高速公路通信系統(tǒng)中OTN技術的應用

熊首成，劉軼

（江西路通科技有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

高速公路通信傳輸是公路設計中的重要環(huán)節(jié)，一般情況下，高速公路的收費計算機網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控、車輛檢測器、緊急電話、霧檢測器等業(yè)務均需要接入和傳輸，因此，其通信系統(tǒng)必須按照專網(wǎng)性質的多媒體傳輸系統(tǒng)設計。常規(guī)技術所要求的專網(wǎng)上所提供的上述信息業(yè)務的接入和傳輸可采用兩種方案：一是將各種信息單獨組網(wǎng)并分別形成數(shù)據(jù)網(wǎng)及圖像監(jiān)控網(wǎng)，并各自獨立運行和管理；二是通過提供寬帶傳輸平臺以便向各種信息分配固定帶寬，并借助外圍輔助性接口設備接入和傳輸多媒體信息。以上兩種方案技術支持能力較弱、性價比不高，且面臨光纖占用率高及大帶寬傳輸能力差，無法滿足我國高速公路通信專網(wǎng)內容日益擴充、功能日益拓展的多媒體信息傳輸需要。為此，必須積極探索高速公路通信系統(tǒng)設計及使用中業(yè)務接入便捷、網(wǎng)絡管理簡便、系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)網(wǎng)、圖像監(jiān)控網(wǎng)、電話網(wǎng)三網(wǎng)合一的綜合業(yè)務通信管理平臺。OTN 平臺作為開放性的網(wǎng)絡平臺，傳輸媒體主要為光纖，能在一個網(wǎng)絡內集成語音、圖像、廣播等業(yè)務信息，并將此類業(yè)務信息快捷準確地傳輸至各個站點。

1 OTN通信技術概述

傳統(tǒng)網(wǎng)絡作為基礎性承載網(wǎng)絡，必須適應更大容量及業(yè)務高速率等要求，動態(tài)化的IP 業(yè)務在傳統(tǒng)智能化較為滯后的情形下無法滿足相關要求，OTN 技術的提出，為未來實現(xiàn)全光網(wǎng)絡提供了方向。

國際電信聯(lián)盟電信標準分局于1998 年正式提出光傳送網(wǎng)，即OTN 的概念，其出發(fā)點主要為實現(xiàn)子網(wǎng)內透明光傳輸，通過子網(wǎng)邊界應用O/E/O 的3R 再生技術以便構成完整的光網(wǎng)絡。在此基礎上，各大網(wǎng)絡運營商便開始加快OTN 建設步伐。中國聯(lián)通自2009 年開始研究OTN 以及40G DWDM 技術，并選定OTN 為下一代網(wǎng)絡傳輸主要技術；中國香港最大的電信運營商——電訊盈科也于2010 年通過華為的40G OTN 設備構建起OTN 通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡骨干層傳送總容量高達3.2Tbit/s；2011 年，中國移動在我國東北片區(qū)構建起OTN 省際干線，且經(jīng)業(yè)務承載優(yōu)化后，將OTN 確定為主要的省際傳輸網(wǎng)絡技術，并基于此陸續(xù)建設了覆蓋全國主要縱橫高速公路交通網(wǎng)的OTN商用傳輸系統(tǒng)。

OTN 通信系統(tǒng)主要包括OTN 節(jié)點機、單模光纖、用戶界面卡及網(wǎng)管中心四個模塊，其中節(jié)點機主要包括8 個通用性的槽位，用戶可依據(jù)實際業(yè)務量接入方面的需要插入界面卡，其所對應的界面卡有數(shù)十種，具體種類詳見表1。以上各種形式的界面卡均適用于高速公路通信網(wǎng)絡現(xiàn)有業(yè)務的接入，有效克服了傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡中上下電路層層復用及層層編解碼的繁瑣操作[1]。

表1 通用性槽位所接入界面卡類型

2 OTN通信技術的應用

2.1 系統(tǒng)建設思路

隨著高速公路信息通信網(wǎng)全國性互聯(lián)的實現(xiàn)，省級高速公路傳輸網(wǎng)所承載的內部信息管理、監(jiān)控信息傳輸?shù)葮I(yè)務量日益增多。在當前建設資金較為有限的情況下，構建省級高速公路OTN 通信網(wǎng)絡不可能一蹴而就，必須結合區(qū)域具體業(yè)務量和光纜資源配置情況統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施。為此，該省高速公路傳輸網(wǎng)絡規(guī)劃必須立足當前、適度超前，主要著眼未來3～5 年的業(yè)務發(fā)展實際，并充分應用成熟的OTN技術實現(xiàn)對全省高速公路通信光傳輸網(wǎng)的規(guī)劃建設。全省高速公路共組建3個OTN骨干環(huán)網(wǎng)、4個OTN 城域環(huán)網(wǎng)，倒換迅速的各種復雜網(wǎng)絡拓撲與健全的OTN保護機制配合后，打造高安全可靠性的電信級公路通信網(wǎng)絡?；谠撌「咚俟稯TN通信系統(tǒng)設計思路，進行省級高速公路傳輸網(wǎng)規(guī)劃。該省行政劃分為七地市，高速公路通車里程數(shù)已逾4 000km，其省級高速公路OTN 通信傳輸網(wǎng)按照“兩縱四橫”的OTN骨干網(wǎng)建設，業(yè)務節(jié)點遍及全省各地市。

該高速公路通過OTN 語音卡的應用能將與管理中心PBX 連接的用戶撥號音快速傳輸至各收費站點接收系統(tǒng)，滿足高速公路業(yè)務電話、指令電話及緊急電話等語音業(yè)務方面的要求；通過應用RS422/RS232 及N×64kbit/s 接口界面卡能將路況信息、車輛檢測及識別信息、氣象信息等實時傳輸至管理中心接收端，管理中心同時依據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)信息向地方發(fā)出相應的控制指令；通過OTN 通信系統(tǒng)中的100Mbits/s 以太網(wǎng)接口進行各收費站收費實際信息采集及傳輸管理；利用圖像處理界面卡，能對收費廣場、匝道立交、收費站等區(qū)域實時監(jiān)控。高速公路收費系統(tǒng)OTN 通信技術應用情況詳見圖1。并且根據(jù)設計要求，在該高速公路管理中心及若干收費站點均設置有1～4 個OTN 節(jié)點機，且收費站業(yè)務系統(tǒng)均直接接入OTN 的業(yè)務接口，從而將高速公路全部通信系統(tǒng)內的語音、圖像等數(shù)據(jù)信息均集成于一個系統(tǒng)網(wǎng)絡中。

圖1 收費系統(tǒng)OTN通信技術應用架構

OTN 通信系統(tǒng)主要采用時分復用技術（Time-Divi?sion Multiplexing,TDM），且全系統(tǒng)主要為4 芯單模光纖所組成的雙環(huán)自愈網(wǎng)[2]，所使用的IEC825型光源主要有1 310nm 和1 550nm 兩種發(fā)光體；節(jié)點機主要安裝在標準尺寸19 英寸的工業(yè)機柜內，且節(jié)點機間距可以按照110km 確定，誤碼率不超過10-9%，功耗在200W 以內，電源使用常規(guī)220VAC/+25VDC/-48VDC 電源即可，系統(tǒng)帶寬有 36Mbit/s、150Mbit/s、600Mbit/s 和 2.5Gbit/s 等可供選擇。

考慮到路段里程長度對通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬的具體要求，高速公路路段中心自用業(yè)務需求帶寬應達到526～1 184M，遠期則必須根據(jù)各路段中心業(yè)務需求量加倍考慮帶寬。

結合高速公路網(wǎng)規(guī)劃及帶寬業(yè)務需求，該高速公路預計設置160 個路段中心，各路段中心遠期自用帶寬需求將達到1 052～2 368Mbps，考慮到通信業(yè)務具有的匯聚型特征，該高速公路通信網(wǎng)核心網(wǎng)承載帶寬或超100Gbps，部分匯聚環(huán)網(wǎng)的帶寬業(yè)務需求以及網(wǎng)絡末端支鏈帶寬業(yè)務需求最大值分別會超過40Gbps 和10Gbps[3]。

2.2 網(wǎng)絡拓撲選擇

在進行高速公路通信系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲選擇時，必須將公路全線作為業(yè)務節(jié)點，根據(jù)業(yè)務需求進行滿足公路當前及未來若干年擴容需求的網(wǎng)絡設計。網(wǎng)絡拓撲圖包括星形、鏈形、樹形、環(huán)形等。鏈形拓撲屬于最為基礎的拓撲形式，結構簡單，兩個節(jié)點之間僅需1條光纜連接，但缺乏必要保護，一旦光纜中斷，中斷處以下的業(yè)務便會全部中斷，故該形式僅適用于側業(yè)務接入。星形拓撲形式下各節(jié)點均與中心節(jié)點相連，中心節(jié)點能夠實時向其余節(jié)點發(fā)送并接收信息，因此中心節(jié)點負擔重，一旦中心節(jié)點發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡均將陷于癱瘓。樹形拓撲形式就像樹木分支一樣，能有效實現(xiàn)故障隔離以及新支路的加入，但如果根部光纜或設備出現(xiàn)故障，便會影響下續(xù)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸。環(huán)形拓撲形式在當前應用較為廣泛，網(wǎng)絡為環(huán)狀設計，任意兩個節(jié)點出現(xiàn)故障，通信便會通過環(huán)網(wǎng)另一側傳輸，基本不受影響，網(wǎng)絡保護能力強。

OTN 網(wǎng)絡拓撲結構中，鏈形拓撲形式安全系數(shù)最低，通常僅用于業(yè)務量不高的節(jié)點接入以及波道內SDH 環(huán)網(wǎng)構建、業(yè)務段延伸。樹形結構對于高速公路全段及任何局域網(wǎng)均較為適用。網(wǎng)狀拓撲形式通常只適用于光纜資源充足的全光網(wǎng)目標網(wǎng)絡情形，故該高速公路以環(huán)形網(wǎng)為主要網(wǎng)絡結構，鏈形為輔助。

2.3 OTN網(wǎng)管系統(tǒng)

該系統(tǒng)具備自我診斷能力，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障便會自動發(fā)出可視警告示警，還能同時以彩色圖像的形式將故障點顯示在維護終端，可存儲于硬盤內，也可打印輸出。若激光接收器所接收到的光信號變動幅度超出500nW 時，管理中心也會立即發(fā)出警告。管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設置有多重密碼保護系統(tǒng)，維護及更改指令的執(zhí)行方式有菜單式和功能鍵方式兩種。

高速公路通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行不受接口板插拔及數(shù)據(jù)設定的影響，網(wǎng)絡控制中心可實時監(jiān)測各接口板端口的信號運行情況；管理中心節(jié)點也可同時接入兩套系統(tǒng)，并可以HOT-STANDBY 的方式運行。如遇系統(tǒng)中斷，則可由網(wǎng)管設備將其余站點終端設備控制切換至備用設備，以確保系統(tǒng)順利運行。

光環(huán)網(wǎng)內主同步時鐘在節(jié)點機處設置跟蹤順序，第一主節(jié)點機出現(xiàn)故障機停機后全網(wǎng)便能進行第二主節(jié)點機自動同步跟蹤，同時在FlashROM 中存儲各節(jié)點機系統(tǒng)數(shù)據(jù)。節(jié)點機在電源供應中斷并重啟后可自動恢復正常運行狀態(tài)，不用重新導入數(shù)據(jù)。此外，該通信系統(tǒng)還包括能將網(wǎng)絡管理信息傳輸至高層管理系統(tǒng)的SNMP模塊，通過該模塊可實現(xiàn)對網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理。

2.4 OTN圖像傳輸及接入系統(tǒng)

OTN 具有標準的輸入、輸出界面卡標準，采用MJPEG方式對視頻信號進行壓縮編碼，用戶無需另行安裝外界視頻切換系統(tǒng)，僅借助鼠標操作就能完成圖像切換，被切換圖像可達到6～12Mbit/s帶寬效果。通過以上操作進行圖像接入和傳輸處理，可實現(xiàn)1個網(wǎng)管對全部圖像的管理，并根據(jù)用戶需求進行圖像帶寬、幀數(shù)及色彩等的調整；有助于減輕系統(tǒng)維護工作量，節(jié)省光纖芯數(shù)。該系統(tǒng)對圖像接入及傳輸?shù)奶幚硎朱`活，具備點對點連接、多落點連接、預留帶寬切換連接等功能：點對點連接即單臺攝像機和單臺監(jiān)視器對應；多落點連接即單臺攝像機和多站點多臺監(jiān)視器連接，且?guī)挷蛔?；預留帶寬切換連接即管理系統(tǒng)將數(shù)十部甚至上百部攝像機圖像任意切換至用戶所需站點監(jiān)視器。以上功能適用于高速公路用戶監(jiān)控圖像傳輸及數(shù)據(jù)使用方面的各種需要。

3 OTN通信技術優(yōu)勢

3.1 網(wǎng)絡抗毀性能

通過分析OTN 技術在高速公路通信系統(tǒng)中的應用可以看出，當系統(tǒng)內單個或數(shù)個節(jié)點機出現(xiàn)故障而中斷后，網(wǎng)絡其余部分具有重組功能，并能確保系統(tǒng)繼續(xù)正常運行；待故障節(jié)點機功能恢復后，系統(tǒng)便自動返回初始設定的運行方式。在該系統(tǒng)進行節(jié)點終端擴充、網(wǎng)絡擴充及界面卡擴充時，并不影響既有光纖網(wǎng)絡運行過程，全網(wǎng)重組所需時間僅為50～120ms。雙環(huán)路光纖傳輸平臺中，若其中單個環(huán)路發(fā)生光纖中斷等故障，則系統(tǒng)會立即自動切換至另一環(huán)路，使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。該系統(tǒng)無需任何外圍復用、編碼、解碼操作就能自動接入各類標準接口，并在同一網(wǎng)絡中自動實現(xiàn)集成[4]。

節(jié)點終端站電源供應器數(shù)據(jù)可冗余，且當一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障后可自動切換到另一套系統(tǒng)，不影響整個通信系統(tǒng)的正常運行。

3.2 高性價比

高速公路OTN 通信系統(tǒng)屬于綜合業(yè)務光纖通信系統(tǒng)，具備優(yōu)良的業(yè)務傳輸性能和強大的業(yè)務接入能力，可同時實現(xiàn)圖像、語音等數(shù)據(jù)接入、傳輸一體化，可為當前高速公路順利運行提供重要的數(shù)據(jù)支撐，而且系統(tǒng)結構簡單、養(yǎng)護方便。根據(jù)該技術在高速公路通信系統(tǒng)中的應用實踐，應用OTN 技術在高速公路三大系統(tǒng)中實現(xiàn)相同的通信傳輸功能，比采用其余技術的工程費用低5%左右，且后期運維更為簡便。

3.3 其余優(yōu)勢

高速公路OTN 通信技術可實現(xiàn)向后完全兼容，OTN 支線路分離，且業(yè)務接口的調整對線路側投資無較大影響，該通信技術還支持VC 交叉，可實現(xiàn)與MSTP 及現(xiàn)有MSTP 網(wǎng)絡的無縫融合與兼容。OTN 通信技術36～2 500Mbit/s 帶寬容量、性能可靠，其線路及節(jié)點機在各類故障中具備自愈能力，并能實現(xiàn)對語音、圖像、廣播等綜合性數(shù)據(jù)信息的并網(wǎng)傳輸與接入；集成度高，無需解碼器等過多的外圍輔助設備，其所特有的雙環(huán)自愈網(wǎng)組網(wǎng)方式靈活且維護簡便。

4 結語

綜上所述，OTN 技術在高速公路機電系統(tǒng)中應用后，可滿足高速公路各種業(yè)務IP 化、低延時及高可靠性發(fā)展過程中通信業(yè)務方面的實際需求，并能順應無人駕駛、5G、車聯(lián)網(wǎng)及人工智能等技術對通信系統(tǒng)所提出的更高要求，在高速公路向可視、可測、可控及可服務等方向發(fā)展的過程中，OTN 通信技術必將發(fā)揮重要的助推作用和強大的服務功能。