利用PTN搭建鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

尹鵬，李雙良

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 電務(wù)部，甘肅 蘭州 730000；2.天津瑞利通科技有限公司，天津 300392）

0 引言

鐵路作為國家客貨運輸?shù)拇髣用}，鐵路安全被視為重中之重。在列車、線路或者站臺、卸貨場等場所出現(xiàn)突發(fā)情況時，鐵路管理人員可通過監(jiān)控攝像頭及時獲得相關(guān)信息，并通過相關(guān)系統(tǒng)及時作出應(yīng)對。因此，為保證對車輛、人員等的實時監(jiān)控和應(yīng)急處理，高速、安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道必不可少。

在現(xiàn)階段，鐵路搭建視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道主要采用交換機(jī)、收發(fā)器、無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）或視頻光端機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，利用光纖形成樹形、鏈形網(wǎng)絡(luò)［1］。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，上述組網(wǎng)方式的弊端也逐步顯現(xiàn)出來，例如：因設(shè)備交換容量和接口數(shù)量不足導(dǎo)致的傳輸卡頓、無法擴(kuò)容等問題；因技術(shù)局限性導(dǎo)致的無法管理、無法保護(hù)等問題［2］。

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的搭建主要分屬于信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)兩大方面。其中，當(dāng)信息系統(tǒng)作為承載網(wǎng)絡(luò)時，主要是在車站范圍內(nèi)進(jìn)行布設(shè)，如候車大廳、廣場、重要道路、卡口及辦公區(qū)域等，其特點是范圍大、點位多、組網(wǎng)多樣［3］；當(dāng)通信系統(tǒng)作為承載網(wǎng)絡(luò)時，主要是在鐵路沿線基站、機(jī)房之間的區(qū)域進(jìn)行布設(shè)，其特點是距離長、點位多，基本采用鏈形或環(huán)形組網(wǎng)。

在此，提出一種利用分組傳送網(wǎng)（PTN）技術(shù)搭建鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道的解決方案。

1 PTN技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

PTN是近些年逐漸發(fā)展起來的通信技術(shù)，可提供從接入到核心層的端到端設(shè)備解決方案，解決了現(xiàn)有多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP）方案寬帶業(yè)務(wù)能力不足，以及現(xiàn)有PON方案的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和業(yè)務(wù)保護(hù)能力不足等問題［4］，支持北向接口、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）以及1588v2時間同步等功能，其端口類型包括：100GE、10GE、GE、FE、STM-1/4/16、E1、V5.2、7號信令（SS7）、1號信令（SS1）、2/4W、RS232/485、POTS、SIP、2B+D等。

PTN具有多種保護(hù)機(jī)制，可進(jìn)行多業(yè)務(wù)（如車務(wù)業(yè)務(wù)、視頻會議、語音業(yè)務(wù)、辦公業(yè)務(wù)等）統(tǒng)一承載與安全隔離，通過與同步數(shù)字體系（SDH）類似的隧道化模式，實現(xiàn)業(yè)務(wù)與路徑的分離，嚴(yán)格區(qū)分不同業(yè)務(wù)，進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離。另外，PTN具有多種業(yè)務(wù)保護(hù)方式，實現(xiàn)了設(shè)備側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、邊緣側(cè)多重保護(hù)；完美的QoS策略保證承載業(yè)務(wù)的穩(wěn)定可靠傳輸；具有分層操作維護(hù)管理（OAM）維護(hù)機(jī)制，基于硬件處理的OAM功能，可實現(xiàn)分層的網(wǎng)絡(luò)故障自動檢測、保護(hù)倒換、性能監(jiān)控、故障定位等功能。同時，PTN支持SDN網(wǎng)絡(luò)，可通過控制中心進(jìn)行集中統(tǒng)一的配置和管理。

PTN技術(shù)最早是作為運營商的城域網(wǎng)組網(wǎng)方案被提出，歷經(jīng)多次技術(shù)升級與創(chuàng)新，逐漸被移動通信運營商、廣播電視行業(yè)等接納和應(yīng)用。同時，隨著時分復(fù)用技術(shù)（TDM）鏈路仿真技術(shù)與PTN技術(shù)的結(jié)合，其對E1業(yè)務(wù)和音頻業(yè)務(wù)的承載使PTN技術(shù)的應(yīng)用場景不斷豐富，國家電網(wǎng)、政府和鐵路行業(yè)也逐漸開始進(jìn)行應(yīng)用和推廣［5］。

1.2 技術(shù)方案比較

PTN技術(shù)在發(fā)展之初，分為傳輸層多協(xié)議標(biāo)簽交換（T-MPLS/MPLS-TP）和運營商骨干橋接（PBB/PBB-TE）兩類。對于鐵路搭建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在原有MSTP技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行演進(jìn)，以達(dá)到將視頻（以太網(wǎng)或E1）業(yè)務(wù)進(jìn)行接入、傳輸、匯總和上傳等功能，更加貼近T-MPLS技術(shù)特點，T-MPLS/MPLS-TP技術(shù)是從IP/MPLS技術(shù)發(fā)展而來，主要是一種面向連接的分組傳送技術(shù)。在相同價格成本的基礎(chǔ)上，PTN技術(shù)與MSTP技術(shù)相比較，具有更大的帶寬、更高的帶寬利用率、更強(qiáng)大的保護(hù)能力和更全面的同步能力。因此，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)可選擇T-MPLS/MPLS-TP技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)。MSTP技術(shù)與PTN技術(shù)的比較見表1［6］。

表1 MSTP技術(shù)與PTN技術(shù)的比較

1.3 可行性分析

（1）技術(shù)特性。隨著現(xiàn)階段業(yè)務(wù)帶寬需求的不斷提高和全I(xiàn)P化的發(fā)展趨勢，基于PTN技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，為后期升級及擴(kuò)容提供了有力的技術(shù)支持。相較于MSTP、PON和交換機(jī)技術(shù)而言，PTN技術(shù)在全I(xiàn)P化網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)更加全面，沒有明顯的應(yīng)用限制及技術(shù)缺陷。

（2）鐵路視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)適用性。針對鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量多、分布不規(guī)律等特點，PTN以其接口數(shù)量多、接口種類豐富、組網(wǎng)靈活（鏈形、星形、環(huán)形、樹形等）、帶寬大等優(yōu)勢，可保障視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)高效、高質(zhì)地進(jìn)行傳輸，達(dá)到完美契合［7-8］。

（3）經(jīng)濟(jì)實用性。根據(jù)鐵路線性網(wǎng)絡(luò)特點，其使用年限、子網(wǎng)及業(yè)務(wù)種類較多，MSTP、PON及交換機(jī)技術(shù)均無法完全覆蓋全網(wǎng)技術(shù)特點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)、設(shè)備性能無法充分利用、故障點較多，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本及維護(hù)成本均高于PTN技術(shù)。

綜上所述，使用PTN技術(shù)搭建鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道具備可行性，且相較于其他技術(shù)，具有較大優(yōu)勢。

2 方案實現(xiàn)

2.1 信息系統(tǒng)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

信息系統(tǒng)的視頻監(jiān)控主要在車站進(jìn)行布設(shè)，每個車站具有300～500個監(jiān)控攝像頭，在保障行車安全、司乘安全、車站秩序等方面都起到關(guān)鍵作用，幫助維護(hù)部門更加準(zhǔn)確、迅速、方便地掌握線路信息。

該方案在每個通信節(jié)點配置1套B類PTN設(shè)備，在監(jiān)控中心機(jī)房配置1套A類PTN設(shè)備作為匯聚節(jié)點，并上傳到綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺（見圖1）。

圖1 信息系統(tǒng)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

B類PTN設(shè)備具有10個GE光接口，其中2個接口可用來進(jìn)行傳輸通道的組網(wǎng)，其余8個接口可作為信息采集接口連接至監(jiān)控攝像頭。設(shè)備根據(jù)光纖路由可實現(xiàn)鏈形、環(huán)形、星形等組網(wǎng)方式，靠近車站監(jiān)控中心機(jī)房的設(shè)備連接至A類PTN設(shè)備。同時，B類PTN設(shè)備可根據(jù)需要接入并配置4～30路電話，解決語音通話要求。

A類PTN設(shè)備采用GE光口作為傳輸通道對接端口，以10GE或GE光/電接口作為與綜合監(jiān)控平臺對接端口。同時，此類設(shè)備具有語音交換板卡，支持基群速率接口（PRI）/SS7/V5協(xié)議與程控交換機(jī)對接，支持E1中繼口，支持不小于500門的程控語音；支持會話初始協(xié)議（SIP）電話，支持脈沖編碼調(diào)制（PCM）窄帶業(yè)務(wù)（用戶接口話路、V35、二/四線音頻、磁石等）。

2.2 通信系統(tǒng)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

通信系統(tǒng)的視頻監(jiān)控主要在鐵路沿線機(jī)房間進(jìn)行布設(shè)，包括車站、通信基站、電力變電所、工區(qū)綜合樓、警務(wù)區(qū)、自耦變壓器（AT）所等［9］，對鐵路軌道、基站、防護(hù)欄等基礎(chǔ)設(shè)施及滑坡、洪水、結(jié)冰等氣象災(zāi)害均可起到監(jiān)視作用，在保障行車安全的同時也可為搶險救災(zāi)提供基礎(chǔ)信息。

該方案在每個鐵路沿線基站機(jī)房配置1套B類PTN設(shè)備，在每個車站機(jī)房配置1套A類PTN設(shè)備（見圖2）。

圖2 通信系統(tǒng)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

B類PTN設(shè)備安裝于鐵路基站等沿線機(jī)房，具有10個GE光接口，其中2個接口可用來進(jìn)行傳輸通道的組網(wǎng)，進(jìn)行設(shè)備之間的連接，并在末端站進(jìn)行環(huán)回，形成環(huán)路保護(hù)，其余8個接口可作為信息采集接口連接至監(jiān)控攝像頭。與車站相鄰的機(jī)房，通過GE光接口連接至A類PTN設(shè)備。同時，B類PTN設(shè)備可根據(jù)需要接入并配置4～30路電話，解決語音通話要求。

A類PTN設(shè)備安裝于車站機(jī)房，采用GE光口作為傳輸通道對接端口，與基站中的B類PTN設(shè)備連接，相鄰A類設(shè)備采用10GE光接口進(jìn)行連接，形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。設(shè)備可通過10GE光接口或GE光/電接口連接至視頻監(jiān)控服務(wù)器，進(jìn)行信息上傳。同時，此類設(shè)備具有語音交換板卡，支持PRI/SS7/V5協(xié)議與程控交換機(jī)對接，支持E1中繼口，支持不小于500門的程控語音；支持SIP電話，支持PCM窄帶業(yè)務(wù)（用戶接口話路、V35、二/四線音頻、磁石等）。

另外，各車站的A類PTN設(shè)備也可通過GE電口連接至鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)，并最終對接至綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

3 方案優(yōu)勢分析

PTN系統(tǒng)以分組傳送技術(shù)為核心，配置高效的OAM體制和QoS部署策略，在提高通信網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的同時，具有極高的安全性和穩(wěn)定性，完全符合鐵路視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運行要求［10］。同時，PTN系統(tǒng)多樣化的組網(wǎng)方式（點對點、鏈形、環(huán)形等）對業(yè)務(wù)繁多、組網(wǎng)多樣的鐵路視頻監(jiān)控網(wǎng)來說也極為適合［11］。PTN技術(shù)方案的優(yōu)勢如下：

（1）方案將傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中常用的接入帶寬10 Mb/s、傳輸帶寬100 Mb/s升級為接入帶寬100 Mb/s、傳輸帶寬1 000 Mb/s，在充分滿足當(dāng)前需求的前提下，為之后擴(kuò)容計劃留有足夠的帶寬空間。

（2）承載的業(yè)務(wù)安全可靠。系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)級多種方式保護(hù)，滿足保護(hù)時限小于50 ms的要求。

（3）采用物理層頻率同步加IEEE 1588v2時間同步方案，背靠背組網(wǎng)時間同步精度滿足小于±30 ns，在大于30個網(wǎng)元的長鏈路環(huán)境下，PTP時間精度優(yōu)于100 ns。

（4）可針對信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)分別進(jìn)行適合其節(jié)點分布的組網(wǎng)方式，以其接口數(shù)量多、組網(wǎng)靈活的特點，達(dá)成高質(zhì)、高效、高安全性的視頻業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（5）管理方便。PTN技術(shù)采用OAM管理方式，具有易管理的優(yōu)勢。在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)管指揮中心設(shè)置1套PTN網(wǎng)管，提供自動和手動方式的端到端業(yè)務(wù)配置、故障定位、性能監(jiān)視和日常維護(hù)等功能。

（6）具有語音交換板卡，支持PRI/SS7/V5協(xié)議與程控交換機(jī)對接，解決視頻監(jiān)控過程中的指揮調(diào)度、溝通交流等語音通話問題。

4 結(jié)論

采用PTN技術(shù)搭建鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，既可實現(xiàn)最低千兆的傳輸帶寬，滿足通道傳輸速率要求，保證監(jiān)控視頻的清晰、高效傳輸，又可實現(xiàn)整個通道的管理，在網(wǎng)管中心可對全域內(nèi)的通道設(shè)備進(jìn)行管控和監(jiān)測，出現(xiàn)問題時可第一時間發(fā)出告警，保證監(jiān)控通道的實時、準(zhǔn)確傳輸。同時，PTN可利用自身技術(shù)機(jī)制的優(yōu)勢，根據(jù)信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的特點，進(jìn)行不同的組網(wǎng)方式，可形成但不限于鏈形、環(huán)形、星形等組網(wǎng)方式，實現(xiàn)1∶1/1+1保護(hù)或環(huán)網(wǎng)保護(hù)等保護(hù)形式，保證監(jiān)控通道的有效傳輸。整體來說，該技術(shù)方案可行且高效，具有推廣價值和應(yīng)用前景。

此外，PTN技術(shù)在其他通信傳輸系統(tǒng)中也擁有廣泛的應(yīng)用場景，如鐵路售票系統(tǒng)、班組管理信息化系統(tǒng)、辦公網(wǎng)系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等。隨著PTN技術(shù)的不斷發(fā)展完善及其應(yīng)用場景的不斷豐富，PTN在鐵路的應(yīng)用將愈加廣泛，以推動鐵路通信系統(tǒng)的升級和發(fā)展。