軌道交通車站設施通信接入系統探析

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摘要：地鐵出行是城市軌道交通的重要載體，服務于數以萬計的出行乘客。出行體驗越發越成為乘客地鐵出行的關注點。上海軌道交通車站附屬設施通信接入系統寬帶業務網具有組網靈活，方便運管的優勢，逐漸成為保障地鐵各類便民服務信息傳輸的重要承載網絡之一。

關鍵詞：寬帶業務網；傳輸；千兆以太網

0引言

上海軌道交通內部傳輸網絡主要包括專用通信傳輸網絡和民用通信傳輸網絡。專用通信網絡能滿足軌道交通運營管理部門傳送語音、數據和圖像等信息的需求的專用網絡。專用通信網絡在結構上分為上層網和線網兩部分。上層網包括COCC、備用COCC、OCC等節點，線網則包含各線OCC、車站、車輛段及停車場等節點。各線通過上層網實現線路間的互聯互通。民用傳輸網絡是為滿足上海移動、上海聯通、上海電信三大運營商移動業務引入地下而建設的通信網絡。民用通信網絡在結構上主要以各條線路分別組網并接入運營商網絡節點。截至2020年12月，上海地鐵運營線路共18條（含磁浮線），共設車站430座（含磁浮線2座），運營里程共729千米（含磁浮線29千米）。[1]為改善車輛通行效率，提高交通流暢度，優化市民出行體驗，使城市交通管理更為精細化和智能化，迫切需要建設一套適合資源經營的專用傳輸網絡來更好的服務于乘客出行體驗。然而專用通信傳輸網絡主要是為滿足運營需求而設置，其網絡上承載了通信、信號、FAS、AFC、電力監控等多種與行車運營相關專業的信息，在網絡信息安全方面有較高要求，因此和以承載廣告、乘客公眾信息、多媒體等需求的資源經營傳輸網絡合建給網絡安全帶來隱患。同時采用依托民用傳輸網絡建設的資源經營傳輸網絡逐步暴露出各種不足，首先表現為民用傳輸網絡是為滿足運營商的移動用戶在地下環境通話、上網等需求而建設的，故其節點設備僅設置在地下車站；其次設備管理權屬于三大運營商，導致系統出現故障時無法及時維護，新業務需求也無法及時得到配置等問題。因此建立獨立資源經營傳輸網絡，實現專網專用的方案是大勢所趨。車站附屬設施通信系統應運而生。上海軌道交通車站附屬設施通信接入系統包括寬帶業務網、民用通信機房電源及接地系統、便民服務業務，本文主要對寬帶業務網系統功能、方案設計及組成等進行系統分析。

1系統功能分析

目前上海軌道交通寬帶業務傳輸網絡承載業務種類包括銀行ATM業務和銀行監控業務、商鋪寬帶業務、電源監控業務、大客戶上網業務、百店萬家業務、夜間金庫業務以及新型多媒體業務等。寬帶業務網實現的系統功能需求如下：（1）網絡核心部分和部分線路中心能夠滿足未來若干年內年內的容量與性能需求。（2）提高外部單位對網絡服務質量的需求。（3）滿足各商鋪、銀行以及各大樓物業對于網絡服務質量的需求。（4）能夠預留今后接入新增用戶的條件。（5）滿足對各地鐵車站內銀行系統接入的需求，并具有擴展視頻監控接入的能力，系統能夠提供有效帶寬保障與可靠性。（6）滿足今后其他系統接入的需求，能夠為各車站以及車地無線系統提供可靠的網絡承載平臺。（7）滿足未來若干年內的網絡擴展性需求，層次化的結構便于網絡擴展。（8）滿足開展多種增值業務的需求，從功能與性能上完全支持各種音視頻以及各種流媒體增值業務。（9）滿足對網內商業用戶使用Internet的控制與計費，以達到網絡使用的實際收益，并且能夠在未來增加對無線網絡用戶的計費功能。（10）符合網絡結構合理化、規范化，并采用了有效的管理工具與手段，滿足資產公司對網絡的管理需求。

2寬帶業務網系統分析

2.1系統方案比較。當前在地鐵通信領域中傳輸組網采用的技術包含OTN、PTN、增強型MSTP、IP等幾種制式和技術的設備。2.1.1OTN（光傳送網）OTN以波分復用技術為基礎，在光層組織網絡的傳送網。將光域處理優勢與電域處理優勢進行結合，是傳送寬帶大顆粒業務的最優技術，具有傳送容量大、端到端波長/子波長全透明連接、電信等級的保護特點。OTN技術其冗余保護不僅可以通過光復用段、OCH或ODUk等實現對所有波長、單一波長或子波長業務的保護，還可通過雙纖自愈環保護實現業務層的雙重自愈保護。2.1.2分組傳送網（PTN）PTN技術以分組業務為核心內容，支持多種基于分組交換業務的雙向點對點連接通道，不僅秉承了光傳輸系統的傳統技術優勢，滿足多種業務傳送需求，提供了更加適合于IP業務特性的“柔性”傳輸管道，同時適配各種粗細顆粒業務，采用PWE3端到端偽線仿真方式，實現對TDM業務的支持。2.1.3增強型MSTPMSTP技術以同步數字體系為基礎，針對SDH設備進行改造[3]，增加了EthernetoverSDH、內嵌RPR等核心處理功能，實現對數據、語音、視頻傳輸的應用要求。增強型MSTP技術是作為MSTP產品進一步發展的技術，具有傳統業務承載的屬性（PDH、SDH、POS、以太網、ATM、RPR），同時集成了分組核心技術MPLS-TP、光纖波長復用等技術。增強型MSTP技術常常適用于多業務、多技術組合需求的應用場景，其通過對多種不同類型業務的自適配性來實現業務的接入和處理。相對于傳統的MSTP設備而言，從硬件上對傳統MSTP設備的交叉板進行改造，在維持TDM特性不變的同時，集成了PTN設備交叉板的核心芯片，通過一塊板實現MSTP和PTN的融合[4]。2.1.4IP技術IP技術是一種基于IP協議的包交換技術，適用于數據業務。純IP技術搭建的網絡采用路由器、以太網交換機等設備以及光纖組成，實現簡單、應用廣泛。按照計算機網絡標準又分為千兆以太網和萬兆以太網。（1）千兆以太網千兆以太網（802.3z）計算機網絡標準被廣泛應用，伴隨著語音、視頻等業務的IP化以及數據業務傳輸需求的不斷增加，千兆以太網技術的使用范圍越來越廣，逐漸從計算機局域網拓展到電信接入網、城域網等領域。千兆位以太網技術基于簡單的以太網技術，可為主干網絡提供1Gbps的帶寬。基于諸如802.1p（流量優先權控制）、802.1q（VLAN標準）、802.1s（多生成樹協議）、802.1w（快速生成樹協議）等千兆以太網技術的廣泛應用，其組網具備了必要的QoS保證和保障快速恢復機制能力。目前隨著千兆以太網技術的逐步發展，千兆以太網技術已經成為一種高可靠性、管理靈活的技術。（2）萬兆以太網2002年7月IEEE通過了802.3ae標準：以太網傳送速率達到10Gbit/s的網絡稱為萬兆以太網。萬兆以太網技術同千兆以太網技術相類似，依舊保有以太網幀結構，通過不同的編碼方式或波分復用提供10Gbit/s傳輸速度。在使用的方便性、用戶的普及率、網絡的互操作性及管理的簡易性上皆占有極大的引進優勢與市場發揮空間。根據上述技術分析，結合軌道交通的實際運用需求，各種主要技術的的性能比較如下表1所示：通過比較分析，上述幾種傳輸組網技術制式均滿足本文業務對系統的可靠性及穩定性的要求，基于當前很長一段時間本系統各種業務類型均為IP數據業務，所以單從本系統所承載的業務類型角度來看，在業務的適應性、系統的功能性以及靈活性等方面，IP技術擁有成熟的統計復用技術、包轉發技術優勢，實現簡單，十分適用于數據業務的傳送。故本系統推薦采用IP技術組網方案，通過組建以太網來實現本系統業務的承載。

2.2系統架構。寬帶業務網采用三層網絡架構，分為核心層、匯聚層、接入層[5]。（1）核心層：連接匯聚層，負責為匯聚層提供數據的高速轉發，同時實現與外網的互聯，提供高速數據的出口。（2）匯聚層：負責匯集分散的區域接入點，完成區域業務的匯接，進行帶寬和業務匯聚、收斂和分發。（3）接入層：實現各類用戶的接入。寬帶業務網傳輸網絡架構如圖所1示。

2.3系統組網方案。根據系統中各業務的帶寬需求，以及未來系統業務的發展與規劃，推薦采用千兆以太環網技術。寬帶業務系統主要由控制中心網絡交換設備和車站網絡交換設備組成。對于車站較多線路，建議可以按地理位置分為2~5個環網子網，同一個環網子網內的交換機通過光纖接入線路的控制中心匯聚交換機。寬帶業務網組網方案示意圖見圖2所示。以上海軌道交通15號線為例，上海軌道交通15號線控制中心設于上海南站站，上海南站站民用通信控制中心與正線車站隔站相連組成3個寬帶業務環網，其中顧村公園站至梅嶺北路站與控制中心11個節點組成環1，大渡河站至百色路站與控制中心10個節點組成環2，羅秀路站至紫竹高新區站與控制中心11個節點組成環3。上海軌道交通15號線寬帶業務網系統組網方式如圖3所示。上海軌道交通15號線工程在上海南站站民用控制中心通信機房設置2套千兆三層以太網匯聚交換機，同時與東寶興路民用控制中心核心交換機相連。2套交換機之間能夠相互通訊并同時與環網內的所有節點進行通信。線路控制中心的2套千兆匯聚交換機組成熱備冗余結構，其中任何一套千兆匯聚交換機的故障都不影響另外一套千兆匯聚交換機與所有環網節點的正常通信。同時，這2套千兆匯聚交換機能夠實現網絡的路由冗余及負載均衡。在各車站(含上海南站站)民用通信機房內分別設置1套千兆三層以太網接入交換機，車站內寬帶業務接入相應站點接入交換機。各車站內寬帶業務通過星型單鏈路接入本站的接入交換機。接入交換機采用三層路由方式接入以太環網，可以隔離單車站的網絡故障，當某個車站的接入交換機發生故障時，應不影響到整個系統。

2.4主要技術指標。（1）支持標準的STP/RSTP協議和環網冗余協議，環網自愈保護時間應小于50ms；（2）接入交換機應配置不少于24個10/100/1000MRJ45端口，配置4個千兆SFP端口，4個千兆單模光纖模塊。接入交換機背板交換容量應不小6.5Gbps；包轉發能力≥6.5Mpps；（3）具有高效的多層交換性能，支持IEEE802.3ae、IEEE802.3u、IEEE802.3z、IEEE802.3ab等以太網絡標準。（4）交換機應支持三層路由功能，支持靜態路由、RIPV1/V2，OSPF、BGP等路由協議，控制中心匯聚交換機需支持冗余路由協議（如VRRP或類似功能的路由熱備份協議）。（5）接入交換機應支持端口限速，不大于512K的流量控制。（6）支持SNMP網絡管理協議，支持百兆、千兆的組播功能，在線速轉發的基礎上能夠提供強大的QoS保障，并支持豐富的ACL、策略路由、安全等特性。（7）交換機應支持冗余電源。

3結語

本文以上海軌道交通發展趨勢為背景，以服務于乘客良好的出行體驗為出發點，探討了上海軌道交通車站附屬設施通信接入系統寬帶業務網的業務需求，對網絡架構進行技術方案比選，進而對寬帶業務網的系統架構與組網技術方案進一步分析，并以上海市新建線路上海軌道交通15號線為例，介紹了上海軌道交通15號線寬帶業務網系統構架方案。相對于傳統的單線單環網，采用多環網組網方式更適合于長線路、長施工周期的地鐵線路，未來寬帶業務網會朝著組網更加靈活、維護更加方便、網絡服務質量更高、接入能力更強的趨勢發展。

參考文獻：

[1]10號線二期、18號線一期南段12月26日起開通試運營.上海地鐵官網,2020.10.24.

[2]劉仲存.PTN傳輸網絡及5G建設策略探討[J].科技傳播,2020.12(15):123-124.

[3]李亭.城域網建設中的常見技術[J].通信電源技術,2020.37(10):273-275.

[4]李佳祎.城市軌道交通云平臺系統網絡架構方案研究[J].鐵道工程學報,2020(4):92-97.

[5]龔齊.上海軌道交通資源經營傳輸網絡工程設計介紹[J].智慧城市與軌道交通,2018(2):165-169.

作者:高悅飛 單位:中鐵上海設計院集團有限公司