PON技术在水利监控中的应用分析

2017-06-05李柏高丁扬威陆乙君屠佳佳胡正松

浙江水利科技 2017年3期

关键词：无源通讯水利

李柏高，丁扬威，陆乙君，屠佳佳，胡正松

（ 1.河北盛合电力工程设计有限公司，河北唐山 063300；2.杭州定川信息技术有限公司，浙江杭州 310020）

PON技术在水利监控中的应用分析

李柏高1，丁扬威2，陆乙君2，屠佳佳2，胡正松2

（ 1.河北盛合电力工程设计有限公司，河北唐山 063300；2.杭州定川信息技术有限公司，浙江杭州 310020）

针对水利监控项目的需求，介绍了PON（Passive Optical Network: 无源光纤网络）技术的发展及特点、网络组成、技术性能，从技术经济角度对PON通讯和目前流行的交换机组网通讯在可靠性、搭建费用等方面的优缺点进行分析，提出PON通讯能够较好地适应累积距离在20 km以内的水利监控项目类型及应用场景，具有较高的性价比和应用前景。

PON（无源光纤网络）；通讯；水利监控

1 问题的提出

水利监控项目多用于水库、河道、水闸等与防汛、安全相关的领域，主要是利用监控手段对重要的水利建构筑物（坝体、堤岸、河道等）、机电设备的运行状况等进行监视、控制，辅助完成对水利设施的管理与调度。近年来，视频监控技术飞速发展，因其直观可视的特点被广泛应用于水利监控项目中，随着经济社会的不断发展，对视频采集传输系统的需求己经从“看得见”发展为“看得清”，实时视频应用开始朝着前端设备一体化、视频图像高清化、传输网络宽带化的方向不断发展，可由于网络资源有限，而视频监控产生的数据量较大，对监控网络的带宽有较高的要求。目前水利监控项目通讯主要采用交换机组环形网络的方式实现，环网具有一定的冗余能力，某一节点损坏网络能够开环运行，同时相比于星形组网，能够较好的控制项目投资。但当环网有2个节点损坏时，会有部分正常节点丢失，而水利监控项目各节点多位于室外，运行环境较差，特别是节点的供电很难保证，网络通讯的可靠性有待提高。

PON技术是一种点到多点的光纤接入方案，近几年随着家用宽带技术的发展，PON技术以光宽带接入的形式得到了飞速发展，作为当前综合宽带接入中最为经济有效的方式之一，PON已被视为能够充分适应未来发展趋势的高清视频传输系统组网方案。因PON通讯采用星形拓扑结构，系统具有很高的可靠性，这在光宽带入户的应用中已得到了充分验证，而PON通讯在水利监控项目中的应用很少，相关的研究及论文也比较少。本文从技术经济角度研究PON通讯技术用于水利监控项目的可行性及其推广价值，旨在为水利监控项目寻找一种高性价比的组网方式作简单的探索。

2 PON通讯构成及其发展

2.1 PON通讯网络构成

PON（Passive Optical Network：无源光纤网络）是指光配线网（ODN：Optical Distribution Network）中不含任何电子器件及电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成的光纤网络，网络通常采用点到多点的树型拓扑结构。一个PON（无源光网络）包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT：Optical Line Terminal）、一批配套的安装于用户场所的光网络单元（ONUs：Optical Network Units），以及在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）。PON无源光纤网络的网络拓扑见图1。

图1 PON无源光纤网络拓扑图

2.2 PON通讯网络发展[1-2]

PON技术研究起源于1995年，ITU（国际电信联盟）从APON开始，经历了BPON、EPON以及GPON的xPON，到目前最新的10G EPON以及xGPON技术。

目前用于宽带接入的PON技术主要有EPON和GPON，以及在EPON/GPON技术上发展起来的高带宽10G EPON/xGPON。

2.3 PON通讯的技术特点

PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户住宅内设备上完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但造价低，无须另设机房，容易维护。

PON网络“无源”的关键是在光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间的光配线网（ODN），是没有任何有源电子设备的光接入网，正因为此“无源”特性，使得PON这种纯介质网络可以避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统的可靠性，同时减少维护成本。

此外，光配线网（ODN）全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，在物理拓扑上各节点和中心节点间为星形拓扑，每个用户节点和中心节点间的连接不经过其他有源节点，系统可靠性高。并且中心节点只需1个GPON/ EPON的光电转换接口，还可省去中心节点的汇聚设备，能明显降低网络系统的复杂程度。

2.4 PON通讯的主要技术性能

目前用于宽带接入的PON技术主要有EPON和GPON，以及在EPON和GPON技术上发展起来的高带宽10G EPON及10G GPON。因EPON与GPON在技术上比较成熟，其组网容量分别达到1.25，2.50 Gbps，能够满足在水利上的绝大部分应用，本文主要讨论EPON与GPON的应用。

2.4.1 速率

（1）OLT出口速率：EPON提供固定上下行1.25 Gbps，采用8b/10b线路编码，实际速率为1.00 Gbps。GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.50 Gbps或1.25 Gbps，上行1.25 Gbps或622 Mbps，可根据实际需求决定上下行速率，选择相对应的光模块，提高光器件速率价格比。

（2）ONU用户接口速率：ONU接口以RJ45以太网接口为主，提供10/100 Mbps自适应端口。

2.4.2 分路比

分路比即1个OLT端口(局端)带多个ONU（用户端）。EPON标准定义分路比1:32。GPON标准定义分路比有1:32、1:64、1:128。

2.4.3 通讯距离

PON传输距离[3]主要有2个方面：①物理因素：比如系统光功率预算，系统色散容限等；②光路径损耗。

（1）PON系统光功率预算：根据802.3ah规定，OLT的输出光功率应大于2 dBm,接收灵敏度小于-27 dBm；ONU的输出光功率大于-1 dBm，接收灵敏度小于-24 dBm（现在实际一般能达到 - 27 dBm的灵敏度）。这样，整个链路的光预算（包括传输损耗、分光器插损、熔接损耗、系统预留冗余等），下行1 490 nm的光功率预算为：2 - （ - 27） = 29 dB，上行1 310 nm的光功率预算： - 1 -（- 27）＞ = 26 dB。

（2）分光器插入损耗：分光器的插损计算公式简单：- 10log（1/最大分光数）。比如：1×32均分的PLC分光器插损是： - 10log（1/32）≈ 15 dB，考虑分光器的附加损耗，大约为小于17 dB；1×64均分的PLC分光器插损是：- 10Log（1/64） ≈ 18 dB，损耗约大约为小于20 dB。

如果整个链路的光预算只有29 dB，选用1×64的Splitter后，留给线路的光功率只有29 - 20 = 9 dB了。考虑其他损耗2 dB，功率预算就剩7 dB了。

（3）线路损耗：1 310 nm的损耗＜ 0.35 dB / km（G.652光纤里传输），而1 490 nm大约是＜ 0.25 dB / km（G.652光纤里传输）。因此，剩下的7 dB最多能传输：7 / 0.35 = 20 km。

3 PON通讯应用于水利监控的可行性

3.1 技术可行性分析

3.1.1 水利监控项目的通讯需求

水利监控项目主要包括泵站、水闸（含水库泄洪闸、灌区渠道节制闸等）监控，河道、水库沿岸的视频监控等，一般以一项水利设施为对象，比如一座水库、一个灌区、一段河道等，监控系统对通讯的需求如下：

（1）组网模式多为1个中心节点，若干个分节点（节点数量多在10个左右）。比如水库堤岸监视频监控、灌区渠道节制闸监控、河道沿线视频监控等；

（2）可靠性要求高，并要求各节点间相互独立，互不影响，网络拓扑最好能做成星形。水利监控项目多用于水库、河道、水闸等与防汛、安全相关的领域，日常可替代人员的现场巡查，而在台风、强降雨等时段要求能够可靠工作，将前线巡查人员难以到达的水利设施的运行状况反馈回来，因此对可靠性要求较高，并要求不能因系统一个或几个节点的故障导致整个系统的失效；

（3）低功耗、能适应太阳能蓄电池组供电。水利监控项目的某些点位位置十分偏僻，取得市电比较困难，因此当监控点采用太阳能蓄电池组供电时，要求采用低功耗的通讯设备并能适应DC12 V的直接供电要求；

（4）20 km通讯距离。水利监控项目一般以一项水利设施为对象，目前的监控范围多在2 ～ 20 km范围内；

（5）10 Mbps数据带宽保障。水利监控项目对网络带宽要求不高，其中数据量较大的视频监控要求每路在2 ～ 4 Mbps，一般要求通讯链路的带宽能达到10 Mbps。

3.1.2 PON通讯与水利监控需求的适应性

表1根据PON通讯的特点及水利监控项目通讯的需求列出了PON通讯在水利监控项目需求各方面的适应性。

表1 PON通讯与水利监控需求的适应性表

综合上述水利监控项目的通讯需求和PON通讯在水利监控项目需求各方面的适应性分析可知，PON通讯能够较好的满足水利监控项目的应用需求，从技术角度讲PON通讯应用于水利监控项目是可行的。

3.2 经济可行性分析

近几年随着家用宽带技术的发展，PON技术以光宽带接入的形式得到了飞速发展，PON通讯产品的价格也达到了亲民的水准。1台OLT设备的价格已经降到了5万元以内，ONU的价格更是在千元以下。以1个中心、5个端节点的简单网络为例，PON通讯组网的设备投资约7万元左右；而组建1个中等档次的环网，组网设备投资在8万元左右。并且随着端节点数量的增加，PON通讯的成本将进一点降低。

由上述分析可知，PON通讯在节点数较多的网络中具有明显的价格优势，从经济角度讲PON通讯应用于水利监控项目是可行的。

3.3 与交换机组网的技术经济对比

表2列出了目前水利监控中应用较多的交换机组网（或光纤收发器+交换机组网）与PON通讯的优缺点对比。