PON接入技術(shù)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

張春凌

中國移動設(shè)計院北京分公司

PON接入技術(shù)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

張春凌

中國移動設(shè)計院北京分公司

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，新業(yè)務(wù)層出不窮，人們對接入帶寬的需求越來越高，而寬帶光纖接入技術(shù)的快速發(fā)展，為實施接入網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型升級，加速FTTx建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。作為移動運營商，為克服城區(qū)銅纜資源缺乏的不足，積極采用新的光纖接入技術(shù)，為用戶提供高帶寬、多業(yè)務(wù)的綜合接入能力，是適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，應(yīng)對市場環(huán)境變化，促進網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的重要舉措之一。本文主要結(jié)合當前寬帶光纖接入技術(shù)和業(yè)務(wù)需求，對移動運營商PON技術(shù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進行了探討。

寬帶光纖接入；需求；PON部署；ODN設(shè)計

1 寬帶光纖接入技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 主要光纖接入技術(shù)

寬帶光纖接入技術(shù)主要包括點對點技術(shù)（P2P，如點對點光以太網(wǎng)）和點對多點無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)PON（Passive Optical Network，簡稱PON,目前主流為EPON、GPON等）兩大類。

1.1.1 點到點光接入技術(shù)

點到點光接入技術(shù)從局端到每個用戶都用一對或一根獨立的光纖，局端和用戶端各需要1個光收發(fā)器。用戶帶寬主要取決于用戶端和局端設(shè)備，每個用戶的上下行帶寬可達到100Mbit/s、1000Mbit/s甚至更高。缺點是由于每個用戶獨占一對光纖和光收發(fā)器，在大規(guī)模應(yīng)用情況下建設(shè)成本高。

因此P2P技術(shù)適合于用戶分布比較分散、高帶寬（100Mbps以上）和安全性要求較高的專線接入用戶，不能成為公眾寬帶用戶的主流解決方案。

1.1.2 無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（PON）

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)與點對點（P2P）方式相比，能夠大量節(jié)省主干光纖和局端設(shè)備光接口，用戶帶寬配置靈活，是未來寬帶光接入的主要選擇。PON技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了APON/BPON(ATM PON/Broadband PON,)、EPON（Ethernet PON，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）、GPON（Gigabit-Capable PON，千兆無源光網(wǎng)絡(luò)）、WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing PON，超長距離無源光網(wǎng)絡(luò))和10GEPON的過程。

（1）EPON技術(shù)

EPON技術(shù)于2003年由IEEE（美國電氣與電子工程師學(xué)會）完成標準化工作，以千兆以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過MAC層之上的點到多點控制協(xié)議（MPCP協(xié)議）來實現(xiàn)PON點到多點傳輸方式，但OAM(Operation Administration and Maintenance)能力稍弱。目前技術(shù)已基本成熟，商用芯片和設(shè)備均較多，產(chǎn)品成熟度較好，已基本解決接入IP業(yè)務(wù)時不同廠商OLT和ONU之間的互通問題，是現(xiàn)階段PON應(yīng)用的主流技術(shù)。

（2）GPON技術(shù)

GPON技術(shù)由ITU在APON技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，沿用了APON的標準協(xié)議框架，增加了GEM這一新的TC層幀封裝方式，對QoS和OAM有嚴格規(guī)定，承載TDM業(yè)務(wù)的能力較強，協(xié)議相對復(fù)雜。GPON技術(shù)近期發(fā)展較快，各廠家GPON產(chǎn)品支持Internet接入、話音、IPTV、視頻監(jiān)控、E1等多種業(yè)務(wù)的承載，能基本滿足運營商遠程維護管理的需求，但目前在互通性方面需進一步完善。

10G-GPON是在現(xiàn)有GPON基礎(chǔ)上的進一步演進，具備帶寬更高、支持接入的業(yè)務(wù)更多和傳輸距離更遠的特點。雖然目前還未商用，但作為引領(lǐng)下一代接入網(wǎng)發(fā)展的主流PON技術(shù)有很大的市場發(fā)展空間。

1.2 PON接入技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）EPON向10GEPON演進

運營商的FTTH（光纖到戶）建設(shè)帶動PON技術(shù)和市場更加成熟的同時，也加速了下一代PON技術(shù)的商用進程。下一代PON接入技術(shù)的主要標準之一為IEEE提出的10GEPON標準，10G EPON滿足了在現(xiàn)有光纖上增加更多客戶和帶寬的需要，有望在2010年底實現(xiàn)商用。

（2）GPON向NGAPON演進

NGAPON的發(fā)展可以分為兩個階段，即NGA1PON和NGA2PON。

NGA1PON與目前的GPON標準兼容，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，包括10GGPON和WDM-PON，其中非對稱(下行10Gbit/s上行2.5Gbit/s)的10GGPON將成為現(xiàn)期的一種過渡技術(shù)。WDM-PON在技術(shù)上有很多優(yōu)勢，包括能透明傳輸各種協(xié)議的所有業(yè)務(wù)流，不需改變物理設(shè)備就可以升級帶寬，可以較好地解決安全問題，但WDM-PON中可用波長數(shù)目有限。

NGA2PON不考慮對目前GPON網(wǎng)絡(luò)的兼容性，而是高速率、長距離和大分光比的WDM-PON與TDM-PON相結(jié)合的混合PON網(wǎng)絡(luò)。

（3）兩種技術(shù)的融合——WC-PON

隨著光編解碼技術(shù)取得突破性的發(fā)展，OCDMA-PON(光領(lǐng)域的CDMA)的實現(xiàn)成為可能，可以更好地解決傳統(tǒng)TDM-PON中的一系列問題。但是OCDMA也存在一些缺點，如碼長序列有限，碼間串擾隨著碼長增加明顯增加等。如果能夠綜合WDM-PON和OCDMA-PON的優(yōu)勢，則可以在網(wǎng)絡(luò)承載能力、復(fù)用、對稱性和安全性方面取得全面的突破，這種混合PON技術(shù)將成為光接入技術(shù)的發(fā)展趨勢。

圖1 PON技術(shù)發(fā)展路線示意圖

圖2 PON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 ODN構(gòu)成示意圖

2 PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 PON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型的PON系統(tǒng)由局側(cè)OLT（光線路終端）、用戶側(cè)ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）組成，ODN由單模光纖和光分路器、光連接器等無源光器件組成。PON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 PON系統(tǒng)組成

2.2.1 OLT光線路終端

一般位于局端，是整個PON系統(tǒng)的核心設(shè)備，向上提供接入網(wǎng)與核心網(wǎng)/城域網(wǎng)的高速接口，向下提供面向無源網(wǎng)絡(luò)的一點對多點的PON接口，以廣播方式向各ONU發(fā)送數(shù)據(jù)。OLT是PON系統(tǒng)的控制中心，提供網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能，針對用戶QoS的不同要求進行帶寬分配、網(wǎng)絡(luò)安全控制和管理配置。

2.2.2 ONU光網(wǎng)絡(luò)單元

ONU為網(wǎng)絡(luò)接口單元，采用以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)以太網(wǎng)第二層第三層交換功能，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的透明傳送。也支持TDM協(xié)議，通過E1接口來實現(xiàn)傳統(tǒng)TDM話音接入。

2.2.3 ODN光分配網(wǎng)

ODN位于PON網(wǎng)絡(luò)中OLT側(cè)S/R參考點和ONU側(cè)R/S參考點之間。ODN可采用單級分光方式或多級分光方式，其構(gòu)成見圖3。

ODN的光纖/光纜網(wǎng)絡(luò)一般分為饋線（主干）光纜、配線光纜和入戶光纜。

主干光纜是從OLT到光分配點（通常光交接箱/光分纖箱）的光纖鏈路。

配線光纜是從光分配點（通常光交接箱/光分纖箱）到用戶接入點（通常指距離用戶最近的光分纖盒/箱）的光纖鏈路。

入戶光纜是從用戶接入點（通常指距離用戶最近的光分纖盒/箱）到ONU的光纖鏈路。

3 分類客戶光纖接入網(wǎng)建設(shè)模式

3.1 分類用戶業(yè)務(wù)需求分析

3.1.1 集團/商用客戶需求分析

行政類用戶

如市委、市政府等行使管理職權(quán)的部門。隨著政府上網(wǎng)工程的逐步展開，行政類用戶（如政府、公安、稅務(wù)、財政局、檢察院、武警、教育等系統(tǒng)部門）對Internet、多媒體會議等需求將會有較大增長。

金融類電信大用戶

主要包括各類銀行機構(gòu)、證券交易和保險公司。該類用戶一般對于商務(wù)處理、電子商務(wù)以及虛擬專用網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用較多。用戶特點是以高速數(shù)據(jù)傳輸為主，實時性和可靠性要求高、傳輸突發(fā)性大。

醫(yī)療結(jié)構(gòu)

隨著未來多媒體業(yè)務(wù)的展開，其中遠程醫(yī)療是未來解決醫(yī)療人員匱乏、醫(yī)療手段相對落后的較好的方式。

高等院校和中學(xué)

由于工作需要及其自身具有較高文化素質(zhì)，對于多媒體業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)多樣化，例如信息檢索、局域網(wǎng)互聯(lián)、電子郵件、遠程教育等。

星級賓館、智能寫字樓、企業(yè)集團等大客戶

在解決電話業(yè)務(wù)需求之后，對于多媒體業(yè)務(wù)的需求主要側(cè)重于局域網(wǎng)互聯(lián)、多媒體信息點播、事務(wù)處理、電子郵件等。

3.1.2 公眾住宅用戶需求分析

公眾住宅用戶需求呈現(xiàn)出的大帶寬、高速率、綜合化的業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢，對語音、寬帶、視頻業(yè)務(wù)的綜合接入需求，大大推進了FTTH的建設(shè)。

城市新建住宅小區(qū)是FTTH建設(shè)的重點。構(gòu)建信息化社區(qū)，實現(xiàn)全業(yè)務(wù)覆蓋，打造智能家庭是新建小區(qū)、高檔住宅小區(qū)的發(fā)展目標。

3.1.3 寬帶專線用戶需求分析

企業(yè)信息化建設(shè)與應(yīng)用水平日益提高，形成了對通信網(wǎng)絡(luò)資源的更大需求，要充分考慮為這部分專線客戶提供足夠的帶寬資源，為企業(yè)信息化建設(shè)創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。光纖可為寬帶專線用戶提供快速、高效、便捷的通信網(wǎng)絡(luò)資源。

3.2 帶寬需求分析

隨著寬帶技術(shù)、流媒體技術(shù)的快速發(fā)展，IPTV、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)游戲等高帶寬業(yè)務(wù)普遍應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高要求。

預(yù)計未來1～3年，單用戶帶寬需求為下行帶寬10M～20M，上行帶寬3M～4M；如果考慮家庭可能有多路標清或高清電視，3～5年接入帶寬達到下行20～30M，上行4～8M。

表1 典型業(yè)務(wù)帶寬需求表

3.3 客戶分類建設(shè)模式

3.3.1 集團客戶建設(shè)模式

集團及商企客戶接入應(yīng)按高標準建設(shè)，積極采用PON技術(shù)實現(xiàn)FTTB/O（光纖到樓/辦公室）,為保證其高可靠性，可通過PON雙纖保護或主備雙分光路由來實現(xiàn)業(yè)務(wù)保護，用戶局域網(wǎng)可直接接入ONU；在業(yè)務(wù)需求明確且投資效益合理的情況下，可采用FTTO方式進行建設(shè)。

集團及商企客戶語音接入較為密集，也可通過MSTP環(huán)網(wǎng)等有保護的傳送方式接入IP城域骨干網(wǎng)，以確保大客戶語音通信安全。

商企客戶接入應(yīng)結(jié)合帶寬需求及資源現(xiàn)狀，在客戶相對集中的寫字樓、工業(yè)園區(qū)、網(wǎng)吧集中區(qū)、商貿(mào)區(qū)等，如用戶帶寬需求不高，可以采用PON方式進行接入。

3.3.2 公眾客戶建設(shè)模式

公眾客戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求和駐地網(wǎng)資源狀況，優(yōu)先采用基于PON的FTTH或FTTB（PON+LAN）模式，實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的綜合接入。

FTTH（PON）建設(shè)模式

ONU采用壁掛式設(shè)備箱安裝，置于用戶室內(nèi)相對隱蔽且便于維護的位置，綜合布線時，用戶信息面板盡量部署在用戶室內(nèi)，避免安裝在門口或樓道內(nèi)。若為新建樓宇，需盡早和開發(fā)商協(xié)商解決用戶室內(nèi)光纖的綜合布線。

FTTB（PON+LAN）建設(shè)模式

對于開發(fā)商已建設(shè)五類線的新建住宅區(qū)，可采用FTTB（PON＋LAN）方式進行建設(shè)，光纜直接推進到用戶樓宇。

ONU安裝位置優(yōu)選弱電間或設(shè)備間，次選大樓樓道或豎井內(nèi)機柜，樓內(nèi)部署困難時，可部署在小區(qū)基站或室分機房或采用建設(shè)室外機柜的方式。

需要指出，當采用FTTx方式時，ONU上聯(lián)OLT可利用基站空閑資源，但基站資源使用應(yīng)堅持移動業(yè)務(wù)優(yōu)先原則。

4 PON網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計

4.1 PON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則

隨著PON技術(shù)的日臻完善和規(guī)模商用，選擇PON技術(shù)實施寬帶接入網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)寬帶提速升級，全面推進FTTx建設(shè)成為各大通信運營商的主流選擇。對移動運營商而言，目前主要采用GPON技術(shù)實施FTTx建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要遵循以下原則：

保護投資

在滿足客戶當前需求同時綜合考慮未來業(yè)務(wù)擴展需要，以及網(wǎng)絡(luò)運維成本等因素，充分保護當前投資，提高資金使用效率。

可靠性

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)和客戶需求，進行可靠性設(shè)計，保證高可靠性。

易擴展

FTTx 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時要充分考慮向FTTH接入的演進，保證FTTx 網(wǎng)絡(luò)的易擴展性。

標準化

系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循所有相關(guān)的ITU、IEEE標準，同時還應(yīng)支持國內(nèi)行業(yè)標準和中國移動制訂的相關(guān)企業(yè)標準、規(guī)范、要求等。

4.2 OLT設(shè)備部署

OLT設(shè)備的用戶容量集成度較高，上聯(lián)帶寬需求大，一般集中部署在靠近承載網(wǎng)的匯聚機房，對配套資源需求較少，也便于設(shè)備的集中管理維護，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)所需傳輸資源。因此，在覆蓋范圍允許的情況下盡量OLT設(shè)置在傳輸匯聚機房。建議OLT覆蓋半徑應(yīng)不大于10KM（鏈路長度不大于15KM）。

部分區(qū)域如在客戶、業(yè)務(wù)密集區(qū)域，可根據(jù)實際情況將OLT下沉放置在客戶側(cè)，充分利用光纜、機房、供電配套等資源條件，選擇區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有機房（如基站機房等）作為OLT設(shè)備的放置點，原則上不為OLT的設(shè)置新建機房。

移動運營商建設(shè)GPON網(wǎng)絡(luò)時，建議只部署一個廠商的OLT及配套的ONU、分光器等設(shè)備。

4.3 ONU設(shè)備部署

ONU 的安裝位置較為靈活，不需要專門的機房，可根據(jù)用戶需求和建設(shè)模式選擇安裝位置，大體可分為：安裝在光交間內(nèi)、安裝在樓道/豎井內(nèi)、安裝在用戶區(qū)（終端箱內(nèi)或壁掛、臺面安裝）。ONU供電采用220V交流市電，斷電時用戶語音需求可用GSM/3G替代。

4.4 ODN設(shè)計和部署

4.4.1 光分路器的選擇與設(shè)置

光分路器的設(shè)置位置直接影響光纜芯數(shù)的需求。在實際組網(wǎng)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮線路成本、OLT設(shè)備PON口成本、維護成本、可擴展性等因素，盡量采用一級分光，以減少故障點、便于故障定位和系統(tǒng)優(yōu)化。

工程設(shè)計中，分光比和分光器的數(shù)量，需要結(jié)合用戶帶寬需求、ONU端口數(shù)、ONU數(shù)量和分布進行綜合考慮。若用戶帶寬需求增加，可通過增加光分路器數(shù)量進行優(yōu)化，降低光分路比，提高用戶帶寬。

用戶需求帶寬計算公式為：

∑所有業(yè)務(wù)（業(yè)務(wù)分配帶寬×業(yè)務(wù)用戶比率×集中比×流量占空比）×總用戶數(shù)/帶寬冗余系數(shù)。

--上網(wǎng)業(yè)務(wù)：普通上網(wǎng)業(yè)務(wù)集中比為50%，流量占空比按50%計算，系統(tǒng)內(nèi)帶寬冗余系數(shù)按80%計取；典型高帶寬業(yè)務(wù)如IPTV媒體流則不取流量占空比。

--語音業(yè)務(wù)：普通用戶話務(wù)量每線約為0.031Erl，每用戶帶寬按100kbit/s取定。

下面舉例說明，若某小區(qū)用戶帶寬需求有兩種：70%用戶帶寬需求為2Mbit/s，主要為普通上網(wǎng)業(yè)務(wù)；30%用戶帶寬需求為8Mbit/s，主要包含IPTV業(yè)務(wù)。則該小區(qū)上網(wǎng)帶寬需求為寬帶用戶數(shù)×（2Mbit/s×70%×50% + 8Mbit/s×30%）×50%/80%，語音帶寬需求為窄帶用戶數(shù)×0.1Mbit/s×0.031/80%。若已知1個PON口下行線路有效帶寬約1000Mbit/s，可求出PON口的需求總數(shù)，即工程初期最少配置分光器的個數(shù)。

4.4.2 ODN的光功率計算方法

ODN的光功率預(yù)算是GPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中非常重要的一個環(huán)節(jié)。ODN網(wǎng)中光纖鏈路損耗包括了S／R和R／S（S：光發(fā)信參考點；R：光收信參考點）參考點之間所有光纖和無源光元件（光分路器、活動連接器、光接頭等）所引入的損耗。

光纖鏈路損耗采用最壞值法計算，光通道衰減計算公式如下：

（ODN光鏈路衰減+Mc）≤系統(tǒng)允許的衰減

公式中：

Mc：光纖富余度。

計算時相關(guān)參數(shù)取定如下：

--光纖衰減：1310nm波長時，取0.36dB/km；1490nm波長時，取0.22dB/km。

--光活動連接器插入衰減取0.5dB/個。

--光纖熔接接頭衰減取定：分立式光纖接頭衰減取雙向平均值為0.08dB/每個接頭，帶狀光纜光纖接頭衰減取雙向平均值為0.2dB/每個接頭。

--冷接子雙向平均值取0.15dB/每個接頭。

--分光器插入衰減參數(shù)取定見表2。

表2 分光器典型插入衰減參考值

（6）光纖富余度Mc：當傳輸距離≤5km時，Mc不少于1dB；當傳輸距離≤10km時，Mc不少于2dB；當傳輸距離 >10km時，Mc不少于3dB。

4.4.3 光功率計算實例

某廠家OLT設(shè)備的GPON口發(fā)送光功率為0.5～5.0dBm，ONU的接收靈敏度最大值為-27dBm，按照最壞值法進行傳輸指標核算，OLT-ONU之間的傳輸衰耗不應(yīng)大于27.5dB。實際方案中ONU距離OLT約2公里，一級2:16分光，共經(jīng)過3個活動連接器，則全程衰耗為21.22dB，小于27.5dB，計算如下：

表3 光功率衰減計算

結(jié)論：通過光纖鏈路衰耗核算，可確定ODN的傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為保證一定的傳輸距離，必須盡量減少ODN網(wǎng)絡(luò)中的光纖適配耦合次數(shù)（活接頭數(shù)量），盡量減少光纜分歧次數(shù)。

5 結(jié)束語

伴隨著運營商網(wǎng)絡(luò)運營的需要以及技術(shù)的發(fā)展趨勢，整個電信網(wǎng)面臨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化、運營管理維護智能化、網(wǎng)絡(luò)融合帶來的業(yè)務(wù)綜合承載化以及網(wǎng)絡(luò)高可靠性的趨勢，作為網(wǎng)絡(luò)端到端一部分的寬帶光纖接入網(wǎng)技術(shù)已成為未來通信網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，是今后一段時期內(nèi)國際通信技術(shù)研究、開發(fā)和建設(shè)的熱點。采用寬帶光纖接入網(wǎng)是光纖通信發(fā)展的必然趨勢。

[1]王慶,胡衛(wèi)等. 光纖接入網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計手冊.人民郵電出版社.2009

[2]熊偉成.寬帶接入網(wǎng)發(fā)展趨勢.烽火科技報.2007.4

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.069