铁路传输骨干网OTN系统工程检验研究

王 晟

(通号工程局集团北京研究设计实验中心有限公司，北京 100070)

1 概述

中国国家铁路集团有限公司（简称中国铁路）已对铁路骨干传输网全部采用了光传送网（Optical Transport Network，OTN）技术组网。覆盖了中国铁路和所管辖的各地方铁路局集团。铁路传输网主要采用骨干层、汇聚层和接入层3层网络结构组网。采用10 Gbit/s和100 Gbit/s速率的传送波道。新建成铁路骨干传输OTN网络工程包含京沪穗环和东南环、西北环、西南环以及东北环。且现在已有14个铁路局内部也在进行汇聚层OTN传输网（局干网）的扩能改造。在今后高速铁路正线的通信系统中，把OTN系统作为传输承载网的组网方案已成为发展趋势。铁路对OTN系统网络的稳定性与安全性有着极高的要求。在建设新的OTN骨干传送网的同时，中国铁路目前尚未在企业通信专业内出台OTN系统相关工程的验收标准，需要在现行通信行业标准基础上，对铁路通信OTN系统的功能和性能方面的检测验收内容进行研究。

2 铁路骨干网东北环（5号环）OTN系统工程检验研究

2.1 组网分析

1）5号环网络结构

5号环工程采用 40×100 Gbit/s 的 OTN 网络，5号环的OTN 网络由 17 个光分插复用设备（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）站点和 42 个光线路放大器 （Optical Line Amplifier，OLA ）站点构成，全网共有18个光复用段。5号环网络结构示意如图1所示。

图1 铁路骨干网5号环网络结构Fig.1 No.5 ring network structure of railway backbone network

编号站点为OADM站点，其中每个OADM站点之间还包含了若干个OLA 站点（这里不再在图中显示）。

2）5号环系统保护方案

5号环OTN系统主要采用基于光通道数据单 元（Optical Channel Data Unit-k，ODUk）的子网连接保护（Sub-Network Connection Protection，SNCP）方案来确保对数据业务的保护。再利用两条相同区间且不同路径的光缆线路配置光线路保护（Optical Fiber Line Auto Switch Protection，OLP）方案，所有节点均配置OLP单板。

2.2 OTN系统检验方法及数据研究

由于铁路骨干网的组网条件各不相同，针对不同的网络均应制定具体的检测验收方案。通过对5号环的组网讨论分析，对于铁路骨干网的系统测试，主要需要验证5个方面的系统功能及性能。

1）传输物理特性检验

传输物理特性检验是对系统性能的基础属性检验，涉及到每个光复用段区间，是确保系统稳定传送数据业务的重中之重。对于传输距离长且中间节点光放站数目较多的光复用段需要重点检验。也可考虑主备光缆的组成及运用方式选择性测试，比如主备光缆配置中存在已经长时间运用的既有光缆，需考虑光纤劣化因素的光复用段，传输物理特性检验的主要内容为：MPI-SM单通路发送功率及功率差、MPI-SM总发送功率、MPI-RM单通路接收功率及功率差、MPI-RM总接收功率、MPI-RM单通路OSNR、Rn点单通路OSNR、MPI-SM和MPIRM之间系统残余色散、MPI-SM和MPI-RM之间系统偏振模色散。

2）网络保护功能检验

根据组网情况验证系统配置的保护功能，OTN网络保护倒换的验证必须根据实际物理组网情况进行全覆盖方式检验。确保各光复用段的业务保护功能均能够正常实现。保护倒换验证包含环内ODUk SNCP保护检验、跨厂家/跨环的SNCP保护检验、OLP光线路保护检验、SNCP保护与OLP保护协调检验、SDHMS-SPRing保护与OLP保护协调检验。

3）系统误码性能检验

系统误码性能是验证整个网络能够长期稳定无差错运行的重点测试项目，测试业务应覆盖到所有的站点设备以及相关主备用通道链路。测试时间不小于24 h。测试项目包含SDH业务长期误码测试、光通道传送单元（Optical Channel Transport Unitk-k，OTUk）业务长期误码测试、以太网业务吞吐量、以太网业务时延、以太网业务过载丢包率等。

4）同步性能检验

OTN系统能够支持1588V2协议的PTP时钟。实现时钟信号与时间信号的同步，而在5号环工程内超长传输距离的时间同步精度以及24 h同步以太网时钟漂移是主要需要验证的指标。

5）网管双机热备份检验

5号环工程在中国铁路与沈阳铁路局所在地各配置一套OTN网管系统形成冗余热备份，备用网管的作用是当主用网管系统不能正常运行时，能够承担与主用网管一致的维护管理工作，因此，对于网管的冗余热备配置检验是有一定必要性的。

针对铁路OTN工程的新特点及实际情况，将针对性的对传输物理特性以及网络保护性能的检验方法与数据进行详细的研究分析。

OTN网络保护倒换检验案例分析如下。

2.2.1 ODUk SNCP 保护

测试配置如图2所示 。

图2 ODUk SNCP 保护测试配置Fig.2 ODUk SNCP protection test configuration

根据5号环工程的组网情况，某站点的OADM设备为双电子架模式，因此保护检验有3种情况进行检验。

1）不跨电子架配置ODUk SNCP保护。

2）跨电子架配置ODUk SNCP保护，保护组配置为双向倒换。

3）跨电子架配置ODUk SNCP保护，保护组配置为单向倒换。

在光复用段终端站各配置一套业务保护组进行检验。测试业务为STM-16。经过检验，结果分析如表1、2、3所示。

通过以上结果分析表能看出，在经过含有双电子架的站点，ODU kSNCP保护3种不同的配置环境下，在不跨电子架配置和跨电子架时，保护组配置为单向倒换场景，通过各种倒换方式，倒换时的业务受损时间均小于50 ms。在跨电子架保护组配置为双向倒换场景时，通过网管执行关闭LS4B 发送激光器与OA发送激光器，会存在倒换时业务受损时间大于50 ms的情况。最长的倒换时间为7 038 ms，因此给出在正式使用时的保护配置建议，在含有双电子架的OADM站，避免配置跨电子架ODUk SNCP保护方式，如有需求需要配置，在跨双电子架配置 ODUk SNCP保护时，需配置保护为单向保护方式。

表1 不跨电子架配置ODUk SNCP保护倒换时间分析表Tab.1 Analysis table for ODUk SNCP protection switching time without crossing the electronic frame

表2 跨双电子架配置ODUk SNCP双向保护倒换时间分析表Tab.2 Analysis table for ODUk SNC double protection switching time with crossing double electronic frame

表3 跨双电子架配置ODUk SNCP单向倒换保护倒换时间分析表Tab.3 Analysis table for ODUk SNCP single protection switching time with crossing double electronic frame

2.2.2 OLP光线路保护检验

测试配置如图3所示，运 用STM-16或STM-64为测试业务，通过对某一个复用段进行OLP保护检测，每次倒换与恢复分别测试两次，运用网管强制倒换、网管人工倒换、人为断纤的方式触发OLP保护。同时实际工程的OLP保护倒换检验时需要注意以下两点：第一，光复用段中间站点每个光放站的站点在双方向都配置了OLP板，因此倒换检验范围必需包含每个终端复用设备与光放站点。第二，OLP保护是通过运用光缆的4条光纤实现。从单站点来看，有主发送光纤、备发送光纤、主接收光纤、备接收光纤。4条光纤芯分属于两条或以上不同路由的光缆链路纤芯中。如主用光纤1为出业务方向，主用光纤3为业务回路。当主用光纤1故障时，OLP保护会把出业务方向倒换至备用光纤2，而业务回路仍停留在主用光纤3上并不会倒换。因此倒换试验需要涉及到每条光纤。以验证每条光纤性能是否会对OLP保护有影响。

2.2.3 OLP保护与SDH MS-SPRing保护协调检验

本检验项的目的是验证OTN系统的OLP保护与SDH MS-SPRing保护协调功能，通过检验结果为配置5号环工程最优的OTN系统与SDH系统的保护协调方式提供参考。

检验测试配置原理如图4所示，通过对网络实际情况分析研究，制定如下测试方案。

以STM-1为测试业务，选择一条已承载SDH网络的工作保护区段进行检验。抽取的某检验区段为：站点a→站点b→站点d→站点f为工作路径，站点a→站点c→站点e→站点f为保护路径。

因本工程所承载的SDH网络设备无法设定SDH MS-SPRing 保护拖延时间。测试的倒换试验条件分两种方式，第一种方式为SDH MS-SPRing保护与 OLP 保护组同时工作，不设置协调。第二种保护协调方式设置为SDH MS-SPRing 保护组禁止，OLP 保护组工作。通过两次重复检验，检验结果统计分析如表4所示。

图3 OLP保护测试配置Fig.3 OLP protection test configuration

图4 OLP保护与SDH MS-SPRing保护协调Fig.4 Test configurations of ODUk SNC protection and OLP protection coordination

通过对测试结果分析，SDH MS-SPRing 保护和OLP 保护不设置协调，均在正常工作情况下，OLP 保护组倒换时，SDH MS-SPRing 保护也会换触发倒换动作；但保护倒换时间存在大于50 ms的情况。其主要问题原因在于与OTN设备倒换完成时，倒换时间在10 ms左右。与其连接的SDH节点设备还没有被触发进行桥接倒换动作，等再触发的同时整个SDH网络系统未识别到OTN的链路已恢复，继续倒换，再过24.45 ms，SDH系统倒换完成。而在此期间OTN链路又从正常变为故障，OTN发现故障再次开始保护倒换，SDH也开始保护倒换，出现链路正常到链路故障的循环。

SDH MS-SPRing保护禁止工作情况下（SDH MS-SPRing 保护无法设定拖延时间），OLP 保护组倒换时，业务受损时间在20 ms左右，满足50 ms以内要求。因此，5号环内OTN系统所承载的SDH系统，如果其SDH MS-SPRing 保护无法设定拖延时间。建议只开启OTN系统的保护。

2.3 特殊故障分析研究

2.3.1 保护倒换超时原因分析

在本工程OLP保护倒换的检验过程中，存在保护倒换时业务受损时间大于50 ms的情况，除了工程质量原因外，还有主要两个技术因素。

1）光复用段主备光路径光功率差异过大造成的保护倒换超时。当进行OLP保护倒换时，如果保护路径的跨段损耗值比工作路径大，且与工作路径总光功率差异达到4 dB以上。会出现倒换时间超时问题。主备光通道的光功率差异是影响OLP保护倒换功能检验的重要因素。通过多次倒换验证，对于某一特定业务，主备光通道的光功率差值控制在4 dB以内的光复用段可避免倒换超时问题。

2）光复用段终端站点支路侧板卡问题造成的保护倒换超时。在运用STM-64测试业务做OLP保护倒换检验时，存在一定比例无规律的倒换超时现象。通过对各个测试关键点的排查，将故障点定位到支路测10 G混合速率业务板。通过两个阶段的调整与复验：第一阶段要求厂商更换同类业务单板的XFP模块后进行复验。第二阶段要求厂商调整优化同类业务单板的时钟锁定参数后再进行第二次复验。通过对同一站点进行多次倒换试验。对三次检测的数据进行采集比较，分析比对结果如图5所示。

图5 保护倒换超时分析图Fig.5 Analysis diagram of protection switching timeout

通过结果可以分析出在初验出现超时的概率为30%。复验出现超时的概率为15%。经过调整优化同类业务单板的时钟锁定参数后再复验出现超时的概率为0。通过两次整改检验后可以看出，倒换超时的原因不仅仅要在光通道、线路侧板件、交叉板、保护配置方式中查找，业务侧单板的模块匹配与时钟锁定功能等相关影响因素也需要考虑在内。

2.3.2 网管在线性能分析中的监测数据误差分析

在网管在线性能分析验证中，网管在部分站点MPI-SM点监控单波功率值与仪表实测值偏差过大，大于1.5 dB，偏差值达到5 dB以上。这种误差会给今后OTN网络系统的运营维护带来重大风险，其整改前光功率偏差及整改后光功率偏差如图6所示。

图6 网管在线监测单波发送光功率分析Fig.6 Analysis diagram of single wave transmission power of network management online monitoring

经检查分析，将故障点定位到OADM设备的光放板。设备中的光谱监控板为EOPM板，该板是从光放大板的MON口分光进行光谱分析，厂家不同类型的光放板分光比例不同，而设备所用的EOBAH2424这一类型光放板单板功率补偿值在这里运用并不正确。网管默认的分光比率为固定的5‰，根据分光比的计算方法，其功率补偿值为23 dB。通过对该单板的补偿值的更改并与仪表检测值多次进行比对，将补偿值调整至19 dB时，网管针对EOBAH2424查询出的单波功率值和仪表差值小于1.5 dB。可满足光谱特性的实时监控要求。

3 结论

本文主要是在实际应用中（即铁路骨干传输网东北环OTN系统工程检验）分析研究出适用于铁路的OTN系统的检验方法。在实际工程检验中的测试项目、测试数据及测试方法进行分析研究，本文的主要结论如下。

1）对铁路OTN系统的组网进行分析，在系统实际运用之前，系统检验的重点在于传输物理特性及网络保护功能的检验。其中网络保护功能检验中除单个保护形式的验证外，通过实际物理设备与保护方式的配置的情况，进行了多个保护协调的检验，给出适用于本工程的最优保护协调方案。为铁路系统OTN网络的工程验收提出了实际可行的检验方法支撑。

2）通过对铁路骨干传输网东北环（5号环）OTN系统检验中发现的不常见故障及解决过程的进行分析研究。为今后铁路OTN系统工程出现同类的特殊故障处理流程提供了解决案例。