PTN与MSTP的技术对比及PTN技术在温州轨道交通的应用探讨
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作者:潘圣凯
【摘要】 对MSTP与PTN技术做了对比，以温州市域铁路S1线专用通信传输系统为例，通过分析城市轨道交通通信业务需求，以及TDM业务在PTN网络中的PWE3仿真实现技术、时延特性等，阐明了PTN技术完全能够满足温州市域铁路S1线以太网业务和TDM业务需求。
【关键词】 城市轨道交通 分组传送网 基于SDH 的多业务传送平台 时分复用 时延
一、引言
城市轨道交通通信传输系统是通信系统中最重要的子系统，是组建城市轨道交通通信网络的骨干与基础，是连接控制中心、车辆段、车站之间信息传输的主要手段，其特点是需要承载包括语音、数据、图像等多元化业务类型的信息，为所承载的业务提供一个完善的、综合的、一体化的网络平台。
二、主流传输技术简述
2.1 MSTP技术的主要特征
MSTP，是Multi-service transport platform（多业务传送平台）的缩写，是基于同步数字系列（SDH）技术，同时实现时分复用（TDM）、异步转移模式（ATM）、以太网等业务接入、处理和传送功能，并提供统一网管的网络。由于传统SDH技术只支持电路交换和接入，该技术往往只用于传送TDM的业务，而无法传送宽带频繁变化的分组业务，而MSTP技术改进了传统的SDH设备，它成功地接入多种不同的协议，可承载不同颗粒大小的业务。
下面简述下MSTP的四个发展阶段：
第一代MSTP增加了点到点的以太网通路、ATM VP环，同时支持PPP映射，它的优点是提供了许多IP数据接口，保证了基于IP的数据业务可以在一个传输网络平台上完成传输。但其缺点也非常明显：数据业务配置过程相对复杂、宽带消耗严重以及映射成本昂贵、性能低;。
第二代MSTP（基于二层交换）在技术上做了改进，加进了IP技术的技术标准和部件，可以同时支持以下标准：X86 GFP、LCAS、802.3MAC交换、虚级联。其技术缺点如下：没有解决数据传输过程中的拥塞问题、成本昂贵、数据带宽消耗依然严重;在支持802.3情况下，不能支持端到端的QoS保证;。
第三代MSTP（含RPR功能的MSTP）将RPR处理功能融入MSTP，MSTP借助于RPR功能可以妥善地解决好数据业务传输与语音两者之间的冲突，实现了公平的带宽分配、以太网带宽的统计复用、更加严格的QoS以及更加安全的用户隔离功能。
第四代MSTP引进了ASON这一功能，MEF UNI也开设出能够自由传送ASTN的控制台，从而轻松地发现网络的拓扑结构，实现全网带宽动态的分配。
温州市域铁路S1线专用通信及公安通信皆采用了第三代内嵌RPR功能的MSTP技术搭建传输骨干网络。但随着承载业务对宽带需求的不断增加，考虑后续线路采用新的传输技术来搭建传输骨干网路也提上了日程。
2.2 PTN技术的主要特征
PTN，是Packet Transport Network（分組传送网）的缩写，其技术特点是在底层光传输媒质和IP业务之间设置了一个层面，针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务，提供具有更低的总体使用成本（TCO），同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、搞笑的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM网管、可扩展较高的安全性等。PTN支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，其优点有以下四个方面：
1.提供了更加适合于IP业务特性的传输管道，适合各种粗细颗粒业务;
2.具备丰富的保护方式，遇到网络故障时，能够实现小于50ms的电信级业务保护倒换;
3.继承了SDH强大的网管功能，具有点对点连接的管理体系，保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力;
4.继承了MSTP网络在多业务、高质量、高可靠、可管理等方面的优势，同时具备了以太网的低成本和统计复用特点。
2.3 MSTP与PTN的比较
三、温州市域铁路业务需求分析
以温州市域铁路S1线为例，其专用通信传输系统承载业务及带宽需求如表2所示。
由表2可以看出，S1线工程专用通信传输系统综合承载语音、数据和视频业务，总计带宽约3664Mb/s。其中，专用电话语音业务带宽为54 Mb/s，仅占总带宽的1.5%;以太网业务带宽为3610 Mb/s，占总带宽的98.5%。综合以上业务需求分析，并考虑到系统保护所需带宽，专用通信传输系统的容量按10Gb/s考虑。
PTN技术虽然满足了温州市域轨道S1线以太网业务的特点，但轨道交通仍存在少量TDM业务，如表2中专用电话系统，所以满足TDM 业务的延时性能成为了PTN网络能否在轨道交通应用的关键。
四、时延分析
不同业务信号对延时的敏感程度各不相同，对于轨道交通专用电话业务，当通道传输时延过大时，会使受话方等待时间过长，给人一种失去联系的感觉，降低了用户体验。ITU-T协议中G.114和G.131描述了时延参数对电话业务的影响：正常情况下端到端通话150ms以下的时延，对于大多数用户来说是可以接受的;在用户预知的情况下，可以接受150ms到400ms之间的时延;但对于大于400ms的时延，就有10%的人感觉到通话困难，其语音质量基本上是不可接受的。因此对于城市轨道交通专用电话系统，200ms时延是一个合理的要求。
五、TDM电路仿真
PWE3是Pseudo Wire Emulation Edge to Edge（端到端伪线仿真）的缩写，是在分组交换网络上模拟各类点到点业务的技术，能为各类业务在分组交换网络边界提供端到端的业务仿真。图1所示为PWE3的工作原理。其在边缘源节点PE（运营商设备），采用PWE3技术适配从AC（接入链路）传送来的客户业务，封装Tunnel（隧道）标签与PW（伪线）标签，然后通过复用到输出端口的段层上来转发。在路径上的转发节点PE按照封装标签进行包交换，将数据包沿标签交换路径逐条转发直到传至目的地PE节点。在目的节点识别标签，并通过PWE3技术适配还原出客户业务。 TDM电路仿真的基本思想就是在分组交换网络上面搭建一个“通道”，网络任一端的TDM 设备并不需要关心其所连接的网络是否是TDM网络，其实现方式是将TDM业务数据封装进特殊的电路仿真报文头，再以MPLS、IP等协议对封装后的报文进行承载，通过相应的包交换网络，到隧道出口后再进行解封装，然后重建TDM电路交换业务数据流。在分组交换网络上仿真传送TDM业务，主要包括数据的帧格式、TDM业务数据、信令、告警和同步定时信息，几个要素需要被运载到PW的另一端。承载E1电路仿真业务数据帧的装载时间与E1级联数有关，每一个E1帧为125us，可设置为0.125-5ms。
六、时延计算
TDM业务时延组成如图2。
PTN在用电路仿真技术传送E1业务时，会引入以下部分的时延。
Ta：封装时延，与级联数有关，每一个E1帧引入为125us。
Tb：缓存时延，与缓存设置有关，可调节，间隔亦为125us。
Tf：中间节点的转发时延，每节点不大于50us。
Tl：光纤链路的时延，每公里光纤引入为5us。
端到端时延：⊿t=Ta+Tb+Tf*节点数+Tl。
由于S1线E1数量不多，完全可以封装1帧，即源节点封装时延为125us;缓存时延一般为缓存深度的一半，缓存设置为4ms，缓存时延为2ms;市域铁路S1线共19个节点，最大转发时延为950us;光纤长度按100km考虑，链路传输时延为500us。故S1线端到端最大单向时延为3.575ms。
根据《分组传送网PTN总体技术要求》（YDT-2374-2011），在不考慮链路传输时延，且封装缓存不小于4ms和封装帧数不大于8帧的情况下，PTN网络的TDM业务端到端的单向时延应小于4ms。
我们把SDH的每个节点产生时延按60us考虑。网络上节点数量越多，PTN网络时延与SDH网络时延越接近，甚至会优于SDH网络。若S1线采用PTN承载专用电话业务时，端到端时延约为3.575ms，与SDH差别不大，可以满足专用电话业务对时延的要求。
七、结语
由上文可知，PTN完全可以满足S1线各业务对传输系统的要求。在后续线路具体实施过程中，可以充分考虑采用PTN承载TDM业务的技术特点，通过合理的组织、配置网络加以优化改进。
在城市轨道交通快速发展的今天，地铁行业服务信息化、运营信息化、管理信息化的程度日趋加深，不断有层出不穷的多元化业务被开发，增添到地铁的传输系统中，传统的传输技术必然不能适应新业务高带宽、大颗粒的技术要求。而PTN 技术则凭借着其独特的扁平化传输特点，辅以强大的网管及保护能力成为了未来地铁行业传输系统的发展方向。
参 考 文 献
[1] 龚倩，邓春胜，王强.PTN规划建设与运维实战[M].北京：人民邮电出版社，2010
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