鐵路通信骨干傳輸網(wǎng)京滬穗、東南環(huán)改造工程建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)研究

胡 新

鐵路通信骨干傳輸網(wǎng)京滬穗、東南環(huán)改造工程是落實鐵路總公司 《十二五鐵路通信網(wǎng)規(guī)劃》首次進(jìn)行的鐵路通信骨干傳輸網(wǎng)1／4號環(huán)建設(shè)項目。新建骨干傳輸網(wǎng)1／4號以京廣客專、京九鐵路、京滬高鐵及沿海通道為三條縱向，鄭徐客專、滬漢蓉通道、杭長客專、向蒲鐵路、贛龍線及龍廈線為五條橫向，形成“三縱五橫”的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，涉及鐵路總公司和北京、鄭州、武漢、濟(jì)南、上海、南昌、廣鐵 （集團(tuán)）等7個鐵路局，覆蓋我國華北、華中、華東和華南經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)的鐵路干線。網(wǎng)絡(luò)采用光傳送網(wǎng) （OTN）和同步數(shù)字系列 （SDH）技術(shù)體制，其中光傳送網(wǎng) （OTN）采用40波系統(tǒng)，按單波10Gb／s和單波100Gb／s混合組網(wǎng)，同步數(shù)字系列 （SDH）采用多業(yè)務(wù)傳送平臺 （MSTP）技術(shù)，利用光傳送網(wǎng) （OTN）波道組建多個四纖雙向復(fù)用段保護(hù)環(huán)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置在總公司、鐵路局、鐵路樞紐等重要節(jié)點，為總公司至鐵路局、各鐵路局間提供業(yè)務(wù)承載，為鐵路匯聚／局干傳輸系統(tǒng)提供上層保護(hù)通道。

1 工程建設(shè)主要經(jīng)驗

為適應(yīng)骨干通信網(wǎng)全程全網(wǎng)的技術(shù)特性，滿足骨干通信網(wǎng)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)要求，京滬穗、東南環(huán)改造工程按照 “統(tǒng)一方案、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一制式、統(tǒng)一實施”原則，采用總公司統(tǒng)一組織，相關(guān)鐵路局共同實施的建設(shè)模式。建設(shè)流程分為設(shè)計、采購、施工三個主要階段，包含可研及初設(shè)、技術(shù)規(guī)格書編制、主設(shè)備及附屬配套設(shè)備采購、到貨組織、設(shè)計聯(lián)絡(luò)、首站定標(biāo)、施工組織、工程調(diào)試、質(zhì)量測試、驗收組織等11項內(nèi)容。

設(shè)計階段主要完成可研方案和初步設(shè)計方案的編制和論證，重點確定總體技術(shù)方案，明確建設(shè)總體范圍。采購階段主要任務(wù)是做好主設(shè)備技術(shù)規(guī)格書編制，按采購流程依法合規(guī)實施主設(shè)備及附屬配套設(shè)備采購工作。施工階段是工程的實戰(zhàn)階段，主要任務(wù)是安全、規(guī)范、有序地完成到貨組織、設(shè)計聯(lián)絡(luò)、首站定標(biāo)、施工組織、工程調(diào)試、質(zhì)量測試、驗收組織、試運(yùn)行等各項工作，確保工程按期保質(zhì)完成。

在工程建設(shè)過程中，重點做好了強(qiáng)化組織領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一方案標(biāo)準(zhǔn)、詳細(xì)技術(shù)論證、精細(xì)過程控制、嚴(yán)把驗收測試等幾方面工作。

1．總公司統(tǒng)籌組織，各鐵路局密切協(xié)同，同步可研、同步設(shè)計、聯(lián)合采購、同步實施，是確保項目總體階段按期保質(zhì)完成的基礎(chǔ)。

2．由承擔(dān)總公司節(jié)點的建設(shè)單位、設(shè)計單位作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、組網(wǎng)方案的總牽頭，聯(lián)系和協(xié)調(diào)其他參建單位，統(tǒng)一全網(wǎng)組網(wǎng)方案、系統(tǒng)技術(shù)制式，協(xié)調(diào)確定局間、網(wǎng)間接口技術(shù)要求，統(tǒng)一技術(shù)規(guī)格。這是實現(xiàn)骨干傳輸網(wǎng)全程全網(wǎng)技術(shù)、管理要求的有效方式。

3．周密組織技術(shù)研究論證。針對工程首次采用的單波100Gb／s光傳送網(wǎng) （OTN）技術(shù)，在前期可研設(shè)計階段組織科研院所搭建測試平臺，研究、論證國內(nèi)各主流廠家設(shè)備的主要功能特性和技術(shù)指標(biāo)，為完善、優(yōu)化設(shè)計方案提供了重要技術(shù)支撐。

4．各單位電務(wù)管理部門在施工階段主動上手，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，組織、協(xié)調(diào)、指導(dǎo)相關(guān)部門和單位全程把控過程管理，確保到貨、安裝、調(diào)試、測試、驗收各環(huán)節(jié)有序推進(jìn)，按期完成。

5．嚴(yán)把驗收測試結(jié)果。在工程質(zhì)量測試階段，統(tǒng)籌組織測試工作，詳細(xì)研究、制定測試方法和方案，嚴(yán)格把控測試指標(biāo)，確保系統(tǒng)各項質(zhì)量指標(biāo)符合要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)研究

光傳送網(wǎng) （OTN）是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是工程建設(shè)調(diào)試過程中的工作重點和技術(shù)難點。關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下。

2．1 光信噪比 （OSNR）

光信噪比 （OSNR）是衡量光傳送系統(tǒng)質(zhì)量的核心指標(biāo)，用于檢驗被測點光信號功率和噪聲功率的比值，直接反應(yīng)信號的質(zhì)量。

2．1．1 測試參考點選擇

光傳送網(wǎng) （OTN）系統(tǒng)參考點如圖1所示。

測試參考點1，即MPI－SM點是發(fā)送端光傳送網(wǎng) （OTN）設(shè)備經(jīng)光放大器增益后進(jìn)入光纜線路的節(jié)點，該點測試所得的OSNR用于檢驗單機(jī)設(shè)備發(fā)送端光信號質(zhì)量。

測試參考點2，即 MPI－RM點是經(jīng)光纜線路、光接口板 （如有）、OLP保護(hù)裝置 （如有）等進(jìn)入接收端光傳送網(wǎng) （OTN）設(shè)備放大器之前的節(jié)點，該點測試所得OSNR用于檢測接收端信號質(zhì)量。

測試參考點3，是在測試參考點2之后經(jīng)各級光放大器、色散補(bǔ)償 （如有）進(jìn)入分波器之前的節(jié)點，該點測試所得OSNR用于更全面的檢測接收端信號質(zhì)量。

在工程建設(shè)調(diào)試及驗收測試中，可對測試參考點1進(jìn)行抽測檢驗，應(yīng)對測試參考點2、測試參考點3進(jìn)行重點檢驗，并優(yōu)先選擇測試參考點3作為工程建設(shè)調(diào)試及驗收測試的參考測試點。

圖1 光傳送網(wǎng) （OTN）系統(tǒng)參考點

2．1．2 接收端OSNR測試指標(biāo)

接收端OSNR測試指標(biāo)應(yīng)按照單波10Gb／s系統(tǒng)和單波100Gb／s系統(tǒng)分別給定。

單波10Gb／s系統(tǒng)OSNR指標(biāo)，應(yīng)按照 《波分復(fù)用 （WDM）光纖傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（YD／T 5092），根據(jù)系統(tǒng)的光傳送段設(shè)計模型選定；或按照系統(tǒng)接收機(jī)光性噪比容限加上5dB OSNR系統(tǒng)代價和余量進(jìn)行給定。以3×33dB模型為例，信噪比指標(biāo)為20dB，同時根據(jù)接收機(jī)信噪比容限計算信噪比指標(biāo)為16．5dB，兩者取高值20dB作為系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)。

單波100Gb／s系統(tǒng)應(yīng)根據(jù) 《N×100Gb／s光波分復(fù)用 （WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》 （YD／T 2485），采用相似方法給定。在京滬穗、東南環(huán)改造工程中，取18．5dB作為系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)。 （注：隨著糾錯和判決技術(shù)的發(fā)展，單波100Gb／s系統(tǒng)接收端信噪比容限進(jìn)一步降低，因此接收端信噪比指標(biāo)要求可進(jìn)一步降低，業(yè)界正在進(jìn)行有關(guān)研究論證。）

2．2 光線路保護(hù)技術(shù) （OLP）

光線路保護(hù)技術(shù) （OLP）是在發(fā)送端將發(fā)送信號經(jīng)放大器放大后，通過分光單元等分成2路送入不同的2根光纖線路傳送，在接收端同時接收2路信號，并優(yōu)選光功率質(zhì)量較好的一路，以提高系統(tǒng)可靠性，避免光纜單路中斷對系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響，系統(tǒng)原理如圖2所示。其主要技術(shù)指標(biāo)包括自動切換時間和自動倒換門限。

圖2 OLP系統(tǒng)原理圖

2．2．1 自動切換時間

自動切換時間是從OLP裝置監(jiān)測到光纖線路出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號異常開始，到經(jīng)光纖線路自動切換系統(tǒng)實現(xiàn)切換后信號恢復(fù)正常的時間。根據(jù)《光纖線路自動切換保護(hù)裝置技術(shù)條件》 （YD／T1529），雙發(fā)選收工作模式下自動切換時間應(yīng)＜25ms。在實際工程測試中，單獨對端到端光線路倒換進(jìn)行測試難以搭建測試環(huán)境，因此采用從兩端客戶側(cè)引入測試信號，通過客戶側(cè)端到端業(yè)務(wù)受損時間，來反映OLP自動切換時間，業(yè)務(wù)受損時間應(yīng)＜50ms。

2．2．2 自動倒換門限

通常情況下，當(dāng)OLP檢測到工作光纖光信號丟失，會立即啟動倒換。自動倒換門限是指OLP裝置監(jiān)測到主用光纖線路收光功率發(fā)生劣化，啟動切換或觸發(fā)告警的門限，此時工作光纖信號并未完全丟失，而是性能指標(biāo)已劣于保護(hù)光纖。在工程調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)在確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，盡量控制切換發(fā)生概率，降低切換過程對業(yè)務(wù)影響。因此切換門限的設(shè)置應(yīng)根據(jù)接收機(jī)接收靈敏度、工作光纖、保護(hù)光纖工程調(diào)試值綜合確定。首先門限值不應(yīng)低于接收機(jī)靈敏度并宜預(yù)留2～3dB余量，其次工程中工作光纖、保護(hù)光纖光功率應(yīng)盡量調(diào)平，功率差不宜大于3dB，最后切換門限宜按照低于主用光纖工程調(diào)試值5dB設(shè)置，或按照低于保護(hù)光纖工程調(diào)試值2～3dB設(shè)置，告警門限值應(yīng)按照維護(hù)余量和光纜維護(hù)指標(biāo)要求綜合確定。一般在工程建設(shè)中宜將切換門限設(shè)置為5dB、告警門限設(shè)置為3dB。

2．3 單波入纖光功率

單波入纖光功率指單波光信號通過合波器，經(jīng)光放大器放大后進(jìn)入光纜線路的單波光功率，發(fā)送信號流程見圖3。其中，

圖3 發(fā)送信號流程圖

在工程調(diào)試中，需要將各單波功率調(diào)至平衡，所以P1＝P2＝……＝PN，假設(shè)均為P0，則上式可簡化為：

P單1為經(jīng)過放大器后的單波平均光功率。

P單2接口插入損耗后進(jìn)入光纖線路的單波平均光功率。

理論上，發(fā)送端發(fā)送光功率越高，經(jīng)光纜線路傳送后到達(dá)接收端的收光功率越高，但在工程實踐中卻要受到放大器發(fā)送總功率P總2和線路發(fā)送總功率P總3的限制。依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和主流設(shè)備實際情況，放大器的總輸出光功率不能無限增大，目前主要有20dBm和23dBm二種，因此根據(jù)公式3和公式4可知：

N表示系統(tǒng)最大波道數(shù)量，為了盡可能提高發(fā)送端光功率，應(yīng)嚴(yán)格按照系統(tǒng)的設(shè)計容量取定N值。對于滿配置容量不超過36波的系統(tǒng)，計算可得，在放大器總輸出光功率為20dBm時，P單1為4．5dBm；在放大器總輸出光功率為23dBm時，P單1為7．5dBm。

實際上，光纖線路傳送過程中存在非線性效應(yīng)的影響，進(jìn)入光纖線路的光功率過高，非線性效應(yīng)負(fù)面影響會超過發(fā)送光功率提升對接收端光性能質(zhì)量提升的影響，所以按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于系統(tǒng)容量40波、單波100Gb／s系統(tǒng)，進(jìn)入光纖線路的單波平均光功率為4dBm。根據(jù)公式4和公式6，P單2＝P單1－L2，在京滬穗、東南環(huán)工程中，L2主要包括OLP板插入損耗3．5dB和線路接口板1．5dB，因此P單2最大為2．5dBm，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2．4 時間同步傳遞技術(shù) （1588V2）

隨著鐵路通信無線網(wǎng)逐步向LTE等寬帶無線技術(shù)演進(jìn)以及鐵路信息化業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，對時間同步性能的要求越來越高，1588V2作為高精度的地面時間同步方案，較傳統(tǒng)時間同步方案具有精度高、成本低、技術(shù)實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。鐵路通信骨干傳輸網(wǎng)作為基礎(chǔ)承載網(wǎng)，將負(fù)責(zé)承載時間同步信號的傳遞，因此在當(dāng)前及今后建設(shè)過程中，要求新建光傳送網(wǎng) （OTN）應(yīng)具備1588V2時間傳遞能力，具備條件的應(yīng)同步實現(xiàn)功能。IEEE1588協(xié)議同步原理見圖4。

圖4 1588V2協(xié)議同步原理圖

同步過程：

t1時刻主控機(jī)發(fā)送同步消息報文，帶t1時刻信息。t1的時刻值由主控機(jī)通過MAC層以下的邏輯直接填充。

t2時刻客戶機(jī)接收到同步消息報文。

t3時刻客戶機(jī)發(fā)送時延請求消息報文。

t5時刻主控機(jī)發(fā)送時延響應(yīng)消息報文，攜帶t4時刻信息。

假設(shè)主控機(jī)和客戶機(jī)初始的時間差為offset，主控機(jī)與客戶機(jī)間傳輸延時為delay。

根據(jù)公式8、公式9可得：

可以看出，以上公式是建立在t1到t2階段的delay數(shù)值和t3到t4階段的delay數(shù)值一樣的前提下，即收、發(fā)雙方向傳輸延時完全對稱，但在實際工程中必然會存在雙向延時不一致情況，從而引入誤差，因此在1588V2技術(shù)實現(xiàn)方式選擇及工程調(diào)試階段要努力消除雙向延時不對稱誤差，以提高精度和可靠性，主要方法如下。

1．優(yōu)先使用監(jiān)控信道來傳遞1588V2協(xié)議，監(jiān)控信道不經(jīng)過交叉板、合／分波器、放大板，受系統(tǒng)處理延時雙向不對稱影響較小。

2．采用單纖雙向或同纜雙纖雙向工作模式，盡量減少光纖線路雙向物理傳輸延時差。兩種工作模式各有優(yōu)缺點，單纖雙向模式雖然光纖物理長度一致，但收／發(fā)不同波長信號在光纖材質(zhì)中傳輸速率不一致會引起誤差，雙纖雙向模式則存在光纖物理長度不一致引起誤差情況，均需要通過計算后設(shè)置補(bǔ)償。

3．對于承載時間同步鏈路，且配置有OLP保護(hù)或光復(fù)用段保護(hù) （OMSP）的區(qū)段，應(yīng)將切換模式設(shè)置為雙向保護(hù)倒換模式。

4．要合理設(shè)置延時測量周期，或在每次發(fā)生倒換后手動啟動延時測量。

3 總結(jié)

鐵路通信骨干傳輸網(wǎng)京滬穗、東南環(huán)改造工程的順利完成，為鐵路通信傳輸網(wǎng)后續(xù)建設(shè)和維護(hù)管理積累了經(jīng)驗、奠定了基礎(chǔ)。要繼續(xù)完善本次工程建設(shè)過程中的建設(shè)組織形式和工作流程，用于指導(dǎo)后續(xù)鐵路通信骨干建設(shè)，對關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)，在后續(xù)工程建設(shè)中應(yīng)結(jié)合工程具體情況，重點研究把控，確保工程建設(shè)質(zhì)量。

［1］ 中華人民共和國鐵道部 ．鐵運(yùn)〔2013〕10號 ．關(guān)于發(fā)布《十二五鐵路通信網(wǎng)規(guī)劃》的通知［S］．2013．

［2］ 中國鐵路總公司辦公廳 ．鐵總辦運(yùn)〔2014〕34號 ．關(guān)于加快推進(jìn)鐵路骨干通信網(wǎng)改造工作的通知［S］．2014

［3］ YD／T 5092－2014．波分復(fù)用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］ YD／T 2485－2013．N×100Gb／s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求［S］．

［5］ YD／T 1529－2006．光纖線路自動切換保護(hù)裝置技術(shù)條件［S］．