徐立煜

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！喂こ處?

城市軌道交通通信傳輸系統(tǒng)為車站、車輛基地、OCC(運營控制中心)、辦公樓宇間提供數(shù)據(jù)的傳遞與匯聚，用于滿足區(qū)域內(nèi)部專業(yè)人員、設(shè)備的通信需求。隨著用戶間通信需求的增加，設(shè)備的通信流量驟增、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，由此對傳輸系統(tǒng)的承載能力、接口類型、鏈路架構(gòu)等方面提出了更高的要求。目前，上海城市軌道交通進入超大網(wǎng)絡(luò)化運營階段，早期投運的城市軌道交通線路的傳輸系統(tǒng)設(shè)備大多不滿足上述要求，需對多條既有線路的傳輸系統(tǒng)進行大修改造。由此可見，制定一個統(tǒng)籌各線路大修項目的頂層大修改造規(guī)劃非常重要。本文結(jié)合上海城市軌道交通各線路的傳輸系統(tǒng)現(xiàn)況，從設(shè)備選型、組網(wǎng)架構(gòu)兩方面進行研究,提出符合上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)大修改造的規(guī)劃總體方案。

1 研究背景

目前,上海城市軌道交通專業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照專業(yè)功能可分為應(yīng)用控制層、傳輸復(fù)用層和邊緣接入層，如圖1所示。各層的分工明確：傳輸復(fù)用層和邊緣接入層共同完成業(yè)務(wù)可靠、安全的通信連接；應(yīng)用控制層完成對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理與反饋。其中，傳輸復(fù)用層主要由連接單條城市軌道交通線路各作業(yè)現(xiàn)場的線路傳輸網(wǎng)和連接全線網(wǎng)內(nèi)各線路的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)將車站、車輛基地、OCC、辦公樓宇等具體業(yè)務(wù)區(qū)域通過局域網(wǎng)匯聚得到的數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)區(qū)域之間進行傳遞，以滿足各個業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)部、不同專業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的通信需求。本文所研究的大修改造規(guī)劃主要是針對傳輸復(fù)用層的線路傳輸網(wǎng)設(shè)備。

考慮到線路傳輸系統(tǒng)所連接的各車站、OCC等現(xiàn)場單元間的距離較長，從成本、空間、資源等合理利用的角度，傳輸系統(tǒng)一般在物理上共享1套傳輸節(jié)點設(shè)備及光電纜等資源，在邏輯上則通過采用不同光波(波分復(fù)用)、不同時隙(時分復(fù)用)、不同分組交換標(biāo)簽等方式，劃分出多個獨立的通信通道，連接多個專業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和多個專業(yè)局域網(wǎng)，以實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)建設(shè)和后期運維集約化，保障各業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳輸間的安全隔離。

注：COCC——網(wǎng)絡(luò)運營協(xié)調(diào)中心；3C大樓——上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營調(diào)度指揮大樓的簡稱；OA——辦公自動化。

上海城市軌道交通的傳輸系統(tǒng)覆蓋了18條線路和448座車站，為公務(wù)電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、無線集群系統(tǒng)、技術(shù)防范系統(tǒng)等通信子系統(tǒng)，以及如AFC(自動售檢票)系統(tǒng)、SCADA(電力監(jiān)控)等其他用戶系統(tǒng)提供互聯(lián)互通的渠道。上海城市軌道交通傳輸系統(tǒng)一般在線路沿線的中部位置設(shè)置OCC節(jié)點及用戶網(wǎng)管，根據(jù)線路節(jié)點匹配傳輸特性組成1～3個環(huán)網(wǎng)。各線路間的傳輸系統(tǒng)完全隔離，傳輸業(yè)務(wù)及管理均以線路為單位。

2019年，3C大樓(上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營調(diào)度指揮大樓)投用后，各線路均將調(diào)度指揮場所從原來的OCC(以下簡稱“原OCC”)遷入3C大樓。其中，用戶操作終端均通過通信延伸移至3C大樓，而業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)備仍保留在原OCC。以某條已運營的線路為例，圖2為該線路傳輸系統(tǒng)既有的典型架構(gòu)，其中:車站1表示第1個車站傳輸節(jié)點;3C大樓表示3C大樓傳輸中心級節(jié)點;原OCC表示既有OCC節(jié)點。

圖2 上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)典型架構(gòu)示意圖

如表1所示，由于建設(shè)時期不同，上海城市軌道交通傳輸系統(tǒng)目前有4種制式，其設(shè)備具有4個品牌、5種帶寬，并與3C大樓形成了延伸型、單核心、雙核心等3種拓?fù)浼軜?gòu)。由于傳輸系統(tǒng)在制式、容量、架構(gòu)上并不完全統(tǒng)一，致使業(yè)務(wù)能力受限、功效降低，對設(shè)備的安全保護措施不完善。本文通過研究傳輸系統(tǒng)的設(shè)備選型、組網(wǎng)架構(gòu)，得出適合上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)大修改造的建設(shè)規(guī)劃。

表1 上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)制式概覽

2 傳輸系統(tǒng)設(shè)備的選型研究

2.1 業(yè)務(wù)需求分析

早期開通的城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)通過大量TDM(時分復(fù)用)業(yè)務(wù)和低速串口控制信息，以及少量數(shù)字信息和視頻流等技術(shù)來滿足當(dāng)時的用戶需求。但是，因數(shù)字化、信息化技術(shù)革新，多項新的業(yè)務(wù)得以推廣和應(yīng)用，基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)交換的專用無線、調(diào)度語音、高清視頻等技術(shù)，以及基于智能AI(人工智能)分析組成的技術(shù)防范業(yè)務(wù)、多元化的辦公自動化網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前主流的用戶需求。為了確保列車的運行安全,提升設(shè)備的管理質(zhì)量，各監(jiān)控業(yè)務(wù)均要求增加容量。除此之外，為進一步改善乘客的乘坐體驗，MMIS-O(城市軌道交通移動互聯(lián)網(wǎng))[1]等新增業(yè)務(wù)也陸續(xù)得以應(yīng)用，用于擴充車地通信功能。

根據(jù)上海城市軌道交通的建設(shè)指導(dǎo)意見，基于上海軌道交通14號線、15號線、18號線的建設(shè)情況，上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)所承載的基本業(yè)務(wù)已趨向穩(wěn)定。如表2所示，上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)共計19項，總線帶寬需19 370 Mbit/s(19.37 Gbit/s)。在此基礎(chǔ)上計入預(yù)留及保護帶寬，上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)設(shè)備需至少滿足50.36 Gbit/s容量。

表2 上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)

如圖3所示，基于表2的業(yè)務(wù)需求，傳輸系統(tǒng)需要在既有業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，提高FE(百兆以太網(wǎng))、GE(千兆以太網(wǎng))的接口數(shù)量，并預(yù)留30%FE、GE及10GE的接口數(shù)量，用于業(yè)務(wù)擴容與新增業(yè)務(wù)。圖3中，線路在最初建成時期，用戶需求以既有TDM業(yè)務(wù)和少量IP業(yè)務(wù)為核心，接口數(shù)量也相應(yīng)向這個方向傾斜；線路進入改造過渡期，此時最具特殊性，該階段的既有業(yè)務(wù)(尤其是語音業(yè)務(wù))大量需要低速接口，同時IP業(yè)務(wù)在帶寬及接口數(shù)量上的需求也大幅上升，因此，這個階段需同時滿足以上兩類需求，并對線路傳輸系統(tǒng)設(shè)備的選型進行合理評估。線路進入改造過渡期后，TDM業(yè)務(wù)將逐步IP化，大顆粒IP業(yè)務(wù)也將隨著智能化建設(shè)興起，未來傳輸系統(tǒng)的接口類型便會向著這個方向逐步成型，即大量使用FE接口，并兼容多個GE及以上接口。

注：E1接口——采用歐洲30路脈碼調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的接口。

2.2 制式匹配分析

基于SDH、PTN、OTN(光傳送網(wǎng))制式的設(shè)備廣泛應(yīng)用在上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)中，這3種制式均有自身明顯的特征。

如圖4所示，SDH制式采用矩形塊狀幀結(jié)構(gòu)、段開銷，引入凈負(fù)荷指針等技術(shù)[2]。STM(同步傳送模塊)是SDH的基礎(chǔ)幀，STM-n中的n代表復(fù)用等級。C-12作為SDH的最小單元，通過時隙的映射、定位、復(fù)用至STM-n幀單元后進行傳輸，尤其契合類似語音的時分業(yè)務(wù)對同步的要求,并能提供大量的低速接口。但同樣出于幀結(jié)構(gòu)，SDH制式可通過開銷字節(jié)實現(xiàn)OAM(操作維護管理)管理，固定的凈荷不具備彈性，傳輸IP報文的效率相對較低。同時，SDH制式設(shè)備最大單元為STM-256，從而決定基于SDH的MSTP設(shè)備最大光口輸出速率為40 Gbit/s。配置標(biāo)準(zhǔn)光保護后，傳輸系統(tǒng)實際可用帶寬僅為20 Gbit/s。

如圖5所示，PTN定位于一種面向連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其核心是采用面向分組的通用交叉技術(shù)。PTN將現(xiàn)有的光傳送網(wǎng)和IP/MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)/Ethernet(以太網(wǎng))等網(wǎng)絡(luò)進行特點融合，以實現(xiàn)對分組化業(yè)務(wù)的高效傳送。通過改進的多協(xié)議標(biāo)簽交換實現(xiàn)以彈性IP報文為最小單元的分組多業(yè)務(wù)傳送。目前基于PTN的傳輸設(shè)備能提供大量FE、GE、10GE接口，其最大輸出速率為100 Gbit/s。但同樣，PTN機制下的時分業(yè)務(wù)需通過PWE3(邊緣到邊緣的偽線仿真)封裝為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進行傳送。額外的封裝步驟會影響到時分業(yè)務(wù)的傳輸時延。

注：C-12——凈荷為2 048 kbit/s的虛容器；C-3——凈荷為34 368 kbit/s的虛容器；C-4——凈荷為139 264 kbit/s的虛容器。

圖5 PTN制式的封裝示意圖

OTN是在WDM(波分復(fù)用)的基礎(chǔ)上增加了OAM功能，以實現(xiàn)光域內(nèi)的業(yè)務(wù)信號傳送[3]。

如圖6所示，OTN采用類似SDH的復(fù)用架構(gòu)，將OPU-1(容量為2.48 Gbit/s)復(fù)用至OTU-1(復(fù)用速率為2.48 Gbit/s)和OTU-4(復(fù)用速率為100 Gbit/s)的幀單元中，并使用波分復(fù)用技術(shù)合波后進行傳輸[4]，合波后的傳輸速率可達400 Gbit/s及以上。因OTN具有大容量，其設(shè)備多應(yīng)用于上層建筑，用以連接多個接入層網(wǎng)絡(luò)。若使用OTN制式作為接入網(wǎng)設(shè)備，則需要與數(shù)通設(shè)備、MSTP等設(shè)備組合使用，方能提供E1、FE等用戶接口。

注：OPU——光凈荷單元；OPU-n——光凈荷單元等級;OTU-n——光復(fù)用顆粒等級。

應(yīng)采用不同制式各自的優(yōu)點，揚長避短，使之與業(yè)務(wù)、用戶需求形成高度匹配，以適應(yīng)傳輸業(yè)務(wù)進一步發(fā)展的要求。近期，融合了更多SDH與PTN優(yōu)點的Hybrid MSTP制式設(shè)備，以及融合了SDH、PTN、OTN 3種制式的MS-OTN設(shè)備被廣泛應(yīng)用，如圖7所示?；旌现剖綄I(yè)務(wù)更具針對性地進行封裝處理，保證了時分業(yè)務(wù)的同步性、分組業(yè)務(wù)的利用率、波分傳送的大帶寬,尤其適用于既有線路的大修改造，同時滿足時分語音業(yè)務(wù)、大顆粒高清流媒體業(yè)務(wù)以及整體系統(tǒng)大容量等用戶需求。

注：ODU——光數(shù)據(jù)單元；OTU-k——光通道傳輸單元等級。

如表3所示，根據(jù)對不同制式的對比可知，融合了多個制式優(yōu)點的混合制式設(shè)備能夠提供大量FE、GE接口及一定量的低速、10GE接口。此外，混合制式設(shè)備采用大于50.36 Gbit/s的傳輸速率進行單波傳送，更能滿足上海城市軌道交通既有線路傳輸系統(tǒng)大修改造的要求。

表3 不同傳輸制式的能力對比

3 傳輸系統(tǒng)設(shè)備的組網(wǎng)架構(gòu)

3.1 節(jié)點部署分析

“十四五”期間上海城市軌道交通通過對線路傳輸業(yè)務(wù)子系統(tǒng)進行改造，有計劃地將這些業(yè)務(wù)子系統(tǒng)設(shè)備逐步遷移進3C大樓，進而實現(xiàn)完整的OCC搬遷。在OCC搬遷的過程中，傳輸系統(tǒng)作為配套的基建系統(tǒng)，需要未雨綢繆，在大修改造規(guī)劃時為業(yè)務(wù)子系統(tǒng)改造過渡期間的多點下落提供先決條件。同時，在保持各線間業(yè)務(wù)隔離的前提下，應(yīng)合理整合同類設(shè)備節(jié)點，收斂管理資源，為數(shù)據(jù)分析、智能化運維創(chuàng)造條件。

3.2 組網(wǎng)架構(gòu)分析

如圖2所示，3C大樓節(jié)點作為原OCC的延伸節(jié)點，2個節(jié)點間帶寬為每環(huán)帶寬相加，業(yè)務(wù)經(jīng)原OCC節(jié)點后下落于3C大樓處。這樣的布局使得改造業(yè)務(wù)可靈活落地在2處節(jié)點。但是,若原OCC發(fā)生故障,將同步影響3C大樓節(jié)點的運作，存在較大的風(fēng)險隱患。

在對某條既有的城市軌道交通線路進行大修改造時，可將3C大樓節(jié)點與原OCC節(jié)點同時納入保護環(huán)中，形成3C大樓節(jié)點與原OCC節(jié)點共環(huán)的組網(wǎng)架構(gòu)，如圖8所示。此時業(yè)務(wù)同時經(jīng)過這2個節(jié)點，可靈活選擇采用串通或下落的方式，以滿足業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的改造需求。同時，環(huán)內(nèi)任意節(jié)點發(fā)生故障，均可觸發(fā)光纖復(fù)用、MPLS等保護機制，不影響傳輸業(yè)務(wù)的正常運作。與圖2相比，圖8的組網(wǎng)架構(gòu)具有更高的可靠性。

圖8 3C節(jié)點與原OCC共同組成環(huán)網(wǎng)的架構(gòu)示意圖

在此基礎(chǔ)上，線路可進一步組建形成3個中心節(jié)點的環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，如圖9所示，將停車場升級作為新增的核心節(jié)點，在3C大樓節(jié)點超負(fù)荷的情況下為承載系統(tǒng)提供足夠大的空間資源，并提供與之匹配的電力支撐，甚至可逐步替代原OCC節(jié)點，形成停車場與3C大樓的雙核心架構(gòu)，進而提升上海城市軌道交通機電系統(tǒng)整體布局的靈活性。因而，多中心共環(huán)的組網(wǎng)架構(gòu)可靠性、靈活性更高，應(yīng)以此作為上海城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)大修改造組網(wǎng)規(guī)劃方案。

圖9 多中心共環(huán)的組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

4 建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)上海城市軌道交通傳輸系統(tǒng)設(shè)備的大修改造周期，應(yīng)以10年為1個輪次實施大修改造規(guī)劃，如圖10所示。在第1輪次的大修改造中，將改造過渡期的業(yè)務(wù)需求作為線路傳輸系統(tǒng)設(shè)備選型的參照，其組網(wǎng)架構(gòu)需滿足業(yè)務(wù)過渡、3C大樓節(jié)點保護等要求。待承載業(yè)務(wù)基本完成從原OCC向3C大樓節(jié)點的遷移后，應(yīng)合理評估改造后傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特性、原OCC節(jié)點功能、3C大樓節(jié)點容量負(fù)荷等問題，并評估線路的車輛基地是否有擴容的必要。

在此基礎(chǔ)上，對既有線路在業(yè)務(wù)系統(tǒng)容量、承載業(yè)務(wù)接入點位等方面進行調(diào)整，圍繞3C大樓、車站、停車場開展第2輪次的大修改造，如表4所示。按照規(guī)劃，全線網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)第1輪次大修改造將在2030年前完成，第2輪次大修改造將在2040年前完成。在第1輪次的大修改造中，即可完成對全線網(wǎng)傳輸系統(tǒng)在制式、品牌上的收斂。通過將數(shù)據(jù)庫整合至主/備服務(wù)器，各線路、上層用戶均通過C/S(客戶端/服務(wù)器)、B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式訪問服務(wù)器，并進行對應(yīng)權(quán)限的操作，最終達到整合管理的目的。

a) 第1輪次傳輸系統(tǒng)大修改造

表4 上海軌道交通線路傳輸系統(tǒng)大修改造計劃表

5 結(jié)語

上海既有的城市軌道交通線路傳輸系統(tǒng)已難以滿足使用需求，大修改造勢在必行。本文通過研究傳輸系統(tǒng)的設(shè)備選型、組網(wǎng)架構(gòu)，總結(jié)了線路傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求和節(jié)點部署情況，認(rèn)為采用混合制式設(shè)備、建立多中心共環(huán)組網(wǎng)架構(gòu)的線路傳輸系統(tǒng)具有更高的可靠性和靈活性。在此基礎(chǔ)上，對上海城市軌道交通既有線路傳輸系統(tǒng)進行大修改造規(guī)劃，以大修改造為契機，計劃在10年內(nèi)將上海城市軌道交通全線網(wǎng)線路傳輸系統(tǒng)打造成滿足業(yè)務(wù)過渡需求、統(tǒng)一容量規(guī)格、集中化智能管理的可靠系統(tǒng)，為上海城市軌道交通的安全運營提供保障。