淺談高速公路通信系統(tǒng)及其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

肖家好

【摘 要】高速公路作為國(guó)家基建的重要形式，在連通各地區(qū)域和活躍社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮著不可取代的作用。在路政改革的深入推進(jìn)下，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷走向智能化、集群化。文章結(jié)合當(dāng)前高速公路實(shí)踐，梳理與分析幾類(lèi)常用的高速公路通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上展望高速公路通信系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景和趨勢(shì)，旨在為高速公路運(yùn)營(yíng)管理提供參考。

【關(guān)鍵詞】高速公路;通信系統(tǒng);聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U495 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）01-0093-03

高速公路是交通系統(tǒng)的主要組成部分，出于安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的考慮，高速公路需要配套通信系統(tǒng)加以保障，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控及調(diào)度交通狀況的目的?？梢哉f(shuō)，通信系統(tǒng)就是高速公路交通網(wǎng)絡(luò)的中樞神經(jīng)。在國(guó)家大力提倡交通高速化建設(shè)的背景下，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)向無(wú)線集群和光纖傳輸過(guò)渡，著力構(gòu)建新型數(shù)字通信系統(tǒng)。

1 高速公路通信系統(tǒng)基本概述

從概念上看，高速公路通信系統(tǒng)指的是高速公路運(yùn)營(yíng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控及日常收費(fèi)過(guò)程中獲取語(yǔ)音、圖像及數(shù)據(jù)的數(shù)字通道系統(tǒng)。從形式上看，現(xiàn)階段高速公路通信系統(tǒng)帶有極強(qiáng)的綜合性，現(xiàn)已發(fā)展成為光纖數(shù)字傳輸與同程控制數(shù)字交換系統(tǒng)的組合。從高速公路通信系統(tǒng)的構(gòu)成上看，其主要包括光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控及收費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸通路、數(shù)字程控交換系統(tǒng)、金屬光纜敷設(shè)、路側(cè)通話系統(tǒng)、監(jiān)控及收費(fèi)閉路電視傳輸通道、電源及接地系統(tǒng)等。從高速公路通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)上看，主要有以下幾點(diǎn)：①配套高速公路的收費(fèi)及運(yùn)營(yíng)管理，滿足兩者的通信需求;②借助金屬電纜及光纜，達(dá)成圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)的傳輸;③以O(shè)AM&P等運(yùn)行管理軟件組建SDH接入傳輸網(wǎng);④通過(guò)數(shù)字進(jìn)程交換機(jī)系統(tǒng)傳達(dá)信令及提供ISDN等數(shù)字網(wǎng)接口;⑤實(shí)現(xiàn)基于高速道路的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理信息查詢(xún)及軟硬件冗余校驗(yàn)。

2 當(dāng)前高速公路通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幾種形式

2.1 SDH技術(shù)

SDH（Syschronous Digital Hierarchy）技術(shù)，也稱(chēng)同步數(shù)字體系傳輸系統(tǒng)，SDH技術(shù)的前身為準(zhǔn)同步數(shù)字體系系統(tǒng)，即PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）。在PDH技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的SDH技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)高速公路通信系統(tǒng)的主流。從SDH技術(shù)的原理上看，經(jīng)由同步數(shù)字體系，高速公路通信系統(tǒng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以被輸入同一主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，然后結(jié)合傳輸需求實(shí)現(xiàn)傳輸及通信。從構(gòu)成上看，SDH系統(tǒng)帶有一定的復(fù)雜性，涉及傳輸平臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)、配套通信設(shè)備，如解碼器、路由器等，由此也對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行提出了更高要求，在技術(shù)管理中如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患故障，有可能導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)受影響。加上SDH技術(shù)支撐下的高速公路通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳遞上過(guò)于依賴(lài)路由器，帶寬又過(guò)低，在實(shí)際應(yīng)用中往往難以兼顧高速公路各類(lèi)狀況下的通信需求，通信反饋緩慢或阻塞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[1]。

2.2 ATM技術(shù)

ATM技術(shù)（Asynchronous Transfer Mode），也稱(chēng)異步傳輸模式，ATM技術(shù)可視為SDH技術(shù)后的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于20世紀(jì)90年代，其基于B-ISDN概念而延伸，主要特色是在同一網(wǎng)絡(luò)下能夠?qū)⒄Z(yǔ)音、圖像、視頻等數(shù)字信息進(jìn)行傳遞交換，ATM技術(shù)可作為ITU-T寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)傳送模式而廣泛應(yīng)用。從ATM技術(shù)的原理上看，它主要在信元（ATM cell）、交換（ATM switch）、虛連接（ATM vc）的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。ATM技術(shù)在應(yīng)用中憑借自身具備的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)細(xì)則及可靠穩(wěn)定的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在高速公路通信系統(tǒng)中逐漸發(fā)揮出其帶寬高、延時(shí)低及普適性強(qiáng)的特征，成為新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要形式。概括而言，ATM技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：①Q(mào)OS，即業(yè)務(wù)質(zhì)量保證系數(shù)高，可能提供連接QOS的故障;②cell，簡(jiǎn)單且固定長(zhǎng)度的短數(shù)據(jù)包一單元;③通信信息統(tǒng)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)高寬帶利用及分復(fù)用，實(shí)時(shí)性好;④交換方式面向連接;⑤有效控制高層數(shù)據(jù)流并快速處理傳送差錯(cuò)。例如，在不同場(chǎng)合下傳輸音視頻及圖像，均能夠保證傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。此外，在B-ISDN，即寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中，ATM技術(shù)作為關(guān)鍵核心技術(shù)而存在，由此也可看到ATM技術(shù)具備廣域上的適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)，而在圖像、音頻、視頻及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸上，ATM技術(shù)廣泛應(yīng)用在LAN及WAN中。在ATM技術(shù)及系統(tǒng)不斷成熟的背景下，一些國(guó)家高速公路組建通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)都將之作為關(guān)鍵技術(shù)，ATM技術(shù)也在高速公路通信系統(tǒng)中逐漸顯現(xiàn)出其技術(shù)上的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。

2.3 IP技術(shù)

IP技術(shù)得益于20世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及互聯(lián)網(wǎng)用戶的幾何式增加，基于互聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)量級(jí)上的大爆發(fā)。至此，IP技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并成為通信系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，為信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演變提供了新的技術(shù)空間。從實(shí)踐中看，以IP技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐漸成為各行業(yè)的主流，IP技術(shù)也滲入IP電話、傳真、電視電話、可視電話、點(diǎn)播電視等眾多新媒體業(yè)務(wù)板塊中，而在寬帶通信領(lǐng)域更是隨處可見(jiàn)IP技術(shù)身影。IP技術(shù)與Internet平臺(tái)的結(jié)合，現(xiàn)已發(fā)展為IP包容一切常見(jiàn)業(yè)務(wù)類(lèi)型。從IP技術(shù)的定位上看，其主要位于OSI（Open System Interconnection），即開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)七層模型網(wǎng)絡(luò)層上，也稱(chēng)為第三層技術(shù)。從IP技術(shù)的功能上看，主要是能夠經(jīng)由IP獲取系統(tǒng)非實(shí)時(shí)型數(shù)據(jù)，帶有強(qiáng)兼容性、高靈活度、強(qiáng)擴(kuò)展性、技術(shù)先進(jìn)性突出等顯著優(yōu)點(diǎn)，相比ATM技術(shù)中的53字節(jié)信元，IP不具備固定的信息長(zhǎng)度，但其可以兼容長(zhǎng)短信息，一方面能夠?yàn)楦咚俟废到y(tǒng)收費(fèi)環(huán)節(jié)提供計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，另一方面由于其延差相對(duì)較大，具有延時(shí)抖動(dòng)的劣勢(shì)，所以在高速公路通信系統(tǒng)音視頻傳輸方面可利用范圍受限。隨著IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，現(xiàn)階段高速公路的常見(jiàn)業(yè)務(wù)類(lèi)型，如路況畫(huà)面?zhèn)鬏?、?shí)時(shí)無(wú)線連接等，借助IP地址及網(wǎng)絡(luò)編解碼器，在互聯(lián)網(wǎng)IP層取得一致的情況下，也能夠達(dá)到預(yù)期的音視頻功能需求。此外，高速公路通信系統(tǒng)應(yīng)用IP技術(shù)后，借助TCP/IP協(xié)議，通信系統(tǒng)可以更加便捷地應(yīng)用程序接口，在高速公路通信系統(tǒng)及外網(wǎng)的對(duì)接上就可以輕松實(shí)現(xiàn)。在高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高的背景下，借助IP技術(shù)還能夠?qū)σ恍?yīng)用軟件進(jìn)行自主定制式開(kāi)發(fā)，這就賦予IP技術(shù)極強(qiáng)的拓展性。需要注意的是，應(yīng)用IP技術(shù)時(shí)，考慮到互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放性，需要同步配套應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)防火墻技術(shù)及加密技術(shù)，以盡可能降低通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)泄露及遭受黑客攻擊的概率。

3 高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景和趨勢(shì)的思考

以上高速公路通信系統(tǒng)技術(shù)形式各具優(yōu)勢(shì)，但也有短板。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及交互，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸向技術(shù)融合及重疊的方向發(fā)展，呈現(xiàn)出技術(shù)上的互補(bǔ)性?？傮w而言，未來(lái)的高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將向光纖化、科學(xué)化、數(shù)字化、高效化及安全化方向演變[2]。具體而言，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)未來(lái)前景和發(fā)展趨勢(shì)如下。

3.1 ATM技術(shù)及SDH技術(shù)的交叉融合——ATM over SDH

ATM技術(shù)及SDH技術(shù)各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)結(jié)合，構(gòu)成ATM over SDH技術(shù)，一方面能夠發(fā)揮SDH技術(shù)大容量及穩(wěn)定傳輸?shù)男阅?，另一方面能夠借助ATM具備的面向連接特點(diǎn)，達(dá)到通信系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的高效傳輸交換，從而為智能化高速公路建設(shè)做好技術(shù)鋪墊。為此，在ATM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，融入SDH技術(shù)，尤其是路由通信技術(shù)，能夠使ATM借助路由途徑交換數(shù)據(jù)。ATM over SDH技術(shù)的工作原理及實(shí)現(xiàn)路徑如下：數(shù)據(jù)采集由ATM完成并形成信元，打包為SDH幀，然后在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中借助SDH技術(shù)，在ATM強(qiáng)大的連接交換能力保障下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定及安全。例如，美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)等電信技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家，針對(duì)ATM寬帶實(shí)用化及ATM與SDH技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的研究在廣泛開(kāi)展，ATM為高速公路通信方案的建立及完善做出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)早期在高速公路電信干線網(wǎng)上大范圍推廣應(yīng)用了SDH技術(shù)，基于ATM技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的搭設(shè)也高速推進(jìn)，并在北京、上海等高標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的高速公路中采用了ATM技術(shù)及SDH技術(shù)[3]。隨著高速公路特性及業(yè)務(wù)需求的拓展，在規(guī)劃設(shè)計(jì)新的高速公路路段時(shí)，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始在SDH技術(shù)的基礎(chǔ)上引入ATM技術(shù)，在兩者的結(jié)合中，極大地?cái)U(kuò)展了高速公路的容量、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)集成度、集成評(píng)價(jià)效果等。因此，在高速公路未來(lái)通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的形式上可優(yōu)先考慮使用ATM over SDH技術(shù)。

3.2 IP技術(shù)及ATM技術(shù)的交叉融合——IP over ATM

隨著IP技術(shù)的趨于成熟，IP技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)大，高速公路通信系統(tǒng)中的IP技術(shù)與ATM技術(shù)的融合具備了可能性。IP over ATM技術(shù)主要是對(duì)數(shù)據(jù)流首個(gè)數(shù)據(jù)包加以路由地址處理，然后按路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，之后根據(jù)計(jì)算出的路由選擇ATM網(wǎng)建立VC（虛電路），數(shù)據(jù)包在VC通道下采用Cut Through（直通）的方式實(shí)現(xiàn)通信信息的傳輸[4]。這一技術(shù)過(guò)程在數(shù)據(jù)傳輸上不再經(jīng)由路由器，就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的高速率，達(dá)到第二層數(shù)據(jù)交換速度。在IP over ATM技術(shù)的研究上，將IP技術(shù)用于高速公路流量調(diào)度及故障分析，顯示出兩類(lèi)技術(shù)性能疊加的優(yōu)勢(shì)，配套多媒體設(shè)備的使用，高速公路通信系統(tǒng)在資源管理及流量分配上可控性更高[5]。

3.3 IP技術(shù)及SDH技術(shù)的交叉融合——IP over SDH

IP over SDH技術(shù)是一種物理傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)原理是以SDH作為IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)渠道。具體而言，就是使用鏈路適配和成幀協(xié)議封裝IP數(shù)據(jù)包，采用字節(jié)同步處理手段將經(jīng)過(guò)封裝的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行映射，使其進(jìn)入SDH凈荷封裝，實(shí)現(xiàn)速率傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、連續(xù)性。因?yàn)镮P over SDH技術(shù)具備IP技術(shù)面向非連接屬性，該技術(shù)也稱(chēng)PPP over SDH或Packet over SDH。IP over SDH技術(shù)主要應(yīng)用于高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)，這一技術(shù)通過(guò)SOH、AU指針及凈負(fù)荷可工程統(tǒng)一的多模塊混合狀幀結(jié)構(gòu)，然后形成一個(gè)統(tǒng)一矩形幀，按照固定列字節(jié)運(yùn)行，速率的傳輸速度極為顯著。隨著路由器處理能力的升級(jí)，特別是新型千兆（位）路由器技術(shù)出現(xiàn)，IP over SDH技術(shù)可以選用新型千兆（位）路由器作為基礎(chǔ)硬件構(gòu)成單元，然后利用硬件快速技術(shù)、緩存（Cache）技術(shù)及Cel交換單元，可以延伸路由器交換模式，進(jìn)一步獲取高速率傳輸。在高速公路收費(fèi)站路由器上設(shè)置E1傳輸通道，連通匯聚中心單元及核心層，高速公路各片區(qū)中心收費(fèi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠匯聚轉(zhuǎn)發(fā)到省中心，即可對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析[6]。

3.4 IP技術(shù)及WDM技術(shù)的交叉融合——IP over WDM

光波分復(fù)用（WaveLength Division Multiplexing，WDM），該技術(shù)借助一根光纖可以將多個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行同時(shí)傳輸。一般而言，相比其他技術(shù)形式的疊加，IP over WDM技術(shù)具備更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在通信上也更加便捷，比之ATM技術(shù)及SDH技術(shù)能夠節(jié)省更多層次，在光纖傳播通道下，功能重疊因素得以剔除，在效果上能夠?qū)崿F(xiàn)資源配置效率的加成。一些建造標(biāo)準(zhǔn)不高的高速公路，在搭建通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性因素考慮，選用IP over WDM技術(shù)，一方面不需要投入過(guò)多的通信系統(tǒng)輔助設(shè)備，另一方面能夠簡(jiǎn)化網(wǎng)路管理，因而該技術(shù)極具較大的應(yīng)用前景和價(jià)值。從當(dāng)前通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及高速公路通信系統(tǒng)實(shí)踐中看，因?yàn)镮P over WDM技術(shù)帶有直接體系結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)勢(shì)，SDH層及ATM層得到極大簡(jiǎn)化，傳輸效率有了顯著提高，所以它在高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中大有用武之地[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路是我國(guó)基建工程項(xiàng)目的重要代表，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大勢(shì)。高速公路要得到平穩(wěn)安全運(yùn)行，高效的通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不可或缺。隨著高速公路建設(shè)力度的提升，尤其是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷成熟完善，高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸朝著數(shù)字化及信息化方向發(fā)展。在具體選擇高速公路通信系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形式時(shí)，應(yīng)結(jié)合高速公路的規(guī)格及各類(lèi)技術(shù)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，本著優(yōu)勢(shì)疊加的原則，平衡高速公路通信系統(tǒng)的高效性及成本性，促進(jìn)我國(guó)高速公路通信事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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