地铁通信传输系统的方案设计与研究

朱祎

摘要：地铁的通信系统是地铁安全运营的可靠保障，而OTN系统是地铁通信系统的重点和难点，本文主要阐述了南京地铁城市轨道交通通信传输系统的相关内容，浅析了OTN（开放传输网络）的相关技术，仅供参考。

关键词：轨道交通；通信传输；OTN系统

一、城市轨道交通传输系统概述

目前城市轨道交通传输系统承载的业务主要有：专用电话系统、专用无线系统、闭路电视系统、导乘系统等等。城市轨道交通交通传输承载的业务以TDM业务和以太网业务为主。其中TDM业务一直沿袭了传统的2Mb/s中继业务。以太网业务增长迅猛，对传输系统的带宽提出了越来越高的要求。目前，城市轨道交通使用的传输制式有MSTP和OTN（开放传输网络），下文仅介绍专用网最常用的传输技术——开放传输网络（OTN）。

开放传输网络（Open Transport Network，OTN）是以光纤为传输介质的多业务接入和传输系统，是专门为了满足工业环境中遇到的需求而诞生的。OTN采用双环通路，具有更高的网络可用性，并将各种不同服务类型集成到一个单一的网络。

OTN是一种为专网开发的传输制式，做为西门子的专利技术，现已经比较成熟。它是一种企业内部规范，是一种非标准的系统，传输制式非国际标准化，很难在公网中得以广泛应用，但特别适合在业务种类齐全而数量不多的地铁专用网中使用，而且还可以根据用户需求开发各种专用接口电路板。目前OTN已广泛应用于铁路、地铁、轻轨 、矿区、机场、管道运输等场合。

二、南京地铁OTN系统

（一）OTN帧结构

OTN 家族系列里目前有四个成员，即带宽分别为36.864Mb/s（OTN-36）、147.456Mb/s（OTN-150）、589.824Mb/s（OTN-600）和2359.296 Mb/s （OTN-2500）的系统。为了与SDH兼容，西门子还推出了OTN-X3M系列，包括622.08Mb/s（OTN-X3M-622） 、2488.32Mb/s（OTN-X3M-2500） 和10Gbps（OTN-X3M-10G）。

环中OTN节点间的通信采用时分多路复用技术（TDM），允许多个用户共享环的传输媒介。TDM将时间域分成重复的周期，称之为帧。帧可进一步细分为时隙。TDM帧同时在主环和次环中传播。

OTN的帧长31.25 ?s，为电话通信帧125 ?s的四分之一。OTN-36、OTN-150、OTN-600和OTN-2500的TDM帧分别包含1152比特、4608比特、 18432比特、73728比特，其开销特性如表1所示。

表1 OTN帧开销

出于尋址考虑，OTN的TDM帧分为384个信道组或位组，可在主干网并行传输位组的每个位。每个信道组的位数取决于带宽形式。位地址由信道组号（0-383）和组内位号组成（0-11， 0-47或0-191）。

OTN采用异步复用的方式，各种速率的业务直接进入TDM。高效率的复用提高了OTN带宽利用率。

（二）OTN网络组成部分

一个OTN网络必须由光纤、OTN节点、OTN公用逻辑卡、OTN接口卡和网络管理系统等五个主要部分组成，如图1所示。

1.光纤

OTN采用光纤作为传输介质，为传输系统进行可靠通信提供了保证。在地铁、轻轨正线区段沿左右线隧道边墙电缆支架或电缆槽各敷设一条光缆，连接各节点机，形成环状。城市轨道交通传输系统使用的光纤有多模光纤50/125、65/125和单模光纤9/125等三种光纤。

2.OTN节点

OTN有两种兼容的节点类型，可容纳4个接口模块的N215节点或8个接口模块的N22节点。OTN-X3M使用可容纳8个接口模块的N42节点。所有模块均为插入式单元，其前端面板形成OTN节点前端面板。

每个节点都是一个潜在的网络同步主节点，即每个节点均能产生的帧，剩余的网络节点与之同步。当激活的主节点退出，则立即由另一个节点接管其功能。即使在双重错误情况下，出现两个独立的网络，也会各有一个节点自动接管两个网络的主节点任务。

3.OTN公用逻辑卡

公用模块包括光电转换模块（OTR1、OTR2）、光环形适配卡（ORA）和电源模块（PSU）。

两个光电模块（OTR1、OTR2）分别插在ORA卡上，合称公用逻辑卡BORA（宽带光纤环适配器）。OTR1模块位于OTR2模块下方，分别接主环光缆和次环光缆。公用逻辑卡实现时分多路复用（TDM），完成两个OTR模块与所有接口卡之间的输入/输出，ORA将从OTR上收到的信息传送给适当的接口卡上，并把来自接口卡上的信息传送到光纤模块OTR上以供传输。同时ORA卡还可完成与NCC之间的输入/输出，当某一节点的ORA卡与NCC相连时，这个ORA卡则通过以太接口与NCC进行通信，当其他节点的ORA卡与NCC相连时，这个ORA卡则通过光纤环与NCC进行通信。另外ORA能够读出节点机的状态和控制数据，对光纤环进行管理的功能。

电源模块（PSU）共有两种：一种是每个节点机都有的用于产生公用逻辑卡和所有接口卡所需电压（+5V、+12V、-12V）的电源模块。另一种是为装有语音通信的电话终端用户的节点机提供-48V的电源模块，若使用的是模拟电话，则此电源带有铃流发生器，若使用的是数字电话，则不带有铃流发生器。

4.OTN接口卡

所有用户设备均通过相应的接口模块连接到OTN系统。OTN的所有插槽和接口卡的尺寸都是统一的，任何接口卡都可插入任意槽里。所有的用户设备都经过接口卡与OTN系统相连。接口卡完成信息和数字信号的互换，并将数字信号插入到绕环传输的TDM帧中以及从TDM帧中恢复出数字信号。这些接口卡都可以带电插拨。多种接口卡模块可用于语音、数据、LAN、控制和视频等连接。OTN接口卡为用户提供广泛的接口模块，如E1、LAN、视频接口、RS232、RS422等。

5.网络管理系统，称之OMS（OTN管理系统）

OTN网络由OMS进行系统中央故障报告。OMS监视网络，并接收不同节点和接口模块的运行数据告警信息指示错误种类和位置，使告警信息发生后即可进行错误定位和排除。

（三）传输网络拓扑结构

传输网络拓朴可分为逻辑拓朴和物理拓朴，逻辑拓朴描述信息在网上传送的路径，物理拓朴则描述如何安排节点和介质及它们之间的连接。

OTN网络的逻辑拓朴主要采用双环结构。双环结构具有对故障最优的恢复能力，是最完美的一种逻辑拓朴。在双环结构中，光纤线路是闭合的，线路一断开，系统就通过环回方式响应这种变化，并指示故障情况，OTN系统会自动纠正网络中不同类型的错误，保证系统的高可靠性和高可用性。正常情况下，所有连接设备的数据信息经主环传送，次环处于备用状态；紧急情况下，备用的次环可以部分或完全地接管所有的数据传输。

一般来说，城市轨道交通的车站物理上呈链型结构分布，控制中心、每个车站及车辆段都有传输节点。为了避免顺站环接首尾距离过长损耗太大，节省对光缆的投资，南京地铁的传输系统采用跳站回环的方式进行连接成逻辑双环结构，并采用主备环保护方式确保业务通道的可靠性。

（四）系统的可靠性

OTN-X3M 简单一体化的结构设计，以及使用的元件和制造工艺经全球广泛地铁用户的使用，证明了极高的可靠性。系统内控制中心、车辆段、各车站的设备，关键部件进行热备份，充分保证设备的安全、可靠运行。OTN-X3M 是模块化结构设计的。所有设备（包括节点箱、接口板卡、电源、电缆、光收发器等）都是采用统一的和工艺和规格设计生产， 任何一个部分出现损坏或故障， 只要用相应的新的组件替代就可以了，不会影响到与之相连的其他组件。所有 OTN 上运行的业务都是以 OTN 双纤自愈环为载体。所有信息都处于环路保护之下。