城市軌道交通通信傳輸系統應用

李勤超

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510000)

城市軌道交通通信傳輸系統應用

李勤超

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510000)

分析城市軌道交通通信傳輸系統的功能需求和定位，以及通信網絡數字化趨勢下傳輸系統承載業務接口的發展趨勢。簡要介紹傳統的OTN(開發式傳輸網絡)技術、MSTP(多業務傳輸平臺)技術，重點闡述以PTN(分組傳輸網絡)技術作為城市軌道交通通信傳輸系統應用的可行性及優勢，展望PTN技術在地鐵中的應用前景。

軌道交通;通信;傳輸系統;分組傳輸網絡

1 通信傳輸系統概述

通信系統的傳輸子系統作為城市軌道交通通信網絡的重要組成部分和信息傳輸載體，主要用于承載數據、語音、圖像等運營管理信息。數據類信息主要包括通信系統各子系統的監控信息、時鐘及網絡同步信號、列車自動監控(ATS)信息、門禁系統(ACS)信息、自動售檢票系統(AFC)信息、計算機網絡系統(EMIS)信息、電力監控系統(SCADA)信息、火災報警系統(FAS)信息、環控信號(BAS)信息、綜合監控信息、乘客信息顯示系統(PIDS)信息等，語音類信息主要包括有線調度信息、無線調度信息、公務電話信息、站間行車電話信息、廣播音頻信息等，圖像類信息主要包括視頻監控信息、視頻會議信息、乘客信息顯示系統車載視頻監視信息。

隨著通信技術的不斷發展，傳統的TDM(time division multiplex)業務逐漸被IP(Internet protocol)數據業務取代，語音信息向數字化方向發展。同時，隨著人們對視頻圖像的要求越來越高，標清視頻、高清視頻技術得到快速發展，傳統的模擬視頻監控系統逐漸被數字視頻監控系統取代，城市軌道交通通信網絡也呈現數字化、IP化的發展趨勢。通信業務的數字化，對通信網絡提出了更高的要求，需要傳輸系統具有更強大、更靈活的數據處理能力，對傳輸帶寬的要求更為迫切。

2 傳輸系統需求分析

2.1 基本性能需求

基于城市軌道交通運營的實際情況，通信系統的傳輸子系統必須具有可靠性、可維護性、可擴展性以及防潮、防塵、防震等性能。

可靠性主要體現在適應連續24 h不間斷運行的要求，平均無故障時間 (MTBF)應達到行業先進水平并具有系統冗余保護。

可維護性主要體現在有適當的測試點、故障隔離和故障診斷功能，并盡量能減少維護成本和人工成本。

傳輸系統設備應具有擴展性，以滿足遠期地鐵線路站點的增加，并且設備節點的增加不影響現有設備的運行，軟件設置盡量保持不變。

傳輸系統具有防潮、防塵、防震性能，主要考慮到設備用房的特殊位置和設備調試時溫度、濕度、粉塵等不利的環境因素。

2.2 功能需求

2.2.1 多業務接口

目前，城市軌道交通的傳輸系統與其他系統的接口類型主要有E1中繼接口、以太接口(GE、FE)、視頻接口、音頻接口、RS422等。隨著新技術的發展和應用，IP類以太接口將成為主流接口，但考慮到各城市的用戶習慣和偏好，以及與既有設備的兼容性，在一段時間內將繼續存在多業務接口的現象。系統接口類型和發展趨勢見表1。

2.2.2 系統保護

通信傳輸系統在城市軌道交通運營中十分重要，必須具有系統保護功能。雖然各生產商的設計思路和采用的保護機制可能不同，但終歸必須具有線路保護和核心板卡冗余保護兩個方面。線路保護主要指必須具備主、備兩個光纖環路，當其中一條光路某點出現故障時，設備會重新形成鏈路;當某一設備出現故障時，除故障節點設備外的其他設備能重新形成鏈路，確保業務不中斷。核心板卡保護主要針對電源板、控制板、處理板等板塊，可以設置1∶1/n的或者1+1的保護，并保證業務不中斷，同時保證系統保護倒換的時間不大于50 ms。

2.2.3 靈活組網

由于城市軌道交通控制中心、線內車站、車場、車輛段等的地點可能比較分散，線網內部分系統存在聯絡需求的情況，因此要求傳輸系統的組網方式必須靈活。地鐵傳輸系統主要采用環形組網方式，環間采用相交環或者相切環來實現互聯，也可以采用環行網與鏈性結合的方式實現線內設備與線網內個別遠距離設備的鏈接。

2.2.4 網絡管理

網絡管理功能主要體現在故障自診斷、系統性能管理、配置管理、安全管理等。故障自診斷包括故障定位、故障分析、故障記錄等要求;性能管理指自動調整系統異常，設置和顯示性能監控門限，存儲系統性能數據，實時監控系統運行狀況;配置管理包括對本地及遠端設備進行參數設置、狀態查詢，最好能在不中斷業務的情況下實現遠程裝載、配置改變;安全管理主要包括對用戶的監控管理，用戶的創建、刪除、授權，用戶的操作和登錄鑒權、日志管理等。

2.3 承載業務QoS需求和帶寬需求

通信傳輸系統承載的業務主要包括語音、數據、視頻三大類，傳輸系統只有滿足其QoS(quality of service)需求，才能保證業務的正常傳送。語音業務對延時、抖動非常敏感，需要在傳輸通道中設置最高的優先級;IP數據業務和IP視頻業務都有流量突發的特性，但前者對延時、抖動、丟包不敏感，而后者對延時和抖動非常敏感。所以，傳輸設備的延時、抖動、漂移、誤碼率等指標都必須達到系統要求。在設計傳輸系統總帶寬和設備選型時，也要考慮帶寬和傳輸容量的問題(見圖2)。

表2 傳輸系統帶寬需求

需要說明的是，表2中的N代表單線站點的個數，考慮到各系統的潛在需求和遠期規劃，給每個系統的帶寬都賦予了足夠的富余。根據表2所列，業務數字化趨勢下要求城市軌道交通傳輸系統的最大傳輸容量大約為 3.6 Gbit/s，建議實際中考慮采用10 Gbit/s的設備。

圖1 PTN設備系統結構

3 兩種傳統的傳輸系統

就目前國內城市軌道交通通信傳輸系統而言，絕大部分使用的是OTN(open transmission network，開放式傳輸網絡)技術和基于SDH(synchronous digital hierarchy，同步數字體系)的 MSTP(multi-service transmission platform，多業務傳輸平臺)技術。

3.1 OTN開放式傳輸系統

OTN技術仍然采用時分復用技術，屬于同步傳輸體系，但其幀結構與傳統的SDH不同。OTN設備擁有多種符合國際標準的業務接口，具有較強的業務接入能力，由于業務的傳輸和接入設備融為一體，使系統得以簡化。提供的接口類型有RS232/RS422/RS485、2W/4W、E/M、2B+D、30B+D、E1、100 MB/10 000 MB/1 000 MB以太網、視頻及寬

帶廣播(150 kHz)等。

首先，OTN網絡結構簡單，自愈能力強，保護時間小于50 ms;其次，網絡易于擴充升級，網絡管理功能強，具有自我診斷功能，可通過軟件靈活分配所需的帶寬。由于OTN具有以上優點，所以能夠滿足軌道交通各種信息傳輸的要求。但是，OTN標準的制定較早，而OTN定位于面向SDH業務的點對點傳送技術，因此不能很好地滿足以太網的承載需求。

另外，OTN技術存在獨有性和國產化率的問題，其備品備件、售后服務及對網絡的升級改造等均存在問題，在軌道交通的應用逐步減少。

3.2 MSTP/SDH多業務傳送平臺

MSTP承載的業務類型包括TDM業務、IP數據業務、視頻、各種虛擬專線業務等。經過近幾年的不斷發展，MSTP已經集 PDH(plesiochronous digital hierarchy，準同步數字系列)、SDH、POS(IP over H)、以太網、ATM(asynchronous transfer mode，異步傳輸模式)、RPR(resilient packet ring，彈性分組環)等技術于一體，可通過多業務匯聚方式來實現業務的綜合傳送，通過自身對多類型業務的適配性，實現業務的接入和處理，適應多業務和多種技術相融合的應用場合。

在近期的軌道交通建設中，通信傳輸系統較多地采用了該技術組網。由于MSTP基于SDH技術，采用電路交換核心，所以其本質仍是TDM技術。雖然經過IP化改進但不夠徹底，提供各種IEEE的802.3接口以及L2功能來承載數據業務，但承載IP業務效率低、帶寬獨占、調度靈活度差，其能力仍不如純IP網絡。因此，MSTP技術的市場定位應該是以TDM業務為主，以數據業務為輔。

4 PTN在城市軌道交通的應用分析

4.1 PTN技術特點

PTN(packet trans-mission network)是面向分組、支持傳送平臺基礎特性的下一代傳送平臺，其最重要的兩個特性就是分組和傳送。PTN是以IP為內核、將以太網作為外部表現形式的業務層，其設備系統結構如圖1所示。

UNI為設備內部接口，NNI為網絡節點接口，數據平臺主要對多種業務進行適配轉發、交換、QoS處理、保護等，對OAM(操作、維護、管理)報文進行轉發和處理，并對同步信息進行傳送。控制平臺通過信令，建立、維持和去除端到端連接的功能。

4.1.1 PTN保留了SDH傳送網的基本特征

1)通過分層和分域，提供了良好的網絡可擴展性。

2)具備快速的故障定位、故障管理和性能管理等豐富的OAM能力。

3)具備可靠的網絡生存性，支持快速的保護倒換。

4)不僅可以利用網絡管理系統配置業務，還可以通過智能控制面靈活地提供業務。

4.1.2 PTN分組特性的基本特征

1)分組業務的突發性要求支持高效的統計復用，因此PTN必須支持基于分組的統計復用功能。

2)分組業務的CoS(class of service，服務等級)更加豐富，因此PTN必須提供面向分組業務的QoS機制，同時利用面向連接的網絡，提供可靠的QoS保障。

3)支持運營級的以太網業務，通過電路仿真機制，支持TDM、ATM等傳統業務。

4)通過分組網絡的同步技術，提供頻率同步和時間同步。

4.2 PTN作為城市軌道交通傳輸系統的符合性

PTN技術提供3種類型的業務模式。一是使用點對點的PWE3隧道協議，提供對TDM和ATM的接入支持;二是使用點對點或點對多點的以太網隧道通信協議EVC，提供對以太網的接入支持;三是與IP互通，或者接入到IP網絡，提供端到端的VLAN(virtual local area network，虛擬局域網)支持，同時還可以通過仿真的形式完成對語言業務的支持。可見，PTN能夠支持地鐵傳輸系統所有類型業務的接入。PTN的可擴展性、OAM能力、生存性技術、QoS保護機制等，都符合城市軌道交通傳輸系統的需求。

國內外像中興、華為、烽火、阿爾卡特等設備生產商，都推出了傳輸交換容量10 GB以上的產品，所以PTN技術也完全滿足地鐵傳輸系統的容量需求。

4.3 PTN作為城市軌道交通傳輸系統的優勢

PTN將成為城市軌道交通傳輸系統選型的一個具有優勢的解決方案，主要原因是其具有以下技術優勢。

1)PTN的優勢:支持多種基于分組交換業務的雙向點對點連接通道，具有適合各種粗細顆粒業務、端到端的組網能力，提供了更加適合于IP業務特性的“柔性”傳輸渠道。

2)完善的QoS機制:PTN支持分級的QoS、COS差異服務，滿足不同業務的差異化需求，從而能夠以最優的方式利用傳輸帶寬。

3)強大的OAM:基于傳送的方案可以很好地繼承傳統傳輸系統的維護習慣。除了支持基于SDH的維護方式外，也支持基于 MPLS(multi－protocol label switching，多協議標簽交換)和以太網的豐富OAM機制，并得到運營級的業務保護和故障處理。

4)時鐘同步:PTN方案繼承SDH優良的時鐘傳輸特性，不僅能夠滿足頻率同步的需求，而且還能根據相關協議的成熟情況支持時鐘同步，從而有與其他類型的設備互聯互通的可能性。

5 結語

綜上所述，城市軌道交通通信傳輸系統呈現出業務數字化、網絡IP化的趨勢，PTN技術憑借完善的OAM機制和強大的保護倒換能力，在IP化演化過程中顯示出很大的優勢。目前，國內外幾大傳輸設備供應商都推出了不同級別的PTN設備，PTN設備已在電信運營商中使用，并逐漸占據一定的份額。隨著PTN技術的進一步成熟、性價比的進一步提高，PTN技術可為軌道交通通信傳輸系統提供一種更好的方案。

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Application of Metro Communication Transmission System

Li Qinchao
(Communication and Signal Center，Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510000)

Abstract:The article analyzes the functional requirements and positioning of urban rail transit communication transmission system and the development trend of bearing service interface under the digital trend of communication network transmission system，briefly introduces the traditionalOTN (open transmission network)technology，MSTP(multi-service transmission platform)technology，and elaborates emphatically the feasibility and advantages of applying PTN(packet transmission network)technology as the urban rail transit communication transmission system，as well as the prospect of applying PTN technology in subway.

Key words:rail transit;communication;transmission system;PTN

U231.7

A

1672-6073(2012)02-0091-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.023

收稿日期:2011-09-26

2011-10-22

作者簡介:李勤超，男，大學本科，項目經理，從事軌道交通通信系統建設工程項目管理，liqinchao18198@sina.com

(編輯:郭 潔)