軌道交通專用通信傳輸系統(tǒng)研究

盧 瀅

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

傳輸系統(tǒng)是城市軌道交通通信系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)，它不僅為通信其他子系統(tǒng)如公務(wù)、專用、無線、電視監(jiān)控、廣播、乘客信息等系統(tǒng)提供語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸通道，還為自動售檢票、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、列車自動控制系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等提供通道。

作為承載各種信息的媒介，傳輸系統(tǒng)應(yīng)是一個實(shí)時、透明、無阻塞、可靠性高、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展性好、功能齊全和安全的系統(tǒng)。

下面先對在上海軌道交通10號線一期工程專用通信傳輸系統(tǒng)實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行討論。

1 組網(wǎng)方式

上海軌道交通10號線是一條穿越城市東西向客運(yùn)走廊的徑向線，一期工程全程共計(jì)長約36 km，設(shè)31座車站，主備2個控制中心，1個停車場。

10號線采用M STP（內(nèi)嵌RPR模塊）設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)。由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大量為以太網(wǎng)，通常采用共享帶寬的方式，其反映在M STP的帶寬利用上是均勻分布的業(yè)務(wù)模式，并兼顧M STP良好的環(huán)保護(hù)功能，10號線組網(wǎng)保護(hù)方式采用M S-SPR ING復(fù)用段共享保護(hù)環(huán)。

10號線一期共設(shè)有33個站點(diǎn)，包括2個控制中心，按ITU-T的規(guī)定，MS-SPR ING組環(huán)不能超過16個節(jié)點(diǎn)。因此，10號線一期以2個控制中心為交點(diǎn)，組建了3個環(huán)。各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分別通過2 M或以太網(wǎng)端口接入。10號線設(shè)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并將原通信系統(tǒng)中的電視監(jiān)控、廣播、乘客信息系統(tǒng)納入其中。綜合監(jiān)控系統(tǒng)以千兆以太網(wǎng)端口型式接入傳輸系統(tǒng)。

2 問題探討

在軌道交通工程中，傳輸系統(tǒng)作為骨干網(wǎng)絡(luò)傳送其他系統(tǒng)所需傳輸?shù)男畔?。隨著軌道交通中業(yè)務(wù)不斷IP化發(fā)展，傳輸系統(tǒng)也面臨著如何滿足各業(yè)務(wù)需求的問題。下面針對M STP（內(nèi)嵌RPR模塊）在10號線工程中遇到的問題作探討。

2.1 問題發(fā)現(xiàn)

上海軌道交通10號線傳輸系統(tǒng)采用MSTP（內(nèi)嵌RPR模塊）方式組網(wǎng)，對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)而言是個二層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其下掛的綜合監(jiān)控系統(tǒng)在各站點(diǎn)由三層交換機(jī)組網(wǎng)，如圖1所示。為完成綜合監(jiān)控系統(tǒng)中視頻組播的功能，要求傳輸系統(tǒng)具有IGM P Snooping（Internet Group M anagement Protocol Snoop ing）組播偵聽功能。但到測試階段，發(fā)現(xiàn)從一個站點(diǎn)上傳至控制中心的視頻信息在其他站點(diǎn)也能收到，這說明在傳輸網(wǎng)絡(luò)中視頻信息并非是以組播方式傳送，而是以廣播方式傳送。

2.2 問題研究

根據(jù)測試結(jié)果，傳輸系統(tǒng)不具備IGMP Snooping功能，所以導(dǎo)致在各節(jié)點(diǎn)均有視頻流，沒有達(dá)到預(yù)期的要求。那么IGM P Snoop ing到底在什么情況下才能實(shí)現(xiàn)其功能呢？

首先介紹一下IGM P Snoop ing二層組播組偵聽協(xié)議，IGMP Snooping協(xié)議示意如圖2所示。

視頻源發(fā)送組播流，接收者A和接收者C在這個組播組中，而接收者B不在組播組中。在視頻源和接收者間的二層設(shè)備通過IGM P Snoop in g功能偵聽到組播流，就把該信息發(fā)給接收者A和C，而不發(fā)給接收者B。視頻源與三層組播設(shè)備間通過IGMP協(xié)議建立和維護(hù)組播組的關(guān)系。

由此可見，IGM P Snoop ing是運(yùn)行在二層設(shè)備上的組播約束機(jī)制，通過偵聽和分析主機(jī)與三層組播設(shè)備之間交互的IGM P來管理和控制組播組，從而有效抑制組播數(shù)據(jù)在二層網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散。

軌道交通中傳輸系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)表明，視頻源與三層組播設(shè)備間的交互并沒有通過二層設(shè)備，即傳輸系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)無法啟用IGM P Snoop ing功能，因此傳輸系統(tǒng)對于接收到的數(shù)據(jù)均以廣播形式發(fā)送。這就是在測試中看到的結(jié)果。

由此帶來的問題：是否會形成廣播風(fēng)暴。

在軌道交通專用通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)多是共享帶寬，例如CCTV、綜合監(jiān)控、電源監(jiān)控、PIS和AFC等。典型的組網(wǎng)如圖3所示。

傳輸設(shè)備A、B、C、D、E組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)方式為M SP；每套傳輸設(shè)備上分別有一個以太網(wǎng)接口連接交換機(jī)F、G、H、I、J。

從圖3可以看到，各個交換機(jī)之間相互通信，系統(tǒng)形成環(huán)路，為防止交換機(jī)層面的廣播風(fēng)暴發(fā)生，交換機(jī)必須啟用生成樹協(xié)議來防止廣播風(fēng)暴發(fā)生。

傳輸設(shè)備為各個交換機(jī)之間的通信提供以太網(wǎng)傳輸通道，為了能夠?qū)崿F(xiàn)共享以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，并且要求業(yè)務(wù)有保護(hù)（一個站點(diǎn)以太網(wǎng)板故障，不會影響其他站點(diǎn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)），傳輸以太網(wǎng)業(yè)務(wù)配置方式應(yīng)該為A—B—C—D—E—A。

對于MSTP（內(nèi)嵌RPR）的傳輸設(shè)備可以通過源地址剝離的技術(shù)實(shí)現(xiàn)抑制傳輸層面的廣播風(fēng)暴，（即當(dāng)A點(diǎn)發(fā)出的信息再傳到A點(diǎn)時，就丟棄不再循環(huán)傳送）而不用啟用生成樹協(xié)議。由于傳輸設(shè)備沒有啟用生成樹協(xié)議，這樣交換機(jī)發(fā)送給傳輸設(shè)備的包含生成樹協(xié)議的報文，傳輸設(shè)備不會進(jìn)行修改，而是透明傳輸給其他站點(diǎn)的交換機(jī)，所以，交換機(jī)之間生成樹協(xié)議傳遞是正確的，生成樹協(xié)議能夠正常啟動。既滿足地鐵共享型業(yè)務(wù)需求，又滿足一個站點(diǎn)故障時，不影響其他站點(diǎn)業(yè)務(wù)的保護(hù)需求。

2.3 研究結(jié)論

目前軌道交通專用通信中的傳輸系統(tǒng)多為二層網(wǎng)絡(luò)，為了防止軌道交通全線成為一個大的廣播域，一般要求其他接入系統(tǒng)如視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各站點(diǎn)均采用三層交換機(jī)組網(wǎng)。由此，傳輸系統(tǒng)與其他接入系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)將無法使傳輸系統(tǒng)啟用IGM P Snooping功能，在傳輸系統(tǒng)中數(shù)據(jù)無法以組播方式傳輸，只能以廣播方式傳送，因此只能以增加傳輸帶寬作為代價。對于MSTP（內(nèi)嵌RPR）的傳輸設(shè)備，由于可以采用源地址剝離技術(shù)，因此可以抑制傳輸層面的廣播風(fēng)暴。

3 設(shè)備選用

軌道交通專用通信傳輸系統(tǒng)中承載的業(yè)務(wù)主要包括TDM和IP兩類。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各系統(tǒng)都逐步向IP方向發(fā)展，因此，傳輸系統(tǒng)中以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求量越來越大，逐漸超過了TDM的需求。為了順應(yīng)這種發(fā)展趨勢，各種傳輸設(shè)備在其固有的設(shè)計(jì)中也融入了適合IP傳輸?shù)牟糠帧?/p>

目前已建、在建的軌道交通專用通信傳輸系統(tǒng)采用的設(shè)備有OTN、M STP（內(nèi)嵌IP模塊）、MSTP（內(nèi)嵌RPR模塊）、SDH+以太網(wǎng)等。

3.1 OTN

OTN系統(tǒng)是為專網(wǎng)而開發(fā)，采用一次復(fù)用機(jī)制，集成多種用戶接口，一體化的實(shí)現(xiàn)低速和高速數(shù)據(jù)的接入和傳輸。同時它具有設(shè)備簡單、組網(wǎng)靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的幀結(jié)構(gòu)及傳輸方式非常適用于獨(dú)立的專用網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)IP化發(fā)展，OTN也可提供100 M、1 000 M以太網(wǎng)接口。為更好地接入以太網(wǎng)業(yè)務(wù)而不形成大廣播域，可以采用專為傳輸以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的三層設(shè)備，該設(shè)備可以與傳統(tǒng)OTN二層設(shè)備混合組網(wǎng)，共同網(wǎng)管。

但是OTN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的唯一性使不同軌道交通線的不同傳輸網(wǎng)絡(luò)之間只能實(shí)現(xiàn)電接口層面的業(yè)務(wù)透傳，且不支持多方向的光傳輸。同時，OTN主體設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，存在技術(shù)的獨(dú)有性和廠商的唯一性等問題，而且價格相對較高。所以在設(shè)備選擇時，各方都比較慎重。

3.2 SDH+以太網(wǎng)

這是SDH和以太網(wǎng)兩種技術(shù)的組合應(yīng)用，SDH承載語音及低速數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)承載高速數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)技術(shù)是一種基于IP協(xié)議的包交換技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，其信息包長度可變，適合承載各種業(yè)務(wù)。流量優(yōu)先權(quán)控制、VLAN標(biāo)準(zhǔn)、多生成樹協(xié)議、快速生成樹協(xié)議等技術(shù)為以太網(wǎng)提供了必要的QoS保證和保障快速恢復(fù)機(jī)制，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種可管理、高可靠性的技術(shù)。

但由于以太網(wǎng)提供“盡力而為”的服務(wù)，對承載業(yè)務(wù)不可避免地存在時延、抖動和丟包等現(xiàn)象，承載業(yè)務(wù)的QoS、網(wǎng)絡(luò)安全都需進(jìn)一步加強(qiáng)，另外，以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能較弱。因此，軌道交通中采用以太網(wǎng)獨(dú)立組建傳輸系統(tǒng)，目前還沒有先例。

而采用SDH和以太網(wǎng)兩種技術(shù)的組合方案，可以揚(yáng)長避短，各盡所能，但該方案需要占用更多光纖，并由于采用兩套設(shè)備，增加了后期維護(hù)工作量。采用該組合方案的軌道交通線并不多。

3.3 MSTP

隨著各系統(tǒng)不斷IP化，MSTP應(yīng)運(yùn)而生。MSTP采用了目前成熟的SDH組網(wǎng)和保護(hù)技術(shù)，保留了固有的TDM交叉能力和業(yè)務(wù)接口，并在傳統(tǒng)SDH基礎(chǔ)上增加IP、RPR等模塊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、非實(shí)時的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。但由于M STP是以TDM業(yè)務(wù)為主，IP業(yè)務(wù)為輔，隨著IP業(yè)務(wù)的大量需求，M STP將顯得力不從心。正如以上對10號線傳輸系統(tǒng)的分析，目前階段，IP業(yè)務(wù)需求尚在承受范圍之內(nèi)，只有通過犧牲系統(tǒng)帶寬來滿足需求，這也是TDM向IP過渡時期的一個方案。

對于M ST P（內(nèi)嵌R PR模塊）和M ST P（內(nèi)嵌IP模塊），內(nèi)嵌RPR在環(huán)網(wǎng)保護(hù)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的保護(hù)和抑制廣播風(fēng)暴等方面比內(nèi)嵌IP更勝一籌。

3.4 PTN

分組傳送網(wǎng)（PTN）是一種以分組作為傳送單位，承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)為主，兼容TDM等業(yè)務(wù)的綜合傳送網(wǎng)絡(luò)。PTN是基于分組傳送、面向連接的多業(yè)務(wù)傳送技術(shù)，采用分組的架構(gòu)，繼承了M STP的理念，融合了Ethernet和MPLS優(yōu)點(diǎn)，并提供端到端Qo S控制，提供精確的頻率和時間同步，提供較為豐富的保護(hù)方式和電信級的維護(hù)管理，是下一代分組承載技術(shù)。

但PTN是一種新技術(shù)，目前還處于商用起步階段，其產(chǎn)品的成熟度、標(biāo)準(zhǔn)化程度、應(yīng)用模式以及與M STP網(wǎng)絡(luò)的互通等諸多方面尚需進(jìn)一步完善。對于軌道交通傳輸系統(tǒng)將關(guān)注PTN傳輸技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道交通各系統(tǒng)IP化需求的增加，給作為承載軌道交通信息的骨干核心網(wǎng)絡(luò)——傳輸系統(tǒng)提出了新的要求。本文通過在上海軌道交通傳輸系統(tǒng)實(shí)施中遇到問題的探討，引發(fā)出對幾種傳輸系統(tǒng)方案的思考，供傳輸系統(tǒng)建設(shè)參考。

[1]辛默．論城市軌道交通通信傳輸網(wǎng)的組建[J]．鐵路通信信號工程技術(shù)，2008（1）：40-41.

[2]隋志毅．軌道交通中CCTV實(shí)現(xiàn)方式及性能比較[J]．鐵路通信信號工程技術(shù)，2008（6）：24-26.