PON技術在水利監(jiān)控中的應用分析

李柏高，丁揚威，陸乙君，屠佳佳，胡正松

（ 1.河北盛合電力工程設計有限公司，河北 唐山 063300；2.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020）

PON技術在水利監(jiān)控中的應用分析

李柏高1，丁揚威2，陸乙君2，屠佳佳2，胡正松2

（ 1.河北盛合電力工程設計有限公司，河北 唐山 063300；2.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020）

針對水利監(jiān)控項目的需求，介紹了PON（Passive Optical Network: 無源光纖網(wǎng)絡）技術的發(fā)展及特點、網(wǎng)絡組成、技術性能，從技術經(jīng)濟角度對PON通訊和目前流行的交換機組網(wǎng)通訊在可靠性、搭建費用等方面的優(yōu)缺點進行分析，提出PON通訊能夠較好地適應累積距離在20 km以內的水利監(jiān)控項目類型及應用場景，具有較高的性價比和應用前景。

PON（無源光纖網(wǎng)絡）；通訊；水利監(jiān)控

1 問題的提出

水利監(jiān)控項目多用于水庫、河道、水閘等與防汛、安全相關的領域，主要是利用監(jiān)控手段對重要的水利建構筑物（壩體、堤岸、河道等）、機電設備的運行狀況等進行監(jiān)視、控制，輔助完成對水利設施的管理與調度。近年來，視頻監(jiān)控技術飛速發(fā)展，因其直觀可視的特點被廣泛應用于水利監(jiān)控項目中，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對視頻采集傳輸系統(tǒng)的需求己經(jīng)從“看得見”發(fā)展為“看得清”，實時視頻應用開始朝著前端設備一體化、視頻圖像高清化、傳輸網(wǎng)絡寬帶化的方向不斷發(fā)展，可由于網(wǎng)絡資源有限，而視頻監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，對監(jiān)控網(wǎng)絡的帶寬有較高的要求。目前水利監(jiān)控項目通訊主要采用交換機組環(huán)形網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)，環(huán)網(wǎng)具有一定的冗余能力，某一節(jié)點損壞網(wǎng)絡能夠開環(huán)運行，同時相比于星形組網(wǎng)，能夠較好的控制項目投資。但當環(huán)網(wǎng)有2個節(jié)點損壞時，會有部分正常節(jié)點丟失，而水利監(jiān)控項目各節(jié)點多位于室外，運行環(huán)境較差，特別是節(jié)點的供電很難保證，網(wǎng)絡通訊的可靠性有待提高。

PON技術是一種點到多點的光纖接入方案，近幾年隨著家用寬帶技術的發(fā)展，PON技術以光寬帶接入的形式得到了飛速發(fā)展，作為當前綜合寬帶接入中最為經(jīng)濟有效的方式之一，PON已被視為能夠充分適應未來發(fā)展趨勢的高清視頻傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方案。因PON通訊采用星形拓撲結構，系統(tǒng)具有很高的可靠性，這在光寬帶入戶的應用中已得到了充分驗證，而PON通訊在水利監(jiān)控項目中的應用很少，相關的研究及論文也比較少。本文從技術經(jīng)濟角度研究PON通訊技術用于水利監(jiān)控項目的可行性及其推廣價值，旨在為水利監(jiān)控項目尋找一種高性價比的組網(wǎng)方式作簡單的探索。

2 PON通訊構成及其發(fā)展

2.1 PON通訊網(wǎng)絡構成

PON（Passive Optical Network：無源光纖網(wǎng)絡）是指光配線網(wǎng)（ODN：Optical Distribution Network）中不含任何電子器件及電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成的光纖網(wǎng)絡，網(wǎng)絡通常采用點到多點的樹型拓撲結構。一個PON（無源光網(wǎng)絡）包括一個安裝于中心控制站的光線路終端（OLT：Optical Line Terminal）、一批配套的安裝于用戶場所的光網(wǎng)絡單元（ONUs：Optical Network Units），以及在OLT與ONU之間的光配線網(wǎng)（ODN）。PON無源光纖網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲見圖1。

圖1 PON無源光纖網(wǎng)絡拓撲圖

2.2 PON通訊網(wǎng)絡發(fā)展[1-2]

PON技術研究起源于1995年，ITU（國際電信聯(lián)盟）從APON開始，經(jīng)歷了BPON、EPON以及GPON的xPON，到目前最新的10G EPON以及xGPON技術。

目前用于寬帶接入的PON技術主要有EPON和GPON，以及在EPON/GPON技術上發(fā)展起來的高帶寬10G EPON/xGPON。

2.3 PON通訊的技術特點

PON網(wǎng)絡的突出優(yōu)點是消除了戶外的有源設備，所有的信號處理功能均在交換機和用戶住宅內設備上完成。而且這種接入方式的前期投資小，大部分資金要推遲到用戶真正接入時才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的短，覆蓋的范圍較小，但造價低，無須另設機房，容易維護。

PON網(wǎng)絡“無源”的關鍵是在光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡單元（ONU）之間的光配線網(wǎng)（ODN），是沒有任何有源電子設備的光接入網(wǎng)，正因為此“無源”特性，使得PON這種純介質網(wǎng)絡可以避免外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設備的故障率，提高系統(tǒng)的可靠性，同時減少維護成本。

此外，光配線網(wǎng)（ODN）全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，在物理拓撲上各節(jié)點和中心節(jié)點間為星形拓撲，每個用戶節(jié)點和中心節(jié)點間的連接不經(jīng)過其他有源節(jié)點，系統(tǒng)可靠性高。并且中心節(jié)點只需1個GPON/ EPON的光電轉換接口，還可省去中心節(jié)點的匯聚設備，能明顯降低網(wǎng)絡系統(tǒng)的復雜程度。

2.4 PON通訊的主要技術性能

目前用于寬帶接入的PON技術主要有EPON和GPON，以及在EPON和GPON技術上發(fā)展起來的高帶寬10G EPON及10G GPON。因EPON與GPON在技術上比較成熟，其組網(wǎng)容量分別達到1.25，2.50 Gbps，能夠滿足在水利上的絕大部分應用，本文主要討論EPON與GPON的應用。

2.4.1 速 率

（1）OLT出口速率：EPON提供固定上下行1.25 Gbps，采用8b/10b線路編碼，實際速率為1.00 Gbps。GPON支持多種速率等級，可以支持上下行不對稱速率，下行2.50 Gbps或1.25 Gbps，上行1.25 Gbps或622 Mbps，可根據(jù)實際需求決定上下行速率，選擇相對應的光模塊，提高光器件速率價格比。

（2）ONU用戶接口速率：ONU接口以RJ45以太網(wǎng)接口為主，提供10/100 Mbps自適應端口。

2.4.2 分路比

分路比即1個OLT端口(局端)帶多個ONU（用戶端）。EPON標準定義分路比1:32。GPON標準定義分路比有1:32、1:64、1:128。

2.4.3 通訊距離

PON傳輸距離[3]主要有2個方面：①物理因素：比如系統(tǒng)光功率預算，系統(tǒng)色散容限等；②光路徑損耗。

（1）PON系統(tǒng)光功率預算：根據(jù)802.3ah規(guī)定，OLT的輸出光功率應大于2 dBm,接收靈敏度小于-27 dBm；ONU的輸出光功率大于-1 dBm，接收靈敏度小于-24 dBm（現(xiàn)在實際一般能達到 - 27 dBm的靈敏度）。這樣，整個鏈路的光預算（包括傳輸損耗、分光器插損、熔接損耗、系統(tǒng)預留冗余等），下行1 490 nm的光功率預算為：2 - （ - 27） = 29 dB，上行1 310 nm的光功率預算： - 1 -（- 27） ＞ = 26 dB。

（2）分光器插入損耗：分光器的插損計算公式簡單：- 10log（1/最大分光數(shù)）。比如：1×32均分的PLC分光器插損是： - 10log（1/32）≈ 15 dB，考慮分光器的附加損耗，大約為小于17 dB；1×64均分的PLC分光器插損是：- 10Log（1/64） ≈ 18 dB，損耗約大約為小于20 dB。

如果整個鏈路的光預算只有29 dB，選用1×64的Splitter后，留給線路的光功率只有29 - 20 = 9 dB了。考慮其他損耗2 dB，功率預算就剩7 dB了。

（3）線路損耗：1 310 nm的損耗 ＜ 0.35 dB / km（G.652光纖里傳輸），而1 490 nm大約是 ＜ 0.25 dB / km（G.652光纖里傳輸）。因此，剩下的7 dB最多能傳輸：7 / 0.35 = 20 km。

3 PON通訊應用于水利監(jiān)控的可行性

3.1 技術可行性分析

3.1.1 水利監(jiān)控項目的通訊需求

水利監(jiān)控項目主要包括泵站、水閘（含水庫泄洪閘、灌區(qū)渠道節(jié)制閘等）監(jiān)控，河道、水庫沿岸的視頻監(jiān)控等，一般以一項水利設施為對象，比如一座水庫、一個灌區(qū)、一段河道等，監(jiān)控系統(tǒng)對通訊的需求如下：

（1）組網(wǎng)模式多為1個中心節(jié)點，若干個分節(jié)點（節(jié)點數(shù)量多在10個左右）。比如水庫堤岸監(jiān)視頻監(jiān)控、灌區(qū)渠道節(jié)制閘監(jiān)控、河道沿線視頻監(jiān)控等；

（2）可靠性要求高，并要求各節(jié)點間相互獨立，互不影響，網(wǎng)絡拓撲最好能做成星形。水利監(jiān)控項目多用于水庫、河道、水閘等與防汛、安全相關的領域，日?？商娲藛T的現(xiàn)場巡查，而在臺風、強降雨等時段要求能夠可靠工作，將前線巡查人員難以到達的水利設施的運行狀況反饋回來，因此對可靠性要求較高，并要求不能因系統(tǒng)一個或幾個節(jié)點的故障導致整個系統(tǒng)的失效；

（3）低功耗、能適應太陽能蓄電池組供電。水利監(jiān)控項目的某些點位位置十分偏僻，取得市電比較困難，因此當監(jiān)控點采用太陽能蓄電池組供電時，要求采用低功耗的通訊設備并能適應DC12 V的直接供電要求；

（4）20 km通訊距離。水利監(jiān)控項目一般以一項水利設施為對象，目前的監(jiān)控范圍多在2 ～ 20 km范圍內；

（5）10 Mbps數(shù)據(jù)帶寬保障。水利監(jiān)控項目對網(wǎng)絡帶寬要求不高，其中數(shù)據(jù)量較大的視頻監(jiān)控要求每路在2 ～ 4 Mbps，一般要求通訊鏈路的帶寬能達到10 Mbps。

3.1.2 PON通訊與水利監(jiān)控需求的適應性

表1根據(jù)PON通訊的特點及水利監(jiān)控項目通訊的需求列出了PON通訊在水利監(jiān)控項目需求各方面的適應性。

表1 PON通訊與水利監(jiān)控需求的適應性表

綜合上述水利監(jiān)控項目的通訊需求和PON通訊在水利監(jiān)控項目需求各方面的適應性分析可知，PON通訊能夠較好的滿足水利監(jiān)控項目的應用需求，從技術角度講PON通訊應用于水利監(jiān)控項目是可行的。

3.2 經(jīng)濟可行性分析

近幾年隨著家用寬帶技術的發(fā)展，PON技術以光寬帶接入的形式得到了飛速發(fā)展，PON通訊產(chǎn)品的價格也達到了親民的水準。1臺OLT設備的價格已經(jīng)降到了5萬元以內，ONU的價格更是在千元以下。以1個中心、5個端節(jié)點的簡單網(wǎng)絡為例，PON通訊組網(wǎng)的設備投資約7萬元左右；而組建1個中等檔次的環(huán)網(wǎng)，組網(wǎng)設備投資在8萬元左右。并且隨著端節(jié)點數(shù)量的增加，PON通訊的成本將進一點降低。

由上述分析可知，PON通訊在節(jié)點數(shù)較多的網(wǎng)絡中具有明顯的價格優(yōu)勢，從經(jīng)濟角度講PON通訊應用于水利監(jiān)控項目是可行的。

3.3 與交換機組網(wǎng)的技術經(jīng)濟對比

表2列出了目前水利監(jiān)控中應用較多的交換機組網(wǎng)（或光纖收發(fā)器+交換機組網(wǎng)）與PON通訊的優(yōu)缺點對比。

表2 PON通訊組網(wǎng)與交換機組網(wǎng)的優(yōu)缺點對比表

由表2可知，PON通訊的可靠性可以達到交換機組星形拓撲網(wǎng)的水平，并具有較高的性價比。

3.4 適用的水利監(jiān)控項目類型

根據(jù)近年在水利監(jiān)控項目中的經(jīng)驗，將可利用PON通訊的水利監(jiān)控項目總結如下：

（1）圍涂海閘群/沿江引排水閘泵站群：沿海堤/沿江分布，累積距離10 ～ 15 km，通訊數(shù)據(jù)量一般，可靠性要求高。

（2）河道、水庫沿岸的視頻監(jiān)控：視頻監(jiān)控點沿河道或水庫周界分布，累積距離10 ～ 15 km，單點通訊數(shù)據(jù)量不大，可靠性要求高。

（3）渠道沿線節(jié)制閘監(jiān)控、量測水設施、重要點位視頻監(jiān)控：各信息采集點沿渠道分布，累積距離10 km以下，點數(shù)多，單點通訊數(shù)據(jù)量不大，可靠性要求高。

4 結 語

（1）PON技術具有高可靠、低成本的優(yōu)點，能夠滿足水利監(jiān)控項目高清視頻實時傳輸高帶寬、高質量、高穩(wěn)定以及多場景海量接入的需求，在水利監(jiān)控中具有較高的應用前景。

（2）PON 的應用還處于起步階段，需要技術的不斷更新，迎合市場的需求，同時更需要政府政策的支持和鼓勵，才能健康、有序、有效地發(fā)展。

[1] 趙峰.PON技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國電子商務，2010 (6)：91. [2] 張甫光.無源光網(wǎng)絡 (PON)的發(fā)展[J].中山大學研究生學刊（自然科學與醫(yī)學版），2003，24 (4) ：30 - 36.

[3] 丁為民，陳一偉.無源光網(wǎng)絡 (PON)的傳輸指標要求與光分路器設置[J].電信工程技術與標準化，2011，24 (5) ：56 - 58.

（責任編輯 郎忘憂）

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