鐵路通信傳輸網(wǎng)采用PTN 技術(shù)場(chǎng)景分析

王飛

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430073）

0 引言

隨著鐵路行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，鐵路通信技術(shù)也得到優(yōu)化與創(chuàng)新，對(duì)鐵路資源調(diào)度、安全生產(chǎn)運(yùn)行等活動(dòng)產(chǎn)生直接影響。鐵路移動(dòng)通信5GˉR 時(shí)代背景下，對(duì)鐵路通信傳輸技術(shù)提出更高要求，原有的MSTP 技術(shù)難以適應(yīng)生產(chǎn)需要，而PTN（分組傳送網(wǎng)）技術(shù)則逐步擴(kuò)大應(yīng)用。PTN 技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了鐵路通信技術(shù)的創(chuàng)新，還可以為鐵路通信網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，因此相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也成為當(dāng)前鐵路通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

1 鐵路通信傳輸網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

1.1 傳輸網(wǎng)骨干層

傳輸網(wǎng)骨干層主要包含鐵總至路局以及路局之間的業(yè)務(wù)傳送，為滿足跨鐵路局性網(wǎng)路傳輸需求，需要確保網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用具有傳送距離長(zhǎng)、交叉容量大以及可靠性高的特點(diǎn)[1]?；谶@樣的需求，可以將OTN 技術(shù)應(yīng)用于骨干層長(zhǎng)距離傳輸中，實(shí)現(xiàn)ODU 容器定義以完成業(yè)務(wù)接入與業(yè)務(wù)調(diào)度。對(duì)于冗余保護(hù)來(lái)說(shuō)，則可采用OCH 或ODUk 等完成不同業(yè)務(wù)類型保護(hù)，包括單一波長(zhǎng)、子波長(zhǎng)等。

1.2 傳輸網(wǎng)匯聚層

傳輸網(wǎng)匯聚層主要包含局管內(nèi)業(yè)務(wù)流量的傳送，并在鐵路沿線規(guī)模較大的站點(diǎn)中進(jìn)行匯聚。當(dāng)前傳輸網(wǎng)匯聚層所采用的技術(shù)以O(shè)TN 技術(shù)以及MSTP 技術(shù)為主，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)升級(jí)，傳輸網(wǎng)匯聚層業(yè)務(wù)傳輸將持續(xù)朝向長(zhǎng)距離、大容量的方向發(fā)展，進(jìn)而有必要通過(guò)引入PTN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。通常情況下，傳輸網(wǎng)匯聚層的組網(wǎng)類型包括環(huán)型、鏈型等，在業(yè)務(wù)傳輸量較大時(shí)，可采取OTN 技術(shù)與PTN 技術(shù)配合使用的方式。

1.3 傳輸網(wǎng)接入層

傳輸網(wǎng)接入層運(yùn)行過(guò)程中，需要構(gòu)建相應(yīng)的綜合承載平臺(tái)來(lái)滿足多樣性、專用性、高可靠性的鐵路業(yè)務(wù)要求。目前，傳輸網(wǎng)接入層的技術(shù)應(yīng)用以MSTP 技術(shù)為主，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的持續(xù)升級(jí)，接入層傳送系統(tǒng)將朝向大容量、多業(yè)務(wù)趨勢(shì)發(fā)展，進(jìn)而有必要引入PTN 技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)接入層業(yè)務(wù)的承載。由此可見(jiàn)，PTN 技術(shù)通過(guò)環(huán)形、鏈型組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在傳輸網(wǎng)匯聚層、接入層的應(yīng)用。例如，在進(jìn)行鐵路建設(shè)期間，若需要應(yīng)用LTE-R 等對(duì)時(shí)間同步精度要求較高的業(yè)務(wù)網(wǎng)，僅依靠衛(wèi)星傳遞時(shí)間信號(hào)是不夠的，還需要進(jìn)一步通過(guò)PTN 技術(shù)、增強(qiáng)型MSTP 技術(shù)等進(jìn)行地面1588v2 信號(hào)的傳送。

2 鐵路通信傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)需求

2.1 傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

結(jié)合當(dāng)前傳輸網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)情況來(lái)看，業(yè)務(wù)類型涉及以下3 種：①數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括視頻監(jiān)控、會(huì)議電視、旅客服務(wù)、電力SCADA 等，其業(yè)務(wù)流向通常是區(qū)間/車站—路局—鐵總。其中區(qū)間/車站環(huán)節(jié)由MSTP 或以太網(wǎng)交換采用雙平面?zhèn)魉蛯?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載；車站與路局環(huán)節(jié)通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)或MSTP 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載；路局與鐵總環(huán)節(jié)由OTN 完成業(yè)務(wù)承載[2]。②TDM 業(yè)務(wù)。TDM業(yè)務(wù)包括GSM-R 以及自動(dòng)電話等。③專線業(yè)務(wù)。專線業(yè)務(wù)包括票務(wù)、災(zāi)害預(yù)警、CTC/TDCS 信號(hào)等。其業(yè)務(wù)流向通常是區(qū)間/車站—路局—鐵總，其中區(qū)間/車站環(huán)節(jié)由MSTP 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載；車站與路局環(huán)節(jié)通過(guò)MSTP 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載；路局與鐵總環(huán)節(jié)由OTN 或MSTP 完成業(yè)務(wù)承載。

2.2 傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著高速鐵路的持續(xù)發(fā)展，更多先進(jìn)的通信信息技術(shù)進(jìn)入鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)呈現(xiàn)出十分顯著的變化趨勢(shì)，對(duì)傳輸網(wǎng)也提出了更高的要求。首先，IP 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)將逐漸替代TDM 類業(yè)務(wù)，同時(shí)GSMˉR 無(wú)線通信系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行升級(jí)更新，轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)TEˉR 系統(tǒng)。LTEˉR 系統(tǒng)屬于分組式的IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)時(shí)間同步精度的要求較高，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用水平來(lái)看，可以滿足其要求的技術(shù)包括北斗/GPS 授時(shí)以及IEEE1588v2技術(shù)。圍繞IP 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)升級(jí)還體現(xiàn)在調(diào)度通信業(yè)務(wù)方面，實(shí)現(xiàn)由有線調(diào)度通信向IP 多媒體調(diào)度通信的轉(zhuǎn)變。在此過(guò)程中，可以通過(guò)IP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多媒體調(diào)度交換機(jī)與多媒體調(diào)度終端的聯(lián)通，有效滿足鐵總、路局以及區(qū)間/車站之間的通信需求。除此以外，TDM 語(yǔ)音業(yè)務(wù)將逐步退出歷史舞臺(tái)轉(zhuǎn)為軟交換自動(dòng)電話業(yè)務(wù)。其次，數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)在持續(xù)發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)傳輸網(wǎng)帶寬提出更高的要求，當(dāng)前視頻業(yè)務(wù)、監(jiān)控類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈井噴式增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)替代TDM 類業(yè)務(wù)所生成的相關(guān)數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)也大量增長(zhǎng)。導(dǎo)致業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的原因主要包括兩方面：①為滿足鐵路系統(tǒng)運(yùn)行要求，在多個(gè)區(qū)域安裝了相應(yīng)的視頻監(jiān)控裝置；②為提升監(jiān)控視頻的清晰度及相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)傳輸帶寬的需求量顯著增加，增大擴(kuò)容難度[3]。

3 PTN 技術(shù)在鐵路通信傳輸網(wǎng)的應(yīng)用

3.1 技術(shù)類型

PTN 技術(shù)屬于一種以二層交換為基礎(chǔ)的分組架構(gòu)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榉纸M信息業(yè)務(wù)，通過(guò)將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包分配來(lái)實(shí)現(xiàn)有效、系統(tǒng)的系統(tǒng)資源傳輸與共享，主要應(yīng)用在第三、四代移動(dòng)通信網(wǎng)中[4]。PTN 技術(shù)在完成核心分組業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上還可以滿足其他業(yè)務(wù)的執(zhí)行需求，即針對(duì)分組業(yè)務(wù)流量設(shè)置專門的業(yè)務(wù)層面，為分組業(yè)務(wù)傳送提供更多途徑。現(xiàn)階段，PTN 技術(shù)分支主要包括PTN 保護(hù)技術(shù)以及PTN 同步技術(shù)。其中，PTN保護(hù)技術(shù)可以針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、鏈路、業(yè)務(wù)等多層面提供保護(hù)功能，網(wǎng)絡(luò)層面中LSP 及PW 為線型保護(hù)對(duì)象，PTN 段層為環(huán)網(wǎng)保護(hù)對(duì)象；鏈路層面通過(guò)將TDM/ATM 接入鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)；而業(yè)務(wù)層面則可以為L(zhǎng)3VPN 保護(hù)以及雙歸保護(hù)提供支持。由此可見(jiàn)，PTN 保護(hù)技術(shù)十分多樣，可根據(jù)具體機(jī)制保護(hù)需求來(lái)提供相應(yīng)的保護(hù)功能。對(duì)于PTN 同步技術(shù)來(lái)說(shuō)，與SDH 原理一致，PTN 技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步信號(hào)的接引與傳遞。與此同時(shí)，基于NTP 或PTP 協(xié)議還可以通過(guò)PTN 技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，并滿足多種時(shí)鐘模式的組網(wǎng)需求。

3.2 技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，PTN 技術(shù)在我國(guó)鐵路通信網(wǎng)中已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用成效，作為一種光傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，PTN 技術(shù)可以有效針對(duì)分組業(yè)務(wù)流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿足具體的分組業(yè)務(wù)需求。具體來(lái)看，PTN 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下5 個(gè)方面：①技術(shù)成本投入少，可以顯著提升鐵路通信網(wǎng)運(yùn)行可靠性；②通過(guò)PTN 技術(shù)與IP 業(yè)務(wù)連接為鐵路通信網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障；③PTN 技術(shù)提供了多元化的保護(hù)方式，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障可及時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)和恢復(fù)；④可以通過(guò)PTN 技術(shù)進(jìn)行鐵路通信網(wǎng)信息整合，突出SDH 及IP 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特征；⑤相較于SDH/MSTP 技術(shù)，PTN 技術(shù)可針對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行帶寬靈活分配，促進(jìn)鐵路通信網(wǎng)運(yùn)行管理水平的提升[5]。

隨著信息技術(shù)的持續(xù)升級(jí)，PTN 技術(shù)在鐵路通信網(wǎng)中的應(yīng)用還可以進(jìn)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(fù)責(zé)對(duì)各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合與更新，并提供相應(yīng)的保護(hù)性功能；管理平面負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施管理與分析，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題提供解決方案，為鐵路通信網(wǎng)安全運(yùn)行提供保障。為提高PTN 技術(shù)在鐵路通信網(wǎng)中的應(yīng)用水平，就需要對(duì)其展開(kāi)深入分析，進(jìn)而拓展出更豐富的適用環(huán)節(jié)與應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合PTN 技術(shù)目前的發(fā)展情況來(lái)看，其發(fā)展趨勢(shì)主要集中在兩個(gè)方向：①通過(guò)PTN 提高業(yè)務(wù)承載能力，實(shí)現(xiàn)PTN 與OTN 的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成POTN 技術(shù)；②滿足業(yè)務(wù)智能化運(yùn)維及智能化管理需求，推動(dòng)PTN 與SDN 的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成SPTN 技術(shù)。隨著技術(shù)升級(jí)的推擠，SDN 與POTN 還能夠進(jìn)一步形成SDˉPOTN 技術(shù)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了SDN 分層架構(gòu)與智能控制同POTN 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)資源的融合，有效滿足集中式虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配需求。與此同時(shí)，應(yīng)用接口與平臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用也將逐步朝向開(kāi)放化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，為鐵路通信業(yè)務(wù)提供更為靈活、高效的管理環(huán)境。

3.4 應(yīng)用場(chǎng)景

現(xiàn)階段，隨著鐵路通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，將逐步實(shí)現(xiàn)LTEˉR 系統(tǒng)以及IP 多媒體調(diào)度通信業(yè)務(wù)等內(nèi)容的升級(jí)，在此背景下，PTN 技術(shù)的應(yīng)用范圍將持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而適用于更多元的應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中。

3.4.1 既有線改造工程

在進(jìn)行既有線改造工程的過(guò)程中，可以在原有的MSTP 技術(shù)基礎(chǔ)上新增PTN 方案，來(lái)滿足相關(guān)業(yè)務(wù)的資源傳輸需求，并仍通過(guò)MSTP 進(jìn)行承載。針對(duì)上述內(nèi)容可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求實(shí)施相應(yīng)的方案：①鐵路通信新增LTEˉR 業(yè)務(wù)。這一方案需要重點(diǎn)考慮LTEˉR 業(yè)務(wù)的安全性及時(shí)間同步要求，因此可采用PTN 進(jìn)行承載?？梢栽诮尤雽榆囌镜葏^(qū)域安裝相應(yīng)的PTN 設(shè)備，滿足基站之間的4G 回傳業(yè)務(wù)需求；若原有機(jī)房及新增基站不同址時(shí)，那么PTN 還需要進(jìn)行視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控等業(yè)務(wù)的承載。對(duì)于匯聚層來(lái)說(shuō)，PTN 可滿足基本傳輸需求，若傳輸量較大則可以采用OTN 系統(tǒng)進(jìn)行承載。在這樣的情況下，接入層PTN 可與匯聚層PTN/OTN 完成時(shí)間源信號(hào)的傳送，與匯聚層PTN/MSTP 完成頻率源信號(hào)的傳送。此外，LTEˉR 核心網(wǎng)間業(yè)務(wù)可由MSTP 設(shè)備進(jìn)行承載。這一方案的優(yōu)勢(shì)在于可以很大程度上提高基站設(shè)置的靈活性，在不影響接入層、匯聚層運(yùn)行的基礎(chǔ)上滿足業(yè)務(wù)傳送和時(shí)間同步要求，在必要情況下還需要考慮波道可擴(kuò)充性[6]。②鐵路通信新增IP 多媒體調(diào)度業(yè)務(wù)。這一方案中，多媒體調(diào)度終端可接入層MSTP，多媒體調(diào)度設(shè)備可與數(shù)據(jù)網(wǎng)相連，并由數(shù)據(jù)網(wǎng)完成區(qū)間/車站至路局以及路局之間的業(yè)務(wù)承載要求。值得注意的是，若接入層MSTP 設(shè)備帶寬不足，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)容。這一方案的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)MSTP 的深入、成熟應(yīng)用，在滿足業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，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(yè)務(wù)可以在車站以及鐵路沿線等區(qū)域設(shè)置傳輸設(shè)備，采用MSTP+PTN 方案來(lái)滿足業(yè)務(wù)接入需求，并可以為業(yè)務(wù)運(yùn)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(yè)務(wù)及專線業(yè)務(wù)的承載，接入層PTN 完成IP 多媒體調(diào)度、SCADA、食品及環(huán)境監(jiān)控等業(yè)務(wù)的承載，而匯聚層PTN 或OTN 負(fù)責(zé)LTEˉR 業(yè)務(wù)的承載。MSTP+PTN方案的實(shí)施可以有效實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，并發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。MSTP 技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用，因此可以應(yīng)用在安全、保密等方面的業(yè)務(wù)中；而PTN 則可以實(shí)現(xiàn)LTE-R 業(yè)務(wù)和IP 化業(yè)務(wù)承載，最大限度上保證網(wǎng)絡(luò)傳送業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。目前，鐵路通信系統(tǒng)仍然在TDM、專線業(yè)務(wù)與IP 分組化業(yè)務(wù)同時(shí)開(kāi)展的情況，因此可以通過(guò)MSTP+PTN 方案來(lái)提供相應(yīng)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(shè)備老化而影響通信業(yè)務(wù)傳輸?shù)那闆r，有必要針對(duì)這一情況開(kāi)展相應(yīng)的新建線工程，并將PTN 方案引入其中，更好地滿足其中業(yè)務(wù)承載需求，同時(shí)逐步替代原有傳送網(wǎng)?；赑TN 方案的新建線工程在理論上可以有效適應(yīng)IP 分組化業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，并達(dá)到傳輸性能指標(biāo)有關(guān)規(guī)定。然而若應(yīng)用在實(shí)際場(chǎng)景中，該方案處于大流量環(huán)境下所呈現(xiàn)出的PTN 傳送性能以及網(wǎng)絡(luò)安全性還有待進(jìn)一步探究。除此以外，隨著鐵路5G 業(yè)務(wù)的推廣，還應(yīng)深入研究PTN 技術(shù)的適應(yīng)性與可行性。

3.4.4 鐵路支線及接入網(wǎng)應(yīng)用

對(duì)鐵路支線及接入網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，可以充分發(fā)揮PTN 技術(shù)在多業(yè)務(wù)承載方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而應(yīng)用在支線鐵路的線路保護(hù)中。通過(guò)線路1+1 保護(hù)PTN 方案可以有效實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)及相關(guān)信息的接入，同時(shí)由獨(dú)立組網(wǎng)完成安全相關(guān)業(yè)務(wù)。與此同時(shí)，在信息化業(yè)務(wù)容量較大且較為分散的狀態(tài)下，還可以通過(guò)環(huán)型組網(wǎng)PTN實(shí)施數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性與可靠性。值得注意的是，通過(guò)PTN 進(jìn)行接入時(shí)可采用的無(wú)線接入技術(shù)包括GPON、PTN、MSTP 等多種類型，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中可以根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求選擇合適的技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用以及鐵路通信業(yè)務(wù)IP 化趨勢(shì)的加速發(fā)展，傳輸網(wǎng)承載業(yè)務(wù)勢(shì)必面臨轉(zhuǎn)變，如何提升鐵路通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力也成為每一個(gè)鐵路通信工作者需要解決的問(wèn)題。目前，PTN 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成熟應(yīng)用，同時(shí)可以有效適應(yīng)我國(guó)鐵路通信系統(tǒng)運(yùn)行需求。在此期間，應(yīng)不斷針對(duì)PTN 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)深入探索，實(shí)現(xiàn)高效管理與擴(kuò)容目標(biāo)，為鐵路通信傳輸網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。