地鐵通信技術(shù)方案比選分析

龔小聰，涂思明

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510335）

1 研究背景

地鐵通信傳輸系統(tǒng)的功能是將起始站點(diǎn)的信息進(jìn)行統(tǒng)一匯集，通過(guò)光纖將信息傳送至目的地，并將信息分類(lèi)派送。通信傳輸系統(tǒng)打通了控制中心、車(chē)站、車(chē)輛段等區(qū)域的業(yè)務(wù)往來(lái)，使有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息可以到達(dá)運(yùn)營(yíng)管理人員希望的目標(biāo)地點(diǎn)。自通信傳輸系統(tǒng)應(yīng)用在地鐵專(zhuān)網(wǎng)以來(lái)，不同制式、不同產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在不同場(chǎng)景，包括早期應(yīng)用的同步數(shù)字體系（SDH）、開(kāi)放式傳輸網(wǎng)絡(luò)、彈性分組環(huán)（RPR）技術(shù)等方案，以及近期國(guó)內(nèi)地鐵采用的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（MSTP）、增強(qiáng)型MSTP技術(shù)等方案。這些產(chǎn)品及技術(shù)方案均在不同的發(fā)展時(shí)期發(fā)揮了重要作用。隨著業(yè)務(wù)需求的變化與發(fā)展，部分產(chǎn)品未能與時(shí)俱進(jìn)，逐漸淡出市場(chǎng)，但其特有的技術(shù)理念以產(chǎn)品優(yōu)化或技術(shù)融合的方式得到進(jìn)一步發(fā)展。例如RPR，與SDH相比，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠適應(yīng)具有突發(fā)性的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，帶寬可以統(tǒng)一復(fù)用，并且可以滿足不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Qos）需要，在傳送分組過(guò)程中更加高效靈活。但由于RPR帶寬、接口上的限制，市場(chǎng)上已鮮有RPR產(chǎn)品及方案，而RPR的技術(shù)思路卻在MSTP中得以應(yīng)用。此外，分組傳送網(wǎng)（PTN）技術(shù)的出現(xiàn)，在很大程度上應(yīng)用了RPR對(duì)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)傳送的優(yōu)點(diǎn)。

廣州地鐵專(zhuān)用通信技術(shù)方案應(yīng)用經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展：①以1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)線為代表，主要采用SDH、西門(mén)子OTN方案，該階段通信傳輸系統(tǒng)承載的主要業(yè)務(wù)類(lèi)型包括時(shí)分復(fù)用（TDM）業(yè)務(wù)（公務(wù)電話、無(wú)線通信）、低速率業(yè)務(wù)（RS-232時(shí)鐘系統(tǒng)、廣播音頻、調(diào)度電話）、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（視頻監(jiān)視），通信傳輸系統(tǒng)需提供多種接口，各系統(tǒng)對(duì)傳輸帶寬需求較低；②以7號(hào)、9號(hào)、13號(hào)線為代表，采用MSTP方案，該階段通信傳輸系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型包括以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（視頻監(jiān)視、公務(wù)電話、時(shí)鐘、廣播）、TDM業(yè)務(wù)（專(zhuān)用電話、無(wú)線通信），通信傳輸承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型以以太網(wǎng)業(yè)務(wù)為主，存在少量TDM業(yè)務(wù)，各系統(tǒng)對(duì)傳輸帶寬有較高需求；③以14號(hào)線及知識(shí)城支線、21號(hào)線為代表，該階段通信傳輸系統(tǒng)采用增強(qiáng)型MSTP方案，主要業(yè)務(wù)類(lèi)型包括以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（視頻監(jiān)視、公務(wù)電話、無(wú)線通信、時(shí)鐘、廣播）、TDM業(yè)務(wù)（調(diào)度電話），通信傳輸承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型基本IP化，通信傳輸系統(tǒng)所提供的接口也以以太網(wǎng)接口為主，各系統(tǒng)對(duì)傳輸帶寬需求較高。

從廣州地鐵專(zhuān)用通信技術(shù)方案的應(yīng)用情況可以看出，通信傳輸系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型從早期的TDM為主、以太網(wǎng)為輔向全I(xiàn)P化轉(zhuǎn)變，而隨著各系統(tǒng)數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)以及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能分析等新技術(shù)的應(yīng)用，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)量已呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，因此有必要對(duì)通信技術(shù)方案在帶寬、可靠性、承載方式等方面進(jìn)行深入分析。

廣州地鐵18號(hào)線是廣州市“十三五”時(shí)期規(guī)劃的線路，也是首條速度160 km/h的線路。該線路引入了綜合生產(chǎn)云平臺(tái)、4K超高清視頻、公專(zhuān)電話系統(tǒng)合設(shè)、車(chē)輛在線監(jiān)測(cè)、供電在線監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)智能應(yīng)用。本文以18號(hào)線為例，結(jié)合業(yè)務(wù)模型，對(duì)通信技術(shù)方案進(jìn)行比選分析。

2 傳輸業(yè)務(wù)需求分析

廣州地鐵18號(hào)線共設(shè)9座車(chē)站，2座疏散救援點(diǎn)，1座車(chē)輛段，1座控制中心，共13個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)。包含公務(wù)/專(zhuān)用電話系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、乘客信息顯示系統(tǒng)、電源監(jiān)控、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化（OA）共11種業(yè)務(wù)。具體業(yè)務(wù)需求如表1所示。

表1 廣州地鐵18號(hào)線路級(jí)傳輸業(yè)務(wù)需求表

業(yè)務(wù)模型均為總線型，傳輸環(huán)的數(shù)據(jù)接入量為：1 000 Mb/s×2 + 1 000 Mb/s×2 + 200 Mb/s×2+100Mb/s×2+10 000 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+100 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+100 Mb/s×2+1 000 Mb/s×2+5 000 Mb/s×2 = 41 000 Mb/s根據(jù)承載業(yè)務(wù)類(lèi)型，可分為語(yǔ)音類(lèi)、視頻類(lèi)、數(shù)據(jù)類(lèi)，具體如下。

（1）語(yǔ)音類(lèi)業(yè)務(wù)，包括公務(wù)/專(zhuān)用電話系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)。該類(lèi)業(yè)務(wù)整體對(duì)穩(wěn)定性、時(shí)延性要求高，對(duì)帶寬要求較低。

（2）視頻類(lèi)業(yè)務(wù)，包括公務(wù)/專(zhuān)用電話系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、CCTV、乘客信息顯示系統(tǒng)。該類(lèi)業(yè)務(wù)涉及安防監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)錄像回傳等，其中CCTV對(duì)穩(wěn)定性、帶寬要求高，而公務(wù)/專(zhuān)用電話系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、時(shí)延性要求高，對(duì)帶寬要求較低。

（3）數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)，包括時(shí)鐘系統(tǒng)、電源監(jiān)控、AFC、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)、OA。其中，AFC業(yè)務(wù)對(duì)穩(wěn)定性、時(shí)延性要求高；而電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、OA等業(yè)務(wù)對(duì)穩(wěn)定性、帶寬要求高。

綜上所述，要匹配18號(hào)線的業(yè)務(wù)需求，選用的通信傳輸系統(tǒng)需具備大容量、高穩(wěn)定性、低時(shí)延、接口適應(yīng)性高、業(yè)務(wù)互不影響的特點(diǎn)。

3 通信技術(shù)方案比較

3.1 MSTP 技術(shù)方案

MSTP是基于SDH網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)TDM、異步傳輸（ATM）、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)[1]。

MSTP具有對(duì)多業(yè)務(wù)的支持能力、剛性管道的高穩(wěn)定性、端口的高集成度等特點(diǎn)。同時(shí)，MSTP的帶寬選擇適應(yīng)性很高，可以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局對(duì)SDH幀的標(biāo)準(zhǔn)定義，同步周期是125 ms，即頻率為8 000 Hz，同步信道大小為64 kb/s，同步傳輸模塊（STM-N）幀按照由左到右、由上到下的順序排成串型碼流依次傳輸。以STM-1為例，每秒傳輸8 000幀，傳19 440 bit（9×270×8），傳輸速率為155 520 kb/s。SDH幀復(fù)用映射結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，C-n（n= ll，12，2，3，4）為裝載各種速率業(yè)務(wù)信號(hào)的信息結(jié)構(gòu)；VC-11、VC-12、VC-2、VC-3為低階虛容器（用來(lái)支持SDH通道層連接的信息結(jié)構(gòu)），VC-4、VC-3為高階虛容器；TU-n（n= 11，12，2，3）為支路單元，是提供低階通道層和高階通道層之間適配功能的信息結(jié)構(gòu)；TUG-n（n= 2，3）為支路單元組；AU-n（n= 3，4）為管理單元，是提供高階通道層和復(fù)用段層之間適配功能的信息結(jié)構(gòu)；AUG為管理單元組。

圖1 同步數(shù)字體系幀復(fù)用映射結(jié)構(gòu)圖

MSTP嚴(yán)格按照時(shí)分復(fù)用的傳輸方式，屬于“剛性管道”[2]，優(yōu)點(diǎn)在于各業(yè)務(wù)之間不會(huì)產(chǎn)生相互影響，缺點(diǎn)是無(wú)法適應(yīng)突發(fā)性業(yè)務(wù)激增。例如，有A、B 2種業(yè)務(wù)，采用10 GE通道及接口，按照業(yè)務(wù)量各自分配了5 Gb/s。日常業(yè)務(wù)量未超過(guò)帶寬上限時(shí)，各自管道內(nèi)傳輸安全、可靠。特殊情況下，A業(yè)務(wù)量激增，假設(shè)達(dá)到8 Gb/s，產(chǎn)生業(yè)務(wù)擁塞。此時(shí)，B業(yè)務(wù)量無(wú)變化，但由于“剛性管道”的限制，B管道仍然無(wú)法釋放冗余帶寬供A使用，通信傳輸系統(tǒng)也無(wú)法為它分配更多的帶寬資源。這樣既造成了帶寬資源浪費(fèi)，又無(wú)法滿足突發(fā)業(yè)務(wù)的需求。

實(shí)際應(yīng)用中，存在這樣的彈性變化可能，如某車(chē)站發(fā)生緊急事件，各終端均需要調(diào)看視頻業(yè)務(wù)，必然導(dǎo)致通道內(nèi)的業(yè)務(wù)堵塞，影響用戶(hù)體驗(yàn)。同時(shí)，以VC-4為主的交叉容器不能滿足大容量業(yè)務(wù)、分組業(yè)務(wù)的承載。目前MSTP的最大帶寬只有40 Gb/s（STM-256）[4]，不能滿足各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求。

3.2 PTN 技術(shù)方案

隨著傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)量發(fā)展的飽和，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷激增，各類(lèi)業(yè)務(wù)的接口基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，業(yè)務(wù)類(lèi)型也從原來(lái)的TDM轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M數(shù)據(jù)。MSTP的“剛性管道”無(wú)論是適應(yīng)性還是經(jīng)濟(jì)性，都不能很好地匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景。此時(shí)，需要一種既可滿足傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，又能適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且具有包交換、分組傳送能力的通信傳輸系統(tǒng)。

PTN采用多協(xié)議標(biāo)簽交換的方法，實(shí)現(xiàn)分組轉(zhuǎn)發(fā)，具有適合各種帶寬大小的業(yè)務(wù)顆粒，提供了適合IP業(yè)務(wù)的“柔性管道”，提高IP業(yè)務(wù)的資源利用率；同時(shí)具有良好的業(yè)務(wù)調(diào)度能力和QoS機(jī)制。

PTN提高了IP業(yè)務(wù)流量的應(yīng)用效率，在IP為主的業(yè)務(wù)模型下，采用PTN具有造價(jià)低、時(shí)延低、彈性業(yè)務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。但與MSTP相比，PTN無(wú)法做到物理隔離，在傳輸?shù)陌踩陨洗嬖诓蛔?，某些?duì)丟包率非常敏感的業(yè)務(wù)（如專(zhuān)用/公務(wù)電話系統(tǒng)、AFC），對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，采用PTN技術(shù)可能會(huì)造成短時(shí)間的業(yè)務(wù)丟失，影響用戶(hù)體驗(yàn)。

3.3 OTN 技術(shù)方案

傳統(tǒng)MSTP由于技術(shù)限制，無(wú)法提供更大的傳輸顆粒，并且不具備在光層調(diào)度的能力；而PTN技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間的物理隔離[5]，在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，對(duì)于安全保障要求高的專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的丟包。而波分復(fù)用（WDM）技術(shù)以調(diào)度光層業(yè)務(wù)為主，結(jié)合SDH的運(yùn)營(yíng)調(diào)度模式，可以在具備豐富接口、光電層調(diào)度能力的情況下，提供更大的帶寬。

光傳送網(wǎng)（OTN）的標(biāo)準(zhǔn)化思路與SDH基本相同，以光網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)（G.872）為基礎(chǔ)，從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口（G.709）、物理層接口（G.959.1）、網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)性能（G.8251）等方面定義了OTN。在線路側(cè)，光數(shù)據(jù)單元（ODUk（k= 0，1，2，2e，3，3e，4））幀結(jié)構(gòu)可適應(yīng)1.25～100 Gb/s的帶寬需求，其各類(lèi)幀結(jié)構(gòu)映射路徑如圖2所示。OTN業(yè)務(wù)側(cè)可以是SDH、ATM、IP等信號(hào)，通過(guò)電層組成光信道凈荷單元，進(jìn)一步組成ODUk，再加上開(kāi)銷(xiāo)、糾錯(cuò)等數(shù)據(jù)，形成光傳輸單元（OTUk（k=1，2，2e，3，3e，4）），加載到光層進(jìn)行傳輸。

圖2 光傳送網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)映射路徑圖

OTN在電層支持TDM、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入，可根據(jù)業(yè)務(wù)特性的需要，選裝相應(yīng)的業(yè)務(wù)板卡。如果對(duì)穩(wěn)定性、隔離性要求很高但帶寬不大的業(yè)務(wù)（如AFC、調(diào)度電話），可以采用SDH支路板接入，保證安全；如果對(duì)帶寬要求較大，但穩(wěn)定性、隔離性要求不那么嚴(yán)苛的業(yè)務(wù)（如OA），可以采用以太網(wǎng)支路板接入，適應(yīng)業(yè)務(wù)的靈活性；如果對(duì)帶寬要求很大、穩(wěn)定性要求很高的業(yè)務(wù)（如CCTV），可以直接采用OTN板光層接入，以匹配大容量業(yè)務(wù)需求。

由此可見(jiàn)，OTN帶寬大，具備光層調(diào)度能力，而且對(duì)電層業(yè)務(wù)的兼容性很高；但由于協(xié)議限制，OTN最小的封裝顆粒達(dá)到1.25 Gb/s，如果要接入小業(yè)務(wù)顆粒又不造成浪費(fèi)，必須配備相應(yīng)的業(yè)務(wù)板卡，同時(shí)也會(huì)增加投資成本。

綜上所述，對(duì)于廣州地鐵18號(hào)線的業(yè)務(wù)模型，無(wú)論是從帶寬、穩(wěn)定性、時(shí)延性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性等各個(gè)方面來(lái)看，OTN是最合適的選擇，其他通信技術(shù)方案都存在明顯不足。按照選定的OTN技術(shù)，廣州地鐵18號(hào)線擬建設(shè)的傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 18號(hào)線通信傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣州地鐵18號(hào)線為例，對(duì)目前適用于地鐵的通信技術(shù)方案進(jìn)行探討，針對(duì)18號(hào)線對(duì)通信傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求、功能定位等因素綜合分析并選取OTN作為該線通信傳輸系統(tǒng)建設(shè)方案。產(chǎn)品技術(shù)沒(méi)有天然的優(yōu)劣，需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)模型選擇最適合的方案。

地鐵各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)字化推進(jìn)，對(duì)通信傳輸系統(tǒng)的帶寬、魯棒性提出了更高的要求，因此通信傳輸系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量應(yīng)作為重點(diǎn)來(lái)考慮，在實(shí)際的方案選型中，應(yīng)對(duì)通信傳輸所承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型、帶寬需求、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析，達(dá)到建設(shè)質(zhì)量與投資收益的充分平衡。