光纤接入网与铁路通信网组网

1 绪论铁路是国家经济的大动脉，铁路运输是关系着国家经济发展的重要因素，铁路通信 网历来有铁路运输的耳目之称。通信技术在今天已向着数字化、宽带化、智能化、高速化与个人化的方向发展。未 来的通信要彻底克服时间与空间的限制，能够使用户在任何时间、任何地点与任何人进 行包括语音、数据和视频等信息的交流。铁路通信网应满足铁路通信的需要，提供包括 话音、数据、图像等各种信息的通信业务。铁路通信的发展方向应为数字化、宽带化、 智能化、综合化。现代铁路通信系统主要体现了如下特点：一是服务对象多元化：铁路通信网将体现通信信号一体化，作为统一的通信平台为 信号、综合调度系统、旅客服务信息系统、信息化系统等不同层次、不同要求的通信网 络服务。二是服务手段多样化：现代铁路通信网为铁路提供全覆盖的有线双路由光纤网络； 为旅客服务提供高质量、人性化的全方位通信、信息服务；业务包扩话音、数据、图像 的多媒体化。三是高安全可靠性：由于铁路专用通信是为信号、综合调度中心、信息化等提供专 业服务，已成为与铁路行车安全密切相关的不可或缺的基础设施，其安全可靠性要求与 信号系统同样的等级。四是专用性：专网专用，专为铁路运输服务，同时纳入铁路通信网，成为其有机组 成部分。铁路通信网作为整个铁路信息化体系的重要载体，它由传输网、接入网、数据通信 网和无线通信系统组成，是一个集成了有线和无线、窄带和宽带、话音和数据等各种通 信技术的复杂网络。长途传输网的传输通道应以光纤数字通信为主，综合利用数字微波和卫星通信等传 输手段共同构成。接入网应采用同步数字传输(SDH)或基于SDH的多业务平台(MSTP)等光纤接入技术。 区间用户可采用光纤、电缆或无线等接入方式。各通信枢纽间和铁路区段的通道数量根据通信总业务的需要与发展确定，应符合铁 路运输通信网规划；并满足调度通信、交换网、区段通信、数据通信、电报、应用通信、 会议电视()、移动通信、各种管理信息系统与新业务等对传输通道的要求。我国铁路传输网分为3层：长途干线网、局间中继网、区段接入网。其中接入网占 有相当大的比重，包括有线接入网和无线接入网两大部分。铁路有线接入网的情况与电 信的接入通信网相似，铁道部基本建成可覆盖全国大中城市的铁路互联网，它是由铁路 部门依托于基础铁路电信网。铁路通信的无线接入部分目前仅有的是无线列调系统，它 完成车站值班员与进入其管辖区段的列车车长以与列车司机之间的通话。铁路接入网系统能为铁路各专业的远程监控系统和各单位信息管理系统提供2M、 64K数据、ISDN、自动和音频等主要业务。主要有四个特点：一是组网方式灵活，保证了铁路现代通信的高可靠性要求；二是在电路和接口配置上可以根据铁路每站业务的不同而做到按需配置，在同类业 务可以在OLT处做到交叉整合向上一级传输，节约电路和投资；在自动业务中以V5接 口提供高集成比用户接入，为铁路与铁通在自动业务需求上有足够的支持且投资较低；三是在各种低、高速数据节点、视频业务节点和租用线等多业务节点方面铁路光接 入网系统适合现有我国铁路各车站的信息管理和文化传播。随着改革的进一步深入和社会信息化的进展，不仅要求铁路通信网具有更强的保障铁路 安全运营的通信功能，以适应高速列车通信的需求，而且要以铁道部的全程全网的优势 全力发展电信增值服务与经营与中国电信业务围一样的电信业务。这就要求应用先进的 移动通信技术，对铁路通信网进行改造，建立新的通信系统。一方面，从有线接入部分 来看，客运专线正在我国蓬勃发展，高速铁路综合调度系统需要数字网络技术的支持； 较大的站间距需区间接人技术；列车运行控制系统的信息要通过光纤网络传输。通信的 实时性和各种非通话信息的快速发展都要求更大的光纤容量。多波长光网络技术方面支 持全光网络的技术正在飞速发展，可以为铁路通信网络提供很好的技术参考。另一方面， 从无线接人部分来看，需要做出更好更快的移动通信系统。考虑到未来铁路发展对通信 的需求，认为在通信系统寿命期，运输会出现明显的增加，作为用户联络手段的通信系 统，在规划其指标构成时，必须计算一定的弹性需求。还要考虑通信系统的容量扩充性 问题，选择便于扩容的通信方式。从系统高可靠性的要求出发，还必须与别的系统（如 微波/租用线路等）结合起来构成一个统一的整体，以此提供必要的备份。2 铁路通信网概述与现状把铁路各级指挥、管理机构和车站、车场、工区以与机车司机、车长与沿线作业人 员等用户沟通起来，根据需要相互间灵活地传输、交换、处理各种信息的综合性专用通 信网络。铁路通信网一般是以通信网为主，在通道的基础上构成电报通信网、数据通信网。 其结构方式一般是以星状网为主并与网状网相结合。铁路通信网按运输管理体制和通信 业务要求，一般采用三级汇接或二级汇接。在一级交换中心（中国铁路称为局间通信枢 纽）间往往以网状相连，在二级交换中心与其以下以星状联结为主。中国铁路通信网采用三级枢纽汇接构成。铁道部所在地的通信枢纽称为总通信枢纽 （简称总枢纽），若干个路局组成一个区域，其汇接中心称局间通信枢纽（简称局间枢纽）， 总枢纽和局间枢纽属于同一等级；铁路局所在地的通信枢纽称局通信枢纽（简称局枢纽）, 铁路分局所在地或某些特定汇接点称分通信枢纽（简称分枢纽）。分枢纽以下，基干路 由的终端站称端站。总枢纽和局间枢纽的通路以网状相互沟通，局间枢纽至局枢纽、分 枢纽、端站的基干路由是按照铁路局、铁路分局管辖区域以星状方式逐级汇接。各通信 枢纽、端站相互间根据信息传输的需要还有一些直达路由和高效路由沟通，作为直通和 优先接通的通路。此外，尚有经过不同路由转接构成的迂回通路。这些都是为了保证通 信网接续的灵活性和可靠性。中国铁路通信网的全程从端站经分枢纽、 局枢纽、局间枢纽又经局间枢纽等各级 到端站按7个音频转接段组成，传输距离按7000公里安排。长途线路与地区线路经交换 设备连接构成两地的用户间（不包括终端设备）的通信，对于800赫的总衰耗，自动交 换制不得超过27分贝；人工交换制不得超过30分贝。2.1铁路通信网的主要容2.1.1铁路干线、局线网、本地网、接入网铁路传送网分为长途（干、局线）传送网、本地传送网与本地接入网。长途干线传送 网为铁道部至各铁路局、铁路局之间以与铁道部指定的重要地段的信息传送网络，组织 长途干线传送网的线路为一级干线，在各路局通信节点与一级干线交叉点处设置数字交 叉连接设备（DXC），建成格状DXC网。这些DXC由铁道部网管中心统一控制，进行节点 间路由调度，以保证干线的畅通。长途局线传送网为连接铁路局与本局管辖的分局之间的信息传送网络，组织长途局 线传送网的线路为二级干线，在路局与分局的通信节点与局线交叉点设置DXC，建成格 状DXC或SDH环形自愈网，边远地区可利用卫星通信作为迂回信道。本地传送网为连接分局通信节点以下各节点间的传送网络，应建立铁路分局围的 SDH自愈环网或相邻分局相互保护的SDH自愈环网。接入网解决分布在铁路局、铁路分局、段级单位所在地和区段站与编组站等用户集 中的地点的用户接入。接入网是将分布在铁路沿线中各车站等地的用户纳入其围，利用 本地传输网中的SDH传输信道，在发展用户的地区设置带V5接口的光纤网络终端(OLT) 和光纤网络单元(ONU)，可向用户提供多种业务。2.1.2铁路长途通信系统(1) 铁路通信应满足指挥列车运行、组织运输生产与进行公务联络等要求，做到迅速、 准确、安全、可靠。(2) 铁路长途通信网是传递长途、电报、数据、图像等话音业务和非话音业务信息的专用通信网。(3) 铁路长途通信网是一个独立和完整的专用通信网，具备铁路需求的结构与标准。(4) 铁路长途通信网与公用长途通信网相比，具备点多线长、话路分下插入频繁、长短 系统兼容与专用子系统多等突出特点。(5) 为确保运输安全、正点，铁路长途通信网必须具备高可靠性。2.1.3长途通信网的分级与设置地点(1) 铁路长途通信网由局间枢纽(含总枢纽)、局枢纽、分枢纽和端站四级以与期间的通 路组成。(2) 设置地点1总枢纽设于铁道部所在地，在通信网中与局间枢纽同为一级。2. 局间枢纽是长途通信网中东北、西北、西南、华东、华北、华中和华南各大区的通信 枢纽，设于铁道部所指定的地点。3. 局枢纽是铁路管理局的通信枢纽，设于铁路管理局所在地或铁道部指定的地。4. 分枢纽是铁路分局的通信枢纽，设于铁路分局所在地或通路转接适中的汇接点。5. 端站是铁路长途通信网的末端，设于分枢纽以下的长途通路与地区交换网接续的地 点。2.1.4铁路专用通信系统介绍铁路区段通信是直接为铁路运输生产服务的。为了保证铁路运输生产的安全、准确、 迅速和协调，沿线各车站、工区的工作人员需要进行各种公务通信联系，区段通信就是 为此而设置的。它是铁路通信的一个重要组成部分。随着铁路技术现代化进程的加速， 铁路信号显示、牵引供电远动系统、车辆故障检测系统等的信息传递，也要求纳入到区 段通信系统中，因此，铁路区段通信系统的服务容更加重要、更加广泛。铁路区段通信系统主要包括调度、专用、公用以与区间和站间等。此外，还为铁路 调度集中系统（CTC）、牵引供电远动系统、车辆故障检测系统、自动闭塞电力远动系统 和低速数传系统提供传输信道。调度系统铁路调度系统分为列车调度系统、电力调度系统、货运调度系统和列车无线调度系 统。在区段有线通信系统中，包括前三个调度系统，并为列车无线调度系统提供传输信 道。2.2铁路通信网的发展现状由于铁路列车具有高速运动的特点，因而无线（移动通信）接入网在铁路通信网中 占有相当大的比重。当然，固定位置的车站（场）、单位以与各种固定设施之间的通信 方式，首选方案仍是采用SDH光同步数字传输设备进行组建，同时应考虑采用ATM交换 以与网络IP通信等先进技术来构成通信主干网与光纤用户接入网。比如采用“双纤单 向环”接入方式，不仅具有高速、安全、传输质量高、价格合理等光纤通信特有的优点， 而且还具有路由迂回、设备备用等特点，从而具备自愈合功能，并使系统的可靠性大大 提高。另外，采用远端用户单元（RSU）和数字环路载波（DLC）设备，组网更灵活、方 便。组网的过程中要把投资与效益综合统筹来考虑，使系统不仅满足现在乃至几年铁路 通信的需求，而且还能够为出行的旅客与地面用户提供先进的电信业务，并且还需具备 便于扩大容量的功能。按照通信网被分为主干网，局域网和接入网等三部分的构思来看，铁路通信网也可 以通过上述划分方法进行。就铁路的通信网来看，接入网占有相当大的比重，包括有线 接入网和无线接入网两大部分。铁路有线接入网的情况与电信的接入通信网相似，铁道 部将在未来的数年建成可覆盖全国大中城市的铁路互联网，它是由铁路部门依托于基础 铁路电信网，组织建设的可以支持众多信息服务的、具有多媒体通信能力的全国围的数 据传输网络。铁路通信网是为旅客和铁路公务、应急抢险、行车维修等人员提供与时可靠的通信， 以提高服务等级和运输效率。保证列车的安全，达到高效运营而建立的，它是一种集列 车公务通信和区间移动作业通信为一体的列车移动通信系统。但是铁路结构自身的特 点，决定了该系统与公用移动通信网和区域性的专业移动通信网的差别，它是一种属于 线面结合、以线为主的链状网。铁路通信的无线接入部分目前仅有的是400MHz的无线列调系统，它完成车站值班 员与进入其管辖区段的列车车长以与列车司机之间的通话联系。当列车即将进站或即将 出站时，这些通话才进行，否则如果没有特殊的情况，在列车运行于区间时，通话一般 不进行，这是从节约频率资源，减少同频干扰的角度出发的。但是，随着铁路现代化改 造进程的迅速推进，从前单一的无线列调系统已经远远不能满足铁路无线通信的需要， 这样就迫切需要建设一套适合于铁路现代化运营指挥需要的先进的无线通信系统。这一 系统应该采用小区制，并完成大三角功能。也就是说，系统必须可以实现调度中心与车 站值班员之间、车站值班员与列车司机之间、列车司机与调度中心之间的通话功能，必 须可以实现线路管理区间的公务移动通信功能，同时还必须能够实现调度中心与列车司 机室之间实时的双向数据通信功能。基于这一想法，构成铁路无线通信接入网的方式可 以采用现有的无线通信方式的集群通信、GSM （全球移动通信系统）移动通信、CDMA移 动通信。集群移动通信系统是把若干各自独立的单独频率的单工工作系统集合到一个基台工作。 它是一种功能强大的专用移动通信系统，是通信与微处理机技术、程控交换技术、计算 机网络技术紧密结合的产物。它集交换、控制、通信于一体，通过无线拨号的方式把一 组信道自动最优地动态分配给系统部用户，最大限度地利用系统资源和频率资源，降低 系统呼损，提高服务质量。由于它具有群呼、组呼、强插、强拆等功能，特别适合于调 度指挥以与应急、抢险等场合，并较好地解决了通信频率合理分配的问题。但是这一系 统还具有一定的缺点，主要包括采用动态的频率分配，没有考虑与周围公用网的有效融 合问题，没有先进的路由合理选择功能，并且在建立通路和自动过网时存在信息丢失现 象，性不强，容易受干扰等，这些缺点对于话音通信的影响不大，但是会对列车与调度 指挥中心之间的实时双向数据通信造成较大的误码，因而对于要求较高数据通信误码率 的场合并不适合。例如刚建成的至的高铁客运专线就是采用的移动通信系统包括400MHz的无线列调 系统和800MHz的集群移动通信系统，考虑到集群移动通信系统在越区切换过程中会存 在信息的流失，因此将数据通信部分交由无线列调系统来完成，集群移动通信系统仅进 行区间通信（如大三角功能的话音通信，公务通信以与应急抢险通信等），并留有调度 进入的余地和接入公用通信网的功能。3接入网技术简介所谓接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公 里，因而被形象地称为最后一公里。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，因 此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线（普通线）接入、 光纤接入、光纤同轴电缆（有线电视电缆）混合接入、无线接入和以太网接入等几种方 式。根据国际电联关于接入网框架建议（G.902），接入网是有业务节点接口（SNI）和 相关用户网络接口（UNI）组成的，为传送电信业务提供所需承载能力的系统，经Q接 口进行配置和管理。因此，接入网可由三个接口界定，即网络侧经由SNI与业务节点相 连，用户侧由UNI与用户相连，管理方面则经Q接口与电信管理网（TMN）相连。业务节点是提供业务的实体，可提供规定业务的业务节点有本地交换机、租用线业 务节点或特定配置的点播电视和广播电视业务节点等。SNI是接入网和业务节点之间的接口，可分为支持单一接入的SNI和综合接入的 SNI。支持单一接入的标准化接口主要有提供ISDN基本速率（2B+D）的V1接口和一次 群速率（30B+D）的V3接口，支持综合业务接入的接口目前有V5接口，包括V5.1、V5.2 接口。接入网与用户间的UNI借口能够支持目前网络所能够提供的各种接入类型和业务， 接入网的发展不应限制现有的业务和接入类型。3.1关于接入网的概念电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输与复用设备、交换 设备和各种线路设施等。接入网是电信网的重要组成部分，负责将电信业务透明地、准 确地传送到用户。根据ITU-TG.902建议：接入网由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之 间的一系列传输实体（如线路设施和传输设施）组成，为供给电信业务而提供所需的传 送承载能力，可经由网络管理接口（Q3）配置和管理。原则上对接入网可以实现的UNI 和SNI的类型和数目没有限制。接入网不解释信令。对于接入网的界定如图3.1所示：Q3Q3电信管理网（TMN）业务节点（SN）接入网以业务节点接口(SNI)用户网络 接口( UNI)图3.1接入网的界定3.2接入网的结构类型与框架体系3.2.1接入网的结构类型(1) 总线形结构:指以光纤作为公共总线、各用户终端通过耦合器与总线直接连接的网络 结构。其特点是共享主干光纤，节约线路投资，增删节点容易，动态围要求较高，彼此 干扰效小。缺点是损耗积累，用户接受对主干光纤的依赖性强。(2) 环形结构：指所有节点共用一条光纤链路，光纤链路首尾相连自成封闭回路的网络结 构。特点是可实现自愈，即无需外界干预，网络可在较短的时间自动从失效故障中恢复 所传业务，可靠性高。缺点是单环所挂用户数量有限，多环互通较为复杂，不适合CATV 等分配型业务。(3) 星形结构：这种结构实际上是点对点方式，各用户终端通过位于中央节点具有控制和 交换功能的星形耦合器进行信息交换。特点是结构简单，使用维护方便，易于升级和扩 容，各用户之间相对独立，性好，业务适应性强。缺点是所需光纤代价较高，组网灵活 性较差，对中央节点的可靠性要求极高。(4) 树形结构：类似于树枝形状，呈分级结构，在交接箱和分线盒处采用多个分路器，将 信号逐级向下分配，最高级的端局具有很强的控制协调能力。特点是适用于广播业务。 缺点是功率损耗较大，双向通信难度较大。3.2.2接入网框架和体制要求(1) 接入网对于所接入的业务提供承载能力，实现业务的透明传送。(2) 接入网对用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理的功 能依然在业务节点中。(3) 接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务，接入网应通过有限的标准化的 接口与业务节点相连。(4) 接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该系统通过标准化的接口连接TMN，TMN 实施对接入网的操作、维护和管理。3.3几种主流接入网技术目前主流的接入网技术主要有xDSL、以太网接入技术、EPON/GEPON、GPON和WiMAX。xDS L分为非对称数字用户线(ADSL)和高速数字用户线(VDSL)。ADS L系统是利用双 绞线铜缆实现的一种宽带接入技术，其最大特点是无需改动现有铜缆网络就能提供宽带 业务，便于实现。VDSL系统是ADSL的演进版，可以支持电视信号的接入，是实现三网 融合的一种可选的接入手段。以太网技术是一种计算机接入局域网络的连接技术。随着快速以太网、千兆以太网 技术的发展，其在宽带数据的接入方面具有了 一定的优势。但是在QoS控制和电信级方 面还需做更多的努力，特别是在实现时钟同步、满足现有TDM接入方面还存在问题。EPON/GEPON(以太无源光网络/G比特以太无源光网络)是一种新型的光纤接入网技 术。EPON/GEPON采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务，其特 点是技术成熟、维护成本低、速率较高，但在支持TDM业务方面还有待进步。GPON(Gigabit-CapablePON)技术是基于ITU-TG.984.X标准的最新一代宽带无源光 综合接入标准，具有高带宽、高效率、大覆盖围、用户接口丰富等众多优点，被大多数 运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。WiMAX(WorldInteroperabilityforMicrowave Access)是一项基于 IEEE 802.16 标 准的宽带无线城域网接入技术，WiMAX具备较好的可扩展性和安全性，具备完善的标准， 能够支持多业务，并能提供电信级的保障服务。3.3.1比较与分析固定接入技术ADSL、以太网和EPON/GEPON目前已经得到较为广泛的应用。为了适 应飞速增长的数据业务，ADSL在速率方面还有待进一步提高。此外，虽然ADSL逐步发 展到可以支持视频信号，但是其出线率不高，总体造价偏高，限制了其发展。以太网技 术简单，但是其技术本身为非电信级的网络，在安全性与业务QoS方面还有很多工作需 要做。与ADSL和传统以太网相比，EPON/GEPON综合了 PON技术和以太网技术的优点： 低成本、高带宽、扩展性强，而且与现有以太网具有兼容性。随着我国“光进铜退”趋 势的加快，EPON/GEPON已经成为FTTB/FTTC、FTTO、FTTH的一种重要技术。不同于EPON/GEPON，GPON基于标准的GEM帧，可以将TDM业务映射到GEM帧中， 能够直接支持TDM业务。这种方式在同时支持传统TDM业务和IP数据业务方面具有无 可比拟的优势。目前由于其芯片成熟滞后，而且价格尚偏高，故商用有限。基于802.16d的WiMAX使用了 OFDM/OFDMA、MIMO、自适应编码调制众多技术，能够 满足“最后一公里”接入的要求，而且在一些有线资源没有进入或者难以进入的地方， 具有很好的替代作用，但由于其在国尚没有频率资源，所以仅停留在试验阶段。3.3.2PON是宽带接入发展方向为了能够满足全业务的协调和快速发展，重组后的运营商一定会关注接入网络的建 设与改造。在大多数情况下，接入网络在追求宽带化的同时，一定要兼顾多业务接入的 控制和管理，即接入网络必须能提供电信级的服务。此外，为了适应数据业务的快速发 展，接入网络也要适应IP化的发展趋势。当然，在发展接入网络时，技术并非惟一的 因素，在多数情况下，为了节省投资并减少建设和改造的难度和时间，要根据不同的业 务需求和不同的网络条件来选择最为经济合理的接入技术方案。总体来说，PON（EPON、GPON）技术应该是宽带接入网络的发展方向，特别是随着三 网融合的推进，以EPON、GPON为代表的技术将会在FTTx中得到大量的应用。为了保护 固有的投资，运营商会对已有的以太接入网和ADSL进行不断的升级改造，以适应宽带 化的需求，当投资回收达到平衡点的时候，逐步用PON技术来替代。此外，对于一些固 定接入难以进入的楼宇，或者说临时有业务需求的地点，以802.16dWiMAX为代表的宽 带固定无线接入技术将会因成为电信公司有线接入的重要补充而得到应有的发展。3.3.3接入网的实现技术传统的接入网主要以铜缆的形式为用户提供一般的语音业务和少量的数据业务。随 着社会经济的发展，人们对各种新业务特别是宽带综合业务的需求日益增加，一系列接 入网新技术应运而生，其中包括应用较广泛的以现有双绞线为基础的铜缆新技术、混合 光纤/同轴（FHC）、网技术和混合光纤/无线接入技术、无线本地环路技术（WLL/DWLL）与 以太网到户技术ETTH（光纤到路边、光纤到大楼、光纤到Anywhere的统称）+ETTH。（1）双绞线为基础的铜缆新技术当前，用户接入网技术主要是由多个双绞线构成的铜缆组成。耗资较大，怎样发挥 其效益，并尽可能满足多项新业务的需求，是用户接入网发展的主要课题，也是电信运 营商应付竞争、降低成本、增加收入的主要手段。发展新技术，充分利用双绞线，是电 信界始终关注的热点。所谓铜线接入技术，是指在非加感的用户线上，采用先进的数字 处理技术来提高双绞线的传输容量，向用户提供各种业务的技术，主要有数字线对增益 （DPG）、高比特率数字用户线（HDSL）、不对称数字用户线（ADSL）、甚高数据速率用户线 （VDSL）等技术。混合光纤/同轴（HFC）网混合光纤/同轴网是一种基于频分复用技术的宽带接入技术，它的主干网使用光纤， 采用频分复用方式传输多种信息，分配网则采用树状拓扑和同轴电缆系统，用于传输和 分配用户信息。HFC是将光纤逐渐推向用户的一种新的经济的演进策略，可实现多媒体 通信和交互式视象业务。目前，包括ITU-T在的很多国际组织和论坛正在对下一代的结 合MPEG-2和ATM的数字HFC系统进行标准化，这必将会进一步推动其发展。（3）FTTx+ETTH这是一种光纤到楼、光纤到路边、以太网到用户的接入方式。它为用户提供了可靠 性很高的宽带保证，真正实现了千兆到小区、百兆到到楼单元和十兆到家庭，并随着宽 带需求的进一步增长，可平滑升级实现了百兆到家庭而不用重新布线。完全实现多媒体 通信和交互式视象业务等业务。4光纤接入网近几年来，发达国家和地区加快了接入网的建设，采用的方式除了继续使用IDLC 外，还使用了。able modem （电缆调制解调器）、ADSL （不对称数字用户线）等方式，用 以支持高速因特网接入、多媒体视像、虚拟专用网（VPN）接入等宽带业务需求。我国 的一些发达省市也在进行宽带接入网的试验。对于我国的高速铁路而言，具备接入网新技术应用的市场需求和市场规模。按基本业务， 我国电信网还有四分之三的部分尚待建设，有线电视正以每年600700万户的速度递 增，计算机和因特网的发展空前高涨。接入网直接连接用户，以我国众多人口和持续经 济发展为基础，接入网市场潜力堪称世界第一。接入网行业带动性大，不仅涉与系统设 备、光纤/光缆/电缆、信息终端的生产制造和网络的工程施工建设，还涉与信息服务业 的发展，对于与通信、信息相关的厂家和网络运行企业，既是机遇又是挑战。4.1光纤接入网的基本构成光纤接入网（OAN）也称光纤用户环路（FITL），是共享一样网络侧接口并由光传输系 统所支持的接入链路群，是局端与用户之间用光纤作为主要的传输媒质，实现用户信息 传送的应用形式。目前，光纤接入网结构采用（ITU-T G.982）国际通用标准配置。通过光线路终端（OLT）与业务节点相连，通过光网络单元（ONU）与用户连接。光纤接 入网包括远端设光网络单元和局端设光线路终端，它们通过传输设备相连。系统的主要组成部分是OLT和远端ONU。它们在整个接入网中完成从业务节点接口 （SNI）到用户网络接口（UNI）间有关信令协议的转换。接入设备本身还具有组网能力，可 以组成多种形式的网络拓扑结构。同时接入设备还具有本地维护和远程集中监控功能， 通过透明的光传输形成一个维护管理网，并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管 理。OLT的作用是为接入网提供与本地交换机之间的接口，并通过光传输与用户端的光 网络单元通信。它将交换机的交换功能与用户接入完全隔开。光线路终端提供对自身和 用户端的维护和监控，它可以直接与本地交换机一起放置在交换局端，也可以设置在远 端。ONU的作用是为接入网提供用户侧的接口。它可以接入多种用户终端，同时具有光 电转换功能以与相应的维护和监控功能。ONU的主要功能是终结来自OLT的光纤，处理 光信号并为多个小企业，事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络端是光接 口，而其用户端是电接口。因此ONU具有光/电和电/光转换功能。它还具有对话音的数 /模和模/数转换功能。ONU通常放在距离用户较近的地方，其位置具有很大的灵活性。4.2有源光纤接入网有源光网络又可分为基于SDH的AON和基于PDH的AON。有源光网络的局端设备 （CE）和远端设备（RE）通过有源光传输设备相连，传输技术是骨干网中已大量采用 的SDH和PDH技术。4.2.1基于SDH的有源光网络SDH的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络 （Synchronous Optical NET SONET）。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适 用于各种经适配处理的净负荷（即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分）在物 理媒质如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标 准。国际电信联盟标准部（ITUT）的前身国际电报资询委员会（CCITT）于1988年接 受SONET概念，并与美国标准协会（ANSI）达成协议，将SONET修改后重新命名为同步 数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH），使之成为同时适应于光纤、微波、 卫星传送的通用技术体制。SDH网是对原有PDH （Plesiochronous Digital Hierarchy准同步数字系列）网的 一次革命。PDH是异步复接，在任一网络节点上接入接出低速支路信号都要在该节点上 进行复接、码变换、码速调整、定时、扰码、解扰码等过程，并且PDH 只规定了电接口， 对线路系统和光接口没有统一规定，无法实现全球信息网的建立。随着SDH技术引入， 传输系统不仅具有提供信号传播的物理过程的功能，而且提供对信号的处理、监控等过 程的功能。SDH通过多种容器C和虚容器VC以与级联的复帧结构的定义，使其可支持 多种电路层的业务，如各种速率的异步数字系列、DQDB、FDDI、ATM等，以与将来可能 出现的各种新业务。段开销量的备用通道增强了 SDH网的可扩展性。通过软件控制使原 来PDH中人工更改配线的方法实现了交叉连接和分插复用连接，提供了灵活的上/下电 路的能力，并使网络拓扑动态可变，增强了网络适应业务发展的灵活性和安全性，可在 更大几何围实现电路的保护、高度和通信能力的优化利用，从而为增强组网能力奠定基 础，只需几秒就可以重新组网。特别是SDH自愈环，可以在电路出现故障后，几十毫秒 迅速恢复。SDH的这些优势使它成为宽带业务数字网的基础传输网。在接入网中应用SDH （同步光网络）的主要优势在于：SDH可以提供理想的网络性 能和业务可靠性；SDH固有的灵活性使对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统 尤其适合。当然，考虑到接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性，适用于接入 网的SDH设备必须是高度紧凑，低功耗和低成本的新型系统，其市场应用前景看好。接入网用SDH的最新发展趋势是支持IP接入，目前至少需要支持以太网接口的映 射，于是除了携带话音业务量以外，可以利用部分SDH净负荷来传送IP业务，从而使 SDH也能支持IP的接入。支持的方式有多种，除了现有的PPP方式外，利用VC12的级 联方式来支持IP传输也是一种效率较高的方式。总之，作为一种成熟可靠提供主要业 务收入的传送技术在可以预见的将来仍然会不断改进支持电路交换网向分组网的平滑 过渡。4.2.2基于PDH的有源光网络准同步数字系列（PDH）以其廉价的特性和灵活的组网功能，曾大量应用于接入网 中。尤其近年来推出的SPDH设备将SDH概念引入PDH系统，进一步提高了系统的可靠 性和灵活性，这种改良的PDH系统在相当长一段时间，仍会广泛应用。4.3无源光纤接入网无源光网络(PON),是指在OLT和ONU之间是光分配网络(ODN),没有任何有源电 子设备，它包括基于ATM的无源光网络APON与基于IP的PON。APON的业务开发是分阶段实施的，初期主要是VP专线业务。相对普通专线业务， APON提供的VP专线业务设备成本低，体积小，省电、系统可靠稳定、性能价格比有一 定优势。第二步实现一次群和二次群电路仿真业务，提供企业部网的连接和企业与数据 业务。第三步实现以太网接口，提供互联网上网业务和VLAN业务。以后再逐步扩展至 其它业务，成为名副其实的全业务接入网系统。APON采用基于信元的传输系统，允许接入网中的多个用户共享整个带宽。这种统计 复用的方式，能更加有效地利用网络资源。APON能否大量应用的一个重要因素是价格问 题。目前第一代的实际APON产品的业务供给能力有限，成本过高，其市场前景由于ATM 在全球围的受挫而不确定，但其技术优势是明显的。特别是综合考虑运行维护成本，在 新建地区，高度竞争的地区或需要替代旧铜缆系统的地区，此时敷设PON系统，无论是 FTTC，还是FTTB方式都是一种有远见的选择。在未来几年能否将性能价格比改进到市 场能够接受的水平是APON技术生存和发展的关键。IPPON的上层是IP，这种方式可更加充分地利用网络资源，容易实现系统带宽的动 态分配，简化中间层的复杂设备。基于PON的OAN不需要在外部站中安装昂贵的有源电 子设备，因此使服务提供商可以高性价比地向企业用户提供所需的带宽。无源光网络(PON)是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响， 减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维 护部门长期期待的技术。无源光接入网的优势具体体现在以下几方面：(1) 无源光网体积小，设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。(2) 无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网 络拓扑结构。(3) 安装方便，它有室型和室外型。其室外型可直接挂在墙上，或放置于“H”杆上，无 须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，要使用专门 的场地和机房，远端供电问题不好解决，日常维护工作量大。(4) 无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。(5) 无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶 劣的地区使用。(6) 从技术发展角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉与设备改造，只需设备软件升 级，硬件设备一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。4.4光纤接入网的拓扑结构光纤接入网的拓扑结构，是指传输线路和节点的几何排列图形，它表示了网络中各 节点的相互位置与相互连接的布局情况。网络的拓扑结构对网络功能、造价与可靠性等 具有重要影响。其三种基本的拓扑结构是：总线形、环形和星形，由此又可派生出总线 一星形、双星形、双环形、总线一总线形等多种组合应用形式，各有特点、相互补充。 4.4.1总线形结构总线形结构是以光纤作为公共总线（母线）、各用户终端通过某种耦合器与总线直接 连接所构成的网络结构。这种结构属串联型结构，特点是：共享主干光纤，节省线路投 资，增删节点容易，彼此干扰较小；但缺点是损耗累积，用户接收机的动态围要求较高； 对主干光纤的依赖性太强。4.4.2环形结构环形结构是指所有节点共用一条光纤链路，光纤链路首尾相接自成封闭回路的网络 结构。这种结构的突出优点是可实现网络自愈，即无需外界干预，网络即可在较短的时 间里从失效故障中恢复所传业务。4.4.3星形结构星形结构是各用户终端通过一个位于中央节点（设在端局）具有控制和交换功能的 星形耦合器进行信息交换，这种结构属于并联形结构。它不存在损耗累积的问题，易于 实现升级和扩容，各用户之间相对独立，业务适应性强。但缺点是所需光纤代价较高， 对中央节点的可靠性要求极高。星形结构又分为单星形结构、有源双星形结构与无源双 星形结构三种。（1）单星形结构：该结构是用光纤将位于电信交换局的OLT与用户直接相连，基本上都 是点对点的连接，与现有铜缆接入网结构相似。每户都有单独的一对线，直接连到电信 局，因此单星型可与原有的铜现网络兼容；用户之间互相独立，性好；升级和扩容容易， 只要两端的设备更换就可以开通新业务，适应性强。缺点是成本太高，每户都需要单独 的一对光纤或一根光纤（双向波分复用），要通向千家万户，就需要上千芯的光缆，难 于处理，而且每户都需要专用的光源检测器，相当复杂。（2）有源双星形结构：它在中心局与用户之间增加了一个有源接点。中心局与有源接点 共用光纤，利用时分复用（TDM）或频分复用（FDM）传送较大容量的信息，到有源接点 再换成较小容量的信息流，传到千家万户。其优点是灵活性较强，中心局有源接点间共 用光纤，光缆芯数较少，降低了费用。缺点是有源接点部分复杂，成本高，维护不方便； 另外，如要引入宽带新业务，将系统升级，则需将所有光电设备都更换，或采用波分复 用叠加的方案，这比较困难。（3）无源双星形结构：这种结构保持了有源双星形结构光纤共享的优点，将有源接点换 成了无源分路器，维护方便，可靠性高，成本较低。由于采取了一系列措施，性也很好， 是一种较好的接入网结构4.5光纤接入的基本形式根据光网络单元（ONU）的位置，光纤接入方式可分为如下几种：FTTB （光纤到大楼）；FTTC （光纤到路边）；FTTZ （光纤到小区）；FTTH （光 纤到用户）；FTTO （光纤到办公室）；FTTF （光纤到楼层）；FTTP （光纤到电杆）； FTTN （光纤到邻里）；FTTD （光纤到门）；FTTR （光纤到远端单元）。其中最主要的是FTTC、FTTP两种形式。FTTC主要是为住宅用户提供服务的， 光网络单元（ONU）设置在路边，即用户住宅附近，如果将 ONU设置在铁路沿线的 电杆之上，就可以为列车的乘客提供如同住宅一样的服务效果。从ONU出来的电信号再传送到各个用户，一般用同轴电缆传送视频业务，用双绞线传送业务。FTTP是将ONU放置在电杆上，为铁路沿线与列车上的用户提供各种综合宽带业务，FTTP是光纤接入网在铁路通信网上应用的最终目标，但是每一个电杆都需一对光纤和 专用的ONU，因而成本昂贵，实现起来非常困难。可以说，FTTP对今后光纤接入网来说并不适用，但该系统的技术成熟，可靠性高，仍然是今后铁路接入网建设 的首选。下图4.5（a）是光纤接入网的基本结构：图4.5（a）ITU-T G.982标准的光纤接入网配置在OLT与ONU之间没有任何有源光电设备的光接入网称为无源光网络（PON）。PON 对于各种业务是透明的，易于升级扩容，便于维护管理，缺点是OLT和ONU之间的距离 和容量受到限制。用有源设备或有源网络系统（如SDH环形网）的ODT代替无源光网络 中的ODN，便于构成AON，AON的传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，运行和网络 规划的灵活性大，不足之处是有源设备需要供电、机房等。如果综合两种网络，优势互 补，就能接入不同容量的用户。目前，铁路网光纤化的途径主要有两个：一是在现有铜缆用户网的基础上，引入光 纤传输技术改造光接入网；二是在现有的有线电视（CATV）同轴电缆网的基础上，引入光 纤传输技术，使之成为光纤/同轴混合网（HFC）。HFC网的结构主要由前端（HE）、主数字终端（HTD）、传输线路、光线节点（FN）、 和综合业务单元（ISU）等组成，如图所示：4.5.1光纤数字环路载波系统数字环路载波(DLC )系统以光纤传输方式代替馈线、配线，然后再以双绞线连接 到铁路通信网。以传送窄带业务为主时采用PDH准同步时分复用技术体制，以传送宽带 业务为主时可采用异步转移模式(ATM)加SDH同步时分复用技术体制。网络结构以点到 点、链型或环型网结构为常见。传输速率34Mbps-155Mbps不等。传输距离可由几千米 到上百千米。采用DLC技术可以将光纤到路边(FTTC)和光纤到电杆(FTTP)分期实现。 4.5.2基于ATM的无源光网络无源光网络(PON)是采用光纤分支的方法实现点对多点通 信的接入技术，可以支持iSDN基群或同等速率的各类业务。每个光网络单元(ONU) 一般 可以连接几个到几十个用户APON是采用ATM信元传送方式的PON，可以是上、下行速 率相等的对称系统，也可以是上、下行速率不相等的非对称系统，支持ISDN与业务的 带宽需求，可以满足各类电信业务和全业务网(FSN)的共同要求。APON代表了宽带接入 技术的最新发展方向，目前在英国、德国等已有实际应用，被认为是实现FTTC和FTTP 的一种较好方法。4.5.3交换式数字视像技术SDV是在CATV网上采用波分复用(WDM)或分光纤技术共享光 缆线路的网络接入技术。SDV技术与HFC技术比较，SDV是采用数字传输技术的系统， HFC是采用模拟技术体制的系统。因此，SDV具有较好的传输质量，便于升级，具有长 远的发展前景。SDV采用光纤接入系统和ATM技术，采用分层面的方式提供、数据和视 像信号的传输。第一个层面采用传统的光纤接入系统传输和数据业务。第二个层面采用 基于SDH的ATM信元方式，支持交互式的数字视像等宽带业务。5铁路通信网与光纤接入网的组网方案5.1网络设计模式电信传输网络部分将采用能满足高速宽带业务的SDH技术为主要传输体制。因此以 按沿路由方向不减少光缆纤芯数量的环形网结构为基本设计模式，结点间所用光纤采用 二纤单向通道倒换环（纤芯数则采用一主一备四芯光纤，提高网络的可靠性），将中心 局与各结点串成环状。因环形网建设初期投资大，网络升级有困难，加之不够灵活，因 此结合未来铁路通信网空间特点，采取树形星形混合网向多个互相联系的环型网过渡， “逐条布放，优化成网”分层次、分阶段的建设步骤。提高网络的生存性，特别在光缆 线路发生故障时，发生重大通信阻断的现象，以与便于各结点出人纤芯，为今后铁路通 信光纤接人网的发展打下基础。因此，今后的数据通信网络设计模式将会走向树形星形 混合网和多互联环形网。它们在未来铁路通信网的发展中将会起到至关重要的作用。下图（5）介绍了环形光拓扑结构，它们将是铁路通信网与光纤接入网复合组网的 基础。图5.1环形光拓扑结构模型5.2 SDH光同步传输方案工程应用设计中对系统方案的选择确定一般要考虑到技术 的先进实用性、工程的投资、工程应用后的维护管理难易程度与维护资金多少等诸多因 素。数字光纤通信与传统的电缆传输通信或微波通信相比具有传输带宽、通信容量大、 中继距离长、抗干扰以与管理维护方便等特点，自80年代以来已成为电信网的主要传 输手段，目前常用的数字光纤通信技术为SDH （同步数字传输体系）与PDH （准同步数 字传输体系）两种。长距离链状地理特点使得目前铁路光纤通信系统其链路上的每个通信中心都有一 定数量的2 M/s PDH系统上下电路采用逐步分接、复接的方式，这种方式会引起多级的 码速调整，而SDH采用同步复用方式和灵活的复用结构，上下业务非常方便，且有利于 容纳新的宽带业务的引入，由于采用了指针调整技术，SDH网还具有定时的透明性，网 络能在准同步环境下工作，其净负荷可以在不同的同步网之间进行传送而不影响业务质 量，并有能力经受定时基准的丢失，网络性能比PDH光通信系统有了很大的改善。从经济性方面来看，目前SDH设备比同等容量的PDH设备价格低。随着SDH光传输 系统的大量工程推广应用和生产量的大幅上升，价格还将继续下降。从系统的后期维护管理来看，PDH系统设备繁多，维护量大。SDH帧结构中安排有 丰富的开销比特用于网络的管理，故网络的运行、管理、维护能力强大，同时SDH网络 具有标准的光接口，开放型的标准光接口可满足多厂家产品环境，实现网络的横向兼容 性；节约网络建设成本，有利于网络的后期管理，提高管理水平。根据以上对SDH光传输系统的技术先进性、经济性与运行后的维护管理工作等方面 的考虑，结合未来建设中所产生的具体情况，本设计采用了 SDH光同步传输系统方案。 5.2.1高速铁路光纤通信传输系统设计（1）系统设计依据SDH光纤通信传输系统的设计目前有最坏值设计法和统计设计法两种。虽然统计设 计法确定了足够小的系统先期失效概率，使得中继段的距离增长，但由此可能影响到系 统的横向兼容性实现。因此本设计确定系统采用最坏值设计法，在设计中继段距离时， 将所有参数都按最坏值选取，使本系统能在系统寿命终了、富裕度用完且处于极端温度 条件下仍能100%地保证系统性能要求，避免系统先期失效。根据高速铁路对光纤通信传输系统的要求（以下数据均为设计时的假设数据）：假 设敷设的光缆附加损耗应控制在0.02 dB/km以下，固定接头损耗不大于0.1dB/个，活 动接头损耗系数为0.5 dB/个；光纤损耗包括接头损耗应在0.4 dB/km以下。故发射-接 收点（S- R）的光通道损耗值为(a +a /L+M )XL=(0.4+0.1) X40 = 20dB(式 5.1)fm sm f c式中afm为单盘光缆衰减系数最坏值；asm为单个光纤接头的损耗最坏值；Lf为单盘光缆 长；Mc为光缆富裕度；L为取为铁路区段最大相隔距离(假设定为40 km)。参照光接 口参数规表的S-R点光通道衰减值，符合1028dB衰减围。故铁路光纤通信传输系统 的等级可选为STM-1或STM-4，根据铁路线对光纤通信传输系统容量需求的统计，其传 输话务、数据、图像等业务的主通道2Mb/s 口的需求量为27个，故STM-1等级SDH光 纤通信传输系统已完全能满足其业务传输对容量的需求。当今后容量扩大时，可根据实 际的情况更换各通信分中心的光群路盘，将整个系统扩容为STM-4。网络拓扑结构与系统保护配置方案的选择网络的物理拓扑反映了网络节点和传输线 路的几何排列。它对网络的效能、可靠性与经济性有很大的影响。网络的基本物理拓扑 有星形、树形、网孔形、环形和链形5种。星形结构具有综合的带宽管理灵活性，但存在特殊点的潜在瓶颈问题和失效问题； 树形结构适合广播式业务，但也存在瓶颈问题，且不适合提供双向通信业务；网孔形结 构可靠性高，但结构复杂，成本较高。星形、树形、网孔形结构网络除各自的特点外，还有一个共同的特点，即对于长距 离链状地理形状特点的高速铁路光纤通信系统，投资比环形和链形增大。环形结构具有很高的生存性，对因线缆断裂而造成系统故障的保护很好，但是光纤 应敷设于铁路线中央分隔带下70 cm处的通信管道中，光纤线路系统因意外事故出现断 裂的可能性极小。同时，环形结构的使用将会产生较高的工程投资。一些铁路线具有链状地理特点、线缆敷设保护较好，故采用链状网络拓扑结构。对链状拓扑结构网络的系统保护方式目前常用的有1+1、1:N、1+ 0等。1+1保护方 式的保护系统和工作系统在发送端两路信号是永久相连的，接收端则对收到的两路信号 进行择优选取；1:N方式中N(N为1-14)个工作系统共有一个平行的保护系统，当N个 工作系统中有一个失效时，信号可以倒换至热备用的保护系统中传输。热备用的保护系 统在平时可以用来传送较低等级的额外业务，一旦发生倒换，则主系统的信号将转向备 用保护系统传输，备用保护系统原来传输的额外业务将自行丢失1+1、1:N的系统保护 方式侧重于对线路的保护，但高速铁路公路光纤敷设条件好，光纤线路系统因意外事故 出现断裂的可能性极小。基于对网络结构选择方面同样的考虑，本文采用1+ 0无备用保 护系统的工作方式。(3)中继段长度计算与光源确定本设计的铁路线SDH光纤数字通信系统为STM-1等级， 则光源为：1. MLM或SLM光源；2. MLM光源。3. 采用MLM或SLM光源的中继段长度计算根据衰耗限制的中继段长度Lp的计算方法， 可知：L=（PP2a PP） /a +M（式 5.2）pt rc m pc c式中P （最小发送功率）；P （接收灵敏度）；P （光通道代价）；P （系统富裕度）；a （FC/PCtrpmc接头损耗）；af（光纤损耗包括接头损耗）；Dgr（最大色散）；Mc光缆富裕度）。本文采用G.652标准光纤，故色散限制的中继段长度为L =D /D （式 5.3）D sr m根据以上计算，色散和衰耗都能满足的中继传输距离不大于ld。各相邻通信分中心之间 的距离都未超过此距离，故该铁路线所设通信分中心之间无需设置中继站。4. 采用MLM光源的中继长度计算根据最坏值设计法计算，采用MLM光源的1.和L、其色 散和衰耗都能满足的中继传输距离不大于Lp,而铁路线各相邻通信分中心的距离都大于 Lp,所以该设计要求系统不采用MLM光源，应采用MLM光源。该铁路线，假设在铁路线的东、西两侧的光纤通信系统互联边界（5DH、PDH边界）产生 的指针调整与净负荷映射过程将产生抖动，影响系统性能。在此边界节点上指针调整的 频度与网管节点的同步性能相关，如执行异步映射功能的SDH输入网管丢失同步，则时 钟的频偏和频移将导致整个SDH网络的指针持续调整，恶化同步性能。网同步方式的选 择直接影响到整个网络的性能。目前数字网换节点时钟的同步一般有主从同步和相互同步两种方式。相互同步方式 不采用分级结构，不设主时钟，网同步的实现是靠网各交换节点的时钟相互控制、调整， 最后形成一个稳定、统一的