城轨传输系统制式选择分析

沈 强

（1．北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2．城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068）

1 传输系统概述

城轨专用通信传输系统是连接控制中心与车站、车站与车站之间文本、音视频数据等各种信息传输的主要手段，是城轨通信网的基础和骨干。其不仅为专用通信各子系统（包括车-地综合无线通信系统（LTE-M）、政务通信、乘客信息系统（PIS）等）提供传输通道，还为信号系统（ATS）、综合监控系统（ISCS）、电能质量管理系统（PQSS）、自动售检票系统（AFC）、门禁系统（ACS）等系统提供可靠的、冗余的、可重构的、灵活的传输通道。

传输系统以综合集成化和高度智能化为基础，具有系统功能强大、高可靠性、高可用性、易扩展、易组网、易集中维护管理等特点。

2 传输系统需求分析

传输系统承载的业务种类多，信息多样，且各业务需求如带宽、时延、丢包等要求各不相同，是一个综合信息传输平台。随着通信技术发展，长距、高速、多业务混合、带宽按需分配、业务QoS分级、安全高效的信息传输成为必然需求，为满足这些需求，提供可靠传输通道是传输系统制式选择的主要考虑因素。

2.1 接口需求

传输系统承载的业务主要包括TDM和IP数据两类，低速数据如RS-422等基本已淘汰。虽多数已开通线路公务/专用电话系统、专用/政务无线通信系统均采用E1接口，但目前软交换、IMS均为成熟系统，已逐步在城轨应用；传统基于TETRA的专用无线通信系统逐步被宽带集群系统（B-TrunC）取代，并集成在LTE-M中；政务无线也正在进行E1接口IP化改造等。传统的TDM业务已经基本被IP数据业务所取代，传输网络已实现全面IP化[1]，通信系统内、外部各子系统业务均可通过以太网接口实现。

2.2 带宽需求

各业务传输带宽需求各异，需求较低的如政务无线IP中继、时钟数据同步等，需求较大的如云平台数据同步、视频流信息等。随着防恐要求的提高，视频监控系统占据越来越重要的地位，高清视频流带宽需求（VMS单路4～8 Mbit/s、PIS单路6～10 Mbit/s）不断增加，千兆甚至万兆的业务通道带宽成为普遍需求，而云平台动辄需要10 G以上带宽需求。

2.3 业务驱动

城轨业务传输需求主要为中心、车站两级架构，中心与路网级系统相连，现有业务流向有路网-中心-车站、路网-车站、路网-中心、车站-车站-中心-路网等不同形式，要求传输系统网络结构业务适应性强。此外，随着国内地铁新建线路逐步全面应用全自动运行（FAO）技术，智慧地铁各种新业务不断在城轨线应用，各业务系统对传输系统的个性化需求不断增长，对传输网络的时延、带宽、丢包及可靠性提出了更高要求。如车载视频实时落地存储、视频监视系统存储异地容灾及云平台部署等，均要求较大的传输带宽和较高的可靠性；宽带集群、FAO和车-车通信等，要求较低的时延、丢包和较高的可靠性；这些给传输系统提出时延更低、带宽更大、丢包更少、可靠性更高、通道颗粒度更灵活等要求。

3 传输系统制式分析

纵观国内电信运营商在4G/5G承载网技术方向选择及各地城轨传输系统实际应用情况，近年主流传输系统制式大致有：增强型多业务传输平台（MSTP）、光传送网络（OTN）、分组增强型OTN、分组传送网（PTN）、切片分组网（SPN）、路由器/交换机整体解决方案（IP RAN）。

由于增强型MSTP最大带宽受限，且增强型MSTP主要厂商已放弃该技术向后演进，本文仅就OTN、增强型OTN、PTN、SPN、IP RAN这5种主流传输技术从调度处理机制、网络保护及性能、控制平面、运维管理平面4个方面进行简要对比分析，并结合城轨业务应用需求进行横向研究。

3.1 光传送网络（OTN）

3.1.1 技术制式简介

OTN是在SDH和WDM技术的基础上发展而来，兼有两种技术之长。OTN集成了光域和电域的处理优势，提供巨大的传输带宽、完全透明的端到端波长/子波长连接及电信级的保护，是目前传送大颗粒/大带宽业务最优的技术。它同时兼具传送和交换功能，是承载大带宽IP业务的理想平台。OTN可为业务提供端到端的刚性管道，保证带宽及确定性的时延。OTN设备分为终端复用设备、电/光交叉设备、光电混合交叉设备[2-3]。

1）调度处理机制

OTN设备能提供强大的业务疏导调度能力，包括基于光层的波长交叉调度和基于电层的子波长交叉调度。在光层，OTN设备支持ROADM应用以实现波长级业务调度；在电层，OTN设备支持ODU0、ODU1、ODU2、ODU3等颗粒业务调度。

2）网络保护及性能

OTN设备可在光和电两层实现业务的多层次保护，同时结合WSON智能控制平面可支持不同等级业务的保护与恢复相结合的应用。

OTN组网主要以线性保护为主，环网保护很少使用，OTN网络保护包括线性保护和环网保护两种保护类型，线性保护分为光层保护（OLP、OMSP、OCP）与电层保护（ODUk SNCP、PW APS），环网保护分为光通道共享环保护、ODUk环网保护和ERPS环保护。

3）控制平面

OTN支持加载GMPLS控制平面，可构成基于OTN的ASON网络。ASON网络可实现光网络连接的自动建路、维护和拆除，是实现网络智能化的主要手段，主要提供光纤/波长的自动发现、在线波长和电路路由选择、端到端连接维护和保护恢复等OAM功能。

4）运维管理平面

OTN网络管理完成标准管理信息的交换及配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。管理对象包括：控制平面、传送平面（光层或电层）、DCN、业务等。网元间通信可采用GCC，或采用外部数据通信网；网元与网管之间采用外部数据通信网，协议栈可采用OSI协议栈或TCP/IP协议栈通信。

3.1.2 应用分析

OTN网络提供大容量、长距离的大颗粒刚性传输管道，OTN的物理隔离最小颗粒度为1.25 G。这个颗粒度太大，对于需要带宽灵活统计复用的分组业务承载效率较低，会造成通道带宽浪费，且对于数据业务的处理适应性相对较差，因此较少在线路级应用，一般适用于路网级骨干网的建设。

3.2 分组增强型OTN

3.2.1 技术制式简介

分组增强型OTN在原OTN技术上提供部分分组功能，并针对分组业务传送进行优化，通常采用基于MPLS-TP的PTN技术[4]。

1）调度处理机制

通用信元交换方式是业界在实现分组OTN时的主流技术，分组OTN设备采用该技术后可实现大容量分组业务的灵活交换，且可实现分组和OTN任意比例业务的组合，适合在新建OTN网络中部署。

实际部署中，采用分组和OTN业务混合线路板卡，将这两种业务混合汇聚到同一块线路板卡中传输，可显著提高OTN带宽利用率，减少线路侧单板类型，便于简化运维。

2）网络保护及性能

分组增强型OTN全面继承传统OTN在光、电层面的保护机制，同时也针对分组层面提供基于PTN的网络保护功能，但一般都只能提供简化版。

3）控制平面

分组增强型OTN能继承传统OTN的ASON调度机制，但仅限于传统OTN业务，对于分组业务平面，缺乏相应的控制平面的通用标准。

4）运维管理平面

分组增强型OTN全面继承传统OTN运维管理机制，同时也针对分组层面提供基于PTN的运维管理功能，但一般都只能提供简化版。

3.2.2 应用分析

分组增强型OTN技术增加了不同种类业务颗粒的调度灵活性，也节约了大量的通道资源，能够组成共享专网业务，实现多站点间的业务和带宽共享，最大程度利用好带宽和通道，避免大量点对点通道带来的带宽浪费和组网不灵活。当前分组增强型OTN在城轨已有应用案例，线路侧采用40 G /100 G带宽可满足城轨专用通信的需求。

3.3 分组传送网（PTN）

3.3.1 技术制式简介

PTN是一种基于二层交换的分组架构，主要面向分组业务，并融合支持TDM 与以太网业务，可将所有数据封装到合适的数据包中进行传送，是顺应IP业务爆发增长而出现的技术。PTN采用的MPLS-TP技术是对IP/MPLS技术和SDH技术的进一步融合发展。MPLS-TP对IP/MPLS协议进行了简化，增强了OAM保护和网管功能[5-6]。

1）调度处理机制

传送网络传输媒质层，主要采用以太网光模块或者以太网电模块。支持基于PW封装的MPLSTP传送机制。支持L2及基本的 L3路由协议，但路由表均采用静态配置，不支持动态学习。

2）网络保护及性能

PTN采取了类似于SDH的网络保护机制。网络内的保护方式兼具LSP和PW的线性保护以及PTN的段层环网保护，与其他网络的接入链路保护（TDM和以太网）；网络内保护和接入链路保护相配合实现端到端业务保护（包括在接入链路或PTN接入节点失效情况下）。

PTN网络中，业务在设备内采用存储转发的交换模式，单站点的业务时延一般在30 μs左右，抖动5 μs以内。

3）控制平面

目前，PTN无控制平面，业务部署如连接的建立等均基于静态的网管配置。

4）运维管理平面

PTN技术采用SDH技术中层网结构的特点，并且具备完善的OAM。管理平面负责传送平面、控制平面及整个系统的管理功能，同时提供这些平面间的协同操作。内嵌网管通道采用OAM报文方式，通过不同的VLAN或者不同的VRF来和业务通道进行区分。

3.3.2 应用分析

PTN数据业务接入方面具备强大的承载技术方案，但不支持物理隔离，E1仿真接入时延为5～10 ms，而传统MSTP方案为2～3 ms；虽PTN不具备物理隔离能力，但随着TDM业务的萎缩，其在城轨专用通信网络有一定程度的应用。随着5G技术的高速发展，PTN也在适应5G传输特点，向切片分组网（SPN）演进。

3.4 切片分组网（SPN）

3.4.1 技术制式简介

SPN是PTN面 向5G的 演 进。SPN采 用 基于ITU-T层网络模型，以以太网为基础技术，支持对IP、以太网、CBR业务的综合承载。SPN技术架构分层包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传送层（STL），以及时间/时钟同步功能模块和管理/控制功能模块[7]。

1）调度处理机制

光接口层处各速率接口一般为灰光模块及对应传输光纤，或者基于彩光接口的简化波分技术。L1层支持OIF的FlexE接口、IEEE 802.3定义的原生以太网接口。同时，L1层还支持切片通道层，主要技术为切片以太网，提供确定性低时延、硬管道隔离的L1通道组网能力。

2）网络保护及性能

SPN网络采用分层保护架构，保护体系可分为切片传送层保护、切片通道层保护、切片分组层保护和客户业务层保护。业务在硬切片通道中，采用基于FlexE的时隙交叉方式，单站点的业务时延一般在3～10 μs，抖动小于1 μs，支持物理隔离。

3）控制平面

SPN采用基于SDN管控架构的隧道扩展技术（Segment Routing，SR），分为隧道扩展技术SR-TP和SR-BE，同时SPN设备支持最基本的IGP路由协议，在故障情况下提供快速重路由能力。

4）运维管理平面

网管将原有网元管理、网络管理及SDN功能进行统一，形成管控一体化平台。同时，可通过物理服务器或虚拟服务器进行云部署。网管划分独立的管理通道，与业务通道进行区分和隔离，保证网管系统的安全可靠。

3.4.2 应用分析

SPN作为PTN的演进技术，继承了PTN 在数据业务方面的处理优势，同时采用FlexE技术解决了PTN不支持物理隔离的缺陷。目前业界最小的物理颗粒度为10 M，解决了OTN最小颗粒度（1.25 G）过大的问题，且FlexE channel提供了超低时延的转发技术。

当前中国移动全面应用SPN技术作为5G承载网，国际标准比较完善，国内标准总体技术要求已发布，其他为中国移动企业标准，正在向行业标准方向推进。目前城轨行业已开始应用，暂无开通案例。

3.5 路由器/交换机整体解决方案（IP RAN）

3.5.1 技术制式简介

IP RAN是基于IP/MPLS协议的电信级承载网络，是中国联通4G承载网主流技术方向。为满足5G场景下大带宽、低时延、灵活连接需求，IP RAN需演进为面向中传、回传和数据中心互联的统一承载网，其增强性能主要表现在为提升网络灵活性，引入分段路由（SR）、EVPN 等技术简化控制协议。为降低传输时延，引入FlexE分片技术，在FlexE接口处配置适用于低时延业务的虚拟子接口，保证带宽和时延。为提升运维效率，引入SDN技术增强网络智能，通过降低网络建设成本和运营成本，促进业务部署[8]。

1）调度处理机制

光接口层各速率接口一般采用灰光模块及对应传输光纤，或者基于彩光接口的简化波分技术。支持OIF的FlexE接口和IEEE 802.3以太网。采用基于SDN管控架构的SR隧道扩展技术（SR-TP和SR-BE），采用L3VPN承载5G业务，并可根据网络规模和运维需求，支持分层L3VPN到边缘。采用EVPN、L2VPN承载L2专线业务，采用VPN＋DSCP满足业务差异化承载需求。

2）网络保护及性能

网络侧保护采用LSP 1：1，实现隧道的端到端保护。业务层保护采用L2VPN的PW双归保护，通过主备PW实现，一般采用单发双收；采用L3VPN的VPN FRR保护，基于IP/MPLS BGP VPN双向配置备份路由的信息。

客户侧保护具备LAG保护，保护端口或光纤；IP FRR保护指定路由的备份下一跳，可保护节点故障或LAG组故障。

增强型IP RAN继承了IP RAN的所有保护方式。同时支持SR的相关保护机制。在IP RAN基础上增加了FlexE接口，其他性能指标与组网能力与IP RAN相同。

3）控制平面

IP RAN采用动态协议，如IGP、MPLS等，自动完成业务路径的建立。采用BFD机制，实现连通性的检测。增强型IP RAN采用基于SDN管控架构的SR隧道扩展技术（SR-TP和SR-BE），同时也继承了BFD机制，主要实现连通性检测。

4）运维管理平面

IP RAN的内嵌网管通道采用OAM报文方式，通过不同的VLAN或者不同的VRF来和业务区分，与物理隔离的需求尚有距离。

增强型IP RAN采用SDN技术实现网络的智能运维与管控，支持智能路径计算，满足不同业务SLA需求。可针对不同业务，对丢包率、误码率、时延、抖动等进行测量，支持快速故障定界和定位，对流量趋势进行精准评估和预测。

3.5.2 应用分析

IP RAN只具备端口级的FlexE，不具备端到端的业务切片能力，因此其本质上来说还是一张数据网络，并不具备物理隔离的传输能力。目前增强型IP RAN仅在中国电信、中国联通作为5G承载网使用，在个别城轨线路拟开展应用。

3.6 各制式综合对比分析

随着传输技术的不断发展和电信运营商在4G/5G承载网建设时的不同选择，各种传输技术有不同场景/程度的应用。结合城轨业务对传输的需求，主流传输制式综合对比如表1所示。

表1 传输制式综合对比分析Tab.1 Comprehensive comparison and analysis of transmission system

4 结论及建议

PTN、增强型OTN在城轨均有应用，但由于技术发展、厂商产品策略等原因，目前应用在缩减，而SPN、IP RAN已开始大规模应用于运营商5G承载网。城轨传输系统制式随着业务需求和技术发展也在不断的迭代和演进，考虑到城轨建设周期较长，所采用的技术制式应具有一定的行业应用前瞻性，符合技术演进趋势；所采用的产品应有较强的市场发展空间，居于厂商产品策略的主流发展方向，使维修维护和备品备件得到可靠保障；同时考虑到5G的快速发展和智慧地铁新业务的不断上线，应预留相应的基础网络承载能力。

结合城轨行业某些传输承载业务端到端的刚性需求及表1分析，建议优先选用SPN传输制式，其次考虑选用IP RAN传输制式。随着SDN和NFV技术的发展，传输与交换逐步融合，同时注意到国内主流传输厂商在SPN和IP RAN产品规划上差异性逐步减少并趋同，SPN和IP RAN产品线可能逐步融合，下一步将继续跟踪业界技术发展，以选择更适合城轨业务的传输系统制式。