基于GPON 系统的铁路业务接入设计与应用

江 浩

(中铁第四勘察设计院集团公司,湖北武汉 430063)

1 概述

随着铁路信息化的发展,铁路综合计算机网络对带宽的需求不断增加,现有铁路承载网带宽已逐渐出现瓶颈。 另一方面,随着铁路新建项目的增多,既有节点引入新建节点的通道日趋复杂,需要研究统一的接入方案,以满足网络的可维护性以及带宽等各方面的发展需要。

GPON 技术具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点[1],可满足铁路各类业务日趋增长的接入需求。

2 GPON 系统概述

GPON 技术是一种无源光网络(Passive Optical Network,PON)技术,它可以支持点到多点的应用,是一门新兴的光接入技术,可有效解决网络提供商与商业用户或者家庭用户之间“最后一公里”的数据传输问题[2]。

GPON 是基于ITU-TG.984.x 标准的技术。 该标准支持PSTN、PSTN、数据、专用线路、数字视频业务,可将多种业务映射到GEM 帧中进行传送,也可提供高质量的QoS 并对各种业务类型进行保障[3]。

2.1 GPON 系统构成

GPON 系统由以下三个部分组成,分别为光线路终端设备(OLT)、包含光无源器件的光分配网络(ODN)以及处于用户端的光网络单元设备/光网络终端设备(ONU/ONT)[4]。 ODN 通常由单模光纤、光连接器与分光器等无源光器件组成,ODN 的作用是为GPON OLT 与ONU 之间提供物理传输通道[5]。

GPON 系统有多种组网方式,如树型、环型、总线型以及混合型等[6](如图2 所示)。 其中,树型结构多用于电信运营商FTTH/FTTB(Fiber To The Home/Fiber To The Building,光纤到户/光纤到楼)模式,该模式的特点是用户较分散,ONU 设置在用户端,最多可设置3 级分光器,以减小光纤链路总的插入损耗;总线型结构由不均匀分光器来实现,一般适用于链型的网络结构:环型结构也是基于不均匀分光器,其逻辑上为开环,物理上为闭环,是一种特殊的总线型结构,可适用于环型网络结构[1112]。

图1 GPON 网络拓扑示意

2.2 GPON 系统优势

目前,铁路接入网数据业务正由窄带业务向宽带业务发展,从传统的语音业务向视频、多媒体业务发展。 既有铁路接入网的能力局限性已日益显现。 而相较于既有铁路接入网,GPON 系统有以下技术优势[7]。

(1)GPON 技术是一种基于无源光网络的技术,系统结构中不需要电源与其他电子部件,易于维护。 从长期发展的角度看,可以节约大量管理及维护成本。

(2)GPON 系统采用不等比分光,其物理传输通道仅需单芯光纤,可以大大减少光电缆的敷设以及配套设备。

(3)GPON 系统接口接入方式灵活,便于扩展,可提供POTS、FE 、GE 等多业务接口,满足数据、图像、语音等多类业务的接入需求。

(4)带宽分配灵活,服务有保证。 GPON 对带宽的分配和保证有一套完整的体系,可以通过动态带宽算法来实现对每个用户的带宽分配,并保证每个用户的QoS 应用,可以高效率地传输语音、视频、数据等多种不同业务。

(5)GPON 设备有主流厂家支持,设备有统一的网管,网管集成度、可靠性、安全性较高,可扩展性强,适合铁路发展的需要。

3 铁路GPON 系统

3.1 铁路GPON 系统承载业务类型

GPON 系统可承载的铁路业务包括铁路行车运输组织、客货营销与经营管理等活动中使用的数据,语音,图像业务等[8]。

(1)数据业务

电力、电气化SCADA、电源及环境监测系统、会议电视系统、各系统网管及复示终端接入、车辆5T、办公信息网、旅服、各类班组接入业务等。

(2)语音业务

铁路电话、直通电话、会议电视语音业务。

(3)图像业务

各类视频采集。

3.2 GPON OLT

GPON OLT 是GPON 系统中对业务进行汇聚的设备,它是PON 系统的核心。 GPON OLT 可对系统进行集中带宽分配,同时对各ONU 进行实时监控,运行、维护、管理整个PON 系统[5](最大可以支持40 km 的光纤传输)。 在铁路应用中,一般将GPON OLT 设置在车站的通信机械室。

目前,国内普速铁路的站间距大多为8 ～15 km,OLT 的最大传输距离可以覆盖多个区间。 因此,根据铁路实际情况,可每2 ～3 个车站设置1 套GPON OLT 设备,在未设置GPON OLT 设备的车站设置分光器。

高速铁路及客运专线站间距大多接近40 km,若采取隔站设置的方式会超过GPON OLT 的最大传输距离。 因此,对于高速铁路及客运专线可采用逐站设置的方式,在沿线各车站均设置1 套GPON OLT设备。

3.3 GPON ONU

GPON ONU 是GPON 系统中的用户设备,受OLT集中控制,可为接入网用户提供多种接口,包括语音、数据、视频等[9],通常安装在有数据及电话业务需求的班组、设备房屋内[10],通过光纤资源接入GPON OLT 设备。

对于不涉及承载重要业务或行车指挥及行车安全的节点,如普通班组办公网络接入及会议电视等,可不采取Type B 或Type C 的方式进行保护,以节省工程投资。

对于承载重要业务或涉及行车指挥及行车安全的节点,可采取Type B 或Type C 的方式进行保护。

3.4 分光器

分光器是GPON ODN 中的重要组成部分,用来分配光信号功率。 GPON 系统支持的分光比为1 ∶2/4/8/16/32/64/128,分光器分光路数越大,OLT 每个PON口可接入ONU 的数量越多,但也带来插入损耗的增大。

对于需要在车站通信机械室汇聚的各类铁路业务,如电力SCADA、电气化SCADA,可以将分光器设置在车站通信机械室,在电力、变电设备房屋内设置GPON ONU。

对于接入节点较分散的业务(如班组计算机网),可以采取多级分光器的方式,在车站通信机械室设置一级分光器,在班组相对集中的地方设置二级分光器,在各班组设置GPON ONU。 对于大型车站、编组站,通过设置二级分光器,可以减少光缆敷设总量,并且使得GPON 系统具有较好的可扩展性,便于后续新增班组的接入。

4 铁路GPON 系统应用设计

目前,GPON 系统已经在部分铁路局的铁路线路中得到运用。 以广州局管内京广铁路蒲圻-白石渡段(蒲白段)、贵广铁路三水南-佛山西区间为例,介绍GPON 系统的设计。

4.1 京广线蒲白段GPON 系统设计

(1)京广线蒲白段概况

京广铁路蒲圻-白石渡段全长601 km,共有63 座车站,平均站间距为9.54 km。 采用SDH 10Gb/s+SDH 2.5Gb/s 传输系统与双平面数据网系统,设有35 个电气化所亭、17 个电力配电所、58 个电力开关站以及700 余处班组。

(2)GPON OLT 设置

京广铁路为普速铁路,根据铁路实际情况,每2 ～3 个车站设置1 套GPON OLT 设备,设置情况见表1。

表1 蒲白段GPON OLT 设置

续表1

蒲白段共设置52 套GPON OLT,与既有数据网的接入路由器采用GE(O)互联。 其中株洲北为三级七场编组站,共有各专业班组200 余个,故在株洲北编组站I、III、IV、VI 场以及新站调楼各设置1 套16 PON 口GPON OLT,以满足编组站各场班组的接入需求。

蒲白段GPON 组网示意如图2 所示。

图2 蒲白段GPON 组网示意

(3)GPON ONU 设置

在蒲白段电气化所亭、电力配电所以及开关站内设置双归GPON ONU 设备,配置16FE(e)+16POTS 接口,在13 处无数据网接入路由器的车站通信信号变电所设置16FE(e)GPON ONU 设备,共计93 套双归GPON ONU 设备,利用京广线既有干缆中的2 芯,采取Type C 的保护方式接入上下行车站的GPON OLT,以满足远动业务的保护需求。 其余45 处通信信号变电所直接通过FE(o)接口接入车站数据网。

在各车间、班组节点设置ONU 设备,采用“1 个PON 口+1 个1 ∶N 分光器+单口ONU 方式”的保护方案,在同一综合楼、站房内的车间和班组仅设置1 台ONU 设备;未设置OLT 的车站设置双归ONU,分别与邻站OLT 互联,采用Type C 的保护方案(共计418 套单归ONU,43 套双归ONU)。

车间设置的每台ONU 设备拟按150M 预留带宽,班组设置的每台ONU 设备拟按100M 预留带宽。 即OLT 每个PON 口至车间级ONU 设备不超过8 个,至班组级不超过10 个。

(4)分光器设置

电力/电气化远动业务需采取Type C 保护方式接入上下行车站GPON OLT,且京广铁路干线光缆资源有限。 因此,采用不等比分光的方式,在区间接入节点设置2 个10 ∶90 分光器,只需利用2 芯干线光缆,即可满足Type C 保护方式的需求,如图3 所示。

图3 基于不等比分光的Type C 保护方式接入示意

在车站通信机械室设置1 ∶4,1 ∶8 分光器,汇接二级分光器或GPON ONU 设备,在部分班组设置二级分光器,汇接就近班组的GPON ONU 设备,以减少光缆敷设的工作量。 预留部分分光器端口,以满足后续更多班组接入的需求。

4.2 贵广铁路三水南-佛山西区间GPON 系统设计

(1)区间概况

贵广铁路三水南-佛山西区间全长17.84 km,该区间新设视频采集点23 处。

(2)GPON OLT 设置

贵广铁路为高速铁路,考虑上下行区间的长度,在三水南站与佛山西站各设置16PON 口GPON OLT 设备1 套。

(3)GPON ONU 设置

在区间23 处视频采集点设置GPON ONU 设备,配置8FE 接口,采用不等比分光的方式,利用贵广铁路既有干线光缆,分别接入三水南站、佛山西站GPON OLT 设备,每台ONU 设备拟按10M 预留带宽。 考虑视频业务并非影响行车安全的重要业务,全部视频采集点采用单归ONU 设备。

(4)分光器设置

贵广铁路干线光缆资源紧张,故采用不等比分光的方式,在23 处区间接入节点设置1 个10 ∶90 分光器,在三水南、佛山西车站设置1 ∶8 分光器。 考虑插入损耗的影响,每条链路不超过6 个GPON ONU 设备,共计4 条链路。 由于该区间长度小于GPON 最大传输距离(40 km),故4 条链路可任意向上、下行车站接入(小里程接入三水南车站,大里程接入佛山西车站),只需利用2 芯干线光缆即可满足区间视频接入的需求,如图4 所示。

图4 贵广铁路区间视频接入拓扑图