邱 萍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

分組光傳送網(wǎng)絡(luò)在鐵路的應(yīng)用

邱 萍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

在研究分組光傳送網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)營商分組光傳送網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模型和建設(shè)情況，重點(diǎn)分析鐵路的應(yīng)用需求，探討鐵路分組光傳送網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路。

分組光傳送網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

1 概述

為了解決城域骨干層PTN設(shè)備和OTN設(shè)備背靠背組網(wǎng)的場景，實(shí)現(xiàn)大容量傳送和對(duì)分組業(yè)務(wù)的高效處理，從便于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、減少傳送設(shè)備類型、降低綜合成本的角度出發(fā)，提出一種新的分組光傳送網(wǎng)（POTN）。

POTN集成OTN、TDM和分組技術(shù)于一身，根據(jù)業(yè)務(wù)的類型選擇最佳的傳送方式。POTN技術(shù)是將OTN技術(shù)和PTN技術(shù)進(jìn)行有效融合，繼承OTN網(wǎng)絡(luò)容量大、長距離傳送的優(yōu)點(diǎn)及PTN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、對(duì)分組業(yè)務(wù)承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在OTN層面上增加通道提供機(jī)制和操作、管理和維護(hù)（OAM），形成面向連接的分組傳輸POTN。

POTN融合多種技術(shù)，對(duì)波分功能進(jìn)行了集成，對(duì)多層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，使得網(wǎng)絡(luò)更加高效、安全可靠。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面，統(tǒng)一信元交換矩陣，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)任意比例交換，支持E1～ODU4的多業(yè)務(wù)靈活接入；在光層實(shí)現(xiàn)波分的集成化，簡化光層的規(guī)劃和運(yùn)維工作，提供便捷的運(yùn)維管理能力；在映射層次，去除ETH層簡化網(wǎng)路層次，提升承載效率。

目前，國內(nèi)POTN主流生產(chǎn)廠家有中興、華為、烽火。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定情況

在POTN國際標(biāo)準(zhǔn)方面，2011年提出在ITU-T SG15 WP3 Q12工作組成立新的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)POTN進(jìn)行研究和標(biāo)準(zhǔn)化。

在POTN國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，目前已發(fā)布《分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)（OTN）總體技術(shù)要求》（YD/T 2939-2015）和《分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備技術(shù)要求》（YD/T 2484-2013）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 POTN層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

POTN的層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為客戶業(yè)務(wù)層、分組傳送層、SDH傳送層（可選）、OTN電傳送層、OTN光波長傳送和物理層，如圖1所示。

4 POTN關(guān)鍵技術(shù)

4.1統(tǒng)一交換技術(shù)

所有的分組業(yè)務(wù)及ODU子波長業(yè)務(wù)均通過切片成信元進(jìn)入統(tǒng)一交換矩陣，實(shí)現(xiàn)分組業(yè)務(wù)和ODU子波長業(yè)務(wù)的無阻交叉。實(shí)現(xiàn)ODUk和Packet混合調(diào)度。支持ODUk的交換容量和分組的交換容量任意搭配，滿足不同場景、不同階段的各種比例業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用靈活。

4.2多層網(wǎng)絡(luò)保護(hù)之間的協(xié)調(diào)

POTN涉及OTN和MPLSTP/以太網(wǎng)的兩種網(wǎng)絡(luò)層面的保護(hù)，不同層的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制相互獨(dú)立，因此，POTN的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案應(yīng)遵循分層保護(hù)和分段保護(hù)的原則。

對(duì)于一種類型的端到端業(yè)務(wù)，僅配置單層的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制；對(duì)于可靠性要求很高的重要業(yè)務(wù)，或者在不同層網(wǎng)絡(luò)有嵌套的組網(wǎng)場景下實(shí)現(xiàn)對(duì)多故障點(diǎn)的保護(hù)時(shí)，可配置兩層的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制，此時(shí)需要在分組層設(shè)置啟動(dòng)拖延時(shí)間（hold-off timer）。

當(dāng)僅僅在分組層面出現(xiàn)故障時(shí)，該層的Hold off時(shí)間仍然有效，導(dǎo)致分組層保護(hù)的業(yè)務(wù)整體受損時(shí)間加長，因此需要對(duì)等待時(shí)間的機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。即可以向客戶層插入通知信息，如果客戶層還處于所設(shè)定的等待時(shí)間周期內(nèi)，可以立即啟動(dòng)本層的保護(hù)與恢復(fù)。

4.3多層網(wǎng)絡(luò)的OAM協(xié)調(diào)和聯(lián)動(dòng)機(jī)制

POTN網(wǎng)絡(luò)的PW、LSP、ODUk、OCh各層均具有相對(duì)獨(dú)立和完善的OAM功能，根據(jù)業(yè)務(wù)的封裝協(xié)議和轉(zhuǎn)發(fā)路徑?jīng)Q定采取哪種OAM。

當(dāng)接入業(yè)務(wù)量不大時(shí)，可采用MPLS-TP的數(shù)據(jù)協(xié)議封裝，這時(shí)應(yīng)采用MPLS-TP和OTN的OAM機(jī)制；當(dāng)接入業(yè)務(wù)量變大時(shí)，可采用ODUk的封裝格式，這時(shí)應(yīng)采用OTN的OAM機(jī)制。

POTN網(wǎng)絡(luò)在多層OAM機(jī)制同時(shí)運(yùn)行的情況下，應(yīng)提供基于客戶/服務(wù)者的層間OAM告警傳遞和告警壓制功能，以提高多層網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率。服務(wù)層故障應(yīng)向相鄰客戶層插入AIS來進(jìn)行告警壓制，UNI的客戶層故障，服務(wù)層應(yīng)支持客戶信號(hào)失效指示。

圖1　POTN的層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.4多層網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理和規(guī)劃技術(shù)

POTN涉及L0波長，L1的ODUk/SDH，L2的MPLS-TP、LSP/PW或VLAN/MAC，因此需要統(tǒng)一網(wǎng)管便捷、高效的管理POTN網(wǎng)絡(luò)。

POTN同時(shí)支持IP/MPLS/MPLS-TE和GMPLS的雙協(xié)議棧，前者控制MPLS-TP的LSP 和PW層，后者控制ODUk、OCh。

4.5封裝效率優(yōu)化

POTN通過電層封裝映射的優(yōu)化，提升業(yè)務(wù)承載效率。在映射路徑上，取消ETH層，減少映射，提升承載效率。如對(duì)于64 Byte的業(yè)務(wù)，POTN比PTN封裝承載效率提升20%。

5 POTN主要功能

POTN設(shè)備具有PTN和OTN有機(jī)融合、統(tǒng)一交換平臺(tái)架構(gòu)、統(tǒng)一控制和管理平面3個(gè)主要功能特征。包括：

1）提供SDH、以太網(wǎng)、OTN、FC、CPRI、PDH等多種業(yè)務(wù)接口。

2）提供SDH、以太網(wǎng)、OTN等多業(yè)務(wù)信號(hào)到ODUk通道信號(hào)的封裝、映射和復(fù)用等功能。

3）提供以太網(wǎng)處理或/和MPLS-TP處理功能；提供分組業(yè)務(wù)的適配、QoS和OAM處理等功能。

4）支持分組業(yè)務(wù)及ODU子波長業(yè)務(wù)通過切片成信元進(jìn)入統(tǒng)一交換矩陣。

5）支持頻率同步和時(shí)間同步處理功能，并提供相應(yīng)的外同步接口。

6）提供基于分組業(yè)務(wù)和通道層的多種保護(hù)方式，支持GMPLS控制平面，實(shí)現(xiàn)ODUk、OCh通道自動(dòng)建立，可支持自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)等智能功能。

7）提供LSP/PW、VC4、OPUk、ODUk、OTUk、OCh、OMS、OTS的配置和性能/告警監(jiān)視功能；分組業(yè)務(wù)接口支持以太網(wǎng)OAM、MPLSTP層網(wǎng)絡(luò)OAM等能力。

6 運(yùn)營商POTN應(yīng)用需求和場景分析

6.1應(yīng)用需求分析

POTN實(shí)現(xiàn)了PTN和OTN的聯(lián)合組網(wǎng)。隨著接入業(yè)務(wù)的提速，在城域網(wǎng)核心層、匯聚層需要實(shí)現(xiàn)PTN和OTN的融合組網(wǎng)，提供分組業(yè)務(wù)的高效承載、完善的保護(hù)方式、時(shí)間的同步傳遞、統(tǒng)一控制和管理等功能。同時(shí)PTN和OTN的融合型設(shè)備還能減少傳輸設(shè)備的種類、功耗和機(jī)房面積，增強(qiáng)傳送網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一維護(hù)管理，簡化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維。POTN技術(shù)主要解決以下應(yīng)用需求。

6.1.1移動(dòng)回傳業(yè)務(wù)承載

2G單基站的帶寬為2～8 Mbit/s，3G單基站的帶寬為2～100 Mbit/s，隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，S1/X2接口流量增加，LTE單基站的流量將達(dá)到60～450 Mbit/s，城域匯聚層帶寬需求超過100 Gbit/s，城域核心層帶寬需求超過200 Gbit/s。隨著LTE的應(yīng)用，建設(shè)超大帶寬、網(wǎng)狀連接、密集覆蓋的傳輸網(wǎng)絡(luò)成為必然。

因此在城域核心層、匯聚層采用基于40 G/ 100 G線路速率POTN組網(wǎng)，為分組業(yè)務(wù)提供更低時(shí)延、更高QoS保障、更高的組網(wǎng)靈活性。

6.1.2專線業(yè)務(wù)承載

專線業(yè)務(wù)由2～10 Mbit/s帶寬升級(jí)到千兆甚至萬兆，且對(duì)安全性和隔離度有較高的要求。因此需要在城域?qū)用婧凸歉蓪用鏋橐蕴W(wǎng)專線和專網(wǎng)業(yè)務(wù)提供電信級(jí)傳送、匯聚和大帶寬傳輸功能，為集團(tuán)客戶提供保證帶寬、物理隔離、低時(shí)延、高品質(zhì)的傳輸承載。

6.1.3優(yōu)化IP和OTN的聯(lián)合組網(wǎng)

IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)急速發(fā)展導(dǎo)致IP骨干網(wǎng)流量急劇增長，核心路由器擴(kuò)容和處理壓力不斷增加，導(dǎo)致其容量、功耗和復(fù)雜度不斷提高。通過對(duì)IP和OTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合路由規(guī)劃和優(yōu)化，針對(duì)P路由器之間大量“過境”中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)流量，通過POTN的L1或L2層實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)分流，解決核心路由器擴(kuò)容壓力和高成本等問題。

6.2應(yīng)用場景分析

6.2.1骨干網(wǎng)應(yīng)用場景

采用POTN設(shè)備實(shí)現(xiàn)PE路由器之間大量中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)傳輸層的穿通處理，節(jié)省核心P路由器的接口數(shù)量，降低對(duì)其能力的要求，提升業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。結(jié)合GMPLS控制平面和ODUflex無損帶寬調(diào)整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)IP路由器和POTN設(shè)備的帶寬靈活適配和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

IP與POTN聯(lián)合組網(wǎng)場景下，POTN設(shè)備需支持以太網(wǎng)透傳、基于VLAN的以太網(wǎng)交換功能、MPLS-TP交換功能和ODUflex無損帶寬調(diào)整等功能。

6.2.2城域網(wǎng)應(yīng)用場景

1）IP城域骨干網(wǎng)承載

采用POTN為已經(jīng)扁平化的IP網(wǎng)提供承載。當(dāng)POTN提供端口匯聚功能，可以采用以太網(wǎng)交換方式實(shí)現(xiàn)；當(dāng)POTN提供帶寬和端口匯聚功能時(shí)，需要POTN設(shè)備支持以太網(wǎng)或MPLS-TP的分組交換功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　POTN網(wǎng)絡(luò)承載IP城域冒干網(wǎng)業(yè)務(wù)

2）移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)承載

在城域匯聚層采用POTN設(shè)備，這種承載方式的基本特點(diǎn)與PTN承載方式基本相同，同時(shí)具備OTN大容量傳送和調(diào)度的特點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3）OLT上聯(lián)承載

當(dāng)OLT與接入路由器之間光纖資源緊張且敷設(shè)光纜困難時(shí)，可采用POTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行OLT上聯(lián)承載。此時(shí)POTN設(shè)備可提供數(shù)據(jù)鏈路承載和帶寬、端口匯聚。

6.2.3 專線承載

利用ODUflex、ASON/ GMPLS等技術(shù)，POTN可以提供帶寬靈活、動(dòng)態(tài)調(diào)整的Gbit級(jí)大容量以太網(wǎng)智能專線業(yè)務(wù)；利用以太網(wǎng)交換功能可以提供匯聚型以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)；利用MPLS-TP功能可以提供基于MPLS-TP的以太網(wǎng)虛擬專線等小顆粒業(yè)務(wù)。

圖3　POTN在移動(dòng)回傳中的應(yīng)用

7 鐵路POTN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分析

7.1 鐵路既有光傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

鐵路光傳送網(wǎng)采用骨干層、匯聚層（局內(nèi)干線）和接入層的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

骨干層網(wǎng)絡(luò)包括京滬穗和東南環(huán)，東北環(huán)、西南環(huán)、西北環(huán)OTN傳輸網(wǎng)，京滬穗和東南環(huán)、西北環(huán)容量為40×10 Gbit/s或100 Gbit/s，東北環(huán)、西南環(huán)容量為40×100 Gbit/s，覆蓋鐵路總公司及18個(gè)鐵路局（鐵路公司）。提供鐵路總公司至各路局之間的SDH和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道。

匯聚層為各鐵路局局干網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)鐵路局采用OTN技術(shù)，部分鐵路局采用MSTP技術(shù)組建匯聚層傳輸系統(tǒng)。局干OTN網(wǎng)絡(luò)采用40×10 Gbit/ s或100 Gbit/s速率混合傳輸?shù)腛TN技術(shù)設(shè)備，MSTP采用10 Gbit/s的設(shè)備。提供路局內(nèi)骨干、匯聚層面各節(jié)點(diǎn)之間的SDH和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道。

接入層已經(jīng)覆蓋所有干線及支線鐵路。既有線主要是155 Mbit/s和622 Mbit/s SDH（MSTP）傳輸系統(tǒng)，也有部分區(qū)段采用2.5 Gbit/s MSTP傳輸系統(tǒng)；客運(yùn)專線及新建鐵路接入層傳輸系統(tǒng)為2.5 G/622 Mbit/s MSTP系統(tǒng)。提供2 M、155 M、以太網(wǎng)等小顆粒業(yè)務(wù)通道匯聚至路局局干網(wǎng)絡(luò)。

7.2 鐵路POTN應(yīng)用需求分析

鐵路目前業(yè)務(wù)主要是TDM業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)，在匯聚層、接入層主要由MSTP系統(tǒng)承載TDM業(yè)務(wù)和小顆粒IP業(yè)務(wù)的接入和傳送，在骨干層、匯聚層主要由OTN網(wǎng)絡(luò)承載大顆粒IP業(yè)務(wù)和MSTP系統(tǒng)。隨著鐵路LTE-R技術(shù)的不斷演進(jìn)和應(yīng)用，大容量分組業(yè)務(wù)的需求日益增長。

鐵路LTE-R主要承載和行車相關(guān)的CTCS-3列控、調(diào)度語音、調(diào)度指揮行車數(shù)據(jù)、列車視頻圖像等重要業(yè)務(wù)，條件具備時(shí)還可以承載旅客信息服務(wù)業(yè)務(wù)。承載網(wǎng)主要負(fù)責(zé)LTE-R業(yè)務(wù)回傳，將BBU處的業(yè)務(wù)匯聚到LTE核心網(wǎng)。因此LTE-R要求承載網(wǎng)具有高安全性與高可靠性、低時(shí)延和低抖動(dòng)的通信指標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入和承載，易于管理和升級(jí)，能提供IEEE 1588v2時(shí)間同步等條件。

為了滿足以上需求，LTE-R回傳業(yè)務(wù)可以采用增強(qiáng)型MSTP、PTN（POTN）和IP RAN網(wǎng)絡(luò)承載，根據(jù)這些技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)能力、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)備支持成熟度、成本等方面分析，建議鐵路LTE-R回傳業(yè)務(wù)采用PTN（POTN）承載。

7.3 鐵路POTN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分析

通過以上對(duì)運(yùn)營商POTN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以看出，運(yùn)營商POTN主要應(yīng)用在城域網(wǎng)骨干層和匯聚層，承載業(yè)務(wù)主要是移動(dòng)回傳業(yè)務(wù)、集團(tuán)客戶/普通大客戶專線/專網(wǎng)業(yè)務(wù)和固網(wǎng)寬帶上行業(yè)務(wù)等。業(yè)務(wù)種類主要是分組業(yè)務(wù)，少量TDM專線業(yè)務(wù)。

結(jié)合鐵路的業(yè)務(wù)需求和現(xiàn)有鐵路傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建議在匯聚層（路局局干網(wǎng)）建設(shè)POTN網(wǎng)絡(luò)。

在接入層首先引入PTN網(wǎng)絡(luò)，用于承載LTE-R回傳業(yè)務(wù)，滿足LTE-R對(duì)承載網(wǎng)在高質(zhì)量的QoS、高精度時(shí)間同步技術(shù)、高質(zhì)量傳輸通道、豐富的保護(hù)技術(shù)等要求。

目前在匯聚層，有的路局建設(shè)了OTN傳輸網(wǎng)，有的路局沒有建設(shè)OTN傳輸網(wǎng)。對(duì)于沒有建設(shè)OTN傳輸網(wǎng)的路局，可以引入POTN的建設(shè)，用于承載大容量LTE-R業(yè)務(wù)承載和匯聚層IP數(shù)據(jù)的承載，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的綜合接入，采用統(tǒng)一交叉平臺(tái)，滿足高帶寬通道的需求，減少網(wǎng)絡(luò)層次、設(shè)備轉(zhuǎn)接、基礎(chǔ)能源消耗，降低運(yùn)維難度。對(duì)于已經(jīng)建設(shè)OTN傳輸網(wǎng)的路局，在LTE-R建成后，可以將現(xiàn)有的OTN網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為POTN系統(tǒng)，滿足LTE-R業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)的要求。

8 結(jié)束語

鐵路分組光傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)根據(jù)鐵路既有傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、承載的業(yè)務(wù)類型、運(yùn)維管理模式，結(jié)合既有傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)，選擇適合鐵路業(yè)務(wù)的保護(hù)方式、OAM機(jī)制和同步技術(shù)。

在沒有建設(shè)匯聚層OTN網(wǎng)絡(luò)（路局骨干層）的路局，可以考慮優(yōu)先建設(shè)POTN網(wǎng)絡(luò)，為以后LTE-R的建設(shè)以及綜合分組業(yè)務(wù)的接入預(yù)留傳送條件。

在建有匯聚層OTN網(wǎng)絡(luò)的路局，結(jié)合LTE-R 和PTN網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況，逐步過渡到POTN網(wǎng)絡(luò)，提高匯聚層網(wǎng)絡(luò)的綜合分組業(yè)務(wù)的匯聚能力。

［1］李允博.光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)的原理與測試［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［2］李芳，付錫華，趙文玉，等.分組光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)和應(yīng)用研究［R］.中國通信標(biāo)準(zhǔn)類研究報(bào)告，2011.

［3］OIF.OTN Over Packet Fabric Protocol（OPF） Implementation Agreement［S］.IA OIF-OFP-01.0，2011.

Based on the research on the network structure， functions and key technologies of Packet Optical Transport Network （POTN）， the paper analyzes railway application requirements combined with the application model and construction situation， and discusses the construction method of railway POTN.

POTN standard； network structure； key technology； network construction

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.007

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題項(xiàng)目（2015X001-B）

2016-04-02）