地铁通信传输系统的方案设计分析.pdf

2023 年 7 月地铁通信传输系统的方案设计分析康建明（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）【摘要】地铁通信传输系统作为通信网络的基础设施袁具有承载着运营通信尧数据信息传输和控制功能的重要作用袁是地铁全线行车指挥和运营管理的基础袁能够使各分散的系统协同运行袁同时为地铁运营中的通信信息安全提供强有力支撑遥 为有效提高地铁通信传输系统的实际运行效率袁应在地铁项目实施阶段重视通信传输系统的方案设计与分析袁要选用科学尧合理的地铁通信传输技术和组网方式袁为信息有序传输和交换提供安全保障遥【关键词】地铁通信曰传输系统曰设计分析曰融合【中图分类号】U285【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）07-0004-030 引言随着我国经济的高速发展，我国地铁建设突飞猛进，多个城市迈入“500 公里俱乐部”。地铁具有快速、准点和便捷等优势。地铁通信传输系统作为整个地铁通信的神经中枢，其可靠性、稳定性、安全性是地铁安全运营的关键。近年来，随着地铁的不断建设和运营，各种技术不断演替，对通信传输系统方案设计的要求逐渐提高，加强地铁通信传输系统方案设计分析具有重要的现实意义。其能够满足新的地铁运输组织和维护管理方面的要求，为运输指挥和经营管理提供稳定、可靠、畅通、质优的通信传输手段。1 地铁通信传输系统现状截至 2022 年 12 月 31 日，全国共有 53 个城市开通城市轨道交通线路 290 条，运营里程达 9 584 km，运营车站达到 5 609 座。1.1 地铁通信传输系统概况地铁通信传输系统由专用传输、民用传输和公安传输 3 个独立系统构成。其中，专用传输系统承载着无线通信、公务通信、计算机网络系统、闭路电视监控系统（CCTV）、专用电话、广播系统、时钟系统、乘客信息系统、集中监测告警等关键系统业务。专用传输系统是否可靠高效，直接关系到地铁运营的安全与效率。民用传输系统承载着中国移动、中国电信和中国联通三大运营商的语音和数据等系统业务，关系到公众的日常工作联系和沟通交流。而公安传输系统承载着无线通信、视频监控、计算机网络系统、有线电话系统等关键系统业务，公安传输系统的可靠高效直接关系地铁安防的稳健与效率。1.2 地铁通信传输技术现状现有地铁传通信输系统主要采用同步数字体系（synchronous digital hierarchy，SDH）和传输控制协议/网际 协议（transmission control protocol/internetprotocol,TCP/IP）进行组网。SDH 作为通信骨干网中重要的组成部分，其技术体系已经非常成熟，在国际上有统一的标准，网络自愈和重组功能非常强大，有优秀的横向兼容能力。TCP/IP 不依赖于网络传输硬件，具有高带宽和低时延，协议完全开放，更适合互联网，可以提供各式各样的可靠网络服务。1.3 现有地铁通信传输系统方案示例以某市地铁 3 号线为例，其通信传输系统具有自愈功能，重要信息的传输信道采用 1:1 备用，具有集中网络管理功能，通信传输系统包括连接传输设备的通信线路。专用传输系统方案设计推荐采用两纤复用段的2.5 Gbit 多业务传送平台（multi谣service transportplatform,MSTP谣2.5G）方案，光传送网（optical trans谣port network,OTN）或分组传送网（packet transportnetwork,PTN）作为备选方案。民用通信系统就是将地面的移动通信业务引入地下空间，以提高服务水平，使乘客候车和乘坐时能够享受与地面一样的移动通信服务。民用通信传输系统方案设计推荐采用两纤复用段的 MSTP谣2.5G 方案。公安通信为线路提供安全运营服务，公安传输系统方案设计推荐采用 MSTP谣2.5G 方案组网，并将弹性分组环（resilient packet ring,RPR）技术作为备选方案。2 地铁通信传输系统的方案需求2.1 技术需求地铁通信传输系统采用光纤作为基础传输介质，按照地铁线路的实际情况，选择在不同区段的地下车站、隧道区间设置传输节点，敷设不同规格的光纤，将信号通过光纤传输到车站、隧道区间内。光纤具有容量大、传输质量高、建设周期短、可实现网际互联协议（internet protocol,IP）化等特点。在地铁通信中，光纤是主要的传输通道，担负着数据信号传送和承载业务功能。光纤具有较强的抗电磁通信设计与应用42023 年 7 月干扰能力，传输质量较高。同时光纤网络具有良好的网络管理功能和安全保密性能，可满足不同业务的应用需求1。2.2 业务需求地铁通信传输系统传送的业务信息种类除语音外，还有大量数据和图像。地铁通信传输系统的业务种类和带宽需求如表 1 所示。从表 1 可以看出，地铁通信传输系统业务需求种类多，且有不同的发展变化趋势，归纳总结如下。（1）传统的时分复用（time谣division multiplexing,TDM）业务（语音类）比较稳定，带宽需求较少，但是安全调度和应急指挥对其实时性、安全性要求非常高。（2）对数据（含视频）信息的带宽需求较高，并且在不断提升，传送数据占用的带宽远大于传送语音占用的带宽。初期初步统计的总带宽需求高达 23 Gbit/s以上，远期有可能超过 30 Gbit/s 甚至 40 Gbit/s。（3）对视频传输的质量、实时性、安全性要求较高，例如，涉及列车安全监控的视频流数据，要求实时、高分辨率地传送到相关监管部门。3 地铁通信传输系统方案技术3.1 MSTP渊内嵌 RPR冤MSTP（内嵌 RPR）多业务传送是多种技术集成的结果。除具备传统 SDH 的所有优点外，MSTP 利用通用成帧协议（generic framing procedure,GFP）、虚拟通道（virtual channel,VC）、RPR 等技术，能在 TDM、IP、异步传输模式（asynchronous transfer mode,ATM）之间灵活调配和利用带宽。MSTP 支持以太环网、组播等功能，可以提供 41 000 Mbit/s 的不同速率接口，面向用户提供端到端的透明传输，可以满足多业务传送需求。但 MSTP（内嵌 RPR）多业务传送存在如下缺陷：MSTP 仅能够综合接入、传输 TDM、ATM、IP，自身并不具备 IP 业务三层交换的主要功能，很难满足不同类型信息系统大规模、多 IP 点等业务交换的需求。也就是说，MSTP 仅具备 IP 数据传输功能，并不是 IP数据传输最理想的技术方式。此外，MSTP（内嵌RPR）带宽的上限仅有 10 Gbit/s。3.2 OTNOTN 也被称为开放式传输系统，可以支持多类协议，满足语音以及数据传输等多项要求。OTN 采用一次复用机制，完成传输一体化状态的转化，将所有语音、视频以及数据通过传输进行一体化处理，能有效整合各类网络传输协议，转变为多类用户接口，及时传输及接入任何类型的数据。此外，OTN 需要根据实际情况，借助网络技术合理设置带宽的大小。这样不仅能够避免浪费网络资源，还能设置分布式网络，便于组网以及扩容等2。但是，OTN 还是存在如投入成本较高、网络连接性能欠佳、过度依赖原厂设备、兼容性极低等缺点。在地铁通信传输系统中，结合不同城市的需求和实际情况，充分发挥 OTN 的优势，不仅能够保证广大市民的安全出行，还能够辅助地铁的正常运营，保证地铁通信的实际传输质量，逐步营造高效、健康、稳定的数据传输大环境，促进我国地铁运输效率稳步提升。3.3 PTNPTN 是以分组为核心的新型多业务、统一性的传送技术，能够较好地满足突发分组业务流量和统计复用传送需求，其是以太网、IP/MPLS 和传送网3 种不同传输技术相互融合的产物，不仅能够有效承载以太网中繁重的业务，同时还具备端到端的组网功能，可塑造和形成更加适合 IP 业务特点的柔性传输通道，采用 PWE3 端到端的伪线仿真技术，可加大对TDM 业务的支持力度。在发生故障时可以在 50 ms内完成保护和切换工作，可快速保护和修复电信业务，同时还具备了同类数字技术管理和维保功能，形成了完美的操作维护管理（operation administrationand maintenance,OAM）体系，确保网络能够具备自动保护和切换、故障自动检测以及性能监视等功能。目前，PTN 采用的代表技术运营商骨干网传输（provider backbone transport,PBT）、传输层多协议标签交换（T谣MPLS）还面临着标准、芯片成熟度、产品成熟度和应用模式等多方面的完善问题3。PTN 虽已在各运营商大规模展开部署，但在地铁通信传输中尚无应用先例。3.4 增强型 MSTP基于统一交换架构设计增强型 MSTP，引入和应用 PTN 技术。从硬件配置角度来说，要优化和完善传统的 MSTP 设备交叉板，在保证 TDM 特性不发生改变的基础上，将其与经过优化和完善的 TDM 交叉板融合，从而实现 MSTP 和 PTN 的融合。业务类别接口类型业务种类带宽/（Mbit s-1）公务电话FE数据1 000专用电话E1/FE语音100视频监控10GE数据12 000综合监控10GE数据2 000广播系统FE数据10时钟系统FE数据10录音系统FE数据10自动售检票系统GE数据4 000乘客信息系统GE视频2 000列车自动监控系统GE数据2 000其他网管业务FE数据500表 1 地铁通信传输系统的业务种类和带宽需求通信设计与应用52023 年 7 月增强型 MSTP 基于 MSTP，完全兼容了当前MSTP 的所有特性，能同步处理 TDM 和 PTN 业务，且拥有众多的业务接口。增强型 MSTP 能够在同一台传输设备上，针对地铁运营过程中的不同业务，选择不同类型的传输通道，以此提高传输效率，降低通信传输成本，突破传输带宽时间和空间方面的限制4。目前，国内通信厂商的增强型 MSTP 设备，已能提供40 GB 容量的板卡，完全能满足地铁数据业务的带宽增长需求。4 地铁通信传输系统的方案设计4.1 总体设计思路为了更好地推动地铁通信传输系统的发展，需要加大地铁通信中各类信息的融合力度，建立高效的融合式通信传输系统，减少通信资源浪费，提高线路资源利用率。TDM 业务与 IP 业务将长期共存，仅靠单一传输技术已无法满足未来发展。随着地铁各业务系统逐步走向 IP 化，低速率接口应用在不断减少，而用于线路运营的各类电话系统仍会以 TDM 形式长期存在。地铁的安全运维等级极高，因此，无论采用何种传输技术进行承载，都需要重点保障调度系统的通话质量。目前，主流的传输技术中，OTN 主要承载大颗粒数据业务，对于 TDM 业务承载能力差。PTN 优势在于承载 IP 业务时的统计复用，TDM 业务只能通过电路仿真业务（circuit emulation service,CES）仿真实现，通话质量难以保证。只有 MSTP 可以承载 TDM业务，同时保证通话质量，却难以响应其他系统 IP业务的带宽激增需求。因此，选择单一的传输技术已无法满足地铁业务的未来发展需求。当前地铁通信传输系统主要采用 MSTP谣2.5G 方案，由于 RPR 芯片应用场景少，整体需求量很低，因此受产业链发展限制，芯片处理能力只能维持在2.5 Gbit/s 水平，技术难以进一步发展，甚至面临停产的风险。且 MSTP谣2.5G 方案由于环网保护要求，单个RPR 环最大承载能力仅为 1.25 Gbit/s，对于大带宽业务需求，只能采用多个 RPR 环承载。这对交换机组网方案提出了更高的要求，增加了业务开通及后期维护的难度，不利于运维管理。4.2 系统保护尧组网设计地铁通信传输系统应支持多种保护倒换，提供不同等级的网络自愈功能，节点设备要有自愈能力。一旦自动检测到符合开始倒换的前置条件后，在50 ms 内自动切换到保护路由。主、备用环路之间切换不影响业务的正常使用，从而解决网络安全问题。自愈功能环路中的传输设备或光纤线路出现故障时，传输链路应自动快速切换，形成新的环路进行传输，并及时发出故障报警。地铁通信传输系统应具有较好的扩展能力，为未来业务发展奠定容量预留及扩展基础。传输网络应提供较好的互通和兼容性能，兼容并包其他网络系统。4.3 实施效果借助融合型的统一平台（MSTP+PTN+OTN），可以将不同类型业务分布在不同的传输平面上进行承载，并通过统一芯片进行处理，为 TDM 业务与 IP 业务提供了高效的承载网络。TDM 业务仍然设立在MSTP 平面上，保证了语音业务的通话质量。IP 业务则采用 PTN 平面进行承载，为各系统提供了更大的业务接口，进而降低了组网及维护难度。同时，通过将各系统业务封装在 OTN 平面的 ODU 颗粒中，建立了类似于现有 MSTP谣2.5G 方案的传输硬通道，使各系统业务之间相互隔离，传输通道更为安全。针对地铁的安全运营管理要求，调整 PTN 平面MPLS谣TP 环网保护协议，将原有 10-3的误码检测精度提高到 10-6，使地铁通信传输系统环网保护更高效、更精确。同时，环网保护采用类似于现有 MSTP谣2.5G方案的 wrapping 倒换方式，保证了 50 ms 内的业务倒换要求。针对各系统业务高可靠性承载需求，提供业务接口跨单板保护的方案，更好地保证了地铁的安全运营。5 结语在城市轨道交通中，地铁通信传输系统在当前经济快速发展的背景下，仍然有许多短板需要弥补，需要融合分析不同的传输技术，使其与城市地铁业务协同发展，选取适宜的传输设计方案。在保证项目经济、技术、政策可行的同时，有效地建设通信传输系统。本文结合城市地铁通信传输系统发展的实际情况，具体分析了地铁通信传输系统的方案设计，旨在为新时期的地铁轨道交通运输事业发展提供参考，促进我国轨道运输事业高质量发展。参考文献1 张振宇.地铁通信传输系统 OTN 与 MSTP 技术的对比分析J.信息记录材料，2021，22（2）：119-120.2 周啸.城市轨道交通中通信传输系统的应用发展J.技术与市场，2016，23（7）：54-55，57.3 杜昌胜.浅析 PTN 技术在油田专网中的应用J.中国管理信息化，2013，16（18）：51-52.4 魏晓东.工业企业系统集成技术系统集成的通信系统（上）J.自动化博览，2017（11）：56-61.作者简介院康建明（1985），男，汉族，四川开江人，本科，主要从事传输网、无线网设计咨询工作。通信设计与应用6