傳輸技術在城市軌道交通中的應用

傳輸技術在城市軌道交通中的應用 世界上軌道交通很早就作為公共交通在城市中出現，隨著科學技術和城市化的發展，大運量的軌道交通在現代大城市中起著越來越重要的作用。在我國，城市軌道交通的建設，正面臨著前所未有的發展機遇，將成為我國大中城市有史以來最大的基礎設施建設項目。由于我國城市軌道交通的應用技術和基礎理論都還處于開拓階段，大多數的工程實施要引進新技術和新設備。迄今為止，我國尚無城市軌道交通通信系統技術的施工規范和驗收標準，沒有統一的通信技術性能指標,這已成為大規模建設城市軌道交通的“瓶頸”，制約了城市交通建設的發展。因而提高我國城市軌道交通的通信技術和信息應用能力，規范技術標準，降低工程造價是健康發展大運量軌道交通的關鍵。 但如何保障軌道交通的安全、可靠運行是一個復雜的信息運用和管理過程。軌道交通運輸是一個完整的大系統，它的各個部分都離不開通信。通信主要是完成各種信息的傳輸，通信在軌道系統運輸中起著神經系統和網絡的作用。具體地說，它主要完成以下三個方面的任務：1．保證指揮列車運行的各種調度命令信息的傳輸；2．為旅客提供各種服務的通信；3．為設備維修及運營管理提供通信條件。 為完成上述三個方面的任務和功能，通信系統設置了傳輸、公務、專用電話、無線通信、電視監控、廣播、時鐘、電源、乘客引導顯示等系統。一、城市軌道交通通信系統主要功能分析（一）城市軌道交通通信系統總體技術要求城市軌道交通通信系統總體要求是：技術先進、運行安全可靠和經濟。1．技術先進、成熟 為了使得系統能夠滿足發展的需要，綜合國外情況，應采用國際上先進而成熟的技術，堅持開放原則，采用國際標準。2．安全可靠 基于城市軌道系統信息特點，傳輸的語音、數據、圖像等應具有高度的敏感性，因此系統需要有嚴密的安全措施，對數據存儲、傳輸等均應采取安全有效的技術手段，安全保密性要求也更加嚴格，必須使用防火墻等安全措施。 系統的可靠性同樣重要，安全、便捷是軌道交通建設的基本原則。作為軌道交通“神經系統”的通信骨干網絡，如何保持可靠、永不停頓的運行至關重要。即使產生故障，網絡仍能瞬間自愈，保證各種應用正常進行。3．低時延 城市軌道交通系統的安全運行，要求許多應用應有極小的時延。對通信骨干網絡而言，必須在最短的時間內將應用信號傳送到目的地。4．接口豐富 在城市軌道交通中，各種語音通信（公務電話、調度電話、緊急電話等）、信號系統、公共廣播、SCADA系統、乘客信息系統、列車監控、售票系統、閉路電視監控系統等的應用，都通過一個單一可靠的通信骨干網絡來傳輸。因此，通信系統接口的豐富性及標準適用性，顯得極為重要。5．簡單 簡單的結構、便捷的安裝、簡便的維護是軌道交通通信網絡理想的特性。同時，要做到單個網管系統兼管多個網絡的性能及所有網絡的應用端口。6．集成CCTV功能通信骨干網絡系統能夠集成CCTV的接入、傳輸和切換。7．投資保護 今天的投資，明天還能使用。在城市軌道領域，通信系統必須顧及到今后的技術進步、應用拓展和網絡擴容的需求。簡單的系統升級、無限的網絡長度延伸和靈活的功能擴展，是通信系統總體要求中很重要的內容。8．帶寬容量 有足夠的帶寬容量，完全滿足現有的業務需要，并為將來的系統擴展留下一定空間。網絡帶寬應結合實際應用需求以及將來可能的發展需求。（二）通信傳輸系統功能分析 傳輸系統是軌道交通通信系統中的骨干系統，各種信息都依靠傳輸系統進行傳遞，如：各種調度（列車調度、電力調度、防災調度、公安調度）電話的語音信息，公務、區間及站間電話的語音信息；控制中心無線調度臺至各車站基站的語音和控制信息；各種低速數據通道，包括列車信號系統（ATS）、電力SCADA、時鐘等系統所需的數據信息；控制中心至各車站的自動售檢票（AFC）、辦公自動化（OA）、10-100Mb/S以太網接入；控制中心至各車站的廣播語音、控制信息；控制中心至各車站的電視監控視頻信息、控制信息；以及其他一些控制信息。所有這些信息都是為列車正常運行服務的，其中一些信息如果中斷會影響到列車的運行，甚至會威脅到行車安全。因此傳輸系統應是一個實時、透明、無阻塞、可靠性高的系統，且當出現緊急情況時,本系統應能迅速及時地為防災救援和事故的指揮提供通信聯絡。當本系統發生故障時，應具有降級使用功能和對重要通道的備用手段，以保證系統的基本功能。 基于以上要求，傳輸系統在組網時應以組成自愈網為首選，主要通道和主要設備應有備份。在選用傳輸技術時，應首先考慮的是列車行車安全，同時還要考慮到傳輸技術的先進性。 目前，傳輸技術一般采用SDH、ATM、OTN等制式，既考慮到傳輸技術的先進性，又要考慮到軌道交通行車安全對通信系統安全可靠運行所提的要求。這樣的傳輸網應具備以下特點：1．網絡自愈：當傳輸網絡中的傳輸媒質或組成網絡的其中一個節點/設備發生故障時，網絡能通過自身的功能實現網絡的自愈。2．大容量：組成該網絡的媒質是光纖，其帶寬完全滿足軌道交通的需要。SDH技術的帶寬也是相當大的。3．多業務：此網絡提供各種各樣的接口，完全滿足軌道交通的各種使用需要。4．先進性：組成此網絡的SDH技術、IP技術、綜合接入技術都是現有先進技術。二、通信傳輸系統應用的關鍵技術分析（一）傳輸技術分析軌道交通通信傳輸網是承載軌道交通各類信息的網絡平臺，它為軌道交通各部門的運營、管理和各類子系統提供話音、數據和圖像的傳輸，是軌道系統交通安全、準點、高效運營的重要保障。1．城市軌道交通通信系統需求分析（1）軌道交通通信傳輸網的規劃應符合當前通信技術發展的趨勢，特別是傳輸技術的發展方向，符合我國產業導向和相應行業標準、規范的要求。（2）軌道交通通信傳輸網應統一規劃和統一管理，其通信傳輸網應實現統籌安排、分線分期實現以及逐步全線聯網的原則。（3）單線應充分顧慮本線的業務要求，還應根據總體規劃的要求預留必要的光纖、電路及接口，以便與其他線互聯互通，實現信息交換和進行統一的管理。無論以后的軌道交通運營模式如何，信息資源的共享和高效的管理都是必需的。（4）軌道交通通信傳輸網的建立應立足于滿足近期多業務的需求，但還應顧慮未來數據和數字視頻業務的增長，系統容量應預留一定余量，應有可擴展性、兼容性，以保護前期投資。（5）軌道交通通信傳輸網傳輸軌道交通的各類信息，直接影響軌道交通的運營安全和票務的資金安全，所以要求網絡具有很高的安全性和可靠性，網絡拓撲結構要有自愈功能，技術要求成熟和可靠。（6）軌道交通通信網絡還應有較好的經濟性，應考慮建成后的運營維護成本、售后服務和技術支持。2．傳輸技術種類 目前，網絡傳輸技術有6種，即OTN、SDH、ATM、寬帶IP、IPoverSDH與IPoverWDM、以太網技術。（1）OTN技術 OTN是開放(Open)、傳輸(Transport)、網絡(Network)的縮寫，即開放的傳輸網絡。此網絡的特點是： 1）能利用接口模塊處理幾乎所有的已有物理接口標準，以及特殊環境中的各種具體的通信協議。還能完全透明地傳輸各種不同類型的信息（例如語音、數據、數字視頻和LAN），有較高的可用性。它采用了光纖技術，傳輸距離幾乎沒有限制。對于許多延伸性的網絡、地鐵、輕軌等，OTN是一種比較理想的傳輸模式。2)對于傳送語音、數據、壓縮視頻的專業網絡和LAN而言，OTN系統有許多重要的優勢：①更高的經濟性，不同的業務可以共享設備與光纖；②更易實現性，適合任何環境，充分保護已有的設備投資；③能充分利用LAN的全部帶寬，大大優于其他廣域：LAN互聯解決方案；④透明連接性，使用不同高層協議的變化不會對網絡造成影響；⑤簡易的通信線，進一步簡化維護和管理工作。3)系統適應性 OTN隨配了廣泛的接口卡，隨著特定需求的增長以及標準的進化，其會不斷發展出新的工業標準和規范接口。OTN可以同步適應這些標準的發展，因而是比較理想的系統平臺之一。（2）SDH技術 SDH是Synchronous（同步）、Digital（數字）、Hyrarch（體系）的縮寫，即同步數字體系，是一種完整嚴密的傳送網技術體系。這種技術體制一誕生就獲得了廣泛的支持，目前已成為各國核心網的主要傳送技術。除了核心網的應用以外，目前根據帶寬需求已把SDH技術帶入接入網領域，使SDH的功能和接口滿足用戶需求，特別是對于發展極其迅速的城市軌道交通通信系統采用SDH尤其適合，它可以靈活地提供所需的2Mbit/s透明通道。 SDH有非常成熟的ITU—T標準和產品，其可用性、可靠性、通用性都很強，是現代電信傳輸網的基礎。并且技術先進，具有標準光接口、強大的網絡管理能力和靈活分插分路（同步復用）的能力。組網靈活，可組成點對點、鏈形、環形等基本應用。還可用于相交環、相切環等各種復雜拓撲結構，設備兼容TM、ADM、REG、DXC等工作方式，并可在各方式間靈活轉換。 擴容能力強，系統很容易從155M升級到622M，甚至2.5G和10G，網絡可靠，具有通道保護、自愈環等各種保護手段。 支持IP業務的傳輸，傳送IP業務時效率高。 采用模塊化設計，使用靈活，易于擴展，且提供的每一種接口均為獨立模塊，關鍵設備備份，遇故障時具有自動切換和電路選擇功能。 強大的網絡管理功能，能對SDH和所有各類接入設備的性能參數、性能數據進行網絡安全管理、故障管理、配置管理。 完全開放的國際傳輸標準，便于測試和維護，便于不同廠家間的設備兼容。 豐富的業務接口，可接入2M、34M、45M、140M、155M等電接口和STM-1、STM-4、STM-6等光接口。 具有DXC功能，高度集成的多ADM設備，可作為樞紐節點完成復雜拓撲下的網絡業務調配和路電保護功能，有很大的靈活性和網絡響應速度。 SDH是面對電路的交換，響應速度快。此特點滿足軌道交通運行過程中、特別是故障時高速度響應的需要。 SDH設備組成的網絡帶寬容量大，從而能滿足軌道交通高效率處理的需要。（3） ATM技術 ATM是Asynchronous（異步）、Transmi-sion（傳輸）、Module（模式），即異步傳輸模式。軌道交通的通信系統需要實現對各種不同業務的承載，如光用電話、公務電話、視頻監控、IP數據等等。而這些業務有著不同的特性，例如：IP數據業務實發性較強，視頻業務需要高帶寬來保證圖像質量，話音業務需要固定的帶寬保證通話質量。而ATM技術的設計完全滿足通信系統對綜合業務承載以及服務質量的要求。因為ATM技術允許對傳輸的各種業務按照動態流量等進行劃分，對其服務質量進行分別設定和控制。另外，為了方便各種業務的接入，ATM對其設備也規定了各種國際標準接口，促進了適用范圍。 城市軌道交通通信系統中，視頻業務是一種占用系統寬帶資源的業務，特別是用戶對視頻圖像的質量要求越來越高。視頻業務是一種典型的多點對一點的業務，即攝像頭數量眾多，而監視器較少。如果采用傳統的點對點進行視頻傳輸，一方面不經濟，另一方面兩邊的視頻業務本身也不能進一步改善質量。采用ATM技術，視頻業務占用的帶寬將由監視器的數量決定，從而在保證業務質量的前提下，節省了資源，為將來系統的擴展和開放預留了條件。 ATM設備系統可視需求靈活方便地建立起集語音、視頻和數據交換于一體的綜合網絡。其主要特征即是它的高度模塊化，可以對通訊網絡實現靈活配置和擴展，可以支持星形網絡、環形、鏈形網絡拓撲。 ATM系統符合ITU-T推薦的標準。它的設計基于最新的軟件技術，將窄帶與寬帶業務集成于同一個網絡通信平臺上，實現針對不同要求的解決方案。（4）IP技術 隨著Internet的迅速普及和所有的業務都將基于IP，而承載IP的有SDH、ATM和寬帶IP三種技術。從性能、價格和發展趨勢綜合考慮，寬帶IP是首選。但軌道交通通信網屬于專用網的范疇，其業務均為非IP業務，加之寬帶IP路由器覆蓋范圍還十分有限，因而寬帶IP目前不適合在骨干網傳輸中使用。但隨著將來信息系統、票務系統和數字視頻的大量使用，寬帶IP不失為一種較佳的選擇。（5）IPoverSDH與IPoverWDM 以IP業務為主的數據業務是當前信息傳輸發展的主要技術標志。目前，ATM和SDH均能支持IP，分別稱為IPoverATM和IPoverSDH，兩者各有千秋。IPoverATM利用ATM的速度快、多業務支持能力的優點以及IP的簡單、靈活、易擴充和統一性的特點，可以達到優勢互補的目的。不足之處是網絡體系結構復雜、傳輸效率低、開銷損失大。而SDH與IP的結合（IPoverSDH）恰好能彌補上述IPoverATM的弱點。 IPoverSDH在本質上保留了因特網作為IP網的無連接特征，形成統一的平面網，簡化了網絡技術結構，提高了傳輸效率，降低了成本，易于實現IP組插和兼容不同技術體系實現網間互聯。特別是容量較大時其性能價格比明顯優于IPoverATM。采用這種技術的關鍵是Gbit/s和Tbit/s路由器。隨著千兆特路由器的成熟和IP業務的大發展，IPoverSDH將會獲得越來越廣泛的應用。（6）以太網技術 以太網是與媒體無關的承載技術，可以透明地與點同線對、電纜和各種光纖等不同傳輸媒體接口。以太網接入采用異步工作方式，很適于處理IP突發數據流。以太網有很好的擴展性，其速率可以從10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s一直擴展到10Gbit/s。由于同樣的系統可以采用在網絡的各個層面上，因此網絡管理可以大大簡化，IETF組織正在加緊判定10Gbit/s以太網標準。標準能更好地使不同的設備具有互操作性，并且能與現有的SDH網在10Gbit/s速率上實現自然融合。其最大的優勢在于可以在光纖上直接運行10Gbit/s以太網，使網路管理的開銷降至最低，成為最簡單高效的網絡結構。（二）接口技術分析1． 接口技術需求分析 通信傳輸系統要容納接入各系統的各種信息，并且要符合國際標準的接口。各個應用系統都能直接與其相連，無需任何轉換。接口間的連接，均分配獨立的通道。系統結構簡單，故障點少，可靠性要求高。作為傳輸系統，它應該能夠提供話音、數據、圖像等信道，并保證各類信道能夠可靠地進行傳輸。這些信道包括： （1）電視監控圖像和控制信道；(2)調度電話信道；（3）公務電話及數字中繼信道；（4）寬帶廣播和控制信道；（5）子母鐘時鐘控制信道；（6）無線話音和中繼信道；（7）電力監控系統信道；8）列車自動控制系統信道；（9）防災報警和環控電控信道；10）自動售檢票系統信道；（11）計算機通信信道；（12）網管信道。2． 接口技術類型及適用性分析 針對軌道交通通信業務對于系統信道需求傳輸系統應有下列接口類型：（1）模擬電話電路；（2）2/4E&M；（3）VF2/4W；4）RS422；（5）RS485；（6）10-100Mbit/s以太總線口；（7）2B+D；8）64k數據；（9）高音質廣播；（10）E1；（11）總線式視頻通道接口。四、傳輸技術應用選擇 傳輸系統是軌道交通通信系統的骨干網，它既要考慮通信發展的方向，又要考慮軌道交通的安全，還要考慮軌道交通通信業務的多樣性、復雜性而對通信系統業務接口的要求。因此，傳輸系統選用IPoverSDH和綜合業務接入相結合是最佳選擇。（一） IPoverSDH SDH是目前傳輸網絡較好的選擇。其優點是：標準，成熟，可用性、可靠性、通用性好，靈活；但它也有缺點：點對多點或多點對點的傳輸以及圖像信號的傳輸不理想。 IP的技術正好彌補SDH的缺點，IP的缺點也正好由SDH完成。因而，IPoverSDH是目前解決軌道交通通信系統傳輸骨干網的最佳選擇。 以太網接入設備滿足了系統在SDH骨干傳輸網絡上傳輸IP業務的需求。從每個車站通過以太網接入的形式將業務信息送達控制中心。 由軌道交通通信組網示意圖我們可以看到，在車站的以太網承載6種相對獨立的業務：SCADA業務；BAS、OA業務；乘客導乘、錄像回放、廣播音頻下載、電源監控及專用電話預留業務；AFC業務；公安業務；調度監視業務。 SDH傳輸網是由一些SDH網絡單元組成的，在光纖、微波或衛星上進行同步信息傳送，融復接、傳輸、交換功能于一體，由統一網絡管理操作的綜合信息網。其可實現網絡有效管理、動態網絡維護、對業務性能監視等功能，能有效地提高網絡資源的利用率，能滿足軌道交通傳輸網的信息傳輸和交換的要求，對提高廣播電視傳輸質量有了質的飛躍。因而，SDH技術正成為軌道交通領域傳輸技術方面的發展和應用熱點。 IPoverSDH的優點是：對IP路由的支持能力強，具有很高的IP傳輸效率；符合Internet業務的特點，如有利于實施多播方式；能利用SDH技術本身的環路和網絡自愈合能力達到鏈路糾錯的目的；同時又利用OSPF協議防止鏈路故障造成網絡停頓，提高網絡的穩定性；將IP網絡技術建立在SDH傳輸平臺上，可以很容易地跨越地區和國界，兼容不同技術標準實施全球聯網；省略了ATM層，簡化了網絡結構，降低了運行成本。 以太網是目前使用最廣泛的局域網技術。由于其簡單，具有低成本、可擴展性強、與IP網能夠很好結合等特點，以太網技術的應用正從企業內部網絡向軌道交通網領域邁進。以太網接入是指將以太網技術與綜合布線相結合，作為軌道交通網的接入網，直接向用戶提供基于IP的多種業務的傳送通道。 傳輸網應是一個實時、透明、無阻塞、可靠性高的系統，主要用于控制中心與各車站(包括停車場)之間、控制中心與其他線路控制中心、公安調度之間傳遞信息包括數字視頻、電話語音信息、音頻信息、低速數據信息及高速數據信息等各種信息傳輸）。具體結構如下圖所示： 從軌道交通通信傳輸網示意圖上可以看到：采用了IPoverSDH來傳輸多種業務，在每個車站和停車場作為信息采集節點，通過以太網接入以及PCM設備接入方式將本站點的信息通過SDH傳輸通道送到控制中心和其他中心，在控制中心將采用統一的網管來管理整個網絡是目前最佳的選擇。 城市軌道交通中的各種各樣的運用狀況，推動著通信技術的發展。通信技術要開發各種各樣的接口來滿足城市軌道交通的實際使用。 為了確保城市軌道交通列車運行的安全、可靠、準點、高密度和高效率，實現列車運營的集中統一指揮，城市軌道交通系統必須配備專用的、完整的、獨立的通信系統。 傳輸系統是軌道交通通信系統的骨干網，既要考慮通信發展的方向，又要考慮軌道交通的安全，還要考慮軌道交通通信業務的多樣性、復雜性而對通信系統業務接口的要求。因此，傳輸系統選用IPoverSDH和綜合業務接入相結合是最佳選擇。