城市軌道交通通信系統(tǒng)中傳輸系統(tǒng)的分析與比較
摘 要：本文根據(jù)目前地鐵通信網(wǎng)建設(shè)的需要，針對現(xiàn)有用于地鐵通信系統(tǒng)的四種傳輸技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，從而得出一些能指導(dǎo)地鐵通信網(wǎng)選型的理論依據(jù)。一． 城市軌道交通通信系統(tǒng)對傳輸系統(tǒng)的要求
1． 城市軌道交通通信系統(tǒng)的定位
城市軌道交通中的通信系統(tǒng)，主要是為城市軌道交通的行車指揮，日常工作的交流而服務(wù)的一個(gè)系統(tǒng)，屬于專用通信的范疇。城市軌道交通的通信系統(tǒng)的服務(wù)對象是：與軌道交通相關(guān)的工作人員以及列車行車指揮。其服務(wù)的內(nèi)容主要有：傳輸話音信息，與行車指揮相關(guān)的各種命令，保障沒線車站運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)視信號。從這個(gè)角度上看，城市軌道交通的通信系統(tǒng)也是一個(gè)集話音通信，數(shù)據(jù)通信以及視頻通信于一體的一個(gè)通信系統(tǒng)。
話音通信是城市軌道交通通信系統(tǒng)中主要業(yè)務(wù)，就上海地鐵一號線PDH傳輸系統(tǒng)的情況來看，其傳送的內(nèi)容百分之九十以上的業(yè)務(wù)都是話音信息。從這個(gè)意義上講，上海地鐵一號線的傳輸系統(tǒng)的功能主要是完成話音信號的傳送任務(wù)，對數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的支持能力不足，這也是PDH傳輸系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量對話音通信來說是一個(gè)比較小的業(yè)務(wù)，主要的業(yè)務(wù)有廣播系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)，F(xiàn)AS，SCADA等系統(tǒng)的控制信息傳輸。其傳送方式主要是采用基帶傳送方式，即不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器，直接將數(shù)字信號送入PDH傳輸系統(tǒng)的一個(gè)通道（信道），通過PDH的信道，將基帶信號傳送到接收方。由于PDH本身是數(shù)字傳輸系統(tǒng)，其通道內(nèi)傳送的是數(shù)字信號，所以可以具有這種傳輸能力。
視頻通信是城市軌道交通中的一個(gè)重要業(yè)務(wù)。但是視頻通信不同于其他信源情況，其特點(diǎn)是傳輸帶寬要求非常高。目前常用的視頻傳輸方式主要有兩種：即模擬視頻傳輸和數(shù)字視頻傳輸。如果采用數(shù)字視頻傳輸，由于數(shù)字視頻信號數(shù)據(jù)量大（在一定分辨率，動(dòng)態(tài)連續(xù)圖像的條件下），其占用的信道帶寬也是十分巨大的。城市軌道交通中的視頻信號的傳送，必將會(huì)從模擬走向數(shù)字化。這樣就對傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求，要求傳輸系統(tǒng)能支持?jǐn)?shù)字視頻的傳輸，要求具有更高的帶寬和更高的服務(wù)質(zhì)量。
從目前上海地鐵一號線的通信系統(tǒng)來看，其傳輸系統(tǒng)實(shí)際是由三部分組成：一部分是主要用于話音信號以及控制信號的傳輸?shù)腜DH傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)對數(shù)字視頻傳輸?shù)哪芰^差。二是用于模擬視頻傳輸?shù)墓饫w傳輸系統(tǒng)。三是模擬話音傳輸?shù)你~線傳輸系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)廣播話音的傳輸。
2． 城市軌道交通通信系統(tǒng)中的主要業(yè)務(wù)
專用的城市軌道交通通信系統(tǒng)所傳輸?shù)膬?nèi)容主要有：話音，數(shù)據(jù)和視頻。從業(yè)務(wù)的類別來分，主要有：公用電話業(yè)務(wù)，專用電話業(yè)務(wù)，專用電話業(yè)務(wù)（調(diào)度電話），有線廣播業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)，F(xiàn)AS，DACS，檢售票業(yè)務(wù)等等。
3． 城市軌道交通通信系統(tǒng)對傳輸系統(tǒng)的要求
地鐵一號線的傳輸系統(tǒng)目前實(shí)際使用的峰值容量（在不考慮視頻信號的數(shù)字傳輸?shù)那疤嵯拢┘s為45Mbps左右。也就是說PDH的三次群完全可以滿足地鐵一號線的通信業(yè)務(wù)量要求。假設(shè)視頻信號需要數(shù)字傳輸，再假設(shè)控制中心同時(shí)需要16幅視頻信號，按分辨率600*800計(jì)算，灰度等級為256級，第秒鐘傳輸30幅圖像的質(zhì)量要求。則每路視頻信號在無壓縮的條件下，要求帶寬是600*800*8*30bps=115，200，000bps。根據(jù)目前的技術(shù)水平，按MP3的技術(shù)規(guī)范，對視頻信號進(jìn)行壓縮，壓縮比一般可以超過20：1，因此，每路視頻信的實(shí)際要求的帶寬一般在2~4Mbps。如果按照每路4Mbps計(jì)算，則16路共需要64Mbps。再加上原有的45Mbps的話音和控制信號的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不過1000Mbps左右。
隨著城市軌道交通業(yè)務(wù)的發(fā)展，可能會(huì)提供基于Internet的應(yīng)用，再假設(shè)各車讓之間采用45M的帶寬進(jìn)行連接（其實(shí)在目前還沒有必要，一方面是沒有如此高速的應(yīng)用，如果實(shí)現(xiàn)的話，則可以將城市軌道交通中的有關(guān)視頻業(yè)務(wù)都可以納入到這一應(yīng)用中：其次是每個(gè)地鐵車站不可能象上海市公共基礎(chǔ)設(shè)施那樣，成為為一個(gè)區(qū)域居民服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，主要的服務(wù)對象仍是地鐵內(nèi)部的員工）。照這樣計(jì)算，155Mbps的帶寬是可以滿足未來城市軌道交通作為專用通信網(wǎng)應(yīng)用的要求的。
二． 上海地鐵一號線PDH改造中的主要考慮的問題及評估原則
目前，上海地鐵一號線的PDH傳輸系統(tǒng)由于是從德國引進(jìn)的設(shè)備，存在著零部件不足、運(yùn)營和維護(hù)困難等諸多的問題，上海地鐵運(yùn)營公司提出改造一號線的PDH傳輸系統(tǒng)。我認(rèn)為，在上海地鐵一號線PDH傳輸系統(tǒng)改造的過程中，應(yīng)當(dāng)著重考慮以下原則：
1． 一號線PDH傳輸系統(tǒng)改造方案應(yīng)當(dāng)與以后的新線建設(shè)和北延傳輸系統(tǒng)延伸設(shè)計(jì)相一致，這樣可以減少運(yùn)維的困難，也便于整個(gè)地鐵通信網(wǎng)組成一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)；
2． 調(diào)度系統(tǒng)是上海地鐵一號線改造過程中必須考慮的一個(gè)重要問題，因?yàn)檎{(diào)度系統(tǒng)是專用通信系統(tǒng)，它對地鐵的運(yùn)行起著相當(dāng)程度的保障作用；
3． 與市話兼容，城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部的通信系統(tǒng)，國內(nèi)其他系統(tǒng)相兼容；
4． 提供較大的傳輸容量，適合視頻信號的數(shù)字傳輸要求；
5． 國產(chǎn)化要求，以提高運(yùn)行和維護(hù)的方便性；
6． 充分考慮到保護(hù)一號線通信系統(tǒng)的原有投資；
7． 性能價(jià)格比好；
8． 要注意到所選技術(shù)的先進(jìn)性；
9． 適用于不同的改造投資方案
綜合所述：主要的評判標(biāo)準(zhǔn)是先進(jìn)性，有針對性，經(jīng)濟(jì)合理，運(yùn)維簡便，保護(hù)原投資，適用于各種投資情況，上述原則也是新線建設(shè)中所要考慮的主要指標(biāo)。
三． 現(xiàn)有各種傳輸技術(shù)及其理論比較
針對現(xiàn)有的適用于城市軌道交通的傳輸技術(shù)主要有以下四種：SDH傳輸技術(shù)、ATM傳輸技、OTN傳輸技術(shù)、接入網(wǎng)技術(shù)。
(一)、 SDH的技術(shù)性能及其特點(diǎn)
1、 SDH的產(chǎn)生
由于PDH(準(zhǔn)同步傳輸系統(tǒng))的一些固有的不足，人們開始考慮采用同步字傳輸系統(tǒng)。PDH的主要問題如下。 PDH只有地區(qū)性的數(shù)字信號速率和幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，沒有世界性標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)如表所示：
同步光網(wǎng)絡(luò)的概念最初由Bellcore研究所提出來 即SONET,CCITT于88年接受SONET的概念，且命名為SDH。SDH的主要特點(diǎn)是：同步復(fù)用，標(biāo)準(zhǔn)光接口，強(qiáng)大網(wǎng)管能力。
SDH使1.5Mb/s和2Mb/s兩大數(shù)字體系在STM-1上獲得統(tǒng)一； ADM分插復(fù)用器省去了全套背靠背用設(shè)備，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化，上下業(yè)務(wù)十分容易 利用同步分插功能，還可以實(shí)現(xiàn)自愈環(huán)型網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性；SDH幀結(jié)構(gòu)安排了大量的開銷比特（約為信號的5%）使網(wǎng)絡(luò)的OAM能力大大強(qiáng)；標(biāo)準(zhǔn)光接口：使光接口成為開放型產(chǎn)品，滿足多廠家產(chǎn)品的環(huán)境要求。 不需要經(jīng)過電接口，直接經(jīng)光接口通過中間節(jié)點(diǎn)，省去了大量電路單元和跳線光纜，使運(yùn)行操作任務(wù)及備件種類數(shù)量減少，運(yùn)營成本下降20-30%；SDH與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容，能接納各種新的電信業(yè)務(wù)信號，如FDDI的，城域網(wǎng)的分布式排列雙總線(DQDB),ATM的信元等；具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力和網(wǎng)絡(luò)自愈能力。
當(dāng)然SDH也有其不足之處,首先SDH的頻帶利用率不如傳統(tǒng)的PDH；同時(shí)技術(shù)上和功能的復(fù)雜性也大大增加了。
2、SDH的幀結(jié)構(gòu)
SDH的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。從左上角第一個(gè)信號開始，從左到右，從上到下，按順序傳送，每秒8000幀，則 STM-1的速率為 ： 9*270*8*8000=19440b*8000=155.520Mb
（1）段開銷(SOH)
為保證信息正常靈活傳送所附加的字節(jié)用于：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)。 8*9*8*8000=4.608Mb/s，每秒72字節(jié)(576bit)
（2）信息凈負(fù)荷(PAYLOAD)
（3）管理單元指針(AUPTR)，其數(shù)值指示凈負(fù)荷區(qū)所處的位置
ATM是為寬帶業(yè)務(wù)綜合數(shù)字網(wǎng)而特制開發(fā)的技術(shù)。在以ATM為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)上，信元的復(fù)用與交換處理方式和所傳送的信息類型（數(shù)據(jù)、視頻等）無關(guān)，而且它的統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方式利用帶寬。因此，帶寬的利用率很高。ATM還是目前唯一有質(zhì)量保證（QOS）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這使它特別適合于處理多媒體信息。
ATM的發(fā)展的初衷是要使所有類型的業(yè)務(wù)都包括在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高速傳輸，要達(dá)到這個(gè)目的就要包容現(xiàn)今所有的多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。事實(shí)上，ATM技術(shù)是迄今為止最為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且還不斷地在推出新技術(shù)。由于各廠商對新技術(shù)跟蹤速度不一，所以市場上的ATM產(chǎn)品在性能上各有差異。而且由于ATM技術(shù)過于完善，其協(xié)議體系的復(fù)雜造成了ATM系統(tǒng)研制、配置、管理、故障定位等的難度。所以ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較昂貴。
ATM物理層如圖2所示。
(1)幀結(jié)構(gòu)
STM-1幀由9行270字節(jié)組成，共有19440bit，傳送周期為125us，速率為19440/125x10-6=155.520Mbit/s。傳輸次序是自左而右，自上而下，一個(gè)字節(jié)的最左邊的比特是最高位（MSB）。每行的前9個(gè)字節(jié)用于傳輸開銷，稱為段開銷SOH（Section Overhead），第10列是通道開銷POH（Path Overhead）。除去SOH的9x261字節(jié)的傳送能力稱為虛容器VC-4（Virtual Container 4）。VC-4中除去POH的部分叫做容器C-4，C-4的速率和PCH 4次群的速率相近，C-4和VC-4因此得名。在基于SDH的155.520Mbit/s TB接口上，ATM信元首先被裝入C-4，然后和POH一起組裝成VC-4，VC-4加上SOH最后組裝成STM-1。由于C-4的容量（9x260=2340字節(jié)）不是信元長度（53字節(jié)）的整數(shù)倍。最后一個(gè)信元會(huì)跨過C-4的邊界延伸至下一幀的C-4。 ATM的其他接口標(biāo)準(zhǔn)還有： 51.840Mb/s SONET接口 (STS-1有時(shí)稱SDH的STM-0)、44.736Mb/s的DS3接口、34.364Mb/s的E3接口、100Mb/s的基于FDDI接口、1.544Mb/s 和 2.048Mb/s接口。
（三）OTN
OTN（Open Transport Network）是一種為地鐵等設(shè)計(jì)的專用通信網(wǎng)。它根據(jù)語言、數(shù)據(jù)以及視頻等業(yè)務(wù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口卡。所以在OTN上可以允許在計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間、電話和交換機(jī)之間、交換機(jī)和交換機(jī)之間，以及局域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間進(jìn)行互聯(lián)。 OTN還有RS232C、RS422、RS485、RS232MM等接口卡，可以提供SCADA等系統(tǒng)所需的各種低速接口。 OTN由若干節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的接入端口，由兩條光線把這些結(jié)點(diǎn)連接起來形成雙環(huán)網(wǎng)，可靠性高。網(wǎng)絡(luò)最多有別于63（OTN-36）或250（OTN-150和OTN600）個(gè)結(jié)點(diǎn)。
幀結(jié)構(gòu)和傳輸要求
OTN的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，從圖中可以看出OTN的幀長、幀結(jié)構(gòu)和速率都比較特別。每秒2000幀在OTN上傳輸，幀長對OTN三種形式（OTN-36、OTN-150和OTN600）都是一樣的，為31.25us。OTN-36 的速率為 3r384r3200=3684000bps 即36.84Mbps；OTN-150 的速率為 12r384r3200=147.456Mbps；OTN-600 的速率為 48r384r3200=589.824Mbps。同時(shí)OTN沒有一個(gè)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)存在，因此在互操作性上無法得到保證，用戶對產(chǎn)品的選擇余地也小。
（四）接入網(wǎng)
目前，接入網(wǎng)接入?yún)⒖键c(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)主要有：窄帶業(yè)務(wù)有：Z參考點(diǎn)和V參考點(diǎn)（Q 512）；寬帶業(yè)務(wù)有：VB參考點(diǎn)（Q 2512）。接入網(wǎng)可以通過以下五類接入連接進(jìn)入接入：無源接入連接元、直接接入連接元、遠(yuǎn)程連接直接接入連接元、遠(yuǎn)端接入連接元、遠(yuǎn)程連接的遠(yuǎn)端接入連接元。接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理是通過Q3接口實(shí)現(xiàn)，主要可以管理以下一些內(nèi)容：用戶端口功能管理（包括：用戶端口控制、用戶端口監(jiān)視、與用戶端口相關(guān)的狀態(tài)事件）；核心功能的管理（包括：核心功能控制、核心功能監(jiān)視）；業(yè)務(wù)端口控制（包括：業(yè)務(wù)端口控制、業(yè)務(wù)端口監(jiān)視以及與業(yè)務(wù)端口有關(guān)的狀態(tài)事件）；傳送功能管理（包括：傳送功能控制、傳送功能監(jiān)視以及與傳送功能的狀態(tài)事件。綜上所述，將有關(guān)信息歸納成下表：
從上述的分析比較中可以看出，其實(shí)，這四種傳輸網(wǎng)都可以滿足城市軌道交通通信系統(tǒng)對傳輸?shù)囊蟆５牵渲羞€可以進(jìn)行選擇，因?yàn)樵跐M足要求的條件下，我們還要考慮以下的因素：投資少；操作簡單，系統(tǒng)可靠，維護(hù)方便；國產(chǎn)化。
ATM優(yōu)點(diǎn)采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方式利用帶寬。帶寬的利用率高，適用范圍廣，帶寬可以上幾比特/秒--幾兆比特/秒。 但是，對地鐵通信網(wǎng)來說這一優(yōu)點(diǎn)不十分重要，而且。由于ATM要要把所有類型的業(yè)務(wù)都包容在一個(gè)平臺(tái)上， 使得它的標(biāo)準(zhǔn)繁多，技術(shù)復(fù)雜，而且個(gè)廠家的產(chǎn)品性能各異，價(jià)格昂貴。
OTN性能很好，適合于專用網(wǎng)，但它沒有一個(gè)相統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，而且它的幀格式，速率和SDH,ATM都不一樣，互操作性差，就目前而言，OTN的國產(chǎn)化程度低，對國外的依賴性大，不符合地鐵通信網(wǎng)對國產(chǎn)化的要求。 接入網(wǎng)，我們的接入網(wǎng)是利用SDH作為主干傳輸網(wǎng)。SDH技術(shù)成熟，也是今后的發(fā)展方向，如果將來和其他傳輸網(wǎng)互連也很方便。
SDH的缺點(diǎn)是同步復(fù)用不如ATM靈活，頻帶利用也比ATM低，但對地鐵通信網(wǎng)來說，這并不是主要的問題。從性能上來講，國產(chǎn)的接入網(wǎng)在目前還比不上OTN，但也已可以完全滿足地鐵通信網(wǎng)的要求，而且，它成本低，可靠性高，維護(hù)方便，網(wǎng)管能力強(qiáng)，最主要的是它完全是國產(chǎn)的，可以不受外國因素的牽制。滿足地鐵對國產(chǎn)化的要求。
文章出處：中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)首屆中青年專家論文集
原文作者：陳川（上海地鐵營有限公司）
