上海城市軌道交通線路傳輸系統大修改造規劃研究

徐立煜

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

城市軌道交通通信傳輸系統為車站、車輛基地、OCC(運營控制中心)、辦公樓宇間提供數據的傳遞與匯聚，用于滿足區域內部專業人員、設備的通信需求。隨著用戶間通信需求的增加，設備的通信流量驟增、組網結構趨于復雜，由此對傳輸系統的承載能力、接口類型、鏈路架構等方面提出了更高的要求。目前，上海城市軌道交通進入超大網絡化運營階段，早期投運的城市軌道交通線路的傳輸系統設備大多不滿足上述要求，需對多條既有線路的傳輸系統進行大修改造。由此可見，制定一個統籌各線路大修項目的頂層大修改造規劃非常重要。本文結合上海城市軌道交通各線路的傳輸系統現況，從設備選型、組網架構兩方面進行研究,提出符合上海城市軌道交通線路傳輸系統大修改造的規劃總體方案。

1 研究背景

目前,上海城市軌道交通專業網絡架構按照專業功能可分為應用控制層、傳輸復用層和邊緣接入層，如圖1所示。各層的分工明確：傳輸復用層和邊緣接入層共同完成業務可靠、安全的通信連接；應用控制層完成對業務數據的處理與反饋。其中，傳輸復用層主要由連接單條城市軌道交通線路各作業現場的線路傳輸網和連接全線網內各線路的高速數據網組成，負責將車站、車輛基地、OCC、辦公樓宇等具體業務區域通過局域網匯聚得到的數據在業務區域之間進行傳遞，以滿足各個業務區域內部、不同專業業務系統之間的通信需求。本文所研究的大修改造規劃主要是針對傳輸復用層的線路傳輸網設備。

考慮到線路傳輸系統所連接的各車站、OCC等現場單元間的距離較長，從成本、空間、資源等合理利用的角度，傳輸系統一般在物理上共享1套傳輸節點設備及光電纜等資源，在邏輯上則通過采用不同光波(波分復用)、不同時隙(時分復用)、不同分組交換標簽等方式，劃分出多個獨立的通信通道，連接多個專業的業務系統和多個專業局域網，以實現傳輸系統建設和后期運維集約化，保障各業務系統傳輸間的安全隔離。

注：COCC——網絡運營協調中心；3C大樓——上海軌道交通網絡運營調度指揮大樓的簡稱；OA——辦公自動化。

上海城市軌道交通的傳輸系統覆蓋了18條線路和448座車站，為公務電話系統、專用電話系統、無線集群系統、技術防范系統等通信子系統，以及如AFC(自動售檢票)系統、SCADA(電力監控)等其他用戶系統提供互聯互通的渠道。上海城市軌道交通傳輸系統一般在線路沿線的中部位置設置OCC節點及用戶網管，根據線路節點匹配傳輸特性組成1～3個環網。各線路間的傳輸系統完全隔離，傳輸業務及管理均以線路為單位。

2019年，3C大樓(上海軌道交通網絡運營調度指揮大樓)投用后，各線路均將調度指揮場所從原來的OCC(以下簡稱“原OCC”)遷入3C大樓。其中，用戶操作終端均通過通信延伸移至3C大樓，而業務系統設備仍保留在原OCC。以某條已運營的線路為例，圖2為該線路傳輸系統既有的典型架構，其中:車站1表示第1個車站傳輸節點;3C大樓表示3C大樓傳輸中心級節點;原OCC表示既有OCC節點。

圖2 上海城市軌道交通線路傳輸系統典型架構示意圖

如表1所示，由于建設時期不同，上海城市軌道交通傳輸系統目前有4種制式，其設備具有4個品牌、5種帶寬，并與3C大樓形成了延伸型、單核心、雙核心等3種拓撲架構。由于傳輸系統在制式、容量、架構上并不完全統一，致使業務能力受限、功效降低，對設備的安全保護措施不完善。本文通過研究傳輸系統的設備選型、組網架構，得出適合上海城市軌道交通線路傳輸系統大修改造的建設規劃。

表1 上海城市軌道交通線路傳輸系統制式概覽

2 傳輸系統設備的選型研究

2.1 業務需求分析

早期開通的城市軌道交通線路傳輸系統通過大量TDM(時分復用)業務和低速串口控制信息，以及少量數字信息和視頻流等技術來滿足當時的用戶需求。但是，因數字化、信息化技術革新，多項新的業務得以推廣和應用，基于IP(互聯網協議)交換的專用無線、調度語音、高清視頻等技術，以及基于智能AI(人工智能)分析組成的技術防范業務、多元化的辦公自動化網絡已成為當前主流的用戶需求。為了確保列車的運行安全,提升設備的管理質量，各監控業務均要求增加容量。除此之外，為進一步改善乘客的乘坐體驗，MMIS-O(城市軌道交通移動互聯網)[1]等新增業務也陸續得以應用，用于擴充車地通信功能。

根據上海城市軌道交通的建設指導意見，基于上海軌道交通14號線、15號線、18號線的建設情況，上海城市軌道交通線路傳輸系統所承載的基本業務已趨向穩定。如表2所示，上海城市軌道交通線路傳輸系統的具體業務共計19項，總線帶寬需19 370 Mbit/s(19.37 Gbit/s)。在此基礎上計入預留及保護帶寬，上海城市軌道交通線路傳輸系統設備需至少滿足50.36 Gbit/s容量。

表2 上海城市軌道交通線路傳輸系統具體業務

如圖3所示，基于表2的業務需求，傳輸系統需要在既有業務的基礎上，提高FE(百兆以太網)、GE(千兆以太網)的接口數量，并預留30%FE、GE及10GE的接口數量，用于業務擴容與新增業務。圖3中，線路在最初建成時期，用戶需求以既有TDM業務和少量IP業務為核心，接口數量也相應向這個方向傾斜；線路進入改造過渡期，此時最具特殊性，該階段的既有業務(尤其是語音業務)大量需要低速接口，同時IP業務在帶寬及接口數量上的需求也大幅上升，因此，這個階段需同時滿足以上兩類需求，并對線路傳輸系統設備的選型進行合理評估。線路進入改造過渡期后，TDM業務將逐步IP化，大顆粒IP業務也將隨著智能化建設興起，未來傳輸系統的接口類型便會向著這個方向逐步成型，即大量使用FE接口，并兼容多個GE及以上接口。

注：E1接口——采用歐洲30路脈碼調制標準的接口。

2.2 制式匹配分析

基于SDH、PTN、OTN(光傳送網)制式的設備廣泛應用在上海城市軌道交通線路傳輸系統中，這3種制式均有自身明顯的特征。

如圖4所示，SDH制式采用矩形塊狀幀結構、段開銷，引入凈負荷指針等技術[2]。STM(同步傳送模塊)是SDH的基礎幀，STM-n中的n代表復用等級。C-12作為SDH的最小單元，通過時隙的映射、定位、復用至STM-n幀單元后進行傳輸，尤其契合類似語音的時分業務對同步的要求,并能提供大量的低速接口。但同樣出于幀結構，SDH制式可通過開銷字節實現OAM(操作維護管理)管理，固定的凈荷不具備彈性，傳輸IP報文的效率相對較低。同時，SDH制式設備最大單元為STM-256，從而決定基于SDH的MSTP設備最大光口輸出速率為40 Gbit/s。配置標準光保護后，傳輸系統實際可用帶寬僅為20 Gbit/s。

如圖5所示，PTN定位于一種面向連接的網絡技術，其核心是采用面向分組的通用交叉技術。PTN將現有的光傳送網和IP/MPLS(多協議標簽交換)/Ethernet(以太網)等網絡進行特點融合，以實現對分組化業務的高效傳送。通過改進的多協議標簽交換實現以彈性IP報文為最小單元的分組多業務傳送。目前基于PTN的傳輸設備能提供大量FE、GE、10GE接口，其最大輸出速率為100 Gbit/s。但同樣，PTN機制下的時分業務需通過PWE3(邊緣到邊緣的偽線仿真)封裝為以太網數據包進行傳送。額外的封裝步驟會影響到時分業務的傳輸時延。

注：C-12——凈荷為2 048 kbit/s的虛容器；C-3——凈荷為34 368 kbit/s的虛容器；C-4——凈荷為139 264 kbit/s的虛容器。

圖5 PTN制式的封裝示意圖

OTN是在WDM(波分復用)的基礎上增加了OAM功能，以實現光域內的業務信號傳送[3]。

如圖6所示，OTN采用類似SDH的復用架構，將OPU-1(容量為2.48 Gbit/s)復用至OTU-1(復用速率為2.48 Gbit/s)和OTU-4(復用速率為100 Gbit/s)的幀單元中，并使用波分復用技術合波后進行傳輸[4]，合波后的傳輸速率可達400 Gbit/s及以上。因OTN具有大容量，其設備多應用于上層建筑，用以連接多個接入層網絡。若使用OTN制式作為接入網設備，則需要與數通設備、MSTP等設備組合使用，方能提供E1、FE等用戶接口。

注：OPU——光凈荷單元；OPU-n——光凈荷單元等級;OTU-n——光復用顆粒等級。

應采用不同制式各自的優點，揚長避短，使之與業務、用戶需求形成高度匹配，以適應傳輸業務進一步發展的要求。近期，融合了更多SDH與PTN優點的Hybrid MSTP制式設備，以及融合了SDH、PTN、OTN 3種制式的MS-OTN設備被廣泛應用，如圖7所示。混合制式對業務更具針對性地進行封裝處理，保證了時分業務的同步性、分組業務的利用率、波分傳送的大帶寬,尤其適用于既有線路的大修改造，同時滿足時分語音業務、大顆粒高清流媒體業務以及整體系統大容量等用戶需求。

注：ODU——光數據單元；OTU-k——光通道傳輸單元等級。

如表3所示，根據對不同制式的對比可知，融合了多個制式優點的混合制式設備能夠提供大量FE、GE接口及一定量的低速、10GE接口。此外，混合制式設備采用大于50.36 Gbit/s的傳輸速率進行單波傳送，更能滿足上海城市軌道交通既有線路傳輸系統大修改造的要求。

表3 不同傳輸制式的能力對比

3 傳輸系統設備的組網架構

3.1 節點部署分析

“十四五”期間上海城市軌道交通通過對線路傳輸業務子系統進行改造，有計劃地將這些業務子系統設備逐步遷移進3C大樓，進而實現完整的OCC搬遷。在OCC搬遷的過程中，傳輸系統作為配套的基建系統，需要未雨綢繆，在大修改造規劃時為業務子系統改造過渡期間的多點下落提供先決條件。同時，在保持各線間業務隔離的前提下，應合理整合同類設備節點，收斂管理資源，為數據分析、智能化運維創造條件。

3.2 組網架構分析

如圖2所示，3C大樓節點作為原OCC的延伸節點，2個節點間帶寬為每環帶寬相加，業務經原OCC節點后下落于3C大樓處。這樣的布局使得改造業務可靈活落地在2處節點。但是,若原OCC發生故障,將同步影響3C大樓節點的運作，存在較大的風險隱患。

在對某條既有的城市軌道交通線路進行大修改造時，可將3C大樓節點與原OCC節點同時納入保護環中，形成3C大樓節點與原OCC節點共環的組網架構，如圖8所示。此時業務同時經過這2個節點，可靈活選擇采用串通或下落的方式，以滿足業務子系統的改造需求。同時，環內任意節點發生故障，均可觸發光纖復用、MPLS等保護機制，不影響傳輸業務的正常運作。與圖2相比，圖8的組網架構具有更高的可靠性。

圖8 3C節點與原OCC共同組成環網的架構示意圖

在此基礎上，線路可進一步組建形成3個中心節點的環網架構，如圖9所示，將停車場升級作為新增的核心節點，在3C大樓節點超負荷的情況下為承載系統提供足夠大的空間資源，并提供與之匹配的電力支撐，甚至可逐步替代原OCC節點，形成停車場與3C大樓的雙核心架構，進而提升上海城市軌道交通機電系統整體布局的靈活性。因而，多中心共環的組網架構可靠性、靈活性更高，應以此作為上海城市軌道交通線路傳輸系統大修改造組網規劃方案。

圖9 多中心共環的組網架構示意圖

4 建設規劃

根據上海城市軌道交通傳輸系統設備的大修改造周期，應以10年為1個輪次實施大修改造規劃，如圖10所示。在第1輪次的大修改造中，將改造過渡期的業務需求作為線路傳輸系統設備選型的參照，其組網架構需滿足業務過渡、3C大樓節點保護等要求。待承載業務基本完成從原OCC向3C大樓節點的遷移后，應合理評估改造后傳輸系統的業務特性、原OCC節點功能、3C大樓節點容量負荷等問題，并評估線路的車輛基地是否有擴容的必要。

在此基礎上，對既有線路在業務系統容量、承載業務接入點位等方面進行調整，圍繞3C大樓、車站、停車場開展第2輪次的大修改造，如表4所示。按照規劃，全線網的傳輸系統第1輪次大修改造將在2030年前完成，第2輪次大修改造將在2040年前完成。在第1輪次的大修改造中，即可完成對全線網傳輸系統在制式、品牌上的收斂。通過將數據庫整合至主/備服務器，各線路、上層用戶均通過C/S(客戶端/服務器)、B/S(瀏覽器/服務器)模式訪問服務器，并進行對應權限的操作，最終達到整合管理的目的。

a) 第1輪次傳輸系統大修改造

表4 上海軌道交通線路傳輸系統大修改造計劃表

5 結語

上海既有的城市軌道交通線路傳輸系統已難以滿足使用需求，大修改造勢在必行。本文通過研究傳輸系統的設備選型、組網架構，總結了線路傳輸系統的業務需求和節點部署情況，認為采用混合制式設備、建立多中心共環組網架構的線路傳輸系統具有更高的可靠性和靈活性。在此基礎上，對上海城市軌道交通既有線路傳輸系統進行大修改造規劃，以大修改造為契機，計劃在10年內將上海城市軌道交通全線網線路傳輸系統打造成滿足業務過渡需求、統一容量規格、集中化智能管理的可靠系統，為上海城市軌道交通的安全運營提供保障。