淺談高速公路通信系統及其聯網技術

肖家好

【摘 要】高速公路作為國家基建的重要形式，在連通各地區域和活躍社會經濟方面發揮著不可取代的作用。在路政改革的深入推進下，伴隨著網絡技術突飛猛進的發展，高速公路通信系統及聯網技術不斷走向智能化、集群化。文章結合當前高速公路實踐，梳理與分析幾類常用的高速公路通信網絡技術，在此基礎上展望高速公路通信系統和聯網技術的未來發展前景和趨勢，旨在為高速公路運營管理提供參考。

【關鍵詞】高速公路;通信系統;聯網技術

【中圖分類號】U495 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0093-03

高速公路是交通系統的主要組成部分，出于安全、平穩、高效運行的考慮，高速公路需要配套通信系統加以保障，達到實時監控及調度交通狀況的目的。可以說，通信系統就是高速公路交通網絡的中樞神經。在國家大力提倡交通高速化建設的背景下，高速公路通信系統及聯網技術應向無線集群和光纖傳輸過渡，著力構建新型數字通信系統。

1 高速公路通信系統基本概述

從概念上看，高速公路通信系統指的是高速公路運營管理、實時監控及日常收費過程中獲取語音、圖像及數據的數字通道系統。從形式上看，現階段高速公路通信系統帶有極強的綜合性，現已發展成為光纖數字傳輸與同程控制數字交換系統的組合。從高速公路通信系統的構成上看，其主要包括光纖數字傳輸系統、監控及收費數據傳輸通路、數字程控交換系統、金屬光纜敷設、路側通話系統、監控及收費閉路電視傳輸通道、電源及接地系統等。從高速公路通信系統的設計目標上看，主要有以下幾點：①配套高速公路的收費及運營管理，滿足兩者的通信需求;②借助金屬電纜及光纜，達成圖像、語音、數據的傳輸;③以OAM&P等運行管理軟件組建SDH接入傳輸網;④通過數字進程交換機系統傳達信令及提供ISDN等數字網接口;⑤實現基于高速道路的網絡運行管理信息查詢及軟硬件冗余校驗。

2 當前高速公路通信網絡技術的幾種形式

2.1 SDH技術

SDH（Syschronous Digital Hierarchy）技術，也稱同步數字體系傳輸系統，SDH技術的前身為準同步數字體系系統，即PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）。在PDH技術基礎上發展而來的SDH技術已經成為當前我國高速公路通信系統的主流。從SDH技術的原理上看，經由同步數字體系，高速公路通信系統產生的大量數據可以被輸入同一主機系統內，然后結合傳輸需求實現傳輸及通信。從構成上看，SDH系統帶有一定的復雜性，涉及傳輸平臺主機系統、配套通信設備，如解碼器、路由器等，由此也對系統的運行提出了更高要求，在技術管理中如未及時發現隱患故障，有可能導致整個通信系統受影響。加上SDH技術支撐下的高速公路通信網絡在數據傳遞上過于依賴路由器，帶寬又過低，在實際應用中往往難以兼顧高速公路各類狀況下的通信需求，通信反饋緩慢或阻塞問題時有發生[1]。

2.2 ATM技術

ATM技術（Asynchronous Transfer Mode），也稱異步傳輸模式，ATM技術可視為SDH技術后的新型網絡技術。該技術最早應用于20世紀90年代，其基于B-ISDN概念而延伸，主要特色是在同一網絡下能夠將語音、圖像、視頻等數字信息進行傳遞交換，ATM技術可作為ITU-T寬帶綜合業務數字網傳送模式而廣泛應用。從ATM技術的原理上看，它主要在信元（ATM cell）、交換（ATM switch）、虛連接（ATM vc）的技術上實現。ATM技術在應用中憑借自身具備的標準化技術細則及可靠穩定的多媒體通信網絡標準，在高速公路通信系統中逐漸發揮出其帶寬高、延時低及普適性強的特征，成為新網絡技術的重要形式。概括而言，ATM技術的特點主要有以下幾點：①QOS，即業務質量保證系數高，可能提供連接QOS的故障;②cell，簡單且固定長度的短數據包一單元;③通信信息統計環節實現高寬帶利用及分復用，實時性好;④交換方式面向連接;⑤有效控制高層數據流并快速處理傳送差錯。例如，在不同場合下傳輸音視頻及圖像，均能夠保證傳輸數據的質量和可靠性。此外，在B-ISDN，即寬帶綜合業務數字網中，ATM技術作為關鍵核心技術而存在，由此也可看到ATM技術具備廣域上的適應性優勢，而在圖像、音頻、視頻及相關數據的傳輸上，ATM技術廣泛應用在LAN及WAN中。在ATM技術及系統不斷成熟的背景下，一些國家高速公路組建通信系統網絡時都將之作為關鍵技術，ATM技術也在高速公路通信系統中逐漸顯現出其技術上的經濟性和適應性。

2.3 IP技術

IP技術得益于20世紀90年代互聯網技術的高速發展，隨著互聯網規模的擴大及互聯網用戶的幾何式增加，基于互聯網的各項業務呈現量級上的大爆發。至此，IP技術得到迅猛發展，并成為通信系統的重要技術支撐，為信息網絡發展演變提供了新的技術空間。從實踐中看，以IP技術為基礎而發展的數據業務逐漸成為各行業的主流，IP技術也滲入IP電話、傳真、電視電話、可視電話、點播電視等眾多新媒體業務板塊中，而在寬帶通信領域更是隨處可見IP技術身影。IP技術與Internet平臺的結合，現已發展為IP包容一切常見業務類型。從IP技術的定位上看，其主要位于OSI（Open System Interconnection），即開放系統互聯七層模型網絡層上，也稱為第三層技術。從IP技術的功能上看，主要是能夠經由IP獲取系統非實時型數據，帶有強兼容性、高靈活度、強擴展性、技術先進性突出等顯著優點，相比ATM技術中的53字節信元，IP不具備固定的信息長度，但其可以兼容長短信息，一方面能夠為高速公路系統收費環節提供計算機網絡技術支持，另一方面由于其延差相對較大，具有延時抖動的劣勢，所以在高速公路通信系統音視頻傳輸方面可利用范圍受限。隨著IP技術標準的改進，現階段高速公路的常見業務類型，如路況畫面傳輸、實時無線連接等，借助IP地址及網絡編解碼器，在互聯網IP層取得一致的情況下，也能夠達到預期的音視頻功能需求。此外，高速公路通信系統應用IP技術后，借助TCP/IP協議，通信系統可以更加便捷地應用程序接口，在高速公路通信系統及外網的對接上就可以輕松實現。在高速公路建設標準逐漸提高的背景下，借助IP技術還能夠對一些應用軟件進行自主定制式開發，這就賦予IP技術極強的拓展性。需要注意的是，應用IP技術時，考慮到互聯網的開放性，需要同步配套應用網絡防火墻技術及加密技術，以盡可能降低通信系統數據泄露及遭受黑客攻擊的概率。

3 高速公路通信系統及聯網技術未來發展前景和趨勢的思考

以上高速公路通信系統技術形式各具優勢，但也有短板。隨著信息技術的發展及交互，高速公路通信系統及聯網技術逐漸向技術融合及重疊的方向發展，呈現出技術上的互補性。總體而言，未來的高速公路通信系統及聯網技術將向光纖化、科學化、數字化、高效化及安全化方向演變[2]。具體而言，高速公路通信系統及聯網技術未來前景和發展趨勢如下。

3.1 ATM技術及SDH技術的交叉融合——ATM over SDH

ATM技術及SDH技術各自的技術優勢實現結合，構成ATM over SDH技術，一方面能夠發揮SDH技術大容量及穩定傳輸的性能，另一方面能夠借助ATM具備的面向連接特點，達到通信系統信息數據的高效傳輸交換，從而為智能化高速公路建設做好技術鋪墊。為此，在ATM技術應用的基礎上，融入SDH技術，尤其是路由通信技術，能夠使ATM借助路由途徑交換數據。ATM over SDH技術的工作原理及實現路徑如下：數據采集由ATM完成并形成信元，打包為SDH幀，然后在數據傳輸過程中借助SDH技術，在ATM強大的連接交換能力保障下，實現數據傳輸的穩定及安全。例如，美國、法國、日本、德國等電信技術較發達的國家，針對ATM寬帶實用化及ATM與SDH技術結合應用的研究在廣泛開展，ATM為高速公路通信方案的建立及完善做出了巨大貢獻。我國早期在高速公路電信干線網上大范圍推廣應用了SDH技術，基于ATM技術實驗網的搭設也高速推進，并在北京、上海等高標準等級的高速公路中采用了ATM技術及SDH技術[3]。隨著高速公路特性及業務需求的拓展，在規劃設計新的高速公路路段時，設計人員開始在SDH技術的基礎上引入ATM技術，在兩者的結合中，極大地擴展了高速公路的容量、網絡設計集成度、集成評價效果等。因此，在高速公路未來通信系統及聯網技術的形式上可優先考慮使用ATM over SDH技術。

3.2 IP技術及ATM技術的交叉融合——IP over ATM

隨著IP技術的趨于成熟，IP技術的應用場景不斷擴大，高速公路通信系統中的IP技術與ATM技術的融合具備了可能性。IP over ATM技術主要是對數據流首個數據包加以路由地址處理，然后按路由進行轉發，之后根據計算出的路由選擇ATM網建立VC（虛電路），數據包在VC通道下采用Cut Through（直通）的方式實現通信信息的傳輸[4]。這一技術過程在數據傳輸上不再經由路由器，就可實現數據包轉發的高速率，達到第二層數據交換速度。在IP over ATM技術的研究上，將IP技術用于高速公路流量調度及故障分析，顯示出兩類技術性能疊加的優勢，配套多媒體設備的使用，高速公路通信系統在資源管理及流量分配上可控性更高[5]。

3.3 IP技術及SDH技術的交叉融合——IP over SDH

IP over SDH技術是一種物理傳輸網絡，實現原理是以SDH作為IP數據網絡渠道。具體而言，就是使用鏈路適配和成幀協議封裝IP數據包，采用字節同步處理手段將經過封裝的IP數據包進行映射，使其進入SDH凈荷封裝，實現速率傳輸的實時性、連續性。因為IP over SDH技術具備IP技術面向非連接屬性，該技術也稱PPP over SDH或Packet over SDH。IP over SDH技術主要應用于高速公路收費數據的傳輸環節，這一技術通過SOH、AU指針及凈負荷可工程統一的多模塊混合狀幀結構，然后形成一個統一矩形幀，按照固定列字節運行，速率的傳輸速度極為顯著。隨著路由器處理能力的升級，特別是新型千兆（位）路由器技術出現，IP over SDH技術可以選用新型千兆（位）路由器作為基礎硬件構成單元，然后利用硬件快速技術、緩存（Cache）技術及Cel交換單元，可以延伸路由器交換模式，進一步獲取高速率傳輸。在高速公路收費站路由器上設置E1傳輸通道，連通匯聚中心單元及核心層，高速公路各片區中心收費監控數據能夠匯聚轉發到省中心，即可對收費數據進行匯總分析[6]。

3.4 IP技術及WDM技術的交叉融合——IP over WDM

光波分復用（WaveLength Division Multiplexing，WDM），該技術借助一根光纖可以將多個波長的光信號進行同時傳輸。一般而言，相比其他技術形式的疊加，IP over WDM技術具備更加簡單的結構，在通信上也更加便捷，比之ATM技術及SDH技術能夠節省更多層次，在光纖傳播通道下，功能重疊因素得以剔除，在效果上能夠實現資源配置效率的加成。一些建造標準不高的高速公路，在搭建通信系統及聯網技術時，出于經濟性及實用性因素考慮，選用IP over WDM技術，一方面不需要投入過多的通信系統輔助設備，另一方面能夠簡化網路管理，因而該技術極具較大的應用前景和價值。從當前通信技術的發展趨勢及高速公路通信系統實踐中看，因為IP over WDM技術帶有直接體系結構的巨大優勢，SDH層及ATM層得到極大簡化，傳輸效率有了顯著提高，所以它在高速公路通信系統及聯網技術中大有用武之地[7]。

4 結語

高速公路是我國基建工程項目的重要代表，關系到國計民生及社會經濟發展大勢。高速公路要得到平穩安全運行，高效的通信系統及聯網技術不可或缺。隨著高速公路建設力度的提升，尤其是網絡通信技術的不斷成熟完善，高速公路通信系統及聯網技術逐漸朝著數字化及信息化方向發展。在具體選擇高速公路通信系統及聯網技術形式時，應結合高速公路的規格及各類技術形式的優缺點，本著優勢疊加的原則，平衡高速公路通信系統的高效性及成本性，促進我國高速公路通信事業的持續發展。

參 考 文 獻

[1]李世民.高速公路機電工程通信系統技術的相關分析[J].通信電源技術，2020，37（8）：205-207.

[2]何月芝.高速公路機電工程通信系統技術探討[J].建筑工程技術與設計，2020（13）：3910.

[3]柳有龍.高速公路機電工程通信系統技術的有效應用[J].建筑工程技術與設計，2020（12）：2346.

[4]朱彥姣.PTN在高速公路通信系統中的連通與應用[J].通訊世界，2020，27（4）：56-57.

[5]高航遠.高速公路通信系統技術探討[J].科技創新與應用，2020（10）：143-144.

[6]李論.高速公路智能全程自動化監控系統的軟件架構及通信[J].數碼設計（上），2020，9（2）：47-48.

[7]黃飛.現代高速公路機電通信系統新技術分析[J].建筑工程技術與設計，2019（36）：1967.