GPON網絡在鐵路場景通信的建設及應用

任偉麗　崔炳勝

摘要：本文主要介紹GPON技術原理、系統結構、特點、網絡建設原則及應用模式。

關鍵詞：無源光網絡;GPON;接入網技術

一、PON技術概述

目前市場應用的寬帶接入技術主要包括XDSL、LAN、MSTP等。近年來，世界范圍內的寬帶技術進入了高效、快速的發展時期，傳統專線接入技術已逐漸不能滿足需求，這就是意味著新的接入設備不僅要滿足不斷增長的帶寬需求，還要具有承載多業務的、統一網絡的能力。因此進行寬帶接入網絡改造以及多業務轉型勢在必行。

當前北京鐵路局數據網接入層均采用ADSL技術，來實現鐵路通信業務最后一公里的覆蓋，隨著北京局基礎網建設的逐步推進，ADSL技術已經無法支撐目前鐵路通信業務和班組信息化建設的高帶寬和高可靠性保障，并且其他路局均開展GPON網絡對ADSL網絡的逐步替換。由此可見，北京局的GPON網絡建設也需盡早實施。

二、GPON主要結構和特點

GPON網絡的主體結構包括光線路終端、光網絡單元及ODN。其中，光線路終端也稱為局側OLT，光網絡單元又稱為用戶側ONU，ODN的主要構成則為單模光纖、分光器、光連接器件等。

在GPON網絡中，OLT是核心服務設備，通常部署于服務站點終端，例如各站段的車間或者大的車站。OLT的上聯接口與基礎網接入路由器相接，實現上行接入;下行接口則通過單根光纖與用戶終端的分光器相連，分光器則與ONU或者ONT設備連接，構成了基本的GPON網絡系統。OLT（局端設備）承擔著下屬終端設備的分配帶寬的職能，能夠實現對網內所有的ONU及ONT終端的管理與維護;ONU及ONT則屬于GPON網絡的用戶終端，一般可放置在車間班組內;ODN則是光分配網構建起局端OLT與用戶端ONU的數據輸出的通道。在GPON網絡中，可以根據具體需要選擇是否配備WDM或NE模塊，從而實現對部分特殊業務的有效支持。

在實際建設使用中，GPON網絡一般結合WDM技術構建網絡系統，通過單根光纖實現數據的雙向傳輸。與傳統的單根光纖單向傳輸模式相比，該模式實現了基于單根光纖的雙向數據交互，在確保充分的傳輸效率的同時極大降低了網絡系統對光纖資源的需求，因此表現出明顯的成本優勢。GPON網絡與WDM技術的綜合運用，實現了OLT設備下行信號在網絡節點的自動分配，構建起一種類似與電臺廣播的服務模式，由單個OLT對其覆蓋區域內的所有ONU的數據信號進行管控。與此同時，每個ONU或者ONT終端還可以根據自身使用的需求，自由決定其從OLT處獲取的數據載荷。通常情況下，GPON網絡的架構形式為樹狀結構，具有光傳輸介質的共享優勢，并且滿足各個ONU終端的數據需求，并設定其獨特的傳輸時隙從而避免了干擾和沖突。這一網絡模式能夠充分保證每個用戶終端對帶寬質量的需求，不同用戶之前的資源分配更加合理高效，能夠充分體現WDM技術的優勢。

（一）GPON系統的主要特點：

（1）大容量、高效率：基于GPON技術，寬帶用戶的理論下行與上行速率將分別達到2.5G與1.25G，能夠充分滿足路局未來班組之間大容量數據的需求;而基于GEM技術的封裝模式，也能夠極大提升數據傳輸效率。

（2）傳輸距離長：基于GPON技術，用戶側與局側的最大距離高達20KM，附和鐵路沿線班組距離遠的特點，極大提升了網絡服務終端的覆蓋范圍。

（3）穩定可靠：基于GPON技術的光纖網絡以無源光元件為物理通道，便于系統的維護和檢修;該組網技術優勢主要體現在僅有OLT和ONU為有源設備，需要接入電源，其它傳輸設備和器件均為無源設備，不需要接入電源，增強了穩定可靠性。該方式適用于鐵路沿線班組房屋面積有限，機房空間不足的現狀。

（4）數據安全：采用GPON技術的網絡本身具備良好QOS保證與完善的保護功能。因此更加容易獲得用戶的認可與信賴。另外，OLT具有集中帶寬分配、控制各ONU、實時監控、運行維護管理PON系統的功能。ONU為接入網提供用戶側的接口，提供話音、數據、視頻等多業務流與ODN的接入，受OLT集中控制。

（5）高度集成，成本費用低：該網絡以單根光纖實現數據的雙向傳輸，將通過一個統一的接入平臺滿足區域內用戶的全業務需求，因此表現出較為顯著的成本優勢。

三、GPON技術的應用模式

PON技術運用于接入網中，具有多種接入模式，常用的有FTTB、FTTC和FTTH（FTTO）。

1.FTTB應用模式

FTTB也稱光纖到樓宇的接入方式，主要特征是用光纖代替原有使用者接入點之前的雙絞線，然后用終端的ONU設備放置在原用戶接入分線盒位置。ONU下利用其它傳輸介質方式進行接入，目前通常適用五類雙絞線或者采用無線的方式，一般每個ONU分為8口、16口、32口等，支持的用戶數可達到100個左右。

在FTTB應用模式中，OLT設備一般放在局端機房，作為用戶業務的收斂及分發。下聯接入一般通過光纖接口，利用光纖連接ONU終端設備，在ONU處終結光信號，一般通過以下接口方式與用戶端進行連接，包括POTS、ADSL、VDSL、以太網等方式。

FTTB的接入模式，需要在ONU處接入電源，以北京路局各班組實際情況來看，可利用班組內的交流電源實現供電，在有條件的區域，還可利用原機柜電源供電，主要考慮有電池做電源保護，確保穩定性。

根據網絡拓撲的實際情況，有如下三種FTTB的接入模式：

（1）FTTB+xDSL

將接入點放置在車站及班組車間，原有DSLAM設備采用GPON上聯口，班組末端側使用xDSL接口利用雙絞線進入至末端用戶。該方式使用了原有的線纜資源，采用成熟的AD或者VD的相關技術，可以充分利用現有的線路投資。提供小容量的DSL和MDU，通過使用一體化綜合機柜，保障在室外較惡劣的使用環境使用。

（2）FITB+LAN

將光纖端接點分布在車站及班組，通過ONU終結光信號，利用配備多個以太網接口與用戶端連接。采用此種方式，終端用戶到ONU的距離不能超過100米。

2.FTTC應用模式

此種方式光網絡單元ONU通常放在室外、車務車間或貨運車間中的機房或樓道中，1個ONU通常為多個辦公區域提供服務，用戶端為雙絞線，銅纜距離在500米左右;分光器布放在幾個小區間的光交接箱內。這種方式比較適合用戶密度低且比較分散的場合，但是缺點也很明顯。

3.FTTH應用模式

光纖到辦公區，機務車間，是利用光纖傳輸媒質連接局端OLT和班組的接入方式，接入的光纖可由單個班組、車間獨享。在ONU和OLT之間采用無源的光分配網絡，OLT可以置于遠端的匯聚局機房，也可以置于車間機房，可以參考實際情況而定。FTTH的應用模式在ONU節點處需要提供電源，該問題可以采用班組內的交流電直接供電。

以上所說的FTTH模式，非常適合車站和班組的使用。班組級車站的通信覆蓋已經比較普遍，目前幾乎所有的車站均采用ADSL接入技術實現，隨著視頻會議系統、大數據照片上傳等高帶寬的業務引入，原有的網絡需要進行必要的升級改造。GPON光接入平臺立足高帶寬接入，充分考慮各站段和班組的實際情況，分層次提供一步到位的FTTH。接入業務包括語音、數字車站、寬帶上網（有線和無線方式可選）、辦公OA、視頻會議系統等，滿足各個班組有線方式、無線方式、外網及內網等各種業務接入的需求。

四、網絡建設原則

綜合考慮GPON技術特點、成熟度、投資成本、業務需求、等多方面的因素GPON網絡建設需注意以下幾點：

1.GPON OLT建設方案

根據北京局現狀建議在各正線車站通信機械室設置GPON OLT設備，GPON OLT設備通過GE上聯接口雙歸接入同機房A/B平面兩臺接入路由器（PE）或PTN設備，實現GPON系統與數據網系統數據、語音（IP）業務的互聯。車站通信機械室、站段機房以及光纜匯聚節點處按需設置相應分光比的分光器與光纜構成光纖分配網絡（ODN）。車間、班組等業務接入節點設置GPON ONU，實現終端用戶的數據、語音業務接入。

GPON OLT設備本著分等級裝備的原則，根據各站接入節點數量及容量選取不同接入能力的設備，在滿足近期網絡改造的前提下，充分預留中遠期接入能力并合理降低工程投資。

2.GPON ONU建設方案

根據北京局現狀在各車間、班組節點新設GPON ONU設備，解決各節點數據、語音業務接入。在車站信息機房新設GPON ONU設備，為兩網融合工程信息專業 CE路由器提供接入條件。

既有站段鐵路自動電話接入方式仍采用地區電纜接入臨近程控交換機或車站通信機械室傳統接入網網絡單元設備（NU）實現。因既有地區電纜敷設時間較長，性能逐年劣化，不滿足鐵路運輸生產的需要，本工程在站段機關所在地按需設置GPON ONU設備，利用GPON光網絡實現鐵路自動電話業務接入，同時預留IP電話接入能力。

站段、車間、班組、信息機房接入用戶需求不同，GPON ONU設備按照分等級裝備的原則進行選型。

3.IGPON光纖分配網絡（ODN）建設方案

光纖分配網絡（ODN）是GPON光接入網中設置在GOPN光線路終端（OLT）和光網絡單元（ONU）之間線路和設備的總稱，用來分配光信號功率，是實現OLT與ONU之間光信號傳輸的物理通道。光纖分配網絡（ODN）通常由分光器、光纜、光纜接續及終端的配線設備組成。

（1）分光器

ODN受光線、連接點、分光器等損耗會有不同程度衰耗。由于不同器件損耗情況如下表所示：

從上表可知GPON系統上行1310nm波長光纖損耗大于下行1490nm波長光纖損耗，因此進行ODN網絡計算光纖衰減時取上行1310nm波長每公里平均損耗（0.35dB）做為光纖損耗參考值。

常用的分光器有1：2～1：64，分光器分光路數越大OLT每PON口可接入ONU數量越多，而損耗也會越來越大，ODN光纖鏈路長度縮短，每個ONU終端用戶可用帶寬降低等問題。一級分光、二級分光或多級分光是ODN網絡的分光方式，從實際情況來看，鐵路車站、站段，尤其是班組都較為分散，但是安全可靠的要求又不降低，因此建議選用1：8或1：16的分光器。

（2）光纜

從以往的建設經驗中可以看到，GOPN網絡建設中光纜建設投資占比通常達到總投資60%～75%，所以正確合理的規劃和建設GPON光接入網中的光纜線路，對于車間、班組聯網接入非常關鍵。

車站、站段的GPON光網絡一般可使用樹型或星形的拓撲結構，一些業務量大并且周邊有較多車間、班組接入的節點作為光纜匯集點，該節點至車站、站段通信機械室的光纜作為主干光纜，并在該節點設置分光器，臨近車間、班組節點就近接入光纜匯集點匯聚節點，避免所有接入光纜集中敷設至車站、站段通信機械室，這樣可以減少光纜鋪設量，有效降低工程投資。

各線沿線區間接入節點GPON光網絡通常采用鏈型網絡結構，以有效節約區段光纖資源。設置有區段光纜的線路，區間接入節點就近敷設至區段光纜，利用區段光纜接入臨近車站GPON OLT設備。

五、結束語

GPON技術在實際應用中具有其廣覆蓋、低成本，多模式，多保護等特點，并且由于PON接入系統具有無源性，在室外的光網絡中沒有任何的有源設備，因此較少故障節點，具有很高的可靠性。另外通過光纖傳輸不受帶寬限制，安裝方便和成本低廉的優勢，節約了未來通信段維護和處理故障的成本。因此，GPON方案為北京鐵路局寬帶接入網提供了較好的網絡規劃思路，它以更寬的帶寬、更便宜的成本，較豐富的綜合業務接入能力及快速業務的部署能力滿足未來鐵路局信息化快速發展的需求，是較好的方案選擇。