鐵路光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)適應(yīng)性和健壯性分析

劉正自

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

鐵路光傳送網(wǎng)是鐵路三大基礎(chǔ)平臺(tái)/基礎(chǔ)設(shè)施（線路平臺(tái)、車輛平臺(tái)、信息傳送平臺(tái)）之一，其重要性不言而喻，不僅對(duì)光傳送網(wǎng)安全可靠性要求極高，而且對(duì)各種承載業(yè)務(wù)要具有良好的適應(yīng)性。鐵路光傳送網(wǎng)主要有兩大層次，即鐵道部骨干光傳送網(wǎng)和各鐵路沿線的區(qū)域光傳送網(wǎng)。鐵道部骨干光傳送網(wǎng)由DWDM網(wǎng)絡(luò)組成，正面臨設(shè)備生命周期到期、需要向OTN/ASON升級(jí)的局面；各鐵路沿線組成的區(qū)域傳送網(wǎng)技術(shù)體制幾乎全部采用基于SDH的MSTP技術(shù)組成，本文將對(duì)鐵路區(qū)域光傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)健壯性展開分析。

1 鐵路光傳送網(wǎng)承載業(yè)務(wù)類型及特點(diǎn)

鐵路區(qū)域光傳送網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)可以分成鐵路通信業(yè)務(wù)網(wǎng)互聯(lián)和接入通道、部分通信系統(tǒng)網(wǎng)管/監(jiān)控通道、相關(guān)專業(yè)控制/信息系統(tǒng)互聯(lián)通道3類。

區(qū)域光傳送網(wǎng)需要為普通電話網(wǎng)（自動(dòng)電話網(wǎng)）、調(diào)度通信業(yè)務(wù)網(wǎng)、移動(dòng)通信業(yè)務(wù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、會(huì)議電視（電話）業(yè)務(wù)網(wǎng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)急通信系統(tǒng)等通信業(yè)務(wù)網(wǎng)提供互聯(lián)和接入通道。這些業(yè)務(wù)網(wǎng)基本上都是自成體系、分立設(shè)置，網(wǎng)管信息在相應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)傳送（帶內(nèi)傳送）。值得注意的是，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)本身不提供具體業(yè)務(wù)，嚴(yán)格講不是業(yè)務(wù)網(wǎng)，而是一個(gè)承載網(wǎng)，這里劃分到通信業(yè)務(wù)網(wǎng)，主要是針對(duì)傳送網(wǎng)而言。

區(qū)域光傳送網(wǎng)需要為光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、直放站網(wǎng)管、漏纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)房動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等通信系統(tǒng)提供網(wǎng)管通道。

區(qū)域光傳送網(wǎng)需要為OA、各種MIS、客服系統(tǒng)（票務(wù)＋旅服）、信號(hào)系統(tǒng)、防災(zāi)安全監(jiān)控、牽引變電及接觸網(wǎng)控制系統(tǒng)、電力SCADA系統(tǒng)、車輛信息系統(tǒng)等專業(yè)控制/信息提供互聯(lián)通道。

以上主要為承載業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，如表1所示。觀察表1可以看出：

1）各種業(yè)務(wù)基本是以鐵路局/調(diào)度所所在地為匯接點(diǎn)，除了局間互聯(lián)通道呈均衡分布外，其他類型通道基本以路局/調(diào)度所為中心呈匯聚、收斂或環(huán)回狀。

2）非通信專業(yè)所需的通道類型基本已轉(zhuǎn)為或可以轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)/快速以太網(wǎng)通道和接口，其E1通道和接口成為歷史遺留問題。

3）鐵路光傳送網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)，無論是種類，還是帶寬需求，大量從TDM類型轉(zhuǎn)向分組數(shù)據(jù)類型。

4）專用通道過多，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)類別偏少。

5）部分控制系統(tǒng)/信息系統(tǒng)需要雙環(huán)/雙鏈以太網(wǎng)通道，說明這些系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)及傳送通道的安全可靠性要求十分苛刻。

表1 鐵路光傳送網(wǎng)主要承載業(yè)務(wù)特點(diǎn)

2 常規(guī)組網(wǎng)模式

鐵路區(qū)域光傳送網(wǎng)，均采用基于SDH的MSTP分層組網(wǎng)模式。

高速鐵路/客運(yùn)專線設(shè)置有GSM-R的干線鐵路，光傳送網(wǎng)由3層組成：1）骨干層，有的線路站站設(shè)置，有的線路僅在部分車站設(shè)置，一般采用STM-16或STM-64速率等級(jí)，分別利用鐵路兩側(cè)的光纜構(gòu)成1+1鏈型線路保護(hù)；2）匯聚層，設(shè)置在各個(gè)車站，一般采用STM-4或STM-16速率等級(jí)，分別利用鐵路兩側(cè)的光纜與區(qū)間接入層構(gòu)成環(huán)型復(fù)用段保護(hù)，或利用骨干層構(gòu)成子網(wǎng)保護(hù)；3）接入層，設(shè)置在鐵路沿線區(qū)間，一般采用STM-4速率，分別利用鐵路兩側(cè)的光纜與匯聚層構(gòu)成環(huán)型復(fù)用段保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠鐖D1所示。

對(duì)沒有設(shè)置GSM-R的普速鐵路，光傳送網(wǎng)由兩層組成：1）骨干層，有的線路站站設(shè)置，有的線路僅在部分車站設(shè)置，一般采用STM-16速率。有雙光纜時(shí)，分別利用鐵路兩側(cè)的光纜構(gòu)成1+1鏈型線路保護(hù)；無雙光纜時(shí)，則用一條纜的4根芯構(gòu)成1+1鏈型線路保護(hù)；2）匯聚接入層，設(shè)置在各個(gè)車站，一般采用STM-4速率，利用骨干層構(gòu)成子網(wǎng)保護(hù)。

這一常規(guī)組網(wǎng)模式及其選用的技術(shù)體制，是由當(dāng)時(shí)以TDM業(yè)務(wù)為主的需求決定的。其強(qiáng)大的自愈保護(hù)能力、小于50 ms的快速切換性能，防止了因?yàn)楣饫|中斷（雙光纜條件下的單光纜中斷）造成的大面積業(yè)務(wù)癱瘓；嚴(yán)格的TDM復(fù)用技術(shù)，為承載業(yè)務(wù)提供物理上的獨(dú)立性和時(shí)間上的透明性，保障了承載業(yè)務(wù)的高性能指標(biāo)。

隨著ALL IP形勢(shì)的發(fā)展，無論是通信業(yè)務(wù)網(wǎng)、支撐網(wǎng)還是相關(guān)專業(yè)的控制/信息系統(tǒng)，開始大量采用IP技術(shù)，基于SDH的MSTP常規(guī)組網(wǎng)模式弊端日漸顯現(xiàn)。

1）設(shè)備提供的以太網(wǎng)端口極其有限，不能滿足越來越多的以太網(wǎng)、IP通道需求。

2）除非在業(yè)務(wù)板卡上預(yù)先匯聚，基于TDM技術(shù)的時(shí)隙分配機(jī)制，提供的專線通道之間不能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)復(fù)用，帶寬利用率低下。

3）常規(guī)組網(wǎng)模式不能避免單節(jié)點(diǎn)中斷特別是骨干節(jié)點(diǎn)中斷引起的大范圍業(yè)務(wù)中斷。

3 業(yè)務(wù)適應(yīng)性對(duì)策

從光傳送網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)路線看，分別經(jīng)歷了從PDH到SDH，從SDH到MSTP，從MSTP到PTN（分組傳送網(wǎng)）的技術(shù)變革，即準(zhǔn)同步→同步→分組傳送，其間還出現(xiàn)過非主流的RPR技術(shù)。目前廣泛采用的MSTP技術(shù)體制以TDM業(yè)務(wù)為主，分組業(yè)務(wù)為輔，其分組業(yè)務(wù)雖然具備一定的統(tǒng)計(jì)復(fù)用能力，但其交叉連接方式依然是TDM交叉連接，從整個(gè)系統(tǒng)層面看，帶寬依然是剛性分配方式，因此不能看作一次技術(shù)變革。

從前面的業(yè)務(wù)分析可以看出，鐵路區(qū)域光傳送網(wǎng)承載的時(shí)分電路需求越來越少，分組通道需求越來越多，面對(duì)這一局面，基于TDM技術(shù)的MSTP越來越“力不從心”。事實(shí)上，鐵路光傳送網(wǎng)面臨的局面并非孤立事件，而是整個(gè)電信業(yè)界面臨的共同問題，因此PTN應(yīng)運(yùn)而生。

PTN完全采用包傳送技術(shù)，其核心板件——交換板采用的是包交換技術(shù)，很明顯，PTN主要適應(yīng)的業(yè)務(wù)為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在分組業(yè)務(wù)占主導(dǎo)時(shí)將體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。MSTP和PTN兩者特點(diǎn)比較如表2所示。

表2 MSTP與PTN特點(diǎn)比較

PTN技術(shù)存在兩種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別是ITU-T和IETF聯(lián)合發(fā)布的MPLS-TP標(biāo)準(zhǔn)、IEEE發(fā)布的PBB/PBT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有的產(chǎn)品兩種標(biāo)準(zhǔn)均支持，有的產(chǎn)品僅支持其中一種。PTN繼承MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和多業(yè)務(wù)承載能力（PWE3），支持多種基于分組交換的雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)TDM仿真通道（CES），以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)分組業(yè)務(wù)連接通道；具有適合各種粗細(xì)顆粒業(yè)務(wù)、端到端的組網(wǎng)能力；PTN繼承了MSTP的保護(hù)性能，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接通道的保護(hù)切換可以在50 ms內(nèi)完成；可以控制連接信道的建立和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)QoS的區(qū)分和保證，具有靈活提供SLA等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，導(dǎo)致產(chǎn)品成熟度不高，部分廠家不支持環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

PTN采用了多種同步技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的頻率同步和時(shí)間/相位同步，在物理層利用線路編碼實(shí)現(xiàn)了頻率同步信息的傳送，在鏈路層利用IEEE 1588v2實(shí)現(xiàn)了時(shí)間/相位同步信息的傳送，主流產(chǎn)品的頻率同步精度和時(shí)間同步精度分別達(dá)到了0.01 ppm和0.3 μs。既為鐵路傳送網(wǎng)傳送高準(zhǔn)確度的時(shí)間信息提供了強(qiáng)有力的支持，又為GSM-R升級(jí)到3G或LTE打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

很明顯，如果鐵路區(qū)域傳送網(wǎng)采用PTN技術(shù)設(shè)備組網(wǎng)，對(duì)承載業(yè)務(wù)的適應(yīng)性、數(shù)據(jù)端口的提供能力以及帶寬復(fù)用效率將大大提高。然而，無論是《鐵路運(yùn)輸通信設(shè)計(jì)規(guī)范》還是《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》，對(duì)傳輸及接入的技術(shù)體制和速率等級(jí)規(guī)定過于狹窄——幾乎都是SDH和MSTP，對(duì)新出現(xiàn)的光傳送技術(shù)應(yīng)用形成了“政策障礙”，不得不說是一個(gè)十分遺憾的問題。

因此，筆者呼吁，在今后制定或修編工程設(shè)計(jì)規(guī)范以及相關(guān)技術(shù)政策時(shí)，應(yīng)該取消這類技術(shù)體制選擇上的“限制”，以適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求和不斷發(fā)展的通信技術(shù)變革。

4 光傳送網(wǎng)健壯性

與公眾電信網(wǎng)不同，鐵路光傳送網(wǎng)既為通信業(yè)務(wù)網(wǎng)提供通道，又為相關(guān)專業(yè)的控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)提供傳送通道。其中，許多專業(yè)要求“雙通道”，這些專業(yè)理解的“雙通道”，是不同物理徑路的雙光纜、物理上分開的雙傳送設(shè)備，與通信專業(yè)人員的理解一直存在差異和爭(zhēng)論。目前鐵路光傳送網(wǎng)除了新建工程的光纜基本采用雙光纜外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特別是重要節(jié)點(diǎn)并未配備雙物理設(shè)備，不僅未真正滿足相關(guān)專業(yè)的需求，也直接影響了通信業(yè)務(wù)網(wǎng)中語(yǔ)音調(diào)度通信系統(tǒng)的安全。

以圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，當(dāng)通信站A、B或車站1、4等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，幾乎所有的承載業(yè)務(wù)將中斷，如圖2所示。圖中粗黑線通道示例為GSM-R基站環(huán)，淺灰線通道示例為FAS環(huán)，虛線框內(nèi)為業(yè)務(wù)受影響的范圍。出現(xiàn)這一問題的根本原因：一是骨干層1+1線路倒換保護(hù)模式?jīng)]有自愈環(huán)健壯，二是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的所有通道集中在一臺(tái)設(shè)備上下，三是匯聚層的容量過小，既不能為骨干層提供保護(hù)，又不能替骨干層分擔(dān)負(fù)荷。針對(duì)此問題，有很多網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?qiáng)化方案，舉例如下。

方案1：升級(jí)匯聚層容量，為骨干層提供迂回通道或負(fù)荷分擔(dān)，如圖3所示，在該方案中，匯聚層容量升級(jí)到與骨干層相同的速率等級(jí)。對(duì)于各種環(huán)型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，出入通信站的通道分別分配到骨干層和匯聚層，對(duì)于星型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，將業(yè)務(wù)平均分配到骨干層和匯聚層。對(duì)于雙環(huán)、雙鏈拓?fù)錁I(yè)務(wù)，可以將兩個(gè)環(huán)分別分配到骨干層和匯聚層，對(duì)于環(huán)形通道可以統(tǒng)一從匯聚層入、從骨干層返回。

方案2：在波分系統(tǒng)（OTN/DWDM）覆蓋的區(qū)間，利用波分系統(tǒng)將骨干層構(gòu)成自愈環(huán)，如圖4所示。為避免通信站等重要業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)單節(jié)點(diǎn)失效造成大面積業(yè)務(wù)癱瘓，在這些場(chǎng)所設(shè)置雙套傳送系統(tǒng)。對(duì)于各種環(huán)型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，出入通信站的通道分別分配到通信站兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)于星型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，將業(yè)務(wù)平均分配到通信站兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于雙環(huán)、雙鏈拓?fù)錁I(yè)務(wù)，可以將兩個(gè)環(huán)分別分配到通信站兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于環(huán)形通道可以統(tǒng)一從一個(gè)節(jié)點(diǎn)入、從另一節(jié)點(diǎn)返回。

方案3：將骨干層和匯聚層合并成骨干匯聚層，在通信站、車站設(shè)置兩套節(jié)點(diǎn)設(shè)備并構(gòu)成自愈環(huán)，如圖5所示，接入層節(jié)點(diǎn)成環(huán)，分別掛接在兩個(gè)骨干匯聚層節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于各種環(huán)型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，出入通信站的通道分別分配到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)于星型拓?fù)錁I(yè)務(wù)，將業(yè)務(wù)平均分配到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于雙環(huán)、雙鏈拓?fù)錁I(yè)務(wù)，可以將兩個(gè)環(huán)分別分配到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于環(huán)形通道可以統(tǒng)一從一個(gè)節(jié)點(diǎn)入、從另一節(jié)點(diǎn)返回。在投資確實(shí)緊張的情況下，對(duì)于車站平均間距較小的鐵路，骨干層/匯聚層節(jié)點(diǎn)可以隔站設(shè)置。

強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)健壯性的變通方案還很多，不一一討論。上述方案中，雖然節(jié)點(diǎn)失效影響業(yè)務(wù)問題無法完全避免，但業(yè)務(wù)影響已經(jīng)壓縮到了極小范圍。當(dāng)然，無論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備、還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾渭訌?qiáng)，都避免不了電源失效、火災(zāi)等外部重大災(zāi)害的影響，而這些外部環(huán)境純粹以技術(shù)手段是無法保障的，需要靠制度保障。

提高光傳送網(wǎng)絡(luò)健壯性，需要增加一定的投資，但是，相對(duì)于相關(guān)專業(yè)雙網(wǎng)絡(luò)、雙通道、雙接口、雙物理徑路需求，相對(duì)于光傳送系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中的基礎(chǔ)平臺(tái)這一地位，這些投資是值得的。況且，現(xiàn)在的光傳送系統(tǒng)產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)十分低廉，無論在整個(gè)通信系統(tǒng)投資的占比，還是在鐵路建設(shè)投資中的占比，光傳送系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用增加十分有限。

5 結(jié)語(yǔ)

業(yè)務(wù)需求在不斷演進(jìn)，通信技術(shù)也日新月異，在鐵路光傳送網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，應(yīng)真正從業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，與時(shí)俱進(jìn)，敢于突破某些技術(shù)政策的“限制”，及時(shí)采用適當(dāng)?shù)男录夹g(shù)以良好地適應(yīng)各種新型業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，將鐵路光傳送網(wǎng)的健壯性、可靠性和可用性作為通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重中之重，并采取必要措施，確保相關(guān)專業(yè)對(duì)傳送通道的可靠性、可用性要求。