Vorwort Mit dem Beginn des Informationszeitalters und der rasanten Verbreitung und Anwendung neuer Dienste und Technologien haben Art und Umfang der Kommunikationsdienste sowie die Nutzeranforderungen sprunghaft zugenommen, was zu leistungsfähigeren und größeren Kommunikationsnetzen geführt hat. Auch die Ausrüstung von Backbone-Übertragungssystemen wird ständig modernisiert – von Kabel- zu Glasfaserübertragung, von analoger zu digitaler Technik und von PCM und PDH zu SDH, DWDM und OTN (Open Transmission Network). Für viele weitverzweigte Netze, wie U-Bahnen, Stadtbahnen, Flughäfen, Stromverteilungsnetze, petrochemische Anlagen und Chemiewerke, kommen häufig hybride Kommunikationssysteme zum Einsatz. In diesen Fällen ist OTN eine ideale Lösung. Da U-Bahnen und Stadtbahnen in der Regel 10–20 km lang sind und 10–20 Stationen anfahren, konzentriert sich die Kommunikation größtenteils auf die Leitstelle (OCC) und die Stationen (Depots). Dies erfordert verschiedene Arten von Sprachkommunikation, Zeiterfassungssystemen, Rundfunksystemen, Videoüberwachung, drahtlosen Systemen, Stromüberwachung, Zugüberwachung, automatischer Fahrgelderfassung und Drehkreuzsystemen. OTN integriert diese Dienste in ein schnelles, einfach zu verwaltendes und distanzunabhängiges Glasfasernetz. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Einführung in das OTN-System. Bedeutung und Eigenschaften von OTN: OTN (Open Transport Network) ist ein Übertragungssystem, das auf modernster Glasfasertechnologie basiert. Es nutzt einen Dual-Loop-Ansatz, der eine höhere Netzwerkverfügbarkeit ermöglicht und verschiedene Dienste in einem einzigen Netzwerk integriert. Dadurch kann es nahezu alle Übertragungsaufgaben bewältigen und Anforderungen wie Sprache, Daten, LAN, Video und weitere Spezialdienste erfüllen. Wie in Abbildung 1 dargestellt: Der Name OTN verdeutlicht das Wesen des Systems: Offen: Durch die Verwendung von Schnittstellenmodulen unterstützt es nahezu alle gängigen physikalischen Schnittstellenstandards sowie verschiedene spezifische Kommunikationsprotokolle in speziellen Umgebungen. Transport: Da die Hauptoperationen von OTN auf der physikalischen Schicht des OSI-Modells stattfinden, ist es transparent für verschiedene Protokolle höherer Schichten. Daher kann es verschiedene Informationstypen (wie Sprache, Daten, digitales Video und LAN) mit extrem hoher Zuverlässigkeit transparent übertragen. Netzwerk: Es nutzt Glasfasertechnologie, die Grundlage zukünftiger Netzwerkarchitekturen. Die Übertragungsdistanz ist praktisch unbegrenzt, was es zur idealen Lösung für hybride Umgebungen macht. Dank der Zuverlässigkeit und Flexibilität der OTN-Überwachung eignet es sich auch hervorragend für spezifische Dienste innerhalb des Netzwerks, wie beispielsweise die Verbindung von 2M-Ports zwischen Switches (PBX). Darüber hinaus lässt sich OTN durch Hinzufügen von Schnittstellenkarten problemlos von einer Umgebung in eine andere portieren und passt sich so schnell an die sich wandelnden Kommunikationsanforderungen an. Die langfristige Nutzbarkeit ist gewährleistet, wodurch sich OTN ideal für die langfristige Investitionsplanung eignet. OTN-Zusammensetzung: Aktuell sind drei OTN-Versionen verfügbar: OTN-36, OTN-150 und OTN-600 mit Bandbreiten von 36 Mbit/s, 150 Mbit/s bzw. 600 Mbit/s. Ein reibungsloser Upgrade zwischen den OTN-Versionen ist möglich. Die Version OTN-150 ist derzeit in U-Bahn-Systemen am weitesten verbreitet. Die OTN-Netzwerkarchitektur besteht aus vier Hauptsystemkomponenten: dem Glasfaser-Backbone, den OTN-Knoten, Schnittstellenkarten für den Systemzugriff und dem Netzwerkkontrollzentrum (NCC). Der Glasfaser-Backbone verläuft entlang der Kabeltrassen oder Kabelkanäle an den linken und rechten Tunnelwänden der U-Bahn- und Stadtbahnstrecken und verbindet die einzelnen Knoten zu einem Ring. Da die Entfernung zwischen U-Bahn- und Stadtbahnstationen in der Regel etwa 2 km beträgt, muss die Länge der Glasfaserkabeltrommel anhand dieser Entfernung berechnet werden. Verbindungen in der Mitte sind nicht zulässig. Für den Glasfaser-Backbone können drei Fasertypen verwendet werden: Multimode-Fasern (50/125 und 65/125) und Singlemode-Fasern (9/125). Optische Sender können LED-, CD-Laser- oder laserbasiert sein und mit Wellenlängen von 820 nm, 1310 nm und 1550 nm sowie Bandbreiten von 36 Mbit/s, 150 Mbit/s und 600 Mbit/s arbeiten. OTN bietet daher vielfältige Optionen für unterschiedliche Umgebungen und Investitionsmöglichkeiten. Aktuell nutzen die meisten U-Bahn- und Stadtbahnsysteme OTN-Netzwerke mit 150 Mbit/s Bandbreite, 1310-nm-Laserquellen und Singlemode-Fasern. OTN-Knoten sind über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung miteinander verbunden und bilden zwei in entgegengesetzter Richtung verlaufende Ringe: den Hauptring und den Sekundärring. Im Normalbetrieb werden Daten von den an das OTN angeschlossenen Geräten an den Hauptring gesendet, während der Sekundärring im Standby-Modus mit dem Hauptring synchronisiert ist, um die Systemverfügbarkeit zu überwachen. Im Notfall kann der Sekundärring die Datenübertragung teilweise oder vollständig übernehmen und so die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit verbessern. Die OTN-Knoteneinheit besteht aus einem gemeinsamen Modul und acht Standard-Schnittstellenmodulsteckplätzen. Das gemeinsame Modul umfasst optoelektronische Wandlermodule (OTR1, OTR2), eine optische Ringadapterkarte (ORA) und ein Netzteil (PSU). Typischerweise enthält es auch einen Ringstromgenerator (RG) für die Telefonanlage. Die acht Schnittstellensteckplätze können verschiedene Schnittstellenkarten aufnehmen. Abbildung 2 zeigt die spezifische Konfiguration. Die beiden optoelektronischen Module (OTR1, OTR2) werden in die ORA-Karte eingesetzt, die zusammen als gemeinsame Logikkarte bezeichnet wird. Das OTR1-Modul befindet sich unterhalb des OTR2-Moduls und ist jeweils mit dem Hauptring- und dem Nebenring-Glasfaserkabel verbunden. Die gemeinsame Logikkarte implementiert Zeitmultiplexverfahren (TDM) und verarbeitet die Ein-/Ausgabe zwischen den beiden OTR-Modulen und allen Schnittstellenkarten. Die ORA leitet die vom OTR empfangenen Informationen an die entsprechende Schnittstellenkarte weiter und sendet die Informationen von der Schnittstellenkarte an das optische Fasermodul OTR zur Übertragung. Die ORA-Karte kann auch mit dem NCC kommunizieren. Wenn eine ORA-Karte an einem Knoten mit dem NCC verbunden ist, kommuniziert sie über eine Ethernet-Schnittstelle. ORA-Karten an anderen Knoten kommunizieren über einen Glasfaserring. Zusätzlich kann die ORA den Knotenstatus und Steuerdaten auslesen und den Glasfaserring verwalten. Es gibt zwei Arten von Netzteilen: Eines ist an jedem Knoten vorhanden und erzeugt die benötigten Spannungen (+5 V, +12 V, -12 V) für die Logikkarten und alle Schnittstellenkarten. Das andere liefert eine -48-V-Stromversorgung für Knotenanschlüsse mit Telefonanschlüssen. Bei Verwendung eines analogen Telefons verfügt dieses Netzteil über einen Klingelstromgenerator; bei Verwendung eines digitalen Telefons nicht. Alle Steckplätze und Schnittstellenkarten im OTN haben einheitliche Abmessungen und können in jeden Steckplatz eingesetzt werden. Alle Benutzergeräte werden über Schnittstellenkarten mit dem OTN-System verbunden. Die Schnittstellenkarte ermöglicht den Austausch von Informationen und digitalen Signalen, fügt digitale Signale in TDM-Frames ein, die im Ring übertragen werden, und extrahiert digitale Signale aus TDM-Frames. Diese Schnittstellenkarten sind im laufenden Betrieb austauschbar. Verschiedene Schnittstellenkartenmodule können für Sprach-, Daten-, LAN-, Steuerungs- und Videoverbindungen verwendet werden. Das Funktionsprinzip basiert auf der Zeitmultiplex-Technologie (TDM) zwischen den OTN-Knoten im Glasfaserring, wodurch mehrere Benutzer im Ring das Übertragungsmedium gemeinsam nutzen können. Bei TDM wird die Zeit in sich wiederholende Frames von jeweils 31,25 µs Länge unterteilt (ein Viertel der 125 µs langen Telefonframes). Diese Frames werden dann in Zeitschlitze von jeweils 1 Bit Länge unterteilt. Geräten können je nach ihren Signalübertragungsanforderungen mehrere Zeitschlitze zugewiesen werden, um die erforderlichen Übertragungsraten zu erreichen. Daher kann OTN zahlreiche universelle und dedizierte Schnittstellenkarten bereitstellen, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen und die technologische Grundlage für die Erfüllung neuer Benutzeranforderungen zu schaffen. Das OTN-System ist für Benutzergeräte und andere Kommunikationssysteme vollständig transparent. Das heißt, das Endgerät muss nicht wissen, ob das OTN Informationen überträgt. Es weist einer Verbindung viele zeitmultiplexierte Frame-Bits zu, stellt permanente virtuelle Verbindungen her, ermöglicht konstante oder variable Bitraten und multiplexiert Kommunikationsdienste effektiv über Hochgeschwindigkeitsmedien. Die Anzahl der zugewiesenen Bits hängt von der benötigten Bandbreite ab. Jedes Übertragungssystem kann aus verschiedenen Gründen ausfallen, beispielsweise durch Glasfaserkabelbrüche oder Transceiver-Fehlfunktionen, was zu Systemausfällen oder sogar zur vollständigen Funktionsunfähigkeit führen kann. Die Doppelringstruktur des OTN-Netzwerks verfügt über parallele Glasfasern mit Steuerungsalgorithmen an jedem Knoten, wodurch das Netzwerk einzigartige „Hot-Standby“- und Selbstheilungsfunktionen erhält. Im Fehlerfall ermöglicht die automatische Rekonstruktion des Glasfaserübertragungspfads den Weiterbetrieb des Systems. Basierend auf dem Ausfall des einfallenden Lichts oder der Übertragungssynchronisation können Knoten alle Fehler sofort erkennen. Jeder Knoten kann entscheiden, Daten von der Eingangsfaser zurück zur Ausgangsfaser eines anderen Rings zu senden und so einen neuen logischen Ring zu bilden, der den Endknoten zweimal durchläuft. Im Normalbetrieb werden Daten über den Hauptring übertragen, während der Sekundärring als Backup dient und die Synchronisierung aufrechterhält. Bei einem Faserbruch im Hauptring schaltet die OTN-Netzwerkübertragung automatisch auf den Sekundärring um und gewährleistet so den normalen Systembetrieb. Sind sowohl die Haupt- als auch die Sekundärringfaser ausgefallen, senden die beiden benachbarten Knoten die Informationen über die Ausgangsfaser automatisch zurück an die Eingangsfaser eines anderen Rings desselben Knotens. Dadurch entsteht eine Rückkopplung, die den Systembetrieb aufrechterhält und das fehlerhafte Segment isoliert. Dies gewährleistet die Systemverfügbarkeit und hohe Zuverlässigkeit. Fällt ein Knoten aus, senden die beiden benachbarten Knoten die Informationen über die Ausgangsfaser automatisch zurück an die Eingangsfaser eines anderen Rings desselben Knotens. Auch hier entsteht eine Rückkopplung, die den Knoten isoliert. Die übrigen Knoten können so lange weiterarbeiten, bis der defekte Knoten repariert ist. Anschließend schaltet das System wieder auf den Hauptring um. Netzwerktopologie: Die Netzwerktopologie lässt sich in logische und physische Topologie unterteilen. Die logische Topologie beschreibt den Informationsübertragungsweg im Netzwerk, während die physikalische Topologie die Anordnung der Knoten und Übertragungsmedien sowie deren Verbindungen beschreibt. Zu den logischen Topologien gehören Doppelring- und Daisy-Chain-Strukturen. Die Doppelringstruktur bietet optimale Fehlerbehebung und gilt als die perfekteste logische Topologie. In einer Doppelringstruktur ist die Glasfaserleitung geschlossen. Bei einem Leitungsbruch reagiert das System über einen Rückkopplungsmechanismus und signalisiert so den Fehlerzustand. Das OTN-System korrigiert automatisch verschiedene Fehlertypen im Netzwerk und gewährleistet so hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Physikalische Topologien umfassen vier Typen: Punkt-zu-Punkt, Ring, Stern und Bus. Die physikalische Topologie des Netzwerks hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtsystemkosten und die Verfügbarkeit. Da OTN flexible Netzwerkoptionen bietet, können Anwender die passende Topologie entsprechend ihrer Umgebung und ihres Budgets auswählen und flexibel zwischen verschiedenen Topologietypen wechseln. Die Guangzhou Metro nutzt ein Ringnetzwerk, das nicht nur Investitionen in Glasfaserkabel spart, sondern dank der automatischen Fehlerbehebung des Doppelringnetzwerks auch ein hochzuverlässiges und verfügbares Backbone-Netzwerk für das Kommunikationssystem der Guangzhou Metro gewährleistet. Vergleich verschiedener Übertragungstechnologien: Aktuell werden in städtischen Schienenverkehrssystemen hauptsächlich die folgenden vier Technologien eingesetzt: PDH (Plexisynchronous Digital Hierarchy Process), SDH (Synchronous Digital Hierarchy Process) und OTN (Open Transmission Network). Die technischen Merkmale und Anwendungsbereiche der einzelnen Übertragungssysteme sind wie folgt: PDH (Plexisynchronous Digital Hierarchy Process): PDH blickt auf eine lange Entwicklungsgeschichte zurück, ist sehr ausgereift und relativ stabil und wurde in frühen digitalen Glasfasernetzen weit verbreitet eingesetzt. Mit der rasanten Entwicklung der Kommunikationstechnologie und dem stetigen Wachstum der Nutzeranforderungen kann es den Entwicklungsbedarf von Kommunikationsdiensten jedoch nicht mehr vollständig decken. Seine Hauptnachteile sind: geringe Übertragungskapazität; inkonsistente digitale Signalraten und Rahmenstrukturen, die es jedem Hersteller ermöglichen, seine eigenen optischen Schnittstellen zu entwickeln; Der Bedarf an optischen Transceivern, Multiplexern und PCM-D/I-Geräten zum Aufbau eines optischen Übertragungsnetzes erfordert zwei Netzwerkmanagementsysteme zur Verwaltung des Übertragungsnetzes und der Zugangsgeräte, was zu einer komplexen und redundanten Gerätestruktur führt. Daher wird diese Technologie heutzutage selten für den Aufbau von Kommunikationsübertragungsnetzen eingesetzt. SDH (Synchronous Digital Hierarchy Process): SDH ist ein Produkt der frühen 1990er-Jahre, basiert auf dem TDM-Übertragungsprinzip und verfügt über ausgereifte ITU-T-Standards und -Produkte. Es zeichnet sich durch fortschrittliche Technologie, flexible Vernetzung, einfache Erweiterung und Aufrüstung, hohe Netzwerkzuverlässigkeit, standardisierte optische Schnittstellen und vollständig offene internationale Übertragungsstandards aus, was Tests und Wartung erleichtert. Im Schienenverkehr weist es jedoch folgende Nachteile auf: Begrenzte Schnittstellentypen (nur PDH-Standardschnittstellen), Bedarf an zusätzlichen Zugangsgeräten (PCM-D/I) bei der Übertragung von Schmalbanddiensten, fehlende direkte Video- und LAN-Schnittstellen (externe Video- und Ethernet-Router erforderlich) sowie die Notwendigkeit unterschiedlicher Netzwerkgeräte für die Verwaltung von SDH, PCM, Video und Ethernet. Obwohl SDH für den städtischen Schienenverkehr einige Nachteile aufweist, führt seine ausgereifte Anwendung in öffentlichen Netzen und Bahnkommunikationssystemen sowie seine hervorragende Serviceunterstützung weiterhin zu seiner weitverbreiteten Nutzung im städtischen Schienenverkehr. Ein gängiger Netzwerkansatz kombiniert SDH mit einem dedizierten Videonetzwerk und Ethernet. Dies erfordert zwar eine höhere Anzahl an Glasfaserkernen, reduziert aber den Bandbreitenbedarf des SDH-Übertragungssystems erheblich. SDH-Übertragungssysteme werden beispielsweise in der Shanghaier U-Bahn und der Pearl Line eingesetzt. OTN (Open Transmission Network) ist ein von Siemens ATEA für private Netzwerkanwendungen entwickeltes offenes Übertragungsnetzwerk. Es basiert auf dem TDM-Übertragungssystem, seine Rahmenstruktur ist jedoch nicht standardisiert. Zu seinen Vorteilen zählen einfache Hardware, ein zuverlässiges Netzwerk, flexible Vernetzungsmöglichkeiten sowie einfache Erweiterung und Aufrüstung. Da OTN jedoch eine interne Unternehmensspezifikation und somit ein nicht standardisiertes System ist und sein Übertragungsstandard nicht international standardisiert ist, ist seine breite Anwendung in öffentlichen Netzen schwierig. Es eignet sich besonders für private Netzwerkanwendungen, insbesondere für geschlossene Netze wie den städtischen Schienenverkehr. Die Kommunikationssysteme der Guangzhouer U-Bahn und der Kaijin-Stadtbahn nutzen diese Technologie. In technischen Anwendungen ist OTN die optimale strukturierte und integrierte Lösung für große private Netzwerknutzer, die verschiedene gemischte Dienste (wie Sprache, LAN, Daten und Video) übertragen müssen. Es eignet sich für komplexe Systemumgebungen mit gemischter Kommunikation, wie z. B. U-Bahnen, Stadtbahnen, Flughäfen, Pipelinesysteme, Bergbau, automatisierte Industrieanlagen, das Militär, Kabelfernsehnetze und petrochemische Betriebe. Dieses System wurde bereits in den U-Bahn-Linien 1 und 2 von Guangzhou eingesetzt und wird aktuell in der Stadtbahn von Tianjin genutzt. Das Netzwerk dient der Bildung von Kommunikations- und Steuerungssystemen, darunter Kommunikations-, Signal-, Energieüberwachungs-, Gebäudeautomationssysteme und automatische Fahrgelderfassungssysteme. Durch die einheitliche Einführung des OTN-Netzwerks entfällt einerseits die Notwendigkeit, für jedes System ein eigenes unabhängiges Netzwerk aufzubauen, was Investitionen spart und die Wartung vereinfacht. Andererseits kann aufgrund der hohen Zuverlässigkeit, der hohen Verfügbarkeit und der ausgezeichneten Selbstheilungsfähigkeit des OTN-Netzwerks jedes System den Übertragungsteil als „transparent“ betrachten, wodurch gegenseitige Störungen vermieden werden, wenn jedes System sein eigenes Netzwerk bildet. Dies bietet einen zuverlässigen und sicheren Informationsübertragungspfad für das U-Bahn-Kommunikations- und Steuerungssystem und legt den Grundstein für den normalen Betrieb jedes Systems.