1、浅谈城市轨道交通通信传输系统（中铁二局集团电务工程有限公司 李永春 助理工程师）一 概述由于近年来城市人口的激增，城市拥堵越来越严重，现有的城市公共交通系统已不能满足人们出行的要求。城市轨道交通作为城市公共交通的骨干。它具有节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等特点，属绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则，特别适应于大中城市。大力发展城市轨道交通成为近年来各大城市市政建设的首要任务。城市轨道交通种类繁多，按照用途可分为城市铁路、市郊铁路、地下铁道、轻轨交通、城市有轨电车、独轨交通、磁悬浮线路、机场联络铁路、新交通系统等。城市轨道交通系统建设主要分为土建专业和设备专业。土建专业
2、包括车站建筑专业、车站结构专业、线路专业、限界专业、轨道专业、人防专业等。设备专业又包括供电专业、通信专业、信号专业、自动售检票专业、综合监控专业、火灾自动报警专业、动力照明专业等弱电专业。本文简单介绍通信专业通信系统的构成，传输系统的功能需求，传输系统主流技术及未来发展等。二城市轨道交通通信系统的组成 城市轨道交通通信系统主要由三大系统构成，专用通信系统、商用通信系统、公安通信系统。专用通信系统包括：传输、电话（专用及公务电话） 、无线通信、闭路电视监视、广播、时钟、电源与接地、集中监测告警等子系统。专用通信系统是轨道交通运营指挥及监控管理的综合平台，它是轨道交通正常运转的神经，只有专用通信
3、系统可靠运行才能保证城市轨道交通的安全运行。商用通信系统包括：传输、移动电话引入、电源与接地、集中监测告警等子系统。随着移动电话用户的增多，如何保证优良的通话质量是满足人们便捷出行同时必备的需求。商用通信系统正是为公众移动与通信运营商提供地下区域的无线信号覆盖，保证人们在便捷出行的同时又能拥有高质量的移动通信服务。 公安通信系统包括：公安无线、公安计算机网络、公安视频监控、公安专用电话、电源及相关配套设施等子系统。公安通信系统主要为保证市民的出行安全，保障地铁列车的安全运行，快速、准确、高效地执行地铁安全保卫任务提供通信保障。三通信传输系统3.1 传输系统概述传输系统是城市轨道交通工程通信系统
4、中的主要子系统，它可为专用通信系统中的各子系统，以及列车自动监控（ATS） 、综合监控系统、自动售检票（AFC） 、乘客信息(PIS)、环境与设备监控、火灾自动报警系统、电力监控系统、信息网络和办公自动化（OA）等专业提供高可靠性的、冗余的、可重构的、使用灵活的多种宽窄带传输通道，构成传送语言、数据和图像等各种信息的综合业务传输网，是保证地铁运行所必须的信息传送媒体。3.2 承载业务分析以北京地铁 6 号线工程为例，专用传输系统的带宽总量为 3283Mb/s（含 20%冗余） 。其中TDM 业务（E1 接口）为 326 Mb/s（含 20%冗余） ，这类接口业务主要为电话系统和无线系统提供通信
5、链路，占整个专用传输系统业务带宽的 10%。而以太网（10/100BASE-T 或 1000BASE-T 接口）为 2912Mb/s（含 20%冗余） 。这些数据业务，主要包括视频监控、时钟、广播、PIS、信号、AFC、综合监控等专业。由于北京地铁 6 号线信号系统集成综合监控独立组网，通信传输系统只为信号系统、综合监控系统提供电源网管的传输通道。以上看来 TDM 业务和以太网业务是轨道交通专用传输系统的主要业务组成。3.3 传输技术介绍3.4.1 轨道交通 OTN 传输系统轨道交通 OTN 传输系统 （开放式传输网络 Open Transport Network）是一种基于光纤技术的综合多业
6、务服务传输系统，它采用双环路方式，具有更高的网络可靠性，而且在一个网络里综合了不同类型的服务，由此，它能实现几乎所有的传送任务，满足诸如语音、数据、LAN、视频和任何其他特殊的服务需求。Open：利用开放的接口模块，它能处理几乎所有通用的物理接口标准，以及特殊环境中的各种具体的通信协议。Transport:由于 OTN 的主要操作都是在 OSI 模型的物理层中，它对高层的各种协议都是透明的传输。因此它能完全透明的传输各种不同类型的信息（如语音、数据、数字视频及 LAN） ，且具有极高的可靠性。Network：它采用了基于光纤的技术3由于轨道交通 OTN 传输系统具有组网简单，能支持多种业务，可
7、靠性高等优点，在北京、上海、南京，深圳等城市的轨道交通线路中都有被采用。但同样它也存在诸如设备价格昂贵，传输协议不透明与其他网络兼容性差等劣势。轨道交通 OTN 传输系统已作为一种成熟的传输技术运用于轨道交通工程的建设中。3.4.2 IP 技术TCP/IP 协议目前是世界上最流行和被最广泛地采用的一种网络协议，使用 TCP/IP 协议建立的 IP 承载网络包括以下几个优点：较为完善的客户/服务器结构；TCP/IP 是良好的客户/服务器平台，它把启动通信的任何设备成为客户，而把应答的设备成为服务器。具备信息共享性；通用性，即 TCP/IP 几乎在每一种流通的计算机操作系统上都能实现。与传统的 S
8、DH 传输设备相比，其最大的优越性在于带宽的统计复用能力。但是与传统的电路交换相比，IP 交换存在着面向无连接的特性，在每次传送数据前要重新建立连接，所以其时延要比电路交换的长。当线路中断或发生设备单点故障时，其重新建立通道的时间是秒级的，要高于SDH 技术的 50ms。实时性、安全性也是个需要考虑的问题。由于轨道交通专用传输系统对可靠性，安全性有较高的要求，轨道交通线路也以线型为主，IP 技术受限其组网方式及实时性、安全性的劣势，不适用与现阶段轨道交通专用传输系统的搭建。3.4.3 SDH 及 MSTPSDH 传输系统符合 ITU（国际电信联盟）的相关建议，其可用性、可靠性、通用性都很强，一
9、直是构建传输网的主流技术，具有非常多电信级网络要求的品质，有非常可靠的业务保护特性、传输时延固定、传输带宽保证等特点，但其对于 IP 数据业务的传输有许多明显的不足和缺点。由于传统的 SDH 技术只能支持电路交换和接入，主要是适应 TDM 业务的传送，在传送带宽可变的分组业务时显得力不从心。因此在 SDH 技术上增加对数据业务的支持，特别是以太网业务的支持成为急需解决的问题。基于 SDH 的多业务传送平台(MSTP)正是在这种环境下产生的，MSTP对传统的 SDH 设备进行了改进，具有在 SDH 帧格式中提供不同颗粒的多种业务、多种协议的接入、汇聚和传输能力。其最大特点体现在对以太网业务的处理
10、上。MSTI 技术也历经了几次发展，第一代 MSTP 在传统 SDH 的技术上增加了点到点以太网通路、支持 PPP 映射、ATM VP 环。第一代 MSTP 提供了许多 IP 数据接口，保证了许多基于 IP 数据业务可以一个骨干传输网络平台上传输业务。但其缺点也非常明显，带宽消耗非常严重，例如映射成本昂贵、性能低，数据业务配置过程复杂。基于二层交换的第二代 MSTP 技术应运而生，其关键技术有：映射方式、级联方式和链路容量调整机制。基于二层交换的 MSTP 具有以下特点，同时具备电信级的可靠性；满足传统 SDH 节点的基本功能，同时其帧结构 VC 映射部分满足 G.707 规范中对于级联/虚级
11、联的要求，使其具备 n2Mbps 的多速率接口，并提供级联条件下的 VC 通道的交叉处理能力；支持多种协议，如PPP、ML-PPP、链路接入规程SDH（LAPS） 、通用成帧协议（GFP）等，通过这些协议把高层的各类用户数据信号进行映射、适配、封装后转化为可以在 MSTP 上进行透明传输的信号；支持以太网业务透传、以太网二层交换、以太网带宽管理及环路保护；提供 ATM 承载业务，并具有统计复用功能，支持点到点永久虚电路 PVC 连接功能；点到多点连接功能；支持 VP-Ring 保护，可以和 SDH 的通道保护和复用段保护协同处理，既两种保护方案中，只有一种处于激活状态，另一种处于屏蔽状态；支持
12、流量控制功能。同样二代 MSTP 技术也存在支持数据业务成本昂贵，数据带宽消耗仍比较严重，支持 802.3 情况下，不能支持端到端的 QoS 保证，没有解决数据传输拥塞问题。第三代 MSTP(含 RPR 功能的 MSTP)的出现基本解决了地铁通信传输系统数据业务种类多，以太网业务较多等需求。含 RPR 功能的 MSTP 实际上是在 SDH 环网的传输通道上根据实际应用需要设定传送 TDM 话音业务的 VC 通道和传送 IP 等数据业务的 RPR 通道（nxVC-X）带宽。RPR（弹性分组数据环）技术已由 IEEE 802.17 标准化，它采用一种全新的并列于以太网协议（802.3）的 MAC
13、层协议。RPR 技术吸收了千兆以太网的经济性，SDH 对延迟和抖动的严格保障、可靠的时钟、50ms 环保护和 ATM/MPLS 网区分不同业务的服务等级等特性，具有比PacketOverSDH 更简化、更灵活的帧封装模式。适应高带宽、更高的光纤资源利用率和带宽利用率、强大的保护和恢复能力、承载多业务的能力。RPR 同样也有缺点，作为新技术，其实用性，可靠性和经济性还需进一步验证；虽然 RPR 定义了协议支持实时业务，但是其工作的效果尚有待考察；在网络容量不大时，设备投资较高。含 RPR 功能的 MSTP 根据接入方式的不同，可以分为内嵌式和外挂式两种方式。（1）内嵌 RPR 功能的 MSTP
14、是指各厂家在原有设备基础上开发出相应的 RPR 板卡，将 RPR单板插入 SDH 设备相应子架槽位，在自己的设备上支持 RPR 环，提供对数据业务的支持，同时结合 MSTP 的虚级联技术，通过统计复用和空间复用技术来大大提高数据业务的传输效率，并且可以利用 SDH 和 RPR 的双重保护来提供更高的可靠性和稳定性。可以统一网管，但跨环组网实现不是很灵活。（2）外挂 RPR 功能是指独立于 SDH 设备，能够通过相关接口来实现 RPR over SDH。相对于内嵌式的 RPR，外挂式显的更为灵活，不依赖于厂商，能够提供端到端的服务质量保证，并且可5以跨多环结构，可扩展性较强，但一般基于 SDH
15、的 STM-1、STM-4、STM-16 接口，很难再结合SDH 的虚级联技术来分配中间速率带宽含 RPR 功能的 MSTP 具有以下几种优势：（i）通过 RPR 的空间复用技术,环路带宽对数据业务双向可用,大大提高了环路数据业务接入能力。 （ii）利用 SDH-VC 通道构建环网，可以根据实际需要灵活配置环网带宽；可以构建跨接多个物理光纤环的虚拟 RPR 环，提高光纤资源利用率；可实现一个平台提供时分复用(TDM)、以太网等的多业务接入传送应用。 （iii）RPR 提供差异性服务质量, 对于不同业务可分别给予不同的服务等级。 （iv）RPR 环路节点间带宽分配对所有业务具有公平特性,使用户接
16、入不受所处环路节点位置的限制,可根据需求提供带宽和服务质量保证。(v)在原有 SDH 网络传输稳定前提下,使用同样具有保护能力的 RPR 技术,使数据传输具备了双重保护,系统更为可靠稳定。3.5 MSTP 组网方式及保护方式简介3.5.1 MSTP 组网方式MSTP 组网方式包括点对点、线性、星形、树形、环形。由于轨道交通线路的特殊性及可靠性等要求，以两点为相切点组建传输环网的方式比较常见。3.5.2 MSTP 保护方式MSTP 保护主要采用自愈网来实现网内数据传输的保护。自愈网，既无需人为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络出了故障，它的基本原理是
17、使网络具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力。对业务恢复时间的要求主要包括 2 个重要门限值：50mS，此时可以满足绝大多数业务的质量要求，除了瞬态冲击外业务不中断；2mS，只要短于这个时间，中继传输和信令网的稳定性可以保证，电话用户只经历短暂的通话中断，但数据会话协议能维持不超时，图像会丢帧。3.5.3 自愈网类型自愈网类型，主要包括线路保护倒换及环形网保护两种方式。线路保护倒换，工作原理为工作通道传输中断或性能劣化到一定程度后，系统倒换设备将主信号自动转至备用光纤系统传输，这种保护方式业务恢复时间很快，小于 50MS。它对于网络节点的光或电的元部件故障十分有效，但是，对于光缆所有光纤切断
18、是无效的。环形网保护环形网节点一般由 ADM 组成。自愈环可以分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。通道倒换环业务量的保护是以通道为基础的，利用通道 AIS 信号来决定是否倒换。复用段保护环是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点间的复用段信号质量的优劣而定。保护环又分为：二纤单向通道保护环；二纤单向复用段保护环；四纤双向复用段保护环；二纤双向复用段保护。1、 二纤单向通道保护环，既 2 根光纤，一根为工作光纤，一根为保护光纤。业务信号和保护信号分别承载在相应光纤上，方向不同，节点之间业务同时承载在工作光纤和保护光纤上，同时沿 2 个方向发送，由接收节点按通道信号优劣来决定选择哪一路信号，正常
19、都是选择工作光纤，出现故障则有工作光纤倒换至保护光纤。如图所示：2、二纤单向复用段保护环2 根光纤，一根为工作光纤，一根为保护光纤，平时工作光纤传送业务，保护光纤空闲，当光纤切断时，利用 APS 协议执行环回功能，以达到业务不中断的目的。如图所示：73、 四纤双向复用段保护环4 根光纤，2 根为工作光纤 1 发 1 收，2 根保护光纤 1 发 1 收。其中 2 根工作光纤分两个方向承载业务，保护光纤相应在相反方向保护业务，保护倒换在设备板或单纤失效时利用传统的复用段保护方式，当节点失效或光缆切断才需要利用环回方式进行保护。如图所示：四纤双向复用段保护环正常工作模式四纤双向复用段保护环正常保护模
20、式4、二纤双向复用段保护环与四纤原理相同，只是利用一半时隙进行保护，所以利用 2 根光纤即可。如图所示：选择环的保护方式，先看业务分布形式，再视是集中型还是分散型分别对应选择通道保护和复用段共享保护。一般来说，由于四纤环所需要的光纤是二纤环的两倍，因而其建设成本大约也是二纤环的两倍，但四纤环可以提供较高的业务容量。因而考虑业务容量因素之后，成本比较将与网络结构和实际业务量分布密切相关，比较复杂。轨道交通专用传输系统由于其业务类型比较分散，以点对点，点对多点，共享型等多种业务类型存在，所以根据其业务容量的多9少选择二纤或四纤复用段保护方式为主。四未来城市轨道交通通信传输系统技术展望综上所述，一线城市城市轨道交通线网日趋完善，轨道交通通信传输系统的业务类型基本成熟、带宽容量需求也以稳定。基于轨道交通 OTN 传输系统和 MSTP（内嵌 RPR）传输技术作为现阶段比较成熟的传输系统组网方式，成为各大城市轨道交通工程的主流选择。随着科技的进步，IP 技术的日趋成熟，以车站为节点，IP 模块化接入城市轨道交通线网的组网方式将可能成为未来轨道交通通信传输系统发展的趋势。作者简介：李永春：2007 年毕业于西安通信学院通信工程专业，现工作于中铁二局集团电务工程有限公司，任助理工程师。
