工業(yè)廠區(qū)GPON光纖接入網(wǎng)工程改造設(shè)計

薛海龍， 白雪婧

(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著人們對信息量的需求越來越大，無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network, PON)技術(shù)迅速發(fā)展起來，而吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)(Gigabit-Capable Passive Optical Network, GPON)具有寬帶高、效率高、覆蓋范圍大、用戶接口豐富等眾多優(yōu)點，被大多數(shù)運營商視為實現(xiàn)接入網(wǎng)業(yè)務(wù)寬帶化、綜合化改造的理想技術(shù)。GPON技術(shù)可以提供上行帶寬1.25Gb/s、下行帶寬最高達2.5Gb/s，滿足用戶接入網(wǎng)近時期的發(fā)展需求及未來高帶寬的技術(shù)演進，同時理論上GPON技術(shù)的分光比可以達到1:64分光，提高了通訊業(yè)務(wù)的綜合能力，創(chuàng)造出極大的經(jīng)濟效益及社會效益。

隨著光纖和光纖接入設(shè)備價格的持續(xù)下降，光纖到桌面(Fiber To The Desktop, FTTD)技術(shù)的巨大優(yōu)勢得到了施展，也促進了GPON技術(shù)的發(fā)展。

目前，GPON技術(shù)主要受到各運營商的青睞，本文將這一技術(shù)應(yīng)用于某工業(yè)廠區(qū)，對其網(wǎng)絡(luò)進行基于GPON的FTTD改造，直接降低了日后管理和運營成本，并提高可靠性。

1 GPON技術(shù)簡介

PON技術(shù)是在光傳輸部分采用無緣光傳輸?shù)囊环N光傳輸技術(shù)。GPON是一種典型點到多點的樹形拓撲結(jié)構(gòu)的光接入網(wǎng)技術(shù)，它將局端的核心設(shè)備和遠端設(shè)備以及用戶終端，通過無源光器件連接起來，在其上同時傳輸語音、數(shù)據(jù)、視頻等一系列通信增值業(yè)務(wù)。

1.1 GPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPON系統(tǒng)由光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)、光線路終端OLT(Optical Line Terminal)和光分配網(wǎng)ODN(Optical Distribution Network)組成。

ONU在整個GPON系統(tǒng)中占據(jù)的位置是將用戶與局端設(shè)備相連，給用戶提供所有能提供的接口，同時還將用戶端的數(shù)據(jù)、語音、視頻等多種業(yè)務(wù)與ODN連接，同時受OLT控制。

OLT為整個接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與核心網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口，通過光分配網(wǎng)ODN與各個ONU相連。OLT在整個系統(tǒng)起到非常重要的作用，它可以針對用戶的QoS/SLA的不同要求進行帶寬分配、網(wǎng)絡(luò)安全和管理配置，是一臺系統(tǒng)中的核心設(shè)備，設(shè)置于中心機房。

ODN是OLT到ONU之間所有的光網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，沒有任何有源器件，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，同時維護成本較低。一般組成ODN的無源器件有光纖、光連接器、光分路器、波分復(fù)用器、光衰減器和熔融接頭等。

GPON系統(tǒng)支持的分支比為1∶16/32/64，隨著光收發(fā)模塊的發(fā)展演進，支持的分支比將達到1∶128。 由于所有的光信號是在同一根光纖上傳輸，因此GPON系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)一根光纖的雙向傳輸。示意圖如圖1所示。

圖1 GPON示意圖

ONT(Optical Network Terminal, 光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)屬于ONU，通常意義上可以認為就是ONU。

1.2 GPON技術(shù)優(yōu)勢

(1)能夠與現(xiàn)有以太網(wǎng)兼容

GPON只是對現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議作一定補充，基本上是與以太網(wǎng)兼容的。因此GPON技術(shù)不僅適用于新建網(wǎng)絡(luò)，也適用于原有網(wǎng)絡(luò)的部分改造，有利于業(yè)主的逐步改造。

(2)用光纜敷設(shè)代替設(shè)備擴容，提供更高帶寬及更便利的運維服務(wù)

GPON的下行信道為百兆/千兆的廣播方式，而上行信道為用戶共享的百兆/千兆信道，目前可以提供上下行對稱的1.25Gbit/s的帶寬，帶寬利用率也得到很大提高。同時GPON在距離上的覆蓋即可以理解為光纜的覆蓋，根據(jù)單模光纜的特性，GPON可以覆蓋幾十公里的范圍。

同時，由于GPON的中間節(jié)點為無源光網(wǎng)絡(luò)，減少了有源設(shè)備的故障，提高了運營效率，降低運營成本。

2 基于GPON技術(shù)的廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，一般廠區(qū)的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多為核心層、匯聚層、接入層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。由于廠區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展多為逐年進行，會造成很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超期服役的問題。對于大型工廠，接入網(wǎng)往往牽扯很多設(shè)備，線路敷設(shè)問題也較為復(fù)雜，老舊的設(shè)備和線路直接影響用戶對于網(wǎng)絡(luò)的需求，制約工廠發(fā)展。

因此，本文給出如下基于GPON的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，對于設(shè)備老舊、系統(tǒng)龐大的廠區(qū)有一定借鑒意義。

2.2 組網(wǎng)方案

本方案對廠區(qū)內(nèi)的10個辦公用房進行網(wǎng)絡(luò)改造，共規(guī)劃約5 000個信息點，采用光纖到桌面(FTTD)的組網(wǎng)方式，用戶接入帶寬需達到100M，接入層采用GPON接入技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)。廠區(qū)規(guī)劃4個匯聚節(jié)點，核心節(jié)點采用雙冗余設(shè)計，保證整個網(wǎng)絡(luò)的可靠穩(wěn)定運行。同時，整個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當具備良好的可管理性，便于部署和維護。整個園區(qū)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備有效的用戶接入安全控制，禁止非授權(quán)用戶接入，可實現(xiàn)用戶訪問、網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)/控分析等功能。廠區(qū)組網(wǎng)示意圖如圖2。

圖2 廠區(qū)組網(wǎng)示意圖

核心層：廠區(qū)核心層采用雙核心設(shè)置，起冗余備份作用，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)置防火墻，保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

匯聚層：廠區(qū)內(nèi)未改造的部分不受影響，可接入核心設(shè)備。改造建筑中，OLT充當了無源光網(wǎng)絡(luò)中的匯聚層。整個廠區(qū)根據(jù)面積及功能劃分出四個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個匯聚節(jié)點放置OLT設(shè)備，分別為2#、4#、6#及9#樓，各自覆蓋1#、2#、3#，4#、5#樓，6#、7#、8#及9#、10#樓。

接入層：廠區(qū)內(nèi)未改造部分不受影響，上傳至原匯聚節(jié)點即可。改造建筑內(nèi)設(shè)置分光器，各分光器將光纜延伸到每棟樓的每個辦公室用戶桌面，連接用戶端ONU設(shè)備。

2.3 方案計算

按照2.2節(jié)描述，本方案可選計算如下。由于產(chǎn)品廠家不同，參數(shù)各異，此部分計算會因品牌差異而不同，此處僅為參考示意。

出口帶寬：5 000×100M=500G。

核心層要求：50個萬兆端口。

OLT要求：50個萬兆接口。

此為用于滿配值，綜合考慮業(yè)務(wù)用戶比率、集中比、流量占空比及帶寬冗余系數(shù)，業(yè)務(wù)量可按照滿配40%計算。目前大品牌商的大型OLT均可滿足此業(yè)務(wù)要求。

按照四個區(qū)域各設(shè)置一臺OLT部署設(shè)備。分光器的選擇上采用一級分光模式，可最大限度提高PON利用率且故障診斷方便，可靠性高。

綜合OLT接口數(shù)及總帶寬需求，考慮光衰情況下，本工程選用1:16均分分光器。辦公室內(nèi)選擇萬兆上行、16個千兆下行口ONU設(shè)備。

影響光功率衰減的因素主要包括插入損耗、裸纖損耗、接頭損耗、光纖富裕度等。本方案估算如下。

若1∶16均分分光器插入損耗14.8dB，OLT至ONU距離按照2km考慮，單模光纖衰減系數(shù)為0.36dB/km，接頭損耗為0.5dB/個，每路一級分光至ONU設(shè)備共需8個接頭考慮，5km以下光纖富裕度為1dB，則總光功率衰減為：14.8+2×0.36+8×0.5+1=20.52dB，小于GPON規(guī)定的全程衰減值28dB，方案可行。

2.4 布線方案

GPON布線方案是一種光傳輸、分光的方案，主要布線任務(wù)為光纜的敷設(shè)。在各匯聚機房和各樓宇接入機房均配置相應(yīng)數(shù)量的ODF配線架和機柜，分光器設(shè)備在各樓弱電機房集中部署。根據(jù)本項目樓宇及數(shù)據(jù)量，考慮未來發(fā)展，可從中心機房到各匯聚層OLT設(shè)備敷設(shè)128芯單模光纜；各OLT至各建筑分光器敷設(shè)96芯單模光纜。從各樓宇分光器轉(zhuǎn)換為皮線光纜至各辦公室接ONU設(shè)備。

3 分析及結(jié)論

隨著PON技術(shù)的逐漸普及，相關(guān)的技術(shù)及設(shè)備成本也隨之下降。通過借鑒運營商對外PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)敷設(shè)經(jīng)驗，電氣設(shè)計師也可將此技術(shù)運用到廠區(qū)、園區(qū)中，以達到同樣更優(yōu)質(zhì)、更經(jīng)濟的效果。