地鐵通信系統(tǒng)中的新技術(shù)

王 賓

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308）

0 引 言

當前，我國眾多城市開始紛紛興建地鐵，它已經(jīng)逐步演變?yōu)榱斯步煌ǖ囊粋€重要組成部分。建設(shè)地鐵通信系統(tǒng)的意義重大，它能夠有效滿足語音、數(shù)據(jù)、文字以及圖像傳輸?shù)榷喾矫娴男畔⑿枨螅瑸榈罔F的安全通行創(chuàng)建堅實的保障。此外，其存在是自動售檢票系統(tǒng)、廣播和閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、時鐘與同步系統(tǒng)以及防災(zāi)報警等子系統(tǒng)能夠正常運行的一大重要前提。目前地鐵通信系統(tǒng)在實際運用時還存在著一些問題亟待解決，下文就其實際運用進行較深入的分析。

1 無線互聯(lián)互通技術(shù)

1.1 無線互聯(lián)互通技術(shù)概述

沿海地區(qū)有較優(yōu)越的區(qū)位優(yōu)勢，較之內(nèi)陸發(fā)展速度明顯更快，會吸引聚集大量人口，而地鐵由于具有承載量較大的優(yōu)勢，成為大城市緩解交通壓力的最佳工具。當前我國各地紛紛在加緊建設(shè)地鐵，由此來滿足百姓的出行需求[1]。為了更好地協(xié)調(diào)地鐵線路，當前在設(shè)計線路時除了延長通行線路，還采用了增設(shè)換乘車站的方式，使得地鐵能夠跨線混跑。而在此過程中所遇到的一大難題就是如何更好實現(xiàn)無線覆蓋和互聯(lián)互通，尤其是無線互聯(lián)，它是保障地鐵能夠安全運行的重要前提條件。

1.2 同類型設(shè)備的互聯(lián)互通

1.2.1 單中心交換機

基于多條線路和一個中心交換設(shè)備所構(gòu)成的這一類主要運用于互通互聯(lián)的設(shè)施被稱為單中心交換機。當前大多數(shù)地鐵在建設(shè)過程中出于成本考量均會采用此類設(shè)備來實現(xiàn)地鐵通信的無線互聯(lián)互通，在運用該設(shè)備前往往需要技術(shù)人員在線路中接入之前的中心交換機，而此舉的主要意義在于系統(tǒng)擴容[2]。同時，采用單中心交換機還有助于簡化調(diào)度流程，各線路中均存在一個小網(wǎng)絡(luò)，單中心交換機可以被視為一個大網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在各線路上的一個微小構(gòu)成內(nèi)容，在增加設(shè)備的情況下也能夠順利且高效地進行互聯(lián)互通。單中心交換機雖然有著上述種種優(yōu)點，但是也存在著一定的缺點。由于其核心是中心設(shè)備，且只有一個中心設(shè)備，這就意味著它必須具備很高的性能及較大的容量。即想要實現(xiàn)統(tǒng)一管理多個設(shè)備，就需要單中心交換機有強大的數(shù)據(jù)傳輸能力。此外，在對該類型設(shè)備進行系統(tǒng)擴容時往往也比較困難，相關(guān)技術(shù)人員需要不間斷地來對當前系統(tǒng)進行操作。中心設(shè)備是單中心交換機的核心，因此若其出現(xiàn)故障，那么整個線路便會當即癱瘓，且后期的修復困難[3]。

1.2.2 多中心交換機

單中心交換機進一步發(fā)展出現(xiàn)了多中心交換機，兩者的工作原理相似，后者在前者能夠互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，增設(shè)了互聯(lián)互通設(shè)施及控制中心。

當前新建的地鐵都在積極采用多中心設(shè)備來實現(xiàn)互聯(lián)互通。與單中心交換機相比多中心交換機所需花費的成本更高，其操作也將更為復雜，但從長遠發(fā)展的角度來看混合中心設(shè)備在運用過程中具有更大的技術(shù)優(yōu)勢。首先，若需要增設(shè)新線路，采用多中心交換機則將大大降低風險和隱患。其次，采用多中心交換機時互聯(lián)互通設(shè)備即使出現(xiàn)了故障，也只是會對跨路中間通信產(chǎn)生影響，而無關(guān)線路，因此仍能保持正常工作狀態(tài)。最后，多中心交換機中的某中心設(shè)施發(fā)生故障時其余的控制中心仍能夠保持正常工作狀態(tài)，整個通信系統(tǒng)的安全性將得到大大提升。基于兩種設(shè)備各有優(yōu)缺點，采用何種設(shè)備來實現(xiàn)互聯(lián)互通要結(jié)合實際的環(huán)境來進行判斷[4]。

2 OTN技術(shù)

2.1 OTN技術(shù)概述

開放式傳輸網(wǎng)絡(luò)又稱OTN傳輸技術(shù)，其具有大容量和遠距離等一系列傳輸特點，屬于開放式光纖傳輸技術(shù)。具體的系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)主要由6大單元組成，即光放大單元、光合波與分波單元/光交叉復用單元、線路接口單元、電交叉單元、支路接口單元以及光轉(zhuǎn)發(fā)單元。OTN的容量配置和網(wǎng)絡(luò)速度受到FEC技術(shù)、電域均衡技術(shù)及光域可調(diào)補償?shù)燃夹g(shù)的支持有明顯的提高，由此也創(chuàng)造了更好的環(huán)境來便于地鐵信息傳輸[5]。

圖1 OTN技術(shù)工作流程示意圖

信息傳輸速度及其質(zhì)量主要由各信道的傳輸能力來決定，信道傳輸?shù)膬纱笾饕笜藶樾畔鬏數(shù)目煽啃院陀行浴TN技術(shù)具有較高的可靠性，這是由于該技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)是由兩芯光纖連接而成的，由此可形成兩個反向傳輸環(huán)。其在處于工作狀態(tài)時，若主環(huán)投入工作，則次環(huán)即為備用環(huán)，將在主環(huán)出現(xiàn)故障時代替主環(huán)投入工作。實踐表明，系統(tǒng)運行的可靠度在自動恢復時間不超過50 ms時處于較高水平[6]。

2.2 OTN技術(shù)具體應(yīng)用

為了更好地理解OTN是如何進行工作的，下文將引入一個真實案例，分析在地鐵傳輸網(wǎng)絡(luò)中OTN技術(shù)的應(yīng)用機理。

2.2.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

本文選擇了廣州地區(qū)某地鐵車站傳輸網(wǎng)改造工程當作案例來開展分析研究，通過對該車站的傳輸網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，2.5G傳輸系統(tǒng)為當前該車站所采用的傳輸網(wǎng)，而在實際運用中該系統(tǒng)主要存在如下4個問題。一是現(xiàn)有的波分設(shè)備急需被替換或者是升級，其過于老舊已經(jīng)無法滿足當下的使用需求；二是需要在維護網(wǎng)絡(luò)運行方面加大投入，由此降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障發(fā)生率；三是當前所使用的設(shè)備中相當一部分采用的是點對點應(yīng)用模式，由此降低了系統(tǒng)整體的組網(wǎng)能力，同時還缺乏有效的網(wǎng)絡(luò)維護管理手段，不僅拉低了網(wǎng)絡(luò)管理水平，還不利于判別故障位置；四是存在明顯的帶寬問題，阻礙了信息傳輸，難以開展新業(yè)務(wù)[7]。

2.2.2 技術(shù)運用策略

當前該車站在改造傳輸網(wǎng)絡(luò)的過程中引入了OTN技術(shù)，希望由此能夠解決前文所提到的多種問題。在具體的改造中，車站以原有線路為基礎(chǔ)，為能夠開展各類新型業(yè)務(wù)，提升整個系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性并保障核心地鐵業(yè)務(wù)能夠順利開展，積極建設(shè)全線路覆蓋傳輸網(wǎng)絡(luò)。待一些基本問題被解決后，基于OTN技術(shù)開始傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和完善工作。結(jié)合該地鐵的實際情況，相關(guān)設(shè)計人員選擇了系統(tǒng)幀長為31.25 μs的OTN-150系統(tǒng)。筆者在對OTN技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行分析研究后發(fā)現(xiàn)，整體的傳輸網(wǎng)配置過程中技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)將發(fā)揮出非常關(guān)鍵的作用[8]。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)層的不同可大致被分為兩類，一類用于描述媒介、節(jié)點相互連接與配置情況的物理拓撲，另一類用于描述網(wǎng)絡(luò)上信息流經(jīng)路徑的邏輯拓撲。前文已提到OTN技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性基于其獨特的雙環(huán)結(jié)構(gòu)能夠始終保有較高水平。由此來看，自動修正網(wǎng)路目標在技術(shù)層面而言是可以實現(xiàn)的。當前地鐵車站所采用的拓撲結(jié)構(gòu)多為物理拓撲結(jié)構(gòu)，其以鏈型結(jié)構(gòu)居多，同時獨立的傳輸節(jié)點幾乎存在于各個車站，在光纖的作用下各車站均可相互連接，由此能夠形成環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。技術(shù)人員在進行系統(tǒng)組網(wǎng)時，在消防無線和無線列調(diào)等多個系統(tǒng)中均運用到了音頻口卡，同時還在公務(wù)系統(tǒng)和故障監(jiān)視等系統(tǒng)中運用了數(shù)據(jù)卡和網(wǎng)絡(luò)卡。此外還將擴音側(cè)廣播卡運用在了車站調(diào)度中心。綜合來看，由此站內(nèi)的各節(jié)點均被科學地連接在了一起，從而基于各站間節(jié)點上行與下行線路光纜被合理且有效地連接在一起，自此建成了較為理想的雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

由上文內(nèi)容可知，OTN技術(shù)主要被應(yīng)用于圖像傳輸卡與廣播傳輸卡等方面，下文將針對這部分內(nèi)容進行具體的說明。一是OTN技術(shù)在廣播傳輸卡方面的應(yīng)用，這項操作的主要目的在于有效監(jiān)管車站失真的廣播信號，且在不增設(shè)用于屏蔽信號的電纜傳輸廣播信號的前提條件下，盡可能使廣播信號傳輸保持較高質(zhì)量[9]。二是OTN技術(shù)在圖像傳輸卡方面的應(yīng)用，車站所有攝像頭拍攝到的內(nèi)容均可以借助于OTN技術(shù)以數(shù)字的形式實時傳輸?shù)娇刂浦行模矣捎趥鬏攷挃?shù)值能夠借助于幀結(jié)構(gòu)被精準地確定下來，由此可以有效減少運用圖像光端機（如圖2）和光纖系統(tǒng)的頻次。三是雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)能夠有效保障網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，且具有較強的自愈能力，因此在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的過程中，各類帶寬均能夠在技術(shù)層面上實現(xiàn)傳送，由此給予了各類業(yè)務(wù)傳輸堅定的保障，從而能夠明顯提高地鐵站內(nèi)通信傳輸水平。四是OTN技術(shù)在音頻接口卡和數(shù)據(jù)接口卡方面的應(yīng)用，其具體應(yīng)用是基于地鐵各類型業(yè)務(wù)信號的傳播要求來決定，以太網(wǎng)的強化在技術(shù)層面是可以實現(xiàn)的，由此實現(xiàn)對于以太網(wǎng)通道的業(yè)務(wù)物理隔離，從而有效解決IP業(yè)務(wù)混淆問題，大大降低業(yè)務(wù)傳播風險。此外，為了能夠盡可能保障廣播及視頻等系統(tǒng)的信息傳輸，相關(guān)技術(shù)人員還積極優(yōu)化了對以太網(wǎng)板卡的設(shè)計。

圖2 圖像光端機

3 地鐵通信系統(tǒng)中廣播子系統(tǒng)的新技術(shù)應(yīng)用

地鐵系統(tǒng)的一系列特殊要求幾乎都能夠被廣播子系統(tǒng)方案所滿足，其主要原因為廣播系統(tǒng)具有包含廣播系統(tǒng)的傳輸聯(lián)網(wǎng)、故障自動報警以及遠程自動監(jiān)控等在內(nèi)的一系列優(yōu)良的技術(shù)性能，同時其聲音效果絕佳，且操作也十分簡便。而對于地鐵系統(tǒng)而言，廣播子系統(tǒng)作為一種常年處于電磁作業(yè)環(huán)境下且使用頻率極高的公共交通設(shè)備必須具有突出的可靠性。

3.1 數(shù)字化信號處理技術(shù)

當前，在眾多相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員的不懈努力下數(shù)字信號處理技術(shù)變得越來越成熟，使用范圍越來越廣，所能發(fā)揮出的作用也越來越全面。借助于數(shù)字化處理技術(shù)可以有效調(diào)整廣播系統(tǒng)中前級信號所需的頻響、電平以及通道等在內(nèi)的一系列參數(shù)，且由此還能夠?qū)崿F(xiàn)遙測和遙控。這使得各車站間可相互進行調(diào)測，由此互相記錄或檢測增益、輸出電平以及失真度等多項指標，從而確保各數(shù)據(jù)的真實有效[10]。

3.2 先進的控制總線技術(shù)

對于標準化與模塊化結(jié)構(gòu)而言，串行總線技術(shù)與新一代單片機非常適用，通過使用它們一方面簡化了電路結(jié)構(gòu)和編程過程，另一方面還提高了系統(tǒng)整體的可靠性，同時還便于后期維護。控制總線技術(shù)被設(shè)計人員賦予了一系列的保護功能，如掉電保護、后退功能以及自動復位等。比起上一代I2C器件，全新的一代不僅簡化了外圍電路，同時還具有一系列更加優(yōu)異的特性和更多智能化的功能。

4 結(jié) 論

總之，地鐵通信系統(tǒng)設(shè)計是一項既復雜又系統(tǒng)的工作，要求地鐵通信系統(tǒng)必須具備更高的可靠性。新技術(shù)在地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)乎著地鐵行業(yè)的發(fā)展與未來，因此只有不斷提高和完善新技術(shù)在地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用，我國的地鐵工程才能更快、更好地發(fā)展壯大。