城軌傳輸系統制式選擇分析

沈 強

（1．北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2．城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068）

1 傳輸系統概述

城軌專用通信傳輸系統是連接控制中心與車站、車站與車站之間文本、音視頻數據等各種信息傳輸的主要手段，是城軌通信網的基礎和骨干。其不僅為專用通信各子系統（包括車-地綜合無線通信系統（LTE-M）、政務通信、乘客信息系統（PIS）等）提供傳輸通道，還為信號系統（ATS）、綜合監控系統（ISCS）、電能質量管理系統（PQSS）、自動售檢票系統（AFC）、門禁系統（ACS）等系統提供可靠的、冗余的、可重構的、靈活的傳輸通道。

傳輸系統以綜合集成化和高度智能化為基礎，具有系統功能強大、高可靠性、高可用性、易擴展、易組網、易集中維護管理等特點。

2 傳輸系統需求分析

傳輸系統承載的業務種類多，信息多樣，且各業務需求如帶寬、時延、丟包等要求各不相同，是一個綜合信息傳輸平臺。隨著通信技術發展，長距、高速、多業務混合、帶寬按需分配、業務QoS分級、安全高效的信息傳輸成為必然需求，為滿足這些需求，提供可靠傳輸通道是傳輸系統制式選擇的主要考慮因素。

2.1 接口需求

傳輸系統承載的業務主要包括TDM和IP數據兩類，低速數據如RS-422等基本已淘汰。雖多數已開通線路公務/專用電話系統、專用/政務無線通信系統均采用E1接口，但目前軟交換、IMS均為成熟系統，已逐步在城軌應用；傳統基于TETRA的專用無線通信系統逐步被寬帶集群系統（B-TrunC）取代，并集成在LTE-M中；政務無線也正在進行E1接口IP化改造等。傳統的TDM業務已經基本被IP數據業務所取代，傳輸網絡已實現全面IP化[1]，通信系統內、外部各子系統業務均可通過以太網接口實現。

2.2 帶寬需求

各業務傳輸帶寬需求各異，需求較低的如政務無線IP中繼、時鐘數據同步等，需求較大的如云平臺數據同步、視頻流信息等。隨著防恐要求的提高，視頻監控系統占據越來越重要的地位，高清視頻流帶寬需求（VMS單路4～8 Mbit/s、PIS單路6～10 Mbit/s）不斷增加，千兆甚至萬兆的業務通道帶寬成為普遍需求，而云平臺動輒需要10 G以上帶寬需求。

2.3 業務驅動

城軌業務傳輸需求主要為中心、車站兩級架構，中心與路網級系統相連，現有業務流向有路網-中心-車站、路網-車站、路網-中心、車站-車站-中心-路網等不同形式，要求傳輸系統網絡結構業務適應性強。此外，隨著國內地鐵新建線路逐步全面應用全自動運行（FAO）技術，智慧地鐵各種新業務不斷在城軌線應用，各業務系統對傳輸系統的個性化需求不斷增長，對傳輸網絡的時延、帶寬、丟包及可靠性提出了更高要求。如車載視頻實時落地存儲、視頻監視系統存儲異地容災及云平臺部署等，均要求較大的傳輸帶寬和較高的可靠性；寬帶集群、FAO和車-車通信等，要求較低的時延、丟包和較高的可靠性；這些給傳輸系統提出時延更低、帶寬更大、丟包更少、可靠性更高、通道顆粒度更靈活等要求。

3 傳輸系統制式分析

縱觀國內電信運營商在4G/5G承載網技術方向選擇及各地城軌傳輸系統實際應用情況，近年主流傳輸系統制式大致有：增強型多業務傳輸平臺（MSTP）、光傳送網絡（OTN）、分組增強型OTN、分組傳送網（PTN）、切片分組網（SPN）、路由器/交換機整體解決方案（IP RAN）。

由于增強型MSTP最大帶寬受限，且增強型MSTP主要廠商已放棄該技術向后演進，本文僅就OTN、增強型OTN、PTN、SPN、IP RAN這5種主流傳輸技術從調度處理機制、網絡保護及性能、控制平面、運維管理平面4個方面進行簡要對比分析，并結合城軌業務應用需求進行橫向研究。

3.1 光傳送網絡（OTN）

3.1.1 技術制式簡介

OTN是在SDH和WDM技術的基礎上發展而來，兼有兩種技術之長。OTN集成了光域和電域的處理優勢，提供巨大的傳輸帶寬、完全透明的端到端波長/子波長連接及電信級的保護，是目前傳送大顆粒/大帶寬業務最優的技術。它同時兼具傳送和交換功能，是承載大帶寬IP業務的理想平臺。OTN可為業務提供端到端的剛性管道，保證帶寬及確定性的時延。OTN設備分為終端復用設備、電/光交叉設備、光電混合交叉設備[2-3]。

1）調度處理機制

OTN設備能提供強大的業務疏導調度能力，包括基于光層的波長交叉調度和基于電層的子波長交叉調度。在光層，OTN設備支持ROADM應用以實現波長級業務調度；在電層，OTN設備支持ODU0、ODU1、ODU2、ODU3等顆粒業務調度。

2）網絡保護及性能

OTN設備可在光和電兩層實現業務的多層次保護，同時結合WSON智能控制平面可支持不同等級業務的保護與恢復相結合的應用。

OTN組網主要以線性保護為主，環網保護很少使用，OTN網絡保護包括線性保護和環網保護兩種保護類型，線性保護分為光層保護（OLP、OMSP、OCP）與電層保護（ODUk SNCP、PW APS），環網保護分為光通道共享環保護、ODUk環網保護和ERPS環保護。

3）控制平面

OTN支持加載GMPLS控制平面，可構成基于OTN的ASON網絡。ASON網絡可實現光網絡連接的自動建路、維護和拆除，是實現網絡智能化的主要手段，主要提供光纖/波長的自動發現、在線波長和電路路由選擇、端到端連接維護和保護恢復等OAM功能。

4）運維管理平面

OTN網絡管理完成標準管理信息的交換及配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。管理對象包括：控制平面、傳送平面（光層或電層）、DCN、業務等。網元間通信可采用GCC，或采用外部數據通信網；網元與網管之間采用外部數據通信網，協議?？刹捎肙SI協議?；騎CP/IP協議棧通信。

3.1.2 應用分析

OTN網絡提供大容量、長距離的大顆粒剛性傳輸管道，OTN的物理隔離最小顆粒度為1.25 G。這個顆粒度太大，對于需要帶寬靈活統計復用的分組業務承載效率較低，會造成通道帶寬浪費，且對于數據業務的處理適應性相對較差，因此較少在線路級應用，一般適用于路網級骨干網的建設。

3.2 分組增強型OTN

3.2.1 技術制式簡介

分組增強型OTN在原OTN技術上提供部分分組功能，并針對分組業務傳送進行優化，通常采用基于MPLS-TP的PTN技術[4]。

1）調度處理機制

通用信元交換方式是業界在實現分組OTN時的主流技術，分組OTN設備采用該技術后可實現大容量分組業務的靈活交換，且可實現分組和OTN任意比例業務的組合，適合在新建OTN網絡中部署。

實際部署中，采用分組和OTN業務混合線路板卡，將這兩種業務混合匯聚到同一塊線路板卡中傳輸，可顯著提高OTN帶寬利用率，減少線路側單板類型，便于簡化運維。

2）網絡保護及性能

分組增強型OTN全面繼承傳統OTN在光、電層面的保護機制，同時也針對分組層面提供基于PTN的網絡保護功能，但一般都只能提供簡化版。

3）控制平面

分組增強型OTN能繼承傳統OTN的ASON調度機制，但僅限于傳統OTN業務，對于分組業務平面，缺乏相應的控制平面的通用標準。

4）運維管理平面

分組增強型OTN全面繼承傳統OTN運維管理機制，同時也針對分組層面提供基于PTN的運維管理功能，但一般都只能提供簡化版。

3.2.2 應用分析

分組增強型OTN技術增加了不同種類業務顆粒的調度靈活性，也節約了大量的通道資源，能夠組成共享專網業務，實現多站點間的業務和帶寬共享，最大程度利用好帶寬和通道，避免大量點對點通道帶來的帶寬浪費和組網不靈活。當前分組增強型OTN在城軌已有應用案例，線路側采用40 G /100 G帶寬可滿足城軌專用通信的需求。

3.3 分組傳送網（PTN）

3.3.1 技術制式簡介

PTN是一種基于二層交換的分組架構，主要面向分組業務，并融合支持TDM 與以太網業務，可將所有數據封裝到合適的數據包中進行傳送，是順應IP業務爆發增長而出現的技術。PTN采用的MPLS-TP技術是對IP/MPLS技術和SDH技術的進一步融合發展。MPLS-TP對IP/MPLS協議進行了簡化，增強了OAM保護和網管功能[5-6]。

1）調度處理機制

傳送網絡傳輸媒質層，主要采用以太網光模塊或者以太網電模塊。支持基于PW封裝的MPLSTP傳送機制。支持L2及基本的 L3路由協議，但路由表均采用靜態配置，不支持動態學習。

2）網絡保護及性能

PTN采取了類似于SDH的網絡保護機制。網絡內的保護方式兼具LSP和PW的線性保護以及PTN的段層環網保護，與其他網絡的接入鏈路保護（TDM和以太網）；網絡內保護和接入鏈路保護相配合實現端到端業務保護（包括在接入鏈路或PTN接入節點失效情況下）。

PTN網絡中，業務在設備內采用存儲轉發的交換模式，單站點的業務時延一般在30 μs左右，抖動5 μs以內。

3）控制平面

目前，PTN無控制平面，業務部署如連接的建立等均基于靜態的網管配置。

4）運維管理平面

PTN技術采用SDH技術中層網結構的特點，并且具備完善的OAM。管理平面負責傳送平面、控制平面及整個系統的管理功能，同時提供這些平面間的協同操作。內嵌網管通道采用OAM報文方式，通過不同的VLAN或者不同的VRF來和業務通道進行區分。

3.3.2 應用分析

PTN數據業務接入方面具備強大的承載技術方案，但不支持物理隔離，E1仿真接入時延為5～10 ms，而傳統MSTP方案為2～3 ms；雖PTN不具備物理隔離能力，但隨著TDM業務的萎縮，其在城軌專用通信網絡有一定程度的應用。隨著5G技術的高速發展，PTN也在適應5G傳輸特點，向切片分組網（SPN）演進。

3.4 切片分組網（SPN）

3.4.1 技術制式簡介

SPN是PTN面 向5G的 演 進。SPN采 用 基于ITU-T層網絡模型，以以太網為基礎技術，支持對IP、以太網、CBR業務的綜合承載。SPN技術架構分層包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）、切片傳送層（STL），以及時間/時鐘同步功能模塊和管理/控制功能模塊[7]。

1）調度處理機制

光接口層處各速率接口一般為灰光模塊及對應傳輸光纖，或者基于彩光接口的簡化波分技術。L1層支持OIF的FlexE接口、IEEE 802.3定義的原生以太網接口。同時，L1層還支持切片通道層，主要技術為切片以太網，提供確定性低時延、硬管道隔離的L1通道組網能力。

2）網絡保護及性能

SPN網絡采用分層保護架構，保護體系可分為切片傳送層保護、切片通道層保護、切片分組層保護和客戶業務層保護。業務在硬切片通道中，采用基于FlexE的時隙交叉方式，單站點的業務時延一般在3～10 μs，抖動小于1 μs，支持物理隔離。

3）控制平面

SPN采用基于SDN管控架構的隧道擴展技術（Segment Routing，SR），分為隧道擴展技術SR-TP和SR-BE，同時SPN設備支持最基本的IGP路由協議，在故障情況下提供快速重路由能力。

4）運維管理平面

網管將原有網元管理、網絡管理及SDN功能進行統一，形成管控一體化平臺。同時，可通過物理服務器或虛擬服務器進行云部署。網管劃分獨立的管理通道，與業務通道進行區分和隔離，保證網管系統的安全可靠。

3.4.2 應用分析

SPN作為PTN的演進技術，繼承了PTN 在數據業務方面的處理優勢，同時采用FlexE技術解決了PTN不支持物理隔離的缺陷。目前業界最小的物理顆粒度為10 M，解決了OTN最小顆粒度（1.25 G）過大的問題，且FlexE channel提供了超低時延的轉發技術。

當前中國移動全面應用SPN技術作為5G承載網，國際標準比較完善，國內標準總體技術要求已發布，其他為中國移動企業標準，正在向行業標準方向推進。目前城軌行業已開始應用，暫無開通案例。

3.5 路由器/交換機整體解決方案（IP RAN）

3.5.1 技術制式簡介

IP RAN是基于IP/MPLS協議的電信級承載網絡，是中國聯通4G承載網主流技術方向。為滿足5G場景下大帶寬、低時延、靈活連接需求，IP RAN需演進為面向中傳、回傳和數據中心互聯的統一承載網，其增強性能主要表現在為提升網絡靈活性，引入分段路由（SR）、EVPN 等技術簡化控制協議。為降低傳輸時延，引入FlexE分片技術，在FlexE接口處配置適用于低時延業務的虛擬子接口，保證帶寬和時延。為提升運維效率，引入SDN技術增強網絡智能，通過降低網絡建設成本和運營成本，促進業務部署[8]。

1）調度處理機制

光接口層各速率接口一般采用灰光模塊及對應傳輸光纖，或者基于彩光接口的簡化波分技術。支持OIF的FlexE接口和IEEE 802.3以太網。采用基于SDN管控架構的SR隧道擴展技術（SR-TP和SR-BE），采用L3VPN承載5G業務，并可根據網絡規模和運維需求，支持分層L3VPN到邊緣。采用EVPN、L2VPN承載L2專線業務，采用VPN＋DSCP滿足業務差異化承載需求。

2）網絡保護及性能

網絡側保護采用LSP 1：1，實現隧道的端到端保護。業務層保護采用L2VPN的PW雙歸保護，通過主備PW實現，一般采用單發雙收；采用L3VPN的VPN FRR保護，基于IP/MPLS BGP VPN雙向配置備份路由的信息。

客戶側保護具備LAG保護，保護端口或光纖；IP FRR保護指定路由的備份下一跳，可保護節點故障或LAG組故障。

增強型IP RAN繼承了IP RAN的所有保護方式。同時支持SR的相關保護機制。在IP RAN基礎上增加了FlexE接口，其他性能指標與組網能力與IP RAN相同。

3）控制平面

IP RAN采用動態協議，如IGP、MPLS等，自動完成業務路徑的建立。采用BFD機制，實現連通性的檢測。增強型IP RAN采用基于SDN管控架構的SR隧道擴展技術（SR-TP和SR-BE），同時也繼承了BFD機制，主要實現連通性檢測。

4）運維管理平面

IP RAN的內嵌網管通道采用OAM報文方式，通過不同的VLAN或者不同的VRF來和業務區分，與物理隔離的需求尚有距離。

增強型IP RAN采用SDN技術實現網絡的智能運維與管控，支持智能路徑計算，滿足不同業務SLA需求?？舍槍Σ煌瑯I務，對丟包率、誤碼率、時延、抖動等進行測量，支持快速故障定界和定位，對流量趨勢進行精準評估和預測。

3.5.2 應用分析

IP RAN只具備端口級的FlexE，不具備端到端的業務切片能力，因此其本質上來說還是一張數據網絡，并不具備物理隔離的傳輸能力。目前增強型IP RAN僅在中國電信、中國聯通作為5G承載網使用，在個別城軌線路擬開展應用。

3.6 各制式綜合對比分析

隨著傳輸技術的不斷發展和電信運營商在4G/5G承載網建設時的不同選擇，各種傳輸技術有不同場景/程度的應用。結合城軌業務對傳輸的需求，主流傳輸制式綜合對比如表1所示。

表1 傳輸制式綜合對比分析Tab.1 Comprehensive comparison and analysis of transmission system

4 結論及建議

PTN、增強型OTN在城軌均有應用，但由于技術發展、廠商產品策略等原因，目前應用在縮減，而SPN、IP RAN已開始大規模應用于運營商5G承載網。城軌傳輸系統制式隨著業務需求和技術發展也在不斷的迭代和演進，考慮到城軌建設周期較長，所采用的技術制式應具有一定的行業應用前瞻性，符合技術演進趨勢；所采用的產品應有較強的市場發展空間，居于廠商產品策略的主流發展方向，使維修維護和備品備件得到可靠保障；同時考慮到5G的快速發展和智慧地鐵新業務的不斷上線，應預留相應的基礎網絡承載能力。

結合城軌行業某些傳輸承載業務端到端的剛性需求及表1分析，建議優先選用SPN傳輸制式，其次考慮選用IP RAN傳輸制式。隨著SDN和NFV技術的發展，傳輸與交換逐步融合，同時注意到國內主流傳輸廠商在SPN和IP RAN產品規劃上差異性逐步減少并趨同，SPN和IP RAN產品線可能逐步融合，下一步將繼續跟蹤業界技術發展，以選擇更適合城軌業務的傳輸系統制式。