基于GPON 系統的鐵路業務接入設計與應用

江 浩

(中鐵第四勘察設計院集團公司,湖北武漢 430063)

1 概述

隨著鐵路信息化的發展,鐵路綜合計算機網絡對帶寬的需求不斷增加,現有鐵路承載網帶寬已逐漸出現瓶頸。 另一方面,隨著鐵路新建項目的增多,既有節點引入新建節點的通道日趨復雜,需要研究統一的接入方案,以滿足網絡的可維護性以及帶寬等各方面的發展需要。

GPON 技術具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶接口豐富等眾多優點[1],可滿足鐵路各類業務日趨增長的接入需求。

2 GPON 系統概述

GPON 技術是一種無源光網絡(Passive Optical Network,PON)技術,它可以支持點到多點的應用,是一門新興的光接入技術,可有效解決網絡提供商與商業用戶或者家庭用戶之間“最后一公里”的數據傳輸問題[2]。

GPON 是基于ITU-TG.984.x 標準的技術。 該標準支持PSTN、PSTN、數據、專用線路、數字視頻業務,可將多種業務映射到GEM 幀中進行傳送,也可提供高質量的QoS 并對各種業務類型進行保障[3]。

2.1 GPON 系統構成

GPON 系統由以下三個部分組成,分別為光線路終端設備(OLT)、包含光無源器件的光分配網絡(ODN)以及處于用戶端的光網絡單元設備/光網絡終端設備(ONU/ONT)[4]。 ODN 通常由單模光纖、光連接器與分光器等無源光器件組成,ODN 的作用是為GPON OLT 與ONU 之間提供物理傳輸通道[5]。

GPON 系統有多種組網方式,如樹型、環型、總線型以及混合型等[6](如圖2 所示)。 其中,樹型結構多用于電信運營商FTTH/FTTB(Fiber To The Home/Fiber To The Building,光纖到戶/光纖到樓)模式,該模式的特點是用戶較分散,ONU 設置在用戶端,最多可設置3 級分光器,以減小光纖鏈路總的插入損耗;總線型結構由不均勻分光器來實現,一般適用于鏈型的網絡結構:環型結構也是基于不均勻分光器,其邏輯上為開環,物理上為閉環,是一種特殊的總線型結構,可適用于環型網絡結構[1112]。

圖1 GPON 網絡拓撲示意

2.2 GPON 系統優勢

目前,鐵路接入網數據業務正由窄帶業務向寬帶業務發展,從傳統的語音業務向視頻、多媒體業務發展。 既有鐵路接入網的能力局限性已日益顯現。 而相較于既有鐵路接入網,GPON 系統有以下技術優勢[7]。

(1)GPON 技術是一種基于無源光網絡的技術,系統結構中不需要電源與其他電子部件,易于維護。 從長期發展的角度看,可以節約大量管理及維護成本。

(2)GPON 系統采用不等比分光,其物理傳輸通道僅需單芯光纖,可以大大減少光電纜的敷設以及配套設備。

(3)GPON 系統接口接入方式靈活,便于擴展,可提供POTS、FE 、GE 等多業務接口,滿足數據、圖像、語音等多類業務的接入需求。

(4)帶寬分配靈活,服務有保證。 GPON 對帶寬的分配和保證有一套完整的體系,可以通過動態帶寬算法來實現對每個用戶的帶寬分配,并保證每個用戶的QoS 應用,可以高效率地傳輸語音、視頻、數據等多種不同業務。

(5)GPON 設備有主流廠家支持,設備有統一的網管,網管集成度、可靠性、安全性較高,可擴展性強,適合鐵路發展的需要。

3 鐵路GPON 系統

3.1 鐵路GPON 系統承載業務類型

GPON 系統可承載的鐵路業務包括鐵路行車運輸組織、客貨營銷與經營管理等活動中使用的數據,語音,圖像業務等[8]。

(1)數據業務

電力、電氣化SCADA、電源及環境監測系統、會議電視系統、各系統網管及復示終端接入、車輛5T、辦公信息網、旅服、各類班組接入業務等。

(2)語音業務

鐵路電話、直通電話、會議電視語音業務。

(3)圖像業務

各類視頻采集。

3.2 GPON OLT

GPON OLT 是GPON 系統中對業務進行匯聚的設備,它是PON 系統的核心。 GPON OLT 可對系統進行集中帶寬分配,同時對各ONU 進行實時監控,運行、維護、管理整個PON 系統[5](最大可以支持40 km 的光纖傳輸)。 在鐵路應用中,一般將GPON OLT 設置在車站的通信機械室。

目前,國內普速鐵路的站間距大多為8 ～15 km,OLT 的最大傳輸距離可以覆蓋多個區間。 因此,根據鐵路實際情況,可每2 ～3 個車站設置1 套GPON OLT 設備,在未設置GPON OLT 設備的車站設置分光器。

高速鐵路及客運專線站間距大多接近40 km,若采取隔站設置的方式會超過GPON OLT 的最大傳輸距離。 因此,對于高速鐵路及客運專線可采用逐站設置的方式,在沿線各車站均設置1 套GPON OLT設備。

3.3 GPON ONU

GPON ONU 是GPON 系統中的用戶設備,受OLT集中控制,可為接入網用戶提供多種接口,包括語音、數據、視頻等[9],通常安裝在有數據及電話業務需求的班組、設備房屋內[10],通過光纖資源接入GPON OLT 設備。

對于不涉及承載重要業務或行車指揮及行車安全的節點,如普通班組辦公網絡接入及會議電視等,可不采取Type B 或Type C 的方式進行保護,以節省工程投資。

對于承載重要業務或涉及行車指揮及行車安全的節點,可采取Type B 或Type C 的方式進行保護。

3.4 分光器

分光器是GPON ODN 中的重要組成部分,用來分配光信號功率。 GPON 系統支持的分光比為1 ∶2/4/8/16/32/64/128,分光器分光路數越大,OLT 每個PON口可接入ONU 的數量越多,但也帶來插入損耗的增大。

對于需要在車站通信機械室匯聚的各類鐵路業務,如電力SCADA、電氣化SCADA,可以將分光器設置在車站通信機械室,在電力、變電設備房屋內設置GPON ONU。

對于接入節點較分散的業務(如班組計算機網),可以采取多級分光器的方式,在車站通信機械室設置一級分光器,在班組相對集中的地方設置二級分光器,在各班組設置GPON ONU。 對于大型車站、編組站,通過設置二級分光器,可以減少光纜敷設總量,并且使得GPON 系統具有較好的可擴展性,便于后續新增班組的接入。

4 鐵路GPON 系統應用設計

目前,GPON 系統已經在部分鐵路局的鐵路線路中得到運用。 以廣州局管內京廣鐵路蒲圻-白石渡段(蒲白段)、貴廣鐵路三水南-佛山西區間為例,介紹GPON 系統的設計。

4.1 京廣線蒲白段GPON 系統設計

(1)京廣線蒲白段概況

京廣鐵路蒲圻-白石渡段全長601 km,共有63 座車站,平均站間距為9.54 km。 采用SDH 10Gb/s+SDH 2.5Gb/s 傳輸系統與雙平面數據網系統,設有35 個電氣化所亭、17 個電力配電所、58 個電力開關站以及700 余處班組。

(2)GPON OLT 設置

京廣鐵路為普速鐵路,根據鐵路實際情況,每2 ～3 個車站設置1 套GPON OLT 設備,設置情況見表1。

表1 蒲白段GPON OLT 設置

續表1

蒲白段共設置52 套GPON OLT,與既有數據網的接入路由器采用GE(O)互聯。 其中株洲北為三級七場編組站,共有各專業班組200 余個,故在株洲北編組站I、III、IV、VI 場以及新站調樓各設置1 套16 PON 口GPON OLT,以滿足編組站各場班組的接入需求。

蒲白段GPON 組網示意如圖2 所示。

圖2 蒲白段GPON 組網示意

(3)GPON ONU 設置

在蒲白段電氣化所亭、電力配電所以及開關站內設置雙歸GPON ONU 設備,配置16FE(e)+16POTS 接口,在13 處無數據網接入路由器的車站通信信號變電所設置16FE(e)GPON ONU 設備,共計93 套雙歸GPON ONU 設備,利用京廣線既有干纜中的2 芯,采取Type C 的保護方式接入上下行車站的GPON OLT,以滿足遠動業務的保護需求。 其余45 處通信信號變電所直接通過FE(o)接口接入車站數據網。

在各車間、班組節點設置ONU 設備,采用“1 個PON 口+1 個1 ∶N 分光器+單口ONU 方式”的保護方案,在同一綜合樓、站房內的車間和班組僅設置1 臺ONU 設備;未設置OLT 的車站設置雙歸ONU,分別與鄰站OLT 互聯,采用Type C 的保護方案(共計418 套單歸ONU,43 套雙歸ONU)。

車間設置的每臺ONU 設備擬按150M 預留帶寬,班組設置的每臺ONU 設備擬按100M 預留帶寬。 即OLT 每個PON 口至車間級ONU 設備不超過8 個,至班組級不超過10 個。

(4)分光器設置

電力/電氣化遠動業務需采取Type C 保護方式接入上下行車站GPON OLT,且京廣鐵路干線光纜資源有限。 因此,采用不等比分光的方式,在區間接入節點設置2 個10 ∶90 分光器,只需利用2 芯干線光纜,即可滿足Type C 保護方式的需求,如圖3 所示。

圖3 基于不等比分光的Type C 保護方式接入示意

在車站通信機械室設置1 ∶4,1 ∶8 分光器,匯接二級分光器或GPON ONU 設備,在部分班組設置二級分光器,匯接就近班組的GPON ONU 設備,以減少光纜敷設的工作量。 預留部分分光器端口,以滿足后續更多班組接入的需求。

4.2 貴廣鐵路三水南-佛山西區間GPON 系統設計

(1)區間概況

貴廣鐵路三水南-佛山西區間全長17.84 km,該區間新設視頻采集點23 處。

(2)GPON OLT 設置

貴廣鐵路為高速鐵路,考慮上下行區間的長度,在三水南站與佛山西站各設置16PON 口GPON OLT 設備1 套。

(3)GPON ONU 設置

在區間23 處視頻采集點設置GPON ONU 設備,配置8FE 接口,采用不等比分光的方式,利用貴廣鐵路既有干線光纜,分別接入三水南站、佛山西站GPON OLT 設備,每臺ONU 設備擬按10M 預留帶寬。 考慮視頻業務并非影響行車安全的重要業務,全部視頻采集點采用單歸ONU 設備。

(4)分光器設置

貴廣鐵路干線光纜資源緊張,故采用不等比分光的方式,在23 處區間接入節點設置1 個10 ∶90 分光器,在三水南、佛山西車站設置1 ∶8 分光器。 考慮插入損耗的影響,每條鏈路不超過6 個GPON ONU 設備,共計4 條鏈路。 由于該區間長度小于GPON 最大傳輸距離(40 km),故4 條鏈路可任意向上、下行車站接入(小里程接入三水南車站,大里程接入佛山西車站),只需利用2 芯干線光纜即可滿足區間視頻接入的需求,如圖4 所示。

圖4 貴廣鐵路區間視頻接入拓撲圖