城市轨道交通通信传输制式对比分析
李舜康
摘要：一直以来，在地铁的中枢系统中，地铁通信传输系统是最为重要的组成部分。近年来，越来越多的学者开始致力于研究地铁通信传输系统，文章主要研究OTN、PTN和MSTP等在内的通信传输系统，通过对比不同通信传输系统的优点与缺点，最终选择出合适的地铁通信传输系统，并对地铁传输系统的选择提出了一系列的建议。关键词：地铁通信传输系统；开放式传输网络；多业务传输平台；分组传送网
传输系统是城市轨道交通通信系统中的骨干子系统，是通信系统传送语音、数据、图像等各种信息的主要工具。目前，文章通过研究国内常用的地铁通信系统，再结合通信行业当前重点传输技术，分析不同技术之间的优缺点，最终寻求适合城市轨道交通通信系统建设需求的传输技术。
1 目前主流传输技术
1.1 OTN
OTN（开放式传输网络Open Transport Network）是一种基于光纤技术的综合多业务传输系统，该系统借助于双环路的方式为人们提供多种不同类型的服务，与其他的传输系统相比，OTN具有较高的网络可靠性，由此，它能满足轨道交通中各类任务的传输需求，最为常见的传输需求包括LAN、语音和数据等在内的需求。
OTN原为德国西门子公司针对专网开发的产品，目前有两个版本：OTN 150/600/2500系列和OTN-X3M-622（STM4）/2500（STM-16）/10G（STM-64）系列，满足不同环境的业务应用需求，OTN版本之间可平滑升级，目前应用的主要为OTNX3M系列。截至目前，OTN网络体系结构主要由四部分组成，分别是：（1）OTN节点机；（2）网络管理系统；（3）系统接入的接口模块；（4）光纤主干网，光纤主干网在地铁或轻轨正线区段沿左右线各敷设一条光缆，OTN节点机主要借助双方向点对点的方式来连接出两个不同的环，其一为主环，其二为副环，以上这两个环的传输方向是相反的，它们是通过光纤连接方式来互相连接的。一般而言，在普通的情况下，主环可传输连接设备之间的全部数据，此时，副环一直处于备用的状态，并监视着主环的传输过程，只有在特殊的情况下，副环才会在断点处与主环发生闭合，从而负责传输全部的数据。
近年来，OTN节点机主要由两大结构组成，分别是：（1）公用模块；（2）标准接口模块插槽，事实上，OTN的所有插槽和接口卡的尺寸都是统一的，任何接口卡都可插入任意槽里。所有的用户设备都可通过接口卡来连接OTN系统，其中，接口卡主要负责转换数字信号与信息。
OTN提供广泛的、标准的接口模块。用于各种不同的应用场合，从而省去了各种各样的转换、编解码或PCM传输设备。
随着目前用户需求的改变，OTN也发展出支持IP交换设备的设备，保留了架构简单，易于网管的特性，但更适应IP数据的传输。
1.2 MSTP
所谓MSTP，其实是多业务传送平台的英文缩写，它指的是基于SDH的多业务传送平台。近年来，由于传统的SDH技术只能支持电路交换和接入，该项技术往往只能传送TDM的业务，而无法传送带宽频繁变化的分组业务，基于此，为了解决这一问题，越来越多的专家开始致力于对8DH技术的研究，目前，有的学者提出可通过增加对数据业务的支持来完善SDH技术，尤其是对以太网业务的支持已经成为当前人们急需解决的一大难题。在以上这种背景下，基于SDH的多业务传送平台就被人们提了出来，该平台也被人们称为MSTP，与其他的传输平台不同，MSTP进一步改进了传统的SDH设备，它可以成功地接入多种不同的协议，同时也能够为人们提供不同颗粒的业务。
MSTP其最大特点体现在对以太网业务的处理上。MSTP的发展，可以分为以下四个阶段：
（1）第一代MSTP：第一代MSTP增加以下功能：点到点以太网通路；支持PPP映射；ATM VP环。
第一代MSTP提供了许多IP数据接口，保证了许多基于IP的数据业务可以在一个骨干传输网络平台上传输。但其缺点也非常明显：带宽消耗非常严重；映射成本昂贵、性能低；数据业务配置过程复杂。
（2）第二代MSTP（基于二层交换）：为了解决支持IP数据业务的问题，在技术上做了改进，加进了IP技术的部件和技术标准，可以支持以下标准：802.3MAC交换。支持X86/GFP、虚级联、LCAS
MSTP（第二代）有如下技术缺点：支持数据业务成本昂贵；数据带宽消耗仍比较严重；支持802.3情况下，不能支持端到端的QoS保证；没有解决数据传输拥塞问题。
（3）第三代MSTP（含RPR功能的MSTP）：在此阶段，RPR处理功能已融入MSTP，可以实现以太网带宽的统计复用、公平的带宽分配、更加严格的QOS以及更加安全的用户隔离功能。因此，MSTP可借助于RPR功能来妥善地解决好数据业务传输与话音两者之间的冲突，也就是说，该传送平台可借助于原先的SDH技术来传输TDM业务，此外，MSTP可借助于RPR技术来更为高效地传输不同的数据业务。
目前，在MSTP上实现RPR功能，主要采用内嵌式RPR，换句话来说，不同的厂家可借助于现有的设备来开发出适合自身发展的RPR板卡，从而实现自己设备对RPR环的兼容。
目前该种技术的产品虽然已有多个厂家生产，但在实际规模应用案例比较少，技术指标在实际应用的实现程度有待考证。
（4）第四代MSTP：第4代MSTP的特别之处在于它引进了ASON这一功能，此外，MEF UNI也开设出能够自由传送ASTN的控制台，从而轻松地发现网络的拓扑结构，实现全网带宽动态的分配。
MSTP设备处在不断的发展过程中，随着各种新的传输技术的出现，都有可能结合到MSTP中，而使MSTP的功能更为完善。
MSTP主要用户为电信网络客户，无专门针对专网特点研发的产品。随着电信网络更新需求，目前MSTP基本停止发展，厂家更倾向于发展PTN设备。
1.3 PTN
PTN（分组传送网，Packet Transport Network）是指可以在WAN/MAN范围内支持以分组业务为主的客户层网络的传送服务层网络，支持传输资源的统计复用及操作、管理和维护；具有电信级以太网业务的传输方式，是以太网扩展技术与传送技术的复杂结合体。值得注意的是，PTN还在底层光传输介质与IP业务这两者之间开设了一个单独的层面，该层面的设计除了考虑到分组业务流量的突发性外，还兼顾到统计复用传送的实际需求，将分组业务作为传送的核心，同时继承了光传输的原有优势，因此，PTN具有高安全性、高可用性和可扩展等多种特点。从标准层面的角度来看，随着科学技术的不断发展，PTN技术已经朝着标准化的方向发展，借助于国内的CCSA和国际的ITU-T等的帮助，当前PTN的标准已经趋向于充实，并逐渐地朝着规模应用的方向发展。
综上所述，从实现的方案来说，在当前的网络技术背景下，笔者可将PTN分为2类，其一为以太网增强技术，其二为传输技术结合的MPLS，其中，PBB-TE为以太网增强技术的典型代表，而T-MPLS为MPLS的典型代表。与此同时，电信级以太网作为分组传送的另一个演进方向也在逐渐地完善。与其他类型相比，电信级以太网是一种成本较低的改良方法，然而，与PTN相比，CE需要在全网端到端的安全可靠性等方面进行进一步的完善与改进。
事实上，可将PTN视为OAM增强版与2层数据技术这两者的结合体，从实现的技术层面来说，目前，市场上两大主流技术分别为PBT与T-MPLS，而这2项技术都只是SDH的替代品，值得注意的是，以上这2项技术并非是IP/MPLS的竞争者。PBT和T MPLS技术的网络原理大致相似，两者都是基于双向点对点的连接，它们能够实现中心的管理，在50ms内可实现保护的倒换。
分组化是光传送网发展的必然方向，目前，我国的通信业正处于网络技术的关键转型期，近年来，通信行业正在积极地研究相关的技术，并致力于跟进相关产业的发展趋势，作为分组传送网的典型技术，PBT和T-MPLS正面临着产品成熟度、标准和应用模式等多种不同的问题。
2 轨道交通传输系统技术分析对比
2.1 轨道交通传输系统需求分析
目前，轨道交通传输系统是一种专网传输系统，对于传输系统有自身的要求及应用特点。轨道交通通信系统是多个专业组成的复杂系统，传输系统作为其中的基础平台，它需要满足不同专业的基本要求，这也是轨道交通传输与其他系统之间的本质区别。
（1）业务种类非常繁多，传输系统需要满足多专业接入。如：公务电话、专用电话、无线、时钟、广播、视频监控、AFC、SCADA等。早期的地铁由于技术限制，各种专业需求的接口类型各不相同，需要传输系统能够提供E1、以太网、RS422、广播音频接口、视频接口等。随着技术的发展，目前很多专业都将自己的接口定义成标准的以太网接口。传输系统接口简化，主要提供E1及以太网接口。
（2）业务独立要求高。由于各个专业都是地铁安全运营不可或缺的组成部分，各个专业的业务都需要保证带宽，同等优先级。各个专业之间带宽需相互独立。
（3）以太网业务实时性要求高。传输系统中承载的很多业务如CCTV、PIS等视频业务对于实时性要求高。
（4）组网条件限制。由于地铁线路都是链状运行。车站之间是通过隧道光缆连接。站间路由单一固定，因此不能像电信网组网状网络，为了能够做到保护，地铁线路的组网形式为环状网络。
（5）业务方向集中。地铁站间的通信量很小，大部分业务为车站至中心或者车辆段的业务。配置时需考虑环路带宽。
（6）系统业务稳定性高。地铁线路开通后业务基本固定。系统扩容及业务更改很少。
综上所述，轨道交通传输系统有自身的特点，这部分与电信网和其它专网有很大的不同，在设备选型需要综合考虑。
2.2 主流传输技术对比
2.2.1 OTN
OTN虽然是独家生产的系统，但是其特点非常适合城市轨道交通应用需求，产品具有优良的可靠性、稳定性、方便调试和可维护性等特点，在各个线路中有很多的应用。基于此，OTN比较适用于地铁这种封闭的专用网络，该系统被广泛地应用于国内外不同的地铁工程，在占用开销比特数较少的情况下，我们可选择一次复用的机制来综合多种网络传输的协议，实现高速信息一体化的输入。近年来，OTN的产品也在一直随着业务需求的发展而不断更新，并且其技术一直保持着自己的优势和特点，十分适合目前和未来的轨道交通传输需求。
OTN系统具有如下优点：可承载语音、IP数据、窄带低速、视频等多种业务的通信传输；可通过软件控制，灵活地分配所需带宽；可综合不同的网络协议，具有多种标准接口，接入灵活方便，实现传输和接入的一体化；采用时分复用技术，使环上的各业务共享传输介质，互不干扰；采用双环设计网络，具有自愈保护功能；设备集成度高、可实现集中维护管理、组网灵活、网络易于扩充；已投入运行的OTN系统较多，工程的可靠性也被极大地认可。
然而，OTN系统还存在诸多不足的地方，OTN设备的售后服务还比购完善，兼容性不高。由于OTN设备节点机业务接口的数量有限，我们可配置多个不同的OTN节点机，此外，与其他的设备相比，OTN设备的成本比较高。
OTN设备是独家研制生产的进口设备，内部技术标准具有特殊性，私密性；目前OTN可与其它制式网络在线路或业务层接口互连，但无法为其它制式网络提供光支路；OTN设备节点机业务接口的数量有限，我们需要配置多个不同的OTN节点机。
2.2.2 MSTP
MSTP（内嵌RPR）逐步在城市轨道交通中广泛应用，根据开通线路的情况，系统的适用性和稳定性良好，对于以太网业务不断扩大的需求可以很好地满足，该技术在运营商网络中已经广泛应用，支持厂家很多，在目前和未来一段时间内，是轨道交通传输系统可以选择的技术。MSTP很好地解决了SDH设备在地铁应用中的弊端，该系统已经被广泛地应用于轨道交通业务的承载。
MSTP具有如下几方面的优点，依次为：选择当前成熟的SDH保护技术；提供ATM业务接口，实现数据业务对传输网络的要求；标准化程度高，厂家选择多，SDH层互通性好。
但MSTP也存在不足：MSTP由于对于以太网业务的承载具有一定局限性，更适应透传业务和汇聚业务，对于以太网共线业务则表现出一定的不稳定性，目前，这种技术也逐步被MSTP（内嵌RPR）和PTN等其他技术替代。
引入以太网处理模块，该模块极大地增加了系统的开销；延续了SDH的缺点，系统带宽利用率不高。
2.2.3 PTN
PTN技术已经逐步标准化，其对于数据业务的承载优势和兼顾SDH优势的特点，适合轨道交通的业务特点。该技术受到电信运营商的支持，在过去几年内大规模部署，对于PTN的发展起到很多推动作用，国内PTN技术的发展已经走在了全球前列，笔者经过对PTN的详细研究，发现其具有如下几方面的优点，依次为：高效的组网调度能力；灵活的多业务传送能力；系统的电信级安全性；具端到端的业务开通能力。
但由于PTN更多的特点及特性针对运营商网络，地铁的组网结构在一定程度上限制了PTN技术特点的发挥，PTN进入地铁运营还需要通过一定的线路的试用，目前不具备规模应用的案例。
当前大多数情况下选择PWE3实现对TDM业务的支持；
技术含量比较高，层面较为复杂；
研制出成熟产品的企业比较少，实际商用的不多。
综上所述，根据地铁传输系统承载业务的特点，地铁线路层传输系统可以考虑的技术为OTN、MSTP（内嵌RPR）；线网层传输系统可以选择OTN、MSTP（内嵌RPR）或者PTN。
