基于FTTH的ODN設計方法：上?！俺鞘泄饩W”技術創新和應用實踐之三

張 軍

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

ODN（optical distribution network，光配線網絡）主要由主干光纜、配光纜和引入光纜以及配套的光纜交接配線、光分路器等設備組成。對于ODN設計，應該考慮PON技術演進對ODN的要求、ODN覆蓋的半徑、分光方式和分光位置、用戶光纜網網絡拓撲結構、配線方法和配線容量的設計、ODN驗測試收指標等。

1 PON技術演進對ODN的要求

在ODN設計中，不僅要滿足當前PON技術的應用要求，同時，還要適應今后PON平滑演進的要求。也就是說，當前的ODN不僅要按照EPON/GPON技術應用來設計，還要兼顧未來平滑升級到10 Gbit/s EPON(以下簡稱10GEPON)/XG-PON1時的要求，避免對ODN做二次改造，否則在升級中既中斷業務又浪費投資，應做到事先考慮。在這里，本文不得不談PON平滑演進對ODN的要求。表1列出了EPON/10G-EPON和GPON/XG-PON1的上下行傳輸波長。

表1 各種PON技術傳輸波長

從表1可以看出，EPON和10G-EPON的傳輸波長在下行方向是錯開的，在上行方向有重疊。而GPON和XG-PON1的傳輸波長在上行和下行方向上都是錯開的。

按照10G-EPON技術標準，OLT的10G/1G-EPON接口應同時支持1 Gbit/s EPON（以下簡稱1G-EPON）ONU和10G/1G-EPON ONU的 連 接，OLT的10G/10G-EPON接口應同時支持1G-EPON ONU、10G/1G-EPON ONU和10G/10G-EPON ONU的連接。在下行方向，10G-EPON接口采用波分復用技術，通過不同的波長使得10G-EPON ONU和1G-EPON ONU可以同時接收數據；在上行方向，采用TDMA方式對10G-EPON ONU和1G-EPON ONU的數據發送進行仲裁。因此，EPON平滑升級到10G-EPON時，ODN可保持不變，平滑升級過程中，可在原1G-EPON機框內插上10G-EPON板卡，并配置好相應的數據，再將連接至1G-EPON口的光纖割接至10G-EPON端口即可。

而GPON向XG-PON1演進時，由于上下行波長都是錯開的，可采取波分復用方式予以平滑升級，此時，GPON和10G-PON板卡將并存。因此，在ODN設計中需要預留波分復用模塊的插入損耗，一般在1.5 dB左右。當然，該波分復用模塊可以隨GPON同時部署，從國外運營商采用GPON技術的建設方案來看，基本上都是在安裝GPON的同時，部署了波分復用模塊，以便控制好ODN的光功率預算，保證今后向XG-PON1平滑升級演進時，不用對ODN做任何改動。圖1給出了兩種PON技術的平滑升級演進示意。

2 ODN覆蓋半徑

在ODN設計中，光功率預算和分路器的插入損耗是ODN設計中要考慮的兩個非常重要的參數。根據《中國電信無源光分路器技術要求》，目前均勻分光的光分路器插入損耗（含插頭）性能要求見表2。

根據IEEE/ITU-T和國內行業技術規范，給出的各種PON系統最小光功率預算值見表3。

ODN的覆蓋半徑計算應根據ITU-T G.957最壞值的算法，即計算中應考慮PON設備發光和收光器件老化以及光纜線路系統維護和性能劣化等因素，保證在系統壽命終了時還能正常地工作。

表2 光分路器插入損耗（含插頭）性能要求

表3 各種PON系統最小光功率預算

ODN覆蓋的半徑=（PON最小光功率預算值-分路器插損-光纜活接頭損耗-入戶線纜損耗-通道代價-線路維護余量）/光纜每千米衰減（含熔接接頭） （1）

假設條件：

·活接頭數量取5個，每個按0.5 dB取值；

·入戶線纜（含兩端冷接），取1.5 dB；

·通道代價取2 dB；

·線路維護余量取1 dB；

·1 490 nm窗口的衰減相對較小，應取1 310 nm窗口的衰減系數，光纜每千米衰減1 310 nm窗口取0.5 dB（含熔接衰耗）；

·另外，考慮到GPON今后向XG-PON1的平滑演進，在GPON技術應用中的ODN尚需預留1.5 dB的波分復用模塊插損。

根據表3提供的最小光功率預算值和式（1）可以算出ODN可達覆蓋半徑，見表4。

表4 ODN覆蓋半徑

從表4中可以看出，當采用EPON PX20+光模塊時，光分路比可選擇1×64，其ODN覆蓋半徑可按5 km來設計，今后向10G-EPON平滑升級時，可采用PR30/PRX30光模塊，ODN不用作任何改變。目前，上海電信采用的就是這套方案。

在實際場景中，當ODN覆蓋半徑無法控制在5 km以內該怎么辦呢？若覆蓋區域的用戶規模較大，可以通過OLT下移來縮短ODN覆蓋半徑；若覆蓋區域的用戶規模較小，可以采用縮小光分路比的方法來加大ODN覆蓋半徑，如表4所列，采用1×32分光，ODN覆蓋半徑可增大至11 km。

對于GPON系統而言，若要兼顧今后向XG-PON1平滑升級，采用Class B+光模塊時，其光分路比不宜大于1×32，ODN覆蓋半徑可達5 km。若要提高光分路比，還需要采用更大功率的光模塊或開啟FEC功能。

上述ODN覆蓋半徑的計算中，尚未考慮外置式OTDR測量技術應用時引入的插入損耗。當采用外置式OTDR測量技術時，還需要在OLT的PON口側增加耦合模塊，在ONU的PON口側增加反射器件，兩項器件將引入2～3 dB的插入損耗。因此，提高光功率預算標準，推動高功率PON光模塊產業鏈的發展，是目前FTTH規模部署中，降低系統造價的一個有效手段。當然，光分路比的選擇也要結合PON系統的傳輸速率、用戶帶寬、流量來綜合考慮，各地情況不同，技術選擇和應用不同，不應一刀切。

3 分光方式和分光位置

3.1 分光方式

在FTTH建設中，ODN分光主要采用的是一級或二級分光方式，從便于維護管理角度出發，一般不會采用二級以上的分光方式。那么一級和二級分光方式究竟采用哪個比較好呢？

有人認為，采用一級分光比較好，將光分路器設置在最靠近用戶的位置是最節省投資費用的。理論上看這種方式是對的，但實際情況并非如此。這里舉一個例子，對于一幢正好32（或64）戶的高層用戶住宅來說，采用一級分光方式，將1×32（或1×64）的光分路器下沉到樓內，是最省錢的。但是，這種方案是個性化的，很難規模推廣，實際的住宅樓用戶數是千變萬花的，若樓內用戶不到32（或64戶）就會造成端口浪費，若超過32（或64）戶就要增加光分路器。所以，對于一級分光方式，還不能把光分路器下沉得太靠近用戶，而是要根據用戶的密度設置在一個合理的位置上。像剛才所說的那種情況，應該把一級光分路器設置在小區的光纜匯聚點這個位置較為合適，端口的利用率將很高，而且也便于標準化并規模化推廣。目前，有很多地方在住宅小區的ODN建設中采用的就是這種建設方案，上海電信在早期的ODN建設中，也曾采用這種方案。

3.2 一、二級分光方式各自的特點

相比來說，一級分光方式的網絡結構簡單，PON口利用率高，也便于設計和運維管理，但由于一級光分路器以下的光纜需要按照每用戶1芯來設計配光纜容量，線路投資相對較大，也不太適用于管道資源緊張的區域。針對典型的住宅小區，曾經做過估算，采用一級分光方式比二級分光方式，在ODN的每線造價上要高10%以上。

二級分光方式，由于一、二級分光之間光纜有收斂，線路投資相對較小，也有利于采用光功率檢測法來判斷ODN故障段落（以后的文章中會談到），但端口利用率相對較低，工程設計和運維管理相對復雜。二級分光方式特別適合于FTTH建設初期的ODN“薄”覆蓋建設模式，可節省每線ODN造價，以便利用有限的投資做更大規模的覆蓋。

因此，不同場景應該采用不同的分光方式，不應一概而論，但是也不能搞個性化的方案，因為個性化的方案是無法規模復制和推廣的，也不利于建設和運維管理。

3.3 推薦的分光方式

對于住宅類建筑（含公寓、別墅、里弄、農村）統一采用二級分光方式，總分光比為1×64。一級分光點設置在小區、別墅、里弄、村莊內的光纜匯聚點位置；對于二級分光點，住宅小區設置在門洞內，別墅、里弄、村莊等設置在最靠近用戶的位置。當覆蓋區域用戶數較多時，可以設置多個二級分光點。以住宅小區為例，一、二級光分路器的配比關系見表5。

占用1個PON口對于商務樓宇，統一采用一級分光方式，總分光比為1×32，將光分路點設置在商務樓的光纜匯聚點內，一般設置在中心機房內，這樣考慮的原因如下。

·商務樓內每個樓層的用戶數不像家庭用戶是固定不變的，會隨著租期的到來而變化，而且每個用戶對光纖的需求也是無法預測的，除了有點對多點光纖需求，還有點對點專線業務的光纖需求，因此很難事先規劃；采用一級分光方式，可靈活調配樓內光纖資源，滿足點對多點和點對點光纖的需求。

·在ODN建設中，統一采用的是均勻分光，若采用二級分光方式，將二級分光點設置在樓層時，由于每個層面用戶密度和需求的差異，會造成有些層面光分端口不夠，而有些層面端口有富余，最終將大大浪費光分路器端口，從而浪費PON口資源，浪費投資成本。

·相比住宅建筑，商務樓宇采用1×32分光，將提高網絡接入帶寬能力，為價值較高的政企用戶提供更大的寬帶提速空間。同時，在5 km的ODN覆蓋半徑內，也為外置式OTDR測量技術的應用預留了所需要的光功率預算。盡管采用OTDR測量技術的ODN故障診斷方法投資很大，但對于政企客戶，今后不排除應用的可能性。

·采用1×32的一級分光方式，唯一缺點是增加了商務樓內垂直光纖的使用數量，好在這部分投資不大。

表5 住宅小區一、二級光分路器配比關系

4 用戶光纜網絡拓撲結構

網絡的拓撲結構泛指網絡的布局和形狀，反映了網絡的物理形狀和物理上的連接性。用戶光纜網由主干光纜、配光纜、引入光纜和配套的交接配線設備組成，其拓撲結構一般分為總線型、環型、星型、樹型等拓撲結構。

總線型結構是光纜首尾兩端終端在不同的業務節點(局站)上，中間具有一個或多個可以上下光纖的點所形成的結構。這種結構安全性較好，光纖利用率較高，投資成本較低，但是在做物理光環時，需要借用其他光纖（如局間中繼光纖）才能構成環，使用成本較高。

環型結構是光纜首尾兩端終端在同一個業務節點(局站)上，中間具有一個或多個可以上下光纖的點所形成的結構。這種結構在網絡可靠性、安全性、投資、光纖利用率等方面與總線型結構接近。由于兩端終結在同一個業務節點上，在組建物理光纖環時無需借用其他光纖。

星型結構是由一個中心節點與其他所有節點之間以點對點的連接方式直接相連而構成，其余節點之間相互不直接連通。這種結構的優點是各用戶之間相互獨立，保密性好，結構簡單易于維護；缺點是光纜無法共享，光纜的纖芯利用率低，投資成本高，網絡安全可靠性差。

樹型結構是由一個中心節點、多個中間分支節點和葉子節點組成，中心節點和中間分支節點級聯而成樹干，葉子節點和中間分支節點以星形結構連接而成樹葉。這種結構的優點是投資成本低，網絡靈活性好、宜擴展；缺點是網絡安全性差，當樹干出現故障時，將影響一片，故障位置越高，影響面也就越大。

各種網絡結構都有其特點，在設計時應根據各相關點的地理位置、重要性、需要提供的業務、網絡可靠性要求、經濟性以及維護管理等綜合因素選擇合適的拓撲結構。下面根據不同場景和用戶需求，給出用戶光纜網絡結構的建議。

（1）商務樓宇和園區

該類政企用戶數量相對不多，但價值較高，對網絡的安全性和業務可靠性有要求，除了上網業務需求（點對多點光纖）外，還有大量的專線業務（點對點光纖）需求。對于這部分客戶群，其主干光纜宜采用總線型或環型拓撲結構；配光纜和引入光纜一般采用樹型或星型結構，特別重要的用戶也可采用總線型或環型拓撲結構。

（2）黨政軍重要客戶

該類客戶群對信息保密性要求極高，一般多為專纜專用，宜采用星型結構，采取每個重要用戶一根光纜的設計方法。

（3）普通住宅建筑（含公寓、里弄、別墅、農村）

該類客戶群價值相對較低，但數量龐大，從節省成本和網絡便于規劃、實施的角度出發，其光纜網絡拓撲宜采用樹型結構。

5 光纜配線方法和交接箱的位置設置

為了提高線路利用效率，增強網絡的靈活性，用戶光纜網配纖方式宜采用交接配線方式，不宜采用直接配線方式。網絡設計時可以采用多級交接，但不宜超過二級。圖2和圖3分別給出了環型或總線型、樹型光纜拓撲結構的交接配線方法。

如圖2所示，從主干光纜下纖的點稱為光交接點，作為第一級光交接點。從第一級光交接點到下一個下纖點之間的光纜稱為一級配光纜，該下纖點稱為二級光交接點。從第二級光交接點到下一個下纖點之間的光纜稱為二級配光纜，該下纖點稱為配光纜終端點。一級光交接點上應設置光交接設備(通常為交接箱)，采用活動連接器溝通光纖鏈路。在第二級光交接點不具備設置光交接設備的條件時，可采用“可開啟式”光纜分支接頭代替二級光交接設備，分支接頭內采用光纖熔接方式連接光纖。如需構成環型結構，可在兩個配光纜終端點間設置“聯光纜”。

由于政企客戶的場點相對較少，且比較分散，在其總線型和環型用戶光纜拓撲結構設計中，為控制光纜鏈路的長度，其交接配線不宜超過兩級。一般情況下，一級光纜交接點宜設置在大中型商務樓宇和園區內，以減少光纜轉接路由，保證網絡質量；對于小型商務樓宇和園區內，至少應設置二級光纜交接點，主干光纜路由順道的情況下，也可設置一級光纜交接點。

對于普通住宅用戶，由于用戶規模大，密度高，在其樹型用戶光纜拓撲結構設計中，宜采用一級交接配線方式，直接將光纜交接點設置到小區或里弄內，以減少ODN衰減，節省光功率預算。當一個區域內的用戶數規模較大時，可以設置多個一級光纜交接點，形成多個交接配線區域。對于偏遠和農村地區，也可以考慮采用二級交接配線方式。

一級光分路器通常設在光纜交接點（交接箱）內。

6 光纜規格

在光纜規格的選擇上存在著一對矛盾，一方面光纜規格不宜太多，否則會增加備纜的種類，進而增加維護的壓力和負擔；另一方面，由于不同用戶場景中，用戶密度和業務需求的差異，過少的光纜規格，會造成光纖資源的富余量過多，進而增加投資（不僅是纖的投資，還包括光纖接續和成端的人工費用、器材費用等）。因而，兼顧發展和維護、投資和成本雙方的矛盾，選擇合理的光纜規格也很重要。

根據上海電信的光網建設經驗和維護能力，目前確定的光纜規格主要為：主干光纜可選擇96芯、144芯、216芯、288芯帶狀光纜；其中，288芯、216芯 帶 狀 光 纜采用層絞式結構，144芯、96芯帶狀光纜采用中心束管式結構，并均采用12芯光纖帶；配光纜可選擇2芯、4芯、6芯、12芯、24芯、48芯、72芯、96芯 束 狀 光 纜，均采用層絞式結構。

隨著光纜技術的發展，國內各光纜廠商都有能力生產四五百芯以上的光纜，那為什么不采用更大容量的光纜呢？一是受管道內塑料子管直徑的限制，目前主要采用的是28/32 mm塑料子管，而288芯層絞式光纜直徑在21 mm左右，直徑更大、纖芯更多的光纜在敷設中難度較大，甚至會出現施工中因機械受力過猛而影響纖芯質量的情況；二是纖芯更多的光纜，很難滿足運維中割接和搶修的時限要求，從應用的效果來看，288芯光纜基本能夠滿足這兩項要求。

在住宅小區中，采用二級分光方式，由于二級分光點的端口收斂效應，進入門洞的配光纜的芯數，在很多情況下只要1芯就可以解決用戶的需求，考慮到維護的需要，再備用1根光纖。因此，最小光纜規格選擇2芯光纜。

7 光纜配纖容量設計

（1）主干光纜的配纖容量設計

對于環型和總線型主干光纜而言，光纜交接點下纖容量與主干光纜容量的選擇、光纜交接點設置的數量有著一定的關系，其關系見表6。

表6 環型和總線型主干光纜配纖容量關系

對于樹型主干光纜，每個光交接點出纖數量應按該交接點所覆蓋的目標用戶數的需求，并按12或12的倍數靈活配置，但一條樹型主干光纜上光交接箱總數不宜過多。

（2）配光纜容量的設計

對于政企客戶場景，如商務樓宇、園區等，除了點對多點光纖需求外，還有大量的點對點專線業務光纖需求，而且不同類型、不同密度的用戶，其對光纖需求差異很大，所以在設計上應根據用戶的類型、密度，大致測算一下光纖的需求量，并與主干光纜在交接箱內的下纖數量進行合理的配比，盡量避免頭大身小或頭小身大。但這項預測需求的設計工作確實有難度，實際中也碰到了不少主干光纜下纖容量不足或過剩的情況。其中，主干光纜下纖容量不足時，可通過新建主干光纜或擴容予以解決，主干光纜下纖容量過剩將產生投資的浪費。

對于住宅類用戶，都是以家庭為單位，且不存在點到點專線業務需求，其配光纜容量不難確定。具體配置時需考慮以下幾個要數：

·每根配光纜覆蓋區域內用戶數；

·二級光分路器的分路比所產生的光纖收斂系數；

·留有一定余量的維護光纖（或叫備用光纖）；

·在前面3個要素下確定了光纖容量后，再套用常用規格的光纜。其中，每家庭按1芯入戶光纖來考慮。同時，為節省管道資源，由一級光分路器敷設至二級光分路器的配光纜，應根據周圍管道路由的走向，管孔的容量和直徑，選用合適的光纜規格，并采用光纜分支的方法，以樹型結構遞減分配至各門洞。

8 商務樓宇垂直布線設計

在光網的建設中，往往由于既有商務樓宇的弱電井已非常擁擠，給商務樓宇的垂直光纜布放帶來很大的困難。所以，在這里特別談談商務樓宇的垂直布線設計。

商務樓宇的垂直光纜在用戶光纜網絡拓撲中屬于配光纜。由于事先無法預測各樓層用戶對光纖的需求，在規劃上通常采用的都是平均分配各樓層光纖的方法，同時根據商務樓宇的規模和大小來確定平均分配到樓層的光纖芯數，除非事先掌握用戶需求。從上海的建設經驗來看，大中型商務樓宇每個層面至少分配24芯光纖，小型商務樓宇每個層面至少分配12芯纖。在具體工程布線設計方案中也有3種方法：一是集中式分支法；二是半干式（或干式）逐層掏纜法；三是預制分支纜法。

集中式分支法是一種傳統光纜敷設方法，如圖4（a）所示，將一根96芯的光纜由中心機房敷設到第二層，通過光纖分線箱分支成4個24芯光纜，其中一根24芯在本層成端，另外3根24芯光纜由第二層分別敷設至第一層、第3層及第4層成端。其他層面的光纜敷設和成端方法依次類推。

半干式（干式）逐層掏纜法，采用的是半干式（干式）光纜（目前，上海電信主要采用的是半干式光纜）。該光纜采用層絞式結構，纜內由多個12芯/每束管組成，由中心機房敷設到每個層面時，依次在每個層面將光纜破皮開窗，分支出1管（12芯）或2管（24芯）成端，如圖4(b)所示。

預制分支纜法是某一國外廠商針對國外的樓宇所采用的垂直光纜敷設方法，與第二種的逐層掏纜方法很相似，唯一的區別是，每個層面的分支纜是預先在工廠里預制的，而不是在施工現場通過逐層掏纜來實現的。預制分支纜法，施工快、施工成本低，但由于在國內沒有規模推廣，光纜成本很高，整個造價也略高于前面兩種方法。采用預制分支纜法，需要事先與物業確定好具體的分支光纜成端位置，量好分支纜所需長度，以便在工廠內加工，在實際操作中有很多不確定性，若分支纜成端位置有變化，將浪費整根光纜，所以這種方法不太適應我國國情。

就集中式分支法和半干式（干式）逐層掏纜法而言，兩種方法各有特點。集中式分支法，光纜成本相對較低，但分支熔接的施工費用較高；半干式（干式）逐層掏纜法，光纜成本較高，但由于不需要做分支熔接，施工費用低，施工中尚需掌握一定的掏纜技巧，否則會損壞光纜，浪費投資?？傮w來說，兩種方法造價相當，集中式分支法適合于弱電井較為寬松的敷設環境，半干式（干式）逐層掏纜法適合于弱電井相對擁擠的敷設環境。

9 ODN驗收測試指標

長期、穩定的ODN質量是保障網絡和業務質量的關鍵，工程中應加強對光纜、器件和ODN的驗收測試。

9.1 光分路器

各類光分路器的測試驗收指標應符合表2的規定。

9.2 各光纜段落的驗收測試指標

（1）光纜熔接接頭衰減指標要求

工作波長：1 310 nm,衰減雙向平均≤0.08 dB/芯，衰減單向≤0.1 dB/芯。

工作波長：1 550 nm，衰減雙向平均≤0.1 dB/芯，衰減單向≤0.2 dB/芯。

注：帶狀光纜允許單向≤0.3 dB/芯。

（2）光纜段落全程衰減指標要求

工作波長：1 310 nm，衰減全程≤0.45 dB。

工作波長：1 550 nm，衰減全程≤0.3 dB。

（3）入戶纜（采用現場機械連接技術）衰減指標要求

衰減≤1.5 dB。

表7 ODN測試指標

9.3 ODN驗收測試指標

ODN驗收測試指標，與采用的PON系統的光功率預算有關，根據表3的數值，去掉光通道代價、線路維護余量等，ODN驗收的測試指標至少應達到表7所列的要求，測試段落如圖5所示。

1 中國電信股份有限公司上海分公司.用戶光纜網設計原則

2 中國電信股份有限公司上海分公司.本地網光纜線路工程施工驗收暫行規定