城市轨道交通通信传输系统网络化组网研究*

2013-09-25李永辉

城市轨道交通研究 2013年10期

李永辉辛炜陈东

(西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系，614200，峨眉∥第一作者，讲师)

近年来，我国很多城市的轨道交通线路经历了从无到有，从单条线路到多条线路的发展过程，网络化特征日趋明显［1－2］。其传输系统、公务电话系统、专用电话系统、有线广播(PA)系统、视频监控(CCTV)系统、时钟系统、乘客导乘系统(PIS)等也向着统一的网络信息平台发展。将城市轨道交通各条线所属的通信网络互连互通，形成一个多线路的综合信息传输网络(一个可靠实用、技术先进、经济合理和扩展性强的传输网络)，并能适应各种业务对带宽的动态需求，能提供各种通信业务以及未来新业务的接口，是城市轨道交通传输系统建设的目标［3］。

本文从城市轨道交通通信综合信息传输平台的网络结构出发，结合近、远期城市轨道交通通信业务的特点，对传输网络的规划和组网提出了建议。

1 传输网络的总体构架

城市轨道交通线路多是分线分期进行建设，一条线路采用一套通信系统。单个传输网上的通信节点数目有限，其建设重点是单线传输网的安全性、可靠性和经济性。为适应传输系统网络化发展需要，现将整个城市轨道交通传输系统作为一个总体，分层次进行网络构架、维护和管理。该传输系统由骨干(网)层、汇聚层和接入层等组成。骨干层作为传输的核心部分，负责整个城市范围内核心节点的连接，并实现与其它网络的互联互通。骨干层节点数量少、业务容量大，侧重于对业务性能的监视、管理以及提供可靠的路由保护。在一定时间内，骨干传输层相对稳定。汇聚层主要负责承载各线(跨线)间的运营和管理信息，负责一定区域内的业务汇集和疏导，应具有强大的业务调度能力和多业务接入能力。接入层负责城市轨道交通各条线路通信业务的接入，节点数目多，单个节点的业务量相对较小。接入层因针对某条特定的线路应用而设计，更新变化可能更快，因此对可扩展性和设备性价比要求较高。城市轨道交通通信传输系统的网络总体结构如图1所示。

图1 城市轨道交通通信传输系统总体构架图

传输网络的分层结构使得业务传输和设备维护管理层次分明、分工明确，更便于建设者根据不同层面的需求以及技术发展的成熟度，分期、分步、分阶段引入不同性能的设备。网络层次的划分应根据本地传输网的规模、承载的业务特性及传输节点的数量进行合理规划。对于规模较小的城市，在业务接入点数量不是很多的情况下，可省略汇聚层，按两层网络建设。传输节点的设置应综合考虑城市轨道交通总体发展规划及其他相关因素。同时，为提高网络的可靠性，建议传输网各层采用环形拓扑结构，以双向复用段和单向通道保护环为主。

2 技术类型及选择

在早期的城市轨道交通通信系统中，传输业务主要有专用电话、公务电话、无线基站数字链路、广播、时钟、视频监控和各种网管信息等，以时分复用(TDM)业务为主，几乎没有IP数据业务。随着城市轨道交通的发展，通信系统承载的业务发生了很大变化，最大的变化是IP数据业务的大量增加［4］。因此，当前城市轨道交通传输网的最大特点是承载信息的多样化，既有2 Mbit/s及以下的低速率业务，又要考虑10 M/100 M/1000 Mbit/s的高速率业务，且不同业务对服务质量(QoS)的要求各不相同。在当前技术条件下，可用于城市轨道交通通信传输的技术主要有开放传输网络(OTN)、千兆以太网(Ethernet)、多业务平台(MSTP)、弹性分组环(RPR)和分组传输网络(PTN)等几种类型［5－10］。

OTN是西门子公司开发的一种开放式光环路传输网络，采用TDM技术，已在我国多条城市轨道交通线中得到了应用［6］。但其明显的缺点是不能满足大带宽需求，产品独家生产，没有国际标准。

千兆以太网是被广泛使用的网络技术，但由于IP技术采用的是“尽力而为”的服务原则，不能满足城市轨道交通通信传输网络中语言及相当一部分控制信息的QoS要求，故不适合于安全性、可靠性要求较高的城市轨道交通通信传输系统。

MSTP技术源于SDH(同步数字分级系统)，还支持 PDH(准同步数字传输系统)、POS、以太网、ATM(异步传输模式)、DDN(数字数据网)等透传、二层交换的功能，通过多业务汇聚方式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，已在我国多条城市轨道交通线上得到应用［6］。MSTP与RPR相结合的方式，既能保证大量的TDM业务对传输性能的要求，同时又融合了RPR技术对以太网数据业务高效的处理功能，被视为城市轨道交通传输系统的主流技术［6－10］。

PTN是传送网技术和数据网技术的融合，是针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计的。PTN以分组业务为核心并支持多业务提供，具有面向连接的数据转发机制、较强的网络扩展性、丰富的OAM(操作维护管理)、严格的QoS机制以及50 ms的网络保护等技术特征［11］。PTN被认为是下一代本地传送网的主要代表技术［12］。

MSTP技术成熟，在城市轨道交通领域已大量使用，系统兼容性和扩展性较好，特别是对承载TDM业务具有一定的优势。PTN在承载IP分组数据业务方面有更好的性能，但其标准化工作尚未完成，成熟的应用经验相对较少［14］。基于当前城市轨道交通通信业务的特点，建议传输系统使用MSTP+RPR的方式。随着业务全数据化的进程和PTN产业链的逐渐成熟，可逐步采用PTN技术替换和升级现有的传输系统。

3 组网建议

3.1 组网方案

根据城市轨道交通建设现状及规划，其通信传输系统可采用如下组网方案。

方案一:对即将或正在规划轨道交通的城市，按照城市的地理位置分布，以整个城市的地理覆盖作为传输系统骨干层分布范围来考虑，分片区(如东、南、西、北等)设立区域式控制中心(OCC)，由其负责区域内多条线路的集中控制管理，并构成骨干层的网络节点;各线路的OCC作为汇聚层接入交换节点，连接相应的区域OCC，如图2所示。本方案主要以城市的地理分布为规划着眼点，传输网络总体业务平衡，分层次的网络结构便于系统的总体维护和集中式指挥调度。

图2 城市轨道交通传输网组网方案一

方案二:对已建轨道交通线路的城市，实现既有线路非网络化传输系统的互联互通，并为以后的线路预留传输接口。将已有线路OCC考虑为骨干层和汇聚层的节点，同时结合地理分布，采用分散式指挥调度模式。组网方案如图3所示。

图3 城市轨道交通传输网组网方案二

3.2 业务的扩容方案

当骨干层需新增以太网业务时，可在现有的MSTP+RPR网络结构下，进行业务的扩容。当在汇聚(接入)层新增一个以太网业务终端时，利用现有的SDH接口，将新业务与SDH网络直接对接(见图4)，不需要对SDH设备做任何改动。新的业务终端采用10 M/100 M以太网接口，利用RPR设备将以太网接口数据转换为155 M数据流，通过光纤传输后，在骨干传输网的SDH设备端使用RPR设备将155 M数据转换为若干E1接口数据，与SDH设备的E1接口对接。

如果接入的是多个以太网业务节点，可利用双向光纤链接多个RPR板卡，组成一个155 M的RPR环网，如图5所示。当系统带宽升级时，只需将两节点间的光接口断开，更换为更高速率的光接口板，就能实现两节点间的带宽升级。即使在更换光接口板时，系统也并不中断业务传递，会自动进行反方向链路的业务传递。若在两节点间增加新的节点，只需断开原两节点的链接，插入新的节点分别与原两节点链接即可。

图4 新增一个以太网业务终端的接入示意图

图5 新增多个以太网业务终端的接入示意图

与采用分组交换体系的以太网交换机不同，RPR采用分组ADM体系，这使得环上的分组处理过程大大简化。对环中的每个节点，如果数据流的目的地不是本节点，这个数据流会向前传递，而不必进入交换队列进行等待。这种结构使得RPR可非常高效地对本地数据包进行上、下路传输，从而实现高速率的网络流量。另外，TDM业务可直接加载在其相应的VC(虚拟通道)上处理，对TDM类业务也不会带来影响。RPR占用的SDH通道带宽可根据需要灵活配置。随着未来数据业务的不断增长，可在SDH网络中逐步增加分配给RPR的带宽，无需更新设备就可实现网络的升级。