高速公路通信系统相关技术及设计方法

高速公路通信系统相关技术及设计方法

学习目的学习要点

了解高速公路通信系统相关概念，涉及技术及相关技术的设计方法。同步数字体系（SDH）程控数字交换系统ATM技术通信系统网络设计高速公路通信新技术10.1.1高速公路通信系统概述1．高速公路专用通信系统高速公路有线通信常采用以光缆传输为主干线的多种专用通信系统。主要包括以下四种系统：光缆数字传输系统紧急电话系统移动通信系统专用近距微波传输系统2．高速公路通信系统的特点1）各级管理机构及沿线设施一般均建筑在公路两侧，呈线状分布。2）管理体制一般采取分级管理、集中控制调度，高速公路通信网的网络结构为树形结构。3）高速公路通信系统应该是以有线通信为主，并采用移动通信等多种通信手段的综合通信系统，并且要有高的可靠性，系统每天24小时不间断运行。

10.1概述3.通信系统设计基本原则

1）符合交通部、邮电部现有技术规范、标准和政策，统一规划、分期实施、逐步完善，充分满足高速公路网络管理与安全保障的需要。

2）技术选择上有适当超前意识与可持续发展思想，既要考虑高速公路管理部门的经济承受能力，又要考虑到新生业务和技术的发展。3）通信系统应具有可升级性、兼容性和冗余性，既能满足近期联网通信的实际需要，又能为未来发展预留业务接口与扩展空间。

4）充分考虑整个网络的先进性与经济性，所采用的设备应具有成熟可靠、标准统一和可操作性强的特点，以便于维护和更换，达到降低营运成本的目的。

图10-1通信系统业务应用模型4．高速公路通信系统模型及其功能

图10-2通信系统业务应用流程2）通信系统功能分析高速公路通信目的在于支持高速公路管理、监控和收费等业务的传送，是提高高速公路管理水平和安全保障能力的支撑网络。（1）对管理系统的支持（2）对收费系统的支持（3）对监控系统的支持

10.2高速公路数据通信系统设计目前适应高速公路通信网络技术的有SDH、MSTP和IP技术。

10.2.1同步数字体系（SDH）

SDH是目前高速公路通信普遍采用的组网技术，具有标准信息结构、速率等级和光电接口，并可通过自愈环实现通道和段的倒换保护。1．SDH系统的基本概念及特点

SDH系统实质上是在光纤上进行同步信息的传输的一些SDH的网络单元（NE）。它有国际上统一的网络节点接口（NNI），如图10-3所示。图10-3NNI在网络中的位置

2.SDH帧结构帧结构一般可以分为三个组成区域，其功能如下：1）段开销（Sectionoverhead，SOH）段开销是指STM帧结构中为了保证信息净负荷、灵活传送所必需的附加字节，是供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。2）管理单元指针（AU-PTR）AU-PTR是一种指示信息净负荷的第1个字节在STM-N中的准确位置，以便在接收端正确地解复用。采用指针方式消除了常规PDH帧结构中滑动缓存引起的延时和性能损伤。3）信息净负荷（Payload）

信息净负荷就是STM-N模块中存放的各种数据信息，当然还含有少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销控制字节POH。通常，POH作为净荷的一部分与净荷一起在网络中传送。

3、SDH的基本复用结构SDH的基本复用单元包括标准容器（C）、虚容器（VC）、支路单元（TU）、支路单元组（TUG）、管理单元（AU）和管理单元组（AUG）。图10-4我国的基本复用映射结构4．SDH设备光同步数字传输网是由一些SDH网络单元组成。它的基本网络单元有同步光缆线路系统、同步复用器（SM）、分插复用器（ADM）和数字交叉连接设备（RXC）等，这些设备均由一系列逻辑功能块构成。图10-5光纤数字通信系统方框图5.2.2程控数字交换

系统高速公路设置专用程控数字交换系统是获取高可靠性、高可用性通信工具的物质保证；电话网，同时利用已建管道安装程控电话可以节省投资费用。1．程控数字交换系统的功能要求完成管理部门各单位点对点的语音、传真、图像和数据的传输；实现管理中心和下属各单位一点对多点的同时通信（如指令电话、电话会议等）；与上级业务管理部门和外界社会的通信；具有对系统状态自动测试的功能。2．程控控电话话系统统呼叫叫过程程如图10-6图10-6电话呼呼叫通通话过过程3．程控控数字字交换换系统统的控控制方方式和和结构构1）两种种基本本控制制方式式：集中控控制：：设一一台交交换机机的控控制部部分由n台处理理及组组成，，它实实现f项功能能，每一项项功能能由一一个程程序来来提供供，系系统有有r个资源源。如如果在在这个个系统统中，，每一一台处处理机机均能能利用用全部部资源源，也也能执执行所所有功功能，，则这这个控控制系系统就就叫做做集中中控制制系统统。分散控控制：：在上上述系系统中中，如如果每每台处处理机机只能能利用用资源源的一一部分分，只只能执执行一一部分分功能能，就就称为为分散散控制制。4．程程控控数数字字交交换换机机1）程程控控交交换换系系统统的的硬硬件件部部分分可可以以分分为为话话路路系系统统和和控控制制系系统统两两个个系系统统，，基基本本组组成成框框图图如如下下图10-7程控控交交换换机机的的基基本本组组成成2）程程控控数数字字交交换换机机具具有有一一些些突突出出的的优优点点：：（1）体体积积小小、、功功耗耗低低，，设设备备体体积积只只有有机机电电交交换换机机的的1/8～1/4，可可压压缩缩机机房房面面积积，，节节省省投投资资；；（（2）易易于于扩扩展展功功能能，，通通过过修修改改软软件件能能扩扩展展交交换换机机功功能能，，向向用用户户提提供供新新的的服服务务；；（（3）工工作作稳稳定定可可靠靠、、维维护护方方便便，，大大规规模模集集成成电电路路和和专专用用芯芯片片保保证证高高可可靠靠性性和和自自动动诊诊断断功功能能；；易易于于和和数数字字终终端端、、数数字字传传输输系系统统连连接接，，为为发发展展综综合合业业务务数数字字网网（（ISDN）奠奠定定基基础础。。10.2.3ATM技术术1、ATM技术术的的基基本本概概念念ATM指的的是是““以以信信元元为为信信息息传传播播、、复复接接和和交交换换的的基基本本单单位位的的传传送送方方式式””。。也也就就是是说说，，使使用用信信元元是是ATM的基基本本特特征征。。1）信信元元结结构构ATM以信信元元（（Cell）作作为为传传送送信信息息的的基基本本单单位位，，它它分分为为两两类类：：一一类类用用于于网网络络节节点点之之间间的的接接口口NNI，另另一一类类用用于于用用户户和和网网络络之之间间的的接接口口UNI图10-8ATM信元元结结构构2）虚虚信信道道和和虚虚通通道道一般般将将ATM交换换中中连连接接称称为为虚虚连连接接，，这这种种虚虚连连接接是是由由若若干干虚虚信信道道（（VC）和和虚虚通通道道(VP)相互互连连接接而而成成的的。。（1）虚虚信信道道（（VC）在ATM术语语中中虚虚信信道道（（VC）是是描描述述信信元元单单向向传传送送路路径径的的术术语语之之一一，，它它用用来来在在两两个个端端点点用用户户之之间间建建立立一一个个单单向向的的逻逻辑辑连连接接，，以以便便单单向向传传送送用用户户信信元元。。（2）虚虚通通道道（（VP）虚通通道道用用来来描描述述一一组组虚虚信信道道通过过网网络络的的单单向向路路由由，，它它由由若若干干虚虚信道道组组成成。。和和虚虚信信道道一一样样，，虚虚通通道也也是是一一种种单单向向通通道道，，它它也也通通过过一个个标标记记（（虚虚通通道道标标记记VPI）来来表表示示，，而而且且VPI数值值也也只只在在局局部部范范围围内内有有意意义义。。图10-9VP、VC之间间的的复复用用关关系系图图交换过程主要包括4个方面1）路由选择在输入链路上接收信元，并提取信元中的信头，以确定这些信元应从哪条输出链路上发送出去。3）信元排队把具有新VPI值和VCI值的信元存储到相应的队列中。4）发送按信元到达顺序从队列中取出信元，并发送到相应的输出端口。2）标记转换根据路由表把输入信元信头的VPI值和VCI值转换成相应输出链路上的新值。2、ATM交换换过过程程3、ATM交换换网网络络的的结结构构图10-10描述述了了一一个个基基本本的的ATM交换换机机模模块块结结构构。。4．ATM的主主要要优优点点1）免免除除了了差差错错控控制制和和流流量量控控制制，，大大大大简简化化了了网网络络控控制制。。通通过过队队列列容容量量设设计计和和入入网网前前用用户户信信息息流流量量控控制制，，可可使使信信元元丢丢失失率率降降低低到到10-8～10-12。2）面面向向连连接接的的工工作作方方式式。。3）简简化化了了信信头头功功能能。。ATM信元元信信头头功功能能十十分分简简单单，，由由于于信信头头功功能能简简单单，，因因此此信信头头处处理理速速度度很很快快，，处处理理时时延延很很小小。。4）采采用用长长度度较较小小的的固固定定长长度度信信元元。。图10-10ATM交换换机机模模块块结结构构图图10.2.4IP电话话在在高高速速公公路路通通信信系系统统中中的的应应用用1．IP电话话的的工工作作原原理理IP电话话是是以以IP分组组交交换换网网络络为为传传输输平平台，，对对模模拟拟的的语语音音进进行行压压缩缩、、打打包包等等一一系系列的的特特殊殊处处理理，，使使之之可可以以采采用用无无连连接接的的UDP协议议进进行行传传输输。。IP电话话的的传传输输过过程程分分为下下列列几几个个阶阶段段：：图10-11IP电话话模模型型基基本本结结构构语音音-数据据转转换换原数数据据-IP的转转换换传送送IP包-数据据的的转转换换数字字语语音音转转换换为为模模拟拟语语音音图10-12IP电话话传传输输基基本本过过程程2．IP电话话具具有有如如下下特特点点：：语音音传传输输时时采采用用TCP/IP协议议的的分分组组交交换换。。传输输的的语语音音必必须须进进行行压压缩缩编编码码。。语音音信信号号的的延延迟迟较较大大，，延延迟迟抖抖动动也也较较大大ImmenseVisualAppeal10.2.5光纤纤接接入入网网光纤纤接接入入网网是是用用户户接接入入网网的的一一种种，，它它的的应应用用，，能能较较好好地地解解决决用用户户需需求求与与通通信信传传输输网网之之间间不不相相配配套套的的问问题题，，满满足足高高速速公公路路运运营营对对通通信信网网的的需需求求。。1、用用户户数数据据接接入入网网1）特特点点投资资高高而而效效益益相相对对低低运行行条条件件差差技术术发发展展慢慢2）分分类类如图图10-13图10-132、接接入入网网的的功功能能结结构构1）功功能能结结构构图10-14接入入网网功功能能结结构构2）接接口口接入入网网的的接接口口有有三三类类，，即即UNI，SNI和Q3管理理接接口口。。UNI是用用户户和和网网络络的的接接口口，，不不同同的的UNI支持持不不同同的的业业务务，，如如模模拟拟电电话话、、数数字字或或模模拟拟租租用用线线业业务务等等。。业务务节节点点接接口口SNI有模模拟拟接接口口（（Z接口口））和和数数字字接接口口（（V接口口）），，可可以以支支持持一一种种专专用用接接入入类类型型，，也也可可以以支支持持多多种种接接入入类类型型。。维护护管管理理接接口口Q3是电电信信管管理理网网与与电电信信网网各各部部分分的的标标准准接接口口。。3）功功能能接入入网网的的功功能能有有五五个个方方面面：：（1）传送功功能提供由多多接入段段（如馈馈送段、、分配段段、引入入段）组组成的公公共传送送通道，，并完成成不同传传输媒体体间的适适配。（2）核心功功能完成UNI承载体或或SNI承载体公公共承载载体的适适配，如如复用和和协议处处理等。。（3）用户端端口功能能完成UNI的特定要要求及核核心功能能和系统统管理功功能的适适配。（4）业务端端口功能能完成SNI的特定要要求至公公共承载载体的适适配，提提供核心心功能处处理；同同时提取取相关信信息供系系统管理理调用处处理。（5）系统管管理功能能10.3通信系统统网络设设计10.3.1通信系统统网络设设计方法法1、通信系系统设计计分析2、通信接接入网设设计方法法高速公路路联网通通信接入入网采用用从通信信站局域域网到通通信分中中心广域域网由近近到远进进行设计计。包括括：1）通信站站网络设设计；2）通信分分中心网网络设计计；3）接入网网络访问问设计；；4）网络管管理系统统设计。。3．通信干干线网设设计方法法联网通信信干线网网设计是是根据网网络业务务需求与与容量预预测，采采用一种种由远及及近的设设计方法法，以此此构造高高速公路路联网通通信干线线网。1）通信总总中心网网络设计计；2）通信中中心网络络设计；；3）干线网网络访问问设计；；4）网络管管理系统统设计。。10.3.2通信信号号接入网网络1．数据接接入网络络1）收费数数据接入入网络2）监控数数据接入入网络2．音频接接入网络络1）紧急电电话接入入网络紧急电话话系统是是为道路路使用者者提供呼呼叫、求求援的专专用电话话系统，，由紧急急电话主主机、传传输线路路和路侧侧分机组组成，是是一个多多点对一一点的独独立报警警系统，，如图10-15所示。2）指令电电话接入入网络指令电话话为监控控分中心心提供紧紧急情况况下调度度有关人人员的通通信手段段，如如图图10-16所示。图10-15紧急电话话传输网网络图10-16指令电话话接入网网络10.3.3通信系统统网络支支撑设计计1、通信网网管方案案1）网络配配置管理理2）网络数数据管理理记录网络络用户和和资源信信息，实实时收集集、存储储网络运运行性能能数据，，并做阶阶段性统统计，定定期形成成报告；；同时进进行数据据分析，，为网络络持续规规划提供供依据。。图10-17联网通信信网管方方案网络配置置管理主主要是组组织网络络运行所所需的物物理配置置，实施施对网络络单元的的控制、、识别和和数据交交换，包包括网络络资源配配置和网网络业务务配置。。3）网络性性能管理理用于评定定网络状状态和效效用，包包括性能能监视、、性能分分析和性性能控制制。图形形显示网网络拓扑扑结构、、网络节节点、中中继线配配置和利利用情况况，监视视网络拥拥塞和设设备失效效情况；；显示网网络性能能变化，，指标劣劣化到一一定程度度时发出出告警，，并在需需要时发发出命令令到各节节点进行行网络控控制。4）网络故故障管理理用于检测测、隔离离和校正正网络与与环境的的异常信信息，包包括环回回诊断、、激活检检测、故故障定位位、告警警监视等等功能；；故障排排除后提提示告警警清除，，进行记记录并予予以一定定期限保保留，以以便进行行检索和和做详细细分析。。5）网络安安全管理理为网络运运行提供供周密安安排和安安全保护护；对数数据信息息进行保保护和备备份。6）网络费费用管理理用于度量量网络业业务使用用情况，，并按预预定收费费标准确确定使用用资源，，一般要要生成使使用率记记账报表表和详细细的呼叫叫输出（（包括服服务质量量参数））统计报报表。3．通信保保护方案案在具体网网络设计计中，应应综合考考虑业务务量分布布形式、、业务保保护倒换换时间、、业务保保护范围围和成本本/容量关系系等因素素，以选选择合适适的保护护方式。。4．通信同同步方案案同步是指指信号之之间在频频率或相相位上保保持某种种严格的的特定关关系，即即相对应应的有效效瞬间以以同一个个平均速速率出现现。10、3、4高速公路路通信新新技术通信新技技术，大大体上是是指正在在研制或或将要研研制的新新技术，，有些也也许已通通过实验验室试验验或刚投投入市场场进行商商用。这这些新技技术包括括：密集集波分复复用（DWDM）技术、、40Gbit/s光纤传输输技术、、千兆以以太网传传输技术术、第三三、四代代无线通通信（3G、4G）。中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施江门至罗罗定高速速公路（（以下简简称“江罗高速速”）是广东东省高速速公路网网规划中中第四横横线（福福建漳州州至广西西玉林））的一部部分，路路线全长长138.252km，主要要位于江江门鹤山山、云浮浮新兴、、罗定境境内，横横穿粤西西中部地地区，向向东通过过江中高高速、广广明高速速和广深深珠高速速等可抵抵广州、、中山、、东莞、、深圳等等珠三角角核心区区，向西西经云岑岑高速直直达广西西，不但但可构筑筑珠三角角核心区区通往粤粤西中部部的重要要通道，，同时也也是连接接广东与与广西两两省经济济核心区区的快速速运输通通道。中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施一、监控控设施1．管理理结构项目道路路监控及及牛山隧隧道、君君子岗隧隧道、流流浣坑隧隧道和良良洞隧道道4座隧隧道采用用“监控中心心——道路/隧隧道监控控外场”二级管理理模式，，由大顶顶隧道至至大石岭岭隧道共共11座座隧道采采用“监控中心心—隧道管理理所—隧道临时时应急指指挥室/隧道监监控外场场设备”三级管理理结构进进行管理理。2．监控控重点及及规模本项目重重点监控控路段如如下：（1）枢枢纽互通通。（2）特特大桥路路段。（3）长长大下坡坡路段。。中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施主线监控控和隧道道监控方方案统一一考虑，，主线段段监控设设计方案案应考虑虑隧道监监控设施施设置情情况，视视频监视视、信息息提示等等功能可可合并设设置，从从整个道道路和路路网的角角度，来来考虑隧隧道前后后道路主主线的监监控设施施设计方方案。针针对上述述重点路路段，采采取如下下措施：：道路监控控外场布布设规模模如下表1。主线监控控外场设设置规模模一览表表1中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施隧道监控控外场布布设规模模如下表2所示。隧道监控控外场设设置规模模一览表表表2中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施3．监控控中心系系统监控系统统在管理理中心设设置监控控中心，，内设计计算机系系统和综综合闭路路电视系系统。其中计算算机系统统负责全全线监控控系统的的运营管管理，包包括1台台监控服服务器、、1套流流媒体和和GIS系统服服务器等构成局局域网，网络拓拓扑为星星形结构构。综合闭路路电视系系统负责责道路监监控、隧隧道监控控、收费费等机电电专业视视频的综综合管理理，包括括1套9×60”大屏幕投投影系统统、40台42”彩色监视视器等组成。。中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施4．隧道道监控所所系统在南盛隧隧道管理理所设置置监控所所，内设设计算机机系统和和闭路电电视系统统。其中监控控系统负负责本项项目从大大顶隧道道至大石石岭隧道道之间11座隧隧道的运运营管理理，包括括1台监监控服务务器、1台图形形工作站站等构成局域域网，网网络拓扑扑为星形形结构。。闭路电视视系统直直接负责责上述隧隧道视频频信息的的管理，，包括1套4××60”大屏幕投投影系统统、24台42”彩色监视视器等组组成。中篇实例例江江罗高速速公路交交通机电电设施5．隧道道临时应应急指挥挥室系统统本项目在在2座特特长隧道道两端隧隧道变电电所内各各设置1处隧道道临时应应急指挥挥室，共共计4处处。隧道道临时应应急指挥挥室平时时为无人人值守，，当所辖辖隧道出出现通信信故障或或隧道内内发生重重大事故故时，管管理人员员可进入入进行现现场指挥挥、管理理。隧道临时时应急指指挥室负负责接收收所辖隧隧道区段段内的监监控设备备数据，，进行分分析处理理，制定定控制方方案，实实现所辖辖隧道的的综合监监控管理理，同时时要把监监控数据据上传至至隧道管管理所及及监控中中心。隧隧道临时时应急指指挥室内内部采用用以太网网，通过过交换机机连接相相应的计计算机和和外部设设备。隧道临时应急急指挥室计算算机局域网系系统主要包括括网络服务器器、以太网交交换机、隧道道本地交通管管理工作站、、隧道本地通通风照明火灾灾报警联动工工作站、隧道道本地视频控控制工作站和和隧道紧急电电话及有线广广播控制台。。中篇实例江江罗高速公公路交通机电电设施6．信息传输输（1）主线监监控数据传输输监控外场设备备与监控中心心之间采用以以太网共享带带宽式的数据据传输方式。。（2）隧道监监控数据传输输隧道监控数据据首先就近接接入区域控制制系统，通过过区域控制网网络汇聚到变变电所内的主主区域控制器器，接入接近近的无人通信信站，通过通通信系统提供供的10/100M通道道上传监控中中心或隧道管管理所。（3）隧道火火灾报警信号号传输隧道火灾报警警信号首先接接入设置在隧隧道变电所内内的火灾报警警控制器，报报警控制器采采用单独的网网络传输通道道，接入就近近的无人通信信站，通过通通信系统提供供的单独的低低速率通道，，上传监控中中心或隧道管管理所。中篇实例江江罗高高速公路交交通机电设设施（4）视频频传输本项目所有有视频先采采用点对点点方式传至至就近通信信站，经视视频分配器器分配，一一路录像，，另一路经经过视频编编码器编码码，通过通通信系统提提供的1000M传传输通道，，传至监控控中心或隧隧道管理所所，再经过过视频解码码器解码后后接入中心心闭路电视视系统。反向控制信信号及图像像调用指令令由监控中中心或隧道道管理所的的视频控制制工作站发发出，可通通过视频编编解码提供供的反向数数据传输通通道传至各各外场遥控控摄像机。。中篇实例江江罗高高速公路交交通机电设设施7．隧道区区域控制网网络隧道本地控控制网络系系统采用工工业以太网网光纤环网网结构。区域控制器器分为主控控和从区域域控制器，，主控区域域控制器设设在隧道附附洞口附近近的变电所所机房或临临时应急指指挥室内；；从区域控控制器则在在隧道内按按450～～650m的控制区区域设置。。隧道内所有有监控设备备以点对点点方式的接接入到所属属控制区域域的从区域域控制器各各类通信模模块，完成成各类检测测信息的采采集和执行行控制指令令。此外，，通过主控控区域控制制器可实现现对单个隧隧道的本地地控制。中篇实例江江罗高高速公路交交通机电设设施8．隧道火火灾报警系系统设置方方案火灾自动报报警系统由由火灾报警警工作站、、火灾报警警控制器、、火灾检测测主机、双双波长火焰焰探测器和和火灾综合合盘，以及及隧道内感感温光纤和和火灾手动动报警按钮钮等设备组组成。在王北凹和和三岔顶顶顶隧道分别别设置双波波长火灾报报警系统，，在隧道内内设置双波波长火焰探探测器和火火灾报警综综合盘；在在流浣坑、、良洞和尖尖峰顶隧道道分别设置置光纤火灾灾自动检测测系统，在在隧道内设设置感温光光缆、手动动报警按钮钮等，并在在隧道变电电所内设置置火灾检测测主机。所有火灾检检测信号通通过总线由由信号转换换器传输至至火灾报警警控制器，，火灾报警警控制器与与隧道变电电所内的主主区域控制制器设备连连接，实施施隧道区域域控制，同同时接入隧隧道临时应应急指挥室室计算机系系统，可由由其进行现现场控制，，或直接通通过数据光光端机传入入就近通信信站，经通通信系统提提供的通道道上传监控控中心或隧隧道管理所所的火灾报报警工作站站，进行远远程控制。。中篇实例江江罗高高速公路交交通机电设设施二、收费设设施1．收费制制式和方式式本项目采用用封闭式收收费制式，，按区域联联网进行收收费，近期期实施计重重收费。按照规划，，本项目收收费数据需需传至开阳阳高速的沙沙塘数据采采集点。本本项目采用用“半自动收费费方式（MTC）+电子不停停车收费方方式（ETC）的组组合式收费费方式”，通行券采采用非接触触式IC卡卡，且系统统能兼容现现有的IC卡通行券券。2．计重收收费根据广东省省关于实施施计重收费费的进程要要求，本项项目近期即即实施计重重收费。中篇实例江江罗高高速公路交交通机电设设施3．站点布布设设置匝道收收费站，收收费站设置置如下表3所示。收费站设置置一览表表