地鐵通信傳輸系統的方案設計與研究

朱祎

摘要：地鐵的通信系統是地鐵安全運營的可靠保障，而OTN系統是地鐵通信系統的重點和難點，本文主要闡述了南京地鐵城市軌道交通通信傳輸系統的相關內容，淺析了OTN（開放傳輸網絡）的相關技術，僅供參考。

關鍵詞：軌道交通；通信傳輸；OTN系統

一、城市軌道交通傳輸系統概述

目前城市軌道交通傳輸系統承載的業務主要有：專用電話系統、專用無線系統、閉路電視系統、導乘系統等等。城市軌道交通交通傳輸承載的業務以TDM業務和以太網業務為主。其中TDM業務一直沿襲了傳統的2Mb/s中繼業務。以太網業務增長迅猛，對傳輸系統的帶寬提出了越來越高的要求。目前，城市軌道交通使用的傳輸制式有MSTP和OTN（開放傳輸網絡），下文僅介紹專用網最常用的傳輸技術——開放傳輸網絡（OTN）。

開放傳輸網絡（Open Transport Network，OTN）是以光纖為傳輸介質的多業務接入和傳輸系統，是專門為了滿足工業環境中遇到的需求而誕生的。OTN采用雙環通路，具有更高的網絡可用性，并將各種不同服務類型集成到一個單一的網絡。

OTN是一種為專網開發的傳輸制式，做為西門子的專利技術，現已經比較成熟。它是一種企業內部規范，是一種非標準的系統，傳輸制式非國際標準化，很難在公網中得以廣泛應用，但特別適合在業務種類齊全而數量不多的地鐵專用網中使用，而且還可以根據用戶需求開發各種專用接口電路板。目前OTN已廣泛應用于鐵路、地鐵、輕軌 、礦區、機場、管道運輸等場合。

二、南京地鐵OTN系統

（一）OTN幀結構

OTN 家族系列里目前有四個成員，即帶寬分別為36.864Mb/s（OTN-36）、147.456Mb/s（OTN-150）、589.824Mb/s（OTN-600）和2359.296 Mb/s （OTN-2500）的系統。為了與SDH兼容，西門子還推出了OTN-X3M系列，包括622.08Mb/s（OTN-X3M-622） 、2488.32Mb/s（OTN-X3M-2500） 和10Gbps（OTN-X3M-10G）。

環中OTN節點間的通信采用時分多路復用技術（TDM），允許多個用戶共享環的傳輸媒介。TDM將時間域分成重復的周期，稱之為幀。幀可進一步細分為時隙。TDM幀同時在主環和次環中傳播。

OTN的幀長31.25 ?s，為電話通信幀125 ?s的四分之一。OTN-36、OTN-150、OTN-600和OTN-2500的TDM幀分別包含1152比特、4608比特、 18432比特、73728比特，其開銷特性如表1所示。

表1 OTN幀開銷

出于尋址考慮，OTN的TDM幀分為384個信道組或位組，可在主干網并行傳輸位組的每個位。每個信道組的位數取決于帶寬形式。位地址由信道組號（0-383）和組內位號組成（0-11， 0-47或0-191）。

OTN采用異步復用的方式，各種速率的業務直接進入TDM。高效率的復用提高了OTN帶寬利用率。

（二）OTN網絡組成部分

一個OTN網絡必須由光纖、OTN節點、OTN公用邏輯卡、OTN接口卡和網絡管理系統等五個主要部分組成，如圖1所示。

1.光纖

OTN采用光纖作為傳輸介質，為傳輸系統進行可靠通信提供了保證。在地鐵、輕軌正線區段沿左右線隧道邊墻電纜支架或電纜槽各敷設一條光纜，連接各節點機，形成環狀。城市軌道交通傳輸系統使用的光纖有多模光纖50/125、65/125和單模光纖9/125等三種光纖。

2.OTN節點

OTN有兩種兼容的節點類型，可容納4個接口模塊的N215節點或8個接口模塊的N22節點。OTN-X3M使用可容納8個接口模塊的N42節點。所有模塊均為插入式單元，其前端面板形成OTN節點前端面板。

每個節點都是一個潛在的網絡同步主節點，即每個節點均能產生的幀，剩余的網絡節點與之同步。當激活的主節點退出，則立即由另一個節點接管其功能。即使在雙重錯誤情況下，出現兩個獨立的網絡，也會各有一個節點自動接管兩個網絡的主節點任務。

3.OTN公用邏輯卡

公用模塊包括光電轉換模塊（OTR1、OTR2）、光環形適配卡（ORA）和電源模塊（PSU）。

兩個光電模塊（OTR1、OTR2）分別插在ORA卡上，合稱公用邏輯卡BORA（寬帶光纖環適配器）。OTR1模塊位于OTR2模塊下方，分別接主環光纜和次環光纜。公用邏輯卡實現時分多路復用（TDM），完成兩個OTR模塊與所有接口卡之間的輸入/輸出，ORA將從OTR上收到的信息傳送給適當的接口卡上，并把來自接口卡上的信息傳送到光纖模塊OTR上以供傳輸。同時ORA卡還可完成與NCC之間的輸入/輸出，當某一節點的ORA卡與NCC相連時，這個ORA卡則通過以太接口與NCC進行通信，當其他節點的ORA卡與NCC相連時，這個ORA卡則通過光纖環與NCC進行通信。另外ORA能夠讀出節點機的狀態和控制數據，對光纖環進行管理的功能。

電源模塊（PSU）共有兩種：一種是每個節點機都有的用于產生公用邏輯卡和所有接口卡所需電壓（+5V、+12V、-12V）的電源模塊。另一種是為裝有語音通信的電話終端用戶的節點機提供-48V的電源模塊，若使用的是模擬電話，則此電源帶有鈴流發生器，若使用的是數字電話，則不帶有鈴流發生器。

4.OTN接口卡

所有用戶設備均通過相應的接口模塊連接到OTN系統。OTN的所有插槽和接口卡的尺寸都是統一的，任何接口卡都可插入任意槽里。所有的用戶設備都經過接口卡與OTN系統相連。接口卡完成信息和數字信號的互換，并將數字信號插入到繞環傳輸的TDM幀中以及從TDM幀中恢復出數字信號。這些接口卡都可以帶電插撥。多種接口卡模塊可用于語音、數據、LAN、控制和視頻等連接。OTN接口卡為用戶提供廣泛的接口模塊，如E1、LAN、視頻接口、RS232、RS422等。

5.網絡管理系統，稱之OMS（OTN管理系統）

OTN網絡由OMS進行系統中央故障報告。OMS監視網絡，并接收不同節點和接口模塊的運行數據告警信息指示錯誤種類和位置，使告警信息發生后即可進行錯誤定位和排除。

（三）傳輸網絡拓撲結構

傳輸網絡拓樸可分為邏輯拓樸和物理拓樸，邏輯拓樸描述信息在網上傳送的路徑，物理拓樸則描述如何安排節點和介質及它們之間的連接。

OTN網絡的邏輯拓樸主要采用雙環結構。雙環結構具有對故障最優的恢復能力，是最完美的一種邏輯拓樸。在雙環結構中，光纖線路是閉合的，線路一斷開，系統就通過環回方式響應這種變化，并指示故障情況，OTN系統會自動糾正網絡中不同類型的錯誤，保證系統的高可靠性和高可用性。正常情況下，所有連接設備的數據信息經主環傳送，次環處于備用狀態；緊急情況下，備用的次環可以部分或完全地接管所有的數據傳輸。

一般來說，城市軌道交通的車站物理上呈鏈型結構分布，控制中心、每個車站及車輛段都有傳輸節點。為了避免順站環接首尾距離過長損耗太大，節省對光纜的投資，南京地鐵的傳輸系統采用跳站回環的方式進行連接成邏輯雙環結構，并采用主備環保護方式確保業務通道的可靠性。

（四）系統的可靠性

OTN-X3M 簡單一體化的結構設計，以及使用的元件和制造工藝經全球廣泛地鐵用戶的使用，證明了極高的可靠性。系統內控制中心、車輛段、各車站的設備，關鍵部件進行熱備份，充分保證設備的安全、可靠運行。OTN-X3M 是模塊化結構設計的。所有設備（包括節點箱、接口板卡、電源、電纜、光收發器等）都是采用統一的和工藝和規格設計生產， 任何一個部分出現損壞或故障， 只要用相應的新的組件替代就可以了，不會影響到與之相連的其他組件。所有 OTN 上運行的業務都是以 OTN 雙纖自愈環為載體。所有信息都處于環路保護之下。