地鐵乘客信息系統傳輸方案應用研究

黃培林，王 通

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 通信信號設計研究處，430063 武漢；2.杭州華三通信技術有限公司 北京分部，100052 北京）

地鐵乘客信息系統傳輸方案應用研究

黃培林1，王 通2

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 通信信號設計研究處，430063 武漢；2.杭州華三通信技術有限公司 北京分部，100052 北京）

地鐵乘客信息系統（PIS）組成復雜，業務類型多樣。隨著地鐵對PIS應用的不斷深入和要求的不斷提高，有些城市已經出現傳統傳輸方案無法適應PIS需求的情況。本文結合PIS業務特點以及對傳輸網絡要求，對當前國內PIS業務主要的傳輸承載方案進行分析，并提出適合PIS業務傳輸方案的選擇原則和建設思路。

乘客信息系統；傳輸系統；MSTP；RPR；RRPP

乘客信息系統（PIS）是承載乘客信息服務的媒介。隨著城市地鐵的大力發展、各地建設開通線路的增多以及應用技術的成熟，PIS的建設方案和設計模式也趨于穩定，得到越來越廣泛的重視。傳輸是PIS解決方案的重要組成部分。傳統方案中，傳輸為PIS以及其他通信系統、列車自動監控、自動售檢票、火災自動報警、門禁系統等提供數據通道，是傳送語音、視頻、數據等多種類型的統一業務傳輸網。隨著地鐵建設和運維等相關部門的要求不斷提高，業務需求不斷豐富，已經出現原有傳統傳輸方案不能滿足現有PIS需求的情況。國內已有多個城市嘗試結合PIS采用新的傳輸方案，并開始了實質性的探索。

1 PIS傳輸需求分析

1.1 業務特點

PIS組成復雜，業務類型多樣，對于傳輸方案的要求相對于其他通信子系統也更加嚴格。國內地鐵PIS的業務有以下特點。

（1）實時性要求高。PIS主要是實時播放的視頻業務，時延要求較高。乘客在站廳、站臺以及車廂要求能夠看到實時播放的視頻，在控制中心能夠看到實時上傳的車載監控視頻。對于車載及站臺視頻播放、車載監控視頻上傳以及乘客自助查詢等功能要求效果清晰、流暢、及時。

（2）可靠性要求高。由于PIS的高實時性要求，所以，需要避免因為數據通道故障所引起的業務中斷。

（3）擴展性要求高。地鐵線路建設周期長，尤其是線路規劃距離長的線路，為了能夠盡快開通投入運行，多個城市均采用分期建設分期開通的方式。在進行分段開通時，要求后期線路開通調試時不能對先期已開通線路的PIS的日常應用產生影響。

（4）運維要求簡單。PIS設備數量眾多，與其他系統接口多樣，要求支持通過統一的管理平臺，實現系統所有網絡設備的統一管理，從而簡化運維復雜程度。

（5）IP數據類型多樣。PIS是基于IP技術構建的業務系統，通過豐富的IP報文承載不同的業務內容實現系統的各項功能。

1.2 傳輸要求

通過PIS業務特點分析，對承載該業務的傳輸方案來說，要求具備以下能力。

（1）高實時提供能力。傳輸需要支持200 ms以內的PIS招標端到端的業務時延，還要支持必要的QoS（服務質量）措施，保障PIS業務所需要的帶寬，避免因為丟包影響視頻的實時播放。

（2）高可靠保障能力。支持50 ms單點故障自愈是目前國內PIS招標中對于傳輸高可靠性的基本要求，通過傳輸50 ms單點故障自愈實現乘客無感知，保障PIS的業務持續性。

（3）高擴展實現能力。傳輸應具備業務的擴展能力，在端口和帶寬提供上，支持按需擴展。同時，針對地鐵分段建設分段開通的模式，在開通段PIS業務合入既有段時，要求不影響原有業務運行。

（4）簡單易維護。支持豐富的設備運行狀態信息顯示方式，可提供簡單有效的管理手段便于維護人員迅速了解設備運行狀態，減少運維人員的維護工作量。

（5）對IP數據類型完全支持。要求傳輸對PIS中組播、廣播、單播報文的完全支持，完全按照其協議實現報文轉發和處理流程，具備對IP報文高效的處理效率。

2 技術方向分析

2.1 技術方向

國內地鐵PIS傳輸方案主要分為兩個方向：專用通信系統構造統一的數據傳輸通道，PIS作為專用通信子系統之一，專用傳輸設備為PIS規劃特定帶寬；PIS單獨構建本系統的傳輸網絡，并不與其他系統共用。

2.2 統一構建方案

采用專用傳輸為PIS提供數據通道是國內PIS傳輸建設的傳統方案，也是常用方案。圖1為該方案拓撲。每個車站、車輛段以及控制中心均配置1臺傳輸設備。車站、車輛段PIS交換機通過傳輸設備所構建的環網與處于控制中心的PIS核心交換機建立鏈路，從而實現控制中心到車站、車輛段以及控制中心到列車的雙向數據通道。其傳輸設備所組成的站間環網分為單環、相交環、相切環等多種形式。

圖1 PIS采用傳輸統一構建方案拓撲

在本方案中，傳輸作為專用通信中的子系統單獨建設，為包括PIS在內的多個業務系統提供數據通道，所承載業務既包括傳統的TDM（時分復用）類業務，如公務電話、專用電話、無線通信等；也包括大帶寬需求的IP分組類業務，如PIS、CCTV、計算機信息網等。可以看出，傳統專用傳輸方案的最大優勢在于對TDM業務和IP分組業務同時支持。所以，傳輸設備所承載業務多樣，接口類型復雜，還要求具備點對點式、一點對多點式、總線式等多種信道類型。例如，對于公務電話、無線通信業務等，提供接口類型為E1的2 Mbps點對點信道；對于專用電話業務，提供音頻2線的64 kbps點對點通道；對于PIS、CCTV業務，提供接口類型為SFP或RJ45的1 000 Mbps總線型通道。

當前，專用傳輸采用的技術多為OTN（開放傳輸網絡）和內嵌RPR（彈性分組環）的MSTP（多業務傳送平臺）技術。例如，蘇州地鐵1、2、4號線、南京地鐵1、2、3號線等線路的專用傳輸采用OTN技術；武漢地鐵2、3、4號線、杭州地鐵1、2、4號線等線路的專用傳輸采用內嵌RPR的MSTP技術。

OTN和MSTP原理相近，都是基于TDM的技術，可實現各子系統的物理隔離，解決大顆粒數據業務的共享和環網保護，支持多種協議及業務類型，接口類型豐富。尤其是OTN技術，對于語音、視頻、數據、廣播均可提供接口卡。但該技術在傳送寬帶數據業務時不能滿足大帶寬需求，只能做到數據的通道透傳，業務交換困難，且該技術為私有技術，無法與其他廠家實現互通。

MSTP技術具有在SDH幀格式中提供不同顆粒的多種業務、多種協議的接入、匯聚和傳輸能力。MSTP對以太網業務的處理上從以太網透傳到二層交換功能不斷得到發展。在MSTP中引入RPR機制，通過虛容器VC劃分獨立的通道支持RPR功能。該技術通過一塊集成RPR各項功能的單板完成MAC層處理，將處理后的RPR業務按照GFP、LAPS或HDLC標準映射到SDH幀結構。通過RPR的雙環傳送、統計復用、帶寬共享、公平接入等多種技術手段提高了傳送效率，通過嚴格的COS（服務等級）和業務優先級保證了用戶業務的服務質量，并可提供50 ms的快速保護，改善了以太網業務的帶寬共享能力和公平競爭性，充分提高MSTP產品的競爭力。內嵌RPR的MSPT技術功能框圖如圖2所示[1]。

圖2 內嵌RPR的MSTP功能框圖

內嵌RPR的MSTP技術早已實現國產，成熟度高。信息產業部已于2005年11月頒布了《基于SDH的多業務傳送結點（MSTP）技術要求——內嵌彈性分組換（RPR）功能部分》（YD/T 1345-2005標準），實現了標準化。相對于OTN技術，內嵌RPR的MSTP在地鐵中應用案例數量更多，是目前地鐵行業中傳輸系統應用最為廣泛的技術。

數據交換的特性在于突發性，只有通過統計復用才能降低網絡造價。內嵌RPR的MSTP方案為IP業務所提供的各個以太網透傳通道間并沒有實現復用。近幾年逐步受軌道交通線路延長、視頻等大帶寬業務快速發展等因素影響，傳統內嵌RPR的MSTP技術在帶寬、組網方面的局限性逐步凸顯。在地鐵業務IP化的趨勢下，對每個以太網透傳業務都提供一次映射和解映射，成本開銷大，以太網映射效率低。在實際應用中，也的確存在部分城市PIS業務的支持上不是特別的完善，效果不甚理想，例如，組播報文處理時的丟包，列車快速移動過程中要求地面有線網絡更新MAC地址表項能力偏弱等問題，這都造成了該技術在PIS方案中應用的局限性。

增強型MSTP技術在近兩年出現，即MSTP+ PTN。該技術實現了地鐵通信中的TDM業務和分組業務的統一承載，采用硬軟通道對多業務的獨立承載實行物理隔離，在保證硬通道的TDM業務質量的同時，分組彈性管道可以保證視頻監控等突發業務的數據傳輸。作為一種新興的傳輸技術，MSTP+PTN已經應用于北京地鐵16號線、燕房線，深圳地鐵7、9號線。但是，上述線路還在建設中，尚未開通，其實際效果有待檢驗。

2.3 單獨構建方案

單獨為PIS構建業務網絡的方案已應用的越來越多，圖3為該方案拓撲。車站、車輛段交換機通過光接口與控制中心核心交換機建立光纖環網鏈路，從而實現控制中心到車站、車輛段以及控制中心到車輛的雙向數據通道。與統一構建方案類似，根據車站數量規模，可以將環網部署成單環、相切環、相交環等多種形式。對于公務電話、專用電話、廣播、自動售檢票、綜合監控等其他系統仍由采用專用傳輸提供業務數據通道。

圖3 PIS采用系統單獨構建方案拓撲

該方案相對于專用傳輸構建方案最大的區別在于通過以太網交換機所提供的光口組成環網實現整個線路PIS業務承載。PIS作為基于IP技術所構建的業務系統，對于IP數據報文的處理有著非常高的要求。而以太網交換機本身處理的就是IP報文的轉發，對于IP數據的處理有著天然的優勢。IP以太環網協議有很多，在PIS中應用比較典型的是RPR協議和RRPP協議。

當前為地鐵行業提供RPR技術的設備主要包括兩類：基于MSTP的內嵌RPR和IP RPR。由于PIS本身就是基于IP的業務，所以，采用IP RPR技術可以做到很好的支持。杭州地鐵4號線PIS采用IP RPR單獨組網的方案已經開通，系統運行良好。

RRPP（快速環網保護協議）作為一種低成本的軟件環網保護技術，具備支持50 ms故障收斂、協議實現簡單、便于應用等特點。RRPP在以太網環完整時能夠防止數據環路引起的廣播風暴，而當以太網環上一條鏈路斷開時能迅速恢復環網上各個節點之間的通信通路。相對于RPR協議只有高端設備能支持，RRPP協議高中低端交換機均可支持，大大降低應用成本。在該方案中，PIS系統不再依靠專用傳輸，而是通過車站和中心交換機加裝千兆光模塊組成PIS專用環網，不需要另外采購設備，完全滿足PIS業務要求。

除了對IP完全的支持以外，RRPP通過對IP數據報文的無阻塞交換以及業務單獨承載方式避免業務報文產生阻塞及低時延；通過50 ms故障自愈以及設備本身的可靠性設計實現方案的高可靠保障能力，業務割接時可以做到不影響既有節點業務；通過環網不受節點數影響以及環網結點交換機本身擴展性的特點實現整體方案的高擴展能力；通過統一網管方式實現對全網所有地面有線網絡和車地無線網絡設備的一體化管理，利用網管豐富的功能特性實現方案的簡單易維護。

在尚未開通的寧波地鐵2號線、合肥地鐵1號線等線路的PIS已經確定采用RRPP方案，在已經開通并采用RRPP的深圳地鐵4號線、杭州地鐵1號線、哈爾濱地鐵1號線的PIS，系統運行效果良好，完全滿足既定設計要求，得到地鐵業主的高度評價。

3 實際應用分析

在某城市線路的PIS建設過程中，原有方案中PIS數據由采用內嵌RPR的MSTP專用傳輸設備所提供數據通道進行傳輸。在該系統的調試過程中，出現站臺顯示屏黑屏和多列列車運營時車載顯示屏黑屏的現象。

通過對上述問題定位，發現原有傳輸設備存在如下問題：

（1）中心至站臺的視頻通過組播數據下發，現有傳輸設備對于組播數據的處理能力不足，大量的組播數據報文處理導致傳輸設備CPU負荷增加，性能降低，造成組播業務報文的丟包。組播源基于IGMP（互聯網組管理協議）協議向組播組成員發送通用查詢報文，用于查詢哪些組播組存在成員。由于出現組播報文丟包，組播源發出的組播成員查詢請求報文得不到應答，從而使得組播組成員丟失，造成組播源發出的視頻流無法下發到車站，最終出現車站顯示屏黑屏。

（2）在列車移動過程中，當發生車載AP與軌旁AP切換時，車載AP會發送免費ARP（地址解析協議）報文以實現地面有線交換機以及傳輸設備的MAC地址表項更新。在車載網絡采用二層方案的情況下，大量車載終端的MAC地址也需要在地面有線設備得到更新，以實現數據流能夠正確的根據其MAC地址表項下發到正確的車站交換機和軌旁AP上。由于現有傳輸設備對于MAC地址表項的刷新能力不足，列車在移動過程中已經完成車載AP與軌旁AP的切換，但是，其傳輸設備數據轉發的端口仍然停留在原有端口，使得中心下發到列車的視頻無法到達車載網絡，導致列車車載顯示屏無法正常顯示，出現馬賽克、畫面中斷、黑屏等現象。

在方案改造中，通過車站交換機組成的RRPP環網替代原有傳輸方案，問題得以解決。由于該協議是基于以太網鏈路層的協議，并在以太網交換機來實現IP業務報文的承載，該方案對于PIS業務所要求的單播、組播、廣播報文能夠做到很好的支持，同時交換機的高性能MAC地址表項更新能力也能夠滿足列車在快速移動過程中的要求。

4 結束語

PIS作為基于IP技術構建的業務系統，要求系統解決方案對于IP技術能夠充分支持。MSTP內嵌RPR技術雖然可以實現對PIS在內的多業務系統統一承載，但是，在多個城市的實際應用過程中的確出現不能適應PIS業務需求的問題。其他新興的傳輸技術由于處于應用的初期，還未經過實際現場的檢驗，方案尚未完全成熟。

業務IP化已經成為當前地鐵通信系統的發展趨勢和業界共識。建議對于暫時尚不能IP的業務可以仍然采用支持TDM業務的傳統傳輸技術，而對于已經實現IP化的業務采用IP網絡方案承載?；贗P以太環網協議構建的PIS傳輸網絡在業務支持的充分性上，在系統運維的簡易程度上，在應用的商務成本上都完全滿足地鐵行業當前的要求。國內已經有大量地鐵城市開始采用該方案，并且取得了很好的應用效果，完全可以作為現階段PIS建設方案考慮的技術方向。

[1]中華人民共和國工業和信息化部.基于SDH的多業務傳送結點（MSTP）技術要求—內嵌彈性分組換（RPR）功能部分[S].中華人民共和國工業和信息化部，2009.

責任編輯 陳 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

黃培林，高級工程師；王 通，高級工程師。

1005-8451（2016）03-0057-05