城市轨道交通通信传输系统应用
2012-09-05 22:45
城市轨道交通通信传输系统应用
摘 要 分析城市轨道交通通信传输系统的功能需求和定位，以及通信网络数字化趋势下传输系统承载业务接口的发展趋势。简要介绍传统的 OTN( 开发式传输网络) 技术、MSTP ( 多业务传输平台) 技术，重点阐述以 PTN ( 分组传输网络) 技术作为城市轨道交通通信传输系统应用的可行性及优势，展望 PTN 技术在地铁中的应用前景。
关键词 轨道交通; 通信; 传输系统; 分组传输网络
1 通信传输系统概述
通信系统的传输子系统作为城市轨道交通通信网络的重要组成部分和信息传输载体，主要用于承载数据、语音、图像等运营管理信息。数据类信息主要包括通信系统各子系统的监控信息、时钟及网络同步信号、列车自动监控( ATS) 信息、门禁系统( ACS) 信息、自动售检票系统( AFC) 信息、计算机网络系统( EMIS) 信息、电力监控系统( SCADA) 信息、火灾报警系统( FAS)信息、环控信号( BAS) 信息、综合监控信息、乘客信息显示系统( PIDS) 信息等，语音类信息主要包括有线调度信息、无线调度信息、公务电话信息、站间行车电话信息、广播音频信息等，图像类信息主要包括视频监控信息、视频会议信息、乘客信息显示系统车载视频监视信息。
随着通信技术的不断发展，传统的 TDM ( time division multiplex) 业务逐渐被 IP( Internet protocol) 数据业务取代，语音信息向数字化方向发展。同时，随着人们对视频图像的要求越来越高，标清视频、高清视频技术得到快速发展，传统的模拟视频监控系统逐渐被数字视频监控系统取代，城市轨道交通通信网络也呈现数字化、IP 化的发展趋势。通信业务的数字化，对通信网络提出了更高的要求，需要传输系统具有更强大、更灵活的数据处理能力，对传输带宽的要求更为迫切。
2 传输系统需求分析
2． 1 基本性能需求
基于城市轨道交通运营的实际情况，通信系统的传输子系统必须具有可靠性、可维护性、可扩展性以及防潮、防尘、防震等性能。
可靠性主要体现在适应连续 24 h 不间断运行的要求，平均无故障时间 ( MTBF) 应达到行业先进水平并具有系统冗余保护。
可维护性主要体现在有适当的测试点、故障隔离和故障诊断功能，并尽量能减少维护成本和人工成本。
传输系统设备应具有扩展性，以满足远期地铁线路站点的增加，并且设备节点的增加不影响现有设备的运行，软件设置尽量保持不变。
传输系统具有防潮、防尘、防震性能，主要考虑到设备用房的特殊位置和设备调试时温度、湿度、粉尘等不利的环境因素。
2． 2 功能需求
2． 2． 1 多业务接口
目前，城市轨道交通的传输系统与其他系统的接口类型主要有 E1 中继接口、以太接口( GE、FE) 、视频接口、音频接口、RS422 等。随着新技术的发展和应用，IP 类以太接口将成为主流接口，但考虑到各城市的用户习惯和偏好，以及与既有设备的兼容性，在一段时间内将继续存在多业务接口的现象。系统接口类型和发展趋势见表 1。
2． 2． 2 系统保护
通信传输系统在城市轨道交通运营中十分重要，必须具有系统保护功能。虽然各生产商的设计思路和采用的保护机制可能不同，但终归必须具有线路保护和核心板卡冗余保护两个方面。线路保护主要指必须具备主、备两个光纤环路，当其中一条光路某点出现故障时，设备会重新形成链路; 当某一设备出现故障时，除故障节点设备外的其他设备能重新形成链路，确保业务不中断。核心板卡保护主要针对电源板、控制板、处理板等板块，可以设置 1∶ 1 /n 的或者1 + 1 的保护，并保证业务不中断，同时保证系统保护倒换的时间不大于 50 ms。
2． 2． 3 灵活组网
由于城市轨道交通控制中心、线内车站、车场、车辆段等的地点可能比较分散，线网内部分系统存在联络需求的情况，因此要求传输系统的组网方式必须灵活。地铁传输系统主要采用环形组网方式，环间采用相交环或者相切环来实现互联，也可以采用环行网与链性结合的方式实现线内设备与线网内个别远距离设备的链接。
2． 2． 4 网络管理
网络管理功能主要体现在故障自诊断、系统性能管理、配置管理、安全管理等。故障自诊断包括故障定位、故障分析、故障记录等要求; 性能管理指自动调整系统异常，设置和显示性能监控门限，存储系统性能数据，实时监控系统运行状况; 配置管理包括对本地及远端设备进行参数设置、状态查询，最好能在不中断业务的情况下实现远程装载、配置改变; 安全管理主要包括对用户的监控管理，用户的创建、删除、授权，用户的操作和登录鉴权、日志管理等。
2． 3 承载业务 QoS 需求和带宽需求
通信传输系统承载的业务主要包括语音、数据、视频三大类，传输系统只有满足其 QoS( quality of service)需求，才能保证业务的正常传送。语音业务对延时、抖动非常敏感，需要在传输通道中设置最高的优先级; IP 数据业务和 IP 视频业务都有流量突发的特性，但前者对延时、抖动、丢包不敏感，而后者对延时和抖动非常敏感。所以，传输设备的延时、抖动、漂移、误码率等指标都必须达到系统要求。在设计传输系统总带宽和设备选型时，也要考虑带宽和传输容量的问题( 见图2) 。
需要说明的是，表 2 中的 N 代表单线站点的个数，考虑到各系统的潜在需求和远期规划，给每个系统的带宽都赋予了足够的富余。根据表 2 所列，业务数字化趋势下要求城市轨道交通传输系统的最大传输容 量 大 约 为 3． 6 Gbit/s，建议实际中考虑采用10 Gbit / s 的设备。
3 两种传统的传输系统
就目前国内城市轨道交通通信传输系统而言，绝大部分使用的是 OTN( open transmission network，开放式传输网络)技术和基于SDH ( synchronous digital hierarchy，同步数字体系) 的 MSTP ( multi-service transmission platform，多业务传输平台) 技术。
3． 1 OTN 开放式传输系统
OTN 技术仍然采用时分复用技术，属于同步传输体系，但其帧结构与传统的 SDH 不同。OTN 设备拥有多种符合国际标准的业务接口，具有较强的业务接入能力，由于业务的传输和接入设备融为一体，使系统得 以 简 化。提 供 的 接 口 类 型 有 RS232 /RS422 /RS485、2W /4W、E / M、2B + D、30B + D、E1、100 MB /10 000 MB /1 000 MB 以太网、视频及宽带广播( 150 kHz) 等。
首先，OTN 网络结构简单，自愈能力强，保护时间小于 50 ms; 其次，网络易于扩充升级，网络管理功能强，具有自我诊断功能，可通过软件灵活分配所需的带宽。由于 OTN 具有以上优点，所以能够满足轨道交通各种信息传输的要求。但是，OTN 标准的制定较早，而 OTN 定位于面向 SDH 业务的点对点传送技术，因此不能很好地满足以太网的承载需求。
另外，OTN 技术存在独有性和国产化率的问题，其备品备件、售后服务及对网络的升级改造等均存在问题，在轨道交通的应用逐步减少。
3． 2 MSTP /SDH 多业务传送平台
MSTP 承载的业务类型包括 TDM 业务、IP 数据业务、视频、各种虚拟专线业务等。经过近几年的不断发展，MSTP 已经集 PDH( plesiochronous digital hierarchy，准同步数字系列) 、SDH、POS( IP over H) 、以太网、ATM( asynchronous transfer mode，异步传输模式) 、RPR( resilient packet ring，弹性分组环) 等技术于一体，可通过多业务汇聚方式来实现业务的综合传送，通过自身对多类型业务的适配性，实现业务的接入和处理，适应多业务和多种技术相融合的应用场合。
在近期的轨道交通建设中，通信传输系统较多地采用了该技术组网。由于 MSTP 基于 SDH 技术，采用电路交换核心，所以其本质仍是 TDM 技术。虽然经过IP 化改进但不够彻底，提供各种 IEEE 的 802． 3 接口以及 L2 功能来承载数据业务，但承载 IP 业务效率低、带宽独占、调度灵活度差，其能力仍不如纯 IP 网络。因此，MSTP 技术的市场定位应该是以 TDM 业务为主，以数据业务为辅。
4 PTN 在城市轨道交通的应用分析
4． 1 PTN 技术特点
PTN( packet trans-mission network) 是面向分组、支持传送平台基础特性的下一代传送平台，其最重要的两个特性就是分组和传送。PTN 是以 IP 为内核、将以太网作为外部表现形式的业务层，其设备系统结构如图 1 所示。
UNI 为设备内部接口，NNI 为网络节点接口，数据平台主要对多种业务进行适配转发、交换、QoS 处理、保护等，对 OAM( 操作、维护、管理) 报文进行转发和处理，并对同步信息进行传送。控制平台通过信令，建立、维持和去除端到端连接的功能。
4． 1． 1 PTN 保留了 SDH 传送网的基本特征
1) 通过分层和分域，提供了良好的网络可扩展性。
2) 具备快速的故障定位、故障管理和性能管理等丰富的 OAM 能力。
3) 具备可靠的网络生存性，支持快速的保护倒换。
4) 不仅可以利用网络管理系统配置业务，还可以通过智能控制面灵活地提供业务。
4． 1． 2 PTN 分组特性的基本特征
1) 分组业务的突发性要求支持高效的统计复用，因此 PTN 必须支持基于分组的统计复用功能。
2) 分组业务的 CoS( class of service，服务等级) 更加丰富，因此 PTN 必须提供面向分组业务的 QoS 机制，同时利用面向连接的网络，提供可靠的 QoS 保障。
3) 支持运营级的以太网业务，通过电路仿真机制，支持 TDM、ATM 等传统业务。
4) 通过分组网络的同步技术，提供频率同步和时间同步。
4． 2 PTN 作为城市轨道交通传输系统的符合性
PTN 技术提供 3 种类型的业务模式。一是使用点对点的 PWE3 隧道协议，提供对 TDM 和 ATM 的接入支持; 二是使用点对点或点对多点的以太网隧道通信协议EVC，提供对以太网的接入支持; 三是与 IP 互通，或者接入到 IP 网络，提供端到端的 VLAN( virtual local area network，虚拟局域网) 支持，同时还可以通过仿真的形式完成对语言业务的支持。可见，PTN 能够支持地铁传输系统所有类型业务的接入。PTN 的可扩展性、OAM 能力、生存性技术、QoS 保护机制等，都符合城市轨道交通传输系统的需求。
国内外像中兴、华为、烽火、阿尔卡特等设备生产商，都推出了传输交换容量 10 GB 以上的产品，所以PTN 技术也完全满足地铁传输系统的容量需求。
4． 3 PTN 作为城市轨道交通传输系统的优势
PTN 将成为城市轨道交通传输系统选型的一个具有优势的解决方案，主要原因是其具有以下技术优势。
1) PTN 的优势: 支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力，提供了更加适合于 IP 业务特性的“柔性”传输渠道。
2) 完善的 QoS 机制: PTN 支持分级的 QoS、COS 差异服务，满足不同业务的差异化需求，从而能够以最优的方式利用传输带宽。
3) 强大的 OAM: 基于传送的方案可以很好地继承传统传输系统的维护习惯。除了支持基于 SDH 的维护方式外，也支持基于 MPLS ( multi － protocol label switching，多协议标签交换) 和以太网的丰富 OAM 机制，并得到运营级的业务保护和故障处理。
4) 时钟同步: PTN 方案继承 SDH 优良的时钟传输特性，不仅能够满足频率同步的需求，而且还能根据相关协议的成熟情况支持时钟同步，从而有与其他类型的设备互联互通的可能性。
5 结语
综上所述，城市轨道交通通信传输系统呈现出业务数字化、网络 IP 化的趋势，PTN 技术凭借完善的OAM 机制和强大的保护倒换能力，在 IP 化演化过程中显示出很大的优势。目前，国内外几大传输设备供应商都推出了不同级别的 PTN 设备，PTN 设备已在电信运营商中使用，并逐渐占据一定的份额。随着 PTN 技术的进一步成熟、性价比的进一步提高，PTN 技术可为轨道交通通信传输系统提供一种更好的方案。
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