软交换技术在地铁通信系统中的应用研究

宋鸿昇

【摘要】 本文在分析了目前地铁通信系统的现状和存在的问题的基础上引入了软交换技术，并对软交换技术的特点和功能进行总结，在考虑了地铁公司的需求和地铁运行的实际情况之后将软交换技术应用到地铁的通信系统中，提出了一套完整的方案，分析了影响方案的各种成本以及设备的寿命得出了方案的可行性。

【关键词】 软交换 地铁通信 电话交换

一、引言

1.1现状

电话交换技术从发明到现在完成了从模拟到数字的转变，这两种技术的核心都是电路交换，关键是连接，通信之前要有合适的固定带宽的电路连接，在进行通信时，电路保持连接直到通信结束才断开，整个过程中带宽资源一直保持占用，电路唯一。在使用电路交换技术进行通信时比较稳定而且可以实时无延迟的通信，但是因为通信完成时带宽才被释放，所以对电路的利用率不高。

技术的进步使得网络在传输传统信息的同时传输语音等，将交换和控制的功能分开之后就产生了软交换技术。软交换技术是通过通信一方发出通信要求之后，软交换的控制中心发出命令使信号接通来实现的。在整个过程中通信产生的数据不经过控制中心而直接端对端，如此就在很大程度上节约了交换中心与通信者的带宽。软交换系统通过中继网和传统的网络进行连接，保证了命令信息的及时传递和通信业务的传输。软交换技术以其特殊的作用有能力取代电路交换，在通信技术中获得广泛的应用。

软交换技术的应用使得数据网和语音网等的融合变为可能，其强大的功能也引起了地铁通信部门的注意。当前，我国新建立的地铁的通信系统都考虑采用软交换技术，但是目前还没有成功实施并运行。

1.2意义

传统的电路交换技术的功能单一，不能满足用户日益增长的要求，而且如果要加入新功能则需要对硬件进行大幅度的提升， 面对软交换技术的冲击失去了发展的余地。软交换采用智能而且相对集中的管理模式，可以迅速进行连接。而且在技术和业务上适用于城轨乘客少而且不集中。但是地铁的应用条件和通信系统构成的差异使得软交换技术目前没有得到成功应用，因此在采用这种技术之前需要进行深入的分析研究。

因此，研究如何将软交换技术应用在地铁的通信系统中去，同时实现整个系统的完美融合；如何对系统进行规划，统一标准，保证需求的同时实现通信设备和信息的共享，促进地铁通信技术的发展非常必要。

二、地铁通信系统体制研究

2.1地铁通信系统简介

地铁的基础设施一般有车辆段、车站、停车场合控制台，其中控制台对地铁的运行的过程监控和管理，保证地铁系统安全的运行。地铁的通信系统是一种综合性的通信网络，可以完成车辆的调度、工作人员办公和各种信息的互通，安全性和可靠性都比较高。在一般的状况下，通信系统主要保证各个子系统之间的信息流通，使车辆顺利运行，于此同时为乘客提供优质的乘车环境；在出现特殊状况时，通信设备可及时采取措施，以保证在各种特殊事故发生时通信网络保持畅通。为了使通信系统能够拥有以上功能需要采用易安装扩容和技术成熟的设备。地铁的通信系统由许许多多个二级系统构成，依据不同的作用，主要分为民用、公安和专用系统三种。

2.2传统的地铁公务电话系统组网方案

地铁的公务电话系统是地铁的运营维修人员之间联系的工具，是一种专用的电话网，其主要功能有：电话交换；数据功能；计费功能；维护和通信功能。

2.2.1公务电话系统线网分析

地铁的电话网是由四级共同搭建的。在整个网络中，指挥中心是线网的控制核心，主要指挥紧急调度。应急指挥中心与每一个控制中心都相连接，不仅可以完成本地电话交换还可以完成对其他控制中心进行电话汇接。在具体应用中，指挥中心又叫做线网交换局，是整个系统第一级；区域汇接局是第二级，实现控制中心的线路与用户的连接和公务电话的畅通；分线汇接局是第三级，主要实现本地车站和公务电话的汇接；用户接入局是第四级，实现电话交换和电话转接。

2.2.2系统的模式

根据上文分析的地铁电话系统需要实现的功能，得到系统的功能可以通过下述的两种方式来实现：自建模式，将地铁的电话系统考虑进城市的规划建设之中，建立独立的网络，经过公用的电话进行网络连接；依据运营商的公网形式，依据各个运营商公用网络的交换机来到达地铁系统要求。

2.2.3系统的设置方式

地铁通信系统的电话交换网络包括公务、专用电话系统和无线的通信系统，前两者属于有线的通信网络。其中公务电话系统主要为保证行政电话，同时可以实现市话。专用电话是与车辆的行车相关的，包括调度电话和直通电话等，是工作人员进行检修和维护的通信措施。无线通信不仅可以实现列车运行无线调度还可以实现票务信息的无线调度，为工作人员提供了极大的方便。根据技术的发展和城市建设的经验，目前系统的设置一般有三种方式：一、完全分设方案；二、部分合设方案；三、完全合设方案。

2.3软交换技术在地铁通信中实现的功能

将软交换技术应用到公务电话系统中使得系统拥有一致的通信条件，并且采用软交换平台可以与网络和视频会议联通，以实现：即时消息，用户的信息及时沟通，不同的用户之间能够进行文件传输的功能；可视电话，用户使用可视电话设备进行语音盒视频的通话，语音用户和视频用户通过软交换进行连接；视频会议，通过会议系统实现视频会议同时可以进行图像分屏等功能。

2.4软交换技术与程控交换技术的比较

依据对城市地铁电话系统的分析可以得出，用户大量集中在车站、车辆段和控制中心附近。其中每个车站平均的用户较少，因此软交换系统智能集中的管理方法和灵活的接入模式充分的适用于用户分散的情况。从具体功能来讲，传统的交换方式只能实现单一的功能，不能适应人们对于清晰图像通信的需求，而且整个系统不开放；而软交换系统不仅可以提供各项服务还可以随着用户需求的增长增加新的功能。

三、地铁软交换网络方案设计

3.1软交换技术实现的方案

就目前的软交换技术和地铁公司通信系统的情况而言，地铁的通信系统应用软交换技术员主要通过下述两种方案来实现：

方案一：把软交互模块应用在传统的电话网络之中来实现软交互的具体功能，这种方案是一种传统技术扩展兼容的方案。

方案二：将模拟电话模块加入到软交换系统之中来实现需要的功能，这种方案是软交换技术扩展兼容的方案。

通过对两种不同的方案进行比较，可以得出第一种方案是NGN软交互过度方案，第二种方案设立了分布式的软交换平台，是真正的NGN方案。而且第二种方案有强大的专网用户功能，同时可以满足下一代网络的需求，系统的容量等方面也都优于第一种方案。因此在实际的应用中，第二种方案可以搭建一个平台来实现需要的功能，可以将软交换技术在地铁通信领域的优势得到充分的应用。

3.2系统总体架构与协议

NGN网络结构主要包括接入、传输、控制和业务层。其中接入层包含的设备最多，包括接入、中继和信令网关和电话终端等。传输层主要是由信号传送设备构成，传送软交换信息，同时与控制层分开，达到传送和控制互不影响。控制层是软交换的关键部分，为软交换提供平台。业务层可以使用户体验智能服务。NGN网络的结构如图1所示。

3.3公务电话系统软交换技术组网方式

公务电话软交互系统在进行实际的应用时需要进行深入的研究，不仅需要考虑正在建造的线路还需要考虑整个线网的因素，对系统进行整体的规划，同时统一标准使得线网通信设备等资源可以共享。现在我国新修建的地铁都数个线路共用控制中心，这促进了软交换技术的推广。

通过对地铁上公务电话客户进行调查分析并考虑到多线路共用控制中心的特征，考虑采用两级结构构建公务电话系统，使用接入点和中心交换节点的方式，具体情况如图2所示。中心交换节点是整个系统的交换核心，依据主备方式配置，设在控制中心附近；接入点设在车站附近。

考虑到软交换系统是依据IP网络而建立的，这样就可以使在有网络的地方能够通话得到满足。应用了软交换技术之后就与传统的用户接入方式大不相同，是网络结构扁平化，灵活化。（图2）

3.4系统主要构成的设计方案说明

将软交换中心设备放在核心机房，实现对控制中心和用户的控制以及信息通知等功能。该设备主要包含主控板和电源板等元件，其中电源板的容量应能够满足40000使用者的需求。还需要在控制中心安装接入网关和中继网关等来保证控制范围内的公务通信以及市话和专线的互通；安装一台网关来对各个线路的设备都进行管理；使用计费系统来对用户产生的话费进行汇总。

备用的控制中心也采用软交换中心设备，与上述的型号相同，当主设备出现问题时可以及时的工作以避免损失的扩大。

3.5软交换系统保护方案设计

3.5.1容灾备份保护

由于软交换分布采用的是多个点共同控制的方法，因此强化了系统的备份保护能力，位于不同地方的控制中心共同构成了系统，公用一个数据库。电话从接入层传递到传输层，然后在控制层的软交换中心按次序登录。如果主控中心出现问题，自动进入第二个控制中心，并以此类推，如此可以保证电话连续。

在主控中心和备用的控制中心都可以进行热备份。网关都采用H.248协议在主控中心的软交互设备上注册，同时网关拥有主从双归的功能，在主控设备出现问题时自动连接到备用设备中，是用户的通话不收影响，并提高系统的可靠性和安全性。

与普通的单交换方案不一样的是，双归属的方案多采用了一个平台，新增的平台为主交换平台进行热备份，发生问题时工作，同时两套系统可以进行异地的容灾备份，通过特殊技术实现互换。可以考虑增加中继网关来防止网关出现问题导致的通话终止等，使安全性得到进一步的提高。

3.5.2网关自交换

当软交换平台系统出现问题时，可以采用中级网关的交换功能使调度系统、公共网络等安全运行。接入网关不仅可以单个网络进行交换，而且可以在多台设备接入网关而其中某一台出现故障时在虚拟的网关中进行交换。因此在极度恶劣的状况下，采用接入网关的交换功能来使通话正常进行。

四、RAMS规划以及全寿命周期成本分析

4.1 RAMS目标

为了保证地铁通信软交换系统在运行的过程中可靠（R）、易用（A）、易维护（M），依据系统运行的各种参数、过程框图和计算模型，并结合了通信系统固有的标准进行分析，得出了RAM要求如下表。

表一 RAM要求

可靠性（R） 运行可用性（A） 可维护性（M）单位：小时

单位：故障次数每年、每系统 单位：百分率 响应时间 维修时间

地铁通信软交换系统 0.05 99.999% 2 3

4.2RAM计算

4.2.1维修时间计算

本设计方案采用的地铁通信软交换系统，配备了有很强故障控制功能的网管系统，可以自主检测是否有程序出现问题。当发现出现问题的系统时，发出警告。系统使用的是板卡替换的方法来进行维修，平均的修理时间是0.2小时。

4.2.2系统的可用性计算

依据可靠性的相关理论，可以得出系统的可用性为：

其中MTBF为系统正常运行的时间。

T为出现故障时暂停工作的时间

4.3系统整个工作周期成本分析说明

地铁通信软交换系统的整个工作周期包含技术寿命、折旧寿命、物理寿命和经济寿命周期。对其成本进行分析使用的是LCC模型，目标是得出在考虑经济因素的时候将软交换系统应用在地铁通信系统之中是否合理。

4.3.1技术寿命

基于软交换技术的地铁通信系统采用的是NGN网络设计而来的系统，是最新一代的网络系统，可以实现向前发展、向后兼容和横向联通的功能。因此其技术寿命至少为20年，也就是说在20年之中该地铁通信系统可以完成从电路交换向软交换的转变，同时设立无线有线一体化的通信模式，实现不同带宽的组网和系统的向前发展，保证技术上不落伍。

4.3.2经济寿命

系统每个设备的维修花费处在适当的范围内的时间就是设备的经济寿命。设备长时间工作之后就会经常出现问题导致维修费用上升。在设备投入使用之后，使用的事就越久，每年分担的成本越低，但是维修费用却越高。完整的经济寿命就是从设备投入使用到每年花费不合理的时间。地铁通信系统的经济寿命一般为二十年。

4.3.3折旧寿命

各种设备在使用的过程中都会出现一定的折旧，依据目前科技的进步速度和电子设备的升级换代速度来看，对于IT产品的公认的折旧时间一般为五至十年。上文得出的系统的经济寿命为二十年，远超过了设备的折旧时间，因此，当系统折旧之后还可以运行，为地铁部门带来巨大的经济效益。

4.3.4物理寿命

地铁通信系统的物理寿命一般为二十年，也就是说在二十年内，如果不出现人为的破坏或者自然灾害的话，系统可以保持正常的运行，完成所需要完成的功能。

五、结束语

通过对于将软交换技术应用到地铁通信系统中进行研究得出了新的系统下，使得地铁的通信网络得到优化，也节约了大量的人力和费用。采用多中心控制的方法，使系统可以安全可靠的运行。新的系统可以为每个的客户提供其需要的服务并实现了视频会议、及时通信和可视电话的功能。可以预见的是随着网络技术的发展，软交换技术应用在地铁的通信系统之中的优势会更加明显。

参 考 文 献

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