城市轨道交通通信系统中传输系统的分析与比较
摘 要：本文根据目前地铁通信网建设的需要，针对现有用于地铁通信系统的四种传输技术进行了分析和比较，从而得出一些能指导地铁通信网选型的理论依据。一． 城市轨道交通通信系统对传输系统的要求
1． 城市轨道交通通信系统的定位
城市轨道交通中的通信系统，主要是为城市轨道交通的行车指挥，日常工作的交流而服务的一个系统，属于专用通信的范畴。城市轨道交通的通信系统的服务对象是：与轨道交通相关的工作人员以及列车行车指挥。其服务的内容主要有：传输话音信息，与行车指挥相关的各种命令，保障没线车站运转的监视信号。从这个角度上看，城市轨道交通的通信系统也是一个集话音通信，数据通信以及视频通信于一体的一个通信系统。
话音通信是城市轨道交通通信系统中主要业务，就上海地铁一号线PDH传输系统的情况来看，其传送的内容百分之九十以上的业务都是话音信息。从这个意义上讲，上海地铁一号线的传输系统的功能主要是完成话音信号的传送任务，对数据和视频业务的支持能力不足，这也是PDH传输系统的一个重要特征。数据通信业务量对话音通信来说是一个比较小的业务，主要的业务有广播系统，监视系统，FAS，SCADA等系统的控制信息传输。其传送方式主要是采用基带传送方式，即不经过调制解调器，直接将数字信号送入PDH传输系统的一个通道（信道），通过PDH的信道，将基带信号传送到接收方。由于PDH本身是数字传输系统，其通道内传送的是数字信号，所以可以具有这种传输能力。
视频通信是城市轨道交通中的一个重要业务。但是视频通信不同于其他信源情况，其特点是传输带宽要求非常高。目前常用的视频传输方式主要有两种：即模拟视频传输和数字视频传输。如果采用数字视频传输，由于数字视频信号数据量大（在一定分辨率，动态连续图像的条件下），其占用的信道带宽也是十分巨大的。城市轨道交通中的视频信号的传送，必将会从模拟走向数字化。这样就对传输系统提出了更高的要求，要求传输系统能支持数字视频的传输，要求具有更高的带宽和更高的服务质量。
从目前上海地铁一号线的通信系统来看，其传输系统实际是由三部分组成：一部分是主要用于话音信号以及控制信号的传输的PDH传输系统，该系统对数字视频传输的能力较差。二是用于模拟视频传输的光纤传输系统。三是模拟话音传输的铜线传输系统，主要负责广播话音的传输。
2． 城市轨道交通通信系统中的主要业务
专用的城市轨道交通通信系统所传输的内容主要有：话音，数据和视频。从业务的类别来分，主要有：公用电话业务，专用电话业务，专用电话业务（调度电话），有线广播业务，视频监视业务，FAS，DACS，检售票业务等等。
3． 城市轨道交通通信系统对传输系统的要求
地铁一号线的传输系统目前实际使用的峰值容量（在不考虑视频信号的数字传输的前提下）约为45Mbps左右。也就是说PDH的三次群完全可以满足地铁一号线的通信业务量要求。假设视频信号需要数字传输，再假设控制中心同时需要16幅视频信号，按分辨率600*800计算，灰度等级为256级，第秒钟传输30幅图像的质量要求。则每路视频信号在无压缩的条件下，要求带宽是600*800*8*30bps=115，200，000bps。根据目前的技术水平，按MP3的技术规范，对视频信号进行压缩，压缩比一般可以超过20：1，因此，每路视频信的实际要求的带宽一般在2~4Mbps。如果按照每路4Mbps计算，则16路共需要64Mbps。再加上原有的45Mbps的话音和控制信号的数据业务，不过1000Mbps左右。
随着城市轨道交通业务的发展，可能会提供基于Internet的应用，再假设各车让之间采用45M的带宽进行连接（其实在目前还没有必要，一方面是没有如此高速的应用，如果实现的话，则可以将城市轨道交通中的有关视频业务都可以纳入到这一应用中：其次是每个地铁车站不可能象上海市公共基础设施那样，成为为一个区域居民服务的互联网业务接入点，主要的服务对象仍是地铁内部的员工）。照这样计算，155Mbps的带宽是可以满足未来城市轨道交通作为专用通信网应用的要求的。
二． 上海地铁一号线PDH改造中的主要考虑的问题及评估原则
目前，上海地铁一号线的PDH传输系统由于是从德国引进的设备，存在着零部件不足、运营和维护困难等诸多的问题，上海地铁运营公司提出改造一号线的PDH传输系统。我认为，在上海地铁一号线PDH传输系统改造的过程中，应当着重考虑以下原则：
1． 一号线PDH传输系统改造方案应当与以后的新线建设和北延传输系统延伸设计相一致，这样可以减少运维的困难，也便于整个地铁通信网组成一个统一网络；
2． 调度系统是上海地铁一号线改造过程中必须考虑的一个重要问题，因为调度系统是专用通信系统，它对地铁的运行起着相当程度的保障作用；
3． 与市话兼容，城市轨道交通系统内部的通信系统，国内其他系统相兼容；
4． 提供较大的传输容量，适合视频信号的数字传输要求；
5． 国产化要求，以提高运行和维护的方便性；
6． 充分考虑到保护一号线通信系统的原有投资；
7． 性能价格比好；
8． 要注意到所选技术的先进性；
9． 适用于不同的改造投资方案
综合所述：主要的评判标准是先进性，有针对性，经济合理，运维简便，保护原投资，适用于各种投资情况，上述原则也是新线建设中所要考虑的主要指标。
三． 现有各种传输技术及其理论比较
针对现有的适用于城市轨道交通的传输技术主要有以下四种：SDH传输技术、ATM传输技、OTN传输技术、接入网技术。
(一)、 SDH的技术性能及其特点
1、 SDH的产生
由于PDH(准同步传输系统)的一些固有的不足，人们开始考虑采用同步字传输系统。PDH的主要问题如下。 PDH只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，没有世界性标准，不同地区的标准如表所示：
同步光网络的概念最初由Bellcore研究所提出来 即SONET,CCITT于88年接受SONET的概念，且命名为SDH。SDH的主要特点是：同步复用，标准光接口，强大网管能力。
SDH使1.5Mb/s和2Mb/s两大数字体系在STM-1上获得统一； ADM分插复用器省去了全套背靠背用设备，使网络结构简化，上下业务十分容易 利用同步分插功能，还可以实现自愈环型网，提高网络可靠性和安全性；SDH帧结构安排了大量的开销比特（约为信号的5%）使网络的OAM能力大大强；标准光接口：使光接口成为开放型产品，满足多厂家产品的环境要求。 不需要经过电接口，直接经光接口通过中间节点，省去了大量电路单元和跳线光缆，使运行操作任务及备件种类数量减少，运营成本下降20-30%；SDH与现有网络兼容，能接纳各种新的电信业务信号，如FDDI的，城域网的分布式排列双总线(DQDB),ATM的信元等；具有强大的组网能力和网络自愈能力。
当然SDH也有其不足之处,首先SDH的频带利用率不如传统的PDH；同时技术上和功能的复杂性也大大增加了。
2、SDH的帧结构
SDH的帧结构如图1所示。从左上角第一个信号开始，从左到右，从上到下，按顺序传送，每秒8000帧，则 STM-1的速率为 ： 9*270*8*8000=19440b*8000=155.520Mb
（1）段开销(SOH)
为保证信息正常灵活传送所附加的字节用于：网络运行、管理和维护。 8*9*8*8000=4.608Mb/s，每秒72字节(576bit)
（2）信息净负荷(PAYLOAD)
（3）管理单元指针(AUPTR)，其数值指示净负荷区所处的位置
ATM是为宽带业务综合数字网而特制开发的技术。在以ATM为基础的网络上，信元的复用与交换处理方式和所传送的信息类型（数据、视频等）无关，而且它的统计复用的方式利用带宽。因此，带宽的利用率很高。ATM还是目前唯一有质量保证（QOS）的网络技术，这使它特别适合于处理多媒体信息。
ATM的发展的初衷是要使所有类型的业务都包括在一个网络平台上实现高速传输，要达到这个目的就要包容现今所有的多媒体网络技术。事实上，ATM技术是迄今为止最为复杂的网络技术，而且还不断地在推出新技术。由于各厂商对新技术跟踪速度不一，所以市场上的ATM产品在性能上各有差异。而且由于ATM技术过于完善，其协议体系的复杂造成了ATM系统研制、配置、管理、故障定位等的难度。所以ATM网络设备比较昂贵。
ATM物理层如图2所示。
(1)帧结构
STM-1帧由9行270字节组成，共有19440bit，传送周期为125us，速率为19440/125x10-6=155.520Mbit/s。传输次序是自左而右，自上而下，一个字节的最左边的比特是最高位（MSB）。每行的前9个字节用于传输开销，称为段开销SOH（Section Overhead），第10列是通道开销POH（Path Overhead）。除去SOH的9x261字节的传送能力称为虚容器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信元首先被装入C-4，然后和POH一起组装成VC-4，VC-4加上SOH最后组装成STM-1。由于C-4的容量（9x260=2340字节）不是信元长度（53字节）的整数倍。最后一个信元会跨过C-4的边界延伸至下一帧的C-4。 ATM的其他接口标准还有： 51.840Mb/s SONET接口 (STS-1有时称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）是一种为地铁等设计的专用通信网。它根据语言、数据以及视频等业务的相关标准设计了相应的接口卡。所以在OTN上可以允许在计算机和计算机之间、计算机和外围设备之间、电话和交换机之间、交换机和交换机之间，以及局域网和局域网之间进行互联。 OTN还有RS232C、RS422、RS485、RS232MM等接口卡，可以提供SCADA等系统所需的各种低速接口。 OTN由若干节点组成。这些节点构成网络的接入端口，由两条光线把这些结点连接起来形成双环网，可靠性高。网络最多有别于63（OTN-36）或250（OTN-150和OTN600）个结点。
帧结构和传输要求
OTN的帧结构如图3所示，从图中可以看出OTN的帧长、帧结构和速率都比较特别。每秒2000帧在OTN上传输，帧长对OTN三种形式（OTN-36、OTN-150和OTN600）都是一样的，为31.25us。OTN-36 的速率为 3r384r3200=3684000bps 即36.84Mbps；OTN-150 的速率为 12r384r3200=147.456Mbps；OTN-600 的速率为 48r384r3200=589.824Mbps。同时OTN没有一个相关的国际标准存在，因此在互操作性上无法得到保证，用户对产品的选择余地也小。
（四）接入网
目前，接入网接入参考点标准主要有：窄带业务有：Z参考点和V参考点（Q 512）；宽带业务有：VB参考点（Q 2512）。接入网可以通过以下五类接入连接进入接入：无源接入连接元、直接接入连接元、远程连接直接接入连接元、远端接入连接元、远程连接的远端接入连接元。接入网的网络管理是通过Q3接口实现，主要可以管理以下一些内容：用户端口功能管理（包括：用户端口控制、用户端口监视、与用户端口相关的状态事件）；核心功能的管理（包括：核心功能控制、核心功能监视）；业务端口控制（包括：业务端口控制、业务端口监视以及与业务端口有关的状态事件）；传送功能管理（包括：传送功能控制、传送功能监视以及与传送功能的状态事件。综上所述，将有关信息归纳成下表：
从上述的分析比较中可以看出，其实，这四种传输网都可以满足城市轨道交通通信系统对传输的要求。但是，其中还可以进行选择，因为在满足要求的条件下，我们还要考虑以下的因素：投资少；操作简单，系统可靠，维护方便；国产化。
ATM优点采用统计复用的方式利用带宽。带宽的利用率高，适用范围广，带宽可以上几比特/秒--几兆比特/秒。 但是，对地铁通信网来说这一优点不十分重要，而且。由于ATM要要把所有类型的业务都包容在一个平台上， 使得它的标准繁多，技术复杂，而且个厂家的产品性能各异，价格昂贵。
OTN性能很好，适合于专用网，但它没有一个相统一的国际标准，而且它的帧格式，速率和SDH,ATM都不一样，互操作性差，就目前而言，OTN的国产化程度低，对国外的依赖性大，不符合地铁通信网对国产化的要求。 接入网，我们的接入网是利用SDH作为主干传输网。SDH技术成熟，也是今后的发展方向，如果将来和其他传输网互连也很方便。
SDH的缺点是同步复用不如ATM灵活，频带利用也比ATM低，但对地铁通信网来说，这并不是主要的问题。从性能上来讲，国产的接入网在目前还比不上OTN，但也已可以完全满足地铁通信网的要求，而且，它成本低，可靠性高，维护方便，网管能力强，最主要的是它完全是国产的，可以不受外国因素的牵制。满足地铁对国产化的要求。
文章出处：中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会首届中青年专家论文集
原文作者：陈川（上海地铁营有限公司）
