PON+PTN技术在高速公路通信专网中的应用
引言
同步数字体系（SDH）从上世纪90年代中期进入实用化，在全球获得了巨大的发展，SDH的出现被业界认为是光传送网领域的一次革命。我国高速公路专用通信网的光传送网主要采用SDH技术，随着高速公路网密度加大和网格化及Internet快速发展，交通信息化快速提高，SDH网络的固有缺点已不能适应新业务需求，高速公路光传送网的升级和演进已提到议事日程。
1、高速公路SDH解决方案存在问题
高速公路SDH解决方案诞生之初主要是解决高速公路上的电话通信、监控设备信息传输用的，主要提供E1、RS232、RS485等各类低速业务接口。后来随着高速公路视频监控和收费业务的需要，以及MSTP技术的发展和成熟，又逐渐增加了以太网业务接口。目前的SDH设备在高速公路上主要是承载监控业务、收费业务等各类IP业务，而传统的电话业务反而只占用了很少的带宽。随着接入网向宽带化、程控交换向软交换方向发展，E1接口和各类低速度业务接口正逐渐被高速公路淘汰。
以SDH为核心的解决方案已经在高速公路通信系统应用了10多年了，实践经验证明，SDH承载技术能够满足高速公路基本业务的需要，为高速公路的通信、收费、监控、运营管理等系统提供了稳定可靠的传输通道。但随着高速公路以视频监控业务为主的宽带业务不断增加，SDH这种以电路交换为核心的技术已经越来越难以承载大量的宽带业务，其主要表现有以下几个方面：
1）传输效率比较低。SDH技术原本就是以传输固定速率和低带宽的电路业务，以2M为基本颗粒，因此其承载10/100M以太网时需要将以太网数据分割成无数个2M颗粒，经过层层的封装和复杂的转换过程才能在光纤上传输，因此其传输以太网效率非常低，在传输视频业务时这种带宽的浪费尤其严重，只有约50％左右的带宽能够用户传输以太网业务。
2）升级扩容代价比较高。对于新增视频监控等高带宽需求的以太网业务，SDH系统只有通过升级传输带宽和增加以太网单板等方式实现，而SDH系统中成本最贵的就是光板和以太网板，因此其升级扩容代价比较高，且替换下来的设备和单板基本无用处。
3）对高速公路视频监控等以太网业务承载性不好。SDH只能对以太网业务提供有限的固定带宽通道，而不能够提供大容量宽带、带宽动态调整、多等级服务质量等业务，无法完全发挥以太网业务的特点。
4）无法解决最前端业务的接入。通信系统只能解决通信机房的业务，而高速公路沿途和收费站内的各种监控和收费业务只能通过其他设备接入到通信机房，因此传统的通信解决方案不能解决高速公路外场的设备接入问题，随着高速公路通信监控收费网络融合，这种问题会越来越突出。
2、PTN、PON技术简介
2.1PTN技术
PTN（分组传送网，Packet Transport Network）是一种光传送网络架构和具体技术。在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它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、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、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，具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力，提供了更加适合于IP业务特性的“柔性”传输管道；点对点连接通道的保护切换可以在50毫秒内完成，可以实现传输级别的业务保护和恢复；继承了SDH技术的操作、管理和维护机制，具有点对点连接的完整OAM，保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力；完成了与IP/MPLS（多协议标签交换，multi-protocol label switching）多种方式的互连互通，无缝承载核心IP业务；网管系统可以控制连接信道的建立和设置，实现了业务QoS的区分和保证，灵活提供SLA（服务等级协议，Service-Level Agreement）等优点。
另外，它可利用各种底层传输通道（如SDH/Ethernet/OTN）。总之，它具有完善的OAM机制、精确的故障定位和严格的业务隔离功能，最大限度地管理和利用光纤资源，保证了业务安全性，在结合GMPLS（通用多协议标志交换协议，Generalized Mul-tiprotocol Label Switching）后，可实现资源的自动配置及网状网的高生存性。
PTN设备的接口速率除了传统的2M、155M，主要是千兆以太和万兆以太，因此可以明显降低每Mbit的传送成本，并且由于技术的进步，端口密度、设备容量体积比大大增加，而耗电量明显降低。
2.2PON技术
PON（无源光网络，Passive Optical Network）是指ODN（光配线网）中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成,不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），一级一批配套的安装于用户场所的光网络单元（ONU）。在OLT与ONU之间的ODN包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。
PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。
PON信号传输上下行采用不同的方式。在下行方向上，OLT将信号以广播式发给所有的用户，在上行方向上，各ONU采用时分多路访问协议（TDMA）完成数据的回传。
目前用于宽带接入的PON技术主要有： EPON（以太无源光网络）和GPON（igabit-Capable PON），EPON以其完善的标准和低成本接入，已成为市场的主流应用技术。
3、高速公路PTN＋PON解决方案概述
随着通信技术的不断发展，以分组传送网PTN和无源光网络PON为主的通信传输接入技术已经非常成熟，正在市场中大量的应用，逐渐替代原有SDH网络设备。在高速公路通信系统中，由于视频监控业务的逐渐增多，传统的SDH网络已经越来越难以满足业务需要，而PTN和PON技术却能够很好地解决宽带以太网业务的传输和接入中的问题，因此非常适合在高速公路中应用。
高速公路通信系统由干线光纤传输系统、综合业务接入系统、远端接入系统、程控交换系统等构成。其中干线光纤传输系统仍然采用现有的SDH设备，综合业务接入系统采用内置PTN的光纤传输设备和宽带接入设备组成，远端接入系统采用无源光网络PON设备组成，并可将PON的局端设备内置到ONU中。
1）干线光纤传输系统
采用传统的SDH设备有利于和原有干线网络的联网和业务管理。
2）综合业务接入系统
综合业务接入系统主要由光网络单元（ONU）和光线路终端设备构成（OLT）。接入网光传输系统采用新一代宽窄带一体化综合接入设备组建。在通信分中心设置一套局用型光线路终端设备，在各无人通信站站各设置一套用户型光线路终端设备。
接入系统采用全分组光纤传送技术－PTN技术的内置传输组建成千兆光纤自愈环网，为接入网提供千兆PTN光纤网络，为高速公路各类业务提供丰富的传输带宽。
3）远端接入系统
远端接入系统采用无源光网络PON系统设备组成，主要解决高速公路收费站和高速公路沿途的视频、监控数据等业务的传输和接入。PON系统由局端设备与多个用户端设备之间通过无源的光缆、光分/合路器等组成的光分配网连接。现在某些厂家可将PON系统的局端设备内置到综合业务接入网ONU或者OLT设备内，使远端接入系统与综合业务接入系统融为一体，并能够由一个网络管理系统进行管理和维护，使得高速公路的通信网络系统能够延伸到外场各个监控点，大大提高了高速公路监控系统网络的安全性和可靠性，并减轻了高速公路监控系统的管理和维护压力。远端接入系统组网示意图如下图2所示。
高速公路沿线监控数据和收费站监控收费数据采用EPON组网，外场监控摄像机接入前端编码器，多个编码器通过一根EPON光纤接入到通信设备上，布线方便节省光纤资源。同时EPON设备可以接入IP报警电话方便公路报警。还可以传输可变信号板和气象站等外场设备的数据，实现一个网络全面接入各种外场设备，这样整体提高了高速公路监控网络的安全性。
无源光网络支持话音业务、数据业务和视频业务三网合一的接入，提供良好的组播与动态带宽调度能力，支持大带宽的数据和互联网接入业务、VoIP业务、IPTV、CATV视频业务和L2VPN业务的开展，有效支撑广播式与交互式的VOD/IPTV/SDTV/HDTV等新兴高宽带业务的接入需求，并提供良好的QoS与安全性保障。
4、高速公路PTN＋PON解决方案特点
本解决方案具有如下特点：
4.1技术先进、是高速公路通信网络未来发展的一种趋势
全IP传输网络：从传统SDH系统的接口IP、内核电路交换升级到PTN系统的接口和内核均IP化，实现了接入网的全IP传输，并且前端PON设备也是以IP方式接入，因此实现了整个通信系统的IP化传输和接入。
全光纤网络传输：将光纤网络以PON的方式延伸到了高速公路沿途监控点，实现了高速公路整个网络的全光纤传输。
全宽带网络：以IP为核心，实现了全网全宽带，提供10/100M、1000M、10GE等各种宽带接口，能对各种宽带业务高效可靠的传输。
4.2全网统一管理，方便管理维护
全网所有设备都实现了统一的管理，特别是对外场设备也能够进行管理和维护，提高了高速公路通信系统管理范围，能够极大方便高速公路得管理和维护。
4.3高效承载高速公路视频监控业务
PTN和PON系统天生就是为大容量的IP业务所服务的，因此能够完全适应高速公路视频监控业务对传送网络的需要，特别是能够提供视频业务端到端的传输和管理、端口带宽流量的智能控制等功能。
4.4网络安全可靠
PTN网络完全吸收了SDH系统的保护和安全性能，PON作为无源光网络能够保证核心无源设备不会发生任何故障，因此整个网络具有高度的网络安全性和可靠性，能够持续稳定地为高速公路提供各类业务传送通道。
4.5系统功能强大，灵活提供各种业务，定制个性化业务
PTN系统设备交换能力强大，且能够提供更多的以太网业务接口，特别是能够传送大容量业务，同时还能提供原SDH系统设备的所有业务接口。系统可以根据业务需要，对业务进行分级管理和传送，根据不同的应用环境要求定制个性化的传送方案。
4.6可与现有网络无缝对接、融合
PTN系统能够提供E1、STM-1、STM-4等电路和光纤接口，能够和SDH系统实现对接，能够和高速公路已有网络设备实现互联互通。
4.7节能环保
由于PTN设备降低了网络的传送成本，且设备本身体积比较小，耗电量相比SDH更低，PON设备采用无源器件，无需耗费能源，因此整个解决方案非常节能、绿色、环保，能够有效降低运营成本。
5、结束语
通信技术发展日新月异，一种技术从发展成熟到市场应用，再到被新的技术取代，一般也就10来年的时间。SDH技术从成熟到大规模应用，目前已经近20年的时间了，已经大大超过了其生命周期。新的业务需求不断推动新的承载技术发展，特别是各种业务都已经逐渐IP化了，更需要适应以IP业务为主的新的承载技术应用到高速公路通信网络中。PTN—包传送网络正是为解决IP业务传输高带宽、高传输效率、高可靠性传输需要的一种技术，它作为SDH技术的升级，吸收了SDH系统的优点和IP交换的优点，具有广泛的应用前景。
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