城市軌道交通通信系統中傳輸系統的分析與比較
摘 要：本文根據目前地鐵通信網建設的需要，針對現有用于地鐵通信系統的四種傳輸技術進行了分析和比較，從而得出一些能指導地鐵通信網選型的理論依據。一． 城市軌道交通通信系統對傳輸系統的要求
1． 城市軌道交通通信系統的定位
城市軌道交通中的通信系統，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的一個系統，屬于專用通信的范疇。城市軌道交通的通信系統的服務對象是：與軌道交通相關的工作人員以及列車行車指揮。其服務的內容主要有：傳輸話音信息，與行車指揮相關的各種命令，保障沒線車站運轉的監視信號。從這個角度上看，城市軌道交通的通信系統也是一個集話音通信，數據通信以及視頻通信于一體的一個通信系統。
話音通信是城市軌道交通通信系統中主要業務，就上海地鐵一號線PDH傳輸系統的情況來看，其傳送的內容百分之九十以上的業務都是話音信息。從這個意義上講，上海地鐵一號線的傳輸系統的功能主要是完成話音信號的傳送任務，對數據和視頻業務的支持能力不足，這也是PDH傳輸系統的一個重要特征。數據通信業務量對話音通信來說是一個比較小的業務，主要的業務有廣播系統，監視系統，FAS，SCADA等系統的控制信息傳輸。其傳送方式主要是采用基帶傳送方式，即不經過調制解調器，直接將數字信號送入PDH傳輸系統的一個通道（信道），通過PDH的信道，將基帶信號傳送到接收方。由于PDH本身是數字傳輸系統，其通道內傳送的是數字信號，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重要業務。但是視頻通信不同于其他信源情況，其特點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字視頻傳輸。如果采用數字視頻傳輸，由于數字視頻信號數據量大（在一定分辨率，動態連續圖像的條件下），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，必將會從模擬走向數字化。這樣就對傳輸系統提出了更高的要求，要求傳輸系統能支持數字視頻的傳輸，要求具有更高的帶寬和更高的服務質量。
從目前上海地鐵一號線的通信系統來看，其傳輸系統實際是由三部分組成：一部分是主要用于話音信號以及控制信號的傳輸的PDH傳輸系統，該系統對數字視頻傳輸的能力較差。二是用于模擬視頻傳輸的光纖傳輸系統。三是模擬話音傳輸的銅線傳輸系統，主要負責廣播話音的傳輸。
2． 城市軌道交通通信系統中的主要業務
專用的城市軌道交通通信系統所傳輸的內容主要有：話音，數據和視頻。從業務的類別來分，主要有：公用電話業務，專用電話業務，專用電話業務（調度電話），有線廣播業務，視頻監視業務，FAS，DACS，檢售票業務等等。
3． 城市軌道交通通信系統對傳輸系統的要求
地鐵一號線的傳輸系統目前實際使用的峰值容量（在不考慮視頻信號的數字傳輸的前提下）約為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務量要求。假設視頻信號需要數字傳輸，再假設控制中心同時需要16幅視頻信號，按分辨率600*800計算，灰度等級為256級，第秒鐘傳輸30幅圖像的質量要求。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。根據目前的技術水平，按MP3的技術規范，對視頻信號進行壓縮，壓縮比一般可以超過20：1，因此，每路視頻信的實際要求的帶寬一般在2~4Mbps。如果按照每路4Mbps計算，則16路共需要64Mbps。再加上原有的45Mbps的話音和控制信號的數據業務，不過1000Mbps左右。
隨著城市軌道交通業務的發展，可能會提供基于Internet的應用，再假設各車讓之間采用45M的帶寬進行連接（其實在目前還沒有必要，一方面是沒有如此高速的應用，如果實現的話，則可以將城市軌道交通中的有關視頻業務都可以納入到這一應用中：其次是每個地鐵車站不可能象上海市公共基礎設施那樣，成為為一個區域居民服務的互聯網業務接入點，主要的服務對象仍是地鐵內部的員工）。照這樣計算，155Mbps的帶寬是可以滿足未來城市軌道交通作為專用通信網應用的要求的。
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傳輸系統由于是從德國引進的設備，存在著零部件不足、運營和維護困難等諸多的問題，上海地鐵運營公司提出改造一號線的PDH傳輸系統。我認為，在上海地鐵一號線PDH傳輸系統改造的過程中，應當著重考慮以下原則：
1． 一號線PDH傳輸系統改造方案應當與以后的新線建設和北延傳輸系統延伸設計相一致，這樣可以減少運維的困難，也便于整個地鐵通信網組成一個統一網絡；
2． 調度系統是上海地鐵一號線改造過程中必須考慮的一個重要問題，因為調度系統是專用通信系統，它對地鐵的運行起著相當程度的保障作用；
3． 與市話兼容，城市軌道交通系統內部的通信系統，國內其他系統相兼容；
4． 提供較大的傳輸容量，適合視頻信號的數字傳輸要求；
5． 國產化要求，以提高運行和維護的方便性；
6． 充分考慮到保護一號線通信系統的原有投資；
7． 性能價格比好；
8． 要注意到所選技術的先進性；
9． 適用于不同的改造投資方案
綜合所述：主要的評判標準是先進性，有針對性，經濟合理，運維簡便，保護原投資，適用于各種投資情況，上述原則也是新線建設中所要考慮的主要指標。
三． 現有各種傳輸技術及其理論比較
針對現有的適用于城市軌道交通的傳輸技術主要有以下四種：SDH傳輸技術、ATM傳輸技、OTN傳輸技術、接入網技術。
(一)、 SDH的技術性能及其特點
1、 SDH的產生
由于PDH(準同步傳輸系統)的一些固有的不足，人們開始考慮采用同步字傳輸系統。PDH的主要問題如下。 PDH只有地區性的數字信號速率和幀結構標準，沒有世界性標準，不同地區的標準如表所示：
同步光網絡的概念最初由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的主要特點是：同步復用，標準光接口，強大網管能力。
SDH使1.5Mb/s和2Mb/s兩大數字體系在STM-1上獲得統一； ADM分插復用器省去了全套背靠背用設備，使網絡結構簡化，上下業務十分容易 利用同步分插功能，還可以實現自愈環型網，提高網絡可靠性和安全性；SDH幀結構安排了大量的開銷比特（約為信號的5%）使網絡的OAM能力大大強；標準光接口：使光接口成為開放型產品，滿足多廠家產品的環境要求。 不需要經過電接口，直接經光接口通過中間節點，省去了大量電路單元和跳線光纜，使運行操作任務及備件種類數量減少，運營成本下降20-30%；SDH與現有網絡兼容，能接納各種新的電信業務信號，如FDDI的，城域網的分布式排列雙總線(DQDB),ATM的信元等；具有強大的組網能力和網絡自愈能力。
當然SDH也有其不足之處,首先SDH的頻帶利用率不如傳統的PDH；同時技術上和功能的復雜性也大大增加了。
2、SDH的幀結構
SDH的幀結構如圖1所示。從左上角第一個信號開始，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用于：網絡運行、管理和維護。 8*9*8*8000=4.608Mb/s，每秒72字節(576bit)
（2）信息凈負荷(PAYLOAD)
（3）管理單元指針(AUPTR)，其數值指示凈負荷區所處的位置
ATM是為寬帶業務綜合數字網而特制開發的技術。在以ATM為基礎的網絡上，信元的復用與交換處理方式和所傳送的信息類型（數據、視頻等）無關，而且它的統計復用的方式利用帶寬。因此，帶寬的利用率很高。ATM還是目前唯一有質量保證（QOS）的網絡技術，這使它特別適合于處理多媒體信息。
ATM的發展的初衷是要使所有類型的業務都包括在一個網絡平臺上實現高速傳輸，要達到這個目的就要包容現今所有的多媒體網絡技術。事實上，ATM技術是迄今為止最為復雜的網絡技術，而且還不斷地在推出新技術。由于各廠商對新技術跟蹤速度不一，所以市場上的ATM產品在性能上各有差異。而且由于ATM技術過于完善，其協議體系的復雜造成了ATM系統研制、配置、管理、故障定位等的難度。所以ATM網絡設備比較昂貴。
ATM物理層如圖2所示。
(1)幀結構
STM-1幀由9行270字節組成，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，一個字節的最左邊的比特是最高位（MSB）。每行的前9個字節用于傳輸開銷，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）不是信元長度（53字節）的整數倍。最后一個信元會跨過C-4的邊界延伸至下一幀的C-4。 ATM的其他接口標準還有： 51.840Mb/s SONET接口 (STS-1有時稱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）是一種為地鐵等設計的專用通信網。它根據語言、數據以及視頻等業務的相關標準設計了相應的接口卡。所以在OTN上可以允許在計算機和計算機之間、計算機和外圍設備之間、電話和交換機之間、交換機和交換機之間，以及局域網和局域網之間進行互聯。 OTN還有RS232C、RS422、RS485、RS232MM等接口卡，可以提供SCADA等系統所需的各種低速接口。 OTN由若干節點組成。這些節點構成網絡的接入端口，由兩條光線把這些結點連接起來形成雙環網，可靠性高。網絡最多有別于63（OTN-36）或250（OTN-150和OTN600）個結點。
幀結構和傳輸要求
OTN的幀結構如圖3所示，從圖中可以看出OTN的幀長、幀結構和速率都比較特別。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OTN沒有一個相關的國際標準存在，因此在互操作性上無法得到保證，用戶對產品的選擇余地也小。
（四）接入網
目前，接入網接入參考點標準主要有：窄帶業務有：Z參考點和V參考點（Q 512）；寬帶業務有：VB參考點（Q 2512）。接入網可以通過以下五類接入連接進入接入：無源接入連接元、直接接入連接元、遠程連接直接接入連接元、遠端接入連接元、遠程連接的遠端接入連接元。接入網的網絡管理是通過Q3接口實現，主要可以管理以下一些內容：用戶端口功能管理（包括：用戶端口控制、用戶端口監視、與用戶端口相關的狀態事件）；核心功能的管理（包括：核心功能控制、核心功能監視）；業務端口控制（包括：業務端口控制、業務端口監視以及與業務端口有關的狀態事件）；傳送功能管理（包括：傳送功能控制、傳送功能監視以及與傳送功能的狀態事件。綜上所述，將有關信息歸納成下表：
從上述的分析比較中可以看出，其實，這四種傳輸網都可以滿足城市軌道交通通信系統對傳輸的要求。但是，其中還可以進行選擇，因為在滿足要求的條件下，我們還要考慮以下的因素：投資少；操作簡單，系統可靠，維護方便；國產化。
ATM優點采用統計復用的方式利用帶寬。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，對地鐵通信網來說這一優點不十分重要，而且。由于ATM要要把所有類型的業務都包容在一個平臺上， 使得它的標準繁多，技術復雜，而且個廠家的產品性能各異，價格昂貴。
OTN性能很好，適合于專用網，但它沒有一個相統一的國際標準，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的國產化程度低，對國外的依賴性大，不符合地鐵通信網對國產化的要求。 接入網，我們的接入網是利用SDH作為主干傳輸網。SDH技術成熟，也是今后的發展方向，如果將來和其他傳輸網互連也很方便。
SDH的缺點是同步復用不如ATM靈活，頻帶利用也比ATM低，但對地鐵通信網來說，這并不是主要的問題。從性能上來講，國產的接入網在目前還比不上OTN，但也已可以完全滿足地鐵通信網的要求，而且，它成本低，可靠性高，維護方便，網管能力強，最主要的是它完全是國產的，可以不受外國因素的牽制。滿足地鐵對國產化的要求。
文章出處：中國交通運輸協會城市軌道交通專業委員會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）
