摘 要：通過對以太全光網和無源光局域網POL 2種組網技術的對比分析，提出園區(qū)全光網絡建設方案，詳細說明其設計及部署方式，并進一步介紹微管微纜氣吹施工工藝在園區(qū)全光網絡建設中的應用。

關鍵詞：智慧園區(qū)；全光網絡；無源光局域網；POL；微管微纜

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0132-05

Abstract： Through the comparative analysis of the two networking technologies of Ethernet all-optical network and passive optical local area network（POL）， this paper puts forward the construction scheme of campus all-optical network， explains its design and deployment mode in detail， and further introduces the application of microtube and micro-cable air blowing construction technology in the construction of park all-optical network.

Keywords： smart park; all-optical network; passive optical local area network; POL; microtubule microcable

在“寬帶中國”戰(zhàn)略的指引下，我國通信基礎設施經歷了10余年的“光進銅退”大發(fā)展。對于家庭用戶而言，早已解決“最后一公里”的瓶頸問題，實現(xiàn)千兆光纖入戶。而對于園區(qū)用戶而言，內部網絡還多數停留在傳統(tǒng)銅纜的傳輸方式。隨著信息技術的飛速發(fā)展，智慧園區(qū)建設水平的不斷提升，園區(qū)信息網絡的重要性日益凸顯，對網絡承載能力的要求也在不斷提高。然而不同類型銅纜的網絡傳輸速率和傳輸距離也不盡相同，面對網絡升級時，除了更新設備外，往往還需要將大量的銅纜全部替換，造成人力、物力和財力資源的巨大損失。目前以光纖為傳輸介質的網絡速率已經達到1.84 Pbit/s（距離8 km），并且還有進一步增長的空間。光纖傳輸的損耗低、距離遠，其直徑、重量和抗干擾能力也比銅纜更具優(yōu)勢，因此全光網絡將是未來園區(qū)信息網絡建設的新趨勢。

1 園區(qū)網絡面臨的問題

信息網絡作為重要的園區(qū)基礎設施，猶如人體的血管承擔了園區(qū)信息共享和數據交互的重任。近年來，隨著數字孿生技術的不斷成熟和智慧應用場景的日益豐富，智慧園區(qū)的建設達到了新的高度，對園區(qū)信息網絡的承載能力也提出了更高的要求。

目前園區(qū)信息網絡的建設面臨多重挑戰(zhàn)：一是帶寬需求日益增加，數字孿生、VR、4K高清視頻等應用的數據量成倍增長，傳統(tǒng)的銅纜帶寬已經無法滿足傳輸需求；二是業(yè)務擴展瓶頸，各類傳感器、智能終端的接入需求不斷增加，提升了接入端口擴展和網絡布線改造的難度；三是節(jié)能降耗的要求，傳統(tǒng)以太網除了中心機房外，還需要設置一定數量的設備間，隨著網絡規(guī)模的不斷擴張，設備間數量增加帶來的能耗增加也不容忽視；四是網絡維護難度增大，網絡規(guī)模不斷擴大、組網方式多樣化、組網技術更新升級快對網絡的運維及管理提出了新的挑戰(zhàn)。如何構建一套穩(wěn)定、高效、低碳的網絡基礎設施成為每一個園區(qū)運營者的迫切需求。

2 組網技術對比

當前，園區(qū)全光網絡的建設有2種主流組網方案，即以太全光網和無源光局域網POL（Passive Optical LAN）。以太全光網是在傳統(tǒng)以太網架構下的技術演進，它保留了以太網技術成熟、管理便捷、可靠性高和擴展性強等優(yōu)點。無源光局域網是一種基于無源光網絡PON（Passive Optical Network）的新型局域網組網模式，它繼承了PON網絡大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署和易管理等優(yōu)點，同時也優(yōu)化了傳統(tǒng)局域網的布線方式和網絡結構。

下面將對這2種組網技術在網絡架構、網絡承載能力、QoS保障、安全性、綠色節(jié)能和運維管理等方面進行對比分析。

2.1 網絡架構

以太全光網是傳統(tǒng)以太網的延伸應用，對于園區(qū)信息網絡而言，仍然采用傳統(tǒng)的“核心—匯聚—接入”3層網絡架構。在園區(qū)中心機房設置核心交換機，在樓宇匯聚機房設置匯聚交換機。而和傳統(tǒng)以太網的區(qū)別是，將接入交換機下沉到了房間或終端用戶處，從而實現(xiàn)光纖到辦公室FTTO或光纖到桌面FTTD。

無源光局域網雖然也采用類似的3層網絡架構，但是其匯聚層采用的是無源器件，因此可近似認為是一種“核心—接入”2層網絡架構。在園區(qū)中心機房除了設置核心交換機外，還需要設置光線路終端OLT（Optical Line Terminal），作為光纖鏈路匯聚設備。在匯聚機房設置無源分光器，在房間或終端用戶處設置光網絡單元ONU（Optical Network Unit），從而實現(xiàn)光纖到辦公室或光纖到桌面。不同組網方案的架構對比如圖1所示。

2.2 網絡承載能力

以太全光網與傳統(tǒng)以太網一樣承載基于IP協(xié)議的數據業(yè)務，而無源光局域網通過一根光纖即可承載IP數據、模擬語音、有線電視和串口數據等多種業(yè)務。

對于終端接入帶寬而言，2種組網方式都能提供千兆到桌面服務。這2種組網方式都存在帶寬收斂，并無本質上的差別，收斂比的大小取決于鏈路帶寬和端口數量。目前以太網中，接入層到匯聚層普遍采用1 G/10 G光纖鏈路，匯聚層到核心層采用10 G/40 G光纖鏈路，具有一定的性價比；而無源光局域網中，接入層到匯聚層、匯聚層到核心層采用1 G/10 G光纖鏈路。單從傳輸帶寬上來看，以太網更具優(yōu)勢。

2.3 QoS保障

相對于以太網而言，無源光局域網具備更加完善的QoS保障機制。無源光局域網通過動態(tài)帶寬分配DBA（Dynamic Bandwidth Assignment）技術實現(xiàn)微秒或毫秒級的帶寬動態(tài)分配，每臺ONU的帶寬由OLT集中控制和分配，以“獨享+共享”的方式實現(xiàn)帶寬資源的最大化利用。

DBA類型根據業(yè)務的優(yōu)先等級定義為固定帶寬、保證帶寬和最大帶寬。固定帶寬用于保障對業(yè)務質量非常敏感的業(yè)務，為ONU獨享；保證帶寬是在ONU需要使用時一定能夠獲得的帶寬，當該ONU的實際業(yè)務流量未達到保證帶寬時，多余的帶寬資源將釋放給其他ONU使用；最大帶寬是ONU可使用帶寬的上限值。通過DBA可以提高帶寬利用率，進而提高PON端口的用戶密度；在保證關鍵業(yè)務服務質量的前提下，用戶可以享受到更高帶寬的服務，特別是帶寬突變較大的業(yè)務。

2.4 安全性

無源光局域網原生支持數據鏈路層的流量加密，并且通過AES-128加密算法對明文傳輸的數據報文進行加密，從而提供從核心層到用戶終端的端到端鏈路層安全保障。而以太網中是通過媒體訪問控制安全協(xié)議MACSec實現(xiàn)數據鏈路層的流量加密，需要交換機的支持。

以太全光網和無源光局域網均采用光纖傳輸，有效避免了電磁干擾、電磁泄露等問題。但是以太全光網的匯聚層采用了有源設備，增加了故障風險。

2.5 綠色節(jié)能

以太全光網采取的是點對點傳輸方式，匯聚交換機的下行光模塊數量與接入交換機的上行光模塊數量按1∶1配置。而無源光局域網采取的是點對多點傳輸方式，OLT上的1個PON端口可以對應多個ONU，大量減少光模塊的用量。

以太全光網中，匯聚交換機一般安裝在樓棟的匯聚機房，需要考慮設備用電和空調用電。而無源光局域網中，分光器是無源設備，無需單獨設置空調。

從以上2個方面來看，無源光局域網在節(jié)能減排上更優(yōu)。

2.6 運維管理

以太全光網中，需要為每臺網絡設備設置IP地址來進行配置和管理。而無源光局域網中，OLT通過光網絡單元管理控制接口協(xié)議OMCI（ONU Management and Control Interface）對ONU進行配置批量下發(fā)和統(tǒng)一管理，無需維護大量的管理IP地址。

在網絡維護方面，無源光局域網具有相對扁平化的拓撲結構，管理數據集中，故障定位簡單；傳輸鏈路全程無源，減少了中間故障點；更換ONU時，配置文件自動下發(fā)。但是PON技術多用于運營商的家庭用戶網絡接入服務，對于園區(qū)網絡管理人員來說，有一定的學習成本。

3 建設方案

通過上述對比，同時考慮園區(qū)網絡的多元接入需求和未來升級擴展的能力，無源光局域網POL將是一種更優(yōu)的全光網絡解決方案，下面我們將探討一種基于GPON技術的無源光局域網的搭建。

3.1 系統(tǒng)架構

本方案擬設計一張全光綜合業(yè)務網絡，承載園區(qū)的數據、視頻、無線、語音和安防等多種業(yè)務。通過該網絡實現(xiàn)光纖到桌面的接入服務，同時滿足將來網絡帶寬升級的需求。

為保證網絡可靠性，在核心層設置2臺核心交換機和2臺OLT，實現(xiàn)雙機熱備。由于匯聚層采用無源分光器，并且ONU均設置在用戶端，所以無需額208c969efe72dbef0e6ceec27c219c8950e0455c1523676c37fd399999cde3dd外考慮機柜安裝空間和降溫措施。辦公接入采用面板式ONU，實現(xiàn)光纖到桌面，外觀上和傳統(tǒng)的銅纜信息插座無差別；設備接入采用小型盒式ONU，盡可能地靠近前端設備，同時提供PoE供電，如圖2所示。

e5068a58724b0c07194a366224e6c3b90355e52742997c154f96b389f89300083.2 分光比及帶寬計算

采用光纖到桌面布線方式，能滿足后期帶寬平滑升級需求。因此，在綜合考慮建設成本和當前使用需求后，擬采用GPON技術搭建園區(qū)網絡，實現(xiàn)千兆到桌面的網絡接入服務。GPON（Gigabit PON）是目前主流的PON技術之一，下行帶寬2.5 Gbit/s，上行帶寬1.25 Gbit/s，最大分光比可達1∶128。

園區(qū)內的典型帶寬需求見表1，其中辦公、無線接入以下行流量為主，而視頻監(jiān)控和安防以上行流量為主。

根據上述帶寬需求，桌面接入采用面板式ONU，提供1/2個網絡端口，分光比選擇1∶32，平均下行帶寬可達78 Mbit/s，滿足日常使用需求，最高可以提供2 500 Mbit/s下行帶寬，每層辦公接入需要的PON端口數量為ONU數量除以32；無線AP通過面板式ONU接入獨立的PON端口，分光比選擇1∶8，平均下行帶寬可達312.5 Mbit/s，最高可以提供2 500 Mbit/s下行帶寬，每層無線AP接入需要的PON端口數量為無線AP數量除以8。

設備接入采用小型盒式ONU，提供4/8個網絡端口，分光比選擇1∶16，平均上行帶寬可達78 Mbit/s，基本滿足ONU全端口4K視頻上傳，每層設備接入需要的PON端口數量為ONU數量除以16。

3.3 鏈路設計

由于采用光纖到桌面或光纖到辦公室的布線方式，ONU數量較多，且比較集中，適合采用一級均勻分光模式。從中心機房敷設主干光纜到各建筑物匯聚弱電間，集中設置分光器，再從匯聚弱電間分別敷設配線光纜到各ONU。對于沿園區(qū)周界和道路布置的設備接入而言，光纜路由是線性的，宜采用多級非均勻分光模式，可以節(jié)約光纜敷設量。

鏈路保護方面，考慮到保護對象和性價比，采用Type B雙歸屬保護方式（圖3）。即采用2∶N分光器，通過2條上行光纖分別接入2臺OLT的PON端口板上，上行主用光纖故障或主用PON端口故障，或主用OLT故障時，自動切換至備用OLT和備用光纖。而分光器到ONU的光纖鏈路敷設環(huán)境較好，單臺ONU接入的終端用戶數量不多，且維護方便，一般不進行保護。

為進一步提高鏈路可靠性，主用光纖和備用光纖可以采用不同的路由敷設至分光器，實現(xiàn)主用鏈路和備用鏈路的物理隔離。

園區(qū)主干光纜一般采用G.652D單模光纖，而室內配線光纜一般采用G.657A單模光纖，與G.652D單模光纖兼容，且具有更好的彎曲性能。室外光纜一般沿地下弱電管道敷設，建議采用非金屬加強芯的結構形式，可避免雷擊和強電磁場的干擾。

光纜芯數應滿足各類業(yè)務對光纖的使用需求，并考慮裕量。一般分光器到ONU采用2芯光纜，一用一備；OLT到分光器采用96芯或144芯光纜，預留約20%的冗余纖芯。

3.4 光功率損耗計算

鏈路光功率損耗是POL區(qū)別于以太網的一個關鍵因素。只有OLT和ONU之間的光鏈路損耗介于最大損耗和最小損耗之間時，才能保證兩者的正常通信。一般園區(qū)內采用Class B+光模塊即可滿足光纜傳輸距離的要求，此時允許的最大鏈路損耗為28 dB，最小鏈路損耗為13 dB。

ODN鏈路損耗主要包括以下幾類：分光器插入損耗、光纖接續(xù)損耗、連接器插入損耗、光纖傳輸損耗和冗余損耗。

2∶8、2∶16和2∶32均勻分光器的插入損耗典型值分別為11、14.5和17.5 dB，單點光纖熔接損耗通常小于0.1 dB，單個連接器的損耗通常小于0.5 dB，光纖傳輸損耗通常小于0.4 dB/km，冗余損耗一般取1～2 dB。

對于桌面接入，其鏈路損耗（以5 km光纖鏈路為例）約為17.5＋0.1×4＋0.5×5＋0.4×5＋1＝23.4 dB；對于無線AP接入和設備接入，其鏈路損耗約為16.9 dB和20.4 dB；均位于正常工作的損耗區(qū)間內。

對于沿園區(qū)周界和道路布置的設備接入，采用2∶2非均勻分光器和2∶2均勻分光器的組合，其插入損耗典型值分別為12.1 dB/0.9 dB（功率比為5∶95）和4.2 dB。最后一級采用均勻分光，最多可級聯(lián)6個分光器。最小傳輸損耗為12.1＋0.1×4＋0.5×5＋0.4×5＋1＝18 dB，最大傳輸損耗為12.1＋0.9×4＋0.1×12＋0.5×13＋0.4×5＋1＝26.4 dB，接入最后一級分光器的傳輸損耗為4.2＋0.9×5＋0.1×14＋0.5×15＋0.4×5＋1＝20.6 dB，均滿足傳輸要求。經測算，非均勻分光器的功率比為1∶9時，其鏈路損耗也符合要求。

當集成CATV業(yè)務時，還需要額外考慮WDM耦合器帶來的插入損耗，通常為0.7～1 dB。

3.5 設備部署

OLT通常與核心交換機一起部署在園區(qū)中心機房內，以減少有源設備的運維資源投入。當園區(qū)規(guī)模較大，前端設備較多時，需要設置多臺OLT才能滿足接入需求。這時可以考慮將OLT分散布置在建筑物的匯聚設備間內，通過光纜接入核心交換機，此時設備間應提供有源設備的運行環(huán)境。

一般將分光器集中設置在建筑物的匯聚設備間或中間樓層的弱電井，作為網絡匯聚點。室外設置的分光器可以考慮安裝在前端設備的檢修箱內。

面板式ONU安裝在墻面上或集成到辦公桌上，同傳統(tǒng)信息插座安裝方式一樣。盒式ONU一般在前端設備集中區(qū)域配設備箱壁掛安裝。

3.6 系統(tǒng)供電

OLT和核心交換機由中心機房UPS電源集中供電，當多臺OLT分布式部署時，宜在各設備間單獨設置UPS電源，以保障網絡核心設備的穩(wěn)定工作。

分光器為無源設備，無需額外考慮電源。

面板式ONU主要用于桌面接入，就近從電源插座回路取電，確保和終端設備同步工作即可，無需通過UPS電源供電。盒式ONU主要用于監(jiān)控設備接入，建議在各建筑物的匯聚設備間設置UPS電源，實現(xiàn)集中供電，以保障監(jiān)控系統(tǒng)的不間斷運行。監(jiān)控設備可由UPS電源直接供電或由盒式ONU提供PoE供電方式，視設備選型而定。

4 微管微纜氣吹施工工藝

微管微纜氣吹技術（圖4）即“母管＋微管＋微纜”的敷設技術，利用氣吹敷纜的方法先將微管吹入已敷設的母管中，然后根據不同時期的使用需求再分批次將微纜吹入微管中。母管可以是任何適用材質的管材，包括線槽。微管采用高密度聚乙烯硅芯管（HDPE硅芯管），內壁附著永久性固體潤滑硅芯層，摩擦系數小于0.15，該潤滑層與高密度聚乙烯管具有相同的物理和機械性能，即使受壓也不易變形。微纜即微型光纜，擁有體積小、重量輕的結構，具有高密度、低成本和靈活的特點。

微管微纜氣吹施工有別于傳統(tǒng)網線和光纜施工的顯著差別是“先敷管（微管），再吹纜”，實現(xiàn)“管纜分離”。和傳統(tǒng)的纜線敷設方式相比，微管微纜氣吹技術能夠實現(xiàn)彈性的網絡設計、節(jié)省管道資源，有利于控制初期投資成本；對光纜的損害小，降低了安裝風險；施工效率高，后期維護或更換光纜十分便捷。

光纖到桌面的組網方案中，用戶配線光纜的敷設量極大，十分適合采用微管微纜氣吹技術進行光纜敷設。采用2芯單模微纜，與之匹配的是最小規(guī)格的5/3.5 mm微管。與傳統(tǒng)的纜線敷設方式不同，微管敷設完成后，吹入和吹出微纜時，不再對微管進行變動，因此無需預留操作空間，理論上線槽或保護管的填充率可達100%。微管微纜氣吹施工管道利用率高，一次布管后可以多次進行光纖擴容；無需預留大量檢修口、拉線盒和操作空間，適合狹小空間內的布線；施工靈活，既可以一次吹纜到位，也可以通過專用接頭實現(xiàn)分段施工；將布管和吹纜2道工序分開，有效避免因交叉作業(yè)造成的成品破壞。

5 結束語

隨著園區(qū)網絡業(yè)務的云化和信息接入點規(guī)模的倍增，全光網絡將是園區(qū)網絡發(fā)展的必然趨勢。全光網絡能夠為園區(qū)提供一套高效、安全和綠色的信息基礎設施，同時具備平滑升級的高度可擴展性，提高了網絡使用壽命，促進園區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

目前，ONU仍然需要電源，隨著光電轉換技術的深入發(fā)展，將微型化的ONU集成到終端設備中可以徹底實現(xiàn)光電分離，進一步發(fā)揮全光網絡的優(yōu)勢。

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作者簡介：陳晨（1981-），男，碩士，高級工程師。研究方向為智慧城市、智能化系統(tǒng)。