曹 惠

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545616）

1 鐵路傳輸網(wǎng)概述

鐵路專用通信系統(tǒng)是服務(wù)于鐵路運輸和管理，為鐵路系統(tǒng)各專用用戶提供業(yè)務(wù)信息處理、傳送、數(shù)據(jù)支撐等服務(wù)的系統(tǒng)。鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)按照網(wǎng)絡(luò)層次可以分為通信終端接入層、承載層以及支撐層，其中傳輸系統(tǒng)屬于承載層，是保證業(yè)務(wù)信息能安全、準確、迅速傳送的重要一環(huán)[1]。而我國的鐵路通信傳輸網(wǎng)大致可以分為骨干層、匯聚層以及接入層。骨干層是鐵路系統(tǒng)各分局與鐵路總公司之間組成的最上層的傳輸網(wǎng)絡(luò)，鐵路系統(tǒng)中通常設(shè)有多個骨干線大環(huán)網(wǎng)。匯聚層是骨干層之下的網(wǎng)絡(luò)，主要以各分局下的大型鐵路車站和調(diào)度所等作為匯聚中心節(jié)點，與分局管轄下其他各站連接組成業(yè)務(wù)信息匯聚層網(wǎng)絡(luò)。接入層則位于傳輸網(wǎng)的最底層，是傳輸網(wǎng)絡(luò)的末端，通過接入網(wǎng)將鐵路沿線各站點或各種終端設(shè)備的業(yè)務(wù)信息接入到傳輸網(wǎng)中，從而實現(xiàn)鐵路各業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)在鐵路網(wǎng)中的快速有效傳送[2]。

鐵路傳輸系統(tǒng)為鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)提供有效的服務(wù)與支撐，在業(yè)務(wù)類型、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、信息容量以及技術(shù)升級更新頻率等方面區(qū)別于公共傳輸系統(tǒng)。不同于公網(wǎng)，鐵路網(wǎng)業(yè)務(wù)種類繁多。鐵路專用通信網(wǎng)中的終端用戶較為固定和穩(wěn)定，在數(shù)量上比公網(wǎng)用戶要少很多。鐵路專用通信網(wǎng)根據(jù)鐵路鋪設(shè)線路的具體情況進行規(guī)劃設(shè)計，在傳輸節(jié)點的設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計上與公網(wǎng)有著很大的不同[3]。

2 鐵路專用通信傳輸技術(shù)

按照時間發(fā)展，傳輸技術(shù)經(jīng)歷了準同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）、同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）、分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）、波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）等階段。目前，采用準同步數(shù)字體系和同步數(shù)字體系技術(shù)的設(shè)備已經(jīng)被淘汰，鐵路專網(wǎng)中主要采用MSTP、WDM以及 OTN。

2.1 MSTP

MSTP在業(yè)務(wù)處理上比SDH多了一些數(shù)據(jù)封裝功能，但其在傳輸速率上并沒有提升，各設(shè)備廠商只能實現(xiàn)單波最高處理商用速率為10 Gb/s，該技術(shù)在目前的公網(wǎng)中早已不適用。但由于鐵路專用通信網(wǎng)中老線路站點較多，所需傳送的信息容量不大，因此這些老線路站點在傳輸設(shè)備上依然采用MSTP設(shè)備[4]。在鐵路通信網(wǎng)中，MSTP設(shè)備主要承載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和2M業(yè)務(wù)等。

2.2 WDM

WDM可分為密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和稀疏波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）。CWDM能復用的波長數(shù)較少，在100 km內(nèi)提供8波或16波的場景比較適用。DWDM用于鐵路傳輸系統(tǒng)中的骨干網(wǎng)，CWDM主要用于短距離城域網(wǎng)。WDM相比MSTP在傳輸速率上有了極大的提高，但其業(yè)務(wù)調(diào)度能力和保護能力并沒有SDH技術(shù)完善[5]。如果WDM能將SDH技術(shù)中對電層的靈活調(diào)度功能加入進來，就能更完美地接入處理低速率業(yè)務(wù)。

2.3 OTN

OTN結(jié)合了SDH和WDM的優(yōu)點，有自己特定的幀結(jié)構(gòu)，同時設(shè)有豐富的開銷字節(jié)。傳統(tǒng)的波分復用設(shè)備不具備多波長靈活的交叉處理能力，而且在保護方式上比較單一，對新型IP業(yè)務(wù)分組處理能力不足，不能適應多業(yè)務(wù)、多種格式數(shù)據(jù)的接入承載。OTN在光領(lǐng)域的處理能力大大滿足了公網(wǎng)復雜拓撲結(jié)構(gòu)和多業(yè)務(wù)處理的需求，其交叉功能強大、保護方式完善，在目前的鐵路骨干傳輸網(wǎng)、局干傳輸網(wǎng)以及地鐵專網(wǎng)中得到廣泛應用[6]。

3 鐵路通信傳輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和自愈保護

鏈型網(wǎng)和環(huán)型網(wǎng)是鐵路專用通信傳輸網(wǎng)中常見的拓撲結(jié)構(gòu)。由于鐵路中各專網(wǎng)通信終端是沿鐵路線根據(jù)車站分布來進行設(shè)置，因此鐵路傳輸網(wǎng)在進行節(jié)點設(shè)備設(shè)置時會將節(jié)點設(shè)在相關(guān)業(yè)務(wù)匯聚的車站機房中，并考慮將這些節(jié)點通過線形網(wǎng)或環(huán)形網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)來進行組網(wǎng)連接設(shè)計。此時，需要考慮網(wǎng)絡(luò)自愈的問題，即如何提升網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。在線形網(wǎng)中考慮設(shè)置1+1或1∶1保護，在環(huán)形網(wǎng)中考慮設(shè)置雙向復用段保護或通道保護[7]。例如，在鐵路系統(tǒng)的骨干網(wǎng)中，設(shè)置以波分設(shè)備為主的西北環(huán)、西南環(huán)、東南環(huán)、東北環(huán)以及京滬穗環(huán)等環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

在鐵路傳輸網(wǎng)中必須要考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題，其中自愈保護按照保護層次可以分為通道保護和復用段保護。在SDH技術(shù)中，鏈形網(wǎng)中可采用1+1保護和1∶N保護，環(huán)形網(wǎng)中有二纖單/雙向通道保護、二纖單/雙向復用段保護、四纖雙向復用段保護。在OTN技術(shù)中，保護方式包括線性保護、子網(wǎng)連接保護以及共享保護。在鐵路傳輸網(wǎng)中，根據(jù)傳輸接入層和骨干層具體使用的設(shè)備和技術(shù)情況，采用不同的網(wǎng)絡(luò)保護方式。例如，在蘭西至天水的天蘭線接入網(wǎng)傳輸中采用了2.5G的通道保護環(huán)，而在西北環(huán)省內(nèi)西環(huán)中則采用了四纖雙向復用段保護，在太中銀傳輸網(wǎng)干線層中采用了二纖雙向復用段保護[8]。

4 鐵路通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步系統(tǒng)

同步系統(tǒng)又分為時間同步和頻率同步。鐵路時鐘同步系統(tǒng)采用主從同步方式，在整個鐵路通信網(wǎng)中按等級從高到低分別設(shè)有一級、二級、三級時鐘源。一級時鐘源設(shè)在鐵路總公司，二級時鐘源位于鐵路系統(tǒng)各分局中心，三級時鐘源則位于各分局管轄下屬的各傳輸核心機房中。這3個級別的時鐘源之間通過傳輸系統(tǒng)相互聯(lián)系，組成了等級自上而下、主從同步的結(jié)構(gòu)，通過傳輸鏈路將時鐘源分別傳遞至鐵路通信網(wǎng)中的各個節(jié)點。也就是說，鐵路通信系統(tǒng)中的各級通信設(shè)備可通過傳輸線路獲取線路側(cè)時鐘，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率同步[9]。

傳輸設(shè)備獲取時鐘源的方式有外部時鐘、線路時鐘、支路時鐘以及設(shè)備內(nèi)時鐘。鐵路傳輸網(wǎng)中的外部時鐘由鐵路傳輸網(wǎng)中3個等級的時鐘源提供。其中，第二、三級時鐘源分別為鐵路總公司下屬各分局內(nèi)所管轄的傳輸設(shè)備提供時鐘源，又可稱為轉(zhuǎn)接局時鐘（SSU-T）和本地局時鐘（SSU-L）。線路時鐘則是從傳輸線路中獲取的時鐘，由于各節(jié)點傳輸設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，有些節(jié)點可能有多個線路時鐘獲取途徑，因此在傳輸系統(tǒng)網(wǎng)管中可根據(jù)線路時鐘的質(zhì)量等級來設(shè)置優(yōu)先級別[10]。一般情況下，從外部時鐘源獲取的時鐘優(yōu)于線路時鐘，而通過直達鏈路從設(shè)備節(jié)點的上一級節(jié)點設(shè)備中獲取的線路時鐘要優(yōu)于從其他設(shè)備節(jié)點獲取的線路時鐘。支路時鐘就是從設(shè)備支路中獲取的時鐘信號，但由于支路時鐘信號質(zhì)量等級不高，因此一般不采用。設(shè)備內(nèi)時鐘則是設(shè)備內(nèi)部時鐘晶體產(chǎn)生的時鐘，每個傳輸設(shè)備節(jié)點都有設(shè)備內(nèi)時鐘，其優(yōu)先級別一般低于線路時鐘。

對于鐵路通信傳輸系統(tǒng)中的時間同步，鐵路通信網(wǎng)中要求獲取高精度的協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）信息，通過傳輸網(wǎng)中的同步鏈路將時間信息由上一級設(shè)備傳到下一級設(shè)備，以此類推一級級傳遞下去，從而構(gòu)成全網(wǎng)的時鐘同步。主從同步下時鐘鏈路逐級傳送如圖1所示。

圖1 主從同步下時鐘逐級傳送示意

5 新一代鐵路通信傳輸網(wǎng)絡(luò)展望

隨著高鐵線路數(shù)、站點數(shù)的增加和列車運行速率的飛速提升，高鐵沿線上5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的接入和高鐵列車控制信號對傳輸質(zhì)量要求逐漸提高，鐵路通信傳輸網(wǎng)也面臨著升級擴容的考驗。目前，鐵路移動通信網(wǎng)已經(jīng)由原來的鐵路窄帶移動通信系統(tǒng)GSM-R逐漸向鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)LTE-R演變。此外，基于5G的鐵路移動通信系統(tǒng)即5G-R也在研發(fā)試運行應用中。5G-R是在鐵路系統(tǒng)GSM-R、LTE-R技術(shù)體系上自行研發(fā)的基于5G的鐵路通信專網(wǎng)系統(tǒng)，是我國鐵路5G網(wǎng)絡(luò)新的發(fā)展方向。

由于鐵路系統(tǒng)對設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全可靠性等要求較高，因此鐵路通信專用網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)老舊線路站點設(shè)備、新普速鐵路設(shè)備、新高鐵線路設(shè)備以及以5G移動通信網(wǎng)絡(luò)為應用場景的相關(guān)設(shè)備并存的局面。對于鐵路通信傳輸網(wǎng)來說，要求能同時承載和處理來自不同型號設(shè)備、不同業(yè)務(wù)等級、老舊和新型、無線和有線的綜合業(yè)務(wù)信息。對于傳統(tǒng)鐵路線來說，傳輸設(shè)備以夠用、安全穩(wěn)定為主，將保留繼續(xù)使用；對于新型鐵路干線來說，將考慮到站點的定位問題和列車信號控制等問題。對于鐵路系統(tǒng)的新一代基建項目，將考慮到鐵路智能化、信息化、高效率等需求。特別對基于5G-R的下一代鐵路移動通信系統(tǒng)和智能化調(diào)度指揮系統(tǒng)，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)能提供更大的傳送通道和更高的傳輸質(zhì)量。與此同時，將GSM-R系統(tǒng)、LTE-R系統(tǒng)、5G-R鐵路系統(tǒng)、鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、調(diào)度集中CTC系統(tǒng)、鐵路智能網(wǎng)、鐵路數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)、鐵路固定電話交換網(wǎng)、鐵路時鐘同步網(wǎng)、票務(wù)系統(tǒng)、會議電視系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)以及監(jiān)控中心等進行有效互聯(lián)互通，兼容處理各種不同系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 論

鐵路通信專網(wǎng)中的傳輸系統(tǒng)承載著鐵路不同種類的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)，能夠?qū)Σ煌袷降男盘栠M行封裝、復用、分插并交叉連接到不同路徑，為業(yè)務(wù)提供保護功能，能實現(xiàn)實時監(jiān)控信號的傳送與分發(fā)。鐵路通信專網(wǎng)中的傳輸系統(tǒng)經(jīng)歷了從明線傳輸、電纜傳輸?shù)焦鈧鬏數(shù)倪^程，目前以采用MSTP技術(shù)和波分復用技術(shù)為主。對于鐵路系統(tǒng)的新基建項目，鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)將迎來新的變革與優(yōu)化改進。新一代信息技術(shù)特別是以5G、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為主的新技術(shù)將逐步應用于提高鐵路專網(wǎng)系統(tǒng)的智能化水平，使得傳統(tǒng)的專網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)得到全面完善的優(yōu)化升級。通過在鐵路專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)中引入更新的OTN技術(shù)，可以有效滿足各智能系統(tǒng)的全方位傳送服務(wù)需求。