教育類建筑通信網(wǎng)絡(luò)及布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：

構(gòu)建智慧校園的通信網(wǎng)絡(luò)需要統(tǒng)籌規(guī)劃，通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況側(cè)面反映著校園信息化的水平。主要關(guān)注現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)幾種主要應(yīng)用的架構(gòu)，歸納了一些在設(shè)計(jì)階段中需要納入設(shè)計(jì)師考量的要點(diǎn)，可為網(wǎng)絡(luò)及布線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可行方案。

關(guān)鍵詞：

教育建筑; 通信網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)絡(luò)模式; 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號： TU855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0040-05

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.007

0 引 言

智慧校園相較于傳統(tǒng)校園而言，綜合利用了通信網(wǎng)絡(luò)、智能分析、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，為學(xué)生、教師和校園管理者提供更加便捷、高效、個(gè)性化的服務(wù)和管理。例如：學(xué)生通過智能教學(xué)系統(tǒng)，可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和需求，獲取個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)，享受到更加智能化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時(shí)，智慧校園不僅能提供智能化的課堂管理，幫助教師更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，提高教學(xué)質(zhì)量，還可以提供如人臉識別、AI監(jiān)控等更加智能化的技術(shù)安防措施，以確保校園的安全和穩(wěn)定。

從智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度去解讀如何構(gòu)建智慧校園時(shí)，其中關(guān)注的最核心的功能需求點(diǎn)就是各種信息數(shù)據(jù)的流向和流量，這是規(guī)劃智慧校園基礎(chǔ)通信傳送網(wǎng)的最主要依據(jù)。而如今，教育類建筑中各類信息數(shù)據(jù)的傳輸特征會根據(jù)建筑的功能有所差異，如教學(xué)樓和辦公樓之間就有明顯的差別，教室教學(xué)數(shù)據(jù)的流向主要是本地與數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡(luò)核心層）之間的“南北”向流量，而辦公樓除了南北向以外，還需要具有不同終端和不同辦公室之間的“東西”向流量，這也是現(xiàn)今教學(xué)辦公的特征［1］。不同的學(xué)校，這種特征也不盡相同，因此設(shè)計(jì)師需要了解這些信息數(shù)據(jù)的流向和流量特征，來選擇與其相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)形式和布線方案。

現(xiàn)在能供設(shè)計(jì)師選擇的網(wǎng)絡(luò)形式有傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)、有源全光網(wǎng)絡(luò)（AON）和無源全光網(wǎng)絡(luò)（PON），本文不討論3種網(wǎng)絡(luò)形式本身的優(yōu)缺點(diǎn)，只討論不同教育類建筑中基于對數(shù)據(jù)流量適應(yīng)性、設(shè)計(jì)施工難易度和工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性等方面的考量，如何做出合理的選擇。

1 傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)在教育類建筑的局域網(wǎng)設(shè)計(jì)中，大部分按照二層星型模式，接入層采用千兆以太網(wǎng)，核心層（或有匯聚層）采用萬兆以太網(wǎng)。根據(jù)引言中關(guān)于教學(xué)樓的信息流向分析，在教學(xué)樓中采用以太網(wǎng)模式，雖然不影響正常的通信，但網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)是不可避免的，同時(shí)還將對綜合布線系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。

以普通教室的通信方式為例，在構(gòu)建智慧校園的前提下，教室中的教學(xué)用電腦（或多媒體機(jī)、智慧黑板）是從數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中獲取教學(xué)資源的，而非與其他教室進(jìn)行信息共享，因此接入層交換機(jī)中的“橫向”信道基本是空置的。并且，在對應(yīng)綜合布線系統(tǒng)中，每間教室需要從所在管理間（弱電間）引出至少4根水平線纜，到教室的基本教學(xué)用信息點(diǎn)（包含1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、1個(gè)有線電視信息點(diǎn)、1個(gè)IP廣播信息點(diǎn)、1個(gè)無線AP信息點(diǎn)，共4個(gè)信息點(diǎn)）。在管理間管轄區(qū)內(nèi)教室數(shù)量眾多時(shí)，布線系統(tǒng)的條件相對不能降低，而且施工階段從橋架引入教室內(nèi)的套管也不宜精減。

誠然現(xiàn)在有將接入層交換機(jī)“分散”后下沉至教室的方案，但依然會有橫向信道空置的問題。因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)更適合應(yīng)用在如幼兒教育、小規(guī)模的普教類以及改造及擴(kuò)建項(xiàng)目，上述不利點(diǎn)在項(xiàng)目規(guī)模較小的框架下，對網(wǎng)絡(luò)資源、布線以及工程造價(jià)不會產(chǎn)生較大的影響。

2 有源光網(wǎng)絡(luò)

有源光局域網(wǎng)的模式在現(xiàn)今教育類建筑中的應(yīng)用是最為廣泛的，其形式的本身屬于以太網(wǎng)，只是核心層和匯聚層均采用全光口交換機(jī)，接入層交換機(jī)上行通道采用光鏈路，下行通道為銅鏈路（少數(shù)具有光接口的設(shè)備也可采用光鏈路）。

這種方式有效地解決了教學(xué)樓在布線系統(tǒng)實(shí)施階段的難度（銅纜布線90 m距離極限），也減少了橋架引入教室內(nèi)的套管數(shù)量（光纜穿1根套管進(jìn)入即可），不僅在教學(xué)樓，在辦公樓或者其他功能建筑中，也同樣有此優(yōu)點(diǎn)。最重要的是，把光鏈路引到更接近終端設(shè)備的地方（FTTR），滿足了智慧校園發(fā)展所需的高帶寬需求，在各類實(shí)際智慧校園項(xiàng)目中應(yīng)用接納度最高［2］。

AON模式光分配網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備均為有源設(shè)備。有源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。需要注意的是，中間匯聚層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)一般是安裝在建筑弱電間（井）的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜中，而弱電間的面積和內(nèi)環(huán)境，往往不能滿足匯聚交換機(jī)安裝和運(yùn)行的基本要求，一是建筑面積指標(biāo)確實(shí)有限，二是其中的環(huán)境條件不在各專業(yè)設(shè)計(jì)師重點(diǎn)考慮范圍內(nèi)。

因此，遇到弱電間建筑環(huán)境不理想的情況時(shí)，上述問題在工程設(shè)計(jì)上有3種方案可做優(yōu)化，具體如下。

（1） 調(diào)整弱電間建筑特性，在滿足最小5 m2的面積要求下，空間盡量規(guī)則，便于網(wǎng)絡(luò)及布線系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的安裝、調(diào)試以及運(yùn)行。

（2） 將匯聚層交換機(jī)統(tǒng)一集中到弱電機(jī)房中安裝，從機(jī)房引出光纜直接連接末端接入層交換機(jī)，或弱電間增加光纜配線設(shè)施轉(zhuǎn)換后再連接接入層交換機(jī)（機(jī)房引出大芯數(shù)光纜，經(jīng)配線架端接轉(zhuǎn)換為終端光纜）。

（3） 更換組網(wǎng)方案，采用無源光網(wǎng)絡(luò)模式。

3 無源光網(wǎng)絡(luò)

PON在20世紀(jì)90年代已被開發(fā)應(yīng)用，在國內(nèi)應(yīng)用主要出現(xiàn)在居住建筑光纖到戶（FTTH）的場景中，并且經(jīng)過EPON和GPON兩種主要模式的長期應(yīng)用，反映出PON網(wǎng)絡(luò)優(yōu)良的運(yùn)行穩(wěn)定性和建設(shè)成本的經(jīng)濟(jì)性［3］。同時(shí)，PON網(wǎng)絡(luò)是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，完全避免了傳輸鏈路中的電磁干擾和雷電干擾，光傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境問題，在普通的室內(nèi)環(huán)境中基本可以忽略，這便解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和有源光網(wǎng)絡(luò)的問題［4］。

現(xiàn)今，PON網(wǎng)絡(luò)以無源光局域網(wǎng)（POL）的形式在其他類建筑項(xiàng)目中同樣有很好的應(yīng)用，諸如學(xué)校、酒店、醫(yī)院、博物館、通用工業(yè)建筑以及綜合型園區(qū)等以南北數(shù)據(jù)流向?yàn)橹饕卣鞯慕ㄖＰ枰⒁獾氖牵琍ON網(wǎng)絡(luò)在各類項(xiàng)目的應(yīng)用中，也需要根據(jù)項(xiàng)目特征采用不同的模式。根據(jù)傳送網(wǎng)中的復(fù)用技術(shù)的分類，PON網(wǎng)絡(luò)主要有時(shí)分復(fù)用（TDM）模式和波分復(fù)用（WDM）模式。

居住類建筑采用的PON就是時(shí)分復(fù)用模式，其數(shù)據(jù)流向特征是下行廣播，上行為每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)終端/單元（ONT/ONU）提供屬于自己的時(shí)間窗口，在其窗口期占用傳輸介質(zhì)的全部帶寬，這種特征正好符合現(xiàn)在智慧校園的信息通信需求，并且支持一纖多業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)、IPTV、語音等）。無源光網(wǎng)絡(luò)TDM模式系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示［5］。

WDM模式的特征是將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道，每一信道占用不同的光波波長（或頻率），在發(fā)送端采用合波器將不同波長合并在1條光線中傳輸，在接收端采用分波器將合波光信號分離開來，實(shí)現(xiàn)了在1根光纖上多路光信號的復(fù)用傳輸。正是這種特征，決定了WDM模式的PON網(wǎng)絡(luò)，不僅同樣可以實(shí)現(xiàn)一纖多業(yè)務(wù)，且每一特定波長的光信號，又可以以TDM的模式傳輸，因此其所能搭載的業(yè)務(wù)相較于TDM模式是成倍數(shù)增長的，是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的最理想手段。無源光網(wǎng)絡(luò)WDM模式系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

例舉兩個(gè)教育類項(xiàng)目校園網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以體現(xiàn)PON網(wǎng)絡(luò)的兩種復(fù)用模式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.1 時(shí)分復(fù)用模式應(yīng)用

陜西省富平縣某小學(xué)建設(shè)項(xiàng)目為36班城市普通小學(xué)，建筑單體子項(xiàng)包含1#教學(xué)樓、2#教學(xué)樓及行政樓、風(fēng)雨操場、食堂及地下室，地上4層，地下1層，總建筑面積約2.4萬m2。該學(xué)校設(shè)計(jì)建設(shè)有校園辦公網(wǎng)、安防監(jiān)控專網(wǎng)兩套獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，其中校園辦公網(wǎng)采用非對稱10 Gb/s無源光網(wǎng)絡(luò)（XG-PON）模式設(shè)計(jì)和建設(shè)，為校園提供上行2.5 Gb/s下行10 Gb/s的傳輸網(wǎng)絡(luò)［6］。

校園網(wǎng)核心設(shè)備部署在地下室弱電機(jī)房，光傳輸網(wǎng)絡(luò)局端采用1臺插卡式中規(guī)格光網(wǎng)絡(luò)局端設(shè)備（OLT），具有56個(gè)XG-PON口，采用室外12芯單模光纜引至各建筑單體各分區(qū)一層管理間，其中設(shè)置1∶8或1∶16光分路器（辦公區(qū)采用1∶8，教學(xué)區(qū)采用1∶16）。光分路器出線經(jīng)過光纖

配線設(shè)施轉(zhuǎn)接后，采用室內(nèi)4芯單模光纜引至各ONU或ONT。光網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備安裝在信息配線箱內(nèi)，從其引出六類非屏蔽4對對絞線（CAT.6 U/UTP）至各終端信息面板或設(shè)備。無源光局域網(wǎng)（TDM）系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖4所示。

該光網(wǎng)絡(luò)承載了學(xué)校日常教學(xué)的數(shù)據(jù)傳輸、語音交互（IP電話）、有線電視（IPTV）、電子班牌、錄播教室音視頻傳輸、校園公共廣播以及無線網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)。其中設(shè)計(jì)要點(diǎn)具體如下。

（1） 光分路器的選擇須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端日常業(yè)務(wù)種類和帶寬需求，進(jìn)行理論時(shí)分帶寬計(jì)算，以保證網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和上下行丟包率在合理范圍內(nèi)（上行10%，下行17%）。

（2） 光網(wǎng)絡(luò)局端設(shè)備OLT的選擇，須根據(jù)光分路器的數(shù)量總和，并按10%～15%預(yù)留端口，同時(shí)需要注意對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模式（G-PON、XG-PON、XGS-PON等）所具有的端口數(shù)。

（3） Type B/Type C冗余保護(hù)模式根據(jù)項(xiàng)目特征和工程投資的體量，以及項(xiàng)目重要性和潛在風(fēng)險(xiǎn)選擇合適的冗余保護(hù)。

（4） 光網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備/單元根據(jù)具體房間日常業(yè)務(wù)需求和信息點(diǎn)數(shù)量，選擇ONU或ONT。

3.2 波分復(fù)用模式應(yīng)用

西安市港務(wù)區(qū)某學(xué)校EPC項(xiàng)目，形式為一棟綜合型建筑單體，其中包含了普通教室、功能部室、420人多功能廳、教師辦公室、風(fēng)雨操場、教工餐廳、地下車庫，地上5層，地下1層，總建筑面積約3.7萬m2。校園網(wǎng)絡(luò)采用無源光網(wǎng)絡(luò)的WDM模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為各類網(wǎng)絡(luò)終端提供專屬的1 G網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。

核心設(shè)備部署在地下室弱電機(jī)房，光傳輸網(wǎng)絡(luò)局端采用波分復(fù)用全光交換機(jī)（等同于OLT），具有4個(gè)萬兆上行光口，48個(gè)千兆下行PON口，采用室外16芯單模光纜引至各管理間，其中設(shè)置24口或48口波分復(fù)用器（根據(jù)所轄光網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量確定），引至光網(wǎng)絡(luò)終端的形式與TDM模式相同，本節(jié)不再贅述，唯一區(qū)別在于TDM模式接入光纖（室內(nèi)4芯單模光纜）采用單纖雙向傳輸，而本項(xiàng)目WDM則采用雙芯單向傳輸。無源光局域網(wǎng)（WDM）系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖5所示。

本項(xiàng)目采用WDM模式組件PON網(wǎng)絡(luò)的主要原因在于該學(xué)校的智慧教學(xué)課程資源不僅需要自身建設(shè)，同時(shí)也需要從本區(qū)內(nèi)其他學(xué)校之間進(jìn)行資源共享，且能提供“教室對教室”的遠(yuǎn)程互動教學(xué)，在校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)出口具有教育集團(tuán)專線的前提下，采用WDM模式更有助于保證網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和信道的穩(wěn)定［7］。

其中設(shè)計(jì)要點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

① 確定波分復(fù)用的形式，采用稀疏波分復(fù)用（CWDM，信道間隔20 nm）或是密集波分復(fù)用（DWDM，信道間隔0.2～1.2 nm），一般項(xiàng)目采用CWDM模式即可。

② 了解掌握市場上WDM模式的產(chǎn)品性能，以確定波分復(fù)用器所能接的光終端數(shù)量。

4 結(jié) 語

從智慧校園概念提出到項(xiàng)目的落地運(yùn)行，這個(gè)過程是相對迅速的，這源于建筑智能化技術(shù)已經(jīng)具備的較為完善的應(yīng)用基礎(chǔ)。而智慧校園從頂層應(yīng)用角度出發(fā)，將教學(xué)、辦公、安防、管理以及運(yùn)維劃歸為不同的功能板塊，規(guī)定了其中的

系統(tǒng)配置和性能要求。對于通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，除了

傳輸帶寬外，尚無明確的模式要求。

本文對各類網(wǎng)絡(luò)模式應(yīng)用的分析，建立在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)之上，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與綜合布線系統(tǒng)之間的緊密關(guān)系，從網(wǎng)絡(luò)的適用性和實(shí)用性兩個(gè)方面，對不同項(xiàng)目的校園通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置提出了建議，且針對不同網(wǎng)絡(luò)模式的設(shè)計(jì)工作總結(jié)出一些要點(diǎn)，以便設(shè)計(jì)師進(jìn)一步研究探討。

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［2］ 黃清海.PON在校園網(wǎng)部署的利與弊［J］.中國教育網(wǎng)絡(luò)，2022（7）：13-17.

［3］ 陳永杰.眾議：高校如何部署全光網(wǎng)？［J］.中國教育網(wǎng)絡(luò)，2021（12）：61-62.

［4］ 蘇虎.以太網(wǎng)、GPON與EPON三種組網(wǎng)方式在高校應(yīng)用中的對比研究［J］.中國新通信，2020（23）：61-62.

［5］ 孫瑋.一種5G融合校園網(wǎng)部署方案［J］.電信科學(xué)，2023（12）：133-143.

［6］ 中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會.無源光局域網(wǎng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：T/CECA 20002—2019［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 310-2013［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

收稿日期： 2024-03-15

Design of Communication Network and Cabling System for Educational Buildings

PAN Jiaxin， YANG Xiaorui， LI Hongxia

（China Northwest Building Design Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710000， China）

Abstract：

The construction of a smart campus communication network requires overall planning，and the operation status of the communication network indirectly reflects the level of campus informatization.This article mainly focuses on the architectures of several major applications in current network systems，summarizes some key points that need to be considered by designers in the design phase，and provides feasible solutions for optimizing the design of network and cabling systems.

Key words：

educational architecture; communication network; network mode; design points