轨道交通车站设施通信接入系统探析

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摘要：地铁出行是城市轨道交通的重要载体，服务于数以万计的出行乘客。出行体验越发越成为乘客地铁出行的关注点。上海轨道交通车站附属设施通信接入系统宽带业务网具有组网灵活，方便运管的优势，逐渐成为保障地铁各类便民服务信息传输的重要承载网络之一。

关键词：宽带业务网；传输；千兆以太网

0引言

上海轨道交通内部传输网络主要包括专用通信传输网络和民用通信传输网络。专用通信网络能满足轨道交通运营管理部门传送语音、数据和图像等信息的需求的专用网络。专用通信网络在结构上分为上层网和线网两部分。上层网包括COCC、备用COCC、OCC等节点，线网则包含各线OCC、车站、车辆段及停车场等节点。各线通过上层网实现线路间的互联互通。民用传输网络是为满足上海移动、上海联通、上海电信三大运营商移动业务引入地下而建设的通信网络。民用通信网络在结构上主要以各条线路分别组网并接入运营商网络节点。截至2020年12月，上海地铁运营线路共18条（含磁浮线），共设车站430座（含磁浮线2座），运营里程共729千米（含磁浮线29千米）。[1]为改善车辆通行效率，提高交通流畅度，优化市民出行体验，使城市交通管理更为精细化和智能化，迫切需要建设一套适合资源经营的专用传输网络来更好的服务于乘客出行体验。然而专用通信传输网络主要是为满足运营需求而设置，其网络上承载了通信、信号、FAS、AFC、电力监控等多种与行车运营相关专业的信息，在网络信息安全方面有较高要求，因此和以承载广告、乘客公众信息、多媒体等需求的资源经营传输网络合建给网络安全带来隐患。同时采用依托民用传输网络建设的资源经营传输网络逐步暴露出各种不足，首先表现为民用传输网络是为满足运营商的移动用户在地下环境通话、上网等需求而建设的，故其节点设备仅设置在地下车站；其次设备管理权属于三大运营商，导致系统出现故障时无法及时维护，新业务需求也无法及时得到配置等问题。因此建立独立资源经营传输网络，实现专网专用的方案是大势所趋。车站附属设施通信系统应运而生。上海轨道交通车站附属设施通信接入系统包括宽带业务网、民用通信机房电源及接地系统、便民服务业务，本文主要对宽带业务网系统功能、方案设计及组成等进行系统分析。

1系统功能分析

目前上海轨道交通宽带业务传输网络承载业务种类包括银行ATM业务和银行监控业务、商铺宽带业务、电源监控业务、大客户上网业务、百店万家业务、夜间金库业务以及新型多媒体业务等。宽带业务网实现的系统功能需求如下：（1）网络核心部分和部分线路中心能够满足未来若干年内年内的容量与性能需求。（2）提高外部单位对网络服务质量的需求。（3）满足各商铺、银行以及各大楼物业对于网络服务质量的需求。（4）能够预留今后接入新增用户的条件。（5）满足对各地铁车站内银行系统接入的需求，并具有扩展视频监控接入的能力，系统能够提供有效带宽保障与可靠性。（6）满足今后其他系统接入的需求，能够为各车站以及车地无线系统提供可靠的网络承载平台。（7）满足未来若干年内的网络扩展性需求，层次化的结构便于网络扩展。（8）满足开展多种增值业务的需求，从功能与性能上完全支持各种音视频以及各种流媒体增值业务。（9）满足对网内商业用户使用Internet的控制与计费，以达到网络使用的实际收益，并且能够在未来增加对无线网络用户的计费功能。（10）符合网络结构合理化、规范化，并采用了有效的管理工具与手段，满足资产公司对网络的管理需求。

2宽带业务网系统分析

2.1系统方案比较。当前在地铁通信领域中传输组网采用的技术包含OTN、PTN、增强型MSTP、IP等几种制式和技术的设备。2.1.1OTN（光传送网）OTN以波分复用技术为基础，在光层组织网络的传送网。将光域处理优势与电域处理优势进行结合，是传送宽带大颗粒业务的最优技术，具有传送容量大、端到端波长/子波长全透明连接、电信等级的保护特点。OTN技术其冗余保护不仅可以通过光复用段、OCH或ODUk等实现对所有波长、单一波长或子波长业务的保护，还可通过双纤自愈环保护实现业务层的双重自愈保护。2.1.2分组传送网（PTN）PTN技术以分组业务为核心内容，支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道，不仅秉承了光传输系统的传统技术优势，满足多种业务传送需求，提供了更加适合于IP业务特性的“柔性”传输管道，同时适配各种粗细颗粒业务，采用PWE3端到端伪线仿真方式，实现对TDM业务的支持。2.1.3增强型MSTPMSTP技术以同步数字体系为基础，针对SDH设备进行改造[3]，增加了EthernetoverSDH、内嵌RPR等核心处理功能，实现对数据、语音、视频传输的应用要求。增强型MSTP技术是作为MSTP产品进一步发展的技术，具有传统业务承载的属性（PDH、SDH、POS、以太网、ATM、RPR），同时集成了分组核心技术MPLS-TP、光纤波长复用等技术。增强型MSTP技术常常适用于多业务、多技术组合需求的应用场景，其通过对多种不同类型业务的自适配性来实现业务的接入和处理。相对于传统的MSTP设备而言，从硬件上对传统MSTP设备的交叉板进行改造，在维持TDM特性不变的同时，集成了PTN设备交叉板的核心芯片，通过一块板实现MSTP和PTN的融合[4]。2.1.4IP技术IP技术是一种基于IP协议的包交换技术，适用于数据业务。纯IP技术搭建的网络采用路由器、以太网交换机等设备以及光纤组成，实现简单、应用广泛。按照计算机网络标准又分为千兆以太网和万兆以太网。（1）千兆以太网千兆以太网（802.3z）计算机网络标准被广泛应用，伴随着语音、视频等业务的IP化以及数据业务传输需求的不断增加，千兆以太网技术的使用范围越来越广，逐渐从计算机局域网拓展到电信接入网、城域网等领域。千兆位以太网技术基于简单的以太网技术，可为主干网络提供1Gbps的带宽。基于诸如802.1p（流量优先权控制）、802.1q（VLAN标准）、802.1s（多生成树协议）、802.1w（快速生成树协议）等千兆以太网技术的广泛应用，其组网具备了必要的QoS保证和保障快速恢复机制能力。目前随着千兆以太网技术的逐步发展，千兆以太网技术已经成为一种高可靠性、管理灵活的技术。（2）万兆以太网2002年7月IEEE通过了802.3ae标准：以太网传送速率达到10Gbit/s的网络称为万兆以太网。万兆以太网技术同千兆以太网技术相类似，依旧保有以太网帧结构，通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度。在使用的方便性、用户的普及率、网络的互操作性及管理的简易性上皆占有极大的引进优势与市场发挥空间。根据上述技术分析，结合轨道交通的实际运用需求，各种主要技术的的性能比较如下表1所示：通过比较分析，上述几种传输组网技术制式均满足本文业务对系统的可靠性及稳定性的要求，基于当前很长一段时间本系统各种业务类型均为IP数据业务，所以单从本系统所承载的业务类型角度来看，在业务的适应性、系统的功能性以及灵活性等方面，IP技术拥有成熟的统计复用技术、包转发技术优势，实现简单，十分适用于数据业务的传送。故本系统推荐采用IP技术组网方案，通过组建以太网来实现本系统业务的承载。

2.2系统架构。宽带业务网采用三层网络架构，分为核心层、汇聚层、接入层[5]。（1）核心层：连接汇聚层，负责为汇聚层提供数据的高速转发，同时实现与外网的互联，提供高速数据的出口。（2）汇聚层：负责汇集分散的区域接入点，完成区域业务的汇接，进行带宽和业务汇聚、收敛和分发。（3）接入层：实现各类用户的接入。宽带业务网传输网络架构如图所1示。

2.3系统组网方案。根据系统中各业务的带宽需求，以及未来系统业务的发展与规划，推荐采用千兆以太环网技术。宽带业务系统主要由控制中心网络交换设备和车站网络交换设备组成。对于车站较多线路，建议可以按地理位置分为2~5个环网子网，同一个环网子网内的交换机通过光纤接入线路的控制中心汇聚交换机。宽带业务网组网方案示意图见图2所示。以上海轨道交通15号线为例，上海轨道交通15号线控制中心设于上海南站站，上海南站站民用通信控制中心与正线车站隔站相连组成3个宽带业务环网，其中顾村公园站至梅岭北路站与控制中心11个节点组成环1，大渡河站至百色路站与控制中心10个节点组成环2，罗秀路站至紫竹高新区站与控制中心11个节点组成环3。上海轨道交通15号线宽带业务网系统组网方式如图3所示。上海轨道交通15号线工程在上海南站站民用控制中心通信机房设置2套千兆三层以太网汇聚交换机，同时与东宝兴路民用控制中心核心交换机相连。2套交换机之间能够相互通讯并同时与环网内的所有节点进行通信。线路控制中心的2套千兆汇聚交换机组成热备冗余结构，其中任何一套千兆汇聚交换机的故障都不影响另外一套千兆汇聚交换机与所有环网节点的正常通信。同时，这2套千兆汇聚交换机能够实现网络的路由冗余及负载均衡。在各车站(含上海南站站)民用通信机房内分别设置1套千兆三层以太网接入交换机，车站内宽带业务接入相应站点接入交换机。各车站内宽带业务通过星型单链路接入本站的接入交换机。接入交换机采用三层路由方式接入以太环网，可以隔离单车站的网络故障，当某个车站的接入交换机发生故障时，应不影响到整个系统。

2.4主要技术指标。（1）支持标准的STP/RSTP协议和环网冗余协议，环网自愈保护时间应小于50ms；（2）接入交换机应配置不少于24个10/100/1000MRJ45端口，配置4个千兆SFP端口，4个千兆单模光纤模块。接入交换机背板交换容量应不小6.5Gbps；包转发能力≥6.5Mpps；（3）具有高效的多层交换性能，支持IEEE802.3ae、IEEE802.3u、IEEE802.3z、IEEE802.3ab等以太网络标准。（4）交换机应支持三层路由功能，支持静态路由、RIPV1/V2，OSPF、BGP等路由协议，控制中心汇聚交换机需支持冗余路由协议（如VRRP或类似功能的路由热备份协议）。（5）接入交换机应支持端口限速，不大于512K的流量控制。（6）支持SNMP网络管理协议，支持百兆、千兆的组播功能，在线速转发的基础上能够提供强大的QoS保障，并支持丰富的ACL、策略路由、安全等特性。（7）交换机应支持冗余电源。

3结语

本文以上海轨道交通发展趋势为背景，以服务于乘客良好的出行体验为出发点，探讨了上海轨道交通车站附属设施通信接入系统宽带业务网的业务需求，对网络架构进行技术方案比选，进而对宽带业务网的系统架构与组网技术方案进一步分析，并以上海市新建线路上海轨道交通15号线为例，介绍了上海轨道交通15号线宽带业务网系统构架方案。相对于传统的单线单环网，采用多环网组网方式更适合于长线路、长施工周期的地铁线路，未来宽带业务网会朝着组网更加灵活、维护更加方便、网络服务质量更高、接入能力更强的趋势发展。

参考文献：

[1]10号线二期、18号线一期南段12月26日起开通试运营.上海地铁官网,2020.10.24.

[2]刘仲存.PTN传输网络及5G建设策略探讨[J].科技传播,2020.12(15):123-124.

[3]李亭.城域网建设中的常见技术[J].通信电源技术,2020.37(10):273-275.

[4]李佳祎.城市轨道交通云平台系统网络架构方案研究[J].铁道工程学报,2020(4):92-97.

[5]龚齐.上海轨道交通资源经营传输网络工程设计介绍[J].智慧城市与轨道交通,2018(2):165-169.

作者:高悦飞 单位:中铁上海设计院集团有限公司