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1軌道交通傳輸系統概述

1.1傳輸系統業務需求

傳輸系統是軌道交通通信系統中最重要的子系統,它為通信系統的各子系統以及其它自動控制管理系統提供信息通道。傳輸的信息有語音、圖像和數據等。不同軌道交通線路根據本線各系統情況,對傳輸系統的業務需求會有一定的差異。下面根據目前的一般情況,對軌道交通傳輸系統的業務需求列表分析,詳見表1。由上表可以看出軌道交通專用通信傳輸系統業務可分為以下3類:(1)2M實時業務:主要用于有線和無線交換機中繼;(2)窄帶實時業務:主要用于時鐘、廣播語音等低速數據信號;(3)寬帶以太網業務:已經占據大部分的信息流量,以往地鐵中常用的低速控制信息、電視監控圖像信息已逐步轉向數據業務。不過,與常規的辦公網絡不同,軌道交通對以太網的可靠性、實時性有較高的要求。

1.2國內軌道交通傳輸系統主流的制式

從上面的傳輸業務分析可以看出,雖然數據業務已經占據大部分信息流量,但仍然存在大量的2M實時業務和窄帶實時業務,這就決定今后很長一段時間內,軌道交通主流的傳輸制式仍將基于TDM。從最近國內軌道交通傳輸系統招投標的情況來看也是這種情況,主流的傳輸制式有兩種:OTN、MSTP。(1)OTN(開放傳輸系統)OTN是Siemens比利時公司獨立研究開發的光纖傳輸技術,目前已成功地應用在廣州地鐵一、二號線和四號線、上海地鐵、北京地鐵等多條城市軌道交通項目的傳輸系統中。由于OTN有較豐富的接口,除常規的Z接口、VF接口、E1及E3接口外,還提供多種低速數據接口、以太網接口、模擬圖像接口、15kHz音頻接口等。其網絡結構簡單、易于操作、易于維護和具有高可靠性的特點已得到廣大用戶的認可。(2)MSTP(多業務傳送平臺)為了滿足日益增長的寬帶數據業務傳送需求,SDH已經發展成為多業務傳送平臺(MSTP),并且在國內多條城市軌道交通線路(如廣州市軌道交通三號線、武漢市軌道交通一號線)中得到了成功運用。MSTP是對SDH、以太網及ATM等已有成熟技術的組合應用和優化,它是基于SDH,同時實現TDM、ATM、IP等多種業務的接入、處理、傳送,具備寬帶數據和圖像的傳輸、匯聚和二層交換能力,并可提供統一的網絡管理的多業務傳送節點設備構成的傳送平臺。MSTP接口種類豐富,支持以太網數據業務,設備組網靈活,是目前標準化較高、較成熟、且應用最廣的技術之一。

2rpr技術簡介

2.1RPR的主要技術特點

彈性分組環(RPR)技術是一種在環形結構上優化數據業務傳送的新型MAC層協議,能夠適應多種物理層(如SDH、以太網、DWDM等),可有效地傳送數據、話音、圖像等多種業務類型。它融合了以太網技術的經濟性、靈活性、可擴展性等特點,同時吸收了SDH環網的50ms快速保護的優點,并具有網絡拓撲自動發現、環路帶寬共享、公平分配、嚴格的業務分類(COS)等技術優勢,目標是在不降低網絡性能和可靠性的前提下提供更加經濟有效的傳輸系統解決方案。主要的技術特點如下:

(1)采用雙環(內環和外環)結構每對節點之間都有兩條路徑,保證了高可用性;對環路帶寬采用空間重用機制,單播數據傳送可在環的不同部分同時進行,提高了環路帶寬的利用率。

(2)網絡拓撲結構的自動發現和更新功能在網絡拓撲變化時,每個節點通過接收RPR環上其它節點的MAC地址,自動建立和更新自己的拓撲圖,使得網絡初始化配置變得極其簡單,實現了即插即用,并可避免手工配置帶來的錯誤,便于進行網絡的運營維護;支持50ms的快速保護:RPR環網可采用兩種保護機制,一種是源路由方式(Steering),即直接在業務的源點進行倒換,可保證業務走最佳路徑;一種是在發生故障的兩個節點進行環回(Wrapping)的方式(類似于SDH的2纖MS-SPRing)。RPR標準已把源路由方式規范為默認的保護方式。

(3)實現靈活的環路帶寬管理這是RPR技術的一個重要特點,它支持靈活的帶寬顆粒、帶寬的動態共享和分配。每個節點能夠維護通過自身的業務負荷(包括本地上環和過環業務量),網管可根據這些信息來統計RPR環路各個跨段上的資源使用情況,實現環路帶寬的靈活、動態管理。

(4)提供嚴格的COS分類RPR規范了A、B、C三種業務等級,提供了可靠的保障高優先級業務的機制。A類業務優先級最高,可保證最短的端到端時延和時延抖動,A類業務可被分配一個CIR速率,其中可細分成A0(保留帶寬)和A1(可回收帶寬);B類業務被分配一個CIR速率,對于超過CIR的流量被標記為EIR流量,EIR流量應與C類業務一起參加帶寬公平算法;C類業務即提供盡力而為的業務,優先級最低。

(5)支持環路帶寬的公平分配RPR規范了一種分布式的公平控制算法來實現各節點帶寬的動態公平分配,并可根據需求為環上的各節點分配不同的權重,在環路帶寬發生擁塞時,保證各節點高優先級業務的傳送,并實現低優先級業務的公平接入和帶寬分配,B類業務的EIR部分和C類業務參與公平算法。實現完善的公平機制,非常有利于RPR環路快速響應具有突發性的數據流量變化。支持單播、組播和廣播:可將基于IEEE802.3MAC地址的單播、組播和廣播數據包映射到節點的RPRMAC地址,實現在RPR環路上根據節點的RPRMAC地址完成單播、組播和廣播數據業務的傳送。

2.2RPR的幾種實現方式

RPR的具體實現方案可以分為三類:獨立式的基于2層的RPR實現方案;基于路由器的單卡RPR實現方案;基于MSTP的RPR實現方案。對于這三種RPR的實現方案,都各有廠家推出相應的產品。

(1)獨立式的基于2層的RPR實現方案獨立式的基于2層的RPR實現方案目前已比較成熟。有的廠家將MPLS、時鐘同步等技術與這種2層的實現方案結合在一起,從而提供面向IP優化的寬帶多業務解決方案;有的廠家推出的基于2層的RPR產品具有很強的組網能力,可以支持線性、相切環、相交環等拓撲結構,以及雙節點互連(DNI)跨環保護等;RPR設備群路端口速率可以為GE或2.5G。

(2)基于路由器的單卡RPR實現方案基于路由器的單卡RPR實現方案應用相對較少,多數廠家都是以現有的路由器產品為平臺,通過增加板卡來實現RPR的功能。這種實現方案可以看作是對現有路由器組網的一種優化,在節省光纖資源的同時,還可以大大加強其保護性能,獲得50ms的的環路保護功能。

(3)基于MSTP的RPR實現方案基于MSTP的RPR實現方案一般是將RPR的處理功能集成在一塊單板上,將該單板配置到SDH設備的相應槽位,在用戶側可提供多個FE或GE接口,該單板將進入以太網接口的數據包直接透傳或經二層交換、VLAN處理后適配到RPRMAC層,即利用RPR的核心芯片進行RPRMAC層的處理,包括業務分類(COS)、拓撲發現和環保護、公平算法、操作維護管理等,然后通過GFP封裝協議將RPRMAC數據包映射到SDH系統側的1個或多個VC通道中。

3RPR在軌道交通傳輸系統中的應用前景

3.1RPR在軌道交通領域的應用情況

RPR在軌道交通領域的應用主要有2種方式:基于MSTP的RPR實現方案;獨立式的基于2層的RPR實現方案。目前主流的MSTP生產廠商大都可實現基于MSTP的RPR方案,部分廠商還推出了獨立式基于2層的RPR方案?；贛STP的RPR實現方案已經在北京地鐵、沈陽地鐵等地鐵通信系統中實現了應用,獨立式的基于2層的RPR也在廣州地鐵等的公安通信傳輸系統中開始應用。

3.2RPR的技術優勢

(1)與傳統的MSTP比較傳統MSTP的缺點主要體現在對數據業務的支持上:①浪費保護帶寬:SDH的保護恢復機制需要有一個光纖環在熱備份的模式下工作,一般來說,大約二分之一環內帶寬已預留作為保護帶寬,無法使用。目前軌道交通傳輸系統的帶寬基本都選擇在2.5G,帶寬的壓力已經初步顯現出來。②以太網生成樹協議的缺陷:普通的MSTP的以太環網一般是利用二層交換來實現,如基于VLAN的多生成樹,即在環網中每個VLAN具有一個生成樹,可利用被單生成樹禁用的跨段,實現環網帶寬重用;業務優先級一般采用VLAN優先級等方式實現。缺點主要在于支持基于STP/RSTP的保護倒換,時間在幾秒到幾十秒左右,并且生成樹協議不具有負載均衡能力,拓撲更新十分緩慢。RPR的技術優勢是由其特點決定的。MSTP內嵌了RPR功能后,增強了新一代MSTP設備的以太網業務帶寬共享和公平競爭性,可實現動態、公平共享的以太環網應用。與傳統的MSTP相比,內嵌RPR的MSTP以太環網在業務處理速度、擴展性、COS、保護倒換時間、帶寬利用率、抑制廣播風暴、拓撲自動發現等多方面都具有較強優勢,特別是具有了環路帶寬的公平分配機制,克服了生成樹(STP)的固有缺陷。鑒于RPR技術具有眾多優勢,近年來許多國內外傳輸設備廠家都在其MSTP設備上開發內嵌RPR功能,并在應用中逐步體現出其優越性。

(2)與OTN比較MSTP和OTN是目前軌道交通中相互競爭的兩種傳輸制式,MSTP通用性較強、OTN專用性較強,兩者互相比較,優點和缺點都體現在專用性和通用性上面。對于數據業務的支持方面,OTN和傳統的MSTP在實現方式并無區別,傳統MSTP具有的缺點同樣表現在OTN上。MSTP內嵌了RPR功能后,可以說增加了一個與OTN競爭強有力砝碼,

(3)獨立式的基于2層的RPR的技術特點在軌道交通范圍內,除了軌道交通專用通信綜合傳輸網絡外,一般還需要考慮獨立建設公安通信、商用通信的傳輸網絡。商用通信系統是公網在軌道交通上的延伸,商用通信傳輸系統的主要業務是移動電話引入系統的2M中繼,業務類型比較單一,制式一般與公網相同,一般采用傳統的MSTP,在此不做詳述。公安通信傳輸系統主要用于傳輸公安數字視頻業務,另外還有少量的計算機網絡系統業務,主要為數據業務。目前主流的傳輸制式有:交換機直接組網、工業以太網組環、獨立式的基于2層RPR。相對于其他兩種方案,獨立式的基于2層RPR主要具有以下優勢:①具有服務質量保證的高帶寬容量(帶寬彈性):RPR支持空間復用技術和統計復用技術,空間復用技術使網絡帶寬利用率提高2倍以上。②提供電信級的環保護機制:RPR可提供基于源路由和業務服務等級的50ms環保護機制,能很好地保證網絡的穩定性。③提供多服務質量等級分類:RPR現支持4個服務質量等級,可基于不同的應用提供不同等級的服務,有利于優化網絡。④支持語音業務傳送,真正實現寬帶多業務平臺:RPR支持TDM業務傳送,可同時承載數據、圖像、話音業務,簡化網絡結構,面向IP優化。⑤齊備完善的數據安全隔離:RPR結合MPLS隧道功能,可以在環路上劃分獨立的帶寬,使數據在2層上安全隔離,各種業務類型的數據互不干擾。

3.3制約RPR在軌道交通領域發展的主要因素

RPR自2001年推出以后,被認為是最有發展前途的傳輸技術之一,但之后的發展及推廣卻比較緩慢。軌道交通的傳輸網屬于專網范疇,但出于開放性、通用性的考慮,設備的選型與公網差別不大,RPR在公網發展的緩慢必然影響到其在專網中的應用。另外,軌道交通傳輸系統是一個綜合性的傳輸網絡,為眾多專業服務,如通信、信號、主控、AFC等,各專業之間從設計、招投標到實施都相對獨立。這樣各專業的建設者從自身系統的安全和習慣性出發,都希望獨占傳輸通道,但如果每個業務系統都考慮獨占傳輸通道,那么RPR傳輸技術環路帶寬共享、公平分配、嚴格的業務分類(COS)等技術優勢就失去了意義。隨著RPR標準的制定,技術日趨成熟,軌道交通建設者也逐漸從TDM時代獨占帶寬的局限性中走出來,改為對傳輸帶寬與時延的綜合考慮。這樣,制約RPR在軌道交通領域發展因素將逐漸弱化,其技術優勢將逐步凸顯出來。

4結語

綜上所述,常規的解決方案可以滿足城市軌道交通對傳輸網絡業務的部分需求,且在一定的時期內也是適用的。但城市軌道交通的傳輸網絡與通信技術發展水平是分不開的,隨著軌道交通突飛猛進的發展,數據、圖像業務的需求也將飛速增加,在今后軌道交通建設中RPR將會有長足的發展和應用,可作為傳輸網絡的優選技術方案。