南水北调中线干线组网与分析 - 通信人家园

摘要：南水北调中线干线通信网，是一个线形的网络路由，是一种通信专网，根据中线干线的实际情况，它一个比较特殊的线形网络，又要有比较高的网络安全性。本文在通信系统组成，南水北调中线干线通信组网方式、组网结构、接入网等方面，作出比较详细的分析，并对应急通信系统也提出了一点合理性建议。

Abstact: South to North Water Diversion Middle Route of communication network, is a linear network routing, is a kind of communication network, According the actual condition of the main line, it is a special linear networks, but also have higher network security. Based on the communication system, South to North Water Diversion Middle Route communication mode, network strucrure, Access network, made more detailed analysis, And emergency communication system is also put forward some reasonable suggestions.

南水北调中线干线包括总干渠和天津干渠，渠线总长1432公里。中线干线渠道共经过河南、河北、北京、天津四个省（直辖市）区，总干渠长1276公里，河南省段、河北省段以明渠为主，北京段采用预应力钢筒混凝土管（PCCP：Prestressed Concrete Cylinder Pipe）和暗涵输水；天津段干渠长156公里，采用暗涵输水。中线干线渠道沟通长江、淮河、黄河、海河四大流域，穿越黄河干流及其它集流面积10平方公里以上的河流219条，跨越铁路44处，需建跨渠公路桥570余座。主要建筑物除明渠、PCCP管、暗涵外，还有倒虹吸、隧洞、桥梁、节制闸、退水闸、分水口、泵站等建筑物总计1770余座，都是干渠上的重要控制点。

若将中线干线沿线的各个信息采集点、控制点、运行管理处组成网络，需要详细的研究规划，组网所供参考的同类网络不多，故网络的组网规划需要将各方面的问题考虑详细，其中包括：前期的业务应用，后期的网络升级扩容，并作部分可变因素的考虑，使网络在以后的运行中具有较强的可维护性和升级扩容性。

南水北调中线干线通信网络系统由传输系统、程控电话交换系统（或软交换机系统）、时钟与同步系统、电源及接地系统、智能监控系统、水质与环境监测系统、机电设备系统、闸站控制系统、办公OA系统、电视电话会议系统、计算机网络与数据平台、公务与调度系统、信令系统、网络管理系统等组成。根据南水北调中线干线调水安全需要，应建立一套应急通信网，是独立于中线干线通信网之外的一种通信方式，以保证在特殊情况下安全运行的需要。南水北调中线干线通信系统的组成图(如图1)。

南水北调中线干线通信网的规划应符合我国通信技术、政策的规定，符合我国现行国家标准、规范的要求，中线干线通信网应统一规划、实施和统一管理。根据南水北调中线干线通信网建设和开通运营的进程，应实现中线干线统筹安排，分期实施以及逐步实现中线干线四省市（直辖市）联网的原则，中线干线通信网应充分考虑地区业务需求和线性路由的因素，网络的汇聚层与核心层应与地市级地方网络的连接预留必要的光纤和电路接口。

中线干线通信网建设规模应立足于南水北调中线干线专网业务需求，主要是为南水北调的中线干线语音、图像、计算机与数据平台、控制系统和运营管理服务。网络系统容量应满足近期需求并预留一定余量，在主干线和瓶径路由应适当扩大系统容量，充分考虑当今通信技术迅速发展的趋势，网络系统设计应采用模块化结构，可以平滑升级，并具有可扩展性。中线干线通信网建设标准应立足于高科技或高技术平台，主要采用光纤数字传输和数字程控交换机等先进技术。通信专网应建设为集话音、图象、数据和文本等综合业务和网络自动管理的综合通信网。

南水北调中线干线的物理形状为线性结构，类似与地铁、铁路、高速公路的性质，虽然在物理地域上有点不同，但业务需求主要部分类同，根据业务需求主要有计费系统、调度系统、控制系统、语音、图像、数据等，同时考虑中线干线沿线各管理部门之间的业务联络通信的畅通，并且与沿线各地市的调水部门建立必要的联系，所以中线干线的专用通信网，是关乎民生和沿线安全的通信网络，需要很高的安全级别。

根据通信网的组网技术，网络一般分层次化设计，将不同的功能分解到不同层次的网络中，以降低网络节点功能的复杂性；将控制功能集中化，以降低网络协议的复杂性。层次化的重大成果是，它不仅可以使各个层次网络的技术独立发展，还可以在一个相同的传送网络层上支持多种业务网络，在一个相同的交换网络上支持多种业务控制网络，也可以支持通过不同的传送网络和接入网络获得同一个业务网络的能力。三层式网络结构是由核心层、汇聚层及接入层组成，核心层网络节点三个以上时，一般采用三层式网络结构，两个以下是采用二层网络结构，将核心层与汇聚层合并为骨干层，目前已经投入试运行的石家庄至北京段用的是二层式网络结构。采用三层式网络结构是基于南水北调中线干线的管理机构各自功能性、设置地点、信息采集点及配套系统的特点而采用的网络结构。南水北调中线干线通信网层次结构图（如图2）。

核心网（Internet backbone Internet，也叫骨干网）常以网状结构或环形结构组网，汇聚层常以环状结构组网，接入网（（AN: Access Network））常以星形结构、环形结构、链性结构、树形结构组网。环状网络具有环网自愈功能，即自愈网(Self-healing Network)，是基于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）传输技术，采用分插复用器（ADM）组成环形网实现自愈的一种保护方式；ADM就是能够在高速STM-N（同步传输：Synchronous Transfer Module，STM-N, N=1，4，16 ,64、256)光信号中直接分插各种PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字体系)支路信号或STM信号的复用器；自愈环按结构分类，有通道保护环和复用段保护环，按光纤数量分类，有二纤环和四纤环，按接收和发送信号的传输方向分类，有单向环和双向环；环形自愈网上的节点一般是3至6个节点组成[1]，方便于拆环增加网络节点，方便于网络维护和扩容升级。同时，中线干线是线行网络路由，根据网络组环需要，可以与联通或移动组成战略合作，租用他们的光缆及其他相关的业务。

核心网是由中线干线所经过的四个省市网络节点（node）组成（北京站、天津站、河北站、河南站四个通信网元（Network Equipment）），组成网状结构或环状结构，并以大颗粒光口业务互联；南水北调中线通信网的业务是将河南站、河北站、天津站的信息收集到北京站网管中心，网络节点之间的相互信息交叉业务需求较少，故此采用环形网结构更符合实际需求。汇聚网是由省辖下的各地市组成，汇聚层担负的业务是收集接入网的信息并上传到核心网，汇聚层的网络需要有较强的保护功能，才能保障的信息顺畅地传输到核心网络，据此采用保护功能很强的环形结构，更能满足传输网的业务要求。以河南省为例，由陶岔渠首、南阳市、平顶山市、许昌市、郑州市、焦作市、新乡市、鹤壁市、安阳市等9个地市级汇聚网络节点组成，可将河南省下辖地市级分别组成两个的环形网络，通过许昌市、郑州市两个网络节点接入核心网。接入层是由地市下辖的各区县运行管理处组成，主要担负的是，程控交换设备的接入，收集各信息采集点与控制点的信息收拢，并上传到汇聚层的传输任务；以南阳市为例，由方城县段、南阳市区段、镇平县段、淅川段运行管理处组网，根据现实条件以灵活的方式组网，建议采用星形结构、树形结构或混合应用等方式组网，其他的信息采集点或控制点，根据业务需要以灵活的方式接入到运行管理处的网络节点上。以河南省南阳市为例的中线干线部分网络拓扑结构图（如图3）。

接入网（AN:Access Network）的组网方式可以是环形结构、星形结构、链形结构、树形结构。在星形结构网，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息；中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点负担各节点转送信息任务，若中央节点故障则下挂节点全部中断。链形结构网，各站之间的距离较长（一般三个站之间的最大距离≥80km），网络节点以单链性的方式组网，也就是环形网的开口结构；这种组网方式比较简单，使用的光纤数少，但业务保护功能较弱。树形结构网，是一种像树木生长的分枝一样发展，是一种天然分级网络，或称为分级的集中式网络，也是链型和星型的组合模式，在网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链型的分枝是双向传输，且网络节点扩容方便、灵活，缺点是网络的保护功能较差。根据南水北调接入网的实际情况，用户末端主要是电话与调度、自动控制、图像监控、数据传送的业务，而且接入网的光缆为通信专用，在渠道的保护范围内，受到破坏的可能极小，所以采用网络自我保护功能较弱的网络结构能满足业务需求，接入网的拓扑样例如图3中的接入层部分。

接入网的接入方式常主要是光纤接入与光纤同轴混合网络（HFC：Hybrid Fiber－Coaxial）。光纤接入又分为光纤到路边(FTTC：Fiber-To-The-Curb)、光纤到大楼(FTTB：Fiber to The Building)、光纤到办公室(FTTO：Fiber To The Office)、光纤到户(FTTH：Fiber To The Home)等四种。FTTC结构中,光网络单元设置在路边或电线杆的分线盒边；从光节点(ONU：Optical Network Unit)到各个用户之间采用双绞线铜缆提供语音及数据业务，如传送宽带图象业务,则采用同轴电缆；FTTB结构中,光网络单元被直接放到楼内,再经多对双绞线或同轴电缆分送各用户；FTTB与FTTC相比,光纤化程度进一步提高,因而更适用于高密度,以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区；光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)，FTTO和FTTH结构中在路边设置无源光分路器,并将光网单元移至用户的办公室或家中,是真正全透明的光纤网络；它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束,是光接入网发展的理想模式和长远目标[2]。建议南水北调中线干线通信网的接入层网络采用HFC的接入方式，HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成，从电信号变成光信号在光纤上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户，HFC功能满足南水北调的业务需求，主要是满足闸门控制、视频监控、机电设备系统等业务带宽需求。HFC的缺点是:HFC采用的是模拟频分多路复用技术,而主干网络一般都采用数字技术,增加了同步、网管等技术应用，且常采用树状拓扑结构,HFC的保密性能及上行带宽受到功能的限制。

南水北调中线干线应急通信系统，是独立与通信网之外的应急通信网[3]，采用卫星通信或第三代无线通信（3G：3rd-generation）都是可行的。卫星通信具有传输距离远，地域覆盖广，不受地理环境限制，建站成本与通信距离无关等特点；但是建设费用较高，若采用小口径卫星地面站通信方式，有设备体积小、安装方便、建站灵活、费用较低等优点，但传输带宽较小，信息传输量较小，且有较大的延时，虽能满足语音业务的需求，但不能满足计算机网络、电视电话会议、图像传输的带宽要求，同时卫星通信的空间信道租用费用也比较大。3G无线通信主要有WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、CDMA 2000（Code Division Multiple Access，码分多址）、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分-同步码分多址）三种无线系统在应用，它们都能满足南水北调中线的语音、图像、数据等业务需求，有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性及高服务质量（QOS, Quality of Service），为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MBps（兆字节/秒）、384KBps（千字节/秒）以及144KBps的传输速度；且这三种无线通信系统被移动通信运营商应用，实际建设情况比较成熟，覆盖区域较广，可以通过租用的方式，组建应急通信网。

南水北调通信系统主要是满足调水自动化控制、监控、监测、调度、语音、图像、数据等业务，是为南水北调安全自动化输水提供保障，是南水北调信息化管理的一种体现。通信系统的网络结构跟铁路、公路等相似，但建设可直接借鉴的例子较少，需要建设管理者周密计划，详细研究，坚持本着科学、实用、先进的原则，又要确保网络建设中能有创新、安全、优化的理念，既能提供良好的通信网络服务，保证南水北调的安全输水，又能满足网络运行维护管理工作的要求，把南水北调中线干线通信系统建成优质、高效的网络。