【摘要】本文讨论了传输系统的演化及轨道交通的应用需求，针对当前我国轨道交通建设的实际情况，提出了不同城市轨道交通建设和规划的方案。
【关键词】传输系统；轨道交通；应用
0.引言
传统的通信业务以话音通信为核心，为实现数字通信，针对PCM(脉冲编码调制)，研究人员及设备制造商提出了PDH(准同步数字体系)的传送方式。数字交换设备需要进行同步以避免输入弹性存储(input elastic stores)的滑动，尽管这种滑动不会明显影响正常的话音通信，但却会对数据服务带来麻烦。对此，研究人员提出了SONET/SDH的同步传输网络标准。
无论是PDH还是SDH，均是面向连接的TDM的通信方式。随着通信的发展，通信系统所承载的业务不再是传统的话音业务，应用要求通信系统能支持语音、数据和视频于一体的通信。这种业务需求也反应在城市轨道交通的通信系统中，城市轨道交通的通信系统要求支持无线中继、图像监控、OA视频、AFC、OA等常用的子系统。
城市轨道交通的传输系统作为通信业务承载的基本平台，应当支持三网合一的多种业务，本文从传输系统的角度，研究并讨论满足城市轨道交通多业务应用要求的传输系统平台。
1.传输系统的演化
传输系统作为通信业务的承载平台，长期以来受到研究人员及设备制造商的重视。近年来，随着业务发展的要求，传输系统研究和设备制造，经历了从PDH、SDH，发展到现在的支持多业务的传送平台(MSTP)。为清晰地描述传输系统演化过程，本文从以下4个方面描述和讨论传输系统的发展和演化。
1.1 大容量基于光纤的传输系统演化
支持早期PDH的传输介质主要是同轴电缆，但同轴电缆的传输容量和能力有限。光纤由于其传输容量巨大、价格低，且采用光信号承载业务，这一技术作为低层介质已经得到了广泛的应用。
同步光纤网络(SONET)和同步数字层级(SDH)，是一组有关光纤信道上的同步数据传输的标准协议，常用于物理层构架和同步机制。 SONET 是由美国国家标准化组织(ANSI)颁布的美国标准版本，采用基本比特率为51.840 Mbps 的多倍速率。SDH 是由国际电信同盟(ITU)颁布的国际标准颁布，基本速率STM-1，数据传输率为 155.52Mbps。
早期的SDH采用STM-4，最高传输速率为622Mbps，随着应用的需要，研究人员从两个方面来提高SDH的传送能力：即在一根光纤上传送多路光信号，或进一步提高单根光纤的传送能力，即波分复用技术。
传统的光通信系统都是遵循“光－电－光”的工作原理，线路传输速率受电子电路处理信号速率的限制。通常，电子技术处理的(传输)速度以10Gbps为限，要提高到20Gbps就相当困难。为解决这一问题，研究人员提出了光波分复用的理论和方法，极大提高了光纤的传送能力。根据国际电联ITU-TG.692建议，DWDM(密集波分复用)技术是在波长1522.52nm窗口附近的1530/1569nm波长范围内，选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，受不同数字信号的调制，将不同波长的光信号复用在一根光纤上传输，可提高光纤的传输容量。
单通道的传输速率已经从早期的8 Mbps提高到目前的10 Gbit/s(STM-64)，未来将实现40 Gbps (STM-256)。由于光纤制造工艺的改进，基本消除了光纤制造过程中引入的水份，常规光纤在1385nm波长附近由OH根离子造成的损耗峰消失，使传输率耗从最初的2dB/km降到0.3db/km以下，在1310/1600nm波段上衰减趋于平坦，光纤可利用的波长增加100nm左右，相当于125个波长通道 (100GHz通道间隔)。
1.2支持多种业务整合的传输系统的演化
针对多业务应用的要求，研究人员和设备制造商们通过不断努力，逐步形成了基于TMD的多业务传送平台、基于分组传送的多业务传送平台以及ASON(智能光网络)。
1.2.1OTN(开放传输网络)
OTN(开放传输系统)适合于专用网的多业务传送，上海地铁2号线、南京地铁等均采用了这一技术。与SDH相比，该传输系统集成了话音、数据以及视频传送于一体，适合于城市轨道交通专用通信网的信息传送。
OTN网络的最大优点是能提供丰富的直接面向各类通信业务的接口。例如，在数据通信方面，OTN提供了10M/100Mb/s的以太网接口，RS.232、RS.422、RS.485接口, 4M/16Mb/ s令牌环接口等。在话音通信方面，O TN提供了2Mbps E1的数字中继接口、3/ 12Port的二线模拟电话接口、四线的E/ M 接口、ISDN 接口等。在图像方面，OTN提供了Video2in和Video2Out 的接口，传送带宽的设置可达6Mb/s，可实现清晰逼真的图像传送。此外，OTN还提了SDH网和ATM网的接口，接口多达45种，几乎涵盖了所有国际接口标准。
近年来，该技术仍在不断演化，以满足应用的需要，其缺点是该技术可以承载的业务量受到限制，正是由于这一限制，该技术在线路较长的城市轨道交通中的应用受到限制。
1.2.2基于SDH的多业务传送(MSTP)平台
SDH具有能提供强大的管理功能，灵活的组网能力，多种自愈手段，技术成熟，具有完善的标准，是目前主流的传输技术，也是城市轨道交通领域常用的传输系统。
但SDH技术是电路模式的传输技术，用来传输数据业务时会导致网络效率低，且难以适应突发数据业务和可变速率业务，难以满足数据传输的应用要求。为满足集话音、数据和视频于一体的应用要求，研究人员提出了基于SDH的MSTP。
基于SDH的MSTP技术通过映射、VC 虚级联、GFP、LCAS 以及总线技术等手段将以太网、ATM、RPR、光纤通道、MPLS等技术进行内嵌或融合到SDH上。
对应于电信级数据服务的高要求，单纯的二层交换难以保证节点间业务流量的公平性，在流量拥塞的情况下保持高的带宽利用率和转发量，及传输线路和网元节点故障时业务快速恢复等，因而缺乏强有力的业务保障能力。基于SDH的MSTP，通过引入RPR Over SDH，甚至引入MPLS及流量工程保证QoS和解决接入带宽公平性的问题，以解决这些问题。
本文着重描述并讨论基于SDH的MSTP技术中的一些关键问题，包括内嵌MPLS、内嵌RPR、IMA以及GPF等。
内嵌MPLS
多协议交换标记(MPLS)被认为是下一代网络的关键技术之一，MPLS不同于传统的交换技术、面向数据业务的快速交换技术，集成了二层交换的简捷性与三层路由的灵活性，将MPLS 的固有优势引入MSTP，可以显著提高MSTP 组网的数据处理能力。
MPLS为快速交换引入了短标记，在交换的过程中，基于路径发现协议(LDP)实现快速路径的建立，以达到高速交换的目的。此外，在MPLS体系中，引入了标志粒度，可以将小粒度的流合成适合传递等价转发类，也可以将不适合传输的流，划分成多个粒度的转发等价类，这种做法可以较好地实现流量工程，满足QoS的要求。
结合第2层交换和第3层路由的特点，将第2层的基础设施和第3层的路由有机地结合起来。第3层的路由在网络的边缘实施，而在MPLS的网络核心采用第2层交换。在IP 网中，MPLS流量工程技术成为一种管理网络流量、减少拥塞、保证业务服务质量(QoS) 的重要手段，MPLS 虚拟专用网(VPN)在解决企业网互联、提供网络增值服务等方面得到了广泛的应用。
内嵌RPR
2000年11月，IEEE 802.17工作组正式成立，其目标是开发一个弹性分组(RPR，Resilient Packet Rings)标准，优化在MAN拓扑环上数据包的传输。该技术结合了以太网的实用性和光设备的强大功能，利用空分复用、统计复和保护环提高了带宽的利用率，使得协议开销最小，实现了节点对网络资源公平利用，同时支持业务分级以及即插即用等特性。
内嵌RPR功能，且提供统一网管的多业务节点(MSTP)，以太网业务适配到RPR MAC层处理，再映射到SDH的VC通道中传送。
基于SDH的内嵌RPR的MSTP是从传统的SDH/SONET平台向承载数据和话音的多业务综合传送平台发展的产物，并且是新一代基于SDH的MSTP的主要技术特征之一，即在SDH的传输通道上根据实际应用需要设定传送TDM话音业务的VC通道和传送IP等数据业务的RPR通道带宽。
传送话音的VC通道仍保持所有的SDH特性，其保护倒换遵从标准的SDH环网保护方式，从而保证了话音业务的QoS(时延和抖动)；而通过RPR带宽来传送数据业务则需要遵循正EE802.17的规范，例如处理RPR的介质访问控制(MAC)层、支持RPR的环网保护方式，并在RPR带宽的业务接入点进行业务分类、空间重用、公平控制、拥塞处理，以保证数据业务传输的QoS，同时，在业务接入点还可以支持虚拟局域网(VLAN)及用户网接口/网络节点接口(UNI/NNI)等相应功能，以保证LAN向MAN的无缝扩展。当RPR MAC层保护与SDH环网保护同时使用时，需要采用相应的策略来保证出现故障时两种倒换不会重叠发生，例如可以采用拖延时间来推迟RPR层的倒换来实现协调。
2.3 基于PTN的多业务传送(MSTP)平台
PTN是新一代基于分组的、面向连接的多业务统一传送技术，不仅能较好的承载电信级以太网业务，且兼顾了传统的TDM业务，近年来受到国内各大运营商的高度关注。PTN具有面向连接的多业务承载、50ms的网络保护、完善的运行管理维护机制、全面的QOS保障以及功能强大的传送网管功能等核心技术，适用于企事业专线、IPTV等高品质业务承载等应用领域。
2008年4月，ITU-T和IETF成立了联合工作组(JWT)，达成了共同开发MPLS-TP的协议。 PTN主要的形式包括。
2.3.1MPLS-TP技术，它是从IP/MPLS演化而来的，抛弃了基于IP地址的逐跳转发，增强了MPLS面向连接的标签转发能力，并增强了网络保护、OAM和QoS能力。
2.3.2PBB+PBB-TE技术，它是从以太网逐步演化而来的。PBB解决了运营商和客户之间的安全隔离并提高了网络扩展性，PBB-TE引入了流量工程，以增强QoS能力。PBB-TE主要支持点到点的传送，多点业务支持需要借助于PBB和MPLS报文。
2.4 智能光网络(ASON)
随着信息化进程的加快，数据业务在核心传输网层面上持续快速发展，尤其是对IP业务的需求激增，IP业务具有突发、多变、不确定、不可预见等特点，而SDH、WDM网络已经无法充分利用光纤带宽，且网络配置缓慢、操作复杂。研究人员提出了光网络从静态网向智能化动态联网方向发展，引入了交叉、信令、交换等动态概念，来实现动态带宽分配和提供多种业务，称为智能光网络(ASON)。
ASON是能够智能化地自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网，在网络资源和拓扑结构的自动发现基础上，调用动态智能选路算法，通过分布式信令处理和交互，建立端到端的按需连接，同时提供可靠的保护恢复机制，实现故障情况下连接的自动重构。
ASON被誉为传送网概念的重大突破，它是一种具有高灵活性、高扩展性的基础光网络设施。ASON是从IP、SDH、WDM的环境中升华而来，将IP的灵活和效率、SDH的保护能力以及WDM的容量，通过创新的分布式网管系统有机的结合在一起，形成以软件为核心的网络，并能按需直接从光层提供业务的新一代光网络。
3.传输系统在城市轨道交通中的选型及组网研究
城市轨道交通的传输网是通信系统最重要的组成部分之一，要求系统可靠实用、技术先进及经济合理的传输网络平台，适应各种业务对带宽的需求，并能提供各种通信业务接口。
由于我国近年来大力发展城市轨道交通，不仅里程数在不断增长，同时线路条数也在增长，尤其是特大型的城市、大城市等，如北京、上海、广州等，轨道交通的条数都不止一条。但城市轨道交通的通信系统在建设时，通常采用一条线一个系统，各条线路的通信系统之间的互联互通已经成为国内城市轨道交通通信系统设计和建设时所必须要考虑的问题。
3.1 典型的城市轨道交通业务需求及对传输系统的要求
典型的轨道交通信息和业务需求，估算带宽需求如表1。
表1典型的城市轨道交通信息传输量
其中无线中继是由各线基站、调度台等至无线主备交换中心的信息；图像监控业务是指各线上传至网络协调及应急中心等6-7处监控中心的图像，按每处平均接收及处理40余幅图像，每幅图像5M计，以及其他众多控制数据容量。
据以上分析多业务的传送平台，在单线条件下，可选用5GGbps的基于SDH的MSTP。
3.2 城市轨道交通互联互通建议及方案
轨道交通规模会随着城市规模而呈现差异化，其网络化传输系统业务量需求便不同，虽然传输网上传送各个不同系统的信息，但仅就业务种类来分，可分为语音、数据、视频等3类业务。表2给出了近、远期通信业务量的分析表 。
表2 近、远期通信业务量分析表
从表中可以看出，未来城市轨道交通的业务增长主要在数据和视频业务。本文依据城市规模，将城市划分成2大类，即特大型城市和中小城市。
3.2.1 特大型城市及大型城市的传输系统建设方案
特大型城市及大型城市，规划线路有十几条，通信业务量比较庞大，传输网络可按两个网方式设置，即线路单独成网的通信系统(以下简称线路传输网)，以及互联各条线的通信网络(以下简称互联传输网)。
(1))线路传输网,定位于以低速数据为主、早期的少量图像信息和高速数据传输网，为城市轨道交通基本业务信息传输网。
(2)互联传输网,定位于高速数据为主和后期大量图像信息传输网。
考虑到网络建设的特点、城市轨道交通通信网络的独特性、网络建设的成本及维护等方面，建议两个网络组网方式均采用基于SDH(内嵌RPR)的多业务传输设备，建设城市轨道交通通信网络，建设具有高性价比、高稳定性及高生存性的网络，为今后城市轨道交通的发展打好坚实的基础。
以上海轨道交通为例，根据每线路站点数量，采用平均间隔取站组环的原则，合理组建多个2.5Gb/s或10Gb/s基于SDH的MSTP环，每个环上节点数严格控制在16个以内。环上的传输节点设置在城市轨道交通线上各站点、车辆段、信号楼和控制中心。
3.2.2中、小型城市的传输系统建设方案
中、小型城市规划建设5条线路以下，通是2-3条城市轨道交通线路通信业务量也较小，传输网络按照一个网方式设置，参考上海轨道交通1号线的传输网经验，使用传统的SDH自愈环。几条地铁线路共享同一个控制中心，采用2.5G SDH设备组成若干个2.5G SDH自愈环。
对于大中型城市的地铁传输网络，采用基于SDH的多业务承载平台将SDH、以太网等技术融合在一个传输设备中，利用对某业务的最优化技术实现对该业务承载，达到最优资源共享，降低整网造价及维护运行成本。由于SDH是独立的传输层，若有新业务接入，可在保持现有网络不变的情况下，非常方便地接入，这对网络的适应性和生存性具有重要意义，是网络建设的目的之一。
4.结论
在基本线路传输网中，建议采用基于5-10Gbps的基于SDH的MSTP传送平台，并内嵌RPR技术；在互联线路传输系统中建议采用10Gbps或更高的基于SDH的MSTP传送平台，以适应未来的发展需要。