传输技术在城市轨道交通中的应用 世界上轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现，随着科学技术和城市化的发展，大运量的轨道交通在现代大城市中起着越来越重要的作用。在我国，城市轨道交通的建设，正面临着前所未有的发展机遇，将成为我国大中城市有史以来最大的基础设施建设项目。由于我国城市轨道交通的应用技术和基础理论都还处于开拓阶段，大多数的工程实施要引进新技术和新设备。迄今为止，我国尚无城市轨道交通通信系统技术的施工规范和验收标准，没有统一的通信技术性能指标,这已成为大规模建设城市轨道交通的“瓶颈”，制约了城市交通建设的发展。因而提高我国城市轨道交通的通信技术和信息应用能力，规范技术标准，降低工程造价是健康发展大运量轨道交通的关键。 但如何保障轨道交通的安全、可靠运行是一个复杂的信息运用和管理过程。轨道交通运输是一个完整的大系统，它的各个部分都离不开通信。通信主要是完成各种信息的传输，通信在轨道系统运输中起着神经系统和网络的作用。具体地说，它主要完成以下三个方面的任务：1．保证指挥列车运行的各种调度命令信息的传输；2．为旅客提供各种服务的通信；3．为设备维修及运营管理提供通信条件。 为完成上述三个方面的任务和功能，通信系统设置了传输、公务、专用电话、无线通信、电视监控、广播、时钟、电源、乘客引导显示等系统。一、城市轨道交通通信系统主要功能分析（一）城市轨道交通通信系统总体技术要求城市轨道交通通信系统总体要求是：技术先进、运行安全可靠和经济。1．技术先进、成熟 为了使得系统能够满足发展的需要，综合国外情况，应采用国际上先进而成熟的技术，坚持开放原则，采用国际标准。2．安全可靠 基于城市轨道系统信息特点，传输的语音、数据、图像等应具有高度的敏感性，因此系统需要有严密的安全措施，对数据存储、传输等均应采取安全有效的技术手段，安全保密性要求也更加严格，必须使用防火墙等安全措施。 系统的可靠性同样重要，安全、便捷是轨道交通建设的基本原则。作为轨道交通“神经系统”的通信骨干网络，如何保持可靠、永不停顿的运行至关重要。即使产生故障，网络仍能瞬间自愈，保证各种应用正常进行。3．低时延 城市轨道交通系统的安全运行，要求许多应用应有极小的时延。对通信骨干网络而言，必须在最短的时间内将应用信号传送到目的地。4．接口丰富 在城市轨道交通中，各种语音通信（公务电话、调度电话、紧急电话等）、信号系统、公共广播、SCADA系统、乘客信息系统、列车监控、售票系统、闭路电视监控系统等的应用，都通过一个单一可靠的通信骨干网络来传输。因此，通信系统接口的丰富性及标准适用性，显得极为重要。5．简单 简单的结构、便捷的安装、简便的维护是轨道交通通信网络理想的特性。同时，要做到单个网管系统兼管多个网络的性能及所有网络的应用端口。6．集成CCTV功能通信骨干网络系统能够集成CCTV的接入、传输和切换。7．投资保护 今天的投资，明天还能使用。在城市轨道领域，通信系统必须顾及到今后的技术进步、应用拓展和网络扩容的需求。简单的系统升级、无限的网络长度延伸和灵活的功能扩展，是通信系统总体要求中很重要的内容。8．带宽容量 有足够的带宽容量，完全满足现有的业务需要，并为将来的系统扩展留下一定空间。网络带宽应结合实际应用需求以及将来可能的发展需求。（二）通信传输系统功能分析 传输系统是轨道交通通信系统中的骨干系统，各种信息都依靠传输系统进行传递，如：各种调度（列车调度、电力调度、防灾调度、公安调度）电话的语音信息，公务、区间及站间电话的语音信息；控制中心无线调度台至各车站基站的语音和控制信息；各种低速数据通道，包括列车信号系统（ATS）、电力SCADA、时钟等系统所需的数据信息；控制中心至各车站的自动售检票（AFC）、办公自动化（OA）、10-100Mb/S以太网接入；控制中心至各车站的广播语音、控制信息；控制中心至各车站的电视监控视频信息、控制信息；以及其他一些控制信息。所有这些信息都是为列车正常运行服务的，其中一些信息如果中断会影响到列车的运行，甚至会威胁到行车安全。因此传输系统应是一个实时、透明、无阻塞、可靠性高的系统，且当出现紧急情况时,本系统应能迅速及时地为防灾救援和事故的指挥提供通信联络。当本系统发生故障时，应具有降级使用功能和对重要通道的备用手段，以保证系统的基本功能。 基于以上要求，传输系统在组网时应以组成自愈网为首选，主要通道和主要设备应有备份。在选用传输技术时，应首先考虑的是列车行车安全，同时还要考虑到传输技术的先进性。 目前，传输技术一般采用SDH、ATM、OTN等制式，既考虑到传输技术的先进性，又要考虑到轨道交通行车安全对通信系统安全可靠运行所提的要求。这样的传输网应具备以下特点：1．网络自愈：当传输网络中的传输媒质或组成网络的其中一个节点/设备发生故障时，网络能通过自身的功能实现网络的自愈。2．大容量：组成该网络的媒质是光纤，其带宽完全满足轨道交通的需要。SDH技术的带宽也是相当大的。3．多业务：此网络提供各种各样的接口，完全满足轨道交通的各种使用需要。4．先进性：组成此网络的SDH技术、IP技术、综合接入技术都是现有先进技术。二、通信传输系统应用的关键技术分析（一）传输技术分析轨道交通通信传输网是承载轨道交通各类信息的网络平台，它为轨道交通各部门的运营、管理和各类子系统提供话音、数据和图像的传输，是轨道系统交通安全、准点、高效运营的重要保障。1．城市轨道交通通信系统需求分析（1）轨道交通通信传输网的规划应符合当前通信技术发展的趋势，特别是传输技术的发展方向，符合我国产业导向和相应行业标准、规范的要求。（2）轨道交通通信传输网应统一规划和统一管理，其通信传输网应实现统筹安排、分线分期实现以及逐步全线联网的原则。（3）单线应充分顾虑本线的业务要求，还应根据总体规划的要求预留必要的光纤、电路及接口，以便与其他线互联互通，实现信息交换和进行统一的管理。无论以后的轨道交通运营模式如何，信息资源的共享和高效的管理都是必需的。（4）轨道交通通信传输网的建立应立足于满足近期多业务的需求，但还应顾虑未来数据和数字视频业务的增长，系统容量应预留一定余量，应有可扩展性、兼容性，以保护前期投资。（5）轨道交通通信传输网传输轨道交通的各类信息，直接影响轨道交通的运营安全和票务的资金安全，所以要求网络具有很高的安全性和可靠性，网络拓扑结构要有自愈功能，技术要求成熟和可靠。（6）轨道交通通信网络还应有较好的经济性，应考虑建成后的运营维护成本、售后服务和技术支持。2．传输技术种类 目前，网络传输技术有6种，即OTN、SDH、ATM、宽带IP、IPoverSDH与IPoverWDM、以太网技术。（1）OTN技术 OTN是开放(Open)、传输(Transport)、网络(Network)的缩写，即开放的传输网络。此网络的特点是： 1）能利用接口模块处理几乎所有的已有物理接口标准，以及特殊环境中的各种具体的通信协议。还能完全透明地传输各种不同类型的信息（例如语音、数据、数字视频和LAN），有较高的可用性。它采用了光纤技术，传输距离几乎没有限制。对于许多延伸性的网络、地铁、轻轨等，OTN是一种比较理想的传输模式。2)对于传送语音、数据、压缩视频的专业网络和LAN而言，OTN系统有许多重要的优势：①更高的经济性，不同的业务可以共享设备与光纤；②更易实现性，适合任何环境，充分保护已有的设备投资；③能充分利用LAN的全部带宽，大大优于其他广域：LAN互联解决方案；④透明连接性，使用不同高层协议的变化不会对网络造成影响；⑤简易的通信线，进一步简化维护和管理工作。3)系统适应性 OTN随配了广泛的接口卡，随着特定需求的增长以及标准的进化，其会不断发展出新的工业标准和规范接口。OTN可以同步适应这些标准的发展，因而是比较理想的系统平台之一。（2）SDH技术 SDH是Synchronous（同步）、Digital（数字）、Hyrarch（体系）的缩写，即同步数字体系，是一种完整严密的传送网技术体系。这种技术体制一诞生就获得了广泛的支持，目前已成为各国核心网的主要传送技术。除了核心网的应用以外，目前根据带宽需求已把SDH技术带入接入网领域，使SDH的功能和接口满足用户需求，特别是对于发展极其迅速的城市轨道交通通信系统采用SDH尤其适合，它可以灵活地提供所需的2Mbit/s透明通道。 SDH有非常成熟的ITU—T标准和产品，其可用性、可靠性、通用性都很强，是现代电信传输网的基础。并且技术先进，具有标准光接口、强大的网络管理能力和灵活分插分路（同步复用）的能力。组网灵活，可组成点对点、链形、环形等基本应用。还可用于相交环、相切环等各种复杂拓扑结构，设备兼容TM、ADM、REG、DXC等工作方式，并可在各方式间灵活转换。 扩容能力强，系统很容易从155M升级到622M，甚至2.5G和10G，网络可靠，具有通道保护、自愈环等各种保护手段。 支持IP业务的传输，传送IP业务时效率高。 采用模块化设计，使用灵活，易于扩展，且提供的每一种接口均为独立模块，关键设备备份，遇故障时具有自动切换和电路选择功能。 强大的网络管理功能，能对SDH和所有各类接入设备的性能参数、性能数据进行网络安全管理、故障管理、配置管理。 完全开放的国际传输标准，便于测试和维护，便于不同厂家间的设备兼容。 丰富的业务接口，可接入2M、34M、45M、140M、155M等电接口和STM-1、STM-4、STM-6等光接口。 具有DXC功能，高度集成的多ADM设备，可作为枢纽节点完成复杂拓扑下的网络业务调配和路电保护功能，有很大的灵活性和网络响应速度。 SDH是面对电路的交换，响应速度快。此特点满足轨道交通运行过程中、特别是故障时高速度响应的需要。 SDH设备组成的网络带宽容量大，从而能满足轨道交通高效率处理的需要。（3） ATM技术 ATM是Asynchronous（异步）、Transmi-sion（传输）、Module（模式），即异步传输模式。轨道交通的通信系统需要实现对各种不同业务的承载，如光用电话、公务电话、视频监控、IP数据等等。而这些业务有着不同的特性，例如：IP数据业务实发性较强，视频业务需要高带宽来保证图像质量，话音业务需要固定的带宽保证通话质量。而ATM技术的设计完全满足通信系统对综合业务承载以及服务质量的要求。因为ATM技术允许对传输的各种业务按照动态流量等进行划分，对其服务质量进行分别设定和控制。另外，为了方便各种业务的接入，ATM对其设备也规定了各种国际标准接口，促进了适用范围。 城市轨道交通通信系统中，视频业务是一种占用系统宽带资源的业务，特别是用户对视频图像的质量要求越来越高。视频业务是一种典型的多点对一点的业务，即摄像头数量众多，而监视器较少。如果采用传统的点对点进行视频传输，一方面不经济，另一方面两边的视频业务本身也不能进一步改善质量。采用ATM技术，视频业务占用的带宽将由监视器的数量决定，从而在保证业务质量的前提下，节省了资源，为将来系统的扩展和开放预留了条件。 ATM设备系统可视需求灵活方便地建立起集语音、视频和数据交换于一体的综合网络。其主要特征即是它的高度模块化，可以对通讯网络实现灵活配置和扩展，可以支持星形网络、环形、链形网络拓扑。 ATM系统符合ITU-T推荐的标准。它的设计基于最新的软件技术，将窄带与宽带业务集成于同一个网络通信平台上，实现针对不同要求的解决方案。（4）IP技术 随着Internet的迅速普及和所有的业务都将基于IP，而承载IP的有SDH、ATM和宽带IP三种技术。从性能、价格和发展趋势综合考虑，宽带IP是首选。但轨道交通通信网属于专用网的范畴，其业务均为非IP业务，加之宽带IP路由器覆盖范围还十分有限，因而宽带IP目前不适合在骨干网传输中使用。但随着将来信息系统、票务系统和数字视频的大量使用，宽带IP不失为一种较佳的选择。（5）IPoverSDH与IPoverWDM 以IP业务为主的数据业务是当前信息传输发展的主要技术标志。目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH，两者各有千秋。IPoverATM利用ATM的速度快、多业务支持能力的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的。不足之处是网络体系结构复杂、传输效率低、开销损失大。而SDH与IP的结合（IPoverSDH）恰好能弥补上述IPoverATM的弱点。 IPoverSDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征，形成统一的平面网，简化了网络技术结构，提高了传输效率，降低了成本，易于实现IP组插和兼容不同技术体系实现网间互联。特别是容量较大时其性能价格比明显优于IPoverATM。采用这种技术的关键是Gbit/s和Tbit/s路由器。随着千兆特路由器的成熟和IP业务的大发展，IPoverSDH将会获得越来越广泛的应用。（6）以太网技术 以太网是与媒体无关的承载技术，可以透明地与点同线对、电缆和各种光纤等不同传输媒体接口。以太网接入采用异步工作方式，很适于处理IP突发数据流。以太网有很好的扩展性，其速率可以从10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s一直扩展到10Gbit/s。由于同样的系统可以采用在网络的各个层面上，因此网络管理可以大大简化，IETF组织正在加紧判定10Gbit/s以太网标准。标准能更好地使不同的设备具有互操作性，并且能与现有的SDH网在10Gbit/s速率上实现自然融合。其最大的优势在于可以在光纤上直接运行10Gbit/s以太网，使网路管理的开销降至最低，成为最简单高效的网络结构。（二）接口技术分析1． 接口技术需求分析 通信传输系统要容纳接入各系统的各种信息，并且要符合国际标准的接口。各个应用系统都能直接与其相连，无需任何转换。接口间的连接，均分配独立的通道。系统结构简单，故障点少，可靠性要求高。作为传输系统，它应该能够提供话音、数据、图像等信道，并保证各类信道能够可靠地进行传输。这些信道包括： （1）电视监控图像和控制信道；(2)调度电话信道；（3）公务电话及数字中继信道；（4）宽带广播和控制信道；（5）子母钟时钟控制信道；（6）无线话音和中继信道；（7）电力监控系统信道；8）列车自动控制系统信道；（9）防灾报警和环控电控信道；10）自动售检票系统信道；（11）计算机通信信道；（12）网管信道。2． 接口技术类型及适用性分析 针对轨道交通通信业务对于系统信道需求传输系统应有下列接口类型：（1）模拟电话电路；（2）2/4E&M；（3）VF2/4W；4）RS422；（5）RS485；（6）10-100Mbit/s以太总线口；（7）2B+D；8）64k数据；（9）高音质广播；（10）E1；（11）总线式视频通道接口。四、传输技术应用选择 传输系统是轨道交通通信系统的骨干网，它既要考虑通信发展的方向，又要考虑轨道交通的安全，还要考虑轨道交通通信业务的多样性、复杂性而对通信系统业务接口的要求。因此，传输系统选用IPoverSDH和综合业务接入相结合是最佳选择。（一） IPoverSDH SDH是目前传输网络较好的选择。其优点是：标准，成熟，可用性、可靠性、通用性好，灵活；但它也有缺点：点对多点或多点对点的传输以及图像信号的传输不理想。 IP的技术正好弥补SDH的缺点，IP的缺点也正好由SDH完成。因而，IPoverSDH是目前解决轨道交通通信系统传输骨干网的最佳选择。 以太网接入设备满足了系统在SDH骨干传输网络上传输IP业务的需求。从每个车站通过以太网接入的形式将业务信息送达控制中心。 由轨道交通通信组网示意图我们可以看到，在车站的以太网承载6种相对独立的业务：SCADA业务；BAS、OA业务；乘客导乘、录像回放、广播音频下载、电源监控及专用电话预留业务；AFC业务；公安业务；调度监视业务。
SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。其可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率，能满足轨道交通传输网的信息传输和交换的要求，对提高广播电视传输质量有了质的飞跃。因而，SDH技术正成为轨道交通领域传输技术方面的发展和应用热点。 IPoverSDH的优点是：对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率；符合Internet业务的特点，如有利于实施多播方式；能利用SDH技术本身的环路和网络自愈合能力达到链路纠错的目的；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高网络的稳定性；将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容不同技术标准实施全球联网；省略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本。 以太网是目前使用最广泛的局域网技术。由于其简单，具有低成本、可扩展性强、与IP网能够很好结合等特点，以太网技术的应用正从企业内部网络向轨道交通网领域迈进。以太网接入是指将以太网技术与综合布线相结合，作为轨道交通网的接入网，直接向用户提供基于IP的多种业务的传送通道。 传输网应是一个实时、透明、无阻塞、可靠性高的系统，主要用于控制中心与各车站(包括停车场)之间、控制中心与其他线路控制中心、公安调度之间传递信息包括数字视频、电话语音信息、音频信息、低速数据信息及高速数据信息等各种信息传输）。具体结构如下图所示：
从轨道交通通信传输网示意图上可以看到：采用了IPoverSDH来传输多种业务，在每个车站和停车场作为信息采集节点，通过以太网接入以及PCM设备接入方式将本站点的信息通过SDH传输通道送到控制中心和其他中心，在控制中心将采用统一的网管来管理整个网络是目前最佳的选择。 城市轨道交通中的各种各样的运用状况，推动着通信技术的发展。通信技术要开发各种各样的接口来满足城市轨道交通的实际使用。 为了确保城市轨道交通列车运行的安全、可靠、准点、高密度和高效率，实现列车运营的集中统一指挥，城市轨道交通系统必须配备专用的、完整的、独立的通信系统。 传输系统是轨道交通通信系统的骨干网，既要考虑通信发展的方向，又要考虑轨道交通的安全，还要考虑轨道交通通信业务的多样性、复杂性而对通信系统业务接口的要求。因此，传输系统选用IPoverSDH和综合业务接入相结合是最佳选择。
