下一代鐵路通信傳輸網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究

沙玉林

目前在鐵路通信傳輸網(wǎng)中，基于SDH的MSTP技術(shù)仍然是主流。但隨著鐵路移動(dòng)通信5G-R時(shí)代的到來，云平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用以及鐵路通信業(yè)務(wù)的IP化趨勢(shì)加速，傳輸網(wǎng)所承載的業(yè)務(wù)必將發(fā)生巨大的變化。MSTP技術(shù)將逐漸退出歷史舞臺(tái)，因此，下一代鐵路通信傳輸網(wǎng)需要引進(jìn)新的主流傳輸技術(shù)以適應(yīng)各種變化，并根據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和需求，合理組建網(wǎng)絡(luò)。

1 鐵路通信傳輸網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)分析

1.1 業(yè)務(wù)分類

鐵路通信傳輸網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)按照業(yè)務(wù)性質(zhì)大致可以劃分為安全類、輔助行車及監(jiān)測(cè)類、其他等3類。

第1類：涉及安全的業(yè)務(wù)。主要包括行車安全、資金安全和公共安全。涉及行車安全的，主要包括CTC、TDCS、C3區(qū)段的GSM-R/5G-R、信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)（通信只提供光纖）、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、紅外監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)；涉及資金安全的，主要是客票業(yè)務(wù)；涉及公共安全的，主要是公安信息系統(tǒng)（不含視頻）。

第2類：輔助行車及監(jiān)測(cè)類的業(yè)務(wù)。主要包括：①通信，C2及以下區(qū)段的GSM-R/5G-R、調(diào)度電話、語音記錄儀、電源及環(huán)境監(jiān)控、應(yīng)急、數(shù)據(jù)網(wǎng)、時(shí)鐘同步、時(shí)間同步等；②信號(hào)，微機(jī)監(jiān)測(cè)等；③信息，旅客服務(wù)及其他信息系統(tǒng)等；④供（變）電/電力，遠(yuǎn)動(dòng)、維護(hù)、固標(biāo)等；⑤接觸網(wǎng)，6C業(yè)務(wù)；⑥車輛，車號(hào)自動(dòng)識(shí)別等。

第3類：其他業(yè)務(wù)。主要包括綜合視頻監(jiān)控、自動(dòng)電話、綜合網(wǎng)管，以及客運(yùn)管理、辦公等。

1.2 業(yè)務(wù)對(duì)傳輸網(wǎng)的需求分析

由以上業(yè)務(wù)分類可以看出，業(yè)務(wù)的性質(zhì)不同，業(yè)務(wù)種類對(duì)傳輸網(wǎng)的要求也不一樣。有的業(yè)務(wù)要求傳輸網(wǎng)具有高可靠性，如涉及安全的業(yè)務(wù)，此時(shí)傳輸網(wǎng)的最佳選擇是組建獨(dú)立的雙系統(tǒng)（目前的傳輸網(wǎng)對(duì)信號(hào)CTC、電子客票等業(yè)務(wù)的承載已經(jīng)按照雙系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行）；有的業(yè)務(wù)要求傳輸網(wǎng)具有大帶寬，如數(shù)據(jù)網(wǎng)、遠(yuǎn)期5G-R業(yè)務(wù)在車站以上部分，綜合視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等，此時(shí)傳輸網(wǎng)的最佳選擇是組建大帶寬系統(tǒng)，如使用波分系統(tǒng)組網(wǎng)；有的業(yè)務(wù)要求傳輸網(wǎng)具有低時(shí)延，如5G-R業(yè)務(wù)、某些監(jiān)測(cè)類業(yè)務(wù)，此時(shí)傳輸網(wǎng)的最佳選擇是網(wǎng)元數(shù)量盡量少，網(wǎng)絡(luò)簡潔，邏輯簡單，組網(wǎng)靈活；有的業(yè)務(wù)要求傳輸網(wǎng)有特殊功能，如高精度時(shí)間同步要求等，此時(shí)傳輸網(wǎng)的技術(shù)選擇應(yīng)有所限制；有的業(yè)務(wù)只要求通信專業(yè)提供光纖，如信號(hào)的安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、5G-R車站以下（此類業(yè)務(wù)目前尚不十分明確），對(duì)傳輸網(wǎng)無要求。

另外，隨著高速鐵路和通信信息技術(shù)的飛速發(fā)展，TDM類業(yè)務(wù)正在逐步萎縮，將很快消失，取而代之的是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)。

2 鐵路通信傳輸網(wǎng)的技術(shù)選擇

2.1 SDH/MSTP技術(shù)存在的問題

在鐵路通信以TDM業(yè)務(wù)為主的時(shí)代，SDH/MSTP是非常適合的傳輸技術(shù)，它以帶寬剛性、保護(hù)完善著稱。但隨著業(yè)務(wù)的變化，鐵路通信越來越多的以IP業(yè)務(wù)為主流，對(duì)帶寬的需求變得彈性、靈活，SDH/MSTP技術(shù)也就越來越顯示出了其不適應(yīng)性。另外，SDH/MSTP不具備對(duì)IEEE 1588v2的支持，對(duì)一些新增業(yè)務(wù)無法提供服務(wù)。

綜合上述分析，急需尋找一種新的合適的傳輸技術(shù)來作為鐵路通信傳輸網(wǎng)的主流技術(shù)。

2.2 技術(shù)選擇

近年來，通信光傳輸領(lǐng)域涌現(xiàn)了OTN/P-OTN、IPRAN、PTN/SPN等多種技術(shù)。OTN/P-OTN是波分復(fù)用技術(shù)，其中P-OTN技術(shù)是OTN技術(shù)與PTN（分組傳送網(wǎng)）技術(shù)的融合，適合大顆粒業(yè)務(wù)承載和長距離通信傳輸，在前期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，鐵路通信骨干層傳輸網(wǎng)以及部分局內(nèi)匯聚層傳輸網(wǎng)中大量采用了OTN技術(shù)；跟PTN技術(shù)相比，IPRAN技術(shù)是一種更偏向于交換的技術(shù)，因此不太適合鐵路通信傳輸網(wǎng)這種帶寬“剛性”需求較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。另外，在系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理等方面，IPRAN技術(shù)要比PTN技術(shù)復(fù)雜得多。因此長遠(yuǎn)看，IPRAN技術(shù)不太適合在鐵路通信中應(yīng)用。

PTN技術(shù)是一種以分組業(yè)務(wù)為核心的技術(shù)，并且支持多種業(yè)務(wù)，采用基于二層交換的分組架構(gòu)。PTN技術(shù)有多種保護(hù)方式可以選擇，各層面的保護(hù)機(jī)制均比較完善。SPN技術(shù)是PTN技術(shù)與SDN（軟件定義光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的有機(jī)融合，可以使業(yè)務(wù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的配置管理維護(hù)更加智能化。

下一代鐵路通信傳輸網(wǎng)的技術(shù)選擇應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)的需求及發(fā)展，以及各種傳輸技術(shù)的特點(diǎn)做出合理的選擇。傳輸網(wǎng)的骨干層和匯聚層適合采用OTN/P-OTN技術(shù)，接入層則適合采用SPN技術(shù)。

3 鐵路通信傳輸網(wǎng)組網(wǎng)研究

3.1 傳輸網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)的關(guān)系及界面研究

在研究鐵路通信傳輸網(wǎng)組網(wǎng)之前，首先需要探討傳輸網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)的界面問題。

鐵路通信承載網(wǎng)包括傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)。在SDH時(shí)代，傳輸網(wǎng)被視作“通道”，因此跟數(shù)據(jù)網(wǎng)的界面是清晰的，即便MSTP也承擔(dān)了一部分局域網(wǎng)的功能，但那也僅僅是IP端口適配和通道匯聚的功能，不能將MSTP當(dāng)作數(shù)據(jù)網(wǎng)的一部分。但隨著傳輸網(wǎng)技術(shù)向著PTN、IPRAN等方向發(fā)展時(shí)，就有取代數(shù)據(jù)網(wǎng)功能的可能。尤其是IPRAN技術(shù)，脫胎于路由器，本身就是一種數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備。

目前，鐵路通信承載網(wǎng)有2個(gè)發(fā)展方向：一是兩者融合，由一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也即只建設(shè)傳輸網(wǎng)，由傳輸網(wǎng)兼顧數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能；另一個(gè)是二者分開建設(shè)，仍然保持傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)兩張網(wǎng)。

經(jīng)過多年的建設(shè)，數(shù)據(jù)網(wǎng)已經(jīng)成為鐵路通信網(wǎng)中的一個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，擁有龐大的用戶群和一套完整的管理方案。如果將其功能并進(jìn)傳輸網(wǎng)，勢(shì)必帶來傳輸網(wǎng)的復(fù)雜程度急劇加深，從而造成其性能的降低。另外，為了信息安全，目前一些重要業(yè)務(wù)只在傳輸網(wǎng)傳送（如客票、CTC、公安等），而數(shù)據(jù)網(wǎng)中的用戶和業(yè)務(wù)相對(duì)更繁雜，若并到傳輸網(wǎng)，也可能會(huì)對(duì)傳輸網(wǎng)造成一定的影響。

因此，傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)分開建設(shè)應(yīng)更為合理，這樣可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)網(wǎng)對(duì)IP業(yè)務(wù)的分類承載功能，尤其是三層功能。數(shù)據(jù)網(wǎng)的規(guī)?？刂圃谲囌疽陨希囌局羺^(qū)間仍然由傳輸網(wǎng)完成信息傳送，二者的接口在車站。這樣既可以保持與傳輸網(wǎng)的界面清晰，又限制了數(shù)據(jù)網(wǎng)過度向下延伸造成網(wǎng)絡(luò)過于龐大。

3.2 骨干層

鐵路通信傳輸網(wǎng)的骨干層主要為解決鐵路局至國鐵集團(tuán)、鐵路局至鐵路局之間的業(yè)務(wù)通道，它是一個(gè)全國性的網(wǎng)絡(luò)。目前，已經(jīng)建成的骨干層網(wǎng)絡(luò)采用的是OTN技術(shù)，一般為10G/100G混傳。在未來的一段時(shí)間，只需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層面的完善即可，本文不再贅述。

3.3 匯聚層

匯聚層主要解決鐵路局內(nèi)各業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)至路局所在地之間的業(yè)務(wù)通道，一般包括鐵路局內(nèi)的區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)（局內(nèi)匯聚層）和各鐵路線的匯聚層網(wǎng)絡(luò)（線路匯聚層）2部分。

3.3.1局內(nèi)匯聚層

目前，部分鐵路局已經(jīng)建成了傳輸網(wǎng)的局內(nèi)匯聚層，網(wǎng)絡(luò)一般采用OTN技術(shù)，輔以SDH設(shè)備解決一些小顆粒業(yè)務(wù)。早期的局內(nèi)匯聚層一般是沿著既有普速鐵路線建設(shè)，隨著高鐵和客專的發(fā)展，這些既有節(jié)點(diǎn)顯得力不從心，因此對(duì)局內(nèi)匯聚層包括樞紐匯聚層的完善也應(yīng)該提前規(guī)劃，補(bǔ)齊必要的節(jié)點(diǎn)，才能充分發(fā)揮它的作用。另外，局內(nèi)匯聚層網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)考慮容量問題。大部分局內(nèi)通道均指向鐵路局所在地，若所有線路匯聚層均建成OTN/P-OTN網(wǎng)絡(luò)，可以預(yù)見局內(nèi)匯聚層的帶寬瓶頸將很快到來。因此，局內(nèi)匯聚層應(yīng)在初期規(guī)劃時(shí)就充分考慮波道的可擴(kuò)充性，以及單波道的帶寬能力（應(yīng)考慮單波道100G系統(tǒng)）。

3.3.2 線路匯聚層

如前文所述，SDH/MSTP技術(shù)已經(jīng)不適合未來的線路匯聚層，而是應(yīng)該選擇OTN/P-OTN技術(shù)。

線路匯聚層設(shè)備的設(shè)置按照綜合考慮節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量、節(jié)點(diǎn)重要性、節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)期發(fā)展和節(jié)點(diǎn)間距等因素布設(shè)，不必站站布設(shè)。

線路匯聚層的組網(wǎng)，可以組成光線路保護(hù)OLP 1+1系統(tǒng)，遠(yuǎn)期成網(wǎng)后，可與其他線路的系統(tǒng)一起組建環(huán)網(wǎng)，作為局內(nèi)匯聚層的一部分，逐漸融合成一個(gè)完整的匯聚層網(wǎng)絡(luò)。

由于數(shù)據(jù)網(wǎng)的組網(wǎng)可以按照區(qū)間光纖直連，兩頭接入線路匯聚層的方式，因此線路匯聚層的波道分配，初期可以參照如下原則：2波用于接入層接入通道；2波用于5G-R通道；2波用于數(shù)據(jù)網(wǎng)通道；2波用于局內(nèi)匯聚層成環(huán)業(yè)務(wù)使用（規(guī)劃預(yù)留）。

3.4 接入層

3.4.1 接入層組網(wǎng)原則

鐵路通信傳輸網(wǎng)的接入層是直接面向用戶的網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是業(yè)務(wù)種類繁多，節(jié)點(diǎn)分散。對(duì)接入層的組網(wǎng)研究，立足于2個(gè)條件：①5G-R采用CU、DU、AAU組網(wǎng)方案，車站DU—區(qū)間AAU采用裸光纖組網(wǎng)方式；②信號(hào)專業(yè)、客票的需求按照雙設(shè)備考慮。前文已經(jīng)述及，接入層采用SPN組網(wǎng)則更為合適。區(qū)間接入層按照2個(gè)SPN環(huán)（10GE）獨(dú)立組網(wǎng)考慮，車站內(nèi)接入層組建一個(gè)SPN環(huán)（10GE）。鐵路通信傳輸網(wǎng)組網(wǎng)示意見圖1。

圖1 鐵路通信傳輸網(wǎng)組網(wǎng)示意

3.4.2 區(qū)間業(yè)務(wù)解決方案

通過對(duì)區(qū)間的業(yè)務(wù)分析可以發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)通信采用5G-R以后，區(qū)間傳輸節(jié)點(diǎn)大為減少，也將造成區(qū)間傳輸節(jié)點(diǎn)間距加大。這就帶來了一系列的變化。

需要解決的區(qū)間業(yè)務(wù)主要是災(zāi)害監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)動(dòng)、警務(wù)區(qū)、視頻、應(yīng)急、其他監(jiān)測(cè)等。災(zāi)害監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)動(dòng)和其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以通過短段光纖接到最近的傳輸節(jié)點(diǎn)，將會(huì)出現(xiàn)短段光纖使用量大增。警務(wù)區(qū)考慮作為傳輸節(jié)點(diǎn)。受區(qū)間傳輸節(jié)點(diǎn)間距增大影響，應(yīng)急通信將會(huì)弱化光纜傳輸方式（或者通過AAU站點(diǎn)的預(yù)留光纖實(shí)現(xiàn)），演變?yōu)橐孕l(wèi)星為主要傳輸方式。

區(qū)間視頻業(yè)務(wù)將是最大的一類業(yè)務(wù)，它可以選擇多個(gè)方案：①維持目前的模式，即使用以太網(wǎng)交換機(jī)獨(dú)立組網(wǎng)，在車站接入數(shù)據(jù)網(wǎng)；②接入層增加一個(gè)SPN環(huán)（10GE）承載視頻業(yè)務(wù)，在車站接入數(shù)據(jù)網(wǎng)；③維持區(qū)間2個(gè)SPN環(huán)（10GE），視頻業(yè)務(wù)通過光纖接入最近的傳輸節(jié)點(diǎn)。這3種方案都可行，其中第1種方案更為簡潔，網(wǎng)絡(luò)層次更為清晰。圖1的傳輸網(wǎng)組網(wǎng)示意圖中就是按照第1種方式考慮的。

3.5 過渡期傳輸網(wǎng)的漸進(jìn)演變

5G-R的大規(guī)模建設(shè)尚需時(shí)日，在此期間，傳輸網(wǎng)需要做好準(zhǔn)備，逐步演變。

1）要完善骨干層以及局內(nèi)匯聚層OTN。5G-R業(yè)務(wù)應(yīng)用后，首先受沖擊的就是局內(nèi)匯聚層的帶寬瓶頸，其次是骨干層，因此，完善局內(nèi)匯聚層成為當(dāng)務(wù)之急。目前看，許多路局的局內(nèi)匯聚層網(wǎng)絡(luò)存在著覆蓋面小、帶寬不足的問題。樞紐地區(qū)的匯聚層網(wǎng)絡(luò)更加薄弱，且或多或少存在缺乏全局規(guī)劃，經(jīng)常是各鐵路項(xiàng)目均在調(diào)度所上設(shè)備，不僅造成調(diào)度所機(jī)房擁擠不堪，而且會(huì)因傳輸節(jié)點(diǎn)過于集中而不利于網(wǎng)絡(luò)安全。

2）在新建鐵路項(xiàng)目中，盡可能的按照OTN/P-OTN技術(shù)建設(shè)線路匯聚層網(wǎng)絡(luò)，逐步打通上層通道帶寬瓶頸。

3）盡快進(jìn)行SPN、P-OTN等技術(shù)的試驗(yàn)線工作，為后面的部署做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

隨著5G-R等新技術(shù)的出現(xiàn)，鐵路通信傳輸網(wǎng)將發(fā)生巨大的變化。鐵路通信行業(yè)的工作者應(yīng)積極主動(dòng)研究以SPN技術(shù)為代表的新技術(shù)，筑牢鐵路通信傳輸網(wǎng)這塊基石。