下一代鐵路傳輸技術(shù)MS-OTN的應(yīng)用與研究

王 通，桂銀凱，王 楠

(華為技術(shù)有限公司，北京 100077)

1 概述

2008 年8 月1 日，國內(nèi)自主建設(shè)的第一條350 km/h 高速鐵路— 京津城際鐵路開通運營，標志著國內(nèi)正式進入高鐵時代。截至2019 年底，國內(nèi)高速鐵路營業(yè)里程已達3.5 萬km，占世界總里程的2/3 以上，穩(wěn)居世界第一。

隨著高鐵建設(shè)及信息化不斷加速，鐵路各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求相對十年前已經(jīng)有了很大變化，如何解決當前業(yè)務(wù)需求的多樣性和相對固化的傳輸網(wǎng)絡(luò)間的矛盾，已成為亟待考慮的問題。

2 既有高速鐵路傳輸方案

2.1 現(xiàn)狀分析

在既有高速鐵路的“四電”建設(shè)中，傳輸系統(tǒng)采用“MSTP 技術(shù)搭建骨干匯聚層+接入層兩層組網(wǎng)”，如圖1 所示。骨干匯聚層主要在沿線各車站、通信站、線路所等節(jié)點部署STM-64 ADM 設(shè)備，利用鐵路兩側(cè)的光纜構(gòu)成鏈型1+1 保護。骨干匯聚層與接入層傳輸系統(tǒng)通過2 個2.5 Gbit/s 光接口對接，為接入層傳輸系統(tǒng)通道提供迂回保護。

接入層一般在沿線車站區(qū)間各基站、信號中繼站、線路所、牽引變電所、AT 所、分區(qū)所、開閉所、電力配電所、綜合維修工區(qū)、綜合維修車間等信息接入點設(shè)置STM-4 ADM 設(shè)備，提供2 M 通道及10/100 Mbit/s 寬帶數(shù)據(jù)的接入，同時兼顧區(qū)間應(yīng)急通信接入條件。本地（車站）及站場內(nèi)接入層通常也采用STM-4 ADM 設(shè)備組建MSTP 傳輸網(wǎng)絡(luò)。此外，為了方便站間業(yè)務(wù)的傳遞，提升站間傳輸帶寬，接入層各個車站通常也會部署STM-16 ADM 1+1 設(shè)備。

圖1 基于MSTP的鐵路多業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)Fig.1 Railway multi-business transmission network based on MSTP

2.2 存在問題

2.2.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬不足

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸通道提出更高的要求。國鐵集團（原中國鐵路總公司）于2016 年發(fā)布《中國鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計時速200km 及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補充標準的通知》[1]，要求設(shè)計時速200 km 以上的線路在重點區(qū)域和區(qū)間線路均需設(shè)置分辨率不低于1 080 P 的高清攝像機。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求，接入層通道預(yù)留量不宜小于40%[2]，另外，考慮到幀開銷，實際可用通道大約在50%。既有MSTP 設(shè)備是按照分辨率為4CIF 或D1 的視頻監(jiān)控設(shè)計的，每臺攝像機占用一路2 M 通道。高清攝像機要求1 080 P分辨率，碼流達到6 Mbit/s。傳統(tǒng)組網(wǎng)方式下沿線由STM-4 ADM 設(shè)備所構(gòu)建的622 Mbit/s 傳輸通道已經(jīng)不能夠滿足綜合視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的接入需求。2.2.2 多業(yè)務(wù)承載性欠缺

由于GSM-R 在頻譜、產(chǎn)業(yè)鏈、業(yè)務(wù)承載上的諸多不足，LTE-R 正在成為鐵路專用無線網(wǎng)的演進方向。2018 年，中國鐵路總公司在京沈高鐵開展了450 MHz 頻段下的LTE-R 技術(shù)試驗，試驗表明，LTE-R 系統(tǒng)在速度350 km/h 條件下，系統(tǒng)承載能力、傳輸時延等各項技術(shù)指標遠優(yōu)于GSM-R[3]。LTE-R 需要采用高精度時間同步功能，其承載網(wǎng)需要支持IEEE 1588v2 協(xié)議，而MSTP 并不能夠很好地支持該技術(shù)，其時鐘系統(tǒng)完全靠GPS/北斗授時而沒有地面?zhèn)鬏敱Ｗo通道，無法保證LTE-R 授時的可靠性。

“兩網(wǎng)融合”的實施全面加速各路局業(yè)務(wù)IP 化，IP 化已經(jīng)成為鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建趨勢。例如，哈爾濱鐵路局近幾年逐步將視頻監(jiān)控、視頻會議、應(yīng)急通信、NGN 電話交換業(yè)務(wù)、數(shù)字調(diào)度通信、鐵路eLTE、信號業(yè)務(wù)、車輛5T、鐵路公安網(wǎng)等業(yè)務(wù)割接到數(shù)據(jù)通信網(wǎng)上承載，實現(xiàn)了鐵路業(yè)務(wù)承載IP 化[4]。YD/T 1238-2002 標準提供了基于SDH 的多業(yè)務(wù)傳輸節(jié)點技術(shù)要求，其基本功能模型如圖2 所示[5]。MSTP 雖然支持以太網(wǎng)業(yè)務(wù)通過協(xié)議封裝和速率適配后映射到SDH 的虛容器（VC）中傳輸，但是其開銷成本高、映射效率低，且不具備業(yè)務(wù)IP 化所要求的統(tǒng)計復(fù)用、帶寬共享、靈活調(diào)度等功能，突發(fā)無法有效應(yīng)對數(shù)據(jù)流量的變化，影響IP 化分組業(yè)務(wù)的傳輸效率。

圖2 MSTP基本功能模型Fig.2 MSTP basic functional model

2.2.3 骨干層功能定位重復(fù)

在高鐵建設(shè)初期，由于各路局尚未建設(shè)局干OTN 網(wǎng)，因此高鐵建設(shè)了骨干匯聚層STM-64，專門用于傳輸大顆粒數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并為重要業(yè)務(wù)提供迂回路徑。2014 年之后各路局普遍建設(shè)了OTN局干網(wǎng)，通過局干網(wǎng)來承載綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)，并為MSTP 提供迂回保護路徑。局干OTN 網(wǎng)實際上和骨干匯聚層在功能定位上有所重疊，且局干網(wǎng)OTN 采用DWDM 技術(shù)，可采用40/80 波DWDM 技術(shù)實現(xiàn)擴容，其擴展性遠優(yōu)于MSTP 骨干層傳輸網(wǎng)。

因此，在進行新線建設(shè)及路局網(wǎng)絡(luò)改造規(guī)劃時，應(yīng)該充分考慮各層級網(wǎng)絡(luò)的功能，在滿足業(yè)務(wù)安全可靠的前提下，網(wǎng)絡(luò)層級應(yīng)盡量簡化，盡量扁平。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)管理維護復(fù)雜

既有高鐵傳輸組網(wǎng)均為單網(wǎng)，一旦施工就必須中斷行車運行。隨著高鐵的開行班次逐漸加密以及夜間高鐵的開行，維護部門申請高鐵天窗點越來越困難，每次天窗點的時間也非常緊張，通常半個月到一個月左右才能申請到一個晚上4 h 的天窗點。在這一段有限的時間里要實施線路調(diào)整和故障處理，現(xiàn)場人員的作業(yè)難度和壓力也越來越高。

3 MS-OTN技術(shù)支撐鐵路應(yīng)用分析

3.1 MS-OTN簡介

多業(yè)務(wù)光傳送網(wǎng)（Multi-Service Optical Transport Network，MS-OTN）是同時支持MPLS-TP 技術(shù)、SDH 技術(shù)和OTN 技術(shù)的多業(yè)務(wù)統(tǒng)一平臺設(shè)備。MS-OTN 可以靈活適應(yīng)各種業(yè)務(wù)帶寬需求，滿足任意速率任意種類業(yè)務(wù)的接入傳輸需求。MS-OTN 融合OTN、TDM 和分組3 個平面的技術(shù)，使L0/L1/L2 協(xié)同工作，通過一種設(shè)備同時支持λ/ODUk/VC/PKT 統(tǒng)一交叉，提供大且靈活的光管道，并支持精確的時鐘和IEEE 1588v2 時間同步，并具備簡單高效、端到端的運維保障。相比傳統(tǒng)方案，MS-OTN 具備更好的用戶體驗，支持網(wǎng)絡(luò)演進平滑、帶寬利用率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)勢。

當前，MS-OTN 從標準到關(guān)鍵器件已實現(xiàn)完全自主化與國產(chǎn)化，能為鐵路行業(yè)提供更加可靠的業(yè)務(wù)承載，如圖3 所示。

圖3 基于MS-OTN的鐵路多業(yè)務(wù)承載拓撲Fig.3 Railway multi-business carrying topology based on MS-OTN

3.2 MS-OTN鐵路業(yè)務(wù)承載方案

3.2.1 高速通道滿足大顆粒業(yè)務(wù)要求

MS-OTN 支持10 G/100 G 的線路側(cè)速率，這樣高速鐵路沿線及重點區(qū)域的視頻監(jiān)控補強就能通過傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載，不需要再單獨建設(shè)視頻專網(wǎng)，這也將大大減少工程建設(shè)的復(fù)雜程度和維護成本。另外，隨著鐵路業(yè)務(wù)云化的趨勢愈加強烈，云技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用也在不斷發(fā)展[6]。2017 年，中國鐵路總公司已經(jīng)發(fā)布《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[7]，提出對于云存儲功能的支持。隨著后續(xù)線路級以及路局級云化方案的實施[8]，對傳輸提供的線路帶寬也會提出更高需求。MS-OTN 在業(yè)務(wù)接入和帶寬提供方面將會發(fā)揮更大優(yōu)勢。

3.2.2 單系統(tǒng)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載

MS-OTN 支持任意速率接入，支持λ/ODUk/VC/PKT統(tǒng)一交叉，支持任意種類業(yè)務(wù)映射到同一波道傳送，相對于MSTP 和PTN 傳輸技術(shù)，支持業(yè)務(wù)類型更加豐富，并在同一波道中同時承載OTN/SDH/PKT 業(yè)務(wù)的同時實現(xiàn)自由靈活地為不同業(yè)務(wù)分配帶寬，如圖4 所示。MS-OTN 本身繼承MSTP 大量的功能與接口，支持PCM、2 M、STM-N 等接口，支持與現(xiàn)網(wǎng)所有速率的MSTP 設(shè)備對接（155 M ～10 G），也支持保護方式對接。MS-OTN 也具備FE/GE/10GE 等以太分組接口，未來還能支持5G移動通信專用的25 G/50 G 接口，并具備超低時延特性，滿足5G 承載需求。

圖4 MS-OTN實現(xiàn)統(tǒng)一傳送多業(yè)務(wù)Fig.4 Unified transmission multi-business realized by MS-OTN

對于GSM-R 等2M 業(yè)務(wù)，MS-OTN 仍支持基于SDH 平面進行承載，并采用和既有MSTP 技術(shù)一致的組網(wǎng)模式和保護模式，即每4 ～6 個基站共用一個2 M 通道，每個基站出2 個2 M 接口，使GSM-R 業(yè)務(wù)自身成環(huán)。

對于下一代鐵路移動通信技術(shù)LTE-R 來說，MS-OTN 支持通過IEEE 1588v2 時間同步，和GPS/北斗共同形成“天地互備”，提升系統(tǒng)整體可用性及可靠性。也能解決連續(xù)長大隧道或城市地下區(qū)段內(nèi)GPS 天線難以布放，或建筑物遮擋衛(wèi)星信號等問題。MS-OTN 基于集中交叉式邏輯功能模型如圖5 所示[9]。

圖5 MS-OTN集中交叉式邏輯功能模型Fig.5 MS-OTN centralized cross logic functional model

從圖5 可以看出， MS-OTN 專門提供了分組處理的平面，采用MPLS-TP 協(xié)議進行分組業(yè)務(wù)處理。MPLS-TP 基于現(xiàn)有的MPLS 技術(shù)實現(xiàn)簡單高效的分組傳送，同時增強了OAM 和保護機制，有助于GSM-R 向LTE-R 的演進。

3.2.3 隔離保護方案保障業(yè)務(wù)可靠性

在業(yè)務(wù)保障方面，MS-OTN 提供分層、完善的業(yè)務(wù)保護方案，通過構(gòu)筑兩道防線為業(yè)務(wù)提供全方位可靠性保障。第一道防線基于電信級保護提供小于50 ms 的故障自愈，第二道防線提供分層業(yè)務(wù)保護，包含L0 層光層保護、L1 層VC 及ODUk 保護、L2 層MPLS-TP 保護，確保多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載時的高可靠性。

通過上述多種隔離及保護方案，MS-OTN 可實現(xiàn)對于鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多元化承載需求，在滿足業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的同時，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)對安全性及可靠性的要求。

3.2.4 豐富的管理措施提升運維效率

MS-OTN 提供層次化、端到端的OAM 方案，保證網(wǎng)絡(luò)故障定位、倒換和性能檢測需求。MSOTN 除了繼承OTN/TDM 豐富的開銷外，還支持通過MPLS-TP OAM/ETH-OAM 實現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)E2E OAM。

MS-OTN 通過統(tǒng)一網(wǎng)管實現(xiàn)對L0/L1/L2 統(tǒng)一可視化運維，簡化分組業(yè)務(wù)運維?？梢暬\維將網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)路徑、流量、性能、故障等運維關(guān)注的信息以視圖的形式在網(wǎng)管上呈現(xiàn)，提升廣大鐵路通信人員對于整網(wǎng)狀態(tài)的可知程度，降低運維工作的復(fù)雜程度。

3.3 組網(wǎng)模式演進

考慮到未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“扁平化”趨勢，以及LTE-R 對A/B 雙網(wǎng)需求，后續(xù)鐵路傳輸網(wǎng)演進方案可考慮采用更加扁平兩層組網(wǎng)，即“骨干匯聚層+接入層A/B 雙網(wǎng)模式”，該方案不涉及骨干匯聚層與接入層傳輸系統(tǒng)之間2.5 Gbit/s 光接口對接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的壓縮，有助于維護工作的減輕，如圖6 所示。骨干匯聚層完成各主干節(jié)點間的業(yè)務(wù)匯聚，為數(shù)據(jù)網(wǎng)提供傳輸通道。接入層完成對接入節(jié)點、匯聚和轉(zhuǎn)接，將來自區(qū)間接入層的業(yè)務(wù)匯聚到骨干匯聚層。

骨 干 匯 聚 層 采 用10 G/100 G OTN 系 統(tǒng) 組建40 波/80 波WDM 傳輸平臺，直接并入局干OTN，主要在大車站部署。接入層采用MS-OTN的10 G 線卡，組成連接車站和區(qū)間接入點的A/B雙網(wǎng)；也能保證A 網(wǎng)維護調(diào)整時，B 網(wǎng)可正常行車，減少對天窗點的依賴。

圖6 鐵路傳輸組網(wǎng)演進方案Fig.6 Evolvable solution of railway transmission networking

4 應(yīng)用案例

深圳地鐵6/10 號線在國內(nèi)首次采用視頻監(jiān)控云化存儲，并計劃后續(xù)新建地鐵線路全面轉(zhuǎn)型為云化綜合承載網(wǎng)。為此，深圳地鐵6/10 號線選用MS-OTN 組建專用傳輸系統(tǒng)，開啟了地鐵建設(shè)云化存儲+100 G 傳輸新模式，為后續(xù)全國地鐵通信網(wǎng)建設(shè)樹立新的標桿，為各類業(yè)務(wù)提供了充足的帶寬，并支持帶寬平滑擴容，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)保證安全性的同時，具備更加智能與靈活的特性。

目前，MS-OTN 已在全國近20 條地鐵線路得到應(yīng)用，并已成為地鐵專用警用傳輸網(wǎng)標準制式，為其在鐵路行業(yè)的落地奠定堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

當前已經(jīng)邁入智能鐵路時代，越來越多先進技術(shù)與行業(yè)需求的集成融合將加速鐵路行業(yè)的數(shù)字化、現(xiàn)代化以及智能化。MS-OTN 完全可以為高速鐵路提供高可靠、易擴展的承載能力，滿足智能鐵路時代下鐵路業(yè)務(wù)多元化的發(fā)展需求。