馬健康

（中國神華神朔鐵路分公司，陜西榆林 719316）

?

OTN技術(shù)在神朔鐵路傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

馬健康

（中國神華神朔鐵路分公司，陜西榆林 719316）

摘要：隨著通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)傳輸網(wǎng)長距離、大顆粒承載、大容量及高可靠性的技術(shù)要求，OTN逐漸成為鐵路骨干層傳輸所采用的主要技術(shù)，鐵路通信網(wǎng)的建設(shè)也將以O(shè)TN為主要發(fā)展方向。從OTN技術(shù)優(yōu)勢、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)保護等方面進行分析，探討將OTN技術(shù)應(yīng)用于神朔鐵路傳輸系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：傳輸系統(tǒng)；OTN；組網(wǎng)

Abstract:With the rapid development of communication networks, OTN becomes gradually the main technology used in railway backbone transmission layer, in order to meet speci fi cations of long distance, large data bearing, large capacity and high reliability of the transmission network. So OTN will be the main developing trend in construction of railway communication networks. The paper analyzes the advantages, network topology structure and network protection of OTN technology and discusses the application of OTN technology in the transmission system for Shenshuo railway line.

Keywords:transmission system; OTN; networking

隨著新一代客票系統(tǒng)、貨運電子商務(wù)平臺、綜合視頻監(jiān)控和運輸企業(yè)管理信息化等業(yè)務(wù)在鐵路領(lǐng)域的展開，尤其是LTE寬帶無線通信系統(tǒng)在重載貨運線路的應(yīng)用，各類新興業(yè)務(wù)和技術(shù)對鐵路通信基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求量日趨增加。

1　神朔鐵路傳輸系統(tǒng)概述及現(xiàn)狀

神朔鐵路于1996年7月1日開通運營，自陜西神木縣大柳塔鎮(zhèn)至山西朔州市，正線全長266 km，其中大柳塔—神池南為雙線電氣化鐵路(線路長228 km)、神池南至朔州為單線電氣化鐵路（線路長38 km）。它北接包神鐵路、南連神延鐵路、東貫朔黃鐵路，自毛烏素沙漠邊緣的陜西神木，途經(jīng)陜西、山西兩省七縣(市)，跨越黃河，向東蜿蜒曲折至山西朔州與北同蒲線接軌。全線地形復(fù)雜，橋隧相連，全線橋梁249座，43 368.8延米；隧道61座，37 429.5延米；涵渠743座，28 904.3延米，總長109 702.6延米（不包括32 km復(fù)線），約占線路總長的22.28%，是我國繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運大通道，主要擔負著神府東勝煤田煤炭外運任務(wù)。

神朔鐵路的傳輸系統(tǒng)由2.5 G骨干網(wǎng)和622 M接入層兩層網(wǎng)絡(luò)組成，其中2.5 G傳輸系統(tǒng)采用MSP 1+1復(fù)用段保護，在大型車站設(shè)有節(jié)點設(shè)備，622 M接入層在2個2.5 G傳輸節(jié)點間采用2纖通道保護環(huán)。既有傳輸系統(tǒng)存在系統(tǒng)容量不足、保護能力不足、安全性差、設(shè)備使用年限長以及無法擴容等問題，而通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，使得鐵路運輸系統(tǒng)對傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了更高的要求。因此考慮對骨干層進行OTN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，對接入層組建自愈環(huán)或1+1鏈狀保護。

神朔鐵路全線從大柳塔—朔西段于2004年和1997年分別建成24芯光纜和8芯光纜各一條。目前24芯光纜中13、14芯為空余纖芯，8芯光纜中已無空余纖芯。同時在2011年神朔鐵路在大柳塔—黃羊城段、保德—神池南段新建1條24芯光纜；神池南—九圪塔段新建1條48芯光纜，這三段光纜中有較多空余纖芯可供使用。

2　神朔鐵路業(yè)務(wù)需求分析

神朔鐵路初期單線設(shè)計運輸能力為3 500萬t，2002年3月開工建設(shè)復(fù)線，復(fù)線全線貫通后的運輸能力為每年1.4億t。隨后經(jīng)過擴能改造和各項技術(shù)革新，運能逐年提升。2005年開行5千t列車，2009年開行萬t列車，2012年運量突破2億t。隨著神朔鐵路運能的逐年提高，若未來開行2萬t列車，將會對列車運行控制技術(shù)提出更高的要求，目前在大秦線、朔黃線均采用機車同步操控和可控列尾來解決2萬t列車編組，并采用更先進的移動通信技術(shù)來解決車與車之間和車與地之間的控車信息交互，如大秦線采用GSM-R系統(tǒng)，朔黃線采用LTE系統(tǒng)。隨著鐵路移動通信技術(shù)的演進和LTE系統(tǒng)在朔黃線的成功應(yīng)用，LTE-R作為鐵路下一代移動通信體制已被提上日程。

LTE-R網(wǎng)絡(luò)要求承載網(wǎng)絡(luò)支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧。LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化對承載網(wǎng)需求有較大影響，其中S1接口（基站與核心網(wǎng)間）和X2（基站與基站間）接口的引入打破了原有移動通信2G 或3G匯聚型組網(wǎng)架構(gòu)，這就要求承載網(wǎng)在原有基礎(chǔ)上，具有靈活的業(yè)務(wù)調(diào)度能力。

鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)基站為兩扇區(qū)，若特殊時隙配比為10：2：2，上下行子幀結(jié)構(gòu)為2：1：2，考慮S1接口和X2接口的吞吐量及網(wǎng)管開銷，兩扇區(qū)基站至核心網(wǎng)的傳輸帶寬約為300 M，基站對核心網(wǎng)的帶寬需要GE來承載。

因此，目前神朔鐵路由2.5 G骨干網(wǎng)和622 M接入層兩層組網(wǎng)的傳輸結(jié)構(gòu)已不能滿足未來LTE系統(tǒng)建設(shè)的需求，需對現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡(luò)進行改造，首先應(yīng)將骨干層升級為OTN系統(tǒng)，這也符合目前國鐵傳輸網(wǎng)骨干層方案，對將來神朔鐵路與其他國鐵或朔黃線接軌提供了有力的條件。

3　OTN概述

目前，隨著國內(nèi)外通信技術(shù)的發(fā)展，OTN成為鐵路通信網(wǎng)建設(shè)的主要發(fā)展方向。光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，在光層組織網(wǎng)絡(luò)的傳送網(wǎng)。OTN 將SDH的可管理能力應(yīng)用到DWDM系統(tǒng)中，具有SDH的安全與調(diào)度和WDM大容量遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。OTN能最大程度地滿足多業(yè)務(wù)、大顆粒、大容量的傳送需求，同時具有為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供最低的時延抖動，最完善的OAM能力，近乎無限的升級擴容潛力以及可節(jié)省大量的光纖資源的優(yōu)勢。

運用OTN技術(shù)能夠彌補傳統(tǒng)的鐵路骨干傳送網(wǎng)技術(shù)靈活性差，不易實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互通等問題，能夠很好的滿足鐵路骨干傳輸?shù)男枰?。OTN可實現(xiàn)完全向后兼容，它可以建立在現(xiàn)有的SDH管理功能基礎(chǔ)上，不僅提供了存在的通信協(xié)議的完全透明，而且還為WDM提供端到端的連接和組網(wǎng)能力，OTN概念涵蓋了光層和電層兩層網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)繼承了SDH和WDM的雙重優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1）多種客戶信號封裝和透明傳輸

基于ITU-TG.709的OTN幀結(jié)構(gòu)可以支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，如SDH、ATM、以太網(wǎng)等。對于SDH和ATM可實現(xiàn)標準封裝和透明傳送，但對于不同速率以太網(wǎng)的支持有所差異。OTN傳送信號并不改變它的凈荷信息和開銷信息，它采用異步映射模式能確保信號定時信息的完全透明化。

2）大顆粒的帶寬復(fù)用、交叉和配置

OTN定義的電層帶寬顆粒為光通路數(shù)據(jù)單元（O-DUk，k=0，1，2，3），即ODUO（GE，1 000 Mb/s）、ODU1（2.5 Gb/s）、ODU2（10 Gb/s）和ODU3（40 Gb/s），光層的帶寬顆粒為波長，相對于SDH的VC-12/VC-4的調(diào)度顆粒，OTN復(fù)用、交叉和配置的顆粒明顯要大很多，能夠顯著提升高帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的適配能力和傳送效率。

3）強大的開銷和維護管理能力

OTN提供了和SDH類似的開銷管理能力，OTN光通路層的OTN幀結(jié)構(gòu)大大增強了該層的數(shù)字監(jiān)視能力。另外，OTN還提供6層嵌套串聯(lián)連接監(jiān)視(TCM)功能，這樣使得OTN組網(wǎng)時，采取端到端和多個分段同時進行性能監(jiān)視的方式成為可能。

4）增強了組網(wǎng)和保護能力

通過OTN幀結(jié)構(gòu)、ODUk交叉和多維度可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)的引入，大大增強了光傳送網(wǎng)的組網(wǎng)能力，改變了基于SDH VC-12/VC-4調(diào)度帶寬和WDM點到點提供大容量傳送帶寬的現(xiàn)狀。前向糾錯(FEC)技術(shù)的采用，顯著增加了光層傳輸?shù)木嚯x。另外，OTN將提供更為靈活的基于電層和光層的業(yè)務(wù)保護功能，如基于ODUk層的光子網(wǎng)連接保護(SNCP)和共享環(huán)網(wǎng)保護、基于光層的光通道或復(fù)用段保護等。

4　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和傳輸線路的幾何排列，反映了物理上的連接性。網(wǎng)絡(luò)的效能、可靠性和經(jīng)濟性在很大程度上與具體物理拓撲有關(guān)。OTN網(wǎng)絡(luò)的基本物理拓撲結(jié)構(gòu)主要有以下4種類型。

1）線型拓撲

當所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以一種非閉合的鏈路形式連接在一起時所形成的拓撲就是線型拓撲。線型拓撲的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，對線路系統(tǒng)要求較低，可以靈活的上下光載波；缺點是它的生存性較差，不能完全發(fā)揮OTN技術(shù)的優(yōu)勢。線型拓撲如圖1所示。

2）星型拓撲

星型拓撲如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)中有一個中心節(jié)點與其他所有節(jié)點都有物理連接，而其他各節(jié)點之間都沒有物理連接。星型拓撲可以更加有效的對網(wǎng)絡(luò)帶寬進行管理和利用，但對中心節(jié)點的要求很高，因為它的失效將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

3）環(huán)型拓撲

環(huán)型拓撲如圖3所示。線型拓撲的兩個端點同樣使用光分插復(fù)用設(shè)備并用光纜線路連接，就形成了環(huán)型拓撲。環(huán)型拓撲實現(xiàn)簡單，并且任何兩個節(jié)點之間都有兩條傳輸方向相反的路由進行保護，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)也是目前鐵路上常用的一種組網(wǎng)方式。

4）網(wǎng)型拓撲

網(wǎng)型拓撲如圖4所示。在保持連通的情況下，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間至少存在兩條不同的物理連接的非環(huán)型拓撲就是網(wǎng)型拓撲。

網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)和響應(yīng)的控制管理都比較復(fù)雜，且不便于網(wǎng)絡(luò)的后期維護。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求分析，骨干層作為整個傳送網(wǎng)的核心部分，承載的業(yè)務(wù)非常重要，需要提供全面的高可靠性保障。并且在鐵路運營使用的現(xiàn)有各系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)IP化的逐步滲透，視頻類業(yè)務(wù)的不斷增多以及集中控制管理的需求增加，骨干層所需承載的業(yè)務(wù)帶寬迅速增加，因此需要骨干層具備很強的業(yè)務(wù)接入能力。另外，骨干網(wǎng)需要統(tǒng)一維護管理，需要具備較強的端到端的維護管理和快速問題的定位能力。同時由于環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)自愈能力強，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護和管理并且技術(shù)成熟。因此選擇在傳輸網(wǎng)的骨干層使用環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)。

5　OTN技術(shù)在神朔鐵路傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用研究

5.1OTN系統(tǒng)組網(wǎng)方案

神朔鐵路涉及大柳塔、朱蓋塔、燕家塔、神木北、黃羊城、新城川、孤山川、府谷、保德、王家寨、陰塔、韓家樓、三岔、賀職、南坡底、神池南、上圪佬、九圪塔、倉莊、朔西20座車站。全線分河?xùn)|、河西兩個運輸段，分別負責(zé)東西兩段的運營管理。其中大柳塔為北接包神鐵路的交接站，神木北為調(diào)度中心，位于河西運輸段，陰塔為中間段，位于河?xùn)|運輸段，神池南為東貫朔黃鐵路的交接站。

根據(jù)新業(yè)務(wù)需求及既有通信資源情況，采用OTN技術(shù)，在大柳塔、神木北、陰塔、神池南設(shè)置OTN節(jié)點，按照圖3拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)成OTN環(huán)網(wǎng)如圖5所示。

傳輸系統(tǒng)采用40×10 Gb/s（預(yù)留平滑升級為80波的條件）的單纖單向OTN系統(tǒng)。傳輸設(shè)備采用10 G OTN設(shè)備，設(shè)備預(yù)留平滑升級100 G系統(tǒng)能力。環(huán)上有上下業(yè)務(wù)需求的節(jié)點配置OADM設(shè)備，在沿線的既有通信站內(nèi)設(shè)置OLA設(shè)備，光放距離按80 km左右考慮。所有大顆粒業(yè)務(wù)（2.5 G及以上）均通過OTN層進行傳輸，小顆粒業(yè)務(wù)均通過SDH傳輸層進行匯聚。

5.2OTN系統(tǒng)保護方案

OTN光傳送網(wǎng)同時采用設(shè)備級保護和網(wǎng)絡(luò)級保護兩種保護方式。其中OTN網(wǎng)絡(luò)級保護分為光層保護和電層保護，光層主要保護技術(shù)有：光線路保護、光復(fù)用段1+1保護、光通道1+1保護等。電層主要保護技術(shù)有基于ODUk的環(huán)網(wǎng)保護，基于ODUk的子網(wǎng)連接保護(ODUk SNCP)，獨有的具有ASON特性的基于ODUk及波長的MESH保護。OTN電層保護能力的基礎(chǔ)主要在OTN設(shè)備的電交叉模塊，現(xiàn)階段OTN電交叉連接技術(shù)已經(jīng)成熟，保護功能完善，倒換時間小于50 ms。光線路保護、光通道1+1保護需要額外配置保護單板來實現(xiàn)保護倒換功能，成本相對較高，并且當保護單板出現(xiàn)故障時會增加故障點隱患。Och共享環(huán)保護和光復(fù)用段保護的保護機制復(fù)雜，倒換時間較長，造價高，在大型骨干網(wǎng)中沒有成熟應(yīng)用。ODUk共享環(huán)路方式保護機制復(fù)雜，整個網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點數(shù)限制，當多個子波長失效則無法保護，在大型骨干網(wǎng)中也極少應(yīng)用。同時基于在鐵路骨干傳輸網(wǎng)中承載的大多是匯聚型業(yè)務(wù)，考慮采用基于電層的ODUk SNCP保護方式，該方式保護顆粒更精細，倒換時間快，應(yīng)用成熟。

神朔鐵路OTN系統(tǒng)建議采用基于ODUk的SNCP保護方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的保護，SDH業(yè)務(wù)采用SDH自身的MSP保護方式實現(xiàn)保護。在神木北調(diào)度中心的機房內(nèi)設(shè)置兩套OADM設(shè)備，通過業(yè)務(wù)規(guī)劃來實現(xiàn)網(wǎng)元級保護。設(shè)備級保護采用所有OTN網(wǎng)元關(guān)鍵板件（如主控板、交叉板、電源板、時鐘處理板等）1+1熱備的方式；網(wǎng)絡(luò)級保護采用OTN OADM設(shè)備，采用雙電子架構(gòu)成，同機房OTN系統(tǒng)中承載的SDH設(shè)備，利用本機房OTN設(shè)備雙電子架提供的波道（子波道）組網(wǎng)，當單套OTN電子架設(shè)備失效，利用SDH系統(tǒng)自愈環(huán)保護的方式。

具體保護實現(xiàn)方式如下：

1）當單套電子架線路板失效時，可通過兩套電子架間互聯(lián)1×100 G接口板件，通過跨子架間業(yè)務(wù)調(diào)度，恢復(fù)失效線路板承載業(yè)務(wù)，電子架間互聯(lián)用于進行跨子架間業(yè)務(wù)調(diào)度的100 G接口板應(yīng)支持ODUk復(fù)用功能，且滿足進行跨子架間業(yè)務(wù)調(diào)度時采用ODUk SNCP保護的業(yè)務(wù)不受影響。

2）利用神朔鐵路線路兩側(cè)的光纜作光線路OLP 1+1保護，所有節(jié)點均配置OLP單板。光纜條件具備的區(qū)段，初期開通OLP保護；初期不具備開通OLP保護條件的站點，其設(shè)備須配置OLP單板，但不接入備纖。

3）系統(tǒng)也可同時實施光層光線路1+1（OLP）保護及電層子網(wǎng)連接（ODUk SNCP）保護，需要OTN系統(tǒng)進行多層保護協(xié)調(diào)，避免嵌套保護的網(wǎng)絡(luò)震蕩。

5.3OTN系統(tǒng)波道分配方案

神朔鐵路OTN承載業(yè)務(wù)主要包括：

2波10G子波道：承載大柳塔、神木北、陰塔、神池南節(jié)點間大環(huán)A、B雙平面SDH業(yè)務(wù)；

2波10G子波道：承載數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干層業(yè)務(wù)；預(yù)留波道：

1）為大柳塔、神木北、陰塔、神池南節(jié)點間SDH系統(tǒng)預(yù)留4個10 G子波道。

2）為骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)互聯(lián)預(yù)留8個10 G備用子波道。

3）各SDH節(jié)點之間預(yù)留4個10 G備用子波道。

4）預(yù)留4個10 G維護倒接用子波道，在各OTN節(jié)點均上下波道。

5）為其他業(yè)務(wù)預(yù)留4個10 G備用子波道，在各OTN節(jié)點上下波道。

5.4OTN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理方案

根據(jù)神朔鐵路維護管理模式，可在河?xùn)|、河西兩個運輸段設(shè)置OTN網(wǎng)元級網(wǎng)管系統(tǒng)各1套，互為異地雙機熱備，數(shù)據(jù)自動同步，負責(zé)整個OTN設(shè)備的維護管理。

網(wǎng)管至少應(yīng)具備以下功能：

1）網(wǎng)元管理系統(tǒng)應(yīng)能對光波長轉(zhuǎn)換器、 光合波器、 光分波器、 光放大器以及OTN系統(tǒng)的其他輔助設(shè)備等進行管理；

2）故障管理功能，主要包括告警監(jiān)測、故障定位、故障隔離、故障修正、報告管理、環(huán)回測試功能等；

3）光譜分析功能：支持OTN在線檢測能力，用于對OTN各波道OSNR、光功率、中心波長等系統(tǒng)性能進行監(jiān)視和管理；

4）配置管理功能：包括拓撲管理、配置數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)元配置管理、TMUX配置管理、交叉連接配置管理、保護配置管理、APR配置管理、光線路功率自動控制、光通道自動功率均衡、網(wǎng)元時間管理、安全管理等。

5.5OTN系統(tǒng)時間同步與時鐘同步

OTN設(shè)備支持通過IEEE 1588 V2透傳時間同步信號，在所有OADM節(jié)點均需設(shè)置時間同步處理板，在大柳塔、神木北、陰塔、神池南節(jié)點配置高精度時間同步輸出接口，接口數(shù)量不應(yīng)小于2路。

OTN設(shè)備支持傳送時鐘頻率同步信息功能，在所有OADM節(jié)點均需設(shè)置時鐘同步處理板，利用神木北調(diào)度中心既有的時鐘同步傳送時鐘源。在大柳塔、神木北、陰塔、神池南節(jié)點配置高精度時鐘同步傳送輸出接口板，接口數(shù)量不應(yīng)小于2路。

6　結(jié)束語

綜上所述，由于神朔鐵路現(xiàn)有的2.5 G骨干層傳輸網(wǎng)不能滿足新業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，經(jīng)過OTN改造后能夠解決大顆粒業(yè)務(wù)帶寬資源的需求等問題。另外，在進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中需要對光功率衰耗、色散、信噪比以及非線性效應(yīng)等進行計算。通過對OTN技術(shù)的研究及應(yīng)用分析，我們將不斷提升鐵路傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)保駕護航。

參考文獻

[1]邱萍.鐵路OTN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)及建設(shè)方案研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2015（2）：14-17.

[2]趙文玉.光傳送網(wǎng)(OTN)技術(shù)應(yīng)用分析[J].通信世界，2008（35）：16-17.

[3]于佳亮,于天澤.鐵路通信網(wǎng)概論[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[4]王繼海.論OTN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計及在鐵路中的應(yīng)用[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2011（6）：31-33.

[5]中華人民共和國工業(yè)和信息化部．YD/T 5208—2011 OTN光傳送網(wǎng)設(shè)計暫行規(guī)定[S].北京：人民郵電出版社，2014.

[6]中華人民共和國工業(yè)和信息化部．YD/T 1 990—2009光傳送網(wǎng)(OTN)網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求[S].北京：中國郵電出版社，2009.

收稿日期：（2015-09-22）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.006