城市軌道交通通信傳輸制式對比分析

李舜康

摘要：一直以來，在地鐵的中樞系統(tǒng)中，地鐵通信傳輸系統(tǒng)是最為重要的組成部分。近年來，越來越多的學(xué)者開始致力于研究地鐵通信傳輸系統(tǒng)，文章主要研究OTN、PTN和MSTP等在內(nèi)的通信傳輸系統(tǒng)，通過對比不同通信傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，最終選擇出合適的地鐵通信傳輸系統(tǒng)，并對地鐵傳輸系統(tǒng)的選擇提出了一系列的建議。關(guān)鍵詞：地鐵通信傳輸系統(tǒng)；開放式傳輸網(wǎng)絡(luò)；多業(yè)務(wù)傳輸平臺；分組傳送網(wǎng)

傳輸系統(tǒng)是城市軌道交通通信系統(tǒng)中的骨干子系統(tǒng)，是通信系統(tǒng)傳送語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的主要工具。目前，文章通過研究國內(nèi)常用的地鐵通信系統(tǒng)，再結(jié)合通信行業(yè)當(dāng)前重點(diǎn)傳輸技術(shù)，分析不同技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，最終尋求適合城市軌道交通通信系統(tǒng)建設(shè)需求的傳輸技術(shù)。

1 目前主流傳輸技術(shù)

1.1 OTN

OTN（開放式傳輸網(wǎng)絡(luò)Open Transport Network）是一種基于光纖技術(shù)的綜合多業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于雙環(huán)路的方式為人們提供多種不同類型的服務(wù)，與其他的傳輸系統(tǒng)相比，OTN具有較高的網(wǎng)絡(luò)可靠性，由此，它能滿足軌道交通中各類任務(wù)的傳輸需求，最為常見的傳輸需求包括LAN、語音和數(shù)據(jù)等在內(nèi)的需求。

OTN原為德國西門子公司針對專網(wǎng)開發(fā)的產(chǎn)品，目前有兩個(gè)版本：OTN 150/600/2500系列和OTN-X3M-622（STM4）/2500（STM-16）/10G（STM-64）系列，滿足不同環(huán)境的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，OTN版本之間可平滑升級，目前應(yīng)用的主要為OTNX3M系列。截至目前，OTN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，分別是：（1）OTN節(jié)點(diǎn)機(jī)；（2）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；（3）系統(tǒng)接入的接口模塊；（4）光纖主干網(wǎng)，光纖主干網(wǎng)在地鐵或輕軌正線區(qū)段沿左右線各敷設(shè)一條光纜，OTN節(jié)點(diǎn)機(jī)主要借助雙方向點(diǎn)對點(diǎn)的方式來連接出兩個(gè)不同的環(huán)，其一為主環(huán)，其二為副環(huán)，以上這兩個(gè)環(huán)的傳輸方向是相反的，它們是通過光纖連接方式來互相連接的。一般而言，在普通的情況下，主環(huán)可傳輸連接設(shè)備之間的全部數(shù)據(jù)，此時(shí)，副環(huán)一直處于備用的狀態(tài)，并監(jiān)視著主環(huán)的傳輸過程，只有在特殊的情況下，副環(huán)才會在斷點(diǎn)處與主環(huán)發(fā)生閉合，從而負(fù)責(zé)傳輸全部的數(shù)據(jù)。

近年來，OTN節(jié)點(diǎn)機(jī)主要由兩大結(jié)構(gòu)組成，分別是：（1）公用模塊；（2）標(biāo)準(zhǔn)接口模塊插槽，事實(shí)上，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)備都可通過接口卡來連接OTN系統(tǒng)，其中，接口卡主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號與信息。

OTN提供廣泛的、標(biāo)準(zhǔn)的接口模塊。用于各種不同的應(yīng)用場合，從而省去了各種各樣的轉(zhuǎn)換、編解碼或PCM傳輸設(shè)備。

隨著目前用戶需求的改變，OTN也發(fā)展出支持IP交換設(shè)備的設(shè)備，保留了架構(gòu)簡單，易于網(wǎng)管的特性，但更適應(yīng)IP數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 MSTP

所謂MSTP，其實(shí)是多業(yè)務(wù)傳送平臺的英文縮寫，它指的是基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺。近年來，由于傳統(tǒng)的SDH技術(shù)只能支持電路交換和接入，該項(xiàng)技術(shù)往往只能傳送TDM的業(yè)務(wù)，而無法傳送帶寬頻繁變化的分組業(yè)務(wù)，基于此，為了解決這一問題，越來越多的專家開始致力于對8DH技術(shù)的研究，目前，有的學(xué)者提出可通過增加對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持來完善SDH技術(shù)，尤其是對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為當(dāng)前人們急需解決的一大難題。在以上這種背景下，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺就被人們提了出來，該平臺也被人們稱為MSTP，與其他的傳輸平臺不同，MSTP進(jìn)一步改進(jìn)了傳統(tǒng)的SDH設(shè)備，它可以成功地接入多種不同的協(xié)議，同時(shí)也能夠?yàn)槿藗兲峁┎煌w粒的業(yè)務(wù)。

MSTP其最大特點(diǎn)體現(xiàn)在對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理上。MSTP的發(fā)展，可以分為以下四個(gè)階段：

（1）第一代MSTP：第一代MSTP增加以下功能：點(diǎn)到點(diǎn)以太網(wǎng)通路；支持PPP映射；ATM VP環(huán)。

第一代MSTP提供了許多IP數(shù)據(jù)接口，保證了許多基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以在一個(gè)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺上傳輸。但其缺點(diǎn)也非常明顯：帶寬消耗非常嚴(yán)重；映射成本昂貴、性能低；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)配置過程復(fù)雜。

（2）第二代MSTP（基于二層交換）：為了解決支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的問題，在技術(shù)上做了改進(jìn)，加進(jìn)了IP技術(shù)的部件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以支持以下標(biāo)準(zhǔn)：802.3MAC交換。支持X86/GFP、虛級聯(lián)、LCAS

MSTP（第二代）有如下技術(shù)缺點(diǎn)：支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)成本昂貴；數(shù)據(jù)帶寬消耗仍比較嚴(yán)重；支持802.3情況下，不能支持端到端的QoS保證；沒有解決數(shù)據(jù)傳輸擁塞問題。

（3）第三代MSTP（含RPR功能的MSTP）：在此階段，RPR處理功能已融入MSTP，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用、公平的帶寬分配、更加嚴(yán)格的QOS以及更加安全的用戶隔離功能。因此，MSTP可借助于RPR功能來妥善地解決好數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸與話音兩者之間的沖突，也就是說，該傳送平臺可借助于原先的SDH技術(shù)來傳輸TDM業(yè)務(wù)，此外，MSTP可借助于RPR技術(shù)來更為高效地傳輸不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

目前，在MSTP上實(shí)現(xiàn)RPR功能，主要采用內(nèi)嵌式RPR，換句話來說，不同的廠家可借助于現(xiàn)有的設(shè)備來開發(fā)出適合自身發(fā)展的RPR板卡，從而實(shí)現(xiàn)自己設(shè)備對RPR環(huán)的兼容。

目前該種技術(shù)的產(chǎn)品雖然已有多個(gè)廠家生產(chǎn)，但在實(shí)際規(guī)模應(yīng)用案例比較少，技術(shù)指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)程度有待考證。

（4）第四代MSTP：第4代MSTP的特別之處在于它引進(jìn)了ASON這一功能，此外，MEF UNI也開設(shè)出能夠自由傳送ASTN的控制臺，從而輕松地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)帶寬動(dòng)態(tài)的分配。

MSTP設(shè)備處在不斷的發(fā)展過程中，隨著各種新的傳輸技術(shù)的出現(xiàn)，都有可能結(jié)合到MSTP中，而使MSTP的功能更為完善。

MSTP主要用戶為電信網(wǎng)絡(luò)客戶，無專門針對專網(wǎng)特點(diǎn)研發(fā)的產(chǎn)品。隨著電信網(wǎng)絡(luò)更新需求，目前MSTP基本停止發(fā)展，廠家更傾向于發(fā)展PTN設(shè)備。

1.3 PTN

PTN（分組傳送網(wǎng)，Packet Transport Network）是指可以在WAN/MAN范圍內(nèi)支持以分組業(yè)務(wù)為主的客戶層網(wǎng)絡(luò)的傳送服務(wù)層網(wǎng)絡(luò)，支持傳輸資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用及操作、管理和維護(hù)；具有電信級以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸方式，是以太網(wǎng)擴(kuò)展技術(shù)與傳送技術(shù)的復(fù)雜結(jié)合體。值得注意的是，PTN還在底層光傳輸介質(zhì)與IP業(yè)務(wù)這兩者之間開設(shè)了一個(gè)單獨(dú)的層面，該層面的設(shè)計(jì)除了考慮到分組業(yè)務(wù)流量的突發(fā)性外，還兼顧到統(tǒng)計(jì)復(fù)用傳送的實(shí)際需求，將分組業(yè)務(wù)作為傳送的核心，同時(shí)繼承了光傳輸?shù)脑袃?yōu)勢，因此，PTN具有高安全性、高可用性和可擴(kuò)展等多種特點(diǎn)。從標(biāo)準(zhǔn)層面的角度來看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，PTN技術(shù)已經(jīng)朝著標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，借助于國內(nèi)的CCSA和國際的ITU-T等的幫助，當(dāng)前PTN的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨向于充實(shí)，并逐漸地朝著規(guī)模應(yīng)用的方向發(fā)展。

綜上所述，從實(shí)現(xiàn)的方案來說，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)背景下，筆者可將PTN分為2類，其一為以太網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)，其二為傳輸技術(shù)結(jié)合的MPLS，其中，PBB-TE為以太網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)的典型代表，而T-MPLS為MPLS的典型代表。與此同時(shí)，電信級以太網(wǎng)作為分組傳送的另一個(gè)演進(jìn)方向也在逐漸地完善。與其他類型相比，電信級以太網(wǎng)是一種成本較低的改良方法，然而，與PTN相比，CE需要在全網(wǎng)端到端的安全可靠性等方面進(jìn)行進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。

事實(shí)上，可將PTN視為OAM增強(qiáng)版與2層數(shù)據(jù)技術(shù)這兩者的結(jié)合體，從實(shí)現(xiàn)的技術(shù)層面來說，目前，市場上兩大主流技術(shù)分別為PBT與T-MPLS，而這2項(xiàng)技術(shù)都只是SDH的替代品，值得注意的是，以上這2項(xiàng)技術(shù)并非是IP/MPLS的競爭者。PBT和T MPLS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)原理大致相似，兩者都是基于雙向點(diǎn)對點(diǎn)的連接，它們能夠?qū)崿F(xiàn)中心的管理，在50ms內(nèi)可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的倒換。

分組化是光傳送網(wǎng)發(fā)展的必然方向，目前，我國的通信業(yè)正處于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，近年來，通信行業(yè)正在積極地研究相關(guān)的技術(shù)，并致力于跟進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，作為分組傳送網(wǎng)的典型技術(shù)，PBT和T-MPLS正面臨著產(chǎn)品成熟度、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用模式等多種不同的問題。

2 軌道交通傳輸系統(tǒng)技術(shù)分析對比

2.1 軌道交通傳輸系統(tǒng)需求分析

目前，軌道交通傳輸系統(tǒng)是一種專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，對于傳輸系統(tǒng)有自身的要求及應(yīng)用特點(diǎn)。軌道交通通信系統(tǒng)是多個(gè)專業(yè)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)作為其中的基礎(chǔ)平臺，它需要滿足不同專業(yè)的基本要求，這也是軌道交通傳輸與其他系統(tǒng)之間的本質(zhì)區(qū)別。

（1）業(yè)務(wù)種類非常繁多，傳輸系統(tǒng)需要滿足多專業(yè)接入。如：公務(wù)電話、專用電話、無線、時(shí)鐘、廣播、視頻監(jiān)控、AFC、SCADA等。早期的地鐵由于技術(shù)限制，各種專業(yè)需求的接口類型各不相同，需要傳輸系統(tǒng)能夠提供E1、以太網(wǎng)、RS422、廣播音頻接口、視頻接口等。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前很多專業(yè)都將自己的接口定義成標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口。傳輸系統(tǒng)接口簡化，主要提供E1及以太網(wǎng)接口。

（2）業(yè)務(wù)獨(dú)立要求高。由于各個(gè)專業(yè)都是地鐵安全運(yùn)營不可或缺的組成部分，各個(gè)專業(yè)的業(yè)務(wù)都需要保證帶寬，同等優(yōu)先級。各個(gè)專業(yè)之間帶寬需相互獨(dú)立。

（3）以太網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求高。傳輸系統(tǒng)中承載的很多業(yè)務(wù)如CCTV、PIS等視頻業(yè)務(wù)對于實(shí)時(shí)性要求高。

（4）組網(wǎng)條件限制。由于地鐵線路都是鏈狀運(yùn)行。車站之間是通過隧道光纜連接。站間路由單一固定，因此不能像電信網(wǎng)組網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，為了能夠做到保護(hù)，地鐵線路的組網(wǎng)形式為環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。

（5）業(yè)務(wù)方向集中。地鐵站間的通信量很小，大部分業(yè)務(wù)為車站至中心或者車輛段的業(yè)務(wù)。配置時(shí)需考慮環(huán)路帶寬。

（6）系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性高。地鐵線路開通后業(yè)務(wù)基本固定。系統(tǒng)擴(kuò)容及業(yè)務(wù)更改很少。

綜上所述，軌道交通傳輸系統(tǒng)有自身的特點(diǎn)，這部分與電信網(wǎng)和其它專網(wǎng)有很大的不同，在設(shè)備選型需要綜合考慮。

2.2 主流傳輸技術(shù)對比

2.2.1 OTN

OTN雖然是獨(dú)家生產(chǎn)的系統(tǒng)，但是其特點(diǎn)非常適合城市軌道交通應(yīng)用需求，產(chǎn)品具有優(yōu)良的可靠性、穩(wěn)定性、方便調(diào)試和可維護(hù)性等特點(diǎn)，在各個(gè)線路中有很多的應(yīng)用?；诖?，OTN比較適用于地鐵這種封閉的專用網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外不同的地鐵工程，在占用開銷比特?cái)?shù)較少的情況下，我們可選擇一次復(fù)用的機(jī)制來綜合多種網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議，實(shí)現(xiàn)高速信息一體化的輸入。近年來，OTN的產(chǎn)品也在一直隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展而不斷更新，并且其技術(shù)一直保持著自己的優(yōu)勢和特點(diǎn)，十分適合目前和未來的軌道交通傳輸需求。

OTN系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：可承載語音、IP數(shù)據(jù)、窄帶低速、視頻等多種業(yè)務(wù)的通信傳輸；可通過軟件控制，靈活地分配所需帶寬；可綜合不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有多種標(biāo)準(zhǔn)接口，接入靈活方便，實(shí)現(xiàn)傳輸和接入的一體化；采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，使環(huán)上的各業(yè)務(wù)共享傳輸介質(zhì)，互不干擾；采用雙環(huán)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，具有自愈保護(hù)功能；設(shè)備集成度高、可實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)管理、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)充；已投入運(yùn)行的OTN系統(tǒng)較多，工程的可靠性也被極大地認(rèn)可。

然而，OTN系統(tǒng)還存在諸多不足的地方，OTN設(shè)備的售后服務(wù)還比購?fù)晟?，兼容性不高。由于OTN設(shè)備節(jié)點(diǎn)機(jī)業(yè)務(wù)接口的數(shù)量有限，我們可配置多個(gè)不同的OTN節(jié)點(diǎn)機(jī)，此外，與其他的設(shè)備相比，OTN設(shè)備的成本比較高。

OTN設(shè)備是獨(dú)家研制生產(chǎn)的進(jìn)口設(shè)備，內(nèi)部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有特殊性，私密性；目前OTN可與其它制式網(wǎng)絡(luò)在線路或業(yè)務(wù)層接口互連，但無法為其它制式網(wǎng)絡(luò)提供光支路；OTN設(shè)備節(jié)點(diǎn)機(jī)業(yè)務(wù)接口的數(shù)量有限，我們需要配置多個(gè)不同的OTN節(jié)點(diǎn)機(jī)。

2.2.2 MSTP

MSTP（內(nèi)嵌RPR）逐步在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，根據(jù)開通線路的情況，系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性良好，對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大的需求可以很好地滿足，該技術(shù)在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，支持廠家很多，在目前和未來一段時(shí)間內(nèi)，是軌道交通傳輸系統(tǒng)可以選擇的技術(shù)。MSTP很好地解決了SDH設(shè)備在地鐵應(yīng)用中的弊端，該系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軌道交通業(yè)務(wù)的承載。

MSTP具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)，依次為：選擇當(dāng)前成熟的SDH保護(hù)技術(shù)；提供ATM業(yè)務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求；標(biāo)準(zhǔn)化程度高，廠家選擇多，SDH層互通性好。

但MSTP也存在不足：MSTP由于對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的承載具有一定局限性，更適應(yīng)透傳業(yè)務(wù)和匯聚業(yè)務(wù)，對于以太網(wǎng)共線業(yè)務(wù)則表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，目前，這種技術(shù)也逐步被MSTP（內(nèi)嵌RPR）和PTN等其他技術(shù)替代。

引入以太網(wǎng)處理模塊，該模塊極大地增加了系統(tǒng)的開銷；延續(xù)了SDH的缺點(diǎn)，系統(tǒng)帶寬利用率不高。

2.2.3 PTN

PTN技術(shù)已經(jīng)逐步標(biāo)準(zhǔn)化，其對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載優(yōu)勢和兼顧SDH優(yōu)勢的特點(diǎn)，適合軌道交通的業(yè)務(wù)特點(diǎn)。該技術(shù)受到電信運(yùn)營商的支持，在過去幾年內(nèi)大規(guī)模部署，對于PTN的發(fā)展起到很多推動(dòng)作用，國內(nèi)PTN技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)走在了全球前列，筆者經(jīng)過對PTN的詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)其具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)，依次為：高效的組網(wǎng)調(diào)度能力；靈活的多業(yè)務(wù)傳送能力；系統(tǒng)的電信級安全性；具端到端的業(yè)務(wù)開通能力。

但由于PTN更多的特點(diǎn)及特性針對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，地鐵的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了PTN技術(shù)特點(diǎn)的發(fā)揮，PTN進(jìn)入地鐵運(yùn)營還需要通過一定的線路的試用，目前不具備規(guī)模應(yīng)用的案例。

當(dāng)前大多數(shù)情況下選擇PWE3實(shí)現(xiàn)對TDM業(yè)務(wù)的支持；

技術(shù)含量比較高，層面較為復(fù)雜；

研制出成熟產(chǎn)品的企業(yè)比較少，實(shí)際商用的不多。

綜上所述，根據(jù)地鐵傳輸系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，地鐵線路層傳輸系統(tǒng)可以考慮的技術(shù)為OTN、MSTP（內(nèi)嵌RPR）；線網(wǎng)層傳輸系統(tǒng)可以選擇OTN、MSTP（內(nèi)嵌RPR）或者PTN。