郭祥壽

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

城市軌道交通傳輸系統(tǒng)作為地鐵數(shù)字化的重要組成部分，為業(yè)務(wù)的穩(wěn)定、可靠、安全運行提供統(tǒng)一的承載通道，隨著軌道交通以視頻監(jiān)控以及云計算為代表的高流量、大帶寬的承載需要，軌道交通傳統(tǒng)的MSTP 技術(shù)已經(jīng)不能滿足持續(xù)發(fā)展的業(yè)務(wù)要求，必須引入新的承載網(wǎng)技術(shù)來滿足軌道交通日益增長的業(yè)務(wù)，促進以云計算、物理網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用為代表的智慧地鐵的發(fā)展。

2 分組增強型OTN技術(shù)分析

2.1 基本定義

分組增強型OTN 是在OTN 基礎(chǔ)上，融合MSTP 和PTN 技術(shù)形成的綜合傳送技術(shù)，主要用于城域傳送網(wǎng)，解決OTN 無法接入E1 業(yè)務(wù)，無法實現(xiàn)分組業(yè)務(wù)共享等問題。同時還具備100 G 大帶寬線路傳輸能力，能夠通過DWDM 技術(shù)實現(xiàn)多路100 G 傳輸[1]。

分組增強型OTN 處理的基本對象是ODUk 業(yè)務(wù)，同時又具備處理MSTP 和以太網(wǎng)開銷的能力，這樣就能適配多種業(yè)務(wù)的接入、交換和傳輸[2]。分組平面采用MPLS-TP 協(xié)議進行分組業(yè)務(wù)處理，能夠具備PTN 處理能力，同時又能夠通過ODUk 實現(xiàn)不同以太子網(wǎng)業(yè)務(wù)的物理隔離，能夠保證不同類型的分組業(yè)務(wù)之間互不干擾，也能滿足E1 業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)的隔離傳送。

2.2 分組增強型OTN技術(shù)優(yōu)勢

分組增強型OTN 融合了MSTP、PTN 以及OTN 3 者的技術(shù)優(yōu)勢，隨著軌道交通業(yè)務(wù)高帶寬的發(fā)展需要，OTN 技術(shù)應(yīng)用于軌道交通傳輸承載網(wǎng)優(yōu)勢非常明顯。

1）大帶寬及帶寬平滑演進

與分組增強型MSTP 技術(shù)最大僅能提供40 Gbit/s 的線路帶寬不同，分組增強型OTN 具備提供10 Gbit/s 和100 Gbit/s 混合線卡方案，并能通過License 授權(quán)方式按需提供10 G、20 G、40 G、100 G 帶寬，后期可不更換硬件平滑升級，最大限度保護投資，滿足地鐵云化和非云化高帶寬需求。

2）多平面轉(zhuǎn)發(fā)

國內(nèi)地鐵業(yè)務(wù)中還有不少仍然采用E1 接口承載，分組增強型OTN 采用多平面獨立轉(zhuǎn)發(fā)，既保證了以太網(wǎng)可以采用MPLS-TP 承載，又可以保證E1 業(yè)務(wù)通過SDH 硬管道承載，確保TDM 業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)性能。

3）物理隔離提升安全性

地鐵系統(tǒng)作為涉及公共安全的網(wǎng)絡(luò)相對于運營商網(wǎng)絡(luò)安全性要求較高，各子系統(tǒng)間需要做到完全物理隔離。分組增強型OTN 為地鐵采用了ODU0（1.25G）、ODU1（2.5G）、ODU2（10G）物理硬管道方便各子系統(tǒng)進行物理隔離。

2.3 分組增強型OTN業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式

1）MSTP 業(yè)務(wù)

分組增強型OTN 提供完整的MSTP 功能，能夠?qū)崿F(xiàn)E1 及STM-N 業(yè)務(wù)的封裝、映射和復用[3]，也能夠?qū)崿F(xiàn)EOS 功能。

2）分組業(yè)務(wù)

分組增強型OTN 設(shè)備的分組平面采用PTN傳送模式，支持FE、GE、10GE 業(yè)務(wù)接入，支持MPLS-TP（MPLS-Transport Profile）/PWE3 等技術(shù)[4]，可靈活的實現(xiàn)純分組模式或混合模式組網(wǎng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高效統(tǒng)計復用。分組業(yè)務(wù)分為專線業(yè)務(wù)（VPWS）和專網(wǎng)業(yè)務(wù)（VPLS）兩種。由于地鐵的分組業(yè)務(wù)基本上都要實現(xiàn)帶寬共享，因此VPWS 業(yè)務(wù)在地鐵應(yīng)用較少。

3）OTN 業(yè)務(wù)

OTN 的映射與復用遵循ITU-T G.709 標準，可以支持多種客戶信號的映射和透明傳輸，并能提供對更大顆粒的2.5 G、10 G、40 G 業(yè)務(wù)的透明傳送的支持。OTN 目前定義的電層帶寬顆粒為光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk,k=1,2,3,4)[5]，即ODU0 （1.25 Gbit/s）、ODU1 (2.5 Gbit/s)、ODU2 (10 Gbit/s)、ODU3 (40 Gbit/s)和ODU4(100 Gbit/s)。

2.4 分組增強型OTN組網(wǎng)分析

1）單環(huán)組網(wǎng)

軌道交通最簡單的組網(wǎng)就是單環(huán)組網(wǎng)，即所有節(jié)點全部接在一個物理環(huán)上面[6]。在這種組網(wǎng)模式下，環(huán)上所有車站均共享這個環(huán)的帶寬。

單環(huán)組網(wǎng)適用于車站較少的地鐵線路，一旦車站數(shù)量較多，組建單環(huán)會導致每個節(jié)點的可用帶寬減少，且發(fā)生倒換時會影響所有節(jié)點，因此更多的地鐵線路采用相切環(huán)或相交環(huán)。

2）相切環(huán)組網(wǎng)

相切環(huán)采用2 ～3 個環(huán)相切于OCC 的組網(wǎng)方式，業(yè)務(wù)只在各自的小環(huán)上進行匯聚和帶寬共享，如圖1 所示。如果有分組跨環(huán)業(yè)務(wù)，則需要通過OCC 節(jié)點進行交換。在這種組網(wǎng)模式下，每個車站的帶寬分配取決于每個小環(huán)上的節(jié)點數(shù)，與環(huán)的數(shù)量和總節(jié)點數(shù)沒有關(guān)系。一旦某一個環(huán)出現(xiàn)斷纖或者節(jié)點故障，則只有出問題的小環(huán)產(chǎn)生保護倒換，其他環(huán)路業(yè)務(wù)不會產(chǎn)生倒換。

圖1 相切環(huán)組網(wǎng)拓撲Fig.1 Tangent ring network topology

相切環(huán)的組網(wǎng)相對比較簡單，業(yè)務(wù)流向比較清晰，是當前地鐵的主流組網(wǎng)方式之一，但是相切環(huán)的缺點在于，一旦OCC 節(jié)點出現(xiàn)故障，則整網(wǎng)所有業(yè)務(wù)均無法到達OCC，也無法進行跨環(huán)通信，因此目前越來越多的地鐵選擇相交環(huán)組網(wǎng)。

3）相交環(huán)組網(wǎng)

在地鐵相交環(huán)組網(wǎng)中，通常采用OCC 和車輛段作為相交點，2 ～3 個環(huán)在這兩個節(jié)點相交，相交環(huán)通常用于設(shè)置備用OCC 線路，在車輛段完全復制一套OCC 的業(yè)務(wù)設(shè)備，這樣當OCC 的設(shè)備出現(xiàn)整體故障時，備用OCC 就能夠接管業(yè)務(wù)系統(tǒng)，相交環(huán)的組網(wǎng)方式比相切環(huán)要復雜得多。

由于地鐵相交環(huán)采用的是VPLS 業(yè)務(wù)，為避免環(huán)路風暴，同時有效提升相交兩環(huán)的帶寬，分組增強型OTN 配置了網(wǎng)絡(luò)側(cè)鏈路聚合組[7]（NNI LAG），把傳統(tǒng)的客戶側(cè)的聚合功能移植到了網(wǎng)絡(luò)側(cè)上，如圖2 所示。

圖2 相交環(huán)組網(wǎng)拓撲Fig.2 Intersecting ring network topology

這樣，在主備控制中心之間可以配置NNI LAG，即把兩對或多對光纜通過鏈路聚合的方式在邏輯上捆綁成一對邏輯鏈路，從而避免鏈路出現(xiàn)環(huán)路，同時極大提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.5 分組增強型OTN保護方式和帶寬分析

分組增強型OTN 可提供MSTP、OTN 及分組保護技術(shù)，當系統(tǒng)檢測到信號丟失、幀丟失、告警指示信號、超過門限的誤碼缺陷及指針丟失時，系統(tǒng)自動進行檢測并保護倒換，倒換時間小于50 ms[8]。

地鐵TDM E1 業(yè)務(wù)采用SDH 進行傳輸，保護方式采用環(huán)形復用段（RMSP）或SNCP；分組以太業(yè)務(wù)采用MPLS-TP 協(xié)議進行傳輸，保護方式采用MRPS（MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護）。下面以應(yīng)用較多的環(huán)形復用段以及MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護兩種場景下的帶寬分配進行分析。

1）環(huán)形復用段（HMSP）帶寬分析

地鐵環(huán)網(wǎng)場景下，一般會給TDM 業(yè)務(wù)分配2.5 G 帶寬，因此每個節(jié)點東西向各有1.25 G 工作帶寬，共2.5 G，如圖3 所示。在正常工作狀態(tài)下，每兩個網(wǎng)元之間收發(fā)各采用1 根光纖，每根光纖的速率是2.5 G。從網(wǎng)元A 到網(wǎng)元B 收發(fā)兩根光纖，A →B 的2.5 G 可以分為1.25 G 工作（紅色）和1.25 G 保護（綠色），B →A 的2.5 G 同樣可以分為1.25 G 工作和1.25 G 保護。

在環(huán)網(wǎng)拓撲中，對于節(jié)點D 來講，東西向物理帶寬即為東向1.25 G 主/1.25 G 備+西向1.25 G 主/1.25 G 備，業(yè)務(wù)1：A →B →C →D 路徑：1.25 G主/1.25 G 備；業(yè) 務(wù)2：A →F →E →D 路 徑：1.25 G 主/1.25 G 備。

此時對于節(jié)點D 來說，總帶寬為1.25 G 主/1.25 G 備+1.25 G 主/1.25 G 備=2.5 G 主/2.5 G備，因此理論上來說，每個節(jié)點的總帶寬均為2.5 G 主+2.5 G 備。

當發(fā)生斷纖時，環(huán)網(wǎng)啟動HMSP 保護倒換。網(wǎng)元B 和C 之間的雙向光纖中斷，此時B 和C 均觸發(fā)HMSP 倒換，1.25 G-1 業(yè)務(wù)從A →B 經(jīng)過主用通道傳輸，然后在B 節(jié)點倒換到備用通道，通過A/F/E/D 路徑傳輸?shù)紺，再從C 節(jié)點倒換到原來的主用通道上傳輸?shù)骄W(wǎng)元D。

圖3 HMSP保護倒換Fig.3 HMSP protection switching

此時，D 節(jié)點的總帶寬仍然為1.25 G 主/1.25 G 備+1.25 G 主/50 G 備，業(yè)務(wù)可用帶寬為2.5 G 主/2.5 G 備。

2）MPLS-TP 環(huán)網(wǎng)保護（MRPS）帶寬分析

分組以太業(yè)務(wù)采用MPLS-TP 協(xié)議進行傳輸，保護方式采用MRPS，如圖4 所示。在正常工作狀態(tài)下，每兩個網(wǎng)元之間收發(fā)各采用1 根光纖，每根光纖的速率是100 G（以增強型MS-OTN 線路帶寬100 G 為例），從網(wǎng)元A 到網(wǎng)元B 收發(fā)兩根光纖，A →B 的100 G 可以全部用作工作通道（紅色），B →A 的100 G 同樣也可以全部用作工作通道（紅色）。

圖4 MRPS保護倒換Fig.4 MRPS protection switching

在環(huán)網(wǎng)拓撲中，對于節(jié)點D 來講，東西向物理帶寬即為東向100 G 主+西向100 G 主，業(yè)務(wù)1：A →B →C →D；業(yè)務(wù)2：A →F →E →D。

當發(fā)生斷纖時，環(huán)網(wǎng)啟動MRPS 保護倒換。網(wǎng)元B 和C 之間的雙向光纖中斷，此時B 和C 均觸發(fā)MRPS 倒換，所有鏈路必須要分配一半帶寬作為備用業(yè)務(wù)通道，此時主備業(yè)務(wù)共用100 G 帶寬。50 G-1 業(yè)務(wù)從A →B 經(jīng)過主用通道傳輸，然后在B節(jié)點倒換到備用通道，通過A/F/E/D 路徑傳輸?shù)紺，再從C 節(jié)點倒換到原來的主用通道上傳輸?shù)骄W(wǎng)元D?？紤]在地鐵環(huán)網(wǎng)場景下，每個節(jié)點東西向各有50 G工作帶寬，共100 G。即環(huán)網(wǎng)模式在保護場景下保證帶寬100 G，整個環(huán)網(wǎng)平均共享100 G 帶寬。

此時，D 節(jié)點的總帶寬為50 G 主/50 G 備+50 G 主/50 G 備=100 G 主/100 G 備，業(yè)務(wù)可用帶寬為100 G。低優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬會被壓縮，以確保高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸。

在實際業(yè)務(wù)規(guī)劃中，建議主用業(yè)務(wù)不超過50 G，這樣能夠保證所有業(yè)務(wù)在倒換時都能保證全部有效帶寬。否則低優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬會被壓縮，可能部分導致業(yè)務(wù)受損。

2.6 分組增強型OTN行業(yè)應(yīng)用

綜合以上關(guān)于OTN 的技術(shù)分析，OTN 不僅能夠應(yīng)用于城市軌道交通線路傳輸網(wǎng)，同時也能夠應(yīng)用于線網(wǎng)規(guī)模不大城市的軌道交通骨干傳輸網(wǎng)。

深圳地鐵6/10 號線在國內(nèi)首次采用了視頻監(jiān)控云化存儲系統(tǒng)，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)[8],線路傳輸網(wǎng)采用100 Gbit/s 增強型OTN 技術(shù)；廣州地鐵十三五線路為了適應(yīng)綜合監(jiān)控、視頻監(jiān)控、門禁、智能安檢等云化的需要，線路傳輸網(wǎng)也采用了100 Gbit/s 增強型OTN 技術(shù)，大大提高了業(yè)務(wù)承載能力。

3 OTN技術(shù)發(fā)展及演進

在分組增強型OTN 中，E1 等小顆粒業(yè)務(wù)需要單獨分配一個2.5 G 的ODU1 顆粒進行封裝，由于軌道交通的E1 業(yè)務(wù)越來越少，這實際上造成了傳輸帶寬的浪費，同時帶寬調(diào)整也不靈活。因此，業(yè)界也在探索如何進一步提升小顆粒業(yè)務(wù)的承載效率，以徹底取代MSTP 設(shè)備。

當前已有主流傳輸系統(tǒng)廠家推出了Liquid OTN 技術(shù)，在復接映射以及傳輸層次上做了大幅優(yōu)化，如圖5 所示，使網(wǎng)絡(luò)硬切片的顆粒度達到2 ～10 Mbit/s，同時支持10 Mbit/s ～100 Gbit/s 無極無損帶寬調(diào)整。

Liquid OTN 將加速光傳送網(wǎng)從物理承載網(wǎng)絡(luò)向業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的演進，當前部分軌道交通仍然保留E1 業(yè)務(wù)，Liquid OTN 可以大幅度減少承載E1業(yè)務(wù)所需的帶寬，進一步提升帶寬利用率，為地鐵業(yè)務(wù)后續(xù)平滑演進提供技術(shù)上的保障。

圖5 Liquid OTN業(yè)務(wù)層次示意圖Fig.5 Schematic diagram of liquid OTN service level

4 結(jié)束語

分組增強型OTN 滿足地鐵城軌云模式下業(yè)務(wù)承載需要，同時能夠適應(yīng)智慧地鐵的各種應(yīng)用需求，為大容量的業(yè)務(wù)承載提供了充足的平臺。同時，分組增強型OTN 具有多業(yè)務(wù)接入、物理隔離、相交環(huán)組網(wǎng)的能力，為后續(xù)地鐵線網(wǎng)傳輸網(wǎng)發(fā)揮更大作用提供了承載前提。

傳輸網(wǎng)技術(shù)的不斷演進和不斷優(yōu)化，為軌道交通智能化、智慧化提供了堅實的基礎(chǔ)，必將引領(lǐng)智慧地鐵起航。