地铁乘客信息系统传输方案应用研究

黄培林，王 通

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 通信信号设计研究处，430063 武汉；2.杭州华三通信技术有限公司 北京分部，100052 北京）

地铁乘客信息系统传输方案应用研究

黄培林1，王 通2

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 通信信号设计研究处，430063 武汉；2.杭州华三通信技术有限公司 北京分部，100052 北京）

地铁乘客信息系统（PIS）组成复杂，业务类型多样。随着地铁对PIS应用的不断深入和要求的不断提高，有些城市已经出现传统传输方案无法适应PIS需求的情况。本文结合PIS业务特点以及对传输网络要求，对当前国内PIS业务主要的传输承载方案进行分析，并提出适合PIS业务传输方案的选择原则和建设思路。

乘客信息系统；传输系统；MSTP；RPR；RRPP

乘客信息系统（PIS）是承载乘客信息服务的媒介。随着城市地铁的大力发展、各地建设开通线路的增多以及应用技术的成熟，PIS的建设方案和设计模式也趋于稳定，得到越来越广泛的重视。传输是PIS解决方案的重要组成部分。传统方案中，传输为PIS以及其他通信系统、列车自动监控、自动售检票、火灾自动报警、门禁系统等提供数据通道，是传送语音、视频、数据等多种类型的统一业务传输网。随着地铁建设和运维等相关部门的要求不断提高，业务需求不断丰富，已经出现原有传统传输方案不能满足现有PIS需求的情况。国内已有多个城市尝试结合PIS采用新的传输方案，并开始了实质性的探索。

1 PIS传输需求分析

1.1 业务特点

PIS组成复杂，业务类型多样，对于传输方案的要求相对于其他通信子系统也更加严格。国内地铁PIS的业务有以下特点。

（1）实时性要求高。PIS主要是实时播放的视频业务，时延要求较高。乘客在站厅、站台以及车厢要求能够看到实时播放的视频，在控制中心能够看到实时上传的车载监控视频。对于车载及站台视频播放、车载监控视频上传以及乘客自助查询等功能要求效果清晰、流畅、及时。

（2）可靠性要求高。由于PIS的高实时性要求，所以，需要避免因为数据通道故障所引起的业务中断。

（3）扩展性要求高。地铁线路建设周期长，尤其是线路规划距离长的线路，为了能够尽快开通投入运行，多个城市均采用分期建设分期开通的方式。在进行分段开通时，要求后期线路开通调试时不能对先期已开通线路的PIS的日常应用产生影响。

（4）运维要求简单。PIS设备数量众多，与其他系统接口多样，要求支持通过统一的管理平台，实现系统所有网络设备的统一管理，从而简化运维复杂程度。

（5）IP数据类型多样。PIS是基于IP技术构建的业务系统，通过丰富的IP报文承载不同的业务内容实现系统的各项功能。

1.2 传输要求

通过PIS业务特点分析，对承载该业务的传输方案来说，要求具备以下能力。

（1）高实时提供能力。传输需要支持200 ms以内的PIS招标端到端的业务时延，还要支持必要的QoS（服务质量）措施，保障PIS业务所需要的带宽，避免因为丢包影响视频的实时播放。

（2）高可靠保障能力。支持50 ms单点故障自愈是目前国内PIS招标中对于传输高可靠性的基本要求，通过传输50 ms单点故障自愈实现乘客无感知，保障PIS的业务持续性。

（3）高扩展实现能力。传输应具备业务的扩展能力，在端口和带宽提供上，支持按需扩展。同时，针对地铁分段建设分段开通的模式，在开通段PIS业务合入既有段时，要求不影响原有业务运行。

（4）简单易维护。支持丰富的设备运行状态信息显示方式，可提供简单有效的管理手段便于维护人员迅速了解设备运行状态，减少运维人员的维护工作量。

（5）对IP数据类型完全支持。要求传输对PIS中组播、广播、单播报文的完全支持，完全按照其协议实现报文转发和处理流程，具备对IP报文高效的处理效率。

2 技术方向分析

2.1 技术方向

国内地铁PIS传输方案主要分为两个方向：专用通信系统构造统一的数据传输通道，PIS作为专用通信子系统之一，专用传输设备为PIS规划特定带宽；PIS单独构建本系统的传输网络，并不与其他系统共用。

2.2 统一构建方案

采用专用传输为PIS提供数据通道是国内PIS传输建设的传统方案，也是常用方案。图1为该方案拓扑。每个车站、车辆段以及控制中心均配置1台传输设备。车站、车辆段PIS交换机通过传输设备所构建的环网与处于控制中心的PIS核心交换机建立链路，从而实现控制中心到车站、车辆段以及控制中心到列车的双向数据通道。其传输设备所组成的站间环网分为单环、相交环、相切环等多种形式。

图1 PIS采用传输统一构建方案拓扑

在本方案中，传输作为专用通信中的子系统单独建设，为包括PIS在内的多个业务系统提供数据通道，所承载业务既包括传统的TDM（时分复用）类业务，如公务电话、专用电话、无线通信等；也包括大带宽需求的IP分组类业务，如PIS、CCTV、计算机信息网等。可以看出，传统专用传输方案的最大优势在于对TDM业务和IP分组业务同时支持。所以，传输设备所承载业务多样，接口类型复杂，还要求具备点对点式、一点对多点式、总线式等多种信道类型。例如，对于公务电话、无线通信业务等，提供接口类型为E1的2 Mbps点对点信道；对于专用电话业务，提供音频2线的64 kbps点对点通道；对于PIS、CCTV业务，提供接口类型为SFP或RJ45的1 000 Mbps总线型通道。

当前，专用传输采用的技术多为OTN（开放传输网络）和内嵌RPR（弹性分组环）的MSTP（多业务传送平台）技术。例如，苏州地铁1、2、4号线、南京地铁1、2、3号线等线路的专用传输采用OTN技术；武汉地铁2、3、4号线、杭州地铁1、2、4号线等线路的专用传输采用内嵌RPR的MSTP技术。

OTN和MSTP原理相近，都是基于TDM的技术，可实现各子系统的物理隔离，解决大颗粒数据业务的共享和环网保护，支持多种协议及业务类型，接口类型丰富。尤其是OTN技术，对于语音、视频、数据、广播均可提供接口卡。但该技术在传送宽带数据业务时不能满足大带宽需求，只能做到数据的通道透传，业务交换困难，且该技术为私有技术，无法与其他厂家实现互通。

MSTP技术具有在SDH帧格式中提供不同颗粒的多种业务、多种协议的接入、汇聚和传输能力。MSTP对以太网业务的处理上从以太网透传到二层交换功能不断得到发展。在MSTP中引入RPR机制，通过虚容器VC划分独立的通道支持RPR功能。该技术通过一块集成RPR各项功能的单板完成MAC层处理，将处理后的RPR业务按照GFP、LAPS或HDLC标准映射到SDH帧结构。通过RPR的双环传送、统计复用、带宽共享、公平接入等多种技术手段提高了传送效率，通过严格的COS（服务等级）和业务优先级保证了用户业务的服务质量，并可提供50 ms的快速保护，改善了以太网业务的带宽共享能力和公平竞争性，充分提高MSTP产品的竞争力。内嵌RPR的MSPT技术功能框图如图2所示[1]。

图2 内嵌RPR的MSTP功能框图

内嵌RPR的MSTP技术早已实现国产，成熟度高。信息产业部已于2005年11月颁布了《基于SDH的多业务传送结点（MSTP）技术要求——内嵌弹性分组换（RPR）功能部分》（YD/T 1345-2005标准），实现了标准化。相对于OTN技术，内嵌RPR的MSTP在地铁中应用案例数量更多，是目前地铁行业中传输系统应用最为广泛的技术。

数据交换的特性在于突发性，只有通过统计复用才能降低网络造价。内嵌RPR的MSTP方案为IP业务所提供的各个以太网透传通道间并没有实现复用。近几年逐步受轨道交通线路延长、视频等大带宽业务快速发展等因素影响，传统内嵌RPR的MSTP技术在带宽、组网方面的局限性逐步凸显。在地铁业务IP化的趋势下，对每个以太网透传业务都提供一次映射和解映射，成本开销大，以太网映射效率低。在实际应用中，也的确存在部分城市PIS业务的支持上不是特别的完善，效果不甚理想，例如，组播报文处理时的丢包，列车快速移动过程中要求地面有线网络更新MAC地址表项能力偏弱等问题，这都造成了该技术在PIS方案中应用的局限性。

增强型MSTP技术在近两年出现，即MSTP+ PTN。该技术实现了地铁通信中的TDM业务和分组业务的统一承载，采用硬软通道对多业务的独立承载实行物理隔离，在保证硬通道的TDM业务质量的同时，分组弹性管道可以保证视频监控等突发业务的数据传输。作为一种新兴的传输技术，MSTP+PTN已经应用于北京地铁16号线、燕房线，深圳地铁7、9号线。但是，上述线路还在建设中，尚未开通，其实际效果有待检验。

2.3 单独构建方案

单独为PIS构建业务网络的方案已应用的越来越多，图3为该方案拓扑。车站、车辆段交换机通过光接口与控制中心核心交换机建立光纤环网链路，从而实现控制中心到车站、车辆段以及控制中心到车辆的双向数据通道。与统一构建方案类似，根据车站数量规模，可以将环网部署成单环、相切环、相交环等多种形式。对于公务电话、专用电话、广播、自动售检票、综合监控等其他系统仍由采用专用传输提供业务数据通道。

图3 PIS采用系统单独构建方案拓扑

该方案相对于专用传输构建方案最大的区别在于通过以太网交换机所提供的光口组成环网实现整个线路PIS业务承载。PIS作为基于IP技术所构建的业务系统，对于IP数据报文的处理有着非常高的要求。而以太网交换机本身处理的就是IP报文的转发，对于IP数据的处理有着天然的优势。IP以太环网协议有很多，在PIS中应用比较典型的是RPR协议和RRPP协议。

当前为地铁行业提供RPR技术的设备主要包括两类：基于MSTP的内嵌RPR和IP RPR。由于PIS本身就是基于IP的业务，所以，采用IP RPR技术可以做到很好的支持。杭州地铁4号线PIS采用IP RPR单独组网的方案已经开通，系统运行良好。

RRPP（快速环网保护协议）作为一种低成本的软件环网保护技术，具备支持50 ms故障收敛、协议实现简单、便于应用等特点。RRPP在以太网环完整时能够防止数据环路引起的广播风暴，而当以太网环上一条链路断开时能迅速恢复环网上各个节点之间的通信通路。相对于RPR协议只有高端设备能支持，RRPP协议高中低端交换机均可支持，大大降低应用成本。在该方案中，PIS系统不再依靠专用传输，而是通过车站和中心交换机加装千兆光模块组成PIS专用环网，不需要另外采购设备，完全满足PIS业务要求。

除了对IP完全的支持以外，RRPP通过对IP数据报文的无阻塞交换以及业务单独承载方式避免业务报文产生阻塞及低时延；通过50 ms故障自愈以及设备本身的可靠性设计实现方案的高可靠保障能力，业务割接时可以做到不影响既有节点业务；通过环网不受节点数影响以及环网结点交换机本身扩展性的特点实现整体方案的高扩展能力；通过统一网管方式实现对全网所有地面有线网络和车地无线网络设备的一体化管理，利用网管丰富的功能特性实现方案的简单易维护。

在尚未开通的宁波地铁2号线、合肥地铁1号线等线路的PIS已经确定采用RRPP方案，在已经开通并采用RRPP的深圳地铁4号线、杭州地铁1号线、哈尔滨地铁1号线的PIS，系统运行效果良好，完全满足既定设计要求，得到地铁业主的高度评价。

3 实际应用分析

在某城市线路的PIS建设过程中，原有方案中PIS数据由采用内嵌RPR的MSTP专用传输设备所提供数据通道进行传输。在该系统的调试过程中，出现站台显示屏黑屏和多列列车运营时车载显示屏黑屏的现象。

通过对上述问题定位，发现原有传输设备存在如下问题：

（1）中心至站台的视频通过组播数据下发，现有传输设备对于组播数据的处理能力不足，大量的组播数据报文处理导致传输设备CPU负荷增加，性能降低，造成组播业务报文的丢包。组播源基于IGMP（互联网组管理协议）协议向组播组成员发送通用查询报文，用于查询哪些组播组存在成员。由于出现组播报文丢包，组播源发出的组播成员查询请求报文得不到应答，从而使得组播组成员丢失，造成组播源发出的视频流无法下发到车站，最终出现车站显示屏黑屏。

（2）在列车移动过程中，当发生车载AP与轨旁AP切换时，车载AP会发送免费ARP（地址解析协议）报文以实现地面有线交换机以及传输设备的MAC地址表项更新。在车载网络采用二层方案的情况下，大量车载终端的MAC地址也需要在地面有线设备得到更新，以实现数据流能够正确的根据其MAC地址表项下发到正确的车站交换机和轨旁AP上。由于现有传输设备对于MAC地址表项的刷新能力不足，列车在移动过程中已经完成车载AP与轨旁AP的切换，但是，其传输设备数据转发的端口仍然停留在原有端口，使得中心下发到列车的视频无法到达车载网络，导致列车车载显示屏无法正常显示，出现马赛克、画面中断、黑屏等现象。

在方案改造中，通过车站交换机组成的RRPP环网替代原有传输方案，问题得以解决。由于该协议是基于以太网链路层的协议，并在以太网交换机来实现IP业务报文的承载，该方案对于PIS业务所要求的单播、组播、广播报文能够做到很好的支持，同时交换机的高性能MAC地址表项更新能力也能够满足列车在快速移动过程中的要求。

4 结束语

PIS作为基于IP技术构建的业务系统，要求系统解决方案对于IP技术能够充分支持。MSTP内嵌RPR技术虽然可以实现对PIS在内的多业务系统统一承载，但是，在多个城市的实际应用过程中的确出现不能适应PIS业务需求的问题。其他新兴的传输技术由于处于应用的初期，还未经过实际现场的检验，方案尚未完全成熟。

业务IP化已经成为当前地铁通信系统的发展趋势和业界共识。建议对于暂时尚不能IP的业务可以仍然采用支持TDM业务的传统传输技术，而对于已经实现IP化的业务采用IP网络方案承载。基于IP以太环网协议构建的PIS传输网络在业务支持的充分性上，在系统运维的简易程度上，在应用的商务成本上都完全满足地铁行业当前的要求。国内已经有大量地铁城市开始采用该方案，并且取得了很好的应用效果，完全可以作为现阶段PIS建设方案考虑的技术方向。

[1]中华人民共和国工业和信息化部.基于SDH的多业务传送结点（MSTP）技术要求—内嵌弹性分组换（RPR）功能部分[S].中华人民共和国工业和信息化部，2009.

责任编辑 陈 蓉

Communication transmission scheme for Urban Transit of Passenger Information System

HUANG Peilin1, WANG Tong2
( 1.Communication & Signal Design & Research Dept., China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.Ltd., Wuhan 430063, China; 2.Beijing Branch, Hangzhou H3C Technologies Co.Ltd., Beijing 100052, China )

Passenger Information System (PIS) is a complicated system with various types of service.With the further application and the increasing requirements, the original communication transmission scheme for Urban Transit of PIS could not meet the need of PIS in some cities.Based on the service characteristics and the requirement to communication transmission of PIS, this article analyzed the current domestic communication transmission scheme of PIS, proposed the appropriate principle and the construction thinking of the scheme.

Passenger Information System(PIS); Communication Transmission System; MSTP; RPR; RRPP

U231.6∶TP39

A

2015-08-04

黄培林，高级工程师；王 通，高级工程师。

1005-8451（2016）03-0057-05