基于FTTH的ODN设计方法：上海“城市光网”技术创新和应用实践之三

2012-02-19张军

电信科学 2012年5期

张军

（中国电信股份有限公司上海分公司上海200120）

ODN（optical distribution network，光配线网络）主要由主干光缆、配光缆和引入光缆以及配套的光缆交接配线、光分路器等设备组成。对于ODN设计，应该考虑PON技术演进对ODN的要求、ODN覆盖的半径、分光方式和分光位置、用户光缆网网络拓扑结构、配线方法和配线容量的设计、ODN验测试收指标等。

1 PON技术演进对ODN的要求

在ODN设计中，不仅要满足当前PON技术的应用要求，同时，还要适应今后PON平滑演进的要求。也就是说，当前的ODN不仅要按照EPON/GPON技术应用来设计，还要兼顾未来平滑升级到10 Gbit/s EPON(以下简称10GEPON)/XG-PON1时的要求，避免对ODN做二次改造，否则在升级中既中断业务又浪费投资，应做到事先考虑。在这里，本文不得不谈PON平滑演进对ODN的要求。表1列出了EPON/10G-EPON和GPON/XG-PON1的上下行传输波长。

表1 各种PON技术传输波长

从表1可以看出，EPON和10G-EPON的传输波长在下行方向是错开的，在上行方向有重叠。而GPON和XG-PON1的传输波长在上行和下行方向上都是错开的。

按照10G-EPON技术标准，OLT的10G/1G-EPON接口应同时支持1 Gbit/s EPON（以下简称1G-EPON）ONU和10G/1G-EPON ONU的连接，OLT的10G/10G-EPON接口应同时支持1G-EPON ONU、10G/1G-EPON ONU和10G/10G-EPON ONU的连接。在下行方向，10G-EPON接口采用波分复用技术，通过不同的波长使得10G-EPON ONU和1G-EPON ONU可以同时接收数据；在上行方向，采用TDMA方式对10G-EPON ONU和1G-EPON ONU的数据发送进行仲裁。因此，EPON平滑升级到10G-EPON时，ODN可保持不变，平滑升级过程中，可在原1G-EPON机框内插上10G-EPON板卡，并配置好相应的数据，再将连接至1G-EPON口的光纤割接至10G-EPON端口即可。

而GPON向XG-PON1演进时，由于上下行波长都是错开的，可采取波分复用方式予以平滑升级，此时，GPON和10G-PON板卡将并存。因此，在ODN设计中需要预留波分复用模块的插入损耗，一般在1.5 dB左右。当然，该波分复用模块可以随GPON同时部署，从国外运营商采用GPON技术的建设方案来看，基本上都是在安装GPON的同时，部署了波分复用模块，以便控制好ODN的光功率预算，保证今后向XG-PON1平滑升级演进时，不用对ODN做任何改动。图1给出了两种PON技术的平滑升级演进示意。

2 ODN覆盖半径

在ODN设计中，光功率预算和分路器的插入损耗是ODN设计中要考虑的两个非常重要的参数。根据《中国电信无源光分路器技术要求》，目前均匀分光的光分路器插入损耗（含插头）性能要求见表2。

根据IEEE/ITU-T和国内行业技术规范，给出的各种PON系统最小光功率预算值见表3。

ODN的覆盖半径计算应根据ITU-T G.957最坏值的算法，即计算中应考虑PON设备发光和收光器件老化以及光缆线路系统维护和性能劣化等因素，保证在系统寿命终了时还能正常地工作。

表2 光分路器插入损耗（含插头）性能要求

表3 各种PON系统最小光功率预算

ODN覆盖的半径=（PON最小光功率预算值-分路器插损-光缆活接头损耗-入户线缆损耗-通道代价-线路维护余量）/光缆每千米衰减（含熔接接头）（1）

假设条件：

·活接头数量取5个，每个按0.5 dB取值；

·入户线缆（含两端冷接），取1.5 dB；

·通道代价取2 dB；

·线路维护余量取1 dB；

·1 490 nm窗口的衰减相对较小，应取1 310 nm窗口的衰减系数，光缆每千米衰减1 310 nm窗口取0.5 dB（含熔接衰耗）；

·另外，考虑到GPON今后向XG-PON1的平滑演进，在GPON技术应用中的ODN尚需预留1.5 dB的波分复用模块插损。

根据表3提供的最小光功率预算值和式（1）可以算出ODN可达覆盖半径，见表4。

表4 ODN覆盖半径

从表4中可以看出，当采用EPON PX20+光模块时，光分路比可选择1×64，其ODN覆盖半径可按5 km来设计，今后向10G-EPON平滑升级时，可采用PR30/PRX30光模块，ODN不用作任何改变。目前，上海电信采用的就是这套方案。

在实际场景中，当ODN覆盖半径无法控制在5 km以内该怎么办呢？若覆盖区域的用户规模较大，可以通过OLT下移来缩短ODN覆盖半径；若覆盖区域的用户规模较小，可以采用缩小光分路比的方法来加大ODN覆盖半径，如表4所列，采用1×32分光，ODN覆盖半径可增大至11 km。

对于GPON系统而言，若要兼顾今后向XG-PON1平滑升级，采用Class B+光模块时，其光分路比不宜大于1×32，ODN覆盖半径可达5 km。若要提高光分路比，还需要采用更大功率的光模块或开启FEC功能。

上述ODN覆盖半径的计算中，尚未考虑外置式OTDR测量技术应用时引入的插入损耗。当采用外置式OTDR测量技术时，还需要在OLT的PON口侧增加耦合模块，在ONU的PON口侧增加反射器件，两项器件将引入2～3 dB的插入损耗。因此，提高光功率预算标准，推动高功率PON光模块产业链的发展，是目前FTTH规模部署中，降低系统造价的一个有效手段。当然，光分路比的选择也要结合PON系统的传输速率、用户带宽、流量来综合考虑，各地情况不同，技术选择和应用不同，不应一刀切。

3 分光方式和分光位置

3.1 分光方式

在FTTH建设中，ODN分光主要采用的是一级或二级分光方式，从便于维护管理角度出发，一般不会采用二级以上的分光方式。那么一级和二级分光方式究竟采用哪个比较好呢？

有人认为，采用一级分光比较好，将光分路器设置在最靠近用户的位置是最节省投资费用的。理论上看这种方式是对的，但实际情况并非如此。这里举一个例子，对于一幢正好32（或64）户的高层用户住宅来说，采用一级分光方式，将1×32（或1×64）的光分路器下沉到楼内，是最省钱的。但是，这种方案是个性化的，很难规模推广，实际的住宅楼用户数是千变万花的，若楼内用户不到32（或64户）就会造成端口浪费，若超过32（或64）户就要增加光分路器。所以，对于一级分光方式，还不能把光分路器下沉得太靠近用户，而是要根据用户的密度设置在一个合理的位置上。像刚才所说的那种情况，应该把一级光分路器设置在小区的光缆汇聚点这个位置较为合适，端口的利用率将很高，而且也便于标准化并规模化推广。目前，有很多地方在住宅小区的ODN建设中采用的就是这种建设方案，上海电信在早期的ODN建设中，也曾采用这种方案。

3.2 一、二级分光方式各自的特点

相比来说，一级分光方式的网络结构简单，PON口利用率高，也便于设计和运维管理，但由于一级光分路器以下的光缆需要按照每用户1芯来设计配光缆容量，线路投资相对较大，也不太适用于管道资源紧张的区域。针对典型的住宅小区，曾经做过估算，采用一级分光方式比二级分光方式，在ODN的每线造价上要高10%以上。

二级分光方式，由于一、二级分光之间光缆有收敛，线路投资相对较小，也有利于采用光功率检测法来判断ODN故障段落（以后的文章中会谈到），但端口利用率相对较低，工程设计和运维管理相对复杂。二级分光方式特别适合于FTTH建设初期的ODN“薄”覆盖建设模式，可节省每线ODN造价，以便利用有限的投资做更大规模的覆盖。

因此，不同场景应该采用不同的分光方式，不应一概而论，但是也不能搞个性化的方案，因为个性化的方案是无法规模复制和推广的，也不利于建设和运维管理。

3.3 推荐的分光方式

对于住宅类建筑（含公寓、别墅、里弄、农村）统一采用二级分光方式，总分光比为1×64。一级分光点设置在小区、别墅、里弄、村庄内的光缆汇聚点位置；对于二级分光点，住宅小区设置在门洞内，别墅、里弄、村庄等设置在最靠近用户的位置。当覆盖区域用户数较多时，可以设置多个二级分光点。以住宅小区为例，一、二级光分路器的配比关系见表5。

占用1个PON口对于商务楼宇，统一采用一级分光方式，总分光比为1×32，将光分路点设置在商务楼的光缆汇聚点内，一般设置在中心机房内，这样考虑的原因如下。

·商务楼内每个楼层的用户数不像家庭用户是固定不变的，会随着租期的到来而变化，而且每个用户对光纤的需求也是无法预测的，除了有点对多点光纤需求，还有点对点专线业务的光纤需求，因此很难事先规划；采用一级分光方式，可灵活调配楼内光纤资源，满足点对多点和点对点光纤的需求。

·在ODN建设中，统一采用的是均匀分光，若采用二级分光方式，将二级分光点设置在楼层时，由于每个层面用户密度和需求的差异，会造成有些层面光分端口不够，而有些层面端口有富余，最终将大大浪费光分路器端口，从而浪费PON口资源，浪费投资成本。

·相比住宅建筑，商务楼宇采用1×32分光，将提高网络接入带宽能力，为价值较高的政企用户提供更大的宽带提速空间。同时，在5 km的ODN覆盖半径内，也为外置式OTDR测量技术的应用预留了所需要的光功率预算。尽管采用OTDR测量技术的ODN故障诊断方法投资很大，但对于政企客户，今后不排除应用的可能性。

·采用1×32的一级分光方式，唯一缺点是增加了商务楼内垂直光纤的使用数量，好在这部分投资不大。

表5 住宅小区一、二级光分路器配比关系

4 用户光缆网络拓扑结构

网络的拓扑结构泛指网络的布局和形状，反映了网络的物理形状和物理上的连接性。用户光缆网由主干光缆、配光缆、引入光缆和配套的交接配线设备组成，其拓扑结构一般分为总线型、环型、星型、树型等拓扑结构。

总线型结构是光缆首尾两端终端在不同的业务节点(局站)上，中间具有一个或多个可以上下光纤的点所形成的结构。这种结构安全性较好，光纤利用率较高，投资成本较低，但是在做物理光环时，需要借用其他光纤（如局间中继光纤）才能构成环，使用成本较高。

环型结构是光缆首尾两端终端在同一个业务节点(局站)上，中间具有一个或多个可以上下光纤的点所形成的结构。这种结构在网络可靠性、安全性、投资、光纤利用率等方面与总线型结构接近。由于两端终结在同一个业务节点上，在组建物理光纤环时无需借用其他光纤。

星型结构是由一个中心节点与其他所有节点之间以点对点的连接方式直接相连而构成，其余节点之间相互不直接连通。这种结构的优点是各用户之间相互独立，保密性好，结构简单易于维护；缺点是光缆无法共享，光缆的纤芯利用率低，投资成本高，网络安全可靠性差。

树型结构是由一个中心节点、多个中间分支节点和叶子节点组成，中心节点和中间分支节点级联而成树干，叶子节点和中间分支节点以星形结构连接而成树叶。这种结构的优点是投资成本低，网络灵活性好、宜扩展；缺点是网络安全性差，当树干出现故障时，将影响一片，故障位置越高，影响面也就越大。

各种网络结构都有其特点，在设计时应根据各相关点的地理位置、重要性、需要提供的业务、网络可靠性要求、经济性以及维护管理等综合因素选择合适的拓扑结构。下面根据不同场景和用户需求，给出用户光缆网络结构的建议。

（1）商务楼宇和园区

该类政企用户数量相对不多，但价值较高，对网络的安全性和业务可靠性有要求，除了上网业务需求（点对多点光纤）外，还有大量的专线业务（点对点光纤）需求。对于这部分客户群，其主干光缆宜采用总线型或环型拓扑结构；配光缆和引入光缆一般采用树型或星型结构，特别重要的用户也可采用总线型或环型拓扑结构。

（2）党政军重要客户

该类客户群对信息保密性要求极高，一般多为专缆专用，宜采用星型结构，采取每个重要用户一根光缆的设计方法。

（3）普通住宅建筑（含公寓、里弄、别墅、农村）

该类客户群价值相对较低，但数量庞大，从节省成本和网络便于规划、实施的角度出发，其光缆网络拓扑宜采用树型结构。

5 光缆配线方法和交接箱的位置设置

为了提高线路利用效率，增强网络的灵活性，用户光缆网配纤方式宜采用交接配线方式，不宜采用直接配线方式。网络设计时可以采用多级交接，但不宜超过二级。图2和图3分别给出了环型或总线型、树型光缆拓扑结构的交接配线方法。

如图2所示，从主干光缆下纤的点称为光交接点，作为第一级光交接点。从第一级光交接点到下一个下纤点之间的光缆称为一级配光缆，该下纤点称为二级光交接点。从第二级光交接点到下一个下纤点之间的光缆称为二级配光缆，该下纤点称为配光缆终端点。一级光交接点上应设置光交接设备(通常为交接箱)，采用活动连接器沟通光纤链路。在第二级光交接点不具备设置光交接设备的条件时，可采用“可开启式”光缆分支接头代替二级光交接设备，分支接头内采用光纤熔接方式连接光纤。如需构成环型结构，可在两个配光缆终端点间设置“联光缆”。

由于政企客户的场点相对较少，且比较分散，在其总线型和环型用户光缆拓扑结构设计中，为控制光缆链路的长度，其交接配线不宜超过两级。一般情况下，一级光缆交接点宜设置在大中型商务楼宇和园区内，以减少光缆转接路由，保证网络质量；对于小型商务楼宇和园区内，至少应设置二级光缆交接点，主干光缆路由顺道的情况下，也可设置一级光缆交接点。

对于普通住宅用户，由于用户规模大，密度高，在其树型用户光缆拓扑结构设计中，宜采用一级交接配线方式，直接将光缆交接点设置到小区或里弄内，以减少ODN衰减，节省光功率预算。当一个区域内的用户数规模较大时，可以设置多个一级光缆交接点，形成多个交接配线区域。对于偏远和农村地区，也可以考虑采用二级交接配线方式。

一级光分路器通常设在光缆交接点（交接箱）内。

6 光缆规格

在光缆规格的选择上存在着一对矛盾，一方面光缆规格不宜太多，否则会增加备缆的种类，进而增加维护的压力和负担；另一方面，由于不同用户场景中，用户密度和业务需求的差异，过少的光缆规格，会造成光纤资源的富余量过多，进而增加投资（不仅是纤的投资，还包括光纤接续和成端的人工费用、器材费用等）。因而，兼顾发展和维护、投资和成本双方的矛盾，选择合理的光缆规格也很重要。

根据上海电信的光网建设经验和维护能力，目前确定的光缆规格主要为：主干光缆可选择96芯、144芯、216芯、288芯带状光缆；其中，288芯、216芯带状光缆采用层绞式结构，144芯、96芯带状光缆采用中心束管式结构，并均采用12芯光纤带；配光缆可选择2芯、4芯、6芯、12芯、24芯、48芯、72芯、96芯束状光缆，均采用层绞式结构。

随着光缆技术的发展，国内各光缆厂商都有能力生产四五百芯以上的光缆，那为什么不采用更大容量的光缆呢？一是受管道内塑料子管直径的限制，目前主要采用的是28/32 mm塑料子管，而288芯层绞式光缆直径在21 mm左右，直径更大、纤芯更多的光缆在敷设中难度较大，甚至会出现施工中因机械受力过猛而影响纤芯质量的情况；二是纤芯更多的光缆，很难满足运维中割接和抢修的时限要求，从应用的效果来看，288芯光缆基本能够满足这两项要求。

在住宅小区中，采用二级分光方式，由于二级分光点的端口收敛效应，进入门洞的配光缆的芯数，在很多情况下只要1芯就可以解决用户的需求，考虑到维护的需要，再备用1根光纤。因此，最小光缆规格选择2芯光缆。

7 光缆配纤容量设计

（1）主干光缆的配纤容量设计

对于环型和总线型主干光缆而言，光缆交接点下纤容量与主干光缆容量的选择、光缆交接点设置的数量有着一定的关系，其关系见表6。

表6 环型和总线型主干光缆配纤容量关系

对于树型主干光缆，每个光交接点出纤数量应按该交接点所覆盖的目标用户数的需求，并按12或12的倍数灵活配置，但一条树型主干光缆上光交接箱总数不宜过多。

（2）配光缆容量的设计

对于政企客户场景，如商务楼宇、园区等，除了点对多点光纤需求外，还有大量的点对点专线业务光纤需求，而且不同类型、不同密度的用户，其对光纤需求差异很大，所以在设计上应根据用户的类型、密度，大致测算一下光纤的需求量，并与主干光缆在交接箱内的下纤数量进行合理的配比，尽量避免头大身小或头小身大。但这项预测需求的设计工作确实有难度，实际中也碰到了不少主干光缆下纤容量不足或过剩的情况。其中，主干光缆下纤容量不足时，可通过新建主干光缆或扩容予以解决，主干光缆下纤容量过剩将产生投资的浪费。

对于住宅类用户，都是以家庭为单位，且不存在点到点专线业务需求，其配光缆容量不难确定。具体配置时需考虑以下几个要数：

·每根配光缆覆盖区域内用户数；

·二级光分路器的分路比所产生的光纤收敛系数；

·留有一定余量的维护光纤（或叫备用光纤）；

·在前面3个要素下确定了光纤容量后，再套用常用规格的光缆。其中，每家庭按1芯入户光纤来考虑。同时，为节省管道资源，由一级光分路器敷设至二级光分路器的配光缆，应根据周围管道路由的走向，管孔的容量和直径，选用合适的光缆规格，并采用光缆分支的方法，以树型结构递减分配至各门洞。

8 商务楼宇垂直布线设计

在光网的建设中，往往由于既有商务楼宇的弱电井已非常拥挤，给商务楼宇的垂直光缆布放带来很大的困难。所以，在这里特别谈谈商务楼宇的垂直布线设计。

商务楼宇的垂直光缆在用户光缆网络拓扑中属于配光缆。由于事先无法预测各楼层用户对光纤的需求，在规划上通常采用的都是平均分配各楼层光纤的方法，同时根据商务楼宇的规模和大小来确定平均分配到楼层的光纤芯数，除非事先掌握用户需求。从上海的建设经验来看，大中型商务楼宇每个层面至少分配24芯光纤，小型商务楼宇每个层面至少分配12芯纤。在具体工程布线设计方案中也有3种方法：一是集中式分支法；二是半干式（或干式）逐层掏缆法；三是预制分支缆法。

集中式分支法是一种传统光缆敷设方法，如图4（a）所示，将一根96芯的光缆由中心机房敷设到第二层，通过光纤分线箱分支成4个24芯光缆，其中一根24芯在本层成端，另外3根24芯光缆由第二层分别敷设至第一层、第3层及第4层成端。其他层面的光缆敷设和成端方法依次类推。

半干式（干式）逐层掏缆法，采用的是半干式（干式）光缆（目前，上海电信主要采用的是半干式光缆）。该光缆采用层绞式结构，缆内由多个12芯/每束管组成，由中心机房敷设到每个层面时，依次在每个层面将光缆破皮开窗，分支出1管（12芯）或2管（24芯）成端，如图4(b)所示。

预制分支缆法是某一国外厂商针对国外的楼宇所采用的垂直光缆敷设方法，与第二种的逐层掏缆方法很相似，唯一的区别是，每个层面的分支缆是预先在工厂里预制的，而不是在施工现场通过逐层掏缆来实现的。预制分支缆法，施工快、施工成本低，但由于在国内没有规模推广，光缆成本很高，整个造价也略高于前面两种方法。采用预制分支缆法，需要事先与物业确定好具体的分支光缆成端位置，量好分支缆所需长度，以便在工厂内加工，在实际操作中有很多不确定性，若分支缆成端位置有变化，将浪费整根光缆，所以这种方法不太适应我国国情。

就集中式分支法和半干式（干式）逐层掏缆法而言，两种方法各有特点。集中式分支法，光缆成本相对较低，但分支熔接的施工费用较高；半干式（干式）逐层掏缆法，光缆成本较高，但由于不需要做分支熔接，施工费用低，施工中尚需掌握一定的掏缆技巧，否则会损坏光缆，浪费投资。总体来说，两种方法造价相当，集中式分支法适合于弱电井较为宽松的敷设环境，半干式（干式）逐层掏缆法适合于弱电井相对拥挤的敷设环境。