淺談高速公路通信系統(tǒng)及其聯(lián)網(wǎng)技術

肖家好

【摘 要】高速公路作為國家基建的重要形式，在連通各地區(qū)域和活躍社會經(jīng)濟方面發(fā)揮著不可取代的作用。在路政改革的深入推進下，伴隨著網(wǎng)絡技術突飛猛進的發(fā)展，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術不斷走向智能化、集群化。文章結(jié)合當前高速公路實踐，梳理與分析幾類常用的高速公路通信網(wǎng)絡技術，在此基礎上展望高速公路通信系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)技術的未來發(fā)展前景和趨勢，旨在為高速公路運營管理提供參考。

【關鍵詞】高速公路;通信系統(tǒng);聯(lián)網(wǎng)技術

【中圖分類號】U495 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0093-03

高速公路是交通系統(tǒng)的主要組成部分，出于安全、平穩(wěn)、高效運行的考慮，高速公路需要配套通信系統(tǒng)加以保障，達到實時監(jiān)控及調(diào)度交通狀況的目的。可以說，通信系統(tǒng)就是高速公路交通網(wǎng)絡的中樞神經(jīng)。在國家大力提倡交通高速化建設的背景下，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術應向無線集群和光纖傳輸過渡，著力構建新型數(shù)字通信系統(tǒng)。

1 高速公路通信系統(tǒng)基本概述

從概念上看，高速公路通信系統(tǒng)指的是高速公路運營管理、實時監(jiān)控及日常收費過程中獲取語音、圖像及數(shù)據(jù)的數(shù)字通道系統(tǒng)。從形式上看，現(xiàn)階段高速公路通信系統(tǒng)帶有極強的綜合性，現(xiàn)已發(fā)展成為光纖數(shù)字傳輸與同程控制數(shù)字交換系統(tǒng)的組合。從高速公路通信系統(tǒng)的構成上看，其主要包括光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控及收費數(shù)據(jù)傳輸通路、數(shù)字程控交換系統(tǒng)、金屬光纜敷設、路側(cè)通話系統(tǒng)、監(jiān)控及收費閉路電視傳輸通道、電源及接地系統(tǒng)等。從高速公路通信系統(tǒng)的設計目標上看，主要有以下幾點：①配套高速公路的收費及運營管理，滿足兩者的通信需求;②借助金屬電纜及光纜，達成圖像、語音、數(shù)據(jù)的傳輸;③以OAM&P等運行管理軟件組建SDH接入傳輸網(wǎng);④通過數(shù)字進程交換機系統(tǒng)傳達信令及提供ISDN等數(shù)字網(wǎng)接口;⑤實現(xiàn)基于高速道路的網(wǎng)絡運行管理信息查詢及軟硬件冗余校驗。

2 當前高速公路通信網(wǎng)絡技術的幾種形式

2.1 SDH技術

SDH（Syschronous Digital Hierarchy）技術，也稱同步數(shù)字體系傳輸系統(tǒng)，SDH技術的前身為準同步數(shù)字體系系統(tǒng)，即PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）。在PDH技術基礎上發(fā)展而來的SDH技術已經(jīng)成為當前我國高速公路通信系統(tǒng)的主流。從SDH技術的原理上看，經(jīng)由同步數(shù)字體系，高速公路通信系統(tǒng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以被輸入同一主機系統(tǒng)內(nèi)，然后結(jié)合傳輸需求實現(xiàn)傳輸及通信。從構成上看，SDH系統(tǒng)帶有一定的復雜性，涉及傳輸平臺主機系統(tǒng)、配套通信設備，如解碼器、路由器等，由此也對系統(tǒng)的運行提出了更高要求，在技術管理中如未及時發(fā)現(xiàn)隱患故障，有可能導致整個通信系統(tǒng)受影響。加上SDH技術支撐下的高速公路通信網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳遞上過于依賴路由器，帶寬又過低，在實際應用中往往難以兼顧高速公路各類狀況下的通信需求，通信反饋緩慢或阻塞問題時有發(fā)生[1]。

2.2 ATM技術

ATM技術（Asynchronous Transfer Mode），也稱異步傳輸模式，ATM技術可視為SDH技術后的新型網(wǎng)絡技術。該技術最早應用于20世紀90年代，其基于B-ISDN概念而延伸，主要特色是在同一網(wǎng)絡下能夠?qū)⒄Z音、圖像、視頻等數(shù)字信息進行傳遞交換，ATM技術可作為ITU-T寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)傳送模式而廣泛應用。從ATM技術的原理上看，它主要在信元（ATM cell）、交換（ATM switch）、虛連接（ATM vc）的技術上實現(xiàn)。ATM技術在應用中憑借自身具備的標準化技術細則及可靠穩(wěn)定的多媒體通信網(wǎng)絡標準，在高速公路通信系統(tǒng)中逐漸發(fā)揮出其帶寬高、延時低及普適性強的特征，成為新網(wǎng)絡技術的重要形式。概括而言，ATM技術的特點主要有以下幾點：①Q(mào)OS，即業(yè)務質(zhì)量保證系數(shù)高，可能提供連接QOS的故障;②cell，簡單且固定長度的短數(shù)據(jù)包一單元;③通信信息統(tǒng)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)高寬帶利用及分復用，實時性好;④交換方式面向連接;⑤有效控制高層數(shù)據(jù)流并快速處理傳送差錯。例如，在不同場合下傳輸音視頻及圖像，均能夠保證傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。此外，在B-ISDN，即寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)中，ATM技術作為關鍵核心技術而存在，由此也可看到ATM技術具備廣域上的適應性優(yōu)勢，而在圖像、音頻、視頻及相關數(shù)據(jù)的傳輸上，ATM技術廣泛應用在LAN及WAN中。在ATM技術及系統(tǒng)不斷成熟的背景下，一些國家高速公路組建通信系統(tǒng)網(wǎng)絡時都將之作為關鍵技術，ATM技術也在高速公路通信系統(tǒng)中逐漸顯現(xiàn)出其技術上的經(jīng)濟性和適應性。

2.3 IP技術

IP技術得益于20世紀90年代互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴大及互聯(lián)網(wǎng)用戶的幾何式增加，基于互聯(lián)網(wǎng)的各項業(yè)務呈現(xiàn)量級上的大爆發(fā)。至此，IP技術得到迅猛發(fā)展，并成為通信系統(tǒng)的重要技術支撐，為信息網(wǎng)絡發(fā)展演變提供了新的技術空間。從實踐中看，以IP技術為基礎而發(fā)展的數(shù)據(jù)業(yè)務逐漸成為各行業(yè)的主流，IP技術也滲入IP電話、傳真、電視電話、可視電話、點播電視等眾多新媒體業(yè)務板塊中，而在寬帶通信領域更是隨處可見IP技術身影。IP技術與Internet平臺的結(jié)合，現(xiàn)已發(fā)展為IP包容一切常見業(yè)務類型。從IP技術的定位上看，其主要位于OSI（Open System Interconnection），即開放系統(tǒng)互聯(lián)七層模型網(wǎng)絡層上，也稱為第三層技術。從IP技術的功能上看，主要是能夠經(jīng)由IP獲取系統(tǒng)非實時型數(shù)據(jù)，帶有強兼容性、高靈活度、強擴展性、技術先進性突出等顯著優(yōu)點，相比ATM技術中的53字節(jié)信元，IP不具備固定的信息長度，但其可以兼容長短信息，一方面能夠為高速公路系統(tǒng)收費環(huán)節(jié)提供計算機網(wǎng)絡技術支持，另一方面由于其延差相對較大，具有延時抖動的劣勢，所以在高速公路通信系統(tǒng)音視頻傳輸方面可利用范圍受限。隨著IP技術標準的改進，現(xiàn)階段高速公路的常見業(yè)務類型，如路況畫面?zhèn)鬏敗崟r無線連接等，借助IP地址及網(wǎng)絡編解碼器，在互聯(lián)網(wǎng)IP層取得一致的情況下，也能夠達到預期的音視頻功能需求。此外，高速公路通信系統(tǒng)應用IP技術后，借助TCP/IP協(xié)議，通信系統(tǒng)可以更加便捷地應用程序接口，在高速公路通信系統(tǒng)及外網(wǎng)的對接上就可以輕松實現(xiàn)。在高速公路建設標準逐漸提高的背景下，借助IP技術還能夠?qū)σ恍密浖M行自主定制式開發(fā)，這就賦予IP技術極強的拓展性。需要注意的是，應用IP技術時，考慮到互聯(lián)網(wǎng)的開放性，需要同步配套應用網(wǎng)絡防火墻技術及加密技術，以盡可能降低通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)泄露及遭受黑客攻擊的概率。

3 高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術未來發(fā)展前景和趨勢的思考

以上高速公路通信系統(tǒng)技術形式各具優(yōu)勢，但也有短板。隨著信息技術的發(fā)展及交互，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術逐漸向技術融合及重疊的方向發(fā)展，呈現(xiàn)出技術上的互補性。總體而言，未來的高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術將向光纖化、科學化、數(shù)字化、高效化及安全化方向演變[2]。具體而言，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術未來前景和發(fā)展趨勢如下。

3.1 ATM技術及SDH技術的交叉融合——ATM over SDH

ATM技術及SDH技術各自的技術優(yōu)勢實現(xiàn)結(jié)合，構成ATM over SDH技術，一方面能夠發(fā)揮SDH技術大容量及穩(wěn)定傳輸?shù)男阅埽硪环矫婺軌蚪柚鶤TM具備的面向連接特點，達到通信系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的高效傳輸交換，從而為智能化高速公路建設做好技術鋪墊。為此，在ATM技術應用的基礎上，融入SDH技術，尤其是路由通信技術，能夠使ATM借助路由途徑交換數(shù)據(jù)。ATM over SDH技術的工作原理及實現(xiàn)路徑如下：數(shù)據(jù)采集由ATM完成并形成信元，打包為SDH幀，然后在數(shù)據(jù)傳輸過程中借助SDH技術，在ATM強大的連接交換能力保障下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定及安全。例如，美國、法國、日本、德國等電信技術較發(fā)達的國家，針對ATM寬帶實用化及ATM與SDH技術結(jié)合應用的研究在廣泛開展，ATM為高速公路通信方案的建立及完善做出了巨大貢獻。我國早期在高速公路電信干線網(wǎng)上大范圍推廣應用了SDH技術，基于ATM技術實驗網(wǎng)的搭設也高速推進，并在北京、上海等高標準等級的高速公路中采用了ATM技術及SDH技術[3]。隨著高速公路特性及業(yè)務需求的拓展，在規(guī)劃設計新的高速公路路段時，設計人員開始在SDH技術的基礎上引入ATM技術，在兩者的結(jié)合中，極大地擴展了高速公路的容量、網(wǎng)絡設計集成度、集成評價效果等。因此，在高速公路未來通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術的形式上可優(yōu)先考慮使用ATM over SDH技術。

3.2 IP技術及ATM技術的交叉融合——IP over ATM

隨著IP技術的趨于成熟，IP技術的應用場景不斷擴大，高速公路通信系統(tǒng)中的IP技術與ATM技術的融合具備了可能性。IP over ATM技術主要是對數(shù)據(jù)流首個數(shù)據(jù)包加以路由地址處理，然后按路由進行轉(zhuǎn)發(fā)，之后根據(jù)計算出的路由選擇ATM網(wǎng)建立VC（虛電路），數(shù)據(jù)包在VC通道下采用Cut Through（直通）的方式實現(xiàn)通信信息的傳輸[4]。這一技術過程在數(shù)據(jù)傳輸上不再經(jīng)由路由器，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的高速率，達到第二層數(shù)據(jù)交換速度。在IP over ATM技術的研究上，將IP技術用于高速公路流量調(diào)度及故障分析，顯示出兩類技術性能疊加的優(yōu)勢，配套多媒體設備的使用，高速公路通信系統(tǒng)在資源管理及流量分配上可控性更高[5]。

3.3 IP技術及SDH技術的交叉融合——IP over SDH

IP over SDH技術是一種物理傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)原理是以SDH作為IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡渠道。具體而言，就是使用鏈路適配和成幀協(xié)議封裝IP數(shù)據(jù)包，采用字節(jié)同步處理手段將經(jīng)過封裝的IP數(shù)據(jù)包進行映射，使其進入SDH凈荷封裝，實現(xiàn)速率傳輸?shù)膶崟r性、連續(xù)性。因為IP over SDH技術具備IP技術面向非連接屬性，該技術也稱PPP over SDH或Packet over SDH。IP over SDH技術主要應用于高速公路收費數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)，這一技術通過SOH、AU指針及凈負荷可工程統(tǒng)一的多模塊混合狀幀結(jié)構，然后形成一個統(tǒng)一矩形幀，按照固定列字節(jié)運行，速率的傳輸速度極為顯著。隨著路由器處理能力的升級，特別是新型千兆（位）路由器技術出現(xiàn)，IP over SDH技術可以選用新型千兆（位）路由器作為基礎硬件構成單元，然后利用硬件快速技術、緩存（Cache）技術及Cel交換單元，可以延伸路由器交換模式，進一步獲取高速率傳輸。在高速公路收費站路由器上設置E1傳輸通道，連通匯聚中心單元及核心層，高速公路各片區(qū)中心收費監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠匯聚轉(zhuǎn)發(fā)到省中心，即可對收費數(shù)據(jù)進行匯總分析[6]。

3.4 IP技術及WDM技術的交叉融合——IP over WDM

光波分復用（WaveLength Division Multiplexing，WDM），該技術借助一根光纖可以將多個波長的光信號進行同時傳輸。一般而言，相比其他技術形式的疊加，IP over WDM技術具備更加簡單的結(jié)構，在通信上也更加便捷，比之ATM技術及SDH技術能夠節(jié)省更多層次，在光纖傳播通道下，功能重疊因素得以剔除，在效果上能夠?qū)崿F(xiàn)資源配置效率的加成。一些建造標準不高的高速公路，在搭建通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術時，出于經(jīng)濟性及實用性因素考慮，選用IP over WDM技術，一方面不需要投入過多的通信系統(tǒng)輔助設備，另一方面能夠簡化網(wǎng)路管理，因而該技術極具較大的應用前景和價值。從當前通信技術的發(fā)展趨勢及高速公路通信系統(tǒng)實踐中看，因為IP over WDM技術帶有直接體系結(jié)構的巨大優(yōu)勢，SDH層及ATM層得到極大簡化，傳輸效率有了顯著提高，所以它在高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術中大有用武之地[7]。

4 結(jié)語

高速公路是我國基建工程項目的重要代表，關系到國計民生及社會經(jīng)濟發(fā)展大勢。高速公路要得到平穩(wěn)安全運行，高效的通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術不可或缺。隨著高速公路建設力度的提升，尤其是網(wǎng)絡通信技術的不斷成熟完善，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術逐漸朝著數(shù)字化及信息化方向發(fā)展。在具體選擇高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術形式時，應結(jié)合高速公路的規(guī)格及各類技術形式的優(yōu)缺點，本著優(yōu)勢疊加的原則，平衡高速公路通信系統(tǒng)的高效性及成本性，促進我國高速公路通信事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻

[1]李世民.高速公路機電工程通信系統(tǒng)技術的相關分析[J].通信電源技術，2020，37（8）：205-207.

[2]何月芝.高速公路機電工程通信系統(tǒng)技術探討[J].建筑工程技術與設計，2020（13）：3910.

[3]柳有龍.高速公路機電工程通信系統(tǒng)技術的有效應用[J].建筑工程技術與設計，2020（12）：2346.

[4]朱彥姣.PTN在高速公路通信系統(tǒng)中的連通與應用[J].通訊世界，2020，27（4）：56-57.

[5]高航遠.高速公路通信系統(tǒng)技術探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（10）：143-144.

[6]李論.高速公路智能全程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構及通信[J].數(shù)碼設計（上），2020，9（2）：47-48.

[7]黃飛.現(xiàn)代高速公路機電通信系統(tǒng)新技術分析[J].建筑工程技術與設計，2019（36）：1967.