轨道交通体系需求及RPR现状范文

1轨道交通传输系统概述

1.1传输系统业务需求

传输系统是轨道交通通信系统中最重要的子系统,它为通信系统的各子系统以及其它自动控制管理系统提供信息通道。传输的信息有语音、图像和数据等。不同轨道交通线路根据本线各系统情况,对传输系统的业务需求会有一定的差异。下面根据目前的一般情况,对轨道交通传输系统的业务需求列表分析,详见表1。由上表可以看出轨道交通专用通信传输系统业务可分为以下3类:(1)2M实时业务:主要用于有线和无线交换机中继;(2)窄带实时业务:主要用于时钟、广播语音等低速数据信号;(3)宽带以太网业务:已经占据大部分的信息流量,以往地铁中常用的低速控制信息、电视监控图像信息已逐步转向数据业务。不过,与常规的办公网络不同,轨道交通对以太网的可靠性、实时性有较高的要求。

1.2国内轨道交通传输系统主流的制式

从上面的传输业务分析可以看出,虽然数据业务已经占据大部分信息流量,但仍然存在大量的2M实时业务和窄带实时业务,这就决定今后很长一段时间内,轨道交通主流的传输制式仍将基于TDM。从最近国内轨道交通传输系统招投标的情况来看也是这种情况,主流的传输制式有两种:OTN、MSTP。(1)OTN(开放传输系统)OTN是Siemens比利时公司独立研究开发的光纤传输技术,目前已成功地应用在广州地铁一、二号线和四号线、上海地铁、北京地铁等多条城市轨道交通项目的传输系统中。由于OTN有较丰富的接口,除常规的Z接口、VF接口、E1及E3接口外,还提供多种低速数据接口、以太网接口、模拟图像接口、15kHz音频接口等。其网络结构简单、易于操作、易于维护和具有高可靠性的特点已得到广大用户的认可。(2)MSTP(多业务传送平台)为了满足日益增长的宽带数据业务传送需求,SDH已经发展成为多业务传送平台(MSTP),并且在国内多条城市轨道交通线路(如广州市轨道交通三号线、武汉市轨道交通一号线)中得到了成功运用。MSTP是对SDH、以太网及ATM等已有成熟技术的组合应用和优化,它是基于SDH,同时实现TDM、ATM、IP等多种业务的接入、处理、传送,具备宽带数据和图像的传输、汇聚和二层交换能力,并可提供统一的网络管理的多业务传送节点设备构成的传送平台。MSTP接口种类丰富,支持以太网数据业务,设备组网灵活,是目前标准化较高、较成熟、且应用最广的技术之一。

2RPR技术简介

2.1RPR的主要技术特点

弹性分组环(RPR)技术是一种在环形结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议,能够适应多种物理层(如SDH、以太网、DWDM等),可有效地传送数据、话音、图像等多种业务类型。它融合了以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点,同时吸收了SDH环网的50ms快速保护的优点,并具有网络拓扑自动发现、环路带宽共享、公平分配、严格的业务分类(COS)等技术优势,目标是在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济有效的传输系统解决方案。主要的技术特点如下:

(1)采用双环(内环和外环)结构每对节点之间都有两条路径,保证了高可用性;对环路带宽采用空间重用机制,单播数据传送可在环的不同部分同时进行,提高了环路带宽的利用率。

(2)网络拓扑结构的自动发现和更新功能在网络拓扑变化时,每个节点通过接收RPR环上其它节点的MAC地址,自动建立和更新自己的拓扑图,使得网络初始化配置变得极其简单,实现了即插即用,并可避免手工配置带来的错误,便于进行网络的运营维护;支持50ms的快速保护:RPR环网可采用两种保护机制,一种是源路由方式(Steering),即直接在业务的源点进行倒换,可保证业务走最佳路径;一种是在发生故障的两个节点进行环回(Wrapping)的方式(类似于SDH的2纤MS-SPRing)。RPR标准已把源路由方式规范为默认的保护方式。

(3)实现灵活的环路带宽管理这是RPR技术的一个重要特点,它支持灵活的带宽颗粒、带宽的动态共享和分配。每个节点能够维护通过自身的业务负荷(包括本地上环和过环业务量),网管可根据这些信息来统计RPR环路各个跨段上的资源使用情况,实现环路带宽的灵活、动态管理。

(4)提供严格的COS分类RPR规范了A、B、C三种业务等级,提供了可靠的保障高优先级业务的机制。A类业务优先级最高,可保证最短的端到端时延和时延抖动,A类业务可被分配一个CIR速率,其中可细分成A0(保留带宽)和A1(可回收带宽);B类业务被分配一个CIR速率,对于超过CIR的流量被标记为EIR流量,EIR流量应与C类业务一起参加带宽公平算法;C类业务即提供尽力而为的业务,优先级最低。

(5)支持环路带宽的公平分配RPR规范了一种分布式的公平控制算法来实现各节点带宽的动态公平分配,并可根据需求为环上的各节点分配不同的权重,在环路带宽发生拥塞时,保证各节点高优先级业务的传送,并实现低优先级业务的公平接入和带宽分配,B类业务的EIR部分和C类业务参与公平算法。实现完善的公平机制,非常有利于RPR环路快速响应具有突发性的数据流量变化。支持单播、组播和广播:可将基于IEEE802.3MAC地址的单播、组播和广播数据包映射到节点的RPRMAC地址,实现在RPR环路上根据节点的RPRMAC地址完成单播、组播和广播数据业务的传送。

2.2RPR的几种实现方式

RPR的具体实现方案可以分为三类:独立式的基于2层的RPR实现方案;基于路由器的单卡RPR实现方案;基于MSTP的RPR实现方案。对于这三种RPR的实现方案,都各有厂家推出相应的产品。

(1)独立式的基于2层的RPR实现方案独立式的基于2层的RPR实现方案目前已比较成熟。有的厂家将MPLS、时钟同步等技术与这种2层的实现方案结合在一起,从而提供面向IP优化的宽带多业务解决方案;有的厂家推出的基于2层的RPR产品具有很强的组网能力,可以支持线性、相切环、相交环等拓扑结构,以及双节点互连(DNI)跨环保护等;RPR设备群路端口速率可以为GE或2.5G。

(2)基于路由器的单卡RPR实现方案基于路由器的单卡RPR实现方案应用相对较少,多数厂家都是以现有的路由器产品为平台,通过增加板卡来实现RPR的功能。这种实现方案可以看作是对现有路由器组网的一种优化,在节省光纤资源的同时,还可以大大加强其保护性能,获得50ms的的环路保护功能。

(3)基于MSTP的RPR实现方案基于MSTP的RPR实现方案一般是将RPR的处理功能集成在一块单板上,将该单板配置到SDH设备的相应槽位,在用户侧可提供多个FE或GE接口,该单板将进入以太网接口的数据包直接透传或经二层交换、VLAN处理后适配到RPRMAC层,即利用RPR的核心芯片进行RPRMAC层的处理,包括业务分类(COS)、拓扑发现和环保护、公平算法、操作维护管理等,然后通过GFP封装协议将RPRMAC数据包映射到SDH系统侧的1个或多个VC通道中。

3RPR在轨道交通传输系统中的应用前景

3.1RPR在轨道交通领域的应用情况

RPR在轨道交通领域的应用主要有2种方式:基于MSTP的RPR实现方案;独立式的基于2层的RPR实现方案。目前主流的MSTP生产厂商大都可实现基于MSTP的RPR方案,部分厂商还推出了独立式基于2层的RPR方案。基于MSTP的RPR实现方案已经在北京地铁、沈阳地铁等地铁通信系统中实现了应用,独立式的基于2层的RPR也在广州地铁等的公安通信传输系统中开始应用。

3.2RPR的技术优势

(1)与传统的MSTP比较传统MSTP的缺点主要体现在对数据业务的支持上:①浪费保护带宽:SDH的保护恢复机制需要有一个光纤环在热备份的模式下工作,一般来说,大约二分之一环内带宽已预留作为保护带宽,无法使用。目前轨道交通传输系统的带宽基本都选择在2.5G,带宽的压力已经初步显现出来。②以太网生成树协议的缺陷:普通的MSTP的以太环网一般是利用二层交换来实现,如基于VLAN的多生成树,即在环网中每个VLAN具有一个生成树,可利用被单生成树禁用的跨段,实现环网带宽重用;业务优先级一般采用VLAN优先级等方式实现。缺点主要在于支持基于STP/RSTP的保护倒换,时间在几秒到几十秒左右,并且生成树协议不具有负载均衡能力,拓扑更新十分缓慢。RPR的技术优势是由其特点决定的。MSTP内嵌了RPR功能后,增强了新一代MSTP设备的以太网业务带宽共享和公平竞争性,可实现动态、公平共享的以太环网应用。与传统的MSTP相比,内嵌RPR的MSTP以太环网在业务处理速度、扩展性、COS、保护倒换时间、带宽利用率、抑制广播风暴、拓扑自动发现等多方面都具有较强优势,特别是具有了环路带宽的公平分配机制,克服了生成树(STP)的固有缺陷。鉴于RPR技术具有众多优势,近年来许多国内外传输设备厂家都在其MSTP设备上开发内嵌RPR功能,并在应用中逐步体现出其优越性。

(2)与OTN比较MSTP和OTN是目前轨道交通中相互竞争的两种传输制式,MSTP通用性较强、OTN专用性较强,两者互相比较,优点和缺点都体现在专用性和通用性上面。对于数据业务的支持方面,OTN和传统的MSTP在实现方式并无区别,传统MSTP具有的缺点同样表现在OTN上。MSTP内嵌了RPR功能后,可以说增加了一个与OTN竞争强有力砝码,

(3)独立式的基于2层的RPR的技术特点在轨道交通范围内,除了轨道交通专用通信综合传输网络外,一般还需要考虑独立建设公安通信、商用通信的传输网络。商用通信系统是公网在轨道交通上的延伸,商用通信传输系统的主要业务是移动电话引入系统的2M中继,业务类型比较单一,制式一般与公网相同,一般采用传统的MSTP,在此不做详述。公安通信传输系统主要用于传输公安数字视频业务,另外还有少量的计算机网络系统业务,主要为数据业务。目前主流的传输制式有:交换机直接组网、工业以太网组环、独立式的基于2层RPR。相对于其他两种方案,独立式的基于2层RPR主要具有以下优势:①具有服务质量保证的高带宽容量(带宽弹性):RPR支持空间复用技术和统计复用技术,空间复用技术使网络带宽利用率提高2倍以上。②提供电信级的环保护机制:RPR可提供基于源路由和业务服务等级的50ms环保护机制,能很好地保证网络的稳定性。③提供多服务质量等级分类:RPR现支持4个服务质量等级,可基于不同的应用提供不同等级的服务,有利于优化网络。④支持语音业务传送,真正实现宽带多业务平台:RPR支持TDM业务传送,可同时承载数据、图像、话音业务,简化网络结构,面向IP优化。⑤齐备完善的数据安全隔离:RPR结合MPLS隧道功能,可以在环路上划分独立的带宽,使数据在2层上安全隔离,各种业务类型的数据互不干扰。

3.3制约RPR在轨道交通领域发展的主要因素

RPR自2001年推出以后,被认为是最有发展前途的传输技术之一,但之后的发展及推广却比较缓慢。轨道交通的传输网属于专网范畴,但出于开放性、通用性的考虑,设备的选型与公网差别不大,RPR在公网发展的缓慢必然影响到其在专网中的应用。另外,轨道交通传输系统是一个综合性的传输网络,为众多专业服务,如通信、信号、主控、AFC等,各专业之间从设计、招投标到实施都相对独立。这样各专业的建设者从自身系统的安全和习惯性出发,都希望独占传输通道,但如果每个业务系统都考虑独占传输通道,那么RPR传输技术环路带宽共享、公平分配、严格的业务分类(COS)等技术优势就失去了意义。随着RPR标准的制定,技术日趋成熟,轨道交通建设者也逐渐从TDM时代独占带宽的局限性中走出来,改为对传输带宽与时延的综合考虑。这样,制约RPR在轨道交通领域发展因素将逐渐弱化,其技术优势将逐步凸显出来。

4结语

综上所述,常规的解决方案可以满足城市轨道交通对传输网络业务的部分需求,且在一定的时期内也是适用的。但城市轨道交通的传输网络与通信技术发展水平是分不开的,随着轨道交通突飞猛进的发展,数据、图像业务的需求也将飞速增加,在今后轨道交通建设中RPR将会有长足的发展和应用,可作为传输网络的优选技术方案。