鐵路通信傳輸網采用PTN 技術場景分析

王飛

（中鐵十一局集團電務工程有限公司，湖北 武漢 430073）

0 引言

隨著鐵路行業的持續發展，鐵路通信技術也得到優化與創新，對鐵路資源調度、安全生產運行等活動產生直接影響。鐵路移動通信5GˉR 時代背景下，對鐵路通信傳輸技術提出更高要求，原有的MSTP 技術難以適應生產需要，而PTN（分組傳送網）技術則逐步擴大應用。PTN 技術不僅實現了鐵路通信技術的創新，還可以為鐵路通信網安全穩定運行提供保障，因此相關技術的應用場景也成為當前鐵路通信領域的熱點研究方向。

1 鐵路通信傳輸網技術架構

1.1 傳輸網骨干層

傳輸網骨干層主要包含鐵總至路局以及路局之間的業務傳送，為滿足跨鐵路局性網路傳輸需求，需要確保網絡技術的應用具有傳送距離長、交叉容量大以及可靠性高的特點[1]。基于這樣的需求，可以將OTN 技術應用于骨干層長距離傳輸中，實現ODU 容器定義以完成業務接入與業務調度。對于冗余保護來說，則可采用OCH 或ODUk 等完成不同業務類型保護，包括單一波長、子波長等。

1.2 傳輸網匯聚層

傳輸網匯聚層主要包含局管內業務流量的傳送，并在鐵路沿線規模較大的站點中進行匯聚。當前傳輸網匯聚層所采用的技術以OTN 技術以及MSTP 技術為主，隨著數據業務升級，傳輸網匯聚層業務傳輸將持續朝向長距離、大容量的方向發展，進而有必要通過引入PTN 技術實現技術升級。通常情況下，傳輸網匯聚層的組網類型包括環型、鏈型等，在業務傳輸量較大時，可采取OTN 技術與PTN 技術配合使用的方式。

1.3 傳輸網接入層

傳輸網接入層運行過程中，需要構建相應的綜合承載平臺來滿足多樣性、專用性、高可靠性的鐵路業務要求。目前，傳輸網接入層的技術應用以MSTP 技術為主，隨著數據業務的持續升級，接入層傳送系統將朝向大容量、多業務趨勢發展，進而有必要引入PTN 技術以實現對接入層業務的承載。由此可見，PTN 技術通過環形、鏈型組網實現在傳輸網匯聚層、接入層的應用。例如，在進行鐵路建設期間，若需要應用LTE-R 等對時間同步精度要求較高的業務網，僅依靠衛星傳遞時間信號是不夠的，還需要進一步通過PTN 技術、增強型MSTP 技術等進行地面1588v2 信號的傳送。

2 鐵路通信傳輸網業務需求

2.1 傳輸網業務現狀

結合當前傳輸網承載的業務情況來看，業務類型涉及以下3 種：①數據業務。數據業務包括視頻監控、會議電視、旅客服務、電力SCADA 等，其業務流向通常是區間/車站—路局—鐵總。其中區間/車站環節由MSTP 或以太網交換采用雙平面傳送實現業務承載；車站與路局環節通過數據網或MSTP 實現業務承載；路局與鐵總環節由OTN 完成業務承載[2]。②TDM 業務。TDM業務包括GSM-R 以及自動電話等。③專線業務。專線業務包括票務、災害預警、CTC/TDCS 信號等。其業務流向通常是區間/車站—路局—鐵總，其中區間/車站環節由MSTP 實現業務承載；車站與路局環節通過MSTP 實現業務承載；路局與鐵總環節由OTN 或MSTP 完成業務承載。

2.2 傳輸網業務發展趨勢

隨著高速鐵路的持續發展，更多先進的通信信息技術進入鐵路通信網絡中，同時呈現出十分顯著的變化趨勢，對傳輸網也提出了更高的要求。首先，IP 網絡的數據類業務將逐漸替代TDM 類業務，同時GSMˉR 無線通信系統也會進行升級更新，轉變為LTEˉR 系統。LTEˉR 系統屬于分組式的IP 網絡架構，對時間同步精度的要求較高，結合當前的技術應用水平來看，可以滿足其要求的技術包括北斗/GPS 授時以及IEEE1588v2技術。圍繞IP 網絡的業務升級還體現在調度通信業務方面，實現由有線調度通信向IP 多媒體調度通信的轉變。在此過程中，可以通過IP 網絡實現多媒體調度交換機與多媒體調度終端的聯通，有效滿足鐵總、路局以及區間/車站之間的通信需求。除此以外，TDM 語音業務將逐步退出歷史舞臺轉為軟交換自動電話業務。其次，數據類業務在持續發展的過程中，對傳輸網帶寬提出更高的要求，當前視頻業務、監控類數據業務呈井噴式增長趨勢，同時替代TDM 類業務所生成的相關數據類業務也大量增長。導致業務增長的原因主要包括兩方面：①為滿足鐵路系統運行要求，在多個區域安裝了相應的視頻監控裝置；②為提升監控視頻的清晰度及相關數據質量，對傳輸帶寬的需求量顯著增加，增大擴容難度[3]。

3 PTN 技術在鐵路通信傳輸網的應用

3.1 技術類型

PTN 技術屬于一種以二層交換為基礎的分組架構，其主要應用領域為分組信息業務，通過將各類數據進行數據包分配來實現有效、系統的系統資源傳輸與共享，主要應用在第三、四代移動通信網中[4]。PTN 技術在完成核心分組業務的基礎上還可以滿足其他業務的執行需求，即針對分組業務流量設置專門的業務層面，為分組業務傳送提供更多途徑。現階段，PTN 技術分支主要包括PTN 保護技術以及PTN 同步技術。其中，PTN保護技術可以針對網絡、鏈路、業務等多層面提供保護功能，網絡層面中LSP 及PW 為線型保護對象，PTN 段層為環網保護對象；鏈路層面通過將TDM/ATM 接入鏈路來實現保護；而業務層面則可以為L3VPN 保護以及雙歸保護提供支持。由此可見，PTN 保護技術十分多樣，可根據具體機制保護需求來提供相應的保護功能。對于PTN 同步技術來說，與SDH 原理一致，PTN 技術也可以實現時鐘同步信號的接引與傳遞。與此同時，基于NTP 或PTP 協議還可以通過PTN 技術進行網絡時間同步，并滿足多種時鐘模式的組網需求。

3.2 技術現狀

當前，PTN 技術在我國鐵路通信網中已經取得了一定的應用成效，作為一種光傳送網絡架構，PTN 技術可以有效針對分組業務流量進行設計，并滿足具體的分組業務需求。具體來看，PTN 技術的應用優勢主要包括以下5 個方面：①技術成本投入少，可以顯著提升鐵路通信網運行可靠性；②通過PTN 技術與IP 業務連接為鐵路通信網系統的穩定運行提供保障；③PTN 技術提供了多元化的保護方式，一旦出現網絡故障可及時對相關數據信息進行保護，并實現業務保護和恢復；④可以通過PTN 技術進行鐵路通信網信息整合，突出SDH 及IP 技術的優勢特征；⑤相較于SDH/MSTP 技術，PTN 技術可針對不同場景進行帶寬靈活分配，促進鐵路通信網運行管理水平的提升[5]。

隨著信息技術的持續升級，PTN 技術在鐵路通信網中的應用還可以進一步劃分為傳送平面、控制平面與管理平面。其中傳送平面負責對各項基礎數據信息進行整合與更新，并提供相應的保護性功能；管理平面負責對設備運行狀態實施管理與分析，對于出現的問題提供解決方案，為鐵路通信網安全運行提供保障。為提高PTN 技術在鐵路通信網中的應用水平，就需要對其展開深入分析，進而拓展出更豐富的適用環節與應用場景。

3.3 發展趨勢

結合PTN 技術目前的發展情況來看，其發展趨勢主要集中在兩個方向：①通過PTN 提高業務承載能力，實現PTN 與OTN 的有機結合，構成POTN 技術；②滿足業務智能化運維及智能化管理需求，推動PTN 與SDN 的有機結合，構成SPTN 技術。隨著技術升級的推擠，SDN 與POTN 還能夠進一步形成SDˉPOTN 技術，真正意義上實現了SDN 分層架構與智能控制同POTN 基礎網絡技術資源的融合，有效滿足集中式虛擬化網絡資源調配需求。與此同時，應用接口與平臺系統的應用也將逐步朝向開放化、標準化方向發展，為鐵路通信業務提供更為靈活、高效的管理環境。

3.4 應用場景

現階段，隨著鐵路通信業務的發展，將逐步實現LTEˉR 系統以及IP 多媒體調度通信業務等內容的升級，在此背景下，PTN 技術的應用范圍將持續擴大，進而適用于更多元的應用場景當中。

3.4.1 既有線改造工程

在進行既有線改造工程的過程中，可以在原有的MSTP 技術基礎上新增PTN 方案，來滿足相關業務的資源傳輸需求，并仍通過MSTP 進行承載。針對上述內容可根據具體業務需求實施相應的方案：①鐵路通信新增LTEˉR 業務。這一方案需要重點考慮LTEˉR 業務的安全性及時間同步要求，因此可采用PTN 進行承載。可以在接入層車站等區域安裝相應的PTN 設備，滿足基站之間的4G 回傳業務需求；若原有機房及新增基站不同址時，那么PTN 還需要進行視頻監控、環境監控等業務的承載。對于匯聚層來說，PTN 可滿足基本傳輸需求，若傳輸量較大則可以采用OTN 系統進行承載。在這樣的情況下，接入層PTN 可與匯聚層PTN/OTN 完成時間源信號的傳送，與匯聚層PTN/MSTP 完成頻率源信號的傳送。此外，LTEˉR 核心網間業務可由MSTP 設備進行承載。這一方案的優勢在于可以很大程度上提高基站設置的靈活性，在不影響接入層、匯聚層運行的基礎上滿足業務傳送和時間同步要求，在必要情況下還需要考慮波道可擴充性[6]。②鐵路通信新增IP 多媒體調度業務。這一方案中，多媒體調度終端可接入層MSTP，多媒體調度設備可與數據網相連，并由數據網完成區間/車站至路局以及路局之間的業務承載要求。值得注意的是，若接入層MSTP 設備帶寬不足，可根據實際需求進行擴容。這一方案的優勢在于可以實現MSTP 的深入、成熟應用，在滿足業務需求的同時，盡可能縮減工作量。

3.4.2 基于MSTP+PTN 方案的新建線工程

新建線工程中新增LTEˉR 業務可以在車站以及鐵路沿線等區域設置傳輸設備，采用MSTP+PTN 方案來滿足業務接入需求，并可以為業務運行的信息化與高效性提供保障。其中，接入層與匯聚層MSTP 可以完成TDM 業務及專線業務的承載，接入層PTN 完成IP 多媒體調度、SCADA、食品及環境監控等業務的承載，而匯聚層PTN 或OTN 負責LTEˉR 業務的承載。MSTP+PTN方案的實施可以有效實現兩種技術的有機結合，并發揮各自優勢。MSTP 技術已經可以實現成熟應用，因此可以應用在安全、保密等方面的業務中；而PTN 則可以實現LTE-R 業務和IP 化業務承載，最大限度上保證網絡傳送業務的穩定性。目前，鐵路通信系統仍然在TDM、專線業務與IP 分組化業務同時開展的情況，因此可以通過MSTP+PTN 方案來提供相應的解決途徑。

3.4.3 基于PTN 方案的新建線工程

在既有工程中存在因MSTP 設備老化而影響通信業務傳輸的情況，有必要針對這一情況開展相應的新建線工程，并將PTN 方案引入其中，更好地滿足其中業務承載需求，同時逐步替代原有傳送網。基于PTN 方案的新建線工程在理論上可以有效適應IP 分組化業務需求，網絡設置比較簡單，并達到傳輸性能指標有關規定。然而若應用在實際場景中，該方案處于大流量環境下所呈現出的PTN 傳送性能以及網絡安全性還有待進一步探究。除此以外，隨著鐵路5G 業務的推廣，還應深入研究PTN 技術的適應性與可行性。

3.4.4 鐵路支線及接入網應用

對鐵路支線及接入網應用場景來說，可以充分發揮PTN 技術在多業務承載方面的優勢，進而應用在支線鐵路的線路保護中。通過線路1+1 保護PTN 方案可以有效實現通信業務及相關信息的接入，同時由獨立組網完成安全相關業務。與此同時，在信息化業務容量較大且較為分散的狀態下，還可以通過環型組網PTN實施數據業務接入，保證網絡運行的安全性與可靠性。值得注意的是，通過PTN 進行接入時可采用的無線接入技術包括GPON、PTN、MSTP 等多種類型，進而在實際應用場景中可以根據具體業務需求選擇合適的技術。

4 結語

隨著大數據、人工智能等技術的應用以及鐵路通信業務IP 化趨勢的加速發展，傳輸網承載業務勢必面臨轉變，如何提升鐵路通信系統業務能力也成為每一個鐵路通信工作者需要解決的問題。目前，PTN 技術已經實現了成熟應用，同時可以有效適應我國鐵路通信系統運行需求。在此期間，應不斷針對PTN 技術的應用場景展開深入探索，實現高效管理與擴容目標，為鐵路通信傳輸網安全穩定運行提供保障。