（电路与系统专业论文）高速公路通信系统的研究.pdf

摘要 l 传统的高速公路通信系统业务接入方案存在诸多问题，要么各类信 号的接入需要通过众多的外围附加设备来完成，要么存在系统升级、 扩容或性价比方面的不便。这样不仅设备利用率低，网络结构复杂， 而且赢接影响了系统的可靠性与安全性。j r 本论文通过广泛的资料收集与深入的实际工程调研，在总结现有各 种方案的基础上，对高速公路通信系统从技术选择、原理设计到具体 实验均进行了详细论述，其中包括广州海特天高公司高速公路通信系 统模拟演示系统的建立和莞深高速公路通信系统的设计，从而提出了 种经济性、可靠性和安全性都比较优越的方案一一综合业务接入方 案。传输与接入集成化的方式缓解了长期以来高速公路专网通信中存 在的矛盾，最坏值设计法使得系统具有足够的富余度，避免了先期失 效问题，。另外，保护方式的选择应以业务分布类型为依据，自愈 网备用容量的优化配置可以通过基于部分割集的概念和线性规划的 算法来解决，而复用段保护环容量平衡分配算法的复杂求解可以通过 基于最短路径电路矩阵的概念得到简化，这些都对实际工程具有很大 的指导意义，文章中分别作了探讨与研究，并部分应用于系统设计中。 高速公路通信系统联网的技术焦点集中在宽带i p 和a t m 技术，二 者籽长期共存，共同发展。、江一 关键词：高速公路通信蒹磊同步数字嚓列综妪务接入 自愈通道保护复用段保护 异步转移模式 7 乙p l a b s t r a c t t h e r ea r e m a n ys h o r t c o m i n g s i nt r a d i t i o n a l e x p r e s s w a y c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i t se i t h e rt o oc o m p l i c a t e di ns i g n a la c c e s s ，w h i c h n e e ds o m ee x t r ae q u i p m e n tt os t a n d a r d i z et h es i g n a l ，o rt o od i f f i c u l tt o i n c r e a s et h eb r o a d b a n do fs y s t e m s oi td i d n tm a k ef u l l u s eo ft h e e q u i p m e n t s a l s ot h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yi ns y s t e mi s b a d i nm yt h e s i s ，ab e t t e rs c h e m e ，i n t e g r a t e ds e r v i c ea c c e s si sp r o d u c e d i t b a s e do nt h ea b u n d a n tr e f e r e n c ec o l l e c t i o na n dt h es u r v e yr e s e a r c ho nt h e f i n i s h e d e n g i n e e r i n g i n t e g r a t i o n o ft r a n s m i s s i o na n da c c e s ss e t t l et h e p r o b l e m s i nt r a d i t i o n a ls c h e m e si ns o m ed e g r e e t h ew o r s tn u m e r i c a l v a l u e d e s i g n a v o i d st h e s y s t e m i n v a l i d a t i o n p r e v i o u s l y a l s o d e t a i l e d a n a l y s e s i n t e c h n o l o g yc h o i c e ，t h e o r yd e s i g n a n dv i r t u a l p r a c t i c e o n e x p r e s s w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a r e g i v e n w i t ht h e r e s u l tt h a tt h e s i m u l a t e ds y s t e mi ng u a n g z h o u h e a r t l yt e a m g oc o m p a n y w e r es e tu pa n d g u a n s h e ne x p r e s s w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e ds u c c e e d e d t h ep r o t e c t i o nm a n n e ri sd e c i d e db yp o r t f o l i om o d e l s p a r e r e s o u r c e a s s i g n m e n t i n s e l f - h e a l i n gr i n g a n d c a p a c i t ya s s i g n m e n t f o rs d h b i d i r e c t i o n a lm u l t i p l e x i n gs e c t i o np r o t e c t i o nr i n ga r ev e r yi m p o r t a n tt o t h ep r o j e c tt o o i nt h ea r t i c l es o m er e s e a r c h e so nt h e ma r eg i v e n a l s ot h e a p p l i c a t i o ni ng u a n s h e ne x p r e s s w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e d i nd e t a i l b r o a d b a n di pa n da t ma r e p i v o t a lt e c h n o l o g y i n e x p r e s s w a y c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w h i c hw i l ld e v e l o pi nc o m m o n k e y w o r d s ：e x p r e s s w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s d h ， i n t e g r a t e d - s e r v i c ea c c e s s ，s e l f - h e a l i n g ，p a t hp r o t e c t i o n m u l t i p l e x i n gs e c t i o np r o t e c t i o n ， a t m 致谢 本论文是在我的导师顾涵铮老师和昂志敏老师的精心指导下完成 的。课题开始初期，顾老师给我提了建设性的意见，这对于我整个实 验过程具有很大的指导意义。顾老师治学严谨，为人平易近人，两年 来无论学习上还是生活上都给予了我极大的帮助和亲切的关怀，在此 对顾老师表示真诚的感谢。课题后期，昂志敏老师为我的课题倾注了 大量的心血，一步步地指导，一次次地修改，不厌其烦，精益求精。 昂老师较高的理论水平与丰富的实践经验深深地感染了我，为我树立 了学术上的榜样，在此对我的课题指导老师昂志敏老师致以最诚挚的 谢意。 另外我的课题来源于广州海特天高信息系统工程有限公司的开发 项目，公司领导胡志水博士、严公雷总经理和许雄鹰副总在技术和实 验条件等方面都给予了我精心的指导和大力的支持，在此对他们表示 特别的感谢，感谢公司给予我实践的机会，感谢公司所有员工一年多 来对我的关心和帮助。 在我论文的撰写过程中还得到了许多老师和同学的无私帮助。与孟 庆鼐老师的深入探讨，与夏峻东同学的共同切磋，在此一并致以 谢意。 最后再一次深深地感谢在我读研期间所有给予我关怀和帮助的人。 插图清单 图卜1 高速公路管理体制构成图z 图卜2 监控信息传输模型4 图卜3 高速公路通信系统应用模型4 图2 1s d h 帧结构安排1 1 图2 2 复用段、再生段与通道1 1 图2 - 3 我国的s ) t 复用映射结构1 2 图2 - 4s t m 一1s o h 字节安排1 5 图2 - 5 二纤单向通道自愈环1 9 图2 - 6 二纤单向复用段自愈环2 0 图2 - 7 二纤双向复用段自愈环2 1 图2 - 8 网络恢复功能框图2 2 图2 - 9 网络恢复的保护方式2 2 图2 1 0s t m 一1 终端复用器分插复用器功能图2 3 图2 - 1 1 高速公路通信系统s d h 网络结构2 5 图3 一l 高速公路通信系统h o p 式组网结构2 7 图3 - 2o d l c 系统原理图2 7 图3 - 3o d l c 在高速公路通信系统中的应用2 8 图3 - 4p b x 的应用2 9 图3 - 5p c m 设备的采用2 9 图3 - 6 虚拟交换机方式在高速公路通信系统中的应用3 0 图3 - 7i p 语音方案网络拓扑图3 1 图3 - 8 收费系统计算机广域网连接图3 2 图3 - 9 站级计算机局域网3 3 图3 一1 0 中心级计算机局域网3 3 图3 1 1 视频信号的接入与传输示意图3 4 图3 一1 2 复用段共享保护：均匀分布3 7 图3 1 3 复用段共享保护：集中分布3 8 图3 - 1 4 链路恢复示意图4 0 图3 - 1 5 示例网络图4 0 图3 - 】6n 节点环示意图4 2 图3 - 1 7 五点环示意图4 3 图4 - 1 传统的基于s d h 的高速公路通信系统4 5 图4 2 智能化p c m 接入方案4 5 图4 - 3 综合业务接入方案4 7 图4 4i n f o t r a x 在高速公路通信系统中的应用4 8 图4 5i n f o t r a x 与普通s d h 占用带宽比较4 9 图4 - 6 路由器配置说明图b 4 图4 - 7 误码性能测试原理图5 6 图4 8 我国最长假设参考数字通道6 2 图4 - 9 莞深高速收费站与局域网互联示意图6 3 图4 - 1 0 莞深高速图像传输通道示意图6 3 图4 - 1 1 莞深高速路面监控数据通道示意图6 3 图4 - 1 2 莞深高速话音通道示意图6 4 图5 一l 采用宽带i p 时的分中心业务接入6 7 图5 - 2 基于宽带i p 的省内高速公路通信系统联网示意图6 8 图5 3 基于a t m 的高速公路全国联网设计图7 0 附图一高速公路通信系统通信业务流程示意图1 附图二莞深高速公路通信系统组网示意图2 附图三莞深高速通信系统主干光缆配置图3 附图四莞深高速收费站计算机网络图4 附图五莞深高速道路监控计算机系统图5 表格清单 表2 1s d h 信号速率1 l 表3 1 节点间业务量分布表3 7 表3 2 节点间业务量分布表二3 7 表3 3 节点间业务量分布表三3 7 表3 - 4 两种保护方式特性比较3 9 表3 - 5n 节点环的电路矩阵4 3 表4 1 色谱线序说明表5 6 表4 2h r d s 误码性能指标5 7 第一章高速公路通信系统的用户需求及现状 1 - 1 引育 以高速公路的兴建为标志，现代公路交通始于二战之后。由于高速公路技 术等级高，管理设施先进，因此通行能力大，快速安全，舒适、经济，随之带 来了人们出行和工作的大为便利，生活范围不断扩大。与此同时，现代公路货 运系统不断完善，物流技术得以发展，商品流通速度加快，企业节省了仓储和 流通的开支，生产运营成本大大降低。高速公路的发展有力地推动了国家经济 的发展。因此，作为重要的基础建设项目，国家将加大建设力度。到2 0 0 0 年新 增公路总里程1 1 万公里，到2 0 2 0 年，重点建设1 2 条公路约3 5 万公里”1 。 在高速公路大肆兴建的同时，交通堵塞、环境污染、安全运行等一系列问 题使人们对高速公路的认识已经开始发生了外延上的变化。公路建设资金来源 的不同也大大影响了高速公路效益的发挥，如何利用现代化的管理手段管好高 速公路，充分发挥其经济和社会效益已成为整个交通领域研究和实践的重点， 高速公路信息化、网络化势在必行。高速公路是有限的，信息高速公路的光纤 光缆的流量是无限的。i t s ( 智能交通系统) 产业的兴起和发展、高速公路与信 息技术的融合日益成为一种新的潮流。 高速公路机电系统则是实现高速公路智能化管理必不可少的基础设施，由 通信、收费、监控和供电四部分组成，通过现代化电子技术和设备来实现高速 公路的现代化管理，涉及到电子技术、自动控制、通讯技术、计算机技术等多 门学科，具有技术密集型、高科技、高技能等特点。目前国内高速公路机电系 统的建设和发展仍处于低级阶段，不论技术、设备和功能等方面都显得简单、 落后。因此，最近几年掀起了高速公路信息化研究的高潮。通信部分作为枢纽， 更成为关键之中的关键。 在通信技术发展日新月异的今天，如何通过全面的需求分析、合理的技术 选择设计出实用性、经济性、可靠性都比较高的高速公路通信系统网络，以满 足高速公路不断发展的需求是一个值得深入研究的课题。 传统高速公路通信系统的技术选择决定了其接入方式、组网结构及其管理 方式的复杂与落后。p d h ( 准同步数字系列) 体制只适用于点对点的通信方式， 业务接入独立进行，分别传输，没有统一的通信平台，网络管理只能通过人工 进行，这样不仅带来了网络组建及管理的复杂，人力物力的极大浪费，更重要 的是因可靠性问题而带来的不便和巨大损失。旧的通信系统已经成为高速公路 信息化的严重障碍，迫切需求一种新的技术方案诞生。广州海特天高公司也就 是在这样的条件下开始了封闭式高速公路通信系统的开发研究工作。从立项伊 始的深入调研、可行性研究到技术选择、方案设计及实施( 其中包括公司的演 示系统和其它几条高速公路的通信系统) ，本人负责了全部过程。广泛的资料搜 集与查阅，提供了丰富的信息，认真学习和深入研究的过程明晰了我们的思路， 综合比较s d h 、a t m 和宽带i p ，我选择了s d h 技术作为高速公路通信系统的通 信平台，通过详尽的用户需求分析，设计出了优于现有通信系统的业务接入方 案，其中包括对各项指标及特性的深入分析和研究，并提出改进的设计方法。 1 - 2 高速公路通信系统用户需求分析 计算机及其网络技术的飞速发展和交通信息产业的兴起，使得电子技术、 信息技术、通信技术和系统工程广泛应用在智能交通系统中。高速公路通信系 统是高速公路建设中的重要配套项目和基础设施，它为高速公路各级部门的运 营、管理以及沿线设立的收费、监控系统提供话音、数据和图像的传输，是实 现高速公路快速、安全、高效运行的重要保障。下面从业务类型、业务流量、 接入状况和联网等几方面来对用户需求进行分析。 2 1 需求分析 2 1 1 业务类型 一管理 图1 1 高速公路管理体制构成图 高速公路的管理体制是多层模式。一般来说，可划分为四级行政、业务管 理机构，如图卜1 所示，即高速公路管理局、高速公路管理处、高速公路管理 所及高速公路收费站，这些管理部门沿线分布在不同的地域。为了正常地进行 交通运输管理、行政管理、路政管理、工程养护管理、服务区管理等各种业务， 必须建立一个覆盖各级管理部门的现代通信系统( 网) ，提供如下一些主要的通 信业务： 1 ) 提供各级管理部门之间及其内部的电话、电传通信； 2 ) 提供各级管理部门之间及其内部的计算机网络通信，从而实现办公自动化； 3 ) 提供各级管理部门通过电信公网与外乔的电话、电传通信； 4 ) 提供内部有关管理部门的视频通信，从而可组织不同规模的电视会议； 5 ) 提供高速公路有关管理部门与外界的数据通信。以实现充分利用互连网 ( i n t e r n e t ) 的信息资源，提高管理水平。 一收费系统对通信系统的需求 目前国内的高速公路收费系统大多数采用半自动收费方式，未来将逐步过 渡到全自动收费、不停车收费的方式。为此，要求高速公路的通信系统能将收 费数据信息、图像信息、指令信息在相关的收费站、收费分中心、收费中心、 收费总中心、清分中心等之间实时准确的传输。而且，要能按照需要，使收费 数据跨过收费中心，直接传输到清分中心进行“拆帐”处理。具体阐述如下： 1 车道控制器记录违章车辆的时间及累计违章次数并上传收费站计算机。 2 站级计算机系统不断地轮询车道设备，实时收集车道控制器原始数据，将 数据传输至中心计算机系统中，延时小于0 5 秒，上传周期3 0 秒；中心 收费参数下传到车道控制器； 3 中心计算机系统定时接收和实时轮询各收费站的所有数据，按日、月、年 输出收费情况统计报表，交通量情况报表和管理报表等。收费中心建立统 一的时钟、收费价格表、车型分类表、系统运行参数表等，并下传至所管 辖的各收费站。还包括收费处理数据的处理与查询、财务清账数据的传输、 收费站的事务管理、人员管理、排班管理、财务管理等。 4 收费站管理计算机可直接从收费站专用服务器调出各车道最后一辆车处理 信息；收费情况报表，交通量情况报表，管理报表等的传输，累计收费额， 分车型流量等。 5 在线提供任意时刻的收费数据、车流量数据 此外，根据有关要求，通信系统能将收费站的闭路电视监视系统( c c t v ) 的图像信号上传。因此，收费系统要求通信系统提供统一的通信网络平台，及 各种通信接口，以实现收费系统内部和外部的数据、图像传输。 一监控系统对通信系统的需求 高速公路监控系统是完全依赖于通信系统的电子工程系统。为了监视和控 制高速公路的道路情况、交通运输情况。一方面要从设置在高速公路沿线的外 场信息采集设备，将所采集的交通流量、车流速度、道路状况、气象检测、紧 急报警等交通信息传输到监控分中心或监控中心。另一方面监控分中心或监控 中心要向设置在高速公路沿线的信息发布设备传输可变限速标志、可变情报、 车道控制等信息。隧道监控系统还要求通信系统能实时、可靠地传输照明、通 风、消防灭火等控制信息。 因此，监控信息包含了大量的计算机数据、指令、业务和告警、图像和地 图等信息。监控系统要求的信息类型多、信息流量大、实时性强，通信系统必 须为监控系统提供一个统一的通信平台和多种接口，才能满足实时、可靠地传 输数据、话音、图像等监控信息的需求。 图i - 2 监控信息传输模型 综上所述，在业务类型方面，高速公路通信系统主要负责数据( 包括收费 信息和低速控制信号) 、视频和语音的可靠传输和方便接入。从应用的角度来讲， 通信系统作为管理、收费、监控等三大系统的通信平台，支撑三大系统的综合 信息业务传输，如图卜3 所示。 管理收费监控 系统系统系统 l通信系统 ( 综合信息业务支撑平台) 图卜3 高速公路通信系统应用模型 为了进一步说明高速公路通信系统在高速公路机电项目中的地位和作用。 附图一给出了高速公路通信系统的业务流程示意图。严格地说，此图不能完整 地表示一个高速公路工程中的通信业务，也不能完整地代表一个实际的机电系 统，它仅仅是一个加深对高速公路通信系统了解的示意图。 图中：方框以外带箭头的实线表示通信系统的信息传输路由：带箭头的虚 线表示信源和信宿，即表示信息从哪里传递到何处。 2 1 2 业务量 从静态业务量及动态业务量两方面来分析。 2 1 2 1 静态业务量 静态业务量是指整个高速公路通信系统内部各种类型信号总的统计业务 量，表示形式为其占用的带宽。例如某条高速公路正常情况下数据流量有多大， 有多少部电话及多少路视频。它是系统设计的关键依据之一，一方面受路 段长度的影响，车道数、站级数的不同将导致各种业务量的不同：另一方面与 业主的要求有关，这主要指带宽预留问题。这些都将影响系统容量的设计。 整个系统的业务量还与高速公路通信网的互联程度有关。互联程度越高， 当然容量需求越大。以下分析均指单条高速公路的业务量。 一数据 数据业务主要包括收费信息和控制信息。收费信息，目前对一般的高速公 路，收费站计算机系统与车道收费机采用星总线型拓扑结构，组成i o m 以 太网结构的局域网。站级与中心之间视路段的不同长度分别采用i o m i o o m 的带 宽。控制信号类型一般为r s 2 3 2 4 8 5 ，速率为9 6 k b p s 或1 9 2 k b p s 不等a 语音 包括普通电话与紧急电话。 为了方便业务联系及指挥调度，高速公路通信系统应该提供各收费亭、收 费站及各级管理部门之间的话务联系，包括业务电话、指令电话。单条高速公 路话务数量一般在几百门。 紧急电话系统主要用于高速公路上的交通管理。在发生紧急情况或故障时， 能够通过监控中心及时与交通管理部门取得联系并获取帮助。它有时自成独立 系统，有时作为交换系统的一个封闭用户群。高速公路上一般每隔一公里设置 一对紧急电话。本论文对此不作研究。 视频 视频信号主要来源于收费亭、车道、广场及沿途的摄像机，用于高速公路 的c c t v 监控。每路视频信号经过编码器之后占用带宽大约1 7 m 。根据高速公 路跨度的不同，摄像机数目的不等，总体视频信号所需带宽也不相同。 综合以上分析，针对单条高速公路的静态业务量，带宽一般1 5 5 m b p s ( s t m 一1 ) 等级足够，但考虑到未来业务的扩展及联网，设计初期一般都采用6 2 2m b p s ( s t m 一4 ) 甚至更高。 2 1 2 2 动态业务量 动态业务量是指在某个单独时刻网络中可能的业务流量。根据高速公路上 信息流向及信息交流的特点，在业务流量方面具有较高的突发性，而且实时性、 可靠性要求相当高。突发性方面，例如，在某个特殊时刻，各级管理中心或监 控中心可能需要同时监视多路视频信号或同时查看一个或多个站的收费信息、 车流量统计数据等，这时网络中的信息流量将是通常状况下的几倍甚或更高。 同时也要求这些信息快速、准确的上传，即实时性和可靠性问题。不论是图像 还是数据、话音，它们的失真、错误及不连续都相当于信息的误提供，直接影 响着各级部门的决策及调度，给高速公路系统运行带来不可估量的损失。 2 1 3 接入需求 通信技术及网络的发展趋向于综合化，集成化，这就意味着先进、方便的 接入技术的采用。高速公路业务种类繁多，分布松散，对这一方面的要求显得 更为迫切。 目前，各种业务的接入水平参差不齐。一般情况下都需要一些额外的附加 设备，完成信号的数字化、编解码、类型转换等功能。这样不仅设备、带宽利 用率大大降低，而且网络操作维护及管理比较复杂，带来了人力、物力的极大 浪费。因此，迫切要求业务接入的简化，最大程度地面向用户。 2 1 4 联网需求 随着高速公路的逐步建成、联网，高速以及高等级公路的全国通信网也将 逐渐形成。早期单条高速公路的通讯方案己远远不能适应未来通信联网的需求， 建设高速率、多元化、高可靠性的全国高速公路通信网已成必然之势。原因分 析如下： 首先，公路建设资金来源的不同，形成了同一地域内经济上独立核算的不 同收费路段，行使车辆需多次停车交费，大大影响了高速公路效益的发挥：另 一方面由于各自独立为政，难以实现统一的管理与调度。通信网的建成将从很 大程度上缓解了这些矛盾。 其次，从长远的角度考虑，通信网络的利用率也是实现联网的因素之一， 即通常所说的公网与专网的互为利用问题。目前，我国高速公路通信、收费、 监控三大系统的资源利用率仅为2 0 - 3 0 ，其余7 0 - 8 0 的系统资源可服务于社 会，特别是根据目前的管理要求和今后的发展需要，当全国高速公路网络形成 后，这就等于同时建成了一个覆盖全国各地的信息高速公路网络，利用这个信 息高速公路网络对外服务，将会产生巨大的经济效益和社会效益。这也对高速 公路通信网络的建设提出了高速率、高可靠性和广覆盖的要求。因此，高速公 路网络化的要求不仅体现在物质高速公路的连接上，更表现在高速公路管理信 息系统的相互兼容和延续上。从发展的角度看，实现全国一卡通不停车收费、 数据共享、信息交流，提高高速公路使用效益是未来发展的重点和目标。 2 2 高遮公路通信系统的建设目标 综合以上分析，高速公路通信业务在物理上具有种类多、数量小，接入点 分散、站间距离长短不一等特点，在逻辑上具有突发性强，实时性、可靠性要 求高等特点。因此在综合考虑地理位置的不同，业务量大小，业主对服务质量 的要求等各方面因素的前提下，灵活应用各种组网方案，充分考虑各自的优缺 点，组建经济实用的网络是高速公路通信系统的建设原则。 高速公路通信系统应具有如下功能特点： 先进的技术选择。尽量满足业务传输突发性、实时性、可靠性等方面的要 求： 较高的业务综合接入能力和传输能力。网络结构简单，日常维护工作量和 维护成本得以降低； 具备与其它类型网络的互连互通能力。今后通信系统增容、提速简便易行， 保护用户已有的投资； 较强的故障恢复能力与灵活的组网结构相结合，以保证较高的传输质量与 可靠性 强大的网络管理能力，良好的人机界面，便于工作人员操作 2 3 高速公路通信系统的发展现状 我国高速公路信息化管理系统的建设相比高速公路发达的国家，起步较晚， 同时通信网的建设受高速公路建设的制约。在物理链路上，目前，我国高速公 路建设是各条路单独修建，单独管理，电话调度不灵活，分散的局部网络形成 “孤岛”局面，互不相通。在技术选择上，我国近期建设的大多数高速公路都 选择了s d h 传输技术，还有早期建设的一些高速公路采用的是p d h 体制，但接 入方式与网络设计千差万别，参差不齐，总体水平比较落后，网络结构比较复 杂。 高速公路通信系统的联网目前在我国部分地区开始尝试，由于它牵涉到收 费标准、收费票据、通信网络及管理、收费软件和技术标准、规范等的统一， 因此实现起来难度较大，需要政府部门的干预和规划。目前国家正在加大力度 对这一方面进行调整和管理。技术上也存在“孤岛”局面的接入问题。 本课题即是针对这样的情况做了一些研究与探索，并提出了自己的观点与 见解。 第二章高速公路通信系统传输网络 信息技术的飞速发展不断地改变着人们的生活、工作和交流方式，人们 之间的信息交流不再局限于某种单独的方式。话音、视频、数据的综合传输即 多媒体通信成为社会的需要。同时大量新的用户终端业务也层出不群，如点播 电视、可视电话会议、高速数据传送、可视电话、图像库、家庭教育、家庭购 物、远程工作、高清晰度电视等。相应地，通信技术的发展也经历了有史以来 最为迅速的阶段。八十年代末九十年代初，同步数字系列s ) h 从兴起到成熟到 广泛应用0 3 、异步转移模式a t m 从起步到火热、宽带i p 也正处在发展的巅峰等。 高速公路通信系统作为专网通信也经历着同样的历程。本章详述高速公路通信 系统传输技术的选择。由于高速公路通信系统具有跨度大、站点分散等特点， 在技术方面选择光通信技术毋庸置疑。光纤通信技术不仅通信容量大，衰耗小； 而且重量轻，易铺设，抗电磁干扰能力强，原料丰富，这些特点都适合于高速 公路通信系统的广泛应用。 现代传送网络向着智能化的方向发展，其中不同的数字传输技术代表不 同时期传输网络的特点。s d h 和p d f i 的本质是同步时分复用s t m 方式；a t m 是一 种异步插分复用方式，是种基于综合复用、传输和交换的技术，而s d h 是综 合传输、复用和交叉连接的数字传输技术。a t m 可以完成s d h 网络完成的所有 功能，甚至做得更好n ，。但作为基础传输网络必须具有技术成熟、可靠实用， 具有丰富的设计和维护经验，而这些都是a t m 传输网络目前无法具有的，因此 现在人们普遍认为s d h + a t m 是多媒体通信网络的核心技术，即将s d h 作为传输 网络，利用a t m 快速交换，网络利用率高，业务适应性强等特点，二者的完美 结合可将各种各样的通信要求纳入单一的网络，实现高速、宽带、多种媒体的 综合业务传输。受价格、性能和技术成熟度的影响，目前在国内高速公路通信 系统还未实现s d h + a t m 的模式，而是采用s d h 技术作为网络传输体制，交换则 通过程控交换实现。但是，作为未来理想的通信模式，在后续章节中将对a t m 技术作一些探讨。 2 1s d h 技术概述 同步数字系列s d h 是在传统的数字通信基础上发展起来的一种新的传输技 术体制，它的出现及发展有其内在的必然因素。 1 1 同步数字系列的产生及其特点 1 1 1 同步数字系列的产生 随着电信网的发展和用户要求的提高，基于点对点传输的准同步数字系列 p n - 越来越暴露出一些固有的弱点”3 ： 1 只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，而不存在世界性标准。北美、 日本和欧洲三种体制互不兼容，造成国际互通的困难。 2 没有世界性的标准光接口规范。各个厂家自行开发的专用光接口无法在光 路上互通，限制了联网应用的灵活性，也增加了网络复杂性和运营成本。 3 准同步系统的复用结构。必须采用背靠背方式上下电路，这样不仅复用结 构复杂，也缺乏灵活性，硬件数量大，上下业务费用高a 4 准同步系统的网络运行、管理和维护主要靠人工的数字信号交叉连接和停 业务测试，无法适应不断演变的电信网要求，更难以很好支持新一代的网 络。 5 建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使得数字通道设备的利 用率很低，非最短的通道路由占了业务流量的大部分。北美7 7 的4 5 兆速 率信号的传输需要一次以上的转接，只有2 3 的信号是点到点传输的。 另一方面，用户和网络的要求正在不断变化，一个现代电信网要求能迅速、 经济地为用户提供电路和业务，甚至最终希望能对电路带宽和业务提供在线实 时控制，因此迫切要求一种新的技术体制的面世一一光同步传送网s d h 应运而 生。s d h 是新一代的传送网体制，有机地结合了高速大容量光纤传输技术和智 能网络技术。 1 1 2 同步数字系列的特点 光同步数字传送网是由一些s d h 网元组成，并在光纤上进行同步信息传输、 复用和交叉连接的网络。作为一种全新的传送网体制，特点总结如下“1 ： 1 使1 6 m b p s 和2m b p s 两大数字体系( 3 个地区性标准) 在s t m l 等级以上 获得统一。今后数字信号在跨越国界通信时，不再需要转换成另一种标准， 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准； 2 基本网元虽然功能各异，但都有统一的标准光接口，能够在基本光缆段上 实现横向兼容性； 3 采用了同步复用方式和灵活的映射结构。各种不同等级的码流在帧结构负 荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络是同步的，因而只需利用软件即 可使高速信号一次直接分插出低速信号。这样既不影响别的支路信号，又 不需要对全部高速复用信号进行解复用，省去了全套背靠背复用设备，网 络结构得以简化，使上下业务十分容易。利用同步分插能力还可以实现自 愈环形结构，改进网络的生存性。 4 有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块，并具有块状帧结构， 允许安排丰富的开销比特用于网络的o a m ，大约占信号的5 ，因此具有强 大的网管功能； 5 s d h 与现有网络能完全兼容。既可以兼容现有准同步数字体系的各种速率， 还能容纳各种新的业务信号，例如高速局域网的光纤分布式数据接口f d d i 信号、城域网的分布排队双总线d q d b 信号、宽带综合业务数字网中的异步 转移模式a t m 信号以及因特网业务t c p i p 信号。因此，s d h 具有完全的后 向兼容性和前向兼容性。 6 s d h 网具有信息净负荷的透明性。即网络可以传送各种净负荷及其混合体而 不管其具体信息结构如何。净负荷与s d h 网的接口仅仅在网络边界上才有， 一旦净负荷装入虚容器后，网络内部所有设备只需处理虚容器，从而减少 了管理实体参量，简化了网络管理。 7 大量采用软件进行网络配置和控制，使得新功能和新特性的增加比较方便， 适于将来的不断发展。 综上所述，同步数字系列的特点突出表现在同步复用、标准光接口和强大 的网管能力，与准同步数字系列p d h 相比有明显的优越性。未来的发展方向应 该是这种高度灵活和规范化的传输体制，它将最终取代p d h 成为未来信息技术 的主流。目前，我国省级以上骨干网9 0 采用s d h 体制。高速公路通信系统作 为一种典型的专网通信，是公网通信的一个缩影，也不例外。 1 2s d h 的帧结构及复用方式 同步数字系列上述所有特点都是由其内在的帧结构及其复用方式等因素决 定的。 1 2 1 同步数字体系信号比特率。1 s d h 的基本模块信号是s t m - 1 ，高阶信号s t m n 由n 个s t m - 1 信号经同步复 用而成，目前n 只能取1 、4 、1 6 和6 4 。信号速率如表2 一l 所示 表2 - 1s d h 信号速率 s d h 等级速率k b i t s s t m l1 5 5 5 2 0 s t m 一46 2 2 0 8 0 s t m 一1 62 4 8 8 3 2 0 s t h - 6 49 9 5 3 2 8 0 1 2 2s 册帧结构“1 s d h 网的一个关键功能是要求能对支路信号进行同步的数字复用和交叉连 接，因而帧结构必须能适应所有这些功能。同时也希望支路信号在一帧内的分 布是均匀、有规律的，以便于接入和取出。最后还要求帧结构对1 5m b i t s 系列和2m b i t s 系列信号同样方便和实用。这些要求导致i t u t 最终采纳了一 种以字节结构为基础的矩形块状帧结构，其结构安排如图所示：它由2 7 0 n 列 和9 行8 比特字节组成。帧结构中字节的传输从左到右按行进行，每秒共传送 8 0 0 0 帧。 9 * n2 6 i * n r s o h a up t rs t m - n 净负荷 ( 含p o h ) m s o h 图2 一is d h 帧结构安摊 ( 1 )段开销区域s o h 段开销是指s t m 帧结构中为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须的附加 字节，主要是提供网络运行、管理和维护使用的字节。图中横向第1 至9 列、 纵向第1 至3 行和第5 至9 行的7 2 n 个字节分配给段开销，可见段开销是相当 丰富的，这是光同步传送网的特点之一。 ( 2 )信息净负荷区域 信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息容量的地方。其中还有少量用于 通道性能监视、管理和控制的通道开销字节p o h 。通常，p o h 作为净负荷的一部 分并与其一齐在网络中传送。以s t m - i 为例，每帧有信息净负荷2 3 4 9 ，约占信 息总速率的9 6 6 。由此可见，由于帧容量很大，虽然段开销量较大，但传输 效率还是很高的。 ( 3 )管理单元指针区域a up t r 管理单元指针是一种指示符，主要用来指示信息净负荷的第1 个字节在 s t m n 帧内的准确位置，以便在接收端正确分解。采用指针是s d h 的重要创新， 指针调整技术可以解决网络点间的时钟偏差，因而在s d h 系统接口端，就能从 码流中正确地分离出信息净负荷，消去了常规p d h 系统中滑动缓存器所引入的 延时和性能损伤。还有利于实现从s d h 的各等级传送模块中直接取出( 或接入) 低速支路信号( 即上下电路灵活方便) ，便于实现向更高速率( 超过g b i t s 级) 同步复用扩展。 l - 2 3 段与通道的概念 在s d h 网络中信号传输网的各部分可分为复用段m s 、再生段r s 和通道p a t h 三个层面，其中复用段和再生段通称段。各层面的定义和分界如图2 2 所示： ；* 枷s 卜鼎广+ 书s _ + 书s _ * i _ 椭h i i：l 通道b _ 卅 ： i l 翔 黉酌卜p 。， 图2 - 2 复用段、再生段与通道 复用段涉及复用段终端( 终端复用器t m 、分插复用器a d m 、数字交叉连接设备 d x c 等) 之间的端到端信息传递。复用段功能由复用段终端提供，主要功能有 复用段开销m s o h 的产生与终结，通道的同步与复用等。再生段涉及再生器与再 生器之间或再生器与复用段终端之间的信息传递。再生段终端( r e 6 、t m 、a d m 、 d x c ) 用以完成再生段功能，如再生段开销r s o h 的产生与终结，帧定位、扰码 等。通道( p a t h ) 由一个或多个段组成，为电路提供透明的传输路径。通道终 端主要完成对净荷的复接与分接以及通道开销p o h 的产生与终结，通道终端也 是电容器的结合点与分接点。从信号的开销看，m s o h 在复用段内传输时维持不 变，r s o h 在再生段内传输时维持不变，而p o h 则在通道终端间保持不变。 1 2 4 复用映射结构 i t u t 建议g 。7 0 7 规定了一个s d h 的一般复用映射结构我国的s d h 复用映 射结构是根据自己的实际情况对通用结构作了一些简化，图示如下： 口+ 一“十一 图2 - 3 我国的s d h 复用映射结构 c 。c 。和c 。是一些标准信息容器，分别用来接收p d h 体制的2 0 4 8 k b i t s ， 3 4 3 6 8 k b i t s 以及1 3 9 2 6 4 k b i t s 信号，完成速率适配等功能，此即为映射。在 上述标准信息容器基础上再加上用于通道维护管理的通道开销p o h 后便构成了 相应的虚容器v c 。v c 的包封与原来的网络是同步的，其内部则可以装载各种不 同容量的支路信号，同一网络中的不同v c 的帧速率都是相互同步的，因而可以 在v c 级别上方便地实现交叉连接等操作。v c 在s d h 网中总是保持完整不变， 可作为独立实体在通道中任意一点取出或插入，进行同步复用和交叉连接处理。 数字流再按图中指定路线进入所谓的管理单元a u 或支路单元t u 进行正零负 速率调整，其中a u 由高阶v c 加a u 指针组成，t u 由低阶v c 再加t u 指针组成。 单个a u - 4 或3 个a u 一3 置入管理单元组a u g ，再由n 个a u g 经单字节间插并加上 段开销便构成了s t m - n 信号。对于n = i ，相当单个a u g 加上段开销( 4 6m b i t s ) 即构成了速率为1 5 5 5 2 0m b i t s 的s t b l 一1 信号。 1 2 卧卧 1 s d h 复用映射结构单元名称 a 容器c ：容器是一种用来装载各种不同速率的信息结构，有c 1 1 、c - 1 2 、c - 2 、 c - 3 和c 一4 五种。 b 虚容器v c ：虚容器是s d h 网中用以支持通道层连接的一种信息结构，它是由 容器加上通道开销p o h 构成的，它可分成低阶v c 和高阶v c 两种。 c 支路单元t u ：支路单元是一种在低阶通道层和高阶通道层间提供适配功能 的信息结构，它由信息净负荷( 低阶v c ) 和指示净负荷帧起点相对于高阶v c 帧起点偏移量的支路单元指针( t up t r ) 组成。有t u 一1 l 、t u 1 2 、t u 一2 和 t u - 3 四种。 d 支路单元组t u g ：支路单元组是由一个或多个在高阶v c 净负荷中占据固定 的、确定的支路单元组成。有t u g 一2 和t u g 一3 两种。 e 管理单元a u ：管理单元是在高阶通道层和复用段层之间提供适配功能的信 息结构，它由信息挣