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課題城市軌道交通通信系統（一）——認識城市軌道交通通信系統課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）了解通信系統的模型及組成。（2）了解城軌通信系統的組成及傳輸設備。素質目標：樹立全局觀念，在各個子系統中完成好自己的工作，共同確保城市軌道交通綜合系統的可靠性。教學重難點教學重點：了解通信系統的模型及組成教學難點：了解城軌通信系統的組成及傳輸設備教學方法任務引入法、問答法、討論法、實踐操作法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學設計第1節課：（23min）

課堂討論（15min）第2節課：傳授新知（20min）（15min）（5min）（3min）作業布置（2min）教學過程主要教學內容及步驟設計意圖第一節課課前任務【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯系，組織學生下載“認識城市軌道交通通信系統”任務工單，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，收集城市軌道交通通信系統的相關資料，并進行了解【學生】提前上網觀看相關資料，熟悉教材通過課前的預熱，讓學生了解所學課程的大概內容，激發學生的學習欲望考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學生】按照老師要求簽到培養學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況問題導入

（5min）【教師】提出問題：（1）什么是城市軌道交通通信系統？（2）城市軌道交通通信系統可分為哪幾類？【學生】聆聽、思考、舉手發言通過問題導入，引導學生思考，調動學生的主觀能動性，激發學生的學習興趣傳授新知

（23min）【教師】通過大家的發言，引入新的知識點，講解城市軌道交通通信系統的相關知識通信系統是城市軌道交通運營生產的基礎，是保證行車安全、提高運營效率、提升運營服務質量的重要設施。在科學技術迅速發展的時代，具有現代化特征的專業通信網，是城市軌道交通的重要標志之一。一、通信系統的模型通信系統可將信息從發信者傳遞給另一時空點的接收者，它可抽象概括為下圖所示的基本模型圖。整個流程由信源、發送變換器、信道（或傳輸介質）、接收變換器和信宿（收信者）五部分組成。1．信源和信宿信源是信息的產生或信息的形成者，信宿是信息的接收者。根據信源所產生信號的性質不同，信源可分為模擬信源和離散信源。模擬信源：輸出幅度連續的模擬信號，如電話機、電視攝像機等。離散信源：輸出離散符號序列或文字，如電傳機、計算機等。【提示】模擬信源通過抽樣和量化可轉換成離散信源。2．發送變換器發送變換器的基本功能是將信源和傳輸介質匹配起來，將信源產生的消息信號變換為利于傳送的信號形式，送往傳輸介質。發送變換器為滿足某些特殊需求，可對信源進行處理，如多路復用、保密處理、糾錯編碼處理等。3．信道信道是指信號的傳輸通道，目前有狹義信道和廣義信道兩種定義方法。狹義信道：是指信號的傳輸介質，其范圍包括從發送設備到接收設備之間的介質，如架空明線、電纜、光導纖維、傳輸電磁波的自由空間等。本書所提及的信道一般指狹義信道。廣義信道：是指消息的傳輸介質。除包括上述信號的傳輸介質外，它還包括各種信號的轉換設備，如發送、接收設備，調制、解調設備等。信號經過信道傳送到接收變換器。傳輸介質既可以是有線，也可以是無線，二者都有多種物理傳輸介質。在信號傳輸過程中，必然會引入發送變換器、接收變換器和傳輸介質的熱噪聲及各種干擾和衰落，即信號在信道中傳輸時，會產生信道噪聲。4．接收變換器接收變換器的主要作用是將來自信道的、帶有干擾的發送信號加以處理，并從中提取原始信息，完成發送變換過程的逆變換，如解調和譯碼等。【拓展視野】上述模型是點對點的單向通信系統。對于雙向通信，通信雙方都要有發送和接收變換器。對于多個用戶之間的雙向通信，為了能實現信息的有效傳輸，必須要進行信息的交換和分發，由傳輸系統和交換系統組成一個完整的通信系統或通信網絡來實現。其中交換系統完成不同地址信息的交換，因此交換系統中的每一臺交換機組成了通信網中各個節點。二、通信系統的組成通信系統是實現信息傳輸、交換的所有通信設備連接起來的整體，它由終端設備、傳輸設備和交換設備三大要素構成。1．終端設備終端設備是通信網的外圍設備，一般供用戶使用。它的主要功能是將用戶發出的各種信息（如聲音、數據、圖像等）變換為適合在信道上傳輸的電信號，以完成信息發送；或者反之，將對方經信道送來的電信號變換為用戶可識別的信息，完成信息接收。終端設備的種類有很多，如普通電話機、移動電話機、電報終端、計算機終端、數據終端傳真機、可視圖文終端等。2．傳輸設備傳輸設備是傳輸信息的通道，也稱為通信鏈路。傳輸設備包括傳輸介質和延長傳輸距離及改善傳輸質量的相關設備，其功能是將攜帶信息的電磁波信號從發出地點傳送到目的地點。傳輸設備將終端設備和交換設備連接起來，形成網絡。按傳輸介質不同，傳輸設備可分為有線傳輸和無線傳輸兩大類。有線傳輸包括明線、雙絞線、同軸電纜、光纖等，如下圖所示。無線傳輸包括長波、短波、超短波和微波等，如下圖所示。3．交換設備交換設備是通信網絡的核心，起著組網的關鍵作用。交換設備的基本功能是對所接入的鏈路進行匯集、接續和分配。不同的業務，如話音、數據、圖像通信等，對交換設備的要求各不相同。例如，電話業務網要求交換設備性能實時性強，因此目前電話業務網主要采用直接接續通話電路的電路交換方式。計算機通信的數據業務，由于數據終端或計算機可有各種不同的速率，為了提高鏈路利用率，可將流入信息流進行分組、存儲，然后再轉發到所需鏈路上去，這種方式叫做分組交換方式。分組數據交換機就是按這種方式進行交換，這種方式能比較高效地利用傳輸鏈路。三、通信網的分類1．按信源物理特征分類按信源發出消息的物理特征不同，通信系統可分為電話、電報、數據和圖像等。其中，電話通信是目前最發達的，其他通信常借助于公共電話通信系統傳遞信息。例如，電報通信一般采用公共電話系統中的一個話路或從話路中一部分頻帶進行傳送；電視信號或圖像信號可使用多個話路合并為一個信道進行傳送。2．按傳輸信號的特征分類按傳輸信號的特征不同，通信系統可分為模擬通信系統和數字通信系統兩大類，如下圖所示。模擬通信系統與數字通信系統各有特點，但從總體上看，數字通信系統與模擬通信系統相比，具有以下優點。（1）抗干擾能力強。數字通信系統可通過再生中繼器消除噪聲積累。（2）可采用差錯控制技術，提高數字信號傳輸的可靠性。（3）便于進行各種數字信號處理。例如，計算機存儲處理，使數字通信和計算機技術相結合，從而組成綜合化、智能化的數字通信網。（4）數字通信系統可使傳輸與交換相結合，電話、數據和圖像傳輸相結合，有利于實現綜合業務數字網。（5）數字通信系統的器件和設備易于實現集成化和微型化。3．按通信網的拓撲結構分類按拓撲結構不同，通信網可分為網型網、星型網、復合網、環形網、總線型網等，如下圖所示。網型網：任何一個站點都與其他站點直接互連，構成網狀網絡。這種網絡的冗余度較大，其網絡的接續質量和網絡穩定性好，但傳輸線路的利用率低，不經濟。星型網：中央結點到各站點之間呈輻射狀連接。星型網絡中任何單個的故障只影響其本身，不會影響整個網絡。但當中央結點的設備能力不足或發生故障時，將會對網絡的接續質量和穩定性產生影響。復合網：由網型網和星型網復合而成，它是以星型網為基礎，并在通信量較大的區間構成網型網結構。環形網：站點與站點之間首尾相接，形成一個環，數據只能沿單方向傳輸。它能保證站點訪問的公平性，但站點故障會引起全網故障。總線型網：所有的站點都連接在同一根傳輸線，即“總線”上。網絡結構簡單，易擴充。故障檢測較困難。4．按業務類型分類按業務類型不同，通信網可分為電話網、電報網、數據網、傳真網、移動通信網、綜合業務數字網（ISDN）等。電話網：包括市內電話網、農村電話網、本地電話網和長途電話網。電報網：包括公眾電報網、用戶電報網和智能用戶電報網。數據網：包括公眾數據網和專用數據網。傳真網：包括本地傳真網、地區性傳真網和全國性傳真網。移動通信網：包括本地移動通信網和漫游移動通信網。綜合業務數字網：包括本地ISDN和全國性ISDN。5．按運營方式分類按運營方式不同，通信網可分為公用網和專用網。公用通信網：即公眾網，是向全社會開放的通信網。專用通信網：是相對于公用通信網而言的，它是國防、軍事或國民經濟的某一專業部門（如城市軌道交通、鐵道、石油、水利電力等部門）自建或向通信服務運營商租用電路，專供本部門內部業務使用的通信網。【學生】聆聽、思考、理解、記憶通過講解、圖片展示、課堂互動等教學方法，讓學生了解城市軌道交通通信系統的相關知識課堂討論（15min）【教師】組織學生以小組為單位討論以下問題：城市軌道交通通信系統的模型是什么？【學生】聆聽、思考、小組討論，由小組代表發表討論結果【教師】與學生一起評價各組的發言通過課堂討論培養學生對城市軌道交通通信系統相關知識的綜合運用能力第二節課傳授新知（20min）【教師】引入新的知識點，講解城市軌道交通通信系統的相關知識四、城市軌道交通通信系統的組成城市軌道交通專用通信系統一般由傳輸、公務電話、專用有線調度電話、無線列車調度、閉路電視監控、車站廣播、時鐘、旅客信息引導顯示、防雷、光纖在線監測、動力環境監測、不間斷電源等系統組成。通信系統的服務范圍包括運營控制中心、車站、車輛段、停車場、維修中心、車站內等城市軌道交通運營服務區域。通信系統不是單一的子系統，而是多個相對獨立子系統的組合，這些子系統在不同運營環境下協調工作。各子系統能對各自的故障進行檢測和報警，從而確保整個通信系統的可靠性。五、城市軌道交通通信傳輸設備傳輸系統是整個通信網絡的紐帶，通過它將各通信子系統車站信息傳送到控制中心，同時為電力系統、信號系統、自動售檢票系統、消防報警系統、辦公網絡等提供傳輸通道。傳輸設備包括車站設備和控制中心設備，不同廠家有不同組網模式。1．通信系統需要傳輸的信號形式通信傳輸系統需要將各子系統的信號上傳到控制中心，同時控制中心也需要通過傳輸系統將控制信息送至車站。這些信號通過物理接口進行轉換，其信號轉換接口形式包括E1接口、RS-422接口、RS-485接口、以太網接口等。2．傳輸系統組網模式傳輸系統組網模式如下圖所示，整個傳輸系統一般由車站設備、控制中心設備和傳輸線路三部分組成。車站設備：用來將車站各系統需要上傳的電信號轉換成光信號，通過光纜線路傳輸到控制中心。控制中心設備：將車站上傳的光信號轉換成各通信子系統或其他系統需要的電信號。控制中心設備一般包括網絡管理系統，用來監測整個網絡設備運行狀態，同時還具有系統參數設置、故障統計、報表輸出、系統用戶權限設置等功能。3．傳輸系統的組網類型目前城市軌道交通傳輸系統承載的業務主要有2M中繼業務、計算機以太網業務、視頻業務、旅客信息多媒體業務、高清晰廣播語言業務、各種控制接口業務等。根據城市軌道交通傳輸系統業務的特點，適合各種業務傳輸的技術主要有基于SDH（同步數字傳輸序列）的多業務傳輸平臺（MSTP）、開放式傳輸網絡（OTN）系統、異步傳輸模式（ATM）、RPR（彈性分組環）技術等。1）同步數字傳輸序列（SDH）SDH網是由網元和光纖組成的同步數字傳輸網絡，進行信息的同步復用、傳輸、分插和交叉連接。SDH網具有一套標準化的信息同步復用等級，稱為同步傳送模塊STM-N；具有一種塊狀幀結構，安排豐富的開銷比特用于網絡的運行、管理和維護（OAM）；具有統一的網絡節點接口（NNI），簡化了信號的互通以及信號的傳輸、復用、交叉連接和交換過程。SDH是比較成熟的、先進的光纖傳輸技術，是目前廣泛采用的組網方式。【拓展視野】為了滿足日益增長的寬帶數據業務傳送需求，SDH已經發展成為多業務傳送平臺（MSTP），采用虛級聯和通用成幀規程（GFP）技術對SDH進行改進，使其能夠更好地支持以太網業務，并提高帶寬的利用率和靈活性。MSTP在國內多條城市軌道交通線路中得到了成功運用。2）開放式傳輸網絡（OTN）OTN光纖傳輸網絡是德國西門子公司開發的傳輸網絡設備，它仍采用時分復用技術，屬于同步傳輸體系，但其幀結構與傳統的SDH不同，幀的長度為31.25μs，幀速為32000幀/s。OTN是一種高速度、全透明、無阻塞的數字同步傳輸網，如下圖所示，特別適用于封閉式專用傳輸網絡。由于OTN系統能提供豐富的接口板卡業務，軌道交通傳輸系統承載的業務無需再加接口轉換設備，直接接入即可連接組網，網絡設備簡單。3）異步傳輸模式（ATM）ATM是在20世紀80年代為B-ISDN（寬帶綜合業務數據網）定義的傳輸技術，是一種基于統計復用的面向連接的技術。ATM的技術特點是能根據業務的需求分配網絡帶寬，提高網絡帶寬利用率；具有嚴格的服務質量保障，有良好的流量控制均衡能力及故障恢復能力，網絡可靠性高。【拓展視野】ATM技術在信息傳輸方面存在一定的時延、抖動及丟包等現象；在話音通信方面，主要采用電路仿真方式。在局域網領域，千兆位以太網的崛起，使得ATM的優勢不復存在；在廣域網領域，ATM受到來自IP（網間互連協議）技術的競爭。ATM在城軌中也有應用案例。例如，在北京八通線中，傳輸系統采用SDH和ATM兩種技術，SDH用于傳統的2M電路業務，ATM用于以太網數據及視頻圖像業務。4）彈性分組環（RPR）RPR是為優化數據包的傳輸而提出的，它采用基于環形結構的一種帶空間復用的傳輸方式，吸收了千兆以太網的經濟性、SDH對延時和抖動嚴格保障、可靠的時鐘和50ms環網保護特性等多重優點。RPR組網方案可保證語音、數據、視頻等業務在統一平臺上傳輸，廣泛應用于網絡和各種運營商領域，在國內城市軌道交通領域也有應用案例。例如，廣州