地鐵通信傳輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與研究

朱祎

摘要：地鐵的通信系統(tǒng)是地鐵安全運(yùn)營(yíng)的可靠保障，而OTN系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文主要闡述了南京地鐵城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，淺析了OTN（開放傳輸網(wǎng)絡(luò)）的相關(guān)技術(shù)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；通信傳輸；OTN系統(tǒng)

一、城市軌道交通傳輸系統(tǒng)概述

目前城市軌道交通傳輸系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)主要有：專用電話系統(tǒng)、專用無線系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、導(dǎo)乘系統(tǒng)等等。城市軌道交通交通傳輸承載的業(yè)務(wù)以TDM業(yè)務(wù)和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)為主。其中TDM業(yè)務(wù)一直沿襲了傳統(tǒng)的2Mb/s中繼業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)迅猛，對(duì)傳輸系統(tǒng)的帶寬提出了越來越高的要求。目前，城市軌道交通使用的傳輸制式有MSTP和OTN（開放傳輸網(wǎng)絡(luò)），下文僅介紹專用網(wǎng)最常用的傳輸技術(shù)——開放傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）。

開放傳輸網(wǎng)絡(luò)（Open Transport Network，OTN）是以光纖為傳輸介質(zhì)的多業(yè)務(wù)接入和傳輸系統(tǒng)，是專門為了滿足工業(yè)環(huán)境中遇到的需求而誕生的。OTN采用雙環(huán)通路，具有更高的網(wǎng)絡(luò)可用性，并將各種不同服務(wù)類型集成到一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)。

OTN是一種為專網(wǎng)開發(fā)的傳輸制式，做為西門子的專利技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)比較成熟。它是一種企業(yè)內(nèi)部規(guī)范，是一種非標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，傳輸制式非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，很難在公網(wǎng)中得以廣泛應(yīng)用，但特別適合在業(yè)務(wù)種類齊全而數(shù)量不多的地鐵專用網(wǎng)中使用，而且還可以根據(jù)用戶需求開發(fā)各種專用接口電路板。目前OTN已廣泛應(yīng)用于鐵路、地鐵、輕軌 、礦區(qū)、機(jī)場(chǎng)、管道運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)合。

二、南京地鐵OTN系統(tǒng)

（一）OTN幀結(jié)構(gòu)

OTN 家族系列里目前有四個(gè)成員，即帶寬分別為36.864Mb/s（OTN-36）、147.456Mb/s（OTN-150）、589.824Mb/s（OTN-600）和2359.296 Mb/s （OTN-2500）的系統(tǒng)。為了與SDH兼容，西門子還推出了OTN-X3M系列，包括622.08Mb/s（OTN-X3M-622） 、2488.32Mb/s（OTN-X3M-2500） 和10Gbps（OTN-X3M-10G）。

環(huán)中OTN節(jié)點(diǎn)間的通信采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)（TDM），允許多個(gè)用戶共享環(huán)的傳輸媒介。TDM將時(shí)間域分成重復(fù)的周期，稱之為幀。幀可進(jìn)一步細(xì)分為時(shí)隙。TDM幀同時(shí)在主環(huán)和次環(huán)中傳播。

OTN的幀長(zhǎng)31.25 ?s，為電話通信幀125 ?s的四分之一。OTN-36、OTN-150、OTN-600和OTN-2500的TDM幀分別包含1152比特、4608比特、 18432比特、73728比特，其開銷特性如表1所示。

表1 OTN幀開銷

出于尋址考慮，OTN的TDM幀分為384個(gè)信道組或位組，可在主干網(wǎng)并行傳輸位組的每個(gè)位。每個(gè)信道組的位數(shù)取決于帶寬形式。位地址由信道組號(hào)（0-383）和組內(nèi)位號(hào)組成（0-11， 0-47或0-191）。

OTN采用異步復(fù)用的方式，各種速率的業(yè)務(wù)直接進(jìn)入TDM。高效率的復(fù)用提高了OTN帶寬利用率。

（二）OTN網(wǎng)絡(luò)組成部分

一個(gè)OTN網(wǎng)絡(luò)必須由光纖、OTN節(jié)點(diǎn)、OTN公用邏輯卡、OTN接口卡和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等五個(gè)主要部分組成，如圖1所示。

1.光纖

OTN采用光纖作為傳輸介質(zhì)，為傳輸系統(tǒng)進(jìn)行可靠通信提供了保證。在地鐵、輕軌正線區(qū)段沿左右線隧道邊墻電纜支架或電纜槽各敷設(shè)一條光纜，連接各節(jié)點(diǎn)機(jī)，形成環(huán)狀。城市軌道交通傳輸系統(tǒng)使用的光纖有多模光纖50/125、65/125和單模光纖9/125等三種光纖。

2.OTN節(jié)點(diǎn)

OTN有兩種兼容的節(jié)點(diǎn)類型，可容納4個(gè)接口模塊的N215節(jié)點(diǎn)或8個(gè)接口模塊的N22節(jié)點(diǎn)。OTN-X3M使用可容納8個(gè)接口模塊的N42節(jié)點(diǎn)。所有模塊均為插入式單元，其前端面板形成OTN節(jié)點(diǎn)前端面板。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)潛在的網(wǎng)絡(luò)同步主節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能產(chǎn)生的幀，剩余的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與之同步。當(dāng)激活的主節(jié)點(diǎn)退出，則立即由另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接管其功能。即使在雙重錯(cuò)誤情況下，出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)各有一個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)接管兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)任務(wù)。

3.OTN公用邏輯卡

公用模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊（OTR1、OTR2）、光環(huán)形適配卡（ORA）和電源模塊（PSU）。

兩個(gè)光電模塊（OTR1、OTR2）分別插在ORA卡上，合稱公用邏輯卡BORA（寬帶光纖環(huán)適配器）。OTR1模塊位于OTR2模塊下方，分別接主環(huán)光纜和次環(huán)光纜。公用邏輯卡實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用（TDM），完成兩個(gè)OTR模塊與所有接口卡之間的輸入/輸出，ORA將從OTR上收到的信息傳送給適當(dāng)?shù)慕涌诳ㄉ?，并把來自接口卡上的信息傳送到光纖模塊OTR上以供傳輸。同時(shí)ORA卡還可完成與NCC之間的輸入/輸出，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的ORA卡與NCC相連時(shí)，這個(gè)ORA卡則通過以太接口與NCC進(jìn)行通信，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)的ORA卡與NCC相連時(shí)，這個(gè)ORA卡則通過光纖環(huán)與NCC進(jìn)行通信。另外ORA能夠讀出節(jié)點(diǎn)機(jī)的狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)，對(duì)光纖環(huán)進(jìn)行管理的功能。

電源模塊（PSU）共有兩種：一種是每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)都有的用于產(chǎn)生公用邏輯卡和所有接口卡所需電壓（+5V、+12V、-12V）的電源模塊。另一種是為裝有語音通信的電話終端用戶的節(jié)點(diǎn)機(jī)提供-48V的電源模塊，若使用的是模擬電話，則此電源帶有鈴流發(fā)生器，若使用的是數(shù)字電話，則不帶有鈴流發(fā)生器。

4.OTN接口卡

所有用戶設(shè)備均通過相應(yīng)的接口模塊連接到OTN系統(tǒng)。OTN的所有插槽和接口卡的尺寸都是統(tǒng)一的，任何接口卡都可插入任意槽里。所有的用戶設(shè)備都經(jīng)過接口卡與OTN系統(tǒng)相連。接口卡完成信息和數(shù)字信號(hào)的互換，并將數(shù)字信號(hào)插入到繞環(huán)傳輸?shù)腡DM幀中以及從TDM幀中恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。這些接口卡都可以帶電插撥。多種接口卡模塊可用于語音、數(shù)據(jù)、LAN、控制和視頻等連接。OTN接口卡為用戶提供廣泛的接口模塊，如E1、LAN、視頻接口、RS232、RS422等。

5.網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，稱之OMS（OTN管理系統(tǒng)）

OTN網(wǎng)絡(luò)由OMS進(jìn)行系統(tǒng)中央故障報(bào)告。OMS監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，并接收不同節(jié)點(diǎn)和接口模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)告警信息指示錯(cuò)誤種類和位置，使告警信息發(fā)生后即可進(jìn)行錯(cuò)誤定位和排除。

（三）傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳輸網(wǎng)絡(luò)拓樸可分為邏輯拓樸和物理拓樸，邏輯拓樸描述信息在網(wǎng)上傳送的路徑，物理拓樸則描述如何安排節(jié)點(diǎn)和介質(zhì)及它們之間的連接。

OTN網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓樸主要采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)。雙環(huán)結(jié)構(gòu)具有對(duì)故障最優(yōu)的恢復(fù)能力，是最完美的一種邏輯拓樸。在雙環(huán)結(jié)構(gòu)中，光纖線路是閉合的，線路一斷開，系統(tǒng)就通過環(huán)回方式響應(yīng)這種變化，并指示故障情況，OTN系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)糾正網(wǎng)絡(luò)中不同類型的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)的高可靠性和高可用性。正常情況下，所有連接設(shè)備的數(shù)據(jù)信息經(jīng)主環(huán)傳送，次環(huán)處于備用狀態(tài)；緊急情況下，備用的次環(huán)可以部分或完全地接管所有的數(shù)據(jù)傳輸。

一般來說，城市軌道交通的車站物理上呈鏈型結(jié)構(gòu)分布，控制中心、每個(gè)車站及車輛段都有傳輸節(jié)點(diǎn)。為了避免順站環(huán)接首尾距離過長(zhǎng)損耗太大，節(jié)省對(duì)光纜的投資，南京地鐵的傳輸系統(tǒng)采用跳站回環(huán)的方式進(jìn)行連接成邏輯雙環(huán)結(jié)構(gòu)，并采用主備環(huán)保護(hù)方式確保業(yè)務(wù)通道的可靠性。

（四）系統(tǒng)的可靠性

OTN-X3M 簡(jiǎn)單一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及使用的元件和制造工藝經(jīng)全球廣泛地鐵用戶的使用，證明了極高的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)控制中心、車輛段、各車站的設(shè)備，關(guān)鍵部件進(jìn)行熱備份，充分保證設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。OTN-X3M 是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。所有設(shè)備（包括節(jié)點(diǎn)箱、接口板卡、電源、電纜、光收發(fā)器等）都是采用統(tǒng)一的和工藝和規(guī)格設(shè)計(jì)生產(chǎn)， 任何一個(gè)部分出現(xiàn)損壞或故障， 只要用相應(yīng)的新的組件替代就可以了，不會(huì)影響到與之相連的其他組件。所有 OTN 上運(yùn)行的業(yè)務(wù)都是以 OTN 雙纖自愈環(huán)為載體。所有信息都處于環(huán)路保護(hù)之下。