分組光傳送網絡在鐵路的應用

邱 萍

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

分組光傳送網絡在鐵路的應用

邱 萍

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

在研究分組光傳送網絡的網絡結構、功能、關鍵技術的基礎上，結合運營商分組光傳送網絡的應用模型和建設情況，重點分析鐵路的應用需求，探討鐵路分組光傳送網絡建設思路。

分組光傳送網絡標準；網絡結構；關鍵技術；網絡建設

1 概述

為了解決城域骨干層PTN設備和OTN設備背靠背組網的場景，實現大容量傳送和對分組業務的高效處理，從便于網絡運維、減少傳送設備類型、降低綜合成本的角度出發，提出一種新的分組光傳送網（POTN）。

POTN集成OTN、TDM和分組技術于一身，根據業務的類型選擇最佳的傳送方式。POTN技術是將OTN技術和PTN技術進行有效融合，繼承OTN網絡容量大、長距離傳送的優點及PTN網絡統計復用、對分組業務承載能力強的特點，在OTN層面上增加通道提供機制和操作、管理和維護（OAM），形成面向連接的分組傳輸POTN。

POTN融合多種技術，對波分功能進行了集成，對多層網絡進行了優化，使得網絡更加高效、安全可靠。在數據轉發面，統一信元交換矩陣，實現業務任意比例交換，支持E1～ODU4的多業務靈活接入；在光層實現波分的集成化，簡化光層的規劃和運維工作，提供便捷的運維管理能力；在映射層次，去除ETH層簡化網路層次，提升承載效率。

目前，國內POTN主流生產廠家有中興、華為、烽火。

2 標準制定情況

在POTN國際標準方面，2011年提出在ITU-T SG15 WP3 Q12工作組成立新的標準，對POTN進行研究和標準化。

在POTN國內標準方面，目前已發布《分組增強型光傳送網（OTN）總體技術要求》（YD/T 2939-2015）和《分組增強型光傳送網（OTN）設備技術要求》（YD/T 2484-2013）行業標準。

3 POTN層網絡結構

POTN的層網絡結構分為客戶業務層、分組傳送層、SDH傳送層（可選）、OTN電傳送層、OTN光波長傳送和物理層，如圖1所示。

4 POTN關鍵技術

4.1統一交換技術

所有的分組業務及ODU子波長業務均通過切片成信元進入統一交換矩陣，實現分組業務和ODU子波長業務的無阻交叉。實現ODUk和Packet混合調度。支持ODUk的交換容量和分組的交換容量任意搭配，滿足不同場景、不同階段的各種比例業務需求，網絡運用靈活。

4.2多層網絡保護之間的協調

POTN涉及OTN和MPLSTP/以太網的兩種網絡層面的保護，不同層的網絡保護機制相互獨立，因此，POTN的網絡保護方案應遵循分層保護和分段保護的原則。

對于一種類型的端到端業務，僅配置單層的網絡保護機制；對于可靠性要求很高的重要業務，或者在不同層網絡有嵌套的組網場景下實現對多故障點的保護時，可配置兩層的網絡保護機制，此時需要在分組層設置啟動拖延時間（hold-off timer）。

當僅僅在分組層面出現故障時，該層的Hold off時間仍然有效，導致分組層保護的業務整體受損時間加長，因此需要對等待時間的機制進行改進。即可以向客戶層插入通知信息，如果客戶層還處于所設定的等待時間周期內，可以立即啟動本層的保護與恢復。

4.3多層網絡的OAM協調和聯動機制

POTN網絡的PW、LSP、ODUk、OCh各層均具有相對獨立和完善的OAM功能，根據業務的封裝協議和轉發路徑決定采取哪種OAM。

當接入業務量不大時，可采用MPLS-TP的數據協議封裝，這時應采用MPLS-TP和OTN的OAM機制；當接入業務量變大時，可采用ODUk的封裝格式，這時應采用OTN的OAM機制。

POTN網絡在多層OAM機制同時運行的情況下，應提供基于客戶/服務者的層間OAM告警傳遞和告警壓制功能，以提高多層網絡的運維效率。服務層故障應向相鄰客戶層插入AIS來進行告警壓制，UNI的客戶層故障，服務層應支持客戶信號失效指示。

圖1　POTN的層網絡結構

4.4多層網絡統一管理和規劃技術

POTN涉及L0波長，L1的ODUk/SDH，L2的MPLS-TP、LSP/PW或VLAN/MAC，因此需要統一網管便捷、高效的管理POTN網絡。

POTN同時支持IP/MPLS/MPLS-TE和GMPLS的雙協議棧，前者控制MPLS-TP的LSP 和PW層，后者控制ODUk、OCh。

4.5封裝效率優化

POTN通過電層封裝映射的優化，提升業務承載效率。在映射路徑上，取消ETH層，減少映射，提升承載效率。如對于64 Byte的業務，POTN比PTN封裝承載效率提升20%。

5 POTN主要功能

POTN設備具有PTN和OTN有機融合、統一交換平臺架構、統一控制和管理平面3個主要功能特征。包括：

1）提供SDH、以太網、OTN、FC、CPRI、PDH等多種業務接口。

2）提供SDH、以太網、OTN等多業務信號到ODUk通道信號的封裝、映射和復用等功能。

3）提供以太網處理或/和MPLS-TP處理功能；提供分組業務的適配、QoS和OAM處理等功能。

4）支持分組業務及ODU子波長業務通過切片成信元進入統一交換矩陣。

5）支持頻率同步和時間同步處理功能，并提供相應的外同步接口。

6）提供基于分組業務和通道層的多種保護方式，支持GMPLS控制平面，實現ODUk、OCh通道自動建立，可支持自動發現和恢復等智能功能。

7）提供LSP/PW、VC4、OPUk、ODUk、OTUk、OCh、OMS、OTS的配置和性能/告警監視功能；分組業務接口支持以太網OAM、MPLSTP層網絡OAM等能力。

6 運營商POTN應用需求和場景分析

6.1應用需求分析

POTN實現了PTN和OTN的聯合組網。隨著接入業務的提速，在城域網核心層、匯聚層需要實現PTN和OTN的融合組網，提供分組業務的高效承載、完善的保護方式、時間的同步傳遞、統一控制和管理等功能。同時PTN和OTN的融合型設備還能減少傳輸設備的種類、功耗和機房面積，增強傳送網絡的統一維護管理，簡化網絡運維。POTN技術主要解決以下應用需求。

6.1.1移動回傳業務承載

2G單基站的帶寬為2～8 Mbit/s，3G單基站的帶寬為2～100 Mbit/s，隨著LTE網絡的演進，S1/X2接口流量增加，LTE單基站的流量將達到60～450 Mbit/s，城域匯聚層帶寬需求超過100 Gbit/s，城域核心層帶寬需求超過200 Gbit/s。隨著LTE的應用，建設超大帶寬、網狀連接、密集覆蓋的傳輸網絡成為必然。

因此在城域核心層、匯聚層采用基于40 G/ 100 G線路速率POTN組網，為分組業務提供更低時延、更高QoS保障、更高的組網靈活性。

6.1.2專線業務承載

專線業務由2～10 Mbit/s帶寬升級到千兆甚至萬兆，且對安全性和隔離度有較高的要求。因此需要在城域層面和骨干層面為以太網專線和專網業務提供電信級傳送、匯聚和大帶寬傳輸功能，為集團客戶提供保證帶寬、物理隔離、低時延、高品質的傳輸承載。

6.1.3優化IP和OTN的聯合組網

IP數據業務急速發展導致IP骨干網流量急劇增長，核心路由器擴容和處理壓力不斷增加，導致其容量、功耗和復雜度不斷提高。通過對IP和OTN網絡進行聯合路由規劃和優化，針對P路由器之間大量“過境”中轉業務流量，通過POTN的L1或L2層實現中轉業務分流，解決核心路由器擴容壓力和高成本等問題。

6.2應用場景分析

6.2.1骨干網應用場景

采用POTN設備實現PE路由器之間大量中轉業務傳輸層的穿通處理，節省核心P路由器的接口數量，降低對其能力的要求，提升業務的轉發效率。結合GMPLS控制平面和ODUflex無損帶寬調整技術，實現IP路由器和POTN設備的帶寬靈活適配和動態調整。

IP與POTN聯合組網場景下，POTN設備需支持以太網透傳、基于VLAN的以太網交換功能、MPLS-TP交換功能和ODUflex無損帶寬調整等功能。

6.2.2城域網應用場景

1）IP城域骨干網承載

采用POTN為已經扁平化的IP網提供承載。當POTN提供端口匯聚功能，可以采用以太網交換方式實現；當POTN提供帶寬和端口匯聚功能時，需要POTN設備支持以太網或MPLS-TP的分組交換功能。網絡結構如圖2所示。

圖2　POTN網絡承載IP城域冒干網業務

2）移動回傳網絡承載

在城域匯聚層采用POTN設備，這種承載方式的基本特點與PTN承載方式基本相同，同時具備OTN大容量傳送和調度的特點，減少網絡中設備數量，節省網絡建設和維護成本。網絡結構如圖3所示。

3）OLT上聯承載

當OLT與接入路由器之間光纖資源緊張且敷設光纜困難時，可采用POTN網絡進行OLT上聯承載。此時POTN設備可提供數據鏈路承載和帶寬、端口匯聚。

6.2.3 專線承載

利用ODUflex、ASON/ GMPLS等技術，POTN可以提供帶寬靈活、動態調整的Gbit級大容量以太網智能專線業務；利用以太網交換功能可以提供匯聚型以太網專線業務；利用MPLS-TP功能可以提供基于MPLS-TP的以太網虛擬專線等小顆粒業務。

圖3　POTN在移動回傳中的應用

7 鐵路POTN網絡建設分析

7.1 鐵路既有光傳送網網絡結構

鐵路光傳送網采用骨干層、匯聚層（局內干線）和接入層的3層網絡架構。

骨干層網絡包括京滬穗和東南環，東北環、西南環、西北環OTN傳輸網，京滬穗和東南環、西北環容量為40×10 Gbit/s或100 Gbit/s，東北環、西南環容量為40×100 Gbit/s，覆蓋鐵路總公司及18個鐵路局（鐵路公司）。提供鐵路總公司至各路局之間的SDH和IP數據業務通道。

匯聚層為各鐵路局局干網絡，大多數鐵路局采用OTN技術，部分鐵路局采用MSTP技術組建匯聚層傳輸系統。局干OTN網絡采用40×10 Gbit/ s或100 Gbit/s速率混合傳輸的OTN技術設備，MSTP采用10 Gbit/s的設備。提供路局內骨干、匯聚層面各節點之間的SDH和IP數據業務通道。

接入層已經覆蓋所有干線及支線鐵路。既有線主要是155 Mbit/s和622 Mbit/s SDH（MSTP）傳輸系統，也有部分區段采用2.5 Gbit/s MSTP傳輸系統；客運專線及新建鐵路接入層傳輸系統為2.5 G/622 Mbit/s MSTP系統。提供2 M、155 M、以太網等小顆粒業務通道匯聚至路局局干網絡。

7.2 鐵路POTN應用需求分析

鐵路目前業務主要是TDM業務和IP業務，在匯聚層、接入層主要由MSTP系統承載TDM業務和小顆粒IP業務的接入和傳送，在骨干層、匯聚層主要由OTN網絡承載大顆粒IP業務和MSTP系統。隨著鐵路LTE-R技術的不斷演進和應用，大容量分組業務的需求日益增長。

鐵路LTE-R主要承載和行車相關的CTCS-3列控、調度語音、調度指揮行車數據、列車視頻圖像等重要業務，條件具備時還可以承載旅客信息服務業務。承載網主要負責LTE-R業務回傳，將BBU處的業務匯聚到LTE核心網。因此LTE-R要求承載網具有高安全性與高可靠性、低時延和低抖動的通信指標，能夠實現多業務的統一接入和承載，易于管理和升級，能提供IEEE 1588v2時間同步等條件。

為了滿足以上需求，LTE-R回傳業務可以采用增強型MSTP、PTN（POTN）和IP RAN網絡承載，根據這些技術在標準制定、技術能力、應用領域、設備支持成熟度、成本等方面分析，建議鐵路LTE-R回傳業務采用PTN（POTN）承載。

7.3 鐵路POTN網絡建設分析

通過以上對運營商POTN網絡的應用可以看出，運營商POTN主要應用在城域網骨干層和匯聚層，承載業務主要是移動回傳業務、集團客戶/普通大客戶專線/專網業務和固網寬帶上行業務等。業務種類主要是分組業務，少量TDM專線業務。

結合鐵路的業務需求和現有鐵路傳送網的網絡結構，建議在匯聚層（路局局干網）建設POTN網絡。

在接入層首先引入PTN網絡，用于承載LTE-R回傳業務，滿足LTE-R對承載網在高質量的QoS、高精度時間同步技術、高質量傳輸通道、豐富的保護技術等要求。

目前在匯聚層，有的路局建設了OTN傳輸網，有的路局沒有建設OTN傳輸網。對于沒有建設OTN傳輸網的路局，可以引入POTN的建設，用于承載大容量LTE-R業務承載和匯聚層IP數據的承載，實現多業務的綜合接入，采用統一交叉平臺，滿足高帶寬通道的需求，減少網絡層次、設備轉接、基礎能源消耗，降低運維難度。對于已經建設OTN傳輸網的路局，在LTE-R建成后，可以將現有的OTN網絡升級為POTN系統，滿足LTE-R業務對承載網的要求。

8 結束語

鐵路分組光傳送網網絡建設應根據鐵路既有傳送網的網絡結構、承載的業務類型、運維管理模式，結合既有傳輸網結構建設，選擇適合鐵路業務的保護方式、OAM機制和同步技術。

在沒有建設匯聚層OTN網絡（路局骨干層）的路局，可以考慮優先建設POTN網絡，為以后LTE-R的建設以及綜合分組業務的接入預留傳送條件。

在建有匯聚層OTN網絡的路局，結合LTE-R 和PTN網絡的建設情況，逐步過渡到POTN網絡，提高匯聚層網絡的綜合分組業務的匯聚能力。

［1］李允博.光傳送網（OTN）技術的原理與測試［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［2］李芳，付錫華，趙文玉，等.分組光傳送網（OTN）技術和應用研究［R］.中國通信標準類研究報告，2011.

［3］OIF.OTN Over Packet Fabric Protocol（OPF） Implementation Agreement［S］.IA OIF-OFP-01.0，2011.

Based on the research on the network structure， functions and key technologies of Packet Optical Transport Network （POTN）， the paper analyzes railway application requirements combined with the application model and construction situation， and discusses the construction method of railway POTN.

POTN standard； network structure； key technology； network construction

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.007

中國鐵路總公司科技研究開發重大課題項目（2015X001-B）

2016-04-02）