GPON接入技術在鐵路班組信息化建設中的應用探討

王昱琦

（中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100036）

GPON接入技術在鐵路班組信息化建設中的應用探討

王昱琦

（中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100036）

介紹鐵路班組信息化網絡的現狀，對近、遠期班組信息化業務需求進行分析，闡述無源光網絡（PON）技術在鐵路班組信息化建設中的技術優勢。結合鐵路班組信息化工程實踐經驗，論述光纖到班組解決方案的設計思路，并對吉比特無源光網絡（GPON）技術在鐵路專網綜合視頻監控、應急通信接入等領域的應用進行展望。在保護既有投資的情況下，GPON技術可快速部署現代化、可視化和移動化的下一代鐵路通信光纖接入網，助力全路班組信息化建設。

無源光網絡；GPON；智能鐵路；鐵路班組；信息化

在《十二五鐵路通信網規劃》指導下，各鐵路局通信基礎網陸續建成投產，其核心層、匯聚層、接入層數據通信能力顯著提升。隨著新一代客票系統、貨運電子商務、運輸企業管理信息化系統的陸續應用，對鐵路專網通信的帶寬、服務質量、接入能力的要求也大幅提升，而對于鐵路基層站段最小職能單位的車間、班組依舊面臨著“有網難用”或“無網可用”的問題。因此，迫切需要打通鐵路專網信息高速公路“最后一公里”，徹底解決鐵路各車間、班組語音和數據業務接入面臨的帶寬瓶頸、設備老舊、運維復雜、可靠性較低等問題。借鑒電信運營商大規模PON技術建網思路，將GPON先進技術應用到鐵路班組信息化建設中，是可行的解決方案。

1 鐵路班組信息化現狀

截至2016年底，全國鐵路營業里程達12.4萬km，其中高速鐵路2.2萬km以上?！爸悄荑F路”概念的提出，使鐵路從傳統的承載客、貨運運輸的企業逐步轉變為讓廣大民眾享受出行、旅游、購物、休閑等功能于一體的綜合服務載體。智能鐵路的創新和發展進一步促使鐵路信息化程度的提高，要求鐵路通信專網業務類型不斷豐富，而作為鐵路運輸基層部門的車間、班組信息化建設對保障運輸安全、提高生產效率和企業管理水平越發重要[1]。

自2014年起開始建設的鐵路通信數據、傳輸骨干網已陸續建成投產，可提供10 Gbit/s或100 Gbit/s以上帶寬；各鐵路局進行建設的通信網基礎設施改造工程中數據、傳輸網可提供1 Gbit/s或10 Gbit/s以上帶寬。上述工程為鐵路信息化建設打下良好基礎，但鐵路“最后一公里”仍存在瓶頸，接入帶寬不足、銅線老化嚴重、電磁干擾等問題導致車間班組信息化程度普遍較為薄弱，無法滿足車間、班組基層單位信息化辦公網、視頻會議、監測系統等應用需求，制約鐵路運營管理效率的提升。

以中國鐵路鄭州局集團有限公司為例，車務、機務、工務、電務、車輛、供電、客運、建筑、生活、職教等專業總計43個站段、757個車間、4 516個班組（工區），聯網情況如下：實現光纖接入車間占總量的34.6%，實現光纖接入班組占總量的7.4%，尚有14.8%的車間和28.6%的班組未實現信息系統聯網。已實現聯網的車間、班組接入方式以光纖收發器、電纜+HDSL調制解調器并租用中移鐵通公司等電信運營商提供的通道實現信息系統聯網為主[2]?？梢娂扔需F路信息系統無法滿足鐵路運輸生產的需要，制約著鐵路運輸現代化的發展，急需進行全局性、系統性建設。

2 GPON在鐵路班組信息化建設中的應用

2.1 業務需求及分析

鐵路站段、車間、班組信息化網絡主要承載客貨運營銷、經營管理和部分運輸組織的信息應用系統，例如，旅客服務信息系統、辦公信息化、運輸生產及調度指揮信息系統、各類監測系統等，以及通信系統數據業務（如鐵路綜合視頻監控系統、會議電視系統等）。

根據鐵路各專業站段、車間、班組節點信息系統承載業務進行網絡帶寬統計分析，站段級節點信息化網絡近、遠期帶寬為300～1 000 Mb/s，車間級節點信息化網絡近、遠期帶寬為20～50 Mb/s，班組級節點信息化網絡近遠、期帶寬為8～12 Mb/s。隨著路網的建設與完善，以及智能鐵路信息化的快速推進，特別是視頻業務及IP化數據業務的不斷增長，對信息接入系統的帶寬要求也呈幾何式增長，同時對鐵路專網信息接入系統的可靠性和可擴展性要求越來越高。

2.2 技術優勢

針對鐵路車間、班組信息化接入網絡具有點多面廣、承載業務種類豐富、應用場景復雜、可靠性較高、維護管理便捷、工程造價經濟適用等特點，傳統接入技術已不再適用。采用星型或樹型結構組網基于無源光網絡的GPON技術，具有帶寬大、組網靈活、節省光纖資源、維護管理便捷、安全保護機制完善、兼容公用電話交換網（PSTN）/下一代網絡（NGN）/IP多媒體系統（IMS）等優點，天然適配鐵路班組信息化的需求。

GPON系統中光線路終端（OLT）作為業務匯聚節點可設置在車站，負責接入光網絡單元（ONU）的管理和業務轉發；光分配網絡（ODN）為中間鏈路層，全部為無源器件，主干光纖拉至車間，經過分光器后進入臨近班組，可以實現點到多點接入；ONU為接入單元，負責用戶終端接入，為用戶提供100M/1G/10G數據業務、傳統E1業務接口及自動電話等業務。

近年來，GPON被眾多運營商選擇作為下一代接入網主流承載方案，具有傳統接入方式無法比擬的優勢：

（1）端到端多層級保護，通信安全可靠。針對OLT設備本身，提供雙電源、雙主控板、雙上行口冗余備份保護，確保從OLT到核心層網絡不中斷。ODN光纖部分支持多種Type X保護方式，小于50 ms的保護切換使用戶無感知。ITU G 984標準規定Type X保護方式主要包括Type B、Type C及其對應的雙歸屬保護方案。

（2）光網絡采用無源器件，傳輸距離遠，故障率低。整個ODN不含有任何有源電子器件，全部由光纖、分光器（Splitter）等無源器件組成。最大傳輸距離40 km，可覆蓋大多數區間場景，光纖采用直埋、管道、架空敷設，故障率低，維護簡單。

（3）節省干線光纖資源，降低工程造價。GPON光纖可以一分多路，數據單纖雙波傳輸，多用戶接入，按照Type C保護方式建網，可節省一半的光纖資源，從而降低整個工程造價。

（4）接入業務豐富，帶寬充足，可平滑升級。將光纖直接接至用戶側，其帶寬、波長和傳輸技術種類都沒有限制，適于引入各種新業務，是理想的業務透明網絡，其支持的業務類型非常豐富，包括視頻監控、會議電視、辦公網、自動電話、傳統E1業務及xDSL業務等。豐富的業務類型需要高帶寬為基礎，GPON提供下行帶寬2.5 Gbit/s，上行1.25 Gbit/s，未來在不變動ODN的情況下，通過更換OLT板卡和ONU光模塊平滑升級至10 Gbit/s、40 Gbit/s或更高帶寬，有效保護投資。

（5）統一管理，運維簡單。OLT和ONU統一網管管理，業務遠程開通，即插即用，免進站，設備出現故障自動上報告警到網管。支持多種遠程仿真測試和鏈路質量檢測，快速判斷故障點并恢復網絡。

（6）節約能耗、節省機房面積。GPON無源網絡結構只有兩端設備需要供電，中間網絡全程無源，免機房免供電。ONU終端設備體積小、能耗低，節省運營維護成本。

（7）環境適應能力強，能夠避免電磁干擾。無源光網絡為純光纖介質網絡，不含任何有源器件，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合電氣化鐵路電磁干擾較強的場景應用。

（8）多重安全防護，網絡安全可控。GPON系統針對用戶接入側支持防IP欺騙、防MAC欺騙、防DOS攻擊，支持DHCP Option82特性、802.1X認證，確保免受用戶側攻擊。GPON線路上，支持AES-128位數據加密，防止用戶數據被竊聽。支持流氓ONT檢測和隔離，防止個別終端設備出現故障后對其他用戶造成影響。針對具體業務，支持基于VLAN、ACL、MAC地址、IP地址進行控制，安全性得到有效保障。

總之，GPON技術在多業務的支持性、高安全性、高可靠性、可擴展性、可管理性以及經濟適用性等方面具有明顯優勢，是鐵路專網班組信息化寬帶接入的適合技術。

3 設計思路

3.1 GPON OLT

GPON OLT在GPON系統業務中起到業務匯聚和管理等作用，通常設置在車站通信機械室或通信站，是整個GPON系統建網成本最高的設備。OLT至ONU最大光纜距離可達40 km，我國普速鐵路車站間距多為10～15 km，快速鐵路、客運專線車站間距多大于40 km。因此普速鐵路GPON OLT可采用間隔設置方式，快速鐵路、客運專線鐵路則建議采用逐站設置方式。間隔設置OLT方案示意見圖1。

間隔設置GPON OLT方案僅根據各站接入業務節點數量，選取在業務接入節點多的車站通信機械室設置GPON OLT，業務接入節點較少的車站在滿足GPON系統傳輸距離技術要求前提下不設GPON OLT，不設GPON OLT設備的車站其GPON ONU通過區段光纜接入臨站GPON OLT設備。間隔設施GPON OLT方案具有在滿足工程建設需求前提下，可有效控制建設投資，減少部分機房占用面積，降低設備能耗，減輕維護單位工作量等優勢。

GPON OLT設備遵循分等級裝備的原則，根據各站接入節點數量及容量選取不同接入能力的設備，在滿足本工程建設前提下，充分預留中遠期接入能力并合理降低工程投資。大型樞紐、區段站、編組場等節點，GPON OLT建議在本站通信機械室、通信站分別設置，便于該站區內站段、車間、班組設置的ONU就近接入OLT，以合理降低站場光纜敷設投資，同時對于站區內重要業務節點設置的ONU采用Type C雙歸屬保護方式接入同站異址OLT，進一步提升網絡容災能力。同時工程設計時建議對于接入節點密集的大型樞紐車站，GPON OLT與接入層路由器、接入層路由器與匯聚層路由器采用10GE帶寬互聯，以滿足該類節點班組信息化接入帶寬需求。

3.2 GPON ONU

站段、車間、班組節點根據終端用戶、自動電話的數量按需分等級設置GPON ONU設備，GPON ONU的安裝位置應便于維護管理單位日常管理，且宜結合各節點既有綜合布線情況設置，減少末端布線的工作量。由于GPON系統支持NGN/IMS，部分省份中移鐵通有限公司已為鐵路專網建設了NGN系統，可利用GPON系統與NGN系統互聯互通，直接利用GPON ONU為沿線車間、班組提供IP電話。近期仍維持PSTN自動電話的鐵路局，可在各程控交換機處增設信令/語音網關設備，實現GPON ONU為終端用戶提供鐵路自動電話業務。

鐵路沿線各通信機械室、通信站等為解決鐵路自動電話，均已建設傳統窄帶接入網。對于近期無更新公用電話交換網計劃的鐵路局，車站通信機械室可暫不設置GPON ONU，對于GPON ONU未覆蓋的或既有站場電纜性能滿足需求的鐵路自動電話用戶，仍維持傳統接入網提供鐵路自動電話模式不變?？呻S班組信息化工程在程控交換機處設置信令/語音網關設備，實現GPON系統與程控交換機互聯，利用設置在車間、班組的GPON ONU設備為電纜性能劣化或覆蓋不足的用戶提供自動電話業務。

對于近期已建或擬建NGN網絡的鐵路局，可隨班組信息化工程在鐵路沿線各車站通信機械室、通信站設置GPON ONU設備，直接利用GPON系統與NGN互聯，為終端用戶提供IP電話。傳統窄帶接入網系統仍可為調度電話延伸、二/四線音頻等低速數據類業務提供接入。部分采用華為公司UA5000系列產品接入網的線路，由于該產品為寬窄帶一體化設備，僅需在接入網局端設備增加IP接口板，即可實現與NGN系統互聯，為鐵路沿線用戶提供IP電話業務，此種線別的車站通信機械室、通信站可不再設置GPON ONU設備。

3.3 GPON系統保護方案

ITU G 984.1標準中定義了4種雙PON保護方式，其中Type B和Type C保護組網具有可行性，也最常用。Type C保護方式又可細分為Type C單歸屬和Type C雙歸屬防護。

Type B保護僅對OLT PON口及主干光纖提供冗余保護，Type C保護相對于Type B保護具有更高的可靠性，對于OLT/ONU PON口、主干光纖、光分路器和配線光纖都提供了冗余保護，當某一部件發生故障，可以自動切換到另外一路光纖。當原故障鏈路的故障恢復后，可以實現業務自動回切到原故障鏈路上。

一般情況下，網絡保護方式的完善性與建網成本成正比，由于Type B和Type C保護方式均要求主干或分支光纖采用不同路由進行建設，若全部車間、班組均采用該方式進行建設，將大幅提升建設成本。鐵路班組信息化建設涉及節點眾多，應根據各節點承載業務類型的性質，綜合確定合理、經濟、適用的建網方式。對于一般僅接入辦公網、會議電視等與鐵路行車指揮無關業務的節點，可不采取Type B和Type C保護進行建設。對于承載行車指揮、重要監測信息或終端用戶較為集中的節點可采用Type B和Type C保護方式進行建設。Type C保護方式較Type B保護方式更為完善，2種方式建網成本差異最大之處在于分支光纜的建設存在較大差異。Type B保護方式分支光纖無保護，該保護方式下分支只需敷設單條光纜，Type C保護方式分支光纖有保護，該保護方式下分支光纜宜采用不同物理路由光纜接入。而對于鐵路班組信息化應用場景，分支光纜覆蓋的節點多為班組級節點，承載重要業務或終端用戶較為集中的節點多由主干光纜覆蓋，因此對于鐵路專網班組信息化應用場景Type B和Type C兩種保護方式建網成本差異不大，宜優選Type C保護方式作為承載重要業務或終端用戶較為集中節點的建網方案。具體建議如下：

（1）未設置GPON OLT設備的普速鐵路車站，若通信機械室新建GPON ONU可采用Type C雙歸屬保護方式，即該站通信機械室ONU通過上下行區間各1芯光纖分別接入臨近上下行車站各1套OLT設備，主要解決該站鐵路自動電話接入，替代傳統的窄帶接入網。

（2）已設置單套OLT車站，該站重要業務節點設置的ONU可采用Type C單歸屬保護方式，即該節點ONU通過不同路由光纖接入本站同一套OLT不同PON接口板。

（3）已同站異址設置多套OLT的大型樞紐、區段站、編組場，該站重要業務節點設置的ONU可采用Type C雙歸屬保護方式，即該節點ONU通過不同路由光纖接入同站異址OLT設備。

3.4 GPON ODN

ODN是GPON光接入網中設置在GOPN光線路終端和光網絡單元之間線路和設備的總稱，用來分配光信號功率，是實現OLT與ONU之間光信號傳輸的物理通道。ODN通常由分光器、光纜、光纜接續及終端的配線設備組成。

GPON系統支持的分光比為1∶2/4/8/16/32/64/128，分光器分光路數越大，OLT每PON口可接入ONU數量越多，但帶來插入損耗增大，ODN光纖鏈路長度縮短，每ONU終端用戶可用帶寬降低等問題。ODN網絡分光方式可以采用一級分光或二級分光或多級分光，鐵路班組信息化建設場景具有業務接入點相對分散、安全可靠性較高等特點，設計時宜按一級分光方式建設ODN網絡，設置在各業務匯聚點的分光器宜優選1∶8或1∶16的分光器；區間接入節點宜采用不等比（5∶95）多級分光方式建設ODN網絡，一方面可節省干線光纖資源、降低區間分光器插入損耗，另一方面也便于后期增加分光器。

根據相關鐵路局及運營商建設經驗，ODN中光纜線路的建設投資占GPON光網絡總投資的50%～70%，因此合理的規劃和設計ODN中的光纜線路對于控制工程造價非常關鍵。

鐵路專網班組信息化GPON光網絡在車站、站區范圍通常采用樹型或星型網絡結構，部分業務量較大且周邊有較多車間、班組接入的節點作為匯聚節點，該節點至通信機械室、通信站OLT設備敷設的光纜作為主干光纜，并在該節點設置分光器，臨近匯聚節點的車間、班組節點可就近敷設短段分支光纜接入匯聚節點，避免所有接入光纜集中敷設至通信機械室、通信站，可以大量節省敷設光纜的數量，有效降低工程投資。

ODN敷設光纜纖芯容量設計原則推薦如下：周邊節點較少的末端接入節點ONU設備主用1芯光纖、備用1芯光纖，同時考慮中遠期業務發展方向，預留該節點臨近1～2個接入節點接入能力及預留部分光纖資源，該類型節點的光纜宜按照8～12芯設置；周邊節點較多的匯聚接入節點ONU設備主用1芯光纖、備用1芯光纖，同時考慮中遠期業務發展方向，預留該類節點臨近4～6個接入節點接入能力及預留部分光纖資源，該類型節點的光纜宜按照16～24芯設置；接入終端較為集中的重要業務節點ONU設備主用2芯光纖、備用2芯光纖（考慮與既有光纜置換形成不同物理路由Type C保護），預留該類節點臨近6～10個接入節點接入能力及預留部分光纖資源，該類型節點光纜宜不小于24芯。

4 GPON系統在鐵路專網其他應用展望

GPON系統建成后不僅可用于承載班組信息化業務，設置在車站、站區以及區間的綜合視頻監控、旅服視頻監控等前端采集點也可利用GPON系統承載視頻類業務的接入[3]。車站、站區范圍內視頻采集點以星型或樹型組網實現前端視頻采集點信息的傳送，設置在區間的視頻采集點可采用不等比分光多級接入或手拉手方式設置GPON ONU，實現區間視頻采集點信息的接入。采用該方式區間設置GPON ONU設備多余的以太網接口可兼作區間應急通信數據類業務接入，ONU的自動電話接口可實現區間應急救援指揮語音電話功能。

近期隨著公安反恐和鐵路運輸安全形勢的需要，京滬高鐵、武廣高鐵、廣深港客專、京廣線廣坪段、廣深線等鐵路陸續啟動區間線路重點地段綜合視頻補強改造。相關工程區間視頻采集點多采用間隔二三百米交織覆蓋設置，區間采集點利用工業級以太網交換機承載視頻監控信息。采用該方案補強建設的視頻監控工程，可在前端采集點工業級以太網交換機處預留1個GE光接口和電源分路，當區間出現搶險救援時，臨近事故現場電務人員可僅攜帶1臺上聯GE光接口GPON ONU設備，利用區間視頻采集點預留的GE光接口和電源實現便攜式ONU接入GPON光網絡，實現事故救援現場應急通信數據和語音業務的快速接入。采用該方式進行綜合視頻補強的鐵路，每間隔數百米即可提供應急通信接入能力，大大縮短了電務人員傳統背負2～3 km野戰光纜接入臨近車站或基站的應急通信接入響應時間，為快速恢復事故區段鐵路運輸秩序創造了條件。

對于未采用上述方式建設區間視頻采集點的鐵路，可在鐵路沿線間隔1 km左右，或在橋梁、隧道等重點區域，利用既有干線光纜設置分光器分歧2～4芯光纖引入區間光通話柱。出現事故時，電務人員只需攜帶數百米野戰光纜及GPON ONU、便攜式鋰電池即可實現區間應急通信的快速接入[4]。

5 結束語

伴隨全球“光進銅退”的趨勢，GPON技術具備高帶寬、業務支持能力強、安全性好、完善的操作管理維護（OAM）功能等特性，僅在我國已經有超過1.5億用戶使用。特別是4K視頻、云業務的興起，對高帶寬需求的持續增加，以及國家大力發展光纖到戶（FTTH）宏觀政策驅動下，都將加快促進光纖接入的發展進程，進而帶動整個光纖通信產業。將GPON技術應用在鐵路車間、班組信息化建設中，符合鐵路行業特點，也符合未來技術發展趨勢，部分已建成的GPON系統應用效果良好。因此，采用GPON系統建設的光纖到班組解決方案必將全面推進鐵路信息網向著現代化、可視化和移動化方向發展，適應鐵路信息化的快速發展，滿足鐵路運輸企業管理信息化的需求，符合“智能鐵路”的發展戰略，可進一步提升鐵路行業競爭力。

[1]沈海燕，賀曉玲，朱建生. 鐵路信息系統運維管理 信息化需求分析[J]. 中國鐵路，2014(10)：25-28.

[2]王志偉. 鐵路信息化建設站段、車間、班組信息聯 網技術淺析[J]. 通信世界，2015(15)：63-64.

[3]孔令鑫. 高速鐵路高清視頻監控系統解決方案[J]. 中國鐵路，2014(1)：79-83.

[4]李潤武，馮占武，鮑金華. 鐵路區間光通信系統在集 通鐵路的應用[J]. 中國鐵路，2014(3)：86-89.

Discussion on Application of GPON Access Technology in IT Application Construction of Railway Grass-roots Working Team

WANG Yuqi
（CRCS，Beijing 100036，China）

The paper introduces current status of IT network in railway grass-roots working team, analyzes the requirements for IT application construction in short term and long term, and explains the advantages of PON. In combination with practices, the paper discusses the design ideas of solutions for cables reaching working team,and looks forward at the application of GPON technologies in such fi elds as comprehensive video surveillance system and emergency communication access of railway-dedicated network. GPON technologies, protecting existing investment, could help to deploy the next generation of a modern, visible and mobile access network for railway communication cable, and thus supporting IT application construction of working teams.

PON；GPON；intelligent railway；railway grass-roots working team；IT application

U285

A

1001-683X（2017）12-0093-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.093

王昱琦（1977—），男，高級工程師。E-mail：13683062551@163.com

責任編輯 盧敏

2017-11-20