工业厂区GPON光纤接入网工程改造设计

2021-06-04薛海龙白雪婧

智能建筑电气技术 2021年2期

薛海龙，白雪婧

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

0 引言

随着人们对信息量的需求越来越大，无源光网络(Passive Optical Network, PON)技术迅速发展起来，而吉比特无源光网络(Gigabit-Capable Passive Optical Network, GPON)具有宽带高、效率高、覆盖范围大、用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。GPON技术可以提供上行带宽1.25Gb/s、下行带宽最高达2.5Gb/s，满足用户接入网近时期的发展需求及未来高带宽的技术演进，同时理论上GPON技术的分光比可以达到1:64分光，提高了通讯业务的综合能力，创造出极大的经济效益及社会效益。

随着光纤和光纤接入设备价格的持续下降，光纤到桌面(Fiber To The Desktop, FTTD)技术的巨大优势得到了施展，也促进了GPON技术的发展。

目前，GPON技术主要受到各运营商的青睐，本文将这一技术应用于某工业厂区，对其网络进行基于GPON的FTTD改造，直接降低了日后管理和运营成本，并提高可靠性。

1 GPON技术简介

PON技术是在光传输部分采用无缘光传输的一种光传输技术。GPON是一种典型点到多点的树形拓扑结构的光接入网技术，它将局端的核心设备和远端设备以及用户终端，通过无源光器件连接起来，在其上同时传输语音、数据、视频等一系列通信增值业务。

1.1 GPON的系统结构

GPON系统由光网络单元ONU(Optical Network Unit)、光线路终端OLT(Optical Line Terminal)和光分配网ODN(Optical Distribution Network)组成。

ONU在整个GPON系统中占据的位置是将用户与局端设备相连，给用户提供所有能提供的接口，同时还将用户端的数据、语音、视频等多种业务与ODN连接，同时受OLT控制。

OLT为整个接入网提供网络侧与核心网之间的网络接口，通过光分配网ODN与各个ONU相连。OLT在整个系统起到非常重要的作用，它可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配、网络安全和管理配置，是一台系统中的核心设备，设置于中心机房。

ODN是OLT到ONU之间所有的光网络传输通道，是纯介质网络，没有任何有源器件，提高了设备的稳定性，同时维护成本较低。一般组成ODN的无源器件有光纤、光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器和熔融接头等。

GPON系统支持的分支比为1∶16/32/64，随着光收发模块的发展演进，支持的分支比将达到1∶128。由于所有的光信号是在同一根光纤上传输，因此GPON系统采用波分复用技术，实现一根光纤的双向传输。示意图如图1所示。

图1 GPON示意图

ONT(Optical Network Terminal, 光网络设备)属于ONU，通常意义上可以认为就是ONU。

1.2 GPON技术优势

(1)能够与现有以太网兼容

GPON只是对现有IEEE802.3协议作一定补充，基本上是与以太网兼容的。因此GPON技术不仅适用于新建网络，也适用于原有网络的部分改造，有利于业主的逐步改造。

(2)用光缆敷设代替设备扩容，提供更高带宽及更便利的运维服务

GPON的下行信道为百兆/千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道，目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s的带宽，带宽利用率也得到很大提高。同时GPON在距离上的覆盖即可以理解为光缆的覆盖，根据单模光缆的特性，GPON可以覆盖几十公里的范围。

同时，由于GPON的中间节点为无源光网络，减少了有源设备的故障，提高了运营效率，降低运营成本。

2 基于GPON技术的厂区网络设计

2.1 网络现状分析

经过多年的发展，一般厂区的信息网络系统多为核心层、汇聚层、接入层的网络架构。由于厂区内的网络发展多为逐年进行，会造成很多网络设备超期服役的问题。对于大型工厂，接入网往往牵扯很多设备，线路敷设问题也较为复杂，老旧的设备和线路直接影响用户对于网络的需求，制约工厂发展。

因此，本文给出如下基于GPON的网络设计，对于设备老旧、系统庞大的厂区有一定借鉴意义。

2.2 组网方案

本方案对厂区内的10个办公用房进行网络改造，共规划约5 000个信息点，采用光纤到桌面(FTTD)的组网方式，用户接入带宽需达到100M，接入层采用GPON接入技术实现组网。厂区规划4个汇聚节点，核心节点采用双冗余设计，保证整个网络的可靠稳定运行。同时，整个网络应当具备良好的可管理性，便于部署和维护。整个园区网络应具备有效的用户接入安全控制，禁止非授权用户接入，可实现用户访问、网络流量监/控分析等功能。厂区组网示意图如图2。

图2 厂区组网示意图

核心层：厂区核心层采用双核心设置，起冗余备份作用，提高了系统的可靠性。系统设置防火墙，保证网络的安全性。

汇聚层：厂区内未改造的部分不受影响，可接入核心设备。改造建筑中，OLT充当了无源光网络中的汇聚层。整个厂区根据面积及功能划分出四个区域，每个区域内设置一个汇聚节点放置OLT设备，分别为2#、4#、6#及9#楼，各自覆盖1#、2#、3#，4#、5#楼，6#、7#、8#及9#、10#楼。

接入层：厂区内未改造部分不受影响，上传至原汇聚节点即可。改造建筑内设置分光器，各分光器将光缆延伸到每栋楼的每个办公室用户桌面，连接用户端ONU设备。

2.3 方案计算

按照2.2节描述，本方案可选计算如下。由于产品厂家不同，参数各异，此部分计算会因品牌差异而不同，此处仅为参考示意。

出口带宽：5 000×100M=500G。

核心层要求：50个万兆端口。

OLT要求：50个万兆接口。

此为用于满配值，综合考虑业务用户比率、集中比、流量占空比及带宽冗余系数，业务量可按照满配40%计算。目前大品牌商的大型OLT均可满足此业务要求。

按照四个区域各设置一台OLT部署设备。分光器的选择上采用一级分光模式，可最大限度提高PON利用率且故障诊断方便，可靠性高。

综合OLT接口数及总带宽需求，考虑光衰情况下，本工程选用1:16均分分光器。办公室内选择万兆上行、16个千兆下行口ONU设备。

影响光功率衰减的因素主要包括插入损耗、裸纤损耗、接头损耗、光纤富裕度等。本方案估算如下。

若1∶16均分分光器插入损耗14.8dB，OLT至ONU距离按照2km考虑，单模光纤衰减系数为0.36dB/km，接头损耗为0.5dB/个，每路一级分光至ONU设备共需8个接头考虑，5km以下光纤富裕度为1dB，则总光功率衰减为：14.8+2×0.36+8×0.5+1=20.52dB，小于GPON规定的全程衰减值28dB，方案可行。

2.4 布线方案

GPON布线方案是一种光传输、分光的方案，主要布线任务为光缆的敷设。在各汇聚机房和各楼宇接入机房均配置相应数量的ODF配线架和机柜，分光器设备在各楼弱电机房集中部署。根据本项目楼宇及数据量，考虑未来发展，可从中心机房到各汇聚层OLT设备敷设128芯单模光缆；各OLT至各建筑分光器敷设96芯单模光缆。从各楼宇分光器转换为皮线光缆至各办公室接ONU设备。