城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(tǒng)的功能需求和定位，以及通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化趨勢下傳輸系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)接口的發(fā)展趨勢。簡要介紹傳統(tǒng)的OTN(開發(fā)式傳輸網(wǎng)絡(luò))技術(shù)、MSTP(多業(yè)務(wù)傳輸平臺)技術(shù)，重點闡述以PTN(分組傳輸網(wǎng)絡(luò))技術(shù)作為城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的可行性及優(yōu)勢，展望PTN技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用前景。

軌道交通;通信;傳輸系統(tǒng);分組傳輸網(wǎng)絡(luò)

1 通信傳輸系統(tǒng)概述

通信系統(tǒng)的傳輸子系統(tǒng)作為城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和信息傳輸載體，主要用于承載數(shù)據(jù)、語音、圖像等運營管理信息。數(shù)據(jù)類信息主要包括通信系統(tǒng)各子系統(tǒng)的監(jiān)控信息、時鐘及網(wǎng)絡(luò)同步信號、列車自動監(jiān)控(ATS)信息、門禁系統(tǒng)(ACS)信息、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)信息、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(EMIS)信息、電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)信息、火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)信息、環(huán)控信號(BAS)信息、綜合監(jiān)控信息、乘客信息顯示系統(tǒng)(PIDS)信息等，語音類信息主要包括有線調(diào)度信息、無線調(diào)度信息、公務(wù)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(jiān)控信息、視頻會議信息、乘客信息顯示系統(tǒng)車載視頻監(jiān)視信息。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的TDM(time division multiplex)業(yè)務(wù)逐漸被IP(Internet protocol)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)取代，語音信息向數(shù)字化方向發(fā)展。同時，隨著人們對視頻圖像的要求越來越高，標(biāo)清視頻、高清視頻技術(shù)得到快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)取代，城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)也呈現(xiàn)數(shù)字化、IP化的發(fā)展趨勢。通信業(yè)務(wù)的數(shù)字化，對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，需要傳輸系統(tǒng)具有更強(qiáng)大、更靈活的數(shù)據(jù)處理能力，對傳輸帶寬的要求更為迫切。

2 傳輸系統(tǒng)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(tǒng)的傳輸子系統(tǒng)必須具有可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性以及防潮、防塵、防震等性能。

可靠性主要體現(xiàn)在適應(yīng)連續(xù)24 h不間斷運行的要求，平均無故障時間 (MTBF)應(yīng)達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平并具有系統(tǒng)冗余保護(hù)。

可維護(hù)性主要體現(xiàn)在有適當(dāng)?shù)臏y試點、故障隔離和故障診斷功能，并盡量能減少維護(hù)成本和人工成本。

傳輸系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有擴(kuò)展性，以滿足遠(yuǎn)期地鐵線路站點的增加，并且設(shè)備節(jié)點的增加不影響現(xiàn)有設(shè)備的運行，軟件設(shè)置盡量保持不變。

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

2.2 功能需求

2.2.1 多業(yè)務(wù)接口

目前，城市軌道交通的傳輸系統(tǒng)與其他系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(xí)慣和偏好，以及與既有設(shè)備的兼容性，在一段時間內(nèi)將繼續(xù)存在多業(yè)務(wù)接口的現(xiàn)象。系統(tǒng)接口類型和發(fā)展趨勢見表1。

2.2.2 系統(tǒng)保護(hù)

通信傳輸系統(tǒng)在城市軌道交通運營中十分重要，必須具有系統(tǒng)保護(hù)功能。雖然各生產(chǎn)商的設(shè)計思路和采用的保護(hù)機(jī)制可能不同，但終歸必須具有線路保護(hù)和核心板卡冗余保護(hù)兩個方面。線路保護(hù)主要指必須具備主、備兩個光纖環(huán)路，當(dāng)其中一條光路某點出現(xiàn)故障時，設(shè)備會重新形成鏈路;當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)故障時，除故障節(jié)點設(shè)備外的其他設(shè)備能重新形成鏈路，確保業(yè)務(wù)不中斷。核心板卡保護(hù)主要針對電源板、控制板、處理板等板塊，可以設(shè)置1∶1/n的或者1+1的保護(hù)，并保證業(yè)務(wù)不中斷，同時保證系統(tǒng)保護(hù)倒換的時間不大于50 ms。

2.2.3 靈活組網(wǎng)

由于城市軌道交通控制中心、線內(nèi)車站、車場、車輛段等的地點可能比較分散，線網(wǎng)內(nèi)部分系統(tǒng)存在聯(lián)絡(luò)需求的情況，因此要求傳輸系統(tǒng)的組網(wǎng)方式必須靈活。地鐵傳輸系統(tǒng)主要采用環(huán)形組網(wǎng)方式，環(huán)間采用相交環(huán)或者相切環(huán)來實現(xiàn)互聯(lián)，也可以采用環(huán)行網(wǎng)與鏈性結(jié)合的方式實現(xiàn)線內(nèi)設(shè)備與線網(wǎng)內(nèi)個別遠(yuǎn)距離設(shè)備的鏈接。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理功能主要體現(xiàn)在故障自診斷、系統(tǒng)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(diào)整系統(tǒng)異常，設(shè)置和顯示性能監(jiān)控門限，存儲系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況;配置管理包括對本地及遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢，最好能在不中斷業(yè)務(wù)的情況下實現(xiàn)遠(yuǎn)程裝載、配置改變;安全管理主要包括對用戶的監(jiān)控管理，用戶的創(chuàng)建、刪除、授權(quán)，用戶的操作和登錄鑒權(quán)、日志管理等。

2.3 承載業(yè)務(wù)QoS需求和帶寬需求

通信傳輸系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)主要包括語音、數(shù)據(jù)、視頻三大類，傳輸系統(tǒng)只有滿足其QoS(quality of service)需求，才能保證業(yè)務(wù)的正常傳送。語音業(yè)務(wù)對延時、抖動非常敏感，需要在傳輸通道中設(shè)置最高的優(yōu)先級;IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IP視頻業(yè)務(wù)都有流量突發(fā)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(shè)備的延時、抖動、漂移、誤碼率等指標(biāo)都必須達(dá)到系統(tǒng)要求。在設(shè)計傳輸系統(tǒng)總帶寬和設(shè)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(tǒng)帶寬需求

需要說明的是，表2中的N代表單線站點的個數(shù)，考慮到各系統(tǒng)的潛在需求和遠(yuǎn)期規(guī)劃，給每個系統(tǒng)的帶寬都賦予了足夠的富余。根據(jù)表2所列，業(yè)務(wù)數(shù)字化趨勢下要求城市軌道交通傳輸系統(tǒng)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(shè)備。

圖1 PTN設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 兩種傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)

就目前國內(nèi)城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)而言，絕大部分使用的是OTN(open transmission network，開放式傳輸網(wǎng)絡(luò))技術(shù)和基于SDH(synchronous digital hierarchy，同步數(shù)字體系)的 MSTP(multi-service transmission platform，多業(yè)務(wù)傳輸平臺)技術(shù)。

3.1 OTN開放式傳輸系統(tǒng)

OTN技術(shù)仍然采用時分復(fù)用技術(shù)，屬于同步傳輸體系，但其幀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的SDH不同。OTN設(shè)備擁有多種符合國際標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)接口，具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)接入能力，由于業(yè)務(wù)的傳輸和接入設(shè)備融為一體，使系統(tǒng)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(wǎng)、視頻及寬

帶廣播(150 kHz)等。

首先，OTN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，自愈能力強(qiáng)，保護(hù)時間小于50 ms;其次，網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)充升級，網(wǎng)絡(luò)管理功能強(qiáng)，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(yōu)點，所以能夠滿足軌道交通各種信息傳輸?shù)囊?。但是，OTN標(biāo)準(zhǔn)的制定較早，而OTN定位于面向SDH業(yè)務(wù)的點對點傳送技術(shù)，因此不能很好地滿足以太網(wǎng)的承載需求。

另外，OTN技術(shù)存在獨有性和國產(chǎn)化率的問題，其備品備件、售后服務(wù)及對網(wǎng)絡(luò)的升級改造等均存在問題，在軌道交通的應(yīng)用逐步減少。

3.2 MSTP/SDH多業(yè)務(wù)傳送平臺

MSTP承載的業(yè)務(wù)類型包括TDM業(yè)務(wù)、IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻、各種虛擬專線業(yè)務(wù)等。經(jīng)過近幾年的不斷發(fā)展，MSTP已經(jīng)集 PDH(plesiochronous digital hierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字系列)、SDH、POS(IP over H)、以太網(wǎng)、ATM(asynchronous transfer mode，異步傳輸模式)、RPR(resilient packet ring，彈性分組環(huán))等技術(shù)于一體，可通過多業(yè)務(wù)匯聚方式來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的綜合傳送，通過自身對多類型業(yè)務(wù)的適配性，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的接入和處理，適應(yīng)多業(yè)務(wù)和多種技術(shù)相融合的應(yīng)用場合。

在近期的軌道交通建設(shè)中，通信傳輸系統(tǒng)較多地采用了該技術(shù)組網(wǎng)。由于MSTP基于SDH技術(shù)，采用電路交換核心，所以其本質(zhì)仍是TDM技術(shù)。雖然經(jīng)過IP化改進(jìn)但不夠徹底，提供各種IEEE的802.3接口以及L2功能來承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但承載IP業(yè)務(wù)效率低、帶寬獨占、調(diào)度靈活度差，其能力仍不如純IP網(wǎng)絡(luò)。因此，MSTP技術(shù)的市場定位應(yīng)該是以TDM業(yè)務(wù)為主，以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為輔。

4 PTN在城市軌道交通的應(yīng)用分析

4.1 PTN技術(shù)特點

PTN(packet trans-mission network)是面向分組、支持傳送平臺基礎(chǔ)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(nèi)核、將以太網(wǎng)作為外部表現(xiàn)形式的業(yè)務(wù)層，其設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

UNI為設(shè)備內(nèi)部接口，NNI為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口，數(shù)據(jù)平臺主要對多種業(yè)務(wù)進(jìn)行適配轉(zhuǎn)發(fā)、交換、QoS處理、保護(hù)等，對OAM(操作、維護(hù)、管理)報文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理，并對同步信息進(jìn)行傳送?？刂破脚_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(wǎng)的基本特征

1)通過分層和分域，提供了良好的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)生存性，支持快速的保護(hù)倒換。

4)不僅可以利用網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)配置業(yè)務(wù)，還可以通過智能控制面靈活地提供業(yè)務(wù)。

4.1.2 PTN分組特性的基本特征

1)分組業(yè)務(wù)的突發(fā)性要求支持高效的統(tǒng)計復(fù)用，因此PTN必須支持基于分組的統(tǒng)計復(fù)用功能。

2)分組業(yè)務(wù)的CoS(class of service，服務(wù)等級)更加豐富，因此PTN必須提供面向分組業(yè)務(wù)的QoS機(jī)制，同時利用面向連接的網(wǎng)絡(luò)，提供可靠的QoS保障。

3)支持運營級的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過電路仿真機(jī)制，支持TDM、ATM等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)。

4)通過分組網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)，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(tǒng)的符合性

PTN技術(shù)提供3種類型的業(yè)務(wù)模式。一是使用點對點的PWE3隧道協(xié)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(wǎng)隧道通信協(xié)議EVC，提供對以太網(wǎng)的接入支持;三是與IP互通，或者接入到IP網(wǎng)絡(luò)，提供端到端的VLAN(virtual local area network，虛擬局域網(wǎng))支持，同時還可以通過仿真的形式完成對語言業(yè)務(wù)的支持。可見，PTN能夠支持地鐵傳輸系統(tǒng)所有類型業(yè)務(wù)的接入。PTN的可擴(kuò)展性、OAM能力、生存性技術(shù)、QoS保護(hù)機(jī)制等，都符合城市軌道交通傳輸系統(tǒng)的需求。

國內(nèi)外像中興、華為、烽火、阿爾卡特等設(shè)備生產(chǎn)商，都推出了傳輸交換容量10 GB以上的產(chǎn)品，所以PTN技術(shù)也完全滿足地鐵傳輸系統(tǒng)的容量需求。

4.3 PTN作為城市軌道交通傳輸系統(tǒng)的優(yōu)勢

PTN將成為城市軌道交通傳輸系統(tǒng)選型的一個具有優(yōu)勢的解決方案，主要原因是其具有以下技術(shù)優(yōu)勢。

1)PTN的優(yōu)勢:支持多種基于分組交換業(yè)務(wù)的雙向點對點連接通道，具有適合各種粗細(xì)顆粒業(yè)務(wù)、端到端的組網(wǎng)能力，提供了更加適合于IP業(yè)務(wù)特性的“柔性”傳輸渠道。

2)完善的QoS機(jī)制:PTN支持分級的QoS、COS差異服務(wù)，滿足不同業(yè)務(wù)的差異化需求，從而能夠以最優(yōu)的方式利用傳輸帶寬。

3)強(qiáng)大的OAM:基于傳送的方案可以很好地繼承傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的維護(hù)習(xí)慣。除了支持基于SDH的維護(hù)方式外，也支持基于 MPLS(multi－protocol label switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換)和以太網(wǎng)的豐富OAM機(jī)制，并得到運營級的業(yè)務(wù)保護(hù)和故障處理。

4)時鐘同步:PTN方案繼承SDH優(yōu)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(jù)相關(guān)協(xié)議的成熟情況支持時鐘同步，從而有與其他類型的設(shè)備互聯(lián)互通的可能性。

5 結(jié)語

綜上所述，城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)IP化的趨勢，PTN技術(shù)憑借完善的OAM機(jī)制和強(qiáng)大的保護(hù)倒換能力，在IP化演化過程中顯示出很大的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外幾大傳輸設(shè)備供應(yīng)商都推出了不同級別的PTN設(shè)備，PTN設(shè)備已在電信運營商中使用，并逐漸占據(jù)一定的份額。隨著PTN技術(shù)的進(jìn)一步成熟、性價比的進(jìn)一步提高，PTN技術(shù)可為軌道交通通信傳輸系統(tǒng)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(xué)本科，項目經(jīng)理，從事軌道交通通信系統(tǒng)建設(shè)工程項目管理，liqinchao18198@sina.com

(編輯:郭 潔)