分組增強(qiáng)型OTN技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用研究

郭祥壽

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

城市軌道交通傳輸系統(tǒng)作為地鐵數(shù)字化的重要組成部分，為業(yè)務(wù)的穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行提供統(tǒng)一的承載通道，隨著軌道交通以視頻監(jiān)控以及云計(jì)算為代表的高流量、大帶寬的承載需要，軌道交通傳統(tǒng)的MSTP 技術(shù)已經(jīng)不能滿足持續(xù)發(fā)展的業(yè)務(wù)要求，必須引入新的承載網(wǎng)技術(shù)來(lái)滿足軌道交通日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)，促進(jìn)以云計(jì)算、物理網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用為代表的智慧地鐵的發(fā)展。

2 分組增強(qiáng)型OTN技術(shù)分析

2.1 基本定義

分組增強(qiáng)型OTN 是在OTN 基礎(chǔ)上，融合MSTP 和PTN 技術(shù)形成的綜合傳送技術(shù)，主要用于城域傳送網(wǎng)，解決OTN 無(wú)法接入E1 業(yè)務(wù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分組業(yè)務(wù)共享等問(wèn)題。同時(shí)還具備100 G 大帶寬線路傳輸能力，能夠通過(guò)DWDM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路100 G 傳輸[1]。

分組增強(qiáng)型OTN 處理的基本對(duì)象是ODUk 業(yè)務(wù)，同時(shí)又具備處理MSTP 和以太網(wǎng)開(kāi)銷的能力，這樣就能適配多種業(yè)務(wù)的接入、交換和傳輸[2]。分組平面采用MPLS-TP 協(xié)議進(jìn)行分組業(yè)務(wù)處理，能夠具備PTN 處理能力，同時(shí)又能夠通過(guò)ODUk 實(shí)現(xiàn)不同以太子網(wǎng)業(yè)務(wù)的物理隔離，能夠保證不同類型的分組業(yè)務(wù)之間互不干擾，也能滿足E1 業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)的隔離傳送。

2.2 分組增強(qiáng)型OTN技術(shù)優(yōu)勢(shì)

分組增強(qiáng)型OTN 融合了MSTP、PTN 以及OTN 3 者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著軌道交通業(yè)務(wù)高帶寬的發(fā)展需要，OTN 技術(shù)應(yīng)用于軌道交通傳輸承載網(wǎng)優(yōu)勢(shì)非常明顯。

1）大帶寬及帶寬平滑演進(jìn)

與分組增強(qiáng)型MSTP 技術(shù)最大僅能提供40 Gbit/s 的線路帶寬不同，分組增強(qiáng)型OTN 具備提供10 Gbit/s 和100 Gbit/s 混合線卡方案，并能通過(guò)License 授權(quán)方式按需提供10 G、20 G、40 G、100 G 帶寬，后期可不更換硬件平滑升級(jí)，最大限度保護(hù)投資，滿足地鐵云化和非云化高帶寬需求。

2）多平面轉(zhuǎn)發(fā)

國(guó)內(nèi)地鐵業(yè)務(wù)中還有不少仍然采用E1 接口承載，分組增強(qiáng)型OTN 采用多平面獨(dú)立轉(zhuǎn)發(fā)，既保證了以太網(wǎng)可以采用MPLS-TP 承載，又可以保證E1 業(yè)務(wù)通過(guò)SDH 硬管道承載，確保TDM 業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)性能。

3）物理隔離提升安全性

地鐵系統(tǒng)作為涉及公共安全的網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)安全性要求較高，各子系統(tǒng)間需要做到完全物理隔離。分組增強(qiáng)型OTN 為地鐵采用了ODU0（1.25G）、ODU1（2.5G）、ODU2（10G）物理硬管道方便各子系統(tǒng)進(jìn)行物理隔離。

2.3 分組增強(qiáng)型OTN業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式

1）MSTP 業(yè)務(wù)

分組增強(qiáng)型OTN 提供完整的MSTP 功能，能夠?qū)崿F(xiàn)E1 及STM-N 業(yè)務(wù)的封裝、映射和復(fù)用[3]，也能夠?qū)崿F(xiàn)EOS 功能。

2）分組業(yè)務(wù)

分組增強(qiáng)型OTN 設(shè)備的分組平面采用PTN傳送模式，支持FE、GE、10GE 業(yè)務(wù)接入，支持MPLS-TP（MPLS-Transport Profile）/PWE3 等技術(shù)[4]，可靈活的實(shí)現(xiàn)純分組模式或混合模式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高效統(tǒng)計(jì)復(fù)用。分組業(yè)務(wù)分為專線業(yè)務(wù)（VPWS）和專網(wǎng)業(yè)務(wù)（VPLS）兩種。由于地鐵的分組業(yè)務(wù)基本上都要實(shí)現(xiàn)帶寬共享，因此VPWS 業(yè)務(wù)在地鐵應(yīng)用較少。

3）OTN 業(yè)務(wù)

OTN 的映射與復(fù)用遵循ITU-T G.709 標(biāo)準(zhǔn)，可以支持多種客戶信號(hào)的映射和透明傳輸，并能提供對(duì)更大顆粒的2.5 G、10 G、40 G 業(yè)務(wù)的透明傳送的支持。OTN 目前定義的電層帶寬顆粒為光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk,k=1,2,3,4)[5]，即ODU0 （1.25 Gbit/s）、ODU1 (2.5 Gbit/s)、ODU2 (10 Gbit/s)、ODU3 (40 Gbit/s)和ODU4(100 Gbit/s)。

2.4 分組增強(qiáng)型OTN組網(wǎng)分析

1）單環(huán)組網(wǎng)

軌道交通最簡(jiǎn)單的組網(wǎng)就是單環(huán)組網(wǎng)，即所有節(jié)點(diǎn)全部接在一個(gè)物理環(huán)上面[6]。在這種組網(wǎng)模式下，環(huán)上所有車站均共享這個(gè)環(huán)的帶寬。

單環(huán)組網(wǎng)適用于車站較少的地鐵線路，一旦車站數(shù)量較多，組建單環(huán)會(huì)導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用帶寬減少，且發(fā)生倒換時(shí)會(huì)影響所有節(jié)點(diǎn)，因此更多的地鐵線路采用相切環(huán)或相交環(huán)。

2）相切環(huán)組網(wǎng)

相切環(huán)采用2 ～3 個(gè)環(huán)相切于OCC 的組網(wǎng)方式，業(yè)務(wù)只在各自的小環(huán)上進(jìn)行匯聚和帶寬共享，如圖1 所示。如果有分組跨環(huán)業(yè)務(wù)，則需要通過(guò)OCC 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交換。在這種組網(wǎng)模式下，每個(gè)車站的帶寬分配取決于每個(gè)小環(huán)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，與環(huán)的數(shù)量和總節(jié)點(diǎn)數(shù)沒(méi)有關(guān)系。一旦某一個(gè)環(huán)出現(xiàn)斷纖或者節(jié)點(diǎn)故障，則只有出問(wèn)題的小環(huán)產(chǎn)生保護(hù)倒換，其他環(huán)路業(yè)務(wù)不會(huì)產(chǎn)生倒換。

圖1 相切環(huán)組網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 Tangent ring network topology

相切環(huán)的組網(wǎng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，業(yè)務(wù)流向比較清晰，是當(dāng)前地鐵的主流組網(wǎng)方式之一，但是相切環(huán)的缺點(diǎn)在于，一旦OCC 節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則整網(wǎng)所有業(yè)務(wù)均無(wú)法到達(dá)OCC，也無(wú)法進(jìn)行跨環(huán)通信，因此目前越來(lái)越多的地鐵選擇相交環(huán)組網(wǎng)。

3）相交環(huán)組網(wǎng)

在地鐵相交環(huán)組網(wǎng)中，通常采用OCC 和車輛段作為相交點(diǎn)，2 ～3 個(gè)環(huán)在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相交，相交環(huán)通常用于設(shè)置備用OCC 線路，在車輛段完全復(fù)制一套OCC 的業(yè)務(wù)設(shè)備，這樣當(dāng)OCC 的設(shè)備出現(xiàn)整體故障時(shí)，備用OCC 就能夠接管業(yè)務(wù)系統(tǒng)，相交環(huán)的組網(wǎng)方式比相切環(huán)要復(fù)雜得多。

由于地鐵相交環(huán)采用的是VPLS 業(yè)務(wù)，為避免環(huán)路風(fēng)暴，同時(shí)有效提升相交兩環(huán)的帶寬，分組增強(qiáng)型OTN 配置了網(wǎng)絡(luò)側(cè)鏈路聚合組[7]（NNI LAG），把傳統(tǒng)的客戶側(cè)的聚合功能移植到了網(wǎng)絡(luò)側(cè)上，如圖2 所示。

圖2 相交環(huán)組網(wǎng)拓?fù)銯ig.2 Intersecting ring network topology

這樣，在主備控制中心之間可以配置NNI LAG，即把兩對(duì)或多對(duì)光纜通過(guò)鏈路聚合的方式在邏輯上捆綁成一對(duì)邏輯鏈路，從而避免鏈路出現(xiàn)環(huán)路，同時(shí)極大提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.5 分組增強(qiáng)型OTN保護(hù)方式和帶寬分析

分組增強(qiáng)型OTN 可提供MSTP、OTN 及分組保護(hù)技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)丟失、幀丟失、告警指示信號(hào)、超過(guò)門限的誤碼缺陷及指針丟失時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并保護(hù)倒換，倒換時(shí)間小于50 ms[8]。

地鐵TDM E1 業(yè)務(wù)采用SDH 進(jìn)行傳輸，保護(hù)方式采用環(huán)形復(fù)用段（RMSP）或SNCP；分組以太業(yè)務(wù)采用MPLS-TP 協(xié)議進(jìn)行傳輸，保護(hù)方式采用MRPS（MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護(hù)）。下面以應(yīng)用較多的環(huán)形復(fù)用段以及MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護(hù)兩種場(chǎng)景下的帶寬分配進(jìn)行分析。

1）環(huán)形復(fù)用段（HMSP）帶寬分析

地鐵環(huán)網(wǎng)場(chǎng)景下，一般會(huì)給TDM 業(yè)務(wù)分配2.5 G 帶寬，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)東西向各有1.25 G 工作帶寬，共2.5 G，如圖3 所示。在正常工作狀態(tài)下，每?jī)蓚€(gè)網(wǎng)元之間收發(fā)各采用1 根光纖，每根光纖的速率是2.5 G。從網(wǎng)元A 到網(wǎng)元B 收發(fā)兩根光纖，A →B 的2.5 G 可以分為1.25 G 工作（紅色）和1.25 G 保護(hù)（綠色），B →A 的2.5 G 同樣可以分為1.25 G 工作和1.25 G 保護(hù)。

在環(huán)網(wǎng)拓?fù)渲?，?duì)于節(jié)點(diǎn)D 來(lái)講，東西向物理帶寬即為東向1.25 G 主/1.25 G 備+西向1.25 G 主/1.25 G 備，業(yè)務(wù)1：A →B →C →D 路徑：1.25 G主/1.25 G 備；業(yè) 務(wù)2：A →F →E →D 路 徑：1.25 G 主/1.25 G 備。

此時(shí)對(duì)于節(jié)點(diǎn)D 來(lái)說(shuō)，總帶寬為1.25 G 主/1.25 G 備+1.25 G 主/1.25 G 備=2.5 G 主/2.5 G備，因此理論上來(lái)說(shuō)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總帶寬均為2.5 G 主+2.5 G 備。

當(dāng)發(fā)生斷纖時(shí)，環(huán)網(wǎng)啟動(dòng)HMSP 保護(hù)倒換。網(wǎng)元B 和C 之間的雙向光纖中斷，此時(shí)B 和C 均觸發(fā)HMSP 倒換，1.25 G-1 業(yè)務(wù)從A →B 經(jīng)過(guò)主用通道傳輸，然后在B 節(jié)點(diǎn)倒換到備用通道，通過(guò)A/F/E/D 路徑傳輸?shù)紺，再?gòu)腃 節(jié)點(diǎn)倒換到原來(lái)的主用通道上傳輸?shù)骄W(wǎng)元D。

圖3 HMSP保護(hù)倒換Fig.3 HMSP protection switching

此時(shí)，D 節(jié)點(diǎn)的總帶寬仍然為1.25 G 主/1.25 G 備+1.25 G 主/50 G 備，業(yè)務(wù)可用帶寬為2.5 G 主/2.5 G 備。

2）MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護(hù)（MRPS）帶寬分析

分組以太業(yè)務(wù)采用MPLS-TP 協(xié)議進(jìn)行傳輸，保護(hù)方式采用MRPS，如圖4 所示。在正常工作狀態(tài)下，每?jī)蓚€(gè)網(wǎng)元之間收發(fā)各采用1 根光纖，每根光纖的速率是100 G（以增強(qiáng)型MS-OTN 線路帶寬100 G 為例），從網(wǎng)元A 到網(wǎng)元B 收發(fā)兩根光纖，A →B 的100 G 可以全部用作工作通道（紅色），B →A 的100 G 同樣也可以全部用作工作通道（紅色）。

圖4 MRPS保護(hù)倒換Fig.4 MRPS protection switching

在環(huán)網(wǎng)拓?fù)渲?，?duì)于節(jié)點(diǎn)D 來(lái)講，東西向物理帶寬即為東向100 G 主+西向100 G 主，業(yè)務(wù)1：A →B →C →D；業(yè)務(wù)2：A →F →E →D。

當(dāng)發(fā)生斷纖時(shí)，環(huán)網(wǎng)啟動(dòng)MRPS 保護(hù)倒換。網(wǎng)元B 和C 之間的雙向光纖中斷，此時(shí)B 和C 均觸發(fā)MRPS 倒換，所有鏈路必須要分配一半帶寬作為備用業(yè)務(wù)通道，此時(shí)主備業(yè)務(wù)共用100 G 帶寬。50 G-1 業(yè)務(wù)從A →B 經(jīng)過(guò)主用通道傳輸，然后在B節(jié)點(diǎn)倒換到備用通道，通過(guò)A/F/E/D 路徑傳輸?shù)紺，再?gòu)腃 節(jié)點(diǎn)倒換到原來(lái)的主用通道上傳輸?shù)骄W(wǎng)元D。考慮在地鐵環(huán)網(wǎng)場(chǎng)景下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)東西向各有50 G工作帶寬，共100 G。即環(huán)網(wǎng)模式在保護(hù)場(chǎng)景下保證帶寬100 G，整個(gè)環(huán)網(wǎng)平均共享100 G 帶寬。

此時(shí)，D 節(jié)點(diǎn)的總帶寬為50 G 主/50 G 備+50 G 主/50 G 備=100 G 主/100 G 備，業(yè)務(wù)可用帶寬為100 G。低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)帶寬會(huì)被壓縮，以確保高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸。

在實(shí)際業(yè)務(wù)規(guī)劃中，建議主用業(yè)務(wù)不超過(guò)50 G，這樣能夠保證所有業(yè)務(wù)在倒換時(shí)都能保證全部有效帶寬。否則低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)帶寬會(huì)被壓縮，可能部分導(dǎo)致業(yè)務(wù)受損。

2.6 分組增強(qiáng)型OTN行業(yè)應(yīng)用

綜合以上關(guān)于OTN 的技術(shù)分析，OTN 不僅能夠應(yīng)用于城市軌道交通線路傳輸網(wǎng)，同時(shí)也能夠應(yīng)用于線網(wǎng)規(guī)模不大城市的軌道交通骨干傳輸網(wǎng)。

深圳地鐵6/10 號(hào)線在國(guó)內(nèi)首次采用了視頻監(jiān)控云化存儲(chǔ)系統(tǒng)，并計(jì)劃后續(xù)新建地鐵線路全面轉(zhuǎn)型為云化綜合承載網(wǎng)[8],線路傳輸網(wǎng)采用100 Gbit/s 增強(qiáng)型OTN 技術(shù)；廣州地鐵十三五線路為了適應(yīng)綜合監(jiān)控、視頻監(jiān)控、門禁、智能安檢等云化的需要，線路傳輸網(wǎng)也采用了100 Gbit/s 增強(qiáng)型OTN 技術(shù)，大大提高了業(yè)務(wù)承載能力。

3 OTN技術(shù)發(fā)展及演進(jìn)

在分組增強(qiáng)型OTN 中，E1 等小顆粒業(yè)務(wù)需要單獨(dú)分配一個(gè)2.5 G 的ODU1 顆粒進(jìn)行封裝，由于軌道交通的E1 業(yè)務(wù)越來(lái)越少，這實(shí)際上造成了傳輸帶寬的浪費(fèi)，同時(shí)帶寬調(diào)整也不靈活。因此，業(yè)界也在探索如何進(jìn)一步提升小顆粒業(yè)務(wù)的承載效率，以徹底取代MSTP 設(shè)備。

當(dāng)前已有主流傳輸系統(tǒng)廠家推出了Liquid OTN 技術(shù)，在復(fù)接映射以及傳輸層次上做了大幅優(yōu)化，如圖5 所示，使網(wǎng)絡(luò)硬切片的顆粒度達(dá)到2 ～10 Mbit/s，同時(shí)支持10 Mbit/s ～100 Gbit/s 無(wú)極無(wú)損帶寬調(diào)整。

Liquid OTN 將加速光傳送網(wǎng)從物理承載網(wǎng)絡(luò)向業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，當(dāng)前部分軌道交通仍然保留E1 業(yè)務(wù)，Liquid OTN 可以大幅度減少承載E1業(yè)務(wù)所需的帶寬，進(jìn)一步提升帶寬利用率，為地鐵業(yè)務(wù)后續(xù)平滑演進(jìn)提供技術(shù)上的保障。

圖5 Liquid OTN業(yè)務(wù)層次示意圖Fig.5 Schematic diagram of liquid OTN service level

4 結(jié)束語(yǔ)

分組增強(qiáng)型OTN 滿足地鐵城軌云模式下業(yè)務(wù)承載需要，同時(shí)能夠適應(yīng)智慧地鐵的各種應(yīng)用需求，為大容量的業(yè)務(wù)承載提供了充足的平臺(tái)。同時(shí)，分組增強(qiáng)型OTN 具有多業(yè)務(wù)接入、物理隔離、相交環(huán)組網(wǎng)的能力，為后續(xù)地鐵線網(wǎng)傳輸網(wǎng)發(fā)揮更大作用提供了承載前提。

傳輸網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)和不斷優(yōu)化，為軌道交通智能化、智慧化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，必將引領(lǐng)智慧地鐵起航。