焦鶴勇

(中國五洲工程設計集團有限公司，北京 100053)

0 引言

2019年6月6日,中國勘察設計協(xié)會正式發(fā)布團體標準T/CECA 20002-2018《無源光局域網(wǎng)工程技術(shù)標準》,系統(tǒng)性地從規(guī)劃設計、設備配置、施工、調(diào)試與試運行、檢測和驗收六大維度闡述和定義了POL全光園區(qū)設計和施工規(guī)范，對POL工程建設項目的設計、施工和交付驗收提供了有效支撐。筆者有幸參與該標準的起草。鑒于在具體項目設計實踐中，仍然存在不少因?qū)OL原理認知不足導致電氣設計無從下手的情況，本文將從POL原理入手，就POL無源光局域網(wǎng)的電氣設計要點進行闡述，以期讀者能夠?qū)@一技術(shù)的應用更加駕輕就熟。

1 背景介紹

無源光局域網(wǎng)(POL)是將PON(無源光網(wǎng)絡)技術(shù)創(chuàng)新性地應用于局域網(wǎng)的技術(shù)應用類概念，經(jīng)過不到5年的概念推廣，當前POL技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模地應用在酒店、教育、辦公和醫(yī)療等行業(yè)園區(qū)內(nèi)部辦公和設備網(wǎng)。

實際上，在POL這一概念被提出之前，PON設備已經(jīng)被大規(guī)模地應用于天網(wǎng)、交通智慧城市等局域網(wǎng)、專網(wǎng)，尤其是與FTTH建網(wǎng)模式類似的酒店行業(yè)。對于PON技術(shù)的政企園區(qū)類應用，更多的是運營商主導的類FTTH的批發(fā)建網(wǎng)模式。在行業(yè)特征比較明顯的細分行業(yè)市場，POL的技術(shù)和產(chǎn)品應用一直在摸索中日趨成熟。

2 POL概念介紹

PON技術(shù)最早應用于上世紀八十年代，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，在一定程度上促成了國內(nèi)寬帶戰(zhàn)略提前一年實現(xiàn)。

無源網(wǎng)絡的技術(shù)要求最初是在ATM的原理基礎上形成的，之后ITU/FSAN對G.983進行了定位，形成了第一代PON標準：APON。但由于ATM協(xié)議復雜導致的設備造價昂貴以及以太技術(shù)的高速發(fā)展，使得APON及其后的BPON (寬帶PON，Broadband Passive Optical Network)技術(shù)很快退出了通信行業(yè)。

隨后IEEE/EFM標準組織發(fā)布的EPON or GEPON (以太網(wǎng)絡PON Ethernet Passive Optical Network)標準802.3ah使得PON技術(shù)得到大規(guī)模商用，成就了PON技術(shù)的全球廣泛應用。待GPON加入這一市場后，更是通過各種良性的市場競爭互動，推動了PON技術(shù)在接入網(wǎng)和行業(yè)網(wǎng)的快速深度商用滲透。

PON技術(shù)的核心在于P2MP(點到多點)的通信模式。縱觀各種通信鏈路方式，不論是星型、樹形還是鏈型，絕大多數(shù)信元的轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡都呈現(xiàn)點到多點的路徑形態(tài)。PON技術(shù)采用下行廣播和上行時分復用的技術(shù)，通過對分光器技術(shù)的巧妙應用，形成了一張完美的點到多點通信網(wǎng)絡。PON網(wǎng)絡構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 PON網(wǎng)絡構(gòu)成示意圖

其中，PON網(wǎng)絡下行廣播方式通過分光器將OLT發(fā)出的光信號分成多份帶有相同信息的光信號，傳送到每個ONU。ONU根據(jù)報文中所帶的標記，選擇性接受屬于自己的報文，對標記不符的報文進行丟棄處理，PON的下行轉(zhuǎn)發(fā)機制參見圖2。

圖2 PON的下行轉(zhuǎn)發(fā)機制

上行方向，OLT側(cè)統(tǒng)一分配給各個ONU一個時間片，ONU嚴格按照這一時間片窗口進行信號發(fā)送，不屬于自己的時間片對光口進行關(guān)斷操作。上行時間窗口調(diào)度機制高度依賴PON的測距技術(shù)來實現(xiàn)，PON的上行轉(zhuǎn)發(fā)機制參見圖3。

圖3 PON的上行轉(zhuǎn)發(fā)機制

筆者認為，對PON技術(shù)原理的理解，有助于電氣設計師在設計中更熟練地應用這一技術(shù)，尤其要注意其光分配網(wǎng)的無源(無需供電)特性，和因傳統(tǒng)交換機差別帶來的點位配電設計。

3 設備和器材的點位布放

雖然POL的整個鏈路是全光纖的，但網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的交換機組網(wǎng)完全一致，可將分光器視為匯聚交換機(不需要供電，使空間更小)，OLT視為核心交換機，ONU視為接入交換機(為發(fā)揮POL的優(yōu)勢，ONU應該更靠近信息點位)。

圖4所示為POL各組成單元布放位置常用的四種模式，圖5～8為四種方式的邏輯拓撲圖(圖中省略了配線設備)。

圖4 POL各設備/器件的布放位置

圖5 方式一邏輯拓撲圖

圖6 方式二邏輯拓撲圖

圖7 方式三邏輯拓撲圖

圖8 方式四邏輯拓撲圖

OLT一般位于中心機房，如果有體量非常大的單體樓，也可以通過選用小型化的OLT設備下移到樓宇設備間。

一級分光器一般放置在中心機房，方便后期帶寬提速，但缺點是主干光纖纖芯數(shù)會增加(當然PON技術(shù)采用單芯雙向及二級分光時，其主干光纖纖芯數(shù)就已經(jīng)很少了)。

二級分光器布放在樓宇設備間的情況，適用于體量較小且樓層不高的建筑，而一級分光器布放在此點位適用于體量大的建筑物。此點位布放分光器主要是為了節(jié)省主干段的光纖纖芯資源。

在樓層設備間，多布放末級分光器，建筑設備網(wǎng)和安防網(wǎng)用ONU也可布放在此處。ONU布放在此處便于UPS供電的強電走路設計和實現(xiàn)，這類ONU多為PoE形態(tài)。如果設備網(wǎng)和安防網(wǎng)所接DTE設備為本地獨立供電，則此ONU盡量靠近信息點位進行布放。

水平段光纜直接進入辦公/作業(yè)區(qū)，盡量將光纖靠近信息點位，可做FTTO(光纖到辦公室)設計，對帶寬要求比較高的用戶，可直接設計為FTTD(光纖到桌面)。ONU可安裝到入墻暗裝設備箱或工位壁掛。對于辦公區(qū)人數(shù)不能完全確定的情況，需要在墻壁預留光纖接線面板。

圖4中的2∶8分光器實現(xiàn)了主干線路的B類保護，關(guān)于這種保護方式，下文會介紹其原理和路由設計方式。

4 設備網(wǎng)絡平面劃分

實際項目組網(wǎng)中，筆者建議，至少將辦公網(wǎng)獨立出來，其他建筑設備網(wǎng)、安防網(wǎng)等可視業(yè)務量情況進行劃分。對于安全等級要求高的業(yè)態(tài)，需要將辦公網(wǎng)和網(wǎng)外也實現(xiàn)物理隔離，這樣就需要至少三張獨立的物理網(wǎng)絡。

對于安全要求不高的情況，可以將ONU和光配線網(wǎng)進行分離，但OLT設備進行共用。這樣可以將OLT設備做成冗余熱備模式，相同成本下提升網(wǎng)絡的容災備份能力。

需要說明的是，由于光纖不存在電磁信號的空間泄露問題，在物理隔離時光纖布線可以不用考慮不同物理網(wǎng)之間的線纜水平距離，可以將光纜共用且纖芯分立。

5 帶寬計算

POL的帶寬計算和交換機網(wǎng)絡非常類似，只需要把分光比類比為匯聚交換機的收斂比即可。

例如，一個OLT的PON口(GEPON，1 000M)做了兩級分光(類比為兩級匯聚)，一級為1∶4，二級為1∶8，末級分光器接4GE以太口的ONU，這樣每個以太口可分得的帶寬為：1 000/4/8/4=7.8125Mbps。

由于PON在帶寬方面做了專門的轉(zhuǎn)發(fā)機制，實際上對每個ONU的獨立端口或業(yè)務可以通過在OLT上的配置實現(xiàn)不同的帶寬策略，以保證同一個PON口下不同ONU、不同業(yè)務的帶寬差異性SLA(服務等級承諾)。各種PON技術(shù)的線路速率參見表1。

各種PON技術(shù)的線路速率 表1

6 鏈路光功率損耗的計算

光功率損耗的計算是POL技術(shù)工程應用有別于交換機的一個關(guān)鍵要點。只有OLT和ONU之間的光功率在最大損耗和最小損耗之間，才能保證兩者的正常通信。POL系統(tǒng)光鏈路損耗參數(shù)參見表2。

POL系統(tǒng)光鏈路損耗參數(shù) 表2

(1)光鏈路損耗計算規(guī)則

1)國內(nèi)常用的光纜采用G652D和G657A光纖；2)當前常用PLC分光器；3)從中心局端到信息點位，通常要經(jīng)過5～10個連接器(法蘭盤)，法蘭插損為0.5db/個；4)熔接的衰減值通常在0.1dB以下；冷接方式衰減值通常為0.5～0.6dB；5)保證開通業(yè)務一般要做2～3dB的光功率富裕度預留。

(2)光鏈路損耗計算示例

線路情況：做兩級分光，一級為1∶4，二級為 1∶8；最遠ONU距離為5 km；最多連接器數(shù)量為10個；最多熱熔接點位數(shù)5個。

整體光損耗：7.4+10.7+0.35×5+0.5×10+0.1×5=25.35dB。

按照EPON的PX20+模塊的光功率鏈路預算28dB來計算，25.35+2<28，可知，采用EPON的PX20+模塊滿足鏈路光功率損耗條件。

需要注意的是，POL同時需要考慮鏈路最小損耗的情況，以避免出現(xiàn)光功率過載問題。較為簡單的解決辦法是，保證最近的ONU所過的分光器也要在1∶8分光比(這樣鏈路至少有10.7dB的光損耗)。

7 B類保護實現(xiàn)雙上聯(lián)及室外段光纖保護

POL的B類保護類似于交換機的雙上聯(lián)(如圖9所示)，不同的是，POL采用了無源器件進行分光(功率)來實現(xiàn)，交換機是在交換芯片中復制流量(報文)來實現(xiàn)。通常這一保護機制主要用在園區(qū)的室外段主干光纖鏈路的冗余路由保護，因為這一段是發(fā)生斷纖概率更高的一段線路(相比于樓內(nèi)段)，而且一旦發(fā)生斷纖則影響面更大。

圖9 B類保護邏輯拓撲圖

圖10是用B類保護設計的校園內(nèi)光纜路由保護的走線示例，可以看到，在一個環(huán)路光纜中，任意一點發(fā)生斷纖，ONU的轉(zhuǎn)發(fā)流量可以從另一個路由方向進行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖10 B類保護線纜路由保護示例圖

POL的B類保護采用更少的光纖纖芯實現(xiàn)了主干光纖的路由冗余保護，而且在樓宇接入側(cè)，不需要冗余的光口，實現(xiàn)了成本的有效控制。

8 C類、D類保護的應用

C類保護是指同一臺ONU有兩個光口，這兩個光口連接到OLT不同的PON口，這2個不同的PON口可以是同一臺OLT的同板塊或跨板卡，也可以是不同OLT上的兩個口。D類保護相對C類來說，不僅有2個PON口，還有2個獨立的PON MAC。這兩種保護在業(yè)務使用上只有倒換時間的差別，在與弱電設計相關(guān)的鏈路走向方面是無差別的。

圖11 C/D類保護邏輯拓撲圖

如圖11所示，為C/D類保護的拓撲圖，這一組網(wǎng)鏈路連接方式一般被稱作手拉手，從物理分布上呈鏈狀，但實際鏈路邏輯拓撲是樹形，而流量轉(zhuǎn)發(fā)是星型，這是PON技術(shù)所特有的組網(wǎng)方式。

C類保護和D類保護在倒換時間上有不同的要求，前者要求在150ms以內(nèi)，后者要求在50ms以內(nèi)。因此，D類保護更多應用在工業(yè)場景中，比如電力行業(yè)的配網(wǎng)和抄表都在普遍使用PON保護方式進行建網(wǎng)。在園區(qū)類建筑中，PON的C/D類保護可以用于道路監(jiān)控和照明能源管理等，配合非均分分光器，可以使用一對纖芯進行鏈狀路由布放20個ONU，非常適用于點位比較分散的園區(qū)內(nèi)部道路或者大型景區(qū)的道路沿線信息點建設。圖12所示為C/D類保護應用場景示例圖。

9 建筑群通信系統(tǒng)配線

對園區(qū)類項目而言，建筑群直接的通信系統(tǒng)主要在園區(qū)骨干光纜的走向、各樓宇的出纖方式，以及中心機房的對內(nèi)和對外各種配線。

對于中心機房點位，筆者建議要具備三家運營商接入能力，需要做設備機柜空間預留，基于這個機柜中配置有源設備，因此需要做用電配套。

圖12 C/D類保護應用場景示例

在用戶機柜這一側(cè)，需要配備IP-PBX。因為用戶電話線路側(cè)功率較強，傳統(tǒng)的電話交換系統(tǒng)可以在整個園區(qū)內(nèi)布放銅纜電話線，直接從中心機房到電話機全銅線連接。但現(xiàn)在這類交換機因為功耗太大已經(jīng)退出市場，因此采用替代性技術(shù)，即中心機房用IP-PBX，用戶側(cè)(多數(shù)到房間或樓層)的電話線長度基本控制在50m以內(nèi)。

此外，如果項目是辦公園區(qū)或綜合體這類非單一業(yè)主/用戶，對于中心機房，還需要考慮運營商裸光纖能夠跳接到園區(qū)主干光纖鏈路上，以便通過樓內(nèi)配線系統(tǒng)為分割出租單元提供裸光纖接入能力。圖13所示為建筑群通信系統(tǒng)配線示例圖。

圖13 建筑群通信系統(tǒng)配線示例圖

整個園區(qū)的建筑群骨干鏈路采用環(huán)形布放，整體采用一根光纜形成環(huán)路路由，若園區(qū)規(guī)模較大或排布不規(guī)則，可考慮多個環(huán)路的規(guī)劃；若樓宇出線側(cè)是PON的上聯(lián)口，則用以太網(wǎng)環(huán)技術(shù)做保護；若是OLT在中心機房，則采用PON技術(shù)的B類保護方式進行保護。

這里還要注意的是，樓宇配線點位主干光纖纖芯跳接的方式問題。如果點位樓宇出纖量較少，則可以用光纜掏接方式出纖；如果是點位出纖占比量較大，則采用斬斷熔接的方式；本地不出的纖芯再通過ODF跳纖搭接到原線路繼續(xù)骨干光纜走向。

在這里需要強調(diào)一點，圖13中樓宇側(cè)的上聯(lián)方式是為了說明可選用的方式選項(可配合圖4來理解)，實際項目中需按照樓宇規(guī)模和業(yè)務保護要求，選用盡量少的上聯(lián)/保護模式，以便降低線路施工的復雜度。

10 高層建筑樓內(nèi)段通信系統(tǒng)

對于高層建筑，需要特別考慮的是垂直段豎井線纜的布放空間和工程施工問題。這里筆者推薦兩種方式(配線系統(tǒng)圖如圖14～15所示)。

方式一為一級分光器在中心機房，二級分光器集中于本樓宇設備間，從此點位出來后，樓內(nèi)都只有配線系統(tǒng)，樓層不再單設分光器。這種方式的優(yōu)點是分光器集中便于安裝和后期維護，缺點是垂直管井線纜較多，樓宇到中心機房的纖芯占用也較多。

圖14 高層建筑樓內(nèi)方式一配線系統(tǒng)圖

圖15 高層建筑樓內(nèi)方式二配線系統(tǒng)圖

方式二采用OLT下沉到樓宇機房，OLT選用小型化設備(因為PON口本樓需求量少)。兩級分光器都位于樓內(nèi)，一級分光器位于樓宇設備間，二級分光器位于各樓層豎井/設備間。這種方式的優(yōu)勢是垂直段和園區(qū)主干的纖芯都比較少，缺點是OLT下沉后要做有源設備間(帶空調(diào))。

兩種方式中，筆者推薦方式一，如果單體建筑層高和體量都比較大，則選用方式二。

筆者認為，高層建筑中各段光纜的選型需要給予充分關(guān)注?？紤]到垂直段線纜自重引出的抗拉強度要求，以及線纜長度過長引起的施工不便，筆者不建議高層建筑采用樓宇設備間出非鎧裝的蝶形皮線光纜引到ONU的方式(即垂直段和水平段是整個蝶形皮線光纜)，而要選用多芯鎧纜在樓層進行光纖適配跳接。當然采用自承式蝶形纜(多一根承重鋼絲)可以解決自重承載問題，但大量的皮線光纜放到豎井里又需要做線標才能區(qū)分，且過長的皮線光纜穿管的牽引阻力會對工程實施帶來很大的困難。

11 中高層建筑樓內(nèi)段通信系統(tǒng)

中高層建筑筆者也推薦兩種配線方式(配線系統(tǒng)圖如圖16～17所示)。

方式一為二級分光器位于樓層(一級位于中心機房)，垂直段用自承蝶形皮線光纜，水平段采用普通室內(nèi)皮線光纜。注意，這里樓層采用了2∶N分光器，從樓內(nèi)連接到園區(qū)骨干光纜時，要將該分光器連在上聯(lián)分東西2個方向做保護上聯(lián)。

方式二采用樓宇機房集中布放二級分光器的方式，整個皮線光纜從樓宇機房一直布放到ONU點位。這種方式適用于單層面積較小的建筑。

圖16 中高層建筑樓內(nèi)方式一配線系統(tǒng)圖

圖17 中高層建筑樓內(nèi)方式二配線系統(tǒng)圖

在這里需要對ONU的取電問題進行說明。POL的技術(shù)優(yōu)勢在于光纜替代銅纜，因此筆者建議盡量把光纜往信息點位延伸(光纖到辦公室、光纖到桌面)，但在公建中這一原則會引出強電建設的便利性問題。關(guān)于這點，可以通過選用光電復合纜來解決，通過這種光纜的選用，可以解決ONU下移帶來的強電設計和工程施工工作量增加的問題。

12 結(jié)束語