关于城市轨道交通通信骨干传输网的研究

赵 丹，王丽平，武石恒，袁 野

（中交机电工程局有限公司，北京 101300）

1 骨干传输网的简介

城市轨道交通传输网具备根本的信息传递功能，然而随着多线路、大运量的交通线网的逐步形成，线网之间的信息互通必须通过骨干传输网进行传输。

2 骨干传输网的功能

2.1 信息传输

骨干传输网首先应能为城市轨道交通线网所有已投入运营线路及同期建设的线网其他项目传输下列各类系统的语音、数据及图像信息。

（1）生产运营系统，包括线网无线调度系统、线网有线调度电话系统、线网公务电话系统、线网视频监控系统、线网广播系统、线网乘客信息系统、线网视频会议系统、线网清分系统、线网门禁系统、线网信号系统以及云平台系统等；（2）企业内部管理系统，包括企业信息管理系统、工程建设管理系统以及其他自建系统，如工控网络安全预警与监控系统、车辆基地综合自动化系统、智慧乘客服务系统等；（3）安全防范系统，包括线网集成安防平台等；（4）资源开发业务系统。

骨干传输系统能为上述各业务提供可靠、冗余、可重构、灵活的信息传输及交换信道。传输网络的传输服务质量及接口功能应符合国家标准及工业和信息化部标准。除上述要求外，骨干传输系统还应为后续线路的相应业务接入预留相应的业务槽位和光层波道。

2.2 系统保护与自愈

骨干传输系统的光纤环路应至少支持线性保护和环网保护。其中，线性保护包括基于光通路数据单元（Optical channel Data Unit，ODUk）的子网连接保护（Subnetwork Connection Protection，SNCP）和基于OCh的“1+1”保护，环网保护包括ODUk环网保护和光波长共享保护[5]。成都地铁配置的骨干传输系统支持ODUk SNCP保护和ODUk环网保护（ODUk SPRing），倒换时间≤50 ms。

“1+1”ODUk SNCP保护的是OTN网络中ODUk级别的业务，ODUk SNCP保护利用双发选收功能实现。当接入业务，倒换状态为“空闲”时，支线路板信号流的穿通情况如图1所示。T板同时发送信号到N1单板和N2单板，建立到N1单板的电交叉连接，断开到N2单板的电交叉连接，只有N1单板的信号通过T板传送到客户侧设备。

图1 ODUk SNCP保护原理（空闲状态）

触发倒换时，以站点B的N1单板输入端口的光纤故障为例，倒换过程如图2所示。当N1（B）检测到光纤故障时，将通道状态上报给B站点的主控板。B站点的交叉板切换电交叉连接，建立N2单板到T板的电交叉，删除N1单板到T板的电交叉。只有N2单板的信号通过T板传送到客户侧设备。

图2 ODUk SNCP保护原理（倒换状态）

ODUk环网保护用于配置分布式业务的环型组网，通过占用2个不同的ODUk通道实现对所有站点间多条分布式业务的保护。与普通的SNCP保护相比，多条业务可使用1个保护通道，有效节省了资源。另外，ODUk环网保护是用于环型网中的保护方式，需要网络保护倒换协议支持。采用双端倒换方式，即工作通道用于接收的通道失效时，将导致收发同时倒换到保护通道。

2.3 扩容与组网

传输网拓扑结构采用环状网，能够提供极高的网络可靠性，且通过增加网络连接方向可以得到最多的可用带宽，良好地支持分布式应用环境。骨干传输系统具有可扩展性，为今后的业务接入和增长预留条件，设备具有模块化结构，便于通过改变单元数量、种类及调整软件对设备进行扩容、升级和重新配置。（1）扩展方式一，在传输设备有充足的槽位可供扩容使用时，可以采用增加所需要单板的方式来实现。（2）扩展方式二，在传输设备没有充足的槽位可供扩容使用时，可以采用增加扩展子架和扩展密集型光波复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）波道数量的方式来实现。总之，骨干传输网的传输设备在对线路进行扩容时，只需增加单板或扩展子架即可实现线路的扩容。

2.4 网络管理及同步

以成都市轨道交通骨干网为例，在新苗区域控制中心、中环区域控制中心、合江数据中心设置骨干传输系统网络管理设备，负责对骨干传输系统进行集中管理，符合《光传送网（OTN）工程技术标准》（GB/T 51398—2019）网络管理的相关规定。其中，位于中环区域控制中心、新苗控制中心的传输网管设备由服务器、交换机、网管终端、打印机组成，正常情况下，以中环设备为主用，新苗设备为备用，而在合江数据中心仅设置交换机、网管终端以及打印机。

骨干传输系统的网络管理设备应支持分层管理模式，具备网元层、网元管理层以及网络管理层3层功能。其中，网元管理层应包括故障管理、性能管理、配置管理、安全管理；子网管理层应包括拓扑管理、端到端电路管理、端到端告警管理、端到端性能管理、保护倒换管理、安全管理[6]。此外，骨干传输系统还应支持数据通信网络（Data Communication Network，DCN）管理。OTN系统与网元管理系统之间通过DCN通信，DCN用于提供网管与网元间、网元与网元间传递操作维护管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）信息的通道，实现网管对网元的集中管理。DCN网络由网管、网元（包括网关网元和非网关网元）及它们之间的连接网络构成。在DCN网络中，网管和网元都是DCN的节点。网管和网关网元之间的DCN被称为外部DCN，网元和网元之间的DCN被称为内部DCN。

内部DCN主要是指网元与网元之间的通信，通过HWECC、传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）进行通信，并且采用光监控通道（Optical Supervisory Channel，OSC）、电气监控通道（Electronical Supervisory Channel，ESC）、以太网通道、带内通道来承载这些通信协议。

轨道交通骨干传输网OTN系统网管时间同步采用网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）方式，从区域控制中心时钟系统一级母钟提取时间同步信号。OTN设备支持通过IEEE 1588 V2传输时间同步信号[7]。骨干传输网网络管理设备中的网元管理单元含有时钟视图，时钟视图提供一个可视化的平台，完成对网元时钟设置、全网时钟时间状态查询、时钟跟踪搜索、与物理视图同步、显示主时钟ID、查询时钟属性、显示时钟锁定状态等功能，支持Synchronous ETH时钟、1588v2时钟、同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）时钟和无源光纤网络（Passive Optical Network，PON）时钟，支持多种类型设备显示，包括多业务传送平台（Multiple Service Transport Platform，MSTP）、下一代波分复用（Next Generation Wavelength Division Multiplexing，NG WDM）系统、实时网络（Real Time Networks，RTN）、分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、路由器等设备。

3 骨干传输网的系统构成

以成都轨道交通骨干传输网为例，系统采用基于ITU-T G.872的OTN设备构成，并采用自愈环结构，在11个节点设置设备，节点按功能定位划分为一级节点和二级节点，共6个一级节点和5个二级节点。一级节点设备之间通过主干光缆相连，二级节点设备之间、二级节点设备与一级节点设备之间综合使用既有线光缆和新设的主干光缆相连，组成骨干传输网。

骨干传输网系统的传输速率按每波100 Gb/s进行配置，传输系统一级节点设备按照光层80波，初期电层按照业务矩阵表进行实际配置，单波配置100 Gb/s。传输系统二级节点设备按照光层8波，初期电层按照业务矩阵表进行实际配置，单波配置100 Gb/s。一级节点设备具备支持平滑升级到单波200G及以上能力。

管理运维方面，骨干传输网系统设置2套网管系统，采用双机热备高可靠方式互联，管理骨干传输网所有OTN设备，负责各个网元的性能、故障、配置及安全方面的管理，并开放北向接口以便接入统一运维管理平台。网管系统采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构，可基于客户端方式对网络进行管理，实现远程维护功能，网络管理通道不占用传输业务带宽，且支持移动客户端管理方式。

4 骨干传输网节点技术

成都轨道交通骨干传输网采用的是OTN，它是在光层组织网络的传送网，兼具了SDH和WDM的优势，解决了MSTP刚性管道运作效率低等问题。OTN在WDM基础上引入了SDH强大的操作、维护、管理能力，同时弥补SDH在面向传输层时功能缺乏和维护管理开销不足的问题，大大提升了WDM设备的可维护性和组网的灵活性。同时，OTN的应用还增加了网络配置的灵活性，并能够提供网络保护，提高安全性。除了降低网络建设成本，OTN的引入还可以改善WDM设备的可管理性，提升快速故障定位、业务保护、快速开展业务、网络碎片整理、减少备件种类、投资保护以及全业务支持等能力。

有效性和可靠性是信道传输性能的2个主要指标，骨干传输网承载业务的数量多、重要性高，因此构建1个有效、可靠的骨干传输网变成了重中之重。OTN传输网单处故障处理示意如图3所示，OTN传输网多处故障处理示意如图4所示。正常工作时，主环传送信息，副环保持同步，若主环发生故障，副环立即投入工作，保证通信能持续进行，若主环、副环在同一时间点都遭受到破坏，则两端的节点将形成1条链状的网络，保证持续通信。

图3 OTN传输网单处故障处理示意

图4 OTN传输网多处故障处理示意

5 结 论

在城市轨道交通工程中，轨道交通的运营和管理都离不开骨干传输网，因此选择安全、可靠、有效、经济的通信骨干传输网显得尤为重要，既能确保组网灵活，易于扩充，又能保证信息快速准确和连续不间断的传输。目前，全国已投入使用的OTN传输网络较多，可用性和可靠性得到了充分检验，但传输技术飞速发展，骨干传输网仍需紧跟前沿技术，为城市轨道交通运营提供更好的保障。