地鐵通信技術方案比選分析

龔小聰，涂思明

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510335）

1 研究背景

地鐵通信傳輸系統的功能是將起始站點的信息進行統一匯集，通過光纖將信息傳送至目的地，并將信息分類派送。通信傳輸系統打通了控制中心、車站、車輛段等區域的業務往來，使有價值的數據信息可以到達運營管理人員希望的目標地點。自通信傳輸系統應用在地鐵專網以來，不同制式、不同產品被廣泛應用在不同場景，包括早期應用的同步數字體系（SDH）、開放式傳輸網絡、彈性分組環（RPR）技術等方案，以及近期國內地鐵采用的多業務傳送平臺（MSTP）、增強型MSTP技術等方案。這些產品及技術方案均在不同的發展時期發揮了重要作用。隨著業務需求的變化與發展，部分產品未能與時俱進，逐漸淡出市場，但其特有的技術理念以產品優化或技術融合的方式得到進一步發展。例如RPR，與SDH相比，其優點在于能夠適應具有突發性的以太網業務，帶寬可以統一復用，并且可以滿足不同業務的服務質量（Qos）需要，在傳送分組過程中更加高效靈活。但由于RPR帶寬、接口上的限制，市場上已鮮有RPR產品及方案，而RPR的技術思路卻在MSTP中得以應用。此外，分組傳送網（PTN）技術的出現，在很大程度上應用了RPR對以太網業務傳送的優點。

廣州地鐵專用通信技術方案應用經歷了3個階段的發展：①以1號、2號、3號、4號、5號、6號、8號線為代表，主要采用SDH、西門子OTN方案，該階段通信傳輸系統承載的主要業務類型包括時分復用（TDM）業務（公務電話、無線通信）、低速率業務（RS-232時鐘系統、廣播音頻、調度電話）、以太網業務（視頻監視），通信傳輸系統需提供多種接口，各系統對傳輸帶寬需求較低；②以7號、9號、13號線為代表，采用MSTP方案，該階段通信傳輸系統承載的業務類型包括以太網業務（視頻監視、公務電話、時鐘、廣播）、TDM業務（專用電話、無線通信），通信傳輸承載的業務類型以以太網業務為主，存在少量TDM業務，各系統對傳輸帶寬有較高需求；③以14號線及知識城支線、21號線為代表，該階段通信傳輸系統采用增強型MSTP方案，主要業務類型包括以太網業務（視頻監視、公務電話、無線通信、時鐘、廣播）、TDM業務（調度電話），通信傳輸承載的業務類型基本IP化，通信傳輸系統所提供的接口也以以太網接口為主，各系統對傳輸帶寬需求較高。

從廣州地鐵專用通信技術方案的應用情況可以看出，通信傳輸系統所承載的業務類型從早期的TDM為主、以太網為輔向全IP化轉變，而隨著各系統數字化進程的推進以及大數據、物聯網、智能分析等新技術的應用，各系統數據量已呈現爆發式增長，因此有必要對通信技術方案在帶寬、可靠性、承載方式等方面進行深入分析。

廣州地鐵18號線是廣州市“十三五”時期規劃的線路，也是首條速度160 km/h的線路。該線路引入了綜合生產云平臺、4K超高清視頻、公專電話系統合設、車輛在線監測、供電在線監測等多項智能應用。本文以18號線為例，結合業務模型，對通信技術方案進行比選分析。

2 傳輸業務需求分析

廣州地鐵18號線共設9座車站，2座疏散救援點，1座車輛段，1座控制中心，共13個傳輸節點。包含公務/專用電話系統、無線通信系統、廣播系統、時鐘系統、視頻監控系統（CCTV）、乘客信息顯示系統、電源監控、自動售檢票系統（AFC）、電能質量監測系統、安檢系統、辦公自動化（OA）共11種業務。具體業務需求如表1所示。

表1 廣州地鐵18號線路級傳輸業務需求表

業務模型均為總線型，傳輸環的數據接入量為：1 000 Mb/s×2 + 1 000 Mb/s×2 + 200 Mb/s×2+100Mb/s×2+10 000 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+100 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+100 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+5 000 Mb/s×2 = 41 000 Mb/s根據承載業務類型，可分為語音類、視頻類、數據類，具體如下。

（1）語音類業務，包括公務/專用電話系統、無線通信系統、廣播系統。該類業務整體對穩定性、時延性要求高，對帶寬要求較低。

（2）視頻類業務，包括公務/專用電話系統、無線通信系統、CCTV、乘客信息顯示系統。該類業務涉及安防監控、現場錄像回傳等，其中CCTV對穩定性、帶寬要求高，而公務/專用電話系統、無線通信系統對穩定性、時延性要求高，對帶寬要求較低。

（3）數據類業務，包括時鐘系統、電源監控、AFC、電能質量監測系統、安檢系統、OA。其中，AFC業務對穩定性、時延性要求高；而電能質量監測、OA等業務對穩定性、帶寬要求高。

綜上所述，要匹配18號線的業務需求，選用的通信傳輸系統需具備大容量、高穩定性、低時延、接口適應性高、業務互不影響的特點。

3 通信技術方案比較

3.1 MSTP 技術方案

MSTP是基于SDH網絡，同時實現TDM、異步傳輸（ATM）、以太網等業務的接入、處理和傳送，提供統一網管的多業務傳送平臺[1]。

MSTP具有對多業務的支持能力、剛性管道的高穩定性、端口的高集成度等特點。同時，MSTP的帶寬選擇適應性很高，可以適應不同的業務需求。根據國際電信聯盟電信標準分局對SDH幀的標準定義，同步周期是125 ms，即頻率為8 000 Hz，同步信道大小為64 kb/s，同步傳輸模塊（STM-N）幀按照由左到右、由上到下的順序排成串型碼流依次傳輸。以STM-1為例，每秒傳輸8 000幀，傳19 440 bit（9×270×8），傳輸速率為155 520 kb/s。SDH幀復用映射結構如圖1所示。圖1中，C-n（n= ll，12，2，3，4）為裝載各種速率業務信號的信息結構；VC-11、VC-12、VC-2、VC-3為低階虛容器（用來支持SDH通道層連接的信息結構），VC-4、VC-3為高階虛容器；TU-n（n= 11，12，2，3）為支路單元，是提供低階通道層和高階通道層之間適配功能的信息結構；TUG-n（n= 2，3）為支路單元組；AU-n（n= 3，4）為管理單元，是提供高階通道層和復用段層之間適配功能的信息結構；AUG為管理單元組。

圖1 同步數字體系幀復用映射結構圖

MSTP嚴格按照時分復用的傳輸方式，屬于“剛性管道”[2]，優點在于各業務之間不會產生相互影響，缺點是無法適應突發性業務激增。例如，有A、B 2種業務，采用10 GE通道及接口，按照業務量各自分配了5 Gb/s。日常業務量未超過帶寬上限時，各自管道內傳輸安全、可靠。特殊情況下，A業務量激增，假設達到8 Gb/s，產生業務擁塞。此時，B業務量無變化，但由于“剛性管道”的限制，B管道仍然無法釋放冗余帶寬供A使用，通信傳輸系統也無法為它分配更多的帶寬資源。這樣既造成了帶寬資源浪費，又無法滿足突發業務的需求。

實際應用中，存在這樣的彈性變化可能，如某車站發生緊急事件，各終端均需要調看視頻業務，必然導致通道內的業務堵塞，影響用戶體驗。同時，以VC-4為主的交叉容器不能滿足大容量業務、分組業務的承載。目前MSTP的最大帶寬只有40 Gb/s（STM-256）[4]，不能滿足各類業務對帶寬的需求。

3.2 PTN 技術方案

隨著傳統語音業務量發展的飽和，網絡數據業務不斷激增，各類業務的接口基本實現網絡化，業務類型也從原來的TDM轉變為分組數據。MSTP的“剛性管道”無論是適應性還是經濟性，都不能很好地匹配網絡數據業務的應用場景。此時，需要一種既可滿足傳統語音業務，又能適應多變的網絡數據業務，并且具有包交換、分組傳送能力的通信傳輸系統。

PTN采用多協議標簽交換的方法，實現分組轉發，具有適合各種帶寬大小的業務顆粒，提供了適合IP業務的“柔性管道”，提高IP業務的資源利用率；同時具有良好的業務調度能力和QoS機制。

PTN提高了IP業務流量的應用效率，在IP為主的業務模型下，采用PTN具有造價低、時延低、彈性業務的優點。但與MSTP相比，PTN無法做到物理隔離，在傳輸的安全性上存在不足，某些對丟包率非常敏感的業務（如專用/公務電話系統、AFC），對實時性要求很高，采用PTN技術可能會造成短時間的業務丟失，影響用戶體驗。

3.3 OTN 技術方案

傳統MSTP由于技術限制，無法提供更大的傳輸顆粒，并且不具備在光層調度的能力；而PTN技術無法實現業務間的物理隔離[5]，在網絡風暴時，對于安全保障要求高的專網業務，會產生嚴重的丟包。而波分復用（WDM）技術以調度光層業務為主，結合SDH的運營調度模式，可以在具備豐富接口、光電層調度能力的情況下，提供更大的帶寬。

光傳送網（OTN）的標準化思路與SDH基本相同，以光網絡分層結構（G.872）為基礎，從網絡節點接口（G.709）、物理層接口（G.959.1）、網絡抖動性能（G.8251）等方面定義了OTN。在線路側，光數據單元（ODUk（k= 0，1，2，2e，3，3e，4））幀結構可適應1.25～100 Gb/s的帶寬需求，其各類幀結構映射路徑如圖2所示。OTN業務側可以是SDH、ATM、IP等信號，通過電層組成光信道凈荷單元，進一步組成ODUk，再加上開銷、糾錯等數據，形成光傳輸單元（OTUk（k=1，2，2e，3，3e，4）），加載到光層進行傳輸。

圖2 光傳送網幀結構映射路徑圖

OTN在電層支持TDM、以太網業務的接入，可根據業務特性的需要，選裝相應的業務板卡。如果對穩定性、隔離性要求很高但帶寬不大的業務（如AFC、調度電話），可以采用SDH支路板接入，保證安全；如果對帶寬要求較大，但穩定性、隔離性要求不那么嚴苛的業務（如OA），可以采用以太網支路板接入，適應業務的靈活性；如果對帶寬要求很大、穩定性要求很高的業務（如CCTV），可以直接采用OTN板光層接入，以匹配大容量業務需求。

由此可見，OTN帶寬大，具備光層調度能力，而且對電層業務的兼容性很高；但由于協議限制，OTN最小的封裝顆粒達到1.25 Gb/s，如果要接入小業務顆粒又不造成浪費，必須配備相應的業務板卡，同時也會增加投資成本。

綜上所述，對于廣州地鐵18號線的業務模型，無論是從帶寬、穩定性、時延性、適應性、擴展性等各個方面來看，OTN是最合適的選擇，其他通信技術方案都存在明顯不足。按照選定的OTN技術，廣州地鐵18號線擬建設的傳輸網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 18號線通信傳輸系統的網絡拓撲圖

4 結語

本文以廣州地鐵18號線為例，對目前適用于地鐵的通信技術方案進行探討，針對18號線對通信傳輸系統的業務需求、功能定位等因素綜合分析并選取OTN作為該線通信傳輸系統建設方案。產品技術沒有天然的優劣，需要結合應用場景及業務模型選擇最適合的方案。

地鐵各類業務數字化推進，對通信傳輸系統的帶寬、魯棒性提出了更高的要求，因此通信傳輸系統的建設質量應作為重點來考慮，在實際的方案選型中，應對通信傳輸所承載的業務類型、帶寬需求、經濟效益進行綜合分析，達到建設質量與投資收益的充分平衡。