2023智慧高速F5G全光通信网技术白皮书-华为

过去30多年，我国的高速公路迅猛发展，通车里程逐年增多，已连续11年2022年《国家公路网规划》发布，高速公路未来有2.8万公里待建和约3万段，面向新形势下的业务诉求，通信网也正处于向下一代新技术演进的阶段。F5G(The5thGenerationFixedNetwork,第五代固定网络)全光网凭借超大多家高速公路行业企事业单位共同编制了《智慧高速F5G全光通信网技术白皮华为政企光网公路行业总监目录 1.1高速公路行业发展情况和未来趋势 2 31.3高速公路通信网演进趋势和诉求 5 72.1F5G的定义和简介 82.2F5G全光技术和网络方案 82.2.1光技术标准发展 92.2.2F5G全光方案网络架构 2.3F5G全光网络方案核心价值 2.3.1F5G全光承载网优势和价值 2.3.2F5G全光接入网优势和价值 3.1全光传输网 3.2全光收费业务网 3.3全光监测业务网 3.3.1主线道路监测场景 3.3.2隧道监测场景 3.4全光智慧服务区 3.5光缆数字化运维 264.1F5G助力浙江智慧高速高质量发展 4.2F5G助力广东打造高速公路全光大动脉 4.3F5G搭建四川智慧高速“共享+独享”双业务通道 4.4F5G助力黑龙江高速一张网运营、集约化发展 4.5F5G为江西梅岭隧道打造全光网络基础底座 附录-1缩略语 附录-2参考文献 参编人员(排名不分先后):参编单位(排名不分先后):黑龙江省交投信息科技有限责任公司宁夏交投高速公路管理有限公司中国通信建设集团设计院有限公司黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司哈尔滨交研交通工程有限责任公司广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司四川省公路规划勘察设计研究院有限公司广东省电信规划设计院有限公司智慧网云(北京)技术有限公司山西省交通规划勘察设计研究院有限公司云南华远电子有限公司华为技术有限公司高速公路通信网的现状和挑战1.1高速公路行业发展情况和未来趋势随着1988年沪嘉高速公路一期工程、沈大高速公路沈阳至鞍山和大连至国高速公路规模和通车里程稳居世界第一，截止2022年底，高速公路通车里程达到17.7万公里。通运输部陆续颁发多项交通运输行业和公路行业的发展政策，为高速公路高质量发展提供政策支持和科学指导。2019年9月，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》,提出以新时代族伟大复兴中国梦提供坚强支撑。2021年11月，交通运输部印发《公路“十四五”发展规划》,提出“十四五”“建管养运”统筹和全生命周期管理能力，注重绿色低碳发展和安全保障能力，提升路网安全水平和系统韧性，实现到2035年基本建成覆盖广泛、功能完备、集1.2高速公路通信网现状和挑战随着现代交通运输业的不断发展，高速公路在我国运输业中的重要作用逐渐显现。机电工程是高速公路工程中最为重要的一环，在保障高速公路出行的安全性、便捷性和稳定性方面发挥得十分关键的作用。高速公路机电工程系统隶属于交通工程(安全设施、管理设施和服务设施)调发展。通信系统是高速公路机电系统的“中枢神经”,作为信息化底座，为监测系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时的传输提供通路，保证高速公路各管理部门之间业务联络的畅通，并为高速公路内部各部门和外界组织的通讯提供技术支持和保障。因此，通信系统的质量决定了高速公路机电系统的整体性能。早期，高速公路通信网主要是单条道路的内部通信网，随着高速公路建设规模不断加大，高速公路网正在逐步形成。在某些高速公路建设发达省份，随着道路数量和里程的增加，区域内高速公路机电系统联网建设的方案论证及工程实践陆续开展，高速公路通信系统也从单条道路的内部通信向路网广域通信转变。各省也结合本省实际情况和业务需求，对通信网进行独立规划和建设，主要采用PDH技术的PCM设备，2005年后，采用SDH技术建设高速通信系统的模式逐渐被采纳和推广，经过十多年的发展，各省份逐步建设了适合本省高速公路网的SDH数字通信网，承载高速公路收费、监测等关键业务2012年1月，交通运输部发布《高速公路通信技术要求》,确定高速公路通信网技术路线，干线传输网宜采用SDH/MSTP系统组建，路段接入网应与干2019年5月，国务院印发《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案的通知》,推动各省高速公路通信网互联互通，实现收费业务“一张网”运营；同年11月交通运输部印发《全国高速公路视频联网监测工作实施方案和《全国高速公路视频云联网技术要求》,全面推进视频监测网建设和视频联面临10倍级膨胀等；同时，联网收费和视频联网对通信网的实时性和稳定性因此，从2019年开始，各省陆续启动干线传输网和路段接入网的升级改造。截止2022年底，已有广东、江苏、浙江、云南、四川等约15个省份完成或正在进行干线传输网的10GSDH/MSTP向N*10G/N*100GOTN升级，同时，随着高速公路末端设备接口加速以太化，路段接入网也由SDH逐步发展到SDH/OTN/PTN/以太网等多种制式并存。PTN和以太网以IP技术为基础，采用带宽统计复用，具有尽力而为的转发特点。SDH和OTN属于承载网硬管备用路径省干传输网2路段接入网去部中省中图1.高速公路通信网现状示意图1.3高速公路通信网演进趋势和诉求化基础设施数字化建设基础上，深化智慧高速试点，各类智慧业务的实施对高速公路通信网的质量提出更加严格的要求。2021年11月，交通运输部印发《加快推进高速公路联网收费系统优化升级确率均为100%,实现全网计费准确率99.99%、在线计费调用成功率不低于99.99%,兜底计费使用率不高于0.01%。2023年5月，交通运输部印发《全国高速公路视频监测优化提升实施方案化升级，并开展视频点位加密等工作，以确保高速公路视频联网系统的长期稳定运行，视频实时接入率和在线率均不低于95%。高速公路通信网作为支撑高速公路智慧化的数字底座，为了满足以上业务能不同业务接入和端到端的安全传输诉求，需要通信网提供硬隔离承载能力，以保智慧化应用的落地，对各业务数据的完整性和稳定性传输提出更高要求，需要通信网具备全力送达、0丢包的传输能力；最后，为保障收费、监测、智慧等业务数据的传输与云端存储与调用，以及未来业务的按需扩展，需要通信网提供按需建2、业务传输低网络时延能力：为满足联网收费系统优化数据传输完整率、上传及时率、准确率均为100%的诉求，需要通信网具备实时传输能力。同时，未来智慧化车路协同、Al大数据云化处理的诉求也要求通信网具备端到端20ms级确定性低时延的能力。责连接高速公路末端感知设备和中心“智慧大脑”,必须具备整网高安全、高可靠路安全。另外，当前各类业务的指标诉求，如收费系统计费准确率99.99%、监测系统视频在线率不低于95%等，也更强调通信网必须具备极致安全、极致可靠的能力，具备多路由冗余保护能力和故障无损自愈能力。维护网络安全，2023年4月交通运输部发文《公路水路关键信息基础设施安全保护管理办法》,明确关键信息基础设施主要指如网络设施、信息系统等，高速公路水路关键信息基础设施的，安全保护措施应当与公路水路关键信息基础设施同高速公路通信网是高速公路建设中重要的基础设施组成部分，其为高速公高速公路F5G全光通信网方案以服务智慧高速建设为目标，遵循“统筹规公路通信网提供可持续演进的网络解决方案。2.1F5G的定义和简介时代通过电话铜线传输模拟信号，满足人民的语音需求；F2G数据传输速度得促进推动多媒体的进一步发展；F4G时代超过100Mbps的数据传输速率，高清电视、视频直播等在技术支持下逐渐普及；F5G在前几代基础上，在地和蓬勃发展。2019年12月，欧洲电信标准协会(ETSI)成立F5G行业规范工作组(IndustrySpecificationGroup,ISG),进一步定义第五代固定网络技术(ISGF5G),明确了F5G的三大特征：增强型固定宽带(eFBB)、全光纤连接(FFC)和保证可靠体验(GRE)。F5G以全光网络为目标，以XGS-PON、Wi-Fi6、2.2F5G全光技术和网络方案全光网络方案以光技术为基础，硬管道稳定传输为根基，结合高速行业发展诉2.2.1光技术标准发展(1)光传输网发展光传输网技术从上世纪80年代PDH(plesiochronousdigitalhierarchy)用于干线传输网络和路段接入网络的建设。SDH是同步数字传输体制，是一种够实现承载带宽为10G。SDH采用TDM时隙隔离，即是划分不同时隙独立配期一代的硬管道技术，为业务分配独享的物理资源(时隙),提供全力以赴、0丢业务发展。随着数字化发展进程的深化，SDH10G传输带宽已不能满足各个行业发率提升至100G以上，满足数字业务带宽增长的诉求。同时OTN以延续SDH率最低的子波长为ODUO,其速率为1.25Gbps,因此最小满足1.25G颗粒带以ODUO为小单位帧进行分级复用，常用的也可提供环路2.5G/10G的网络解技术OSU则在继承SDH、OTN两代硬管道技术的优势上应运而生，是最新一代的光传输技术。其优势是在支持100G以上的超大带宽的同时，采用更小的颗粒度，最小到10M,从而适应更小颗粒业务接入，比如收费业务、路侧OSU相比OTN简化了帧复用过程中的封装层次，10M业务只需要两层封装即可送到线路侧，降低业务单站处理时延，只有同级别速率的40%,为车路协(2)PON技术发展PON(PassiveOpticalNetwork)技术是一种点到多点(P2MP)结构的为PON的主流技术选择。GPON系列标准由国际电信联盟电信标准分局(ITU-T)制定，当前主流使用的是GPON和XG(S)-PON标准，主要参与者包括中国和欧洲等大的运营商。标准时间标准时间商用时间PON因为波长规划不重叠、OLT平台支持GPON业务单板与XG下行：1490nm上行：1310nm下行：1577nm上行：1270nm下行：1577nm上行：1270nm下行：2.488Gbit/s上行：1.244Gbit/s下行：9.953Gbit/s上行：2.488Gbit/s下行：9.953Gbit/s上行：9.953Gbit/s表1GPON和XG(S)-PON主要技术规格理处(通信(分)中心)之间设立干线传输网；路段接入网是指通信分中心以下，路F5G全光通信网络基于现有的三级框架，从实际业务需求出发定义高速公路F5G全光网络。3圆生产业务接入网路段接入网省干传输网图3智慧高速通信网络F5G全光架构诉求明显增加。F5G全光方案可选择采用N*100G/200GOTN/OSU光传输组WDM波分复用技术，按需根据业务带宽通过扩波道方式实现带宽的平滑扩容和升级。费站、路侧数据到省通信中心交互和处理，以及数据下发。通信分中心3可采用2、路段接入网：当前高速通信业务系统智慧化的进程各省各区域有不同，带宽诉求从10G到100G+均有。F5G全光路段接入网络方案支持多种带宽诉宽可最小到10M,即提供最小10M业务的硬隔离承载，从而提升带宽利用率。面对智慧高速建设，如车路协同、数字孪生、Al场景需要极低时延可采用彩光N*10GOTN/OSU独享波长方案，实现收费站一跳直达路段中心，带来极低网路段中心 收费站收费站收费站收费站图410G/100G共享环-N*收费站共享10G/100G带宽收费站1收费站1路段中心收费站2收费站N收费站3图5N*10G彩光收费站一跳直达路段中心独享带宽费广场、收费车道、服务区及ETC门架等片区场景的接入网络采用等比分光星业务接入网建议采用TypeC单归属组网，实现从收费站通信机房到车道或路侧OLT部署在收费站通信机房，终结PON协议并实现三层网关和动态路由根据业务带宽需求选择合适的PON技术，当前阶段收费和视频业务接入网路段中心路段中心围VPN专线收费站通信机房A公路沿线工作站收费广场收费车道收费OLT图6高速公路生产业务接入网方案2.3F5G全光网络方案核心价值业务颗粒度覆盖广：可为高速通信系统提供客户侧接口GE/10GE/100GE宽灵活调度。线路侧接口包含2.5G/10G/100G/200G/400G等速率。400GQPSK下一代系统传输距离与当前100G相当，部署运维方式不变，容量翻倍，推动光下一代光传输走向400G*80波。灵活扩容：光谱范围支持C+L波段，单波最高支持800G业务承载能力，供客户侧1+1,电层ODUK/OSUSNCP,光层OLP/ASON等保护，覆盖客户侧、自愈时间小于30ms,类双总线结构不存在环网风暴，接入ONU之间故障隔离，作用及特点以太网链路聚合·负荷分担，增加上行链路带宽·聚合组成员互为备份，增强上行链路可靠性绑定双归属保护组·上行链路故障触发TypeB和TypeC双归属保护倒换，增强上行链路可靠性TypeB单归属·保护OLTPON口和主干光纤TypeB双归属·保护OLT设备、OLTPON口和主干光纤TypeC单归属·保护OLTPON口、主干光纤、分光器、配线光纤和ONUPON口TypeC双归属·保护OLT设备、OLTPON口、主干光纤、分光器、配线光纤和ONUPON口主控板冗余备份·转发面主备负荷分担，增强设备的数据转发能力·控制面和转发面解耦，提升ISSU和可靠性能力电源板冗余备份·提升设备硬件可靠性工业级·宽温-40~70度，网口共模6KV防雷，适应轨旁室外环境双电源输入·提升设备硬件可靠性表2GPON可靠性方案的特性列表车道和公路沿线接入数据一跳至达收费站，网智慧化发展的基础是数据，高速F5G全光方案为高速公路行业提供全面、专业的全光解决方案。本章从生产业务角度阐述高速公路F5G方案。高速公路通信系统的干线传输网和路段接入网，综合承载了收费业务、监测据相继承载在该网络中。F5G全光干线传输网络和路段接入网络通过纵向将一张网络划分为多个业务子系统网络，实现一张网络综合承载和演进。硬管道技术具备的确定性低时延，为车路协同、数字孪生、Al智能应用等场景带来极低时延体验。面对智慧公路建设，F5G全光承载网作为高速公路发展智慧底座有如下特点：1、全光统一管控，按子系统独立管控：管控拉通可达省级通信中心-通信分中心-路段中心-收费站，按照OTN/OSU管道进行端到端业务的发放和管控。OSU最小带宽分配到10M,实现业务带宽灵活分配，提升带宽利用率。2、业务硬隔离：业务支持区域/路段中心/省中心存储，业务汇聚上下。按照单板/单板端口/波长/时隙物理资源分配不同业务类型，实现业务硬隔离。应用等场景提供us级超低且确定性时延保证。务带宽调整(增加或减少),且秒级无损调整。支撑子网下该类业务的长期演进和管理，从而实现一张网承载高速业务的演进和升级。站级带宽按需灵活扩容按照10G/100G/200G/400G/800G步长，按每个智慧业务视類监测收费网智慧业务视類监测收费网省干传输网路段接入网省级联网中心省级联网中心省级通信中心生产业务一5图7高速业务一张网综合承载高速业务3.2全光收费业务网F5G全光接入网提供高可靠和确定性低时延的高速收费网络解决方案，确撑实时在线计费目标的达成。高可靠：收费站通信机房到车道和ETC门架全链路冗余保护，无源分光器不存在电应力失效，任意节点故障可在30ms内恢复，收费业务零中断。确定性低时延：收费业务分配固定带宽，每125us都有固定长度时隙完成收费数据回传，时延小于1ms,支撑实时在线计费。收费业务场景，F5G全光接入采用TypeC单归属组网，核心层部署1台OLT在收费站通信机房。OLT和ONU之间采用星形组网，收费车道根据双向车道数量选择分光比，一般情况下建议选用2个1:16等比分光器，具备接入双向16车道能力，分光器可部署在收费广场路侧人孔井或者中间收费车道；ETC门架建议选用2个1:8分光器，具备接入双向ETC门架的能力，可部署在其中一个ETC门架一体化机柜中。每个车道部署1台ONU,每个ETC门架部署23.3全光监测业务网针对高速公路监测细则和视频联网要求，F5G推出长链式全光组网方案，通过不等比分光技术和光中继技术，实现高速主线和隧道的监测业务覆盖。F5G全光监测方案的优势和价值：2、高可靠：传统以太环网中某个交换机节点故障导致整网链路发生倒换，多点失效。F5G光接入双总线架构不受节点数影响，自愈时间始终小于30ms。链路每经6~8个ONU节点后通过光增程器(ORU)中继可实现128级ONU和120km的长距接入，满足高速公路高密长距接入需求。收费站1收费站1同网络箱同网络箱②收费站2D高速干线监测场景，F5G全光接入采用TypeC单归属组网，核心层部署1台OLT在收费站通信机房。OLT和ONU之间采用链型组网，选用1:2不等比分光器，每级联6~8跳后增加光增程器；每个杆站部署1台工业级ONU,ONU具备双PON上行端口，支持TypeC保护。2个不等比分光器、1个光增程器和1个ONU同网络箱安装。3.3.2隧道监测场景务需要支持联动响应机制。F5G全光隧道监测方案针对隧道特点和网络诉求，利用PON技术的天然硬管道能力，支持各类监测业务综合接入，并根据业务重要运营和应急响应高效开展。☑D母可--图10F5G全光隧道监测网组网方案高速公路隧道场景，F5G全光接入采用TypeC单归属组网，核心层部署1台OLT在配电房通信机房。OLT和ONU之间采用链型组网，选用1:2不等比分光器，每级联6~8跳后增加光增程器；每个杆站部署1台工业级ONU,ONU具备双PON上行端口，支持TypeC保护。2个不等比分光器、1个光增C保护),利用隧道环形光纤资源形成双向链路冗余保护。3.4全光智慧服务区服务区作为高速公路的重要组成部分，为来往人员提供出行服务，逐步发展成为业态丰富、功能齐全的新型商业区，是高速公路重要的延伸产业。而服务区的信息化建设也在经营管理和公众服务等层面发挥着越来越重要的作用。服务区场景，F5G全光接入利用硬隔离专网切片特性实现服务区视频监测、车流检测及引导、人流统计、信息发布和免费Wi-Fi等多业务—网综合承载，服收费站收费站g服务区右辐核心交换机防火墙左辐图11.F5G全光智慧服务区解决方案多种业务需求。ONU设备能耗低等原因，服务区实现绿色低碳；全光P2MP架构光纤到房间、光纤到卡口，提升端口带宽利用率的同时减少水平综合布线；专网硬隔离切片，实现内外和外网一网承载，切片最小粒度ONU用户侧端口级别；整体建网成本降低30%。3.5光缆数字化运维1、光缆健康可视：融入OTDR系统，光纤在线监测OTDR系统(1511nm/1491nm单纤双向)与业务光系统(1310nm/1550nm)融合，实现高速全光网内嵌光纤在线监测。4.1F5G助力浙江智慧高速高质量发展浙江省已经建成高速公路逾5000公里，高速公路也正在朝着智慧化的方向解决方案：省级中心(集团网)省级中心(集团网)x-图12浙江F5G全光通信网方案务网分层架构，同浙江高速公路通信管理的“省级中心-路段中心-基层站所”·高安全：基于NHP构建的通信网，由于采用了100%的硬管道隔离技术，·高可靠：在通信节点间具备多路由的场景下，全光通信网条件满足的应连降了67%。·通信网络光缆因工程施工等原因中断频繁，断缆位置难定位，维护修复效率低。收费站1图13广东F5G全光通信网方案通信网包括干线传送网和路段接入网，统一采用OTN建设。大带宽：骨干传送采用N*100G&10G混合组网，路段接入采用N*检测功能的单板实现光纤故障高效定位。·带宽平滑演进，无需新增光纤基础设施，满足未来10年智慧高速业务流量爆发式增长诉求。·FiberDoctor实现断纤位置远程分钟级定障，米级定位，提升现场运维效率。背景：S省在高速公路智慧化方面走在全国前列，早在2021年7月S省交通运输厅就印发了《S省智慧高速公路建设指导方案》,在2022年高速公路约2千公里满足智慧设施传输带宽及时延要求。F5G采用“共享+独享”的方案，为S省高速路段项目搭建既满足传统业务传输需求，又满足智慧业务传输需求的双业务宽需达到20G。路段中心的带宽需达到20G。·因智慧业务带宽需求量较大(总带宽大于100G),并且对时延要求较高，以前采用的站站手牵手组环的方式已不再适用，需搭建既满足相邻站之间的传统业务传输，又能满足一跳直达路段中心的智慧业务传输的组网方案。解决方案：¥OTN设备QTN设备收费站OTN设备OTNOTN设备图14S省F5G全光通信网方案建设方案如上图所示，采用OTN设备既可逐站落地，又可穿通中间站点直达目标站点的特性，在两个相邻收费站中采用2波10G搭建两站间共享通道，在收费站到路段中心间搭建2波10G直达通道(中间站点波长直接穿通),实现“共享+独享”双业务通道。大带宽：各收费站既有到相邻站的共享带宽，又有直达收费站的带宽，整个网络带宽轻松超过100G,并且后续智慧业务再度膨胀后，只需要增加波道，扩容轻松简洁。高可靠：F5G具备多种保护方式，主用链路中断后可在50ms内倒换到备用链路，倒换保护效率高于PTN方案。客户价值：·一张网满足逐站传输和一跳直达两种传输需求，简化运维，适用多样延时要求；·具备多种保护方式，具备升级为动态ASON的能力，保障客户网络安全·后续扩容只需增加波道即可，灵活方便，新老业务走各自通道，保护前期4.4F5G助力黑龙江高速一张网运营、集约化发展骨架公路网布局方案的总体规划，建设高速公路通信专网。设立高速公路联网收速发展的需求。·长途骨干光缆资源稀缺，原有SDH收费网采用四纤双向复用段保省公司和地市分公司网管数量多，维护工作量大，无法端到端监测和开通业务。·接入层需要考虑面向未来车路协同超低时延传输需求的演进能力。高管局/信息中心粤省干传送路段分中心息接入传送省级云平台XX分公司息图15黑龙江F5G全光通信网方案省干40*100GMS-OTN开启SDH和OTN平面，收并原有SDH收费网原有SDH收费网接入网，在分公司/路段分中心界面以SDH2.5G接入省新建高速接入层传输采用1波彩光的10G三混线路板，SDH2.5G+7.5G效率高。信承载管道。网，节省60%投资，全面承载高速现有及未来所有业务。高性价比，低投·MS-OTN