鐵路傳輸骨干網OTN系統工程檢驗研究

王 晟

(通號工程局集團北京研究設計實驗中心有限公司，北京 100070)

1 概述

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱中國鐵路）已對鐵路骨干傳輸網全部采用了光傳送網（Optical Transport Network，OTN）技術組網。覆蓋了中國鐵路和所管轄的各地方鐵路局集團。鐵路傳輸網主要采用骨干層、匯聚層和接入層3層網絡結構組網。采用10 Gbit/s和100 Gbit/s速率的傳送波道。新建成鐵路骨干傳輸OTN網絡工程包含京滬穗環和東南環、西北環、西南環以及東北環。且現在已有14個鐵路局內部也在進行匯聚層OTN傳輸網（局干網）的擴能改造。在今后高速鐵路正線的通信系統中，把OTN系統作為傳輸承載網的組網方案已成為發展趨勢。鐵路對OTN系統網絡的穩定性與安全性有著極高的要求。在建設新的OTN骨干傳送網的同時，中國鐵路目前尚未在企業通信專業內出臺OTN系統相關工程的驗收標準，需要在現行通信行業標準基礎上，對鐵路通信OTN系統的功能和性能方面的檢測驗收內容進行研究。

2 鐵路骨干網東北環（5號環）OTN系統工程檢驗研究

2.1 組網分析

1）5號環網絡結構

5號環工程采用 40×100 Gbit/s 的 OTN 網絡，5號環的OTN 網絡由 17 個光分插復用設備（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）站點和 42 個光線路放大器 （Optical Line Amplifier，OLA ）站點構成，全網共有18個光復用段。5號環網絡結構示意如圖1所示。

圖1 鐵路骨干網5號環網絡結構Fig.1 No.5 ring network structure of railway backbone network

編號站點為OADM站點，其中每個OADM站點之間還包含了若干個OLA 站點（這里不再在圖中顯示）。

2）5號環系統保護方案

5號環OTN系統主要采用基于光通道數據單 元（Optical Channel Data Unit-k，ODUk）的子網連接保護（Sub-Network Connection Protection，SNCP）方案來確保對數據業務的保護。再利用兩條相同區間且不同路徑的光纜線路配置光線路保護（Optical Fiber Line Auto Switch Protection，OLP）方案，所有節點均配置OLP單板。

2.2 OTN系統檢驗方法及數據研究

由于鐵路骨干網的組網條件各不相同，針對不同的網絡均應制定具體的檢測驗收方案。通過對5號環的組網討論分析，對于鐵路骨干網的系統測試，主要需要驗證5個方面的系統功能及性能。

1）傳輸物理特性檢驗

傳輸物理特性檢驗是對系統性能的基礎屬性檢驗，涉及到每個光復用段區間，是確保系統穩定傳送數據業務的重中之重。對于傳輸距離長且中間節點光放站數目較多的光復用段需要重點檢驗。也可考慮主備光纜的組成及運用方式選擇性測試，比如主備光纜配置中存在已經長時間運用的既有光纜，需考慮光纖劣化因素的光復用段，傳輸物理特性檢驗的主要內容為：MPI-SM單通路發送功率及功率差、MPI-SM總發送功率、MPI-RM單通路接收功率及功率差、MPI-RM總接收功率、MPI-RM單通路OSNR、Rn點單通路OSNR、MPI-SM和MPIRM之間系統殘余色散、MPI-SM和MPI-RM之間系統偏振模色散。

2）網絡保護功能檢驗

根據組網情況驗證系統配置的保護功能，OTN網絡保護倒換的驗證必須根據實際物理組網情況進行全覆蓋方式檢驗。確保各光復用段的業務保護功能均能夠正常實現。保護倒換驗證包含環內ODUk SNCP保護檢驗、跨廠家/跨環的SNCP保護檢驗、OLP光線路保護檢驗、SNCP保護與OLP保護協調檢驗、SDHMS-SPRing保護與OLP保護協調檢驗。

3）系統誤碼性能檢驗

系統誤碼性能是驗證整個網絡能夠長期穩定無差錯運行的重點測試項目，測試業務應覆蓋到所有的站點設備以及相關主備用通道鏈路。測試時間不小于24 h。測試項目包含SDH業務長期誤碼測試、光通道傳送單元（Optical Channel Transport Unitk-k，OTUk）業務長期誤碼測試、以太網業務吞吐量、以太網業務時延、以太網業務過載丟包率等。

4）同步性能檢驗

OTN系統能夠支持1588V2協議的PTP時鐘。實現時鐘信號與時間信號的同步，而在5號環工程內超長傳輸距離的時間同步精度以及24 h同步以太網時鐘漂移是主要需要驗證的指標。

5）網管雙機熱備份檢驗

5號環工程在中國鐵路與沈陽鐵路局所在地各配置一套OTN網管系統形成冗余熱備份，備用網管的作用是當主用網管系統不能正常運行時，能夠承擔與主用網管一致的維護管理工作，因此，對于網管的冗余熱備配置檢驗是有一定必要性的。

針對鐵路OTN工程的新特點及實際情況，將針對性的對傳輸物理特性以及網絡保護性能的檢驗方法與數據進行詳細的研究分析。

OTN網絡保護倒換檢驗案例分析如下。

2.2.1 ODUk SNCP 保護

測試配置如圖2所示 。

圖2 ODUk SNCP 保護測試配置Fig.2 ODUk SNCP protection test configuration

根據5號環工程的組網情況，某站點的OADM設備為雙電子架模式，因此保護檢驗有3種情況進行檢驗。

1）不跨電子架配置ODUk SNCP保護。

2）跨電子架配置ODUk SNCP保護，保護組配置為雙向倒換。

3）跨電子架配置ODUk SNCP保護，保護組配置為單向倒換。

在光復用段終端站各配置一套業務保護組進行檢驗。測試業務為STM-16。經過檢驗，結果分析如表1、2、3所示。

通過以上結果分析表能看出，在經過含有雙電子架的站點，ODU kSNCP保護3種不同的配置環境下，在不跨電子架配置和跨電子架時，保護組配置為單向倒換場景，通過各種倒換方式，倒換時的業務受損時間均小于50 ms。在跨電子架保護組配置為雙向倒換場景時，通過網管執行關閉LS4B 發送激光器與OA發送激光器，會存在倒換時業務受損時間大于50 ms的情況。最長的倒換時間為7 038 ms，因此給出在正式使用時的保護配置建議，在含有雙電子架的OADM站，避免配置跨電子架ODUk SNCP保護方式，如有需求需要配置，在跨雙電子架配置 ODUk SNCP保護時，需配置保護為單向保護方式。

表1 不跨電子架配置ODUk SNCP保護倒換時間分析表Tab.1 Analysis table for ODUk SNCP protection switching time without crossing the electronic frame

表2 跨雙電子架配置ODUk SNCP雙向保護倒換時間分析表Tab.2 Analysis table for ODUk SNC double protection switching time with crossing double electronic frame

表3 跨雙電子架配置ODUk SNCP單向倒換保護倒換時間分析表Tab.3 Analysis table for ODUk SNCP single protection switching time with crossing double electronic frame

2.2.2 OLP光線路保護檢驗

測試配置如圖3所示，運 用STM-16或STM-64為測試業務，通過對某一個復用段進行OLP保護檢測，每次倒換與恢復分別測試兩次，運用網管強制倒換、網管人工倒換、人為斷纖的方式觸發OLP保護。同時實際工程的OLP保護倒換檢驗時需要注意以下兩點：第一，光復用段中間站點每個光放站的站點在雙方向都配置了OLP板，因此倒換檢驗范圍必需包含每個終端復用設備與光放站點。第二，OLP保護是通過運用光纜的4條光纖實現。從單站點來看，有主發送光纖、備發送光纖、主接收光纖、備接收光纖。4條光纖芯分屬于兩條或以上不同路由的光纜鏈路纖芯中。如主用光纖1為出業務方向，主用光纖3為業務回路。當主用光纖1故障時，OLP保護會把出業務方向倒換至備用光纖2，而業務回路仍停留在主用光纖3上并不會倒換。因此倒換試驗需要涉及到每條光纖。以驗證每條光纖性能是否會對OLP保護有影響。

2.2.3 OLP保護與SDH MS-SPRing保護協調檢驗

本檢驗項的目的是驗證OTN系統的OLP保護與SDH MS-SPRing保護協調功能，通過檢驗結果為配置5號環工程最優的OTN系統與SDH系統的保護協調方式提供參考。

檢驗測試配置原理如圖4所示，通過對網絡實際情況分析研究，制定如下測試方案。

以STM-1為測試業務，選擇一條已承載SDH網絡的工作保護區段進行檢驗。抽取的某檢驗區段為：站點a→站點b→站點d→站點f為工作路徑，站點a→站點c→站點e→站點f為保護路徑。

因本工程所承載的SDH網絡設備無法設定SDH MS-SPRing 保護拖延時間。測試的倒換試驗條件分兩種方式，第一種方式為SDH MS-SPRing保護與 OLP 保護組同時工作，不設置協調。第二種保護協調方式設置為SDH MS-SPRing 保護組禁止，OLP 保護組工作。通過兩次重復檢驗，檢驗結果統計分析如表4所示。

圖3 OLP保護測試配置Fig.3 OLP protection test configuration

圖4 OLP保護與SDH MS-SPRing保護協調Fig.4 Test configurations of ODUk SNC protection and OLP protection coordination

通過對測試結果分析，SDH MS-SPRing 保護和OLP 保護不設置協調，均在正常工作情況下，OLP 保護組倒換時，SDH MS-SPRing 保護也會換觸發倒換動作；但保護倒換時間存在大于50 ms的情況。其主要問題原因在于與OTN設備倒換完成時，倒換時間在10 ms左右。與其連接的SDH節點設備還沒有被觸發進行橋接倒換動作，等再觸發的同時整個SDH網絡系統未識別到OTN的鏈路已恢復，繼續倒換，再過24.45 ms，SDH系統倒換完成。而在此期間OTN鏈路又從正常變為故障，OTN發現故障再次開始保護倒換，SDH也開始保護倒換，出現鏈路正常到鏈路故障的循環。

SDH MS-SPRing保護禁止工作情況下（SDH MS-SPRing 保護無法設定拖延時間），OLP 保護組倒換時，業務受損時間在20 ms左右，滿足50 ms以內要求。因此，5號環內OTN系統所承載的SDH系統，如果其SDH MS-SPRing 保護無法設定拖延時間。建議只開啟OTN系統的保護。

2.3 特殊故障分析研究

2.3.1 保護倒換超時原因分析

在本工程OLP保護倒換的檢驗過程中，存在保護倒換時業務受損時間大于50 ms的情況，除了工程質量原因外，還有主要兩個技術因素。

1）光復用段主備光路徑光功率差異過大造成的保護倒換超時。當進行OLP保護倒換時，如果保護路徑的跨段損耗值比工作路徑大，且與工作路徑總光功率差異達到4 dB以上。會出現倒換時間超時問題。主備光通道的光功率差異是影響OLP保護倒換功能檢驗的重要因素。通過多次倒換驗證，對于某一特定業務，主備光通道的光功率差值控制在4 dB以內的光復用段可避免倒換超時問題。

2）光復用段終端站點支路側板卡問題造成的保護倒換超時。在運用STM-64測試業務做OLP保護倒換檢驗時，存在一定比例無規律的倒換超時現象。通過對各個測試關鍵點的排查，將故障點定位到支路測10 G混合速率業務板。通過兩個階段的調整與復驗：第一階段要求廠商更換同類業務單板的XFP模塊后進行復驗。第二階段要求廠商調整優化同類業務單板的時鐘鎖定參數后再進行第二次復驗。通過對同一站點進行多次倒換試驗。對三次檢測的數據進行采集比較，分析比對結果如圖5所示。

圖5 保護倒換超時分析圖Fig.5 Analysis diagram of protection switching timeout

通過結果可以分析出在初驗出現超時的概率為30%。復驗出現超時的概率為15%。經過調整優化同類業務單板的時鐘鎖定參數后再復驗出現超時的概率為0。通過兩次整改檢驗后可以看出，倒換超時的原因不僅僅要在光通道、線路側板件、交叉板、保護配置方式中查找，業務側單板的模塊匹配與時鐘鎖定功能等相關影響因素也需要考慮在內。

2.3.2 網管在線性能分析中的監測數據誤差分析

在網管在線性能分析驗證中，網管在部分站點MPI-SM點監控單波功率值與儀表實測值偏差過大，大于1.5 dB，偏差值達到5 dB以上。這種誤差會給今后OTN網絡系統的運營維護帶來重大風險，其整改前光功率偏差及整改后光功率偏差如圖6所示。

圖6 網管在線監測單波發送光功率分析Fig.6 Analysis diagram of single wave transmission power of network management online monitoring

經檢查分析，將故障點定位到OADM設備的光放板。設備中的光譜監控板為EOPM板，該板是從光放大板的MON口分光進行光譜分析，廠家不同類型的光放板分光比例不同，而設備所用的EOBAH2424這一類型光放板單板功率補償值在這里運用并不正確。網管默認的分光比率為固定的5‰，根據分光比的計算方法，其功率補償值為23 dB。通過對該單板的補償值的更改并與儀表檢測值多次進行比對，將補償值調整至19 dB時，網管針對EOBAH2424查詢出的單波功率值和儀表差值小于1.5 dB?？蓾M足光譜特性的實時監控要求。

3 結論

本文主要是在實際應用中（即鐵路骨干傳輸網東北環OTN系統工程檢驗）分析研究出適用于鐵路的OTN系統的檢驗方法。在實際工程檢驗中的測試項目、測試數據及測試方法進行分析研究，本文的主要結論如下。

1）對鐵路OTN系統的組網進行分析，在系統實際運用之前，系統檢驗的重點在于傳輸物理特性及網絡保護功能的檢驗。其中網絡保護功能檢驗中除單個保護形式的驗證外，通過實際物理設備與保護方式的配置的情況，進行了多個保護協調的檢驗，給出適用于本工程的最優保護協調方案。為鐵路系統OTN網絡的工程驗收提出了實際可行的檢驗方法支撐。

2）通過對鐵路骨干傳輸網東北環（5號環）OTN系統檢驗中發現的不常見故障及解決過程的進行分析研究。為今后鐵路OTN系統工程出現同類的特殊故障處理流程提供了解決案例。