下一代铁路传输技术MS-OTN的应用与研究

王 通，桂银凯，王 楠

(华为技术有限公司，北京 100077)

1 概述

2008 年8 月1 日，国内自主建设的第一条350 km/h 高速铁路— 京津城际铁路开通运营，标志着国内正式进入高铁时代。截至2019 年底，国内高速铁路营业里程已达3.5 万km，占世界总里程的2/3 以上，稳居世界第一。

随着高铁建设及信息化不断加速，铁路各个业务系统的需求相对十年前已经有了很大变化，如何解决当前业务需求的多样性和相对固化的传输网络间的矛盾，已成为亟待考虑的问题。

2 既有高速铁路传输方案

2.1 现状分析

在既有高速铁路的“四电”建设中，传输系统采用“MSTP 技术搭建骨干汇聚层+接入层两层组网”，如图1 所示。骨干汇聚层主要在沿线各车站、通信站、线路所等节点部署STM-64 ADM 设备，利用铁路两侧的光缆构成链型1+1 保护。骨干汇聚层与接入层传输系统通过2 个2.5 Gbit/s 光接口对接，为接入层传输系统通道提供迂回保护。

接入层一般在沿线车站区间各基站、信号中继站、线路所、牵引变电所、AT 所、分区所、开闭所、电力配电所、综合维修工区、综合维修车间等信息接入点设置STM-4 ADM 设备，提供2 M 通道及10/100 Mbit/s 宽带数据的接入，同时兼顾区间应急通信接入条件。本地（车站）及站场内接入层通常也采用STM-4 ADM 设备组建MSTP 传输网络。此外，为了方便站间业务的传递，提升站间传输带宽，接入层各个车站通常也会部署STM-16 ADM 1+1 设备。

图1 基于MSTP的铁路多业务传输网Fig.1 Railway multi-business transmission network based on MSTP

2.2 存在问题

2.2.1 传输网络带宽不足

视频监控业务对数据传输通道提出更高的要求。国铁集团（原中国铁路总公司）于2016 年发布《中国铁路总公司关于发布设计时速200km 及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》[1]，要求设计时速200 km 以上的线路在重点区域和区间线路均需设置分辨率不低于1 080 P 的高清摄像机。

根据《高速铁路设计规范》要求，接入层通道预留量不宜小于40%[2]，另外，考虑到帧开销，实际可用通道大约在50%。既有MSTP 设备是按照分辨率为4CIF 或D1 的视频监控设计的，每台摄像机占用一路2 M 通道。高清摄像机要求1 080 P分辨率，码流达到6 Mbit/s。传统组网方式下沿线由STM-4 ADM 设备所构建的622 Mbit/s 传输通道已经不能够满足综合视频监控业务的接入需求。2.2.2 多业务承载性欠缺

由于GSM-R 在频谱、产业链、业务承载上的诸多不足，LTE-R 正在成为铁路专用无线网的演进方向。2018 年，中国铁路总公司在京沈高铁开展了450 MHz 频段下的LTE-R 技术试验，试验表明，LTE-R 系统在速度350 km/h 条件下，系统承载能力、传输时延等各项技术指标远优于GSM-R[3]。LTE-R 需要采用高精度时间同步功能，其承载网需要支持IEEE 1588v2 协议，而MSTP 并不能够很好地支持该技术，其时钟系统完全靠GPS/北斗授时而没有地面传输保护通道，无法保证LTE-R 授时的可靠性。

“两网融合”的实施全面加速各路局业务IP 化，IP 化已经成为铁路业务系统构建趋势。例如，哈尔滨铁路局近几年逐步将视频监控、视频会议、应急通信、NGN 电话交换业务、数字调度通信、铁路eLTE、信号业务、车辆5T、铁路公安网等业务割接到数据通信网上承载，实现了铁路业务承载IP 化[4]。YD/T 1238-2002 标准提供了基于SDH 的多业务传输节点技术要求，其基本功能模型如图2 所示[5]。MSTP 虽然支持以太网业务通过协议封装和速率适配后映射到SDH 的虚容器（VC）中传输，但是其开销成本高、映射效率低，且不具备业务IP 化所要求的统计复用、带宽共享、灵活调度等功能，突发无法有效应对数据流量的变化，影响IP 化分组业务的传输效率。

图2 MSTP基本功能模型Fig.2 MSTP basic functional model

2.2.3 骨干层功能定位重复

在高铁建设初期，由于各路局尚未建设局干OTN 网，因此高铁建设了骨干汇聚层STM-64，专门用于传输大颗粒数据业务，并为重要业务提供迂回路径。2014 年之后各路局普遍建设了OTN局干网，通过局干网来承载综合数据网业务，并为MSTP 提供迂回保护路径。局干OTN 网实际上和骨干汇聚层在功能定位上有所重叠，且局干网OTN 采用DWDM 技术，可采用40/80 波DWDM 技术实现扩容，其扩展性远优于MSTP 骨干层传输网。

因此，在进行新线建设及路局网络改造规划时，应该充分考虑各层级网络的功能，在满足业务安全可靠的前提下，网络层级应尽量简化，尽量扁平。

2.2.4 网络管理维护复杂

既有高铁传输组网均为单网，一旦施工就必须中断行车运行。随着高铁的开行班次逐渐加密以及夜间高铁的开行，维护部门申请高铁天窗点越来越困难，每次天窗点的时间也非常紧张，通常半个月到一个月左右才能申请到一个晚上4 h 的天窗点。在这一段有限的时间里要实施线路调整和故障处理，现场人员的作业难度和压力也越来越高。

3 MS-OTN技术支撑铁路应用分析

3.1 MS-OTN简介

多业务光传送网（Multi-Service Optical Transport Network，MS-OTN）是同时支持MPLS-TP 技术、SDH 技术和OTN 技术的多业务统一平台设备。MS-OTN 可以灵活适应各种业务带宽需求，满足任意速率任意种类业务的接入传输需求。MS-OTN 融合OTN、TDM 和分组3 个平面的技术，使L0/L1/L2 协同工作，通过一种设备同时支持λ/ODUk/VC/PKT 统一交叉，提供大且灵活的光管道，并支持精确的时钟和IEEE 1588v2 时间同步，并具备简单高效、端到端的运维保障。相比传统方案，MS-OTN 具备更好的用户体验，支持网络演进平滑、带宽利用率高、网络结构简单等一系列优势。

当前，MS-OTN 从标准到关键器件已实现完全自主化与国产化，能为铁路行业提供更加可靠的业务承载，如图3 所示。

图3 基于MS-OTN的铁路多业务承载拓扑Fig.3 Railway multi-business carrying topology based on MS-OTN

3.2 MS-OTN铁路业务承载方案

3.2.1 高速通道满足大颗粒业务要求

MS-OTN 支持10 G/100 G 的线路侧速率，这样高速铁路沿线及重点区域的视频监控补强就能通过传输系统实现多业务统一承载，不需要再单独建设视频专网，这也将大大减少工程建设的复杂程度和维护成本。另外，随着铁路业务云化的趋势愈加强烈，云技术在铁路视频监控系统应用也在不断发展[6]。2017 年，中国铁路总公司已经发布《铁路综合视频监控系统技术规范》[7]，提出对于云存储功能的支持。随着后续线路级以及路局级云化方案的实施[8]，对传输提供的线路带宽也会提出更高需求。MS-OTN 在业务接入和带宽提供方面将会发挥更大优势。

3.2.2 单系统实现多业务的统一承载

MS-OTN 支持任意速率接入，支持λ/ODUk/VC/PKT统一交叉，支持任意种类业务映射到同一波道传送，相对于MSTP 和PTN 传输技术，支持业务类型更加丰富，并在同一波道中同时承载OTN/SDH/PKT 业务的同时实现自由灵活地为不同业务分配带宽，如图4 所示。MS-OTN 本身继承MSTP 大量的功能与接口，支持PCM、2 M、STM-N 等接口，支持与现网所有速率的MSTP 设备对接（155 M ～10 G），也支持保护方式对接。MS-OTN 也具备FE/GE/10GE 等以太分组接口，未来还能支持5G移动通信专用的25 G/50 G 接口，并具备超低时延特性，满足5G 承载需求。

图4 MS-OTN实现统一传送多业务Fig.4 Unified transmission multi-business realized by MS-OTN

对于GSM-R 等2M 业务，MS-OTN 仍支持基于SDH 平面进行承载，并采用和既有MSTP 技术一致的组网模式和保护模式，即每4 ～6 个基站共用一个2 M 通道，每个基站出2 个2 M 接口，使GSM-R 业务自身成环。

对于下一代铁路移动通信技术LTE-R 来说，MS-OTN 支持通过IEEE 1588v2 时间同步，和GPS/北斗共同形成“天地互备”，提升系统整体可用性及可靠性。也能解决连续长大隧道或城市地下区段内GPS 天线难以布放，或建筑物遮挡卫星信号等问题。MS-OTN 基于集中交叉式逻辑功能模型如图5 所示[9]。

图5 MS-OTN集中交叉式逻辑功能模型Fig.5 MS-OTN centralized cross logic functional model

从图5 可以看出， MS-OTN 专门提供了分组处理的平面，采用MPLS-TP 协议进行分组业务处理。MPLS-TP 基于现有的MPLS 技术实现简单高效的分组传送，同时增强了OAM 和保护机制，有助于GSM-R 向LTE-R 的演进。

3.2.3 隔离保护方案保障业务可靠性

在业务保障方面，MS-OTN 提供分层、完善的业务保护方案，通过构筑两道防线为业务提供全方位可靠性保障。第一道防线基于电信级保护提供小于50 ms 的故障自愈，第二道防线提供分层业务保护，包含L0 层光层保护、L1 层VC 及ODUk 保护、L2 层MPLS-TP 保护，确保多业务统一承载时的高可靠性。

通过上述多种隔离及保护方案，MS-OTN 可实现对于铁路业务系统的多元化承载需求，在满足业务统一承载的同时，实现各业务对安全性及可靠性的要求。

3.2.4 丰富的管理措施提升运维效率

MS-OTN 提供层次化、端到端的OAM 方案，保证网络故障定位、倒换和性能检测需求。MSOTN 除了继承OTN/TDM 丰富的开销外，还支持通过MPLS-TP OAM/ETH-OAM 实现分组网络E2E OAM。

MS-OTN 通过统一网管实现对L0/L1/L2 统一可视化运维，简化分组业务运维。可视化运维将网络中业务路径、流量、性能、故障等运维关注的信息以视图的形式在网管上呈现，提升广大铁路通信人员对于整网状态的可知程度，降低运维工作的复杂程度。

3.3 组网模式演进

考虑到未来网络架构“扁平化”趋势，以及LTE-R 对A/B 双网需求，后续铁路传输网演进方案可考虑采用更加扁平两层组网，即“骨干汇聚层+接入层A/B 双网模式”，该方案不涉及骨干汇聚层与接入层传输系统之间2.5 Gbit/s 光接口对接，实现了网络架构的压缩，有助于维护工作的减轻，如图6 所示。骨干汇聚层完成各主干节点间的业务汇聚，为数据网提供传输通道。接入层完成对接入节点、汇聚和转接，将来自区间接入层的业务汇聚到骨干汇聚层。

骨 干 汇 聚 层 采 用10 G/100 G OTN 系 统 组建40 波/80 波WDM 传输平台，直接并入局干OTN，主要在大车站部署。接入层采用MS-OTN的10 G 线卡，组成连接车站和区间接入点的A/B双网；也能保证A 网维护调整时，B 网可正常行车，减少对天窗点的依赖。

图6 铁路传输组网演进方案Fig.6 Evolvable solution of railway transmission networking

4 应用案例

深圳地铁6/10 号线在国内首次采用视频监控云化存储，并计划后续新建地铁线路全面转型为云化综合承载网。为此，深圳地铁6/10 号线选用MS-OTN 组建专用传输系统，开启了地铁建设云化存储+100 G 传输新模式，为后续全国地铁通信网建设树立新的标杆，为各类业务提供了充足的带宽，并支持带宽平滑扩容，在实现网络保证安全性的同时，具备更加智能与灵活的特性。

目前，MS-OTN 已在全国近20 条地铁线路得到应用，并已成为地铁专用警用传输网标准制式，为其在铁路行业的落地奠定坚实基础。

5 结束语

当前已经迈入智能铁路时代，越来越多先进技术与行业需求的集成融合将加速铁路行业的数字化、现代化以及智能化。MS-OTN 完全可以为高速铁路提供高可靠、易扩展的承载能力，满足智能铁路时代下铁路业务多元化的发展需求。