張春凌

中國移動設計院北京分公司

PON接入技術應用及網絡建設

張春凌

中國移動設計院北京分公司

隨著互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，新業(yè)務層出不窮，人們對接入帶寬的需求越來越高，而寬帶光纖接入技術的快速發(fā)展，為實施接入網絡的轉型升級，加速FTTx建設奠定了基礎。作為移動運營商，為克服城區(qū)銅纜資源缺乏的不足，積極采用新的光纖接入技術，為用戶提供高帶寬、多業(yè)務的綜合接入能力，是適應業(yè)務發(fā)展需求，應對市場環(huán)境變化，促進網絡轉型的重要舉措之一。本文主要結合當前寬帶光纖接入技術和業(yè)務需求，對移動運營商PON技術的應用和網絡建設進行了探討。

寬帶光纖接入；需求；PON部署；ODN設計

1 寬帶光纖接入技術發(fā)展趨勢

1.1 主要光纖接入技術

寬帶光纖接入技術主要包括點對點技術（P2P，如點對點光以太網）和點對多點無源光網絡技術PON（Passive Optical Network，簡稱PON,目前主流為EPON、GPON等）兩大類。

1.1.1 點到點光接入技術

點到點光接入技術從局端到每個用戶都用一對或一根獨立的光纖，局端和用戶端各需要1個光收發(fā)器。用戶帶寬主要取決于用戶端和局端設備，每個用戶的上下行帶寬可達到100Mbit/s、1000Mbit/s甚至更高。缺點是由于每個用戶獨占一對光纖和光收發(fā)器，在大規(guī)模應用情況下建設成本高。

因此P2P技術適合于用戶分布比較分散、高帶寬（100Mbps以上）和安全性要求較高的專線接入用戶，不能成為公眾寬帶用戶的主流解決方案。

1.1.2 無源光網絡技術（PON）

無源光網絡（PON）技術與點對點（P2P）方式相比，能夠大量節(jié)省主干光纖和局端設備光接口，用戶帶寬配置靈活，是未來寬帶光接入的主要選擇。PON技術的發(fā)展經歷了APON/BPON(ATM PON/Broadband PON,)、EPON（Ethernet PON，以太網無源光網絡）、GPON（Gigabit-Capable PON，千兆無源光網絡）、WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing PON，超長距離無源光網絡)和10GEPON的過程。

（1）EPON技術

EPON技術于2003年由IEEE（美國電氣與電子工程師學會）完成標準化工作，以千兆以太網技術為基礎，通過MAC層之上的點到多點控制協(xié)議（MPCP協(xié)議）來實現(xiàn)PON點到多點傳輸方式，但OAM(Operation Administration and Maintenance)能力稍弱。目前技術已基本成熟，商用芯片和設備均較多，產品成熟度較好，已基本解決接入IP業(yè)務時不同廠商OLT和ONU之間的互通問題，是現(xiàn)階段PON應用的主流技術。

（2）GPON技術

GPON技術由ITU在APON技術的基礎上發(fā)展而來，沿用了APON的標準協(xié)議框架，增加了GEM這一新的TC層幀封裝方式，對QoS和OAM有嚴格規(guī)定，承載TDM業(yè)務的能力較強，協(xié)議相對復雜。GPON技術近期發(fā)展較快，各廠家GPON產品支持Internet接入、話音、IPTV、視頻監(jiān)控、E1等多種業(yè)務的承載，能基本滿足運營商遠程維護管理的需求，但目前在互通性方面需進一步完善。

10G-GPON是在現(xiàn)有GPON基礎上的進一步演進，具備帶寬更高、支持接入的業(yè)務更多和傳輸距離更遠的特點。雖然目前還未商用，但作為引領下一代接入網發(fā)展的主流PON技術有很大的市場發(fā)展空間。

1.2 PON接入技術發(fā)展趨勢

（1）EPON向10GEPON演進

運營商的FTTH（光纖到戶）建設帶動PON技術和市場更加成熟的同時，也加速了下一代PON技術的商用進程。下一代PON接入技術的主要標準之一為IEEE提出的10GEPON標準，10G EPON滿足了在現(xiàn)有光纖上增加更多客戶和帶寬的需要，有望在2010年底實現(xiàn)商用。

（2）GPON向NGAPON演進

NGAPON的發(fā)展可以分為兩個階段，即NGA1PON和NGA2PON。

NGA1PON與目前的GPON標準兼容，可實現(xiàn)網絡的平滑過渡，包括10GGPON和WDM-PON，其中非對稱(下行10Gbit/s上行2.5Gbit/s)的10GGPON將成為現(xiàn)期的一種過渡技術。WDM-PON在技術上有很多優(yōu)勢，包括能透明傳輸各種協(xié)議的所有業(yè)務流，不需改變物理設備就可以升級帶寬，可以較好地解決安全問題，但WDM-PON中可用波長數(shù)目有限。

NGA2PON不考慮對目前GPON網絡的兼容性，而是高速率、長距離和大分光比的WDM-PON與TDM-PON相結合的混合PON網絡。

（3）兩種技術的融合——WC-PON

隨著光編解碼技術取得突破性的發(fā)展，OCDMA-PON(光領域的CDMA)的實現(xiàn)成為可能，可以更好地解決傳統(tǒng)TDM-PON中的一系列問題。但是OCDMA也存在一些缺點，如碼長序列有限，碼間串擾隨著碼長增加明顯增加等。如果能夠綜合WDM-PON和OCDMA-PON的優(yōu)勢，則可以在網絡承載能力、復用、對稱性和安全性方面取得全面的突破，這種混合PON技術將成為光接入技術的發(fā)展趨勢。

圖1 PON技術發(fā)展路線示意圖

圖2 PON組網結構圖

圖3 ODN構成示意圖

2 PON網絡結構

2.1 PON組網結構

典型的PON系統(tǒng)由局側OLT（光線路終端）、用戶側ONU（光網絡單元）以及ODN（光分配網絡）組成，ODN由單模光纖和光分路器、光連接器等無源光器件組成。PON組網結構見圖2。

2.2 PON系統(tǒng)組成

2.2.1 OLT光線路終端

一般位于局端，是整個PON系統(tǒng)的核心設備，向上提供接入網與核心網/城域網的高速接口，向下提供面向無源網絡的一點對多點的PON接口，以廣播方式向各ONU發(fā)送數(shù)據(jù)。OLT是PON系統(tǒng)的控制中心，提供網絡集中和接入的功能，針對用戶QoS的不同要求進行帶寬分配、網絡安全控制和管理配置。

2.2.2 ONU光網絡單元

ONU為網絡接口單元，采用以太網絡協(xié)議，實現(xiàn)以太網第二層第三層交換功能，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的透明傳送。也支持TDM協(xié)議，通過E1接口來實現(xiàn)傳統(tǒng)TDM話音接入。

2.2.3 ODN光分配網

ODN位于PON網絡中OLT側S/R參考點和ONU側R/S參考點之間。ODN可采用單級分光方式或多級分光方式，其構成見圖3。

ODN的光纖/光纜網絡一般分為饋線（主干）光纜、配線光纜和入戶光纜。

主干光纜是從OLT到光分配點（通常光交接箱/光分纖箱）的光纖鏈路。

配線光纜是從光分配點（通常光交接箱/光分纖箱）到用戶接入點（通常指距離用戶最近的光分纖盒/箱）的光纖鏈路。

入戶光纜是從用戶接入點（通常指距離用戶最近的光分纖盒/箱）到ONU的光纖鏈路。

3 分類客戶光纖接入網建設模式

3.1 分類用戶業(yè)務需求分析

3.1.1 集團/商用客戶需求分析

行政類用戶

如市委、市政府等行使管理職權的部門。隨著政府上網工程的逐步展開，行政類用戶（如政府、公安、稅務、財政局、檢察院、武警、教育等系統(tǒng)部門）對Internet、多媒體會議等需求將會有較大增長。

金融類電信大用戶

主要包括各類銀行機構、證券交易和保險公司。該類用戶一般對于商務處理、電子商務以及虛擬專用網業(yè)務的應用較多。用戶特點是以高速數(shù)據(jù)傳輸為主，實時性和可靠性要求高、傳輸突發(fā)性大。

醫(yī)療結構

隨著未來多媒體業(yè)務的展開，其中遠程醫(yī)療是未來解決醫(yī)療人員匱乏、醫(yī)療手段相對落后的較好的方式。

高等院校和中學

由于工作需要及其自身具有較高文化素質，對于多媒體業(yè)務需求呈現(xiàn)多樣化，例如信息檢索、局域網互聯(lián)、電子郵件、遠程教育等。

星級賓館、智能寫字樓、企業(yè)集團等大客戶

在解決電話業(yè)務需求之后，對于多媒體業(yè)務的需求主要側重于局域網互聯(lián)、多媒體信息點播、事務處理、電子郵件等。

3.1.2 公眾住宅用戶需求分析

公眾住宅用戶需求呈現(xiàn)出的大帶寬、高速率、綜合化的業(yè)務發(fā)展趨勢，對語音、寬帶、視頻業(yè)務的綜合接入需求，大大推進了FTTH的建設。

城市新建住宅小區(qū)是FTTH建設的重點。構建信息化社區(qū)，實現(xiàn)全業(yè)務覆蓋，打造智能家庭是新建小區(qū)、高檔住宅小區(qū)的發(fā)展目標。

3.1.3 寬帶專線用戶需求分析

企業(yè)信息化建設與應用水平日益提高，形成了對通信網絡資源的更大需求，要充分考慮為這部分專線客戶提供足夠的帶寬資源，為企業(yè)信息化建設創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。光纖可為寬帶專線用戶提供快速、高效、便捷的通信網絡資源。

3.2 帶寬需求分析

隨著寬帶技術、流媒體技術的快速發(fā)展，IPTV、視頻監(jiān)控、網絡游戲等高帶寬業(yè)務普遍應用，對網絡帶寬提出了更高要求。

預計未來1～3年，單用戶帶寬需求為下行帶寬10M～20M，上行帶寬3M～4M；如果考慮家庭可能有多路標清或高清電視，3～5年接入帶寬達到下行20～30M，上行4～8M。

表1 典型業(yè)務帶寬需求表

3.3 客戶分類建設模式

3.3.1 集團客戶建設模式

集團及商企客戶接入應按高標準建設，積極采用PON技術實現(xiàn)FTTB/O（光纖到樓/辦公室）,為保證其高可靠性，可通過PON雙纖保護或主備雙分光路由來實現(xiàn)業(yè)務保護，用戶局域網可直接接入ONU；在業(yè)務需求明確且投資效益合理的情況下，可采用FTTO方式進行建設。

集團及商企客戶語音接入較為密集，也可通過MSTP環(huán)網等有保護的傳送方式接入IP城域骨干網，以確保大客戶語音通信安全。

商企客戶接入應結合帶寬需求及資源現(xiàn)狀，在客戶相對集中的寫字樓、工業(yè)園區(qū)、網吧集中區(qū)、商貿區(qū)等，如用戶帶寬需求不高，可以采用PON方式進行接入。

3.3.2 公眾客戶建設模式

公眾客戶根據(jù)業(yè)務需求和駐地網資源狀況，優(yōu)先采用基于PON的FTTH或FTTB（PON+LAN）模式，實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的綜合接入。

FTTH（PON）建設模式

ONU采用壁掛式設備箱安裝，置于用戶室內相對隱蔽且便于維護的位置，綜合布線時，用戶信息面板盡量部署在用戶室內，避免安裝在門口或樓道內。若為新建樓宇，需盡早和開發(fā)商協(xié)商解決用戶室內光纖的綜合布線。

FTTB（PON+LAN）建設模式

對于開發(fā)商已建設五類線的新建住宅區(qū)，可采用FTTB（PON＋LAN）方式進行建設，光纜直接推進到用戶樓宇。

ONU安裝位置優(yōu)選弱電間或設備間，次選大樓樓道或豎井內機柜，樓內部署困難時，可部署在小區(qū)基站或室分機房或采用建設室外機柜的方式。

需要指出，當采用FTTx方式時，ONU上聯(lián)OLT可利用基站空閑資源，但基站資源使用應堅持移動業(yè)務優(yōu)先原則。

4 PON網絡規(guī)劃設計

4.1 PON網絡建設原則

隨著PON技術的日臻完善和規(guī)模商用，選擇PON技術實施寬帶接入網的建設，實現(xiàn)寬帶提速升級，全面推進FTTx建設成為各大通信運營商的主流選擇。對移動運營商而言，目前主要采用GPON技術實施FTTx建設，網絡建設要遵循以下原則：

保護投資

在滿足客戶當前需求同時綜合考慮未來業(yè)務擴展需要，以及網絡運維成本等因素，充分保護當前投資，提高資金使用效率。

可靠性

網絡系統(tǒng)應根據(jù)業(yè)務和客戶需求，進行可靠性設計，保證高可靠性。

易擴展

FTTx 網絡規(guī)劃時要充分考慮向FTTH接入的演進，保證FTTx 網絡的易擴展性。

標準化

系統(tǒng)設計應遵循所有相關的ITU、IEEE標準，同時還應支持國內行業(yè)標準和中國移動制訂的相關企業(yè)標準、規(guī)范、要求等。

4.2 OLT設備部署

OLT設備的用戶容量集成度較高，上聯(lián)帶寬需求大，一般集中部署在靠近承載網的匯聚機房，對配套資源需求較少，也便于設備的集中管理維護，節(jié)約網絡上聯(lián)所需傳輸資源。因此，在覆蓋范圍允許的情況下盡量OLT設置在傳輸匯聚機房。建議OLT覆蓋半徑應不大于10KM（鏈路長度不大于15KM）。

部分區(qū)域如在客戶、業(yè)務密集區(qū)域，可根據(jù)實際情況將OLT下沉放置在客戶側，充分利用光纜、機房、供電配套等資源條件，選擇區(qū)域內現(xiàn)有機房（如基站機房等）作為OLT設備的放置點，原則上不為OLT的設置新建機房。

移動運營商建設GPON網絡時，建議只部署一個廠商的OLT及配套的ONU、分光器等設備。

4.3 ONU設備部署

ONU 的安裝位置較為靈活，不需要專門的機房，可根據(jù)用戶需求和建設模式選擇安裝位置，大體可分為：安裝在光交間內、安裝在樓道/豎井內、安裝在用戶區(qū)（終端箱內或壁掛、臺面安裝）。ONU供電采用220V交流市電，斷電時用戶語音需求可用GSM/3G替代。

4.4 ODN設計和部署

4.4.1 光分路器的選擇與設置

光分路器的設置位置直接影響光纜芯數(shù)的需求。在實際組網設計時，應綜合考慮線路成本、OLT設備PON口成本、維護成本、可擴展性等因素，盡量采用一級分光，以減少故障點、便于故障定位和系統(tǒng)優(yōu)化。

工程設計中，分光比和分光器的數(shù)量，需要結合用戶帶寬需求、ONU端口數(shù)、ONU數(shù)量和分布進行綜合考慮。若用戶帶寬需求增加，可通過增加光分路器數(shù)量進行優(yōu)化，降低光分路比，提高用戶帶寬。

用戶需求帶寬計算公式為：

∑所有業(yè)務（業(yè)務分配帶寬×業(yè)務用戶比率×集中比×流量占空比）×總用戶數(shù)/帶寬冗余系數(shù)。

--上網業(yè)務：普通上網業(yè)務集中比為50%，流量占空比按50%計算，系統(tǒng)內帶寬冗余系數(shù)按80%計??；典型高帶寬業(yè)務如IPTV媒體流則不取流量占空比。

--語音業(yè)務：普通用戶話務量每線約為0.031Erl，每用戶帶寬按100kbit/s取定。

下面舉例說明，若某小區(qū)用戶帶寬需求有兩種：70%用戶帶寬需求為2Mbit/s，主要為普通上網業(yè)務；30%用戶帶寬需求為8Mbit/s，主要包含IPTV業(yè)務。則該小區(qū)上網帶寬需求為寬帶用戶數(shù)×（2Mbit/s×70%×50% + 8Mbit/s×30%）×50%/80%，語音帶寬需求為窄帶用戶數(shù)×0.1Mbit/s×0.031/80%。若已知1個PON口下行線路有效帶寬約1000Mbit/s，可求出PON口的需求總數(shù)，即工程初期最少配置分光器的個數(shù)。

4.4.2 ODN的光功率計算方法

ODN的光功率預算是GPON網絡規(guī)劃中非常重要的一個環(huán)節(jié)。ODN網中光纖鏈路損耗包括了S／R和R／S（S：光發(fā)信參考點；R：光收信參考點）參考點之間所有光纖和無源光元件（光分路器、活動連接器、光接頭等）所引入的損耗。

光纖鏈路損耗采用最壞值法計算，光通道衰減計算公式如下：

（ODN光鏈路衰減+Mc）≤系統(tǒng)允許的衰減

公式中：

Mc：光纖富余度。

計算時相關參數(shù)取定如下：

--光纖衰減：1310nm波長時，取0.36dB/km；1490nm波長時，取0.22dB/km。

--光活動連接器插入衰減取0.5dB/個。

--光纖熔接接頭衰減取定：分立式光纖接頭衰減取雙向平均值為0.08dB/每個接頭，帶狀光纜光纖接頭衰減取雙向平均值為0.2dB/每個接頭。

--冷接子雙向平均值取0.15dB/每個接頭。

--分光器插入衰減參數(shù)取定見表2。

表2 分光器典型插入衰減參考值

（6）光纖富余度Mc：當傳輸距離≤5km時，Mc不少于1dB；當傳輸距離≤10km時，Mc不少于2dB；當傳輸距離 >10km時，Mc不少于3dB。

4.4.3 光功率計算實例

某廠家OLT設備的GPON口發(fā)送光功率為0.5～5.0dBm，ONU的接收靈敏度最大值為-27dBm，按照最壞值法進行傳輸指標核算，OLT-ONU之間的傳輸衰耗不應大于27.5dB。實際方案中ONU距離OLT約2公里，一級2:16分光，共經過3個活動連接器，則全程衰耗為21.22dB，小于27.5dB，計算如下：

表3 光功率衰減計算

結論：通過光纖鏈路衰耗核算，可確定ODN的傳輸距離和網絡結構。為保證一定的傳輸距離，必須盡量減少ODN網絡中的光纖適配耦合次數(shù)（活接頭數(shù)量），盡量減少光纜分歧次數(shù)。

5 結束語

伴隨著運營商網絡運營的需要以及技術的發(fā)展趨勢，整個電信網面臨著網絡結構扁平化、運營管理維護智能化、網絡融合帶來的業(yè)務綜合承載化以及網絡高可靠性的趨勢，作為網絡端到端一部分的寬帶光纖接入網技術已成為未來通信網發(fā)展的關鍵，是今后一段時期內國際通信技術研究、開發(fā)和建設的熱點。采用寬帶光纖接入網是光纖通信發(fā)展的必然趨勢。

[1]王慶,胡衛(wèi)等. 光纖接入網規(guī)劃設計手冊.人民郵電出版社.2009

[2]熊偉成.寬帶接入網發(fā)展趨勢.烽火科技報.2007.4

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.069