工業廠區GPON光纖接入網工程改造設計

薛海龍， 白雪婧

(中國航空規劃設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，無源光網絡(Passive Optical Network, PON)技術迅速發展起來，而吉比特無源光網絡(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點，被大多數運營商視為實現接入網業務寬帶化、綜合化改造的理想技術。GPON技術可以提供上行帶寬1.25Gb/s、下行帶寬最高達2.5Gb/s，滿足用戶接入網近時期的發展需求及未來高帶寬的技術演進，同時理論上GPON技術的分光比可以達到1:64分光，提高了通訊業務的綜合能力，創造出極大的經濟效益及社會效益。

隨著光纖和光纖接入設備價格的持續下降，光纖到桌面(Fiber To The Desktop, FTTD)技術的巨大優勢得到了施展，也促進了GPON技術的發展。

目前，GPON技術主要受到各運營商的青睞，本文將這一技術應用于某工業廠區，對其網絡進行基于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技術簡介

PON技術是在光傳輸部分采用無緣光傳輸的一種光傳輸技術。GPON是一種典型點到多點的樹形拓撲結構的光接入網技術，它將局端的核心設備和遠端設備以及用戶終端，通過無源光器件連接起來，在其上同時傳輸語音、數據、視頻等一系列通信增值業務。

1.1 GPON的系統結構

GPON系統由光網絡單元ONU(Optical Network Unit)、光線路終端OLT(Optical Line Terminal)和光分配網ODN(Optical Distribution Network)組成。

ONU在整個GPON系統中占據的位置是將用戶與局端設備相連，給用戶提供所有能提供的接口，同時還將用戶端的數據、語音、視頻等多種業務與ODN連接，同時受OLT控制。

OLT為整個接入網提供網絡側與核心網之間的網絡接口，通過光分配網ODN與各個ONU相連。OLT在整個系統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、網絡安全和管理配置，是一臺系統中的核心設備，設置于中心機房。

ODN是OLT到ONU之間所有的光網絡傳輸通道，是純介質網絡，沒有任何有源器件，提高了設備的穩定性，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、波分復用器、光衰減器和熔融接頭等。

GPON系統支持的分支比為1∶16/32/64，隨著光收發模塊的發展演進，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系統采用波分復用技術，實現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, 光網絡設備)屬于ONU，通常意義上可以認為就是ONU。

1.2 GPON技術優勢

(1)能夠與現有以太網兼容

GPON只是對現有IEEE802.3協議作一定補充，基本上是與以太網兼容的。因此GPON技術不僅適用于新建網絡，也適用于原有網絡的部分改造，有利于業主的逐步改造。

(2)用光纜敷設代替設備擴容，提供更高帶寬及更便利的運維服務

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的中間節點為無源光網絡，減少了有源設備的故障，提高了運營效率，降低運營成本。

2 基于GPON技術的廠區網絡設計

2.1 網絡現狀分析

經過多年的發展，一般廠區的信息網絡系統多為核心層、匯聚層、接入層的網絡架構。由于廠區內的網絡發展多為逐年進行，會造成很多網絡設備超期服役的問題。對于大型工廠，接入網往往牽扯很多設備，線路敷設問題也較為復雜，老舊的設備和線路直接影響用戶對于網絡的需求，制約工廠發展。

因此，本文給出如下基于GPON的網絡設計，對于設備老舊、系統龐大的廠區有一定借鑒意義。

2.2 組網方案

本方案對廠區內的10個辦公用房進行網絡改造，共規劃約5 000個信息點，采用光纖到桌面(FTTD)的組網方式，用戶接入帶寬需達到100M，接入層采用GPON接入技術實現組網。廠區規劃4個匯聚節點，核心節點采用雙冗余設計，保證整個網絡的可靠穩定運行。同時，整個網絡應當具備良好的可管理性，便于部署和維護。整個園區網絡應具備有效的用戶接入安全控制，禁止非授權用戶接入，可實現用戶訪問、網絡流量監/控分析等功能。廠區組網示意圖如圖2。

圖2 廠區組網示意圖

核心層：廠區核心層采用雙核心設置，起冗余備份作用，提高了系統的可靠性。系統設置防火墻，保證網絡的安全性。

匯聚層：廠區內未改造的部分不受影響，可接入核心設備。改造建筑中，OLT充當了無源光網絡中的匯聚層。整個廠區根據面積及功能劃分出四個區域，每個區域內設置一個匯聚節點放置OLT設備，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：廠區內未改造部分不受影響，上傳至原匯聚節點即可。改造建筑內設置分光器，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設備。

2.3 方案計算

按照2.2節描述，本方案可選計算如下。由于產品廠家不同，參數各異，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，綜合考慮業務用戶比率、集中比、流量占空比及帶寬冗余系數，業務量可按照滿配40%計算。目前大品牌商的大型OLT均可滿足此業務要求。

按照四個區域各設置一臺OLT部署設備。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。辦公室內選擇萬兆上行、16個千兆下行口ONU設備。

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，單模光纖衰減系數為0.36dB/km，接頭損耗為0.5dB/個，每路一級分光至ONU設備共需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，主要布線任務為光纜的敷設。在各匯聚機房和各樓宇接入機房均配置相應數量的ODF配線架和機柜，分光器設備在各樓弱電機房集中部署。根據本項目樓宇及數據量，考慮未來發展，可從中心機房到各匯聚層OLT設備敷設128芯單模光纜；各OLT至各建筑分光器敷設96芯單模光纜。從各樓宇分光器轉換為皮線光纜至各辦公室接ONU設備。

3 分析及結論

隨著PON技術的逐漸普及，相關的技術及設備成本也隨之下降。通過借鑒運營商對外PON網絡架構敷設經驗，電氣設計師也可將此技術運用到廠區、園區中，以達到同樣更優質、更經濟的效果。