上海城市轨道交通线路传输系统大修改造规划研究

徐立煜

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司， 200235， 上海∥工程师)

城市轨道交通通信传输系统为车站、车辆基地、OCC(运营控制中心)、办公楼宇间提供数据的传递与汇聚，用于满足区域内部专业人员、设备的通信需求。随着用户间通信需求的增加，设备的通信流量骤增、组网结构趋于复杂，由此对传输系统的承载能力、接口类型、链路架构等方面提出了更高的要求。目前，上海城市轨道交通进入超大网络化运营阶段，早期投运的城市轨道交通线路的传输系统设备大多不满足上述要求，需对多条既有线路的传输系统进行大修改造。由此可见，制定一个统筹各线路大修项目的顶层大修改造规划非常重要。本文结合上海城市轨道交通各线路的传输系统现况，从设备选型、组网架构两方面进行研究,提出符合上海城市轨道交通线路传输系统大修改造的规划总体方案。

1 研究背景

目前,上海城市轨道交通专业网络架构按照专业功能可分为应用控制层、传输复用层和边缘接入层，如图1所示。各层的分工明确：传输复用层和边缘接入层共同完成业务可靠、安全的通信连接；应用控制层完成对业务数据的处理与反馈。其中，传输复用层主要由连接单条城市轨道交通线路各作业现场的线路传输网和连接全线网内各线路的高速数据网组成，负责将车站、车辆基地、OCC、办公楼宇等具体业务区域通过局域网汇聚得到的数据在业务区域之间进行传递，以满足各个业务区域内部、不同专业业务系统之间的通信需求。本文所研究的大修改造规划主要是针对传输复用层的线路传输网设备。

考虑到线路传输系统所连接的各车站、OCC等现场单元间的距离较长，从成本、空间、资源等合理利用的角度，传输系统一般在物理上共享1套传输节点设备及光电缆等资源，在逻辑上则通过采用不同光波(波分复用)、不同时隙(时分复用)、不同分组交换标签等方式，划分出多个独立的通信通道，连接多个专业的业务系统和多个专业局域网，以实现传输系统建设和后期运维集约化，保障各业务系统传输间的安全隔离。

注：COCC——网络运营协调中心；3C大楼——上海轨道交通网络运营调度指挥大楼的简称；OA——办公自动化。

上海城市轨道交通的传输系统覆盖了18条线路和448座车站，为公务电话系统、专用电话系统、无线集群系统、技术防范系统等通信子系统，以及如AFC(自动售检票)系统、SCADA(电力监控)等其他用户系统提供互联互通的渠道。上海城市轨道交通传输系统一般在线路沿线的中部位置设置OCC节点及用户网管，根据线路节点匹配传输特性组成1～3个环网。各线路间的传输系统完全隔离，传输业务及管理均以线路为单位。

2019年，3C大楼(上海轨道交通网络运营调度指挥大楼)投用后，各线路均将调度指挥场所从原来的OCC(以下简称“原OCC”)迁入3C大楼。其中，用户操作终端均通过通信延伸移至3C大楼，而业务系统设备仍保留在原OCC。以某条已运营的线路为例，图2为该线路传输系统既有的典型架构，其中:车站1表示第1个车站传输节点;3C大楼表示3C大楼传输中心级节点;原OCC表示既有OCC节点。

图2 上海城市轨道交通线路传输系统典型架构示意图

如表1所示，由于建设时期不同，上海城市轨道交通传输系统目前有4种制式，其设备具有4个品牌、5种带宽，并与3C大楼形成了延伸型、单核心、双核心等3种拓扑架构。由于传输系统在制式、容量、架构上并不完全统一，致使业务能力受限、功效降低，对设备的安全保护措施不完善。本文通过研究传输系统的设备选型、组网架构，得出适合上海城市轨道交通线路传输系统大修改造的建设规划。

表1 上海城市轨道交通线路传输系统制式概览

2 传输系统设备的选型研究

2.1 业务需求分析

早期开通的城市轨道交通线路传输系统通过大量TDM(时分复用)业务和低速串口控制信息，以及少量数字信息和视频流等技术来满足当时的用户需求。但是，因数字化、信息化技术革新，多项新的业务得以推广和应用，基于IP(互联网协议)交换的专用无线、调度语音、高清视频等技术，以及基于智能AI(人工智能)分析组成的技术防范业务、多元化的办公自动化网络已成为当前主流的用户需求。为了确保列车的运行安全,提升设备的管理质量，各监控业务均要求增加容量。除此之外，为进一步改善乘客的乘坐体验，MMIS-O(城市轨道交通移动互联网)[1]等新增业务也陆续得以应用，用于扩充车地通信功能。

根据上海城市轨道交通的建设指导意见，基于上海轨道交通14号线、15号线、18号线的建设情况，上海城市轨道交通线路传输系统所承载的基本业务已趋向稳定。如表2所示，上海城市轨道交通线路传输系统的具体业务共计19项，总线带宽需19 370 Mbit/s(19.37 Gbit/s)。在此基础上计入预留及保护带宽，上海城市轨道交通线路传输系统设备需至少满足50.36 Gbit/s容量。

表2 上海城市轨道交通线路传输系统具体业务

如图3所示，基于表2的业务需求，传输系统需要在既有业务的基础上，提高FE(百兆以太网)、GE(千兆以太网)的接口数量，并预留30%FE、GE及10GE的接口数量，用于业务扩容与新增业务。图3中，线路在最初建成时期，用户需求以既有TDM业务和少量IP业务为核心，接口数量也相应向这个方向倾斜；线路进入改造过渡期，此时最具特殊性，该阶段的既有业务(尤其是语音业务)大量需要低速接口，同时IP业务在带宽及接口数量上的需求也大幅上升，因此，这个阶段需同时满足以上两类需求，并对线路传输系统设备的选型进行合理评估。线路进入改造过渡期后，TDM业务将逐步IP化，大颗粒IP业务也将随着智能化建设兴起，未来传输系统的接口类型便会向着这个方向逐步成型，即大量使用FE接口，并兼容多个GE及以上接口。

注：E1接口——采用欧洲30路脉码调制标准的接口。

2.2 制式匹配分析

基于SDH、PTN、OTN(光传送网)制式的设备广泛应用在上海城市轨道交通线路传输系统中，这3种制式均有自身明显的特征。

如图4所示，SDH制式采用矩形块状帧结构、段开销，引入净负荷指针等技术[2]。STM(同步传送模块)是SDH的基础帧，STM-n中的n代表复用等级。C-12作为SDH的最小单元，通过时隙的映射、定位、复用至STM-n帧单元后进行传输，尤其契合类似语音的时分业务对同步的要求,并能提供大量的低速接口。但同样出于帧结构，SDH制式可通过开销字节实现OAM(操作维护管理)管理，固定的净荷不具备弹性，传输IP报文的效率相对较低。同时，SDH制式设备最大单元为STM-256，从而决定基于SDH的MSTP设备最大光口输出速率为40 Gbit/s。配置标准光保护后，传输系统实际可用带宽仅为20 Gbit/s。

如图5所示，PTN定位于一种面向连接的网络技术，其核心是采用面向分组的通用交叉技术。PTN将现有的光传送网和IP/MPLS(多协议标签交换)/Ethernet(以太网)等网络进行特点融合，以实现对分组化业务的高效传送。通过改进的多协议标签交换实现以弹性IP报文为最小单元的分组多业务传送。目前基于PTN的传输设备能提供大量FE、GE、10GE接口，其最大输出速率为100 Gbit/s。但同样，PTN机制下的时分业务需通过PWE3(边缘到边缘的伪线仿真)封装为以太网数据包进行传送。额外的封装步骤会影响到时分业务的传输时延。

注：C-12——净荷为2 048 kbit/s的虚容器；C-3——净荷为34 368 kbit/s的虚容器；C-4——净荷为139 264 kbit/s的虚容器。

图5 PTN制式的封装示意图

OTN是在WDM(波分复用)的基础上增加了OAM功能，以实现光域内的业务信号传送[3]。

如图6所示，OTN采用类似SDH的复用架构，将OPU-1(容量为2.48 Gbit/s)复用至OTU-1(复用速率为2.48 Gbit/s)和OTU-4(复用速率为100 Gbit/s)的帧单元中，并使用波分复用技术合波后进行传输[4]，合波后的传输速率可达400 Gbit/s及以上。因OTN具有大容量，其设备多应用于上层建筑，用以连接多个接入层网络。若使用OTN制式作为接入网设备，则需要与数通设备、MSTP等设备组合使用，方能提供E1、FE等用户接口。

注：OPU——光净荷单元；OPU-n——光净荷单元等级;OTU-n——光复用颗粒等级。

应采用不同制式各自的优点，扬长避短，使之与业务、用户需求形成高度匹配，以适应传输业务进一步发展的要求。近期，融合了更多SDH与PTN优点的Hybrid MSTP制式设备，以及融合了SDH、PTN、OTN 3种制式的MS-OTN设备被广泛应用，如图7所示。混合制式对业务更具针对性地进行封装处理，保证了时分业务的同步性、分组业务的利用率、波分传送的大带宽,尤其适用于既有线路的大修改造，同时满足时分语音业务、大颗粒高清流媒体业务以及整体系统大容量等用户需求。

注：ODU——光数据单元；OTU-k——光通道传输单元等级。

如表3所示，根据对不同制式的对比可知，融合了多个制式优点的混合制式设备能够提供大量FE、GE接口及一定量的低速、10GE接口。此外，混合制式设备采用大于50.36 Gbit/s的传输速率进行单波传送，更能满足上海城市轨道交通既有线路传输系统大修改造的要求。

表3 不同传输制式的能力对比

3 传输系统设备的组网架构

3.1 节点部署分析

“十四五”期间上海城市轨道交通通过对线路传输业务子系统进行改造，有计划地将这些业务子系统设备逐步迁移进3C大楼，进而实现完整的OCC搬迁。在OCC搬迁的过程中，传输系统作为配套的基建系统，需要未雨绸缪，在大修改造规划时为业务子系统改造过渡期间的多点下落提供先决条件。同时，在保持各线间业务隔离的前提下，应合理整合同类设备节点，收敛管理资源，为数据分析、智能化运维创造条件。

3.2 组网架构分析

如图2所示，3C大楼节点作为原OCC的延伸节点，2个节点间带宽为每环带宽相加，业务经原OCC节点后下落于3C大楼处。这样的布局使得改造业务可灵活落地在2处节点。但是,若原OCC发生故障,将同步影响3C大楼节点的运作，存在较大的风险隐患。

在对某条既有的城市轨道交通线路进行大修改造时，可将3C大楼节点与原OCC节点同时纳入保护环中，形成3C大楼节点与原OCC节点共环的组网架构，如图8所示。此时业务同时经过这2个节点，可灵活选择采用串通或下落的方式，以满足业务子系统的改造需求。同时，环内任意节点发生故障，均可触发光纤复用、MPLS等保护机制，不影响传输业务的正常运作。与图2相比，图8的组网架构具有更高的可靠性。

图8 3C节点与原OCC共同组成环网的架构示意图

在此基础上，线路可进一步组建形成3个中心节点的环网架构，如图9所示，将停车场升级作为新增的核心节点，在3C大楼节点超负荷的情况下为承载系统提供足够大的空间资源，并提供与之匹配的电力支撑，甚至可逐步替代原OCC节点，形成停车场与3C大楼的双核心架构，进而提升上海城市轨道交通机电系统整体布局的灵活性。因而，多中心共环的组网架构可靠性、灵活性更高，应以此作为上海城市轨道交通线路传输系统大修改造组网规划方案。

图9 多中心共环的组网架构示意图

4 建设规划

根据上海城市轨道交通传输系统设备的大修改造周期，应以10年为1个轮次实施大修改造规划，如图10所示。在第1轮次的大修改造中，将改造过渡期的业务需求作为线路传输系统设备选型的参照，其组网架构需满足业务过渡、3C大楼节点保护等要求。待承载业务基本完成从原OCC向3C大楼节点的迁移后，应合理评估改造后传输系统的业务特性、原OCC节点功能、3C大楼节点容量负荷等问题，并评估线路的车辆基地是否有扩容的必要。

在此基础上，对既有线路在业务系统容量、承载业务接入点位等方面进行调整，围绕3C大楼、车站、停车场开展第2轮次的大修改造，如表4所示。按照规划，全线网的传输系统第1轮次大修改造将在2030年前完成，第2轮次大修改造将在2040年前完成。在第1轮次的大修改造中，即可完成对全线网传输系统在制式、品牌上的收敛。通过将数据库整合至主/备服务器，各线路、上层用户均通过C/S(客户端/服务器)、B/S(浏览器/服务器)模式访问服务器，并进行对应权限的操作，最终达到整合管理的目的。

a) 第1轮次传输系统大修改造

表4 上海轨道交通线路传输系统大修改造计划表

5 结语

上海既有的城市轨道交通线路传输系统已难以满足使用需求，大修改造势在必行。本文通过研究传输系统的设备选型、组网架构，总结了线路传输系统的业务需求和节点部署情况，认为采用混合制式设备、建立多中心共环组网架构的线路传输系统具有更高的可靠性和灵活性。在此基础上，对上海城市轨道交通既有线路传输系统进行大修改造规划，以大修改造为契机，计划在10年内将上海城市轨道交通全线网线路传输系统打造成满足业务过渡需求、统一容量规格、集中化智能管理的可靠系统，为上海城市轨道交通的安全运营提供保障。