摘 要 ：随着铁路运输模式的不断发展以及科学技术的不断提高,铁路专有通信业务对承载网络的需求越来越高,以 SDH 为基础的传输模式,已经难以满足当前数据化、智能化的运营需求, PTN 相较于现有的 SDH 传输来说,是针对分组业务 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应用于多业务环境,大大提高了通信传输的效率和质量。本 文主要围绕 PTN 设备在铁路通信网络中的应用进行了分析,以供参考。
朔黄铁路共有 41 个车站,行车组织中使用了分散自律式调度集中系统,运输安全中采用了红外、远动、 车次号等集中监控系统,两万吨列车引入了无线重连系 统,在公司管理上也实现了信息化办公,各种业务依 靠中间的数字化平台串联在一起,实现了公司的正常运 转。而支撑数字化平台功能的是传输设备,将每一个车 站的所有数字化信息进行汇总打包,集中传送到肃宁北 站进行处理,为了使通信工程更加高效简便的运行,并 保护信息传递的安全性,就需提高传输技术,保障信息 通信工程运行更为有序,减少运行过程中可能出现的各 类问题和缺陷,为公司的良好运营提供积极的支撑。
1 朔黄线传输设备情况
朔黄线传输设备, 从组成形式来看, 可分为四个部 分 ：(1) 正线的华为、中兴双套 10G+2.5G 系统 ;(2)黄万线的华为、中兴双套 2.5G 系统 ;(3)LTE 系统的 华为 2.5G+155M 系统 ;(4) 经过朔黄线的集团 10G 环 路系统。
这四部分传输系统的速率虽然不同,但整体的组网 思路、运用方式一致,因此本文以正线的华为、中兴双 套 10G+2.5G 系统为典型进行分析。
1.1 朔黄正线传输设备组网情况
朔黄正线传输设备主要是华为公司、中兴公司的 MSTP 设备,它是在 SDH 的基础上添加了数据管理特性组成的 系统,所谓 SDH 是一套可进行同步信息传输、复用、分 插、交叉连接的标准化数字信号的结构等级,而 SDH 网 络则是由一些基本网络单元组成的,在光纤上进行同步信 息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络,它具有统一 的网络节点接口,具体的速率等级如表 1 所示。
表 1 SDH 系统传输速率等级
Tab.1 SDH system transmission rate level
朔黄线传输设备按照功能分为两层,骨干层和接入 层。对于骨干传输系统,出于安全考虑,采用了双套冗余 设计, 在每个骨干站点都安装了两套设备, 即两套 2.5G 或两套 10G 设备;对于接入层, 只安装了华为 155M 系统。骨干层的传输设备组网如图 1、图 2 所示,为便于查看, 图中未列出 LTE 传输设备,其组网方式与图中一致。
华为传输系统采用 10G 链 +2.5G 环组网,其中 10G 系统为 1+1 保护链,每套传输除了端站外东西方向各 2 个 10G 光口, 分别连接 24A 光缆的 17/18 和 48A 光缆的 25/26 芯 ;2.5G 环采用二纤双向通道保护环组网,主用通 道为 96A 光缆的 1/2芯,备用通道为 48A光缆的 27/28 纤。
中兴传输系统的 10G 系统为 1+1 保护链,主用通道 为 24A 光缆的 19/20 芯, 备用通道为 48A 光缆的 29/30 纤 ;2.5G 系统采用二纤双向通道保护环组网,主用通道 为 96A 光缆的 3/4 芯,备用通道为 48A 光缆的 31/32 纤。
两套系统的区别之处在于,华为传输每个 10G 站 点均与 2.5G 站点有光纤连接, 10G 中继段与 2.5G 的备用通道中继段相同。中兴传输并不是每个 10G 站点 均与 2.5G 站点有光纤连接, 2.5G 备用通道中继段大于 等于 10G 中继段距离。
图 1 朔黄铁路华为传输设备组网简图
Fig.1 Huawei transmission equipment network diagram for Shuohuang railway
图 2 朔黄铁路中兴传输设备组网简图
Fig.2 Network diagram of ZTE transmission equipment on the Shuohuang railway
1.2 传输设备承载业务情况
目前朔黄传输系统承载的业务主要有,数字调度、 自动电话(包括软交换中继)、办公网(5T/ 红外 / 远动 / 本安等)、运输网(CTC/ 综合调度 / 车站管理等)、视 频监控、视频会议、公安信息网、LTE 业务、车站动力 环境监控、LTE 基站环境监控、LTE 远动等。
其中华为传输主要承载了办公网主用通道、运输网 主用通道、数字调度主用通道、自动电话(包括软交换中 继)通道、高清视频会议备用通道、车站动力环境监控、 公安信息网、LTE 业务、LTE 基站环境监控、LTE 远动。 中兴传输设备主要承载了办公网备用通道、运输网备用 通道、数字调度迂回通道、高清视频会议主用通道、车 站视频监控、视频会议、信息化工程的综合接入通道。
2 朔黄线传输业务分析
结合前文介绍的 MSTP 系统,可将传输设备上承载 的业务分为两个类型, 一个是传统的 SDH 业务, 一般 以同轴电缆接入 ;另一个是以太网业务, 一般以网线、 光纤接入,按照此方法对业务进行归纳后如下所示。
2.1 传统的 SDH 业务
数字调度、自动电话(包括软交换中继)、车站动 力环境监控、信息化工程的综合接入通道、肃宁北 - 神 池南和肃宁北 - 黄骅港软交换通道。
2.2 以太网业务
以太网业务包括办公网(5T/ 红外 / 远动 / 本安等)、 运输网(CTC/ 综合调度 / 车站管理等)、视频监控、视频 会议、公安信息网、LTE 业务、LTE 基站环境监控、LTE 远动等。
传统的 SDH 业务,以节省速率为设计原则,常以 2Mbit/s 作为基础速率,如数字调度业务, 一个区间占用 2 个 2Mbit/s 的通道, 自动电话局内各站一般占用 2 ～ 3 个 2Mbit/s 的通道,这些设备投用较早,功能单一,组 网稳定但变化困难。以太网业务对速率要求高, 以办公 网为例,技术站一般分配 1000Mbit/s 的专用通道,站 区所在站一般分配 155Mbit/s 专用通道,非站区车站 一般 60Mbit/s 通道,而且随着信息化业务的功能增强, 这些通道仍显不足。
3传输设备功能分析
SDH 系统的电路调度均以 TDM 为基础, TDM 就 是时分复用,就是将一个标准时长(1s)分成若干段小 的 时 间段(8000), 每一个小 时 间段(1/8000=125us)传输一路信号。因此 SDH 传输的是时隙,最小单元是 E1. 电路带宽是固定的。
朔黄线使用的是 MSTP 系统,属于 SDH+ 以太网的 复合功能实体, SDH 特性占 70%,以太网特性占 20%, 内核还是 TDM,其相互关系如图 3 所示。随着公司信息 化的大力普及,带宽的需求急剧增加,而 SDH 的环速率 属于专享资源, 一个 STM-1 只能承载固定数量的刚性管 道,对传送的数据有严格的外形要求,必须是“块状结 构”,而且大小也是标准的,这样运输的效率最高。
图 3 SDH 和 MSTP 之间的关系示意图
Fig.3 Schematic diagram of the relationship between SDH and MSTP
而以太网的基础 IP 的帧长是可变的,与 TDM 的块 大小并不吻合,因此需要将末端 IP 化, IP 可以作为 SDH 的货物,通过 SDH 进行传输。在 MSTP 系统中,采用 的是 MPLS(Multi-Protocol Label Switching) 多协 议标签交换技术。传统 IP 网络中, 路由技术是不可管 理、不可控制的。IP 逐级转发,每经过一个路由器都要 进行路由查询(可能多次查找),速度缓慢,这种转发 机制不适合大型网络。而 MPLS 是通过事先分配好的 标签,为报文建立一条标签转发通道(LSP),在通道 经过的每一台设备处,只需要进行快速的标签交换即可 (一次查找),从而节约了处理时间。
MSTP 系统中,网络的交叉、管理、调度仍然以 TDM 为基准,所有 IP 业务流向需手工指定,效率、灵 活性不足,无法更好地承载数据业务。随着通信的发 展,终端业务从打电话为主,变成了上网为主,数据业 务占比大幅提升,尤其是朔黄铁路开通 LTE-R 后,由 于 LTE 系统业务为分组化、统计复用业务,存在突发 性业务,而 TDM 的刚性管道承载分组业务,汇聚比受 限,统计复用效率低,带宽利用率低,不能提供差异化 QoS 服务,不支持 1588V2 时间同步协议,已经不能很 好地适应现在的通信业务发展。
4 PTN 设备应用探讨
分组传送网 PTN(Packet Transport Network), 是新一代传送网络,在分组传送的基础上对分组业务进 行高效的传送,并且兼容性很好,可以与传统的 TDM 和 ATM 进行兼容。从技术特性上来看,它具有以下特性。
(1)遵循TMPLS, 即经过改进的 MPLS, 即TMPLS= MPLS-IP+OAM,通过硬件收发管理报文来实现对信道的监控和管理,而 SDH 通过开销字节实现系统的 OAM。
(2)从传输单元上看, PTN 传送的最小单元是 IP 报文,而 SDH 传输的是时隙,最小单元是 E1 ;PTN 的报文大小有弹性,而 SDH 的电路带宽是固定的。这 就是 PTN 与 SDH 之间的最本质区别。
(3)PTN 在分组架构的基础上吸收 SDH 完善的保 护倒换以及丰富的 OAM、良好的同步性,同时不断地 融合 MPLS/Ethernet 技术分组交换、Qos 管理以及统 计复用方法,从而实现了面向连接传送的功能。
(4)PTN 的核心模块是分组交换矩阵, 可以实现 传输带宽的统计复用,能够轻松应对突发数据流量,可 提高数据处理、转发效率和宽带利用率。
(5)由于 PTN 支持 1588V2 时间同步协议,可为 LTE-R 基站提供 100ns 级的高精度时间同步信号。既 可作为 LTE 系统的主用时间同步信号,也可作为 GPS 系统的备用,有效提高了系统的安全可靠性。
(6)PTN 设备支持完备的基于标准的 DiffServ, 包括 流量分类、流量监管(Policing)、流量整形(Shaping)、 拥塞管理、队列调度等。通过对接入的不同业务流提供 不同的层次化 QoS,能够对不同业务提供精细化的、有区别的服务。
由于 SDH 运行多年,很多成熟的业务仍以 TDM 为 基础,在朔黄铁路中,电话接入网、数字调度、部分动 力环境设备就是以 2M 线路做好基础承载,如果需要接 入 PTN 网络中,就把这些 TDM 业务进行仿真,然后 放在网络中传输,在出口处还原成自己原来的模样。
PTN 与 SDH 基于不同的协议,所以两个体系不能 混合组网,即网络之间不能实现对方的监控、管理及保 护倒换,但标准接口的业务可以互通。比如, PTN 可以 模拟 2M 等各种电路, 一般提供 E1 电口、STM-1 光口 等接口 ;PTN 也可传输 MSTP 承载的 FE、GE 业务,反 之亦然。如朔黄铁路现行的华为、中兴 MSTP 设备,可 以采用业务落地对接方式,通过 UNI 方式和 PTN 对接, 但是这样的对接只能简单完成业务的互通, OAM、保护 等重要功能都无法做到互通,且从组网拓扑看,存在单 点失效的风险。所以,结合朔黄铁路信息化业务的推进, 未来的通信将向着全 IP 的方向发展,当既有的 MSTP 设备运用年限到期后,我们应当考虑建设 PTN 传输设备 网络,更好地承载起朔黄铁路数字化事业的飞速发展。
根据图 4.完成对测试结果的分析 ：对比于传统基 于 t-SNE 降维和 KNN 算法空调传感器故障诊断测试 组、传统 MMD 迁移学习空调传感器故障诊断测试组 以及此次所设计的小波神经网络空调传感器故障诊断测 试组,最终得出的传感器故障诊断单元耗时均被控制在 0.25s 以下, 说明在小波神经网络技术的辅助下, 当前 对于传感器故障诊断的效率明显提升,针对性增大,误 差可控,具有实际的应用价值。
3 结语
综合上述分析,便是对基于小波神经网络的空调传 感器故障诊断方法的设计与验证分析,与初始的空调传 感装置故障诊断形式相比对,此次结合小波神经网络技 术,所设计的故障诊断形式更加灵活、稳定,自身更具 有较强的针对性,结合不同的传感器应用环境,第一时 间提取传感器存在的问题,设计对应的故障诊断方案, 最大程度缩短实际的诊断时间,提升整体的诊断效率。 与此同时,结合小波神经网络技术,解析故障诊断的时 频特性,反应传感器的瞬态变化,以此来调整诊断的方 向,获取更真实的诊断数据,使其训练诊断速度更快, 实践应用更为便捷。
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