铁路光传送网业务适应性和健壮性分析

刘正自

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

铁路光传送网是铁路三大基础平台/基础设施（线路平台、车辆平台、信息传送平台）之一，其重要性不言而喻，不仅对光传送网安全可靠性要求极高，而且对各种承载业务要具有良好的适应性。铁路光传送网主要有两大层次，即铁道部骨干光传送网和各铁路沿线的区域光传送网。铁道部骨干光传送网由DWDM网络组成，正面临设备生命周期到期、需要向OTN/ASON升级的局面；各铁路沿线组成的区域传送网技术体制几乎全部采用基于SDH的MSTP技术组成，本文将对铁路区域光传送网的业务需求特点和网络健壮性展开分析。

1 铁路光传送网承载业务类型及特点

铁路区域光传送网承载的业务可以分成铁路通信业务网互联和接入通道、部分通信系统网管/监控通道、相关专业控制/信息系统互联通道3类。

区域光传送网需要为普通电话网（自动电话网）、调度通信业务网、移动通信业务网、数据通信网、会议电视（电话）业务网、综合视频监控系统和应急通信系统等通信业务网提供互联和接入通道。这些业务网基本上都是自成体系、分立设置，网管信息在相应系统内传送（带内传送）。值得注意的是，数据通信网本身不提供具体业务，严格讲不是业务网，而是一个承载网，这里划分到通信业务网，主要是针对传送网而言。

区域光传送网需要为光纤监测系统、直放站网管、漏缆监测系统、机房动环监控系统等通信系统提供网管通道。

区域光传送网需要为OA、各种MIS、客服系统（票务＋旅服）、信号系统、防灾安全监控、牵引变电及接触网控制系统、电力SCADA系统、车辆信息系统等专业控制/信息提供互联通道。

以上主要为承载业务的特点，如表1所示。观察表1可以看出：

1）各种业务基本是以铁路局/调度所所在地为汇接点，除了局间互联通道呈均衡分布外，其他类型通道基本以路局/调度所为中心呈汇聚、收敛或环回状。

2）非通信专业所需的通道类型基本已转为或可以转为以太网/快速以太网通道和接口，其E1通道和接口成为历史遗留问题。

3）铁路光传送网承载的业务，无论是种类，还是带宽需求，大量从TDM类型转向分组数据类型。

4）专用通道过多，IP数据网承载的业务类别偏少。

5）部分控制系统/信息系统需要双环/双链以太网通道，说明这些系统对网络及传送通道的安全可靠性要求十分苛刻。

表1 铁路光传送网主要承载业务特点

2 常规组网模式

铁路区域光传送网，均采用基于SDH的MSTP分层组网模式。

高速铁路/客运专线设置有GSM-R的干线铁路，光传送网由3层组成：1）骨干层，有的线路站站设置，有的线路仅在部分车站设置，一般采用STM-16或STM-64速率等级，分别利用铁路两侧的光缆构成1+1链型线路保护；2）汇聚层，设置在各个车站，一般采用STM-4或STM-16速率等级，分别利用铁路两侧的光缆与区间接入层构成环型复用段保护，或利用骨干层构成子网保护；3）接入层，设置在铁路沿线区间，一般采用STM-4速率，分别利用铁路两侧的光缆与汇聚层构成环型复用段保护，网络拓扑示例如图1所示。

对没有设置GSM-R的普速铁路，光传送网由两层组成：1）骨干层，有的线路站站设置，有的线路仅在部分车站设置，一般采用STM-16速率。有双光缆时，分别利用铁路两侧的光缆构成1+1链型线路保护；无双光缆时，则用一条缆的4根芯构成1+1链型线路保护；2）汇聚接入层，设置在各个车站，一般采用STM-4速率，利用骨干层构成子网保护。

这一常规组网模式及其选用的技术体制，是由当时以TDM业务为主的需求决定的。其强大的自愈保护能力、小于50 ms的快速切换性能，防止了因为光缆中断（双光缆条件下的单光缆中断）造成的大面积业务瘫痪；严格的TDM复用技术，为承载业务提供物理上的独立性和时间上的透明性，保障了承载业务的高性能指标。

随着ALL IP形势的发展，无论是通信业务网、支撑网还是相关专业的控制/信息系统，开始大量采用IP技术，基于SDH的MSTP常规组网模式弊端日渐显现。

1）设备提供的以太网端口极其有限，不能满足越来越多的以太网、IP通道需求。

2）除非在业务板卡上预先汇聚，基于TDM技术的时隙分配机制，提供的专线通道之间不能实现统计复用，带宽利用率低下。

3）常规组网模式不能避免单节点中断特别是骨干节点中断引起的大范围业务中断。

3 业务适应性对策

从光传送网技术演进路线看，分别经历了从PDH到SDH，从SDH到MSTP，从MSTP到PTN（分组传送网）的技术变革，即准同步→同步→分组传送，其间还出现过非主流的RPR技术。目前广泛采用的MSTP技术体制以TDM业务为主，分组业务为辅，其分组业务虽然具备一定的统计复用能力，但其交叉连接方式依然是TDM交叉连接，从整个系统层面看，带宽依然是刚性分配方式，因此不能看作一次技术变革。

从前面的业务分析可以看出，铁路区域光传送网承载的时分电路需求越来越少，分组通道需求越来越多，面对这一局面，基于TDM技术的MSTP越来越“力不从心”。事实上，铁路光传送网面临的局面并非孤立事件，而是整个电信业界面临的共同问题，因此PTN应运而生。

PTN完全采用包传送技术，其核心板件——交换板采用的是包交换技术，很明显，PTN主要适应的业务为数据业务，在分组业务占主导时将体现出明显优势。MSTP和PTN两者特点比较如表2所示。

表2 MSTP与PTN特点比较

PTN技术存在两种国际标准，分别是ITU-T和IETF联合发布的MPLS-TP标准、IEEE发布的PBB/PBT技术标准，有的产品两种标准均支持，有的产品仅支持其中一种。PTN继承MPLS的转发机制和多业务承载能力（PWE3），支持多种基于分组交换的双向点对点TDM仿真通道（CES），以及点对点、点对多点分组业务连接通道；具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力；PTN继承了MSTP的保护性能，点对点连接通道的保护切换可以在50 ms内完成；可以控制连接信道的建立和设置，实现了业务QoS的区分和保证，具有灵活提供SLA等优点。其主要缺点是国际标准尚未成熟，导致产品成熟度不高，部分厂家不支持环网保护。

PTN采用了多种同步技术，同时实现了网络的频率同步和时间/相位同步，在物理层利用线路编码实现了频率同步信息的传送，在链路层利用IEEE 1588v2实现了时间/相位同步信息的传送，主流产品的频率同步精度和时间同步精度分别达到了0.01 ppm和0.3 μs。既为铁路传送网传送高准确度的时间信息提供了强有力的支持，又为GSM-R升级到3G或LTE打下了坚实基础。

很明显，如果铁路区域传送网采用PTN技术设备组网，对承载业务的适应性、数据端口的提供能力以及带宽复用效率将大大提高。然而，无论是《铁路运输通信设计规范》还是《高速铁路设计规范（试行）》，对传输及接入的技术体制和速率等级规定过于狭窄——几乎都是SDH和MSTP，对新出现的光传送技术应用形成了“政策障碍”，不得不说是一个十分遗憾的问题。

因此，笔者呼吁，在今后制定或修编工程设计规范以及相关技术政策时，应该取消这类技术体制选择上的“限制”，以适应不断变化的业务需求和不断发展的通信技术变革。

4 光传送网健壮性

与公众电信网不同，铁路光传送网既为通信业务网提供通道，又为相关专业的控制系统或信息系统提供传送通道。其中，许多专业要求“双通道”，这些专业理解的“双通道”，是不同物理径路的双光缆、物理上分开的双传送设备，与通信专业人员的理解一直存在差异和争论。目前铁路光传送网除了新建工程的光缆基本采用双光缆外，网络节点特别是重要节点并未配备双物理设备，不仅未真正满足相关专业的需求，也直接影响了通信业务网中语音调度通信系统的安全。

以图1所示拓扑结构为例，当通信站A、B或车站1、4等关键节点失效时，几乎所有的承载业务将中断，如图2所示。图中粗黑线通道示例为GSM-R基站环，浅灰线通道示例为FAS环，虚线框内为业务受影响的范围。出现这一问题的根本原因：一是骨干层1+1线路倒换保护模式没有自愈环健壮，二是关键节点的所有通道集中在一台设备上下，三是汇聚层的容量过小，既不能为骨干层提供保护，又不能替骨干层分担负荷。针对此问题，有很多网络拓扑强化方案，举例如下。

方案1：升级汇聚层容量，为骨干层提供迂回通道或负荷分担，如图3所示，在该方案中，汇聚层容量升级到与骨干层相同的速率等级。对于各种环型拓扑业务，出入通信站的通道分别分配到骨干层和汇聚层，对于星型拓扑业务，将业务平均分配到骨干层和汇聚层。对于双环、双链拓扑业务，可以将两个环分别分配到骨干层和汇聚层，对于环形通道可以统一从汇聚层入、从骨干层返回。

方案2：在波分系统（OTN/DWDM）覆盖的区间，利用波分系统将骨干层构成自愈环，如图4所示。为避免通信站等重要业务汇聚点单节点失效造成大面积业务瘫痪，在这些场所设置双套传送系统。对于各种环型拓扑业务，出入通信站的通道分别分配到通信站两个节点上，对于星型拓扑业务，将业务平均分配到通信站两个节点上。对于双环、双链拓扑业务，可以将两个环分别分配到通信站两个节点，对于环形通道可以统一从一个节点入、从另一节点返回。

方案3：将骨干层和汇聚层合并成骨干汇聚层，在通信站、车站设置两套节点设备并构成自愈环，如图5所示，接入层节点成环，分别挂接在两个骨干汇聚层节点上。对于各种环型拓扑业务，出入通信站的通道分别分配到两个节点上，对于星型拓扑业务，将业务平均分配到两个节点上。对于双环、双链拓扑业务，可以将两个环分别分配到两个节点，对于环形通道可以统一从一个节点入、从另一节点返回。在投资确实紧张的情况下，对于车站平均间距较小的铁路，骨干层/汇聚层节点可以隔站设置。

强化网络健壮性的变通方案还很多，不一一讨论。上述方案中，虽然节点失效影响业务问题无法完全避免，但业务影响已经压缩到了极小范围。当然，无论网络节点设备、还是网络拓扑如何加强，都避免不了电源失效、火灾等外部重大灾害的影响，而这些外部环境纯粹以技术手段是无法保障的，需要靠制度保障。

提高光传送网络健壮性，需要增加一定的投资，但是，相对于相关专业双网络、双通道、双接口、双物理径路需求，相对于光传送系统在铁路运输生产中的基础平台这一地位，这些投资是值得的。况且，现在的光传送系统产品价格已经十分低廉，无论在整个通信系统投资的占比，还是在铁路建设投资中的占比，光传送系统的建设费用增加十分有限。

5 结语

业务需求在不断演进，通信技术也日新月异，在铁路光传送网设计和建设过程中，应真正从业务特点出发，与时俱进，敢于突破某些技术政策的“限制”，及时采用适当的新技术以良好地适应各种新型业务需求。同时，应转变观念，将铁路光传送网的健壮性、可靠性和可用性作为通信网络建设的重中之重，并采取必要措施，确保相关专业对传送通道的可靠性、可用性要求。