障点显示在维护终端，可存储于硬盘内，也可打印输出。若激光接收器所接收到的光信号变动幅度超出500nW 时，管理中心也会立即发出警告。管理系统数据库设置有多重密码保护系统，维护及更改指令的执行方式有菜单式和功能键方式两种。

高速公路通信网络系统的运行不受接口板插拔及数据设定的影响，网络控制中心可实时监测各接口板端口的信号运行情况；管理中心节点也可同时接入两套系统，并可以HOT-STANDBY 的方式运行。如遇系统中断，则可由网管设备将其余站点终端设备控制切换至备用设备，以确保系统顺利运行。

光环网内主同步时钟在节点机处设置跟踪顺序，第一主节点机出现故障机停机后全网便能进行第二主节点机自动同步跟踪，同时在FlashROM 中存储各节点机系统数据。节点机在电源供应中断并重启后可自动恢复正常运行状态，不用重新导入数据。此外，该通信系统还包括能将网络管理信息传输至高层管理系统的SNMP模块，通过该模块可实现对网络的统一管理。

2.4 OTN图像传输及接入系统

OTN 具有标准的输入、输出界面卡标准，采用MJPEG方式对视频信号进行压缩编码，用户无需另行安装外界视频切换系统，仅借助鼠标操作就能完成图像切换，被切换图像可达到6～12Mbit/s带宽效果。通过以上操作进行图像接入和传输处理，可实现1个网管对全部图像的管理，并根据用户需求进行图像带宽、帧数及色彩等的调整；有助于减轻系统维护工作量，节省光纤芯数。该系统对图像接入及传输的处理十分灵活，具备点对点连接、多落点连接、预留带宽切换连接等功能：点对点连接即单台摄像机和单台监视器对应；多落点连接即单台摄像机和多站点多台监视器连接，且带宽不变；预留带宽切换连接即管理系统将数十部甚至上百部摄像机图像任意切换至用户所需站点监视器。以上功能适用于高速公路用户监控图像传输及数据使用方面的各种需要。

3 OTN通信技术优势

3.1 网络抗毁性能

通过分析OTN 技术在高速公路通信系统中的应用可以看出，当系统内单个或数个节点机出现故障而中断后，网络其余部分具有重组功能，并能确保系统继续正常运行；待故障节点机功能恢复后，系统便自动返回初始设定的运行方式。在该系统进行节点终端扩充、网络扩充及界面卡扩充时，并不影响既有光纤网络运行过程，全网重组所需时间仅为50～120ms。双环路光纤传输平台中，若其中单个环路发生光纤中断等故障，则系统会立即自动切换至另一环路，使系统继续正常运行。该系统无需任何外围复用、编码、解码操作就能自动接入各类标准接口，并在同一网络中自动实现集成[4]。

节点终端站电源供应器数据可冗余，且当一套系统出现故障后可自动切换到另一套系统，不影响整个通信系统的正常运行。

3.2 高性价比

高速公路OTN 通信系统属于综合业务光纤通信系统，具备优良的业务传输性能和强大的业务接入能力，可同时实现图像、语音等数据接入、传输一体化，可为当前高速公路顺利运行提供重要的数据支撑，而且系统结构简单、养护方便。根据该技术在高速公路通信系统中的应用实践，应用OTN 技术在高速公路三大系统中实现相同的通信传输功能，比采用其余技术的工程费用低5%左右，且后期运维更为简便。

3.3 其余优势

高速公路OTN 通信技术可实现向后完全兼容，OTN 支线路分离，且业务接口的调整对线路侧投资无较大影响，该通信技术还支持VC 交叉，可实现与MSTP 及现有MSTP 网络的无缝融合与兼容。OTN 通信技术36～2 500Mbit/s 带宽容量、性能可靠，其线路及节点机在各类故障中具备自愈能力，并能实现对语音、图像、广播等综合性数据信息的并网传输与接入；集成度高，无需解码器等过多的外围辅助设备，其所特有的双环自愈网组网方式灵活且维护简便。

4 结语

综上所述，OTN 技术在高速公路机电系统中应用后，可满足高速公路各种业务IP 化、低延时及高可靠性发展过程中通信业务方面的实际需求，并能顺应无人驾驶、5G、车联网及人工智能等技术对通信系统所提出的更高要求，在高速公路向可视、可测、可控及可服务等方向发展的过程中，OTN 通信技术必将发挥重要的助推作用和强大的服务功能。