光传输技术在铁路通信中的应用

曹 惠

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

1 铁路传输网概述

铁路专用通信系统是服务于铁路运输和管理，为铁路系统各专用用户提供业务信息处理、传送、数据支撑等服务的系统。铁路专用通信网络按照网络层次可以分为通信终端接入层、承载层以及支撑层，其中传输系统属于承载层，是保证业务信息能安全、准确、迅速传送的重要一环[1]。而我国的铁路通信传输网大致可以分为骨干层、汇聚层以及接入层。骨干层是铁路系统各分局与铁路总公司之间组成的最上层的传输网络，铁路系统中通常设有多个骨干线大环网。汇聚层是骨干层之下的网络，主要以各分局下的大型铁路车站和调度所等作为汇聚中心节点，与分局管辖下其他各站连接组成业务信息汇聚层网络。接入层则位于传输网的最底层，是传输网络的末端，通过接入网将铁路沿线各站点或各种终端设备的业务信息接入到传输网中，从而实现铁路各业务信息数据在铁路网中的快速有效传送[2]。

铁路传输系统为铁路专用通信网络提供有效的服务与支撑，在业务类型、组网结构、信息容量以及技术升级更新频率等方面区别于公共传输系统。不同于公网，铁路网业务种类繁多。铁路专用通信网中的终端用户较为固定和稳定，在数量上比公网用户要少很多。铁路专用通信网根据铁路铺设线路的具体情况进行规划设计，在传输节点的设置和网络拓扑结构的设计上与公网有着很大的不同[3]。

2 铁路专用通信传输技术

按照时间发展，传输技术经历了准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）、同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、基于SDH的多业务传送（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）、分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光传送网（Optical Transport Network，OTN）等阶段。目前，采用准同步数字体系和同步数字体系技术的设备已经被淘汰，铁路专网中主要采用MSTP、WDM以及 OTN。

2.1 MSTP

MSTP在业务处理上比SDH多了一些数据封装功能，但其在传输速率上并没有提升，各设备厂商只能实现单波最高处理商用速率为10 Gb/s，该技术在目前的公网中早已不适用。但由于铁路专用通信网中老线路站点较多，所需传送的信息容量不大，因此这些老线路站点在传输设备上依然采用MSTP设备[4]。在铁路通信网中，MSTP设备主要承载以太网数据业务和2M业务等。

2.2 WDM

WDM可分为密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和稀疏波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）。CWDM能复用的波长数较少，在100 km内提供8波或16波的场景比较适用。DWDM用于铁路传输系统中的骨干网，CWDM主要用于短距离城域网。WDM相比MSTP在传输速率上有了极大的提高，但其业务调度能力和保护能力并没有SDH技术完善[5]。如果WDM能将SDH技术中对电层的灵活调度功能加入进来，就能更完美地接入处理低速率业务。

2.3 OTN

OTN结合了SDH和WDM的优点，有自己特定的帧结构，同时设有丰富的开销字节。传统的波分复用设备不具备多波长灵活的交叉处理能力，而且在保护方式上比较单一，对新型IP业务分组处理能力不足，不能适应多业务、多种格式数据的接入承载。OTN在光领域的处理能力大大满足了公网复杂拓扑结构和多业务处理的需求，其交叉功能强大、保护方式完善，在目前的铁路骨干传输网、局干传输网以及地铁专网中得到广泛应用[6]。

3 铁路通信传输网络拓扑结构和自愈保护

链型网和环型网是铁路专用通信传输网中常见的拓扑结构。由于铁路中各专网通信终端是沿铁路线根据车站分布来进行设置，因此铁路传输网在进行节点设备设置时会将节点设在相关业务汇聚的车站机房中，并考虑将这些节点通过线形网或环形网的拓扑结构来进行组网连接设计。此时，需要考虑网络自愈的问题，即如何提升网络的安全性和可靠性。在线形网中考虑设置1+1或1∶1保护，在环形网中考虑设置双向复用段保护或通道保护[7]。例如，在铁路系统的骨干网中，设置以波分设备为主的西北环、西南环、东南环、东北环以及京沪穗环等环网拓扑结构。

在铁路传输网中必须要考虑网络安全问题，其中自愈保护按照保护层次可以分为通道保护和复用段保护。在SDH技术中，链形网中可采用1+1保护和1∶N保护，环形网中有二纤单/双向通道保护、二纤单/双向复用段保护、四纤双向复用段保护。在OTN技术中，保护方式包括线性保护、子网连接保护以及共享保护。在铁路传输网中，根据传输接入层和骨干层具体使用的设备和技术情况，采用不同的网络保护方式。例如，在兰西至天水的天兰线接入网传输中采用了2.5G的通道保护环，而在西北环省内西环中则采用了四纤双向复用段保护，在太中银传输网干线层中采用了二纤双向复用段保护[8]。

4 铁路通信传输网络的时钟同步系统

同步系统又分为时间同步和频率同步。铁路时钟同步系统采用主从同步方式，在整个铁路通信网中按等级从高到低分别设有一级、二级、三级时钟源。一级时钟源设在铁路总公司，二级时钟源位于铁路系统各分局中心，三级时钟源则位于各分局管辖下属的各传输核心机房中。这3个级别的时钟源之间通过传输系统相互联系，组成了等级自上而下、主从同步的结构，通过传输链路将时钟源分别传递至铁路通信网中的各个节点。也就是说，铁路通信系统中的各级通信设备可通过传输线路获取线路侧时钟，从而实现系统的频率同步[9]。

传输设备获取时钟源的方式有外部时钟、线路时钟、支路时钟以及设备内时钟。铁路传输网中的外部时钟由铁路传输网中3个等级的时钟源提供。其中，第二、三级时钟源分别为铁路总公司下属各分局内所管辖的传输设备提供时钟源，又可称为转接局时钟（SSU-T）和本地局时钟（SSU-L）。线路时钟则是从传输线路中获取的时钟，由于各节点传输设备网络结构不同，有些节点可能有多个线路时钟获取途径，因此在传输系统网管中可根据线路时钟的质量等级来设置优先级别[10]。一般情况下，从外部时钟源获取的时钟优于线路时钟，而通过直达链路从设备节点的上一级节点设备中获取的线路时钟要优于从其他设备节点获取的线路时钟。支路时钟就是从设备支路中获取的时钟信号，但由于支路时钟信号质量等级不高，因此一般不采用。设备内时钟则是设备内部时钟晶体产生的时钟，每个传输设备节点都有设备内时钟，其优先级别一般低于线路时钟。

对于铁路通信传输系统中的时间同步，铁路通信网中要求获取高精度的协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC）信息，通过传输网中的同步链路将时间信息由上一级设备传到下一级设备，以此类推一级级传递下去，从而构成全网的时钟同步。主从同步下时钟链路逐级传送如图1所示。

图1 主从同步下时钟逐级传送示意

5 新一代铁路通信传输网络展望

随着高铁线路数、站点数的增加和列车运行速率的飞速提升，高铁沿线上5G移动通信网络的接入和高铁列车控制信号对传输质量要求逐渐提高，铁路通信传输网也面临着升级扩容的考验。目前，铁路移动通信网已经由原来的铁路窄带移动通信系统GSM-R逐渐向铁路宽带移动通信系统LTE-R演变。此外，基于5G的铁路移动通信系统即5G-R也在研发试运行应用中。5G-R是在铁路系统GSM-R、LTE-R技术体系上自行研发的基于5G的铁路通信专网系统，是我国铁路5G网络新的发展方向。

由于铁路系统对设备运行的稳定性和安全可靠性等要求较高，因此铁路通信专用网络中将出现老旧线路站点设备、新普速铁路设备、新高铁线路设备以及以5G移动通信网络为应用场景的相关设备并存的局面。对于铁路通信传输网来说，要求能同时承载和处理来自不同型号设备、不同业务等级、老旧和新型、无线和有线的综合业务信息。对于传统铁路线来说，传输设备以够用、安全稳定为主，将保留继续使用；对于新型铁路干线来说，将考虑到站点的定位问题和列车信号控制等问题。对于铁路系统的新一代基建项目，将考虑到铁路智能化、信息化、高效率等需求。特别对基于5G-R的下一代铁路移动通信系统和智能化调度指挥系统，要求传输网络能提供更大的传送通道和更高的传输质量。与此同时，将GSM-R系统、LTE-R系统、5G-R铁路系统、铁路数据通信网、调度集中CTC系统、铁路智能网、铁路数字调度通信系统、铁路固定电话交换网、铁路时钟同步网、票务系统、会议电视系统、办公自动化系统、动环监控系统以及监控中心等进行有效互联互通，兼容处理各种不同系统的业务数据。

6 结 论

铁路通信专网中的传输系统承载着铁路不同种类的业务和数据，能够对不同格式的信号进行封装、复用、分插并交叉连接到不同路径，为业务提供保护功能，能实现实时监控信号的传送与分发。铁路通信专网中的传输系统经历了从明线传输、电缆传输到光传输的过程，目前以采用MSTP技术和波分复用技术为主。对于铁路系统的新基建项目，铁路专用通信网络将迎来新的变革与优化改进。新一代信息技术特别是以5G、大数据技术等为主的新技术将逐步应用于提高铁路专网系统的智能化水平，使得传统的专网系统产业得到全面完善的优化升级。通过在铁路专网传输系统中引入更新的OTN技术，可以有效满足各智能系统的全方位传送服务需求。