浅谈高速公路通信系统及其联网技术

高速公路是交通系统的主要组成部分，出于安全平稳高效运行的考虑，高速公路需要配套的通信系统加以保障，达到实时监控及调度交通状况的目的。可以说，通信系统就是高速公路交通网络的中枢神经。在国家大力提倡交通高速化建设的背景下，高速公路通信系统及联网技术应向无线集群及光纤传输过渡，着力构建新型数字通信系统。

1  高速公路通信系统基本概述

从概念上看，高速公路通信系统指的是高速公路运营管理、实时监控及日常收费过程中获取语音、图像及数据的数字通道系统。从型式上看，现阶段高速公路通信系统带有极强的综合性，现已发展成为光纤数字传输与同程控制数字交换系统的组合。从高速公路通信系统的构成上看，其主要包括光纤数字传输系统、监控及收费数据传输通路、数字程控交换系统、金属光缆敷设、路侧通话系统、监控及收费闭路电视传输通道、电源及接地系统等。从高速公路通信系统的设计目标上看，主要有以下几点：①配套高速公路的收费及运营管理，满足两者的通信需求；②借助金属电缆及光缆，达成图像、语音、数据的传输；③以OAM&P等运行管理软件组建SDH接入传输网；④通过数字进程交换机系统传达信令及提供ISDN等数字网接口；⑤实现基于高速道路的网络运行管理信息查询及软硬件冗余校验。

2  当前高速公路通信网络技术的几种形式

2.1  SDH技术

SDH技术，也称为同步数字体系传输系统，英文全称Syschronous Digital Hierarchy，SDH技术的前身为准同步数字体系系统，即PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）。在PDH技术基础上发展而来的SDH技术已经成为当前我国高速公路通信系统的主流。从SDH技术的原理上看，经由同步数字体系，高速公路通信系统产生的大量数据可以被输入同一主机系统内，然后结合传输需求实现传输及通信。从构成上看，SDH系统带有一定的复杂性，涉及到传输平台主机系统、配套通信设备，如解码器，路由器等，由此也对系统的运行提出了更高要求，在技术管理中如未及时发现隐患故障，有可能导致整个通信系统受影响。外加上SDH技术支撑下的高速公路通信网络在数据传递上过于依赖路由器，带宽又过低，在实际应用中往往难以兼顾高速公路各类状况下的通信需求，通信反馈缓慢或阻塞问题时有发生[1]。

2.2  ATM技术

ATM技术，也称为异步传输模式，英文全称为Asynchronous Transfer Mode，ATM技术可视为SDH技术后的新型网络技术。该技术最早应用于20世纪90年代，其基于B-ISDN概念而延伸，主要特色是在同一网络下能够将语音、图像、视频等数字信息进行传递交换，ATM技术可作为ITU-T宽带综合业务数字网传送模式而广泛应用。从ATM技术的原理上看，其主要在信元（ATM cell）、交换（ATM switch）、虚连接（ATM vc）的技术上实现。ATM技术在应用中凭借自身具备的标准化技术细则及可靠稳定的多媒体通信网络标准，在高速公路通信系统中逐渐发挥出其带宽高，延时低及普适性强的特征，成为新网络技术的重要形式。概括而言，ATM技术的特点主要有：①QOS，即业务质量保证系数高，可能提供连接QOS的故障；②cell，简单且固定长度的短数据包一单元；③通信信息统计环节实现高宽带利用及分复用，实时性好；④交换方式面向连接；⑤有效控制高层数据流并快速处理传送差错。如不同场合下传输音视频及图像，均能够保证传输数据的质量可靠。此外，在B-ISDN，即宽带综合业务数字网中，ATM技术作为关键核心技术而存在，由此也可看到ATM技术具备广域上的适应性优势，而在图像、音频、视频及相关数据的传输上，ATM技术广泛应用在LAN及WAN中。在ATM技术及系统不断成熟的背景下，一些国家高速公路组建通信系统网络时都将之作为关键技术，ATM技术也在高速公路通信系统中逐渐显现出其技术上的经济性及适应性。

2.3  IP技术

IP技术得益于上世纪90年代互联网技术的高速发展，随着互联网规模的扩大及互联网用户的几何式增加，基于互联网的各项业务呈现量级上的大爆发。至此，IP技术得到迅猛发展，并成为通信系统的重要技术支撑，为信息网络发展演变提供了新的技术空间。从实践中看，以IP技术为基础而发展的数据业务逐渐成为各行业的主流，IP技术也渗入到了IP电话、传真、电视电话、可视电话、点播电视等众多新媒体业务板块中，而在宽带通信领域更是随处可见IP技术身影。IP技术与Internet平台的结合，现已发展为IP包容一切常见业务类型。从IP技术的定位上看，其主要位于Open System Interconnection（OSI），即开放系统互联七层模型网络层上，也称为第三层技术。从IP技术的功能上看，主要是能够经由IP获取系统非实时型数据，带有强兼容性、高灵活度、强扩展性、技术先进性突出等显著优点，相比于ATM技术中的53字节信元，IP不具备固定的信息长度，但其可以兼容长短信息，一方面能够为高速公路系统收费环节提供计算机网络技术支持，另一方面由于其延差相对较大，具有延时抖动的劣势，在高速公路通信系统音视频传输方面可利用范围受限。随着IP技术标准的改进，现阶段高速公路的常见业务类型，如路况画面传输，实时无线连接等，借助IP地址及网络编解码器，在互联网IP层取得一致的情况下，也能够达到预期的音视频功能需求。此外，高速公路通信系统应用IP技术后，借助TCP/IP协议，通信系统可以得到更加便捷的应用程序接口，在高速公路通信系统及外网的对接上就可以轻松实现。在高速公路建设标准逐渐提高的背景下，借助IP技术还能够对一些应用软件进行自主定制式开发，这就赋予IP技术极强的拓展性。需要注意的是，应用IP技术时，考虑到互联网的开放性，需要同步配套应用网络防火墙技术及加密技术，以尽可能降低通信系统数据泄露及遭受黑客攻击的几率。

3  高速公路通信系统及联网技术未来发展前景趋势的相关思考

以上高速公路通信系统技术形式各具优势，同时也有短板。随着信息技术的发展及交互，高速公路通信系统及联网技术逐渐向着技术融合及重叠的方向发展，呈现出技术上的互补性。总体而言，未来的高速公路通信系统及联网技术将向光纤化、科学化、数字化、高效化及安全化方向演变[2]。具体而言，相关前景趋势如下：

3.1  ATM技术及SDH技术的交叉融合—ATM over SDH

ATM技术及SDH技术各自的技术优势实现结合，构成ATM over SDH技术，一方面能够发挥出SDH技术大容量及稳定传输的性能，另一方面能够借助ATM具备的面向连接特点，达到通信系统信息数据的高效传输交换，从而为智能化高速公路建设做好技术铺垫。为此，在ATM技术应用的基础上，融入SDH技术，尤其是路由通信技术，能够使ATM借助路由途径交换数据。ATM over SDH技术的工作原理及实现路径为：数据采集由ATM完成并形成信元，打包为SDH帧，然后在数据传输过程中借助SDH技术，在ATM强大的连接交换能力保障下，实现数据传输的稳定及安全。例如，美、法、日、德等电信技术较为发达的国家，针对ATM宽带实用化及ATM与SDH技术结合应用的研究在广泛开展，ATM为高速公路通信方案的建立及完善做出了巨大贡献。我国早期在高速公路电信干线网上大范围推广应用了SDH技术，基于ATM技术实验网的搭设也高速推进，并在北京、上海等高标准等级的高速公路中采用了ATM技术及SDH技术[3]。随着高速公路特性及业务需求的拓展，在规划设计新的高速公路路段时，设计人员开始在SDH技术的基础上引入ATM技术，在两者的结合中，极大扩展了高速公路的容量、网络设计集成度、集成评价效果等。因此，在高速公路未来通信系统及联网技术的形式上可优先考虑使用ATM over SDH技术。

3.2  IP技术及ATM技术的交叉融合—IP over ATM

随着IP技术的趋于成熟，IP技术的应用场景不断扩大，高速公路通信系统中的IP技术与ATM技术的融合具备了可能。IP over ATM技术主要是对数据流首个数据包加以路由地址处理，然后按路由进行转发，之后根据计算出的路由选择ATM网建立VC（虚电路），数据包在VC通道下采用Cut Through（直通）的方式实现通信信息的传输[4]。这一技术过程在数据传输上不再经由路由器，这一方式就可实现数据包转发的高速率，达到第二层数据交换速度。在IP over ATM技术的研究上，将IP技术用于高速公路流量调度及故障分析，显示出了两类技术性能叠加的优势，配套多媒体设备的使用，高速公路通信系统在资源管理及流量分配上可控性更高[5]。

3.3  IP技术及SDH技术的交叉融合—IP over SDH

IP over SDH技术是一种物理传输网络，实现原理是以SDH作为IP数据网络渠道。具体而言，就是使用链路适配和成帧协议封装IP数据包，采用字节同步处理手段将经过封装的IP数据包进行映射，使其进入SDH净荷封装，然后根据各此群对应线速率实现传输的实时连续。因为IP over SDH技术具备IP技术面向非连接属性，该技术也可称为PPP over SDH或Packet over SDH。IP over SDH技术主要应用于高速公路收费数据的传输环节，这一技术通过SOH、AU指针及净负荷可工程统一的多模块混合状帧结构，然后形成一个统一矩形帧，按照固定列字节运行，速率的传输速度极为显著。随着路由器处理能力的升级，特别是新型千兆（位）路由器技术出现，IP over SDH技术可以选用新型千兆（位）路由器作为基础硬件构成单元，然后在硬件快速技术、缓存（Cache）技术及Cel交换单元，可以延伸路由器交换模式，进一步获取高速率传输。在高速公路收费站路由器上设置E1传输通道，连通汇聚中心单元及核心层，高速公路各片区中心收费监控数据能够汇聚转发到省中心，即可对收费数据进行汇总分析[6]。

3.4  IP技术及WDM技术的交叉融合—IP over WDM

光波分复用，英文名称为WaveLength Division Multiplexing，简称WDM，该技术借助一根光纤可以将多个波长的光信号进行同时传输。一般而言，相比其他技术形式的叠加，IP over WDM技术具备更加简单的结构，在通信上也更加便捷，比之ATM技术及SDH技术能够节省更多层次，在光纤传播通道下，功能重叠因素得以剔除，在效果上能够实现资源配置效率的加成。一些建造标准不高的高速公路，在搭建通信系统及联网技术时，出于经济性及实用性因素考虑，选用IP over WDM技术，一方面不需要投入过多的通信系统辅助设备，另一方面能够对网路管理加以大幅简化，因而该技术极具应用前景和价值。从当前通信技术的发展趋势及高速公路通信系统实践中看，因为IP over WDM技术带有直接体系结构的巨大优势，SDH层及ATM层得到极大简化，传输效率有了显著提高，其在高速公路通信系统及联网技术中大有用武之地[7]。

4  结语

高速公路是我国基建工程项目的重要代表，关系到国计民生及社会经济发展大势。高速公路要得到平稳安全运行，高效的通信系统及联网技术不可或缺。随着高速公路建设力度的提升，尤其是网络通信技术的不断成熟完善，高速公路通信系统及联网技术逐渐向着数字化及信息化方向发展。在具体选择高速公路通信系统及联网技术形式时，应结合高速公路的规格及各类技术形式的优缺点，本着优势叠加的原则，平衡高速公路通信系统的高效性及成本性，促进我国高速公路通信事业的持续发展。