GPON網(wǎng)絡在鐵路場景通信的建設及應用

任偉麗　崔炳勝

摘要：本文主要介紹GPON技術原理、系統(tǒng)結構、特點、網(wǎng)絡建設原則及應用模式。

關鍵詞：無源光網(wǎng)絡;GPON;接入網(wǎng)技術

一、PON技術概述

目前市場應用的寬帶接入技術主要包括XDSL、LAN、MSTP等。近年來，世界范圍內的寬帶技術進入了高效、快速的發(fā)展時期，傳統(tǒng)專線接入技術已逐漸不能滿足需求，這就是意味著新的接入設備不僅要滿足不斷增長的帶寬需求，還要具有承載多業(yè)務的、統(tǒng)一網(wǎng)絡的能力。因此進行寬帶接入網(wǎng)絡改造以及多業(yè)務轉型勢在必行。

當前北京鐵路局數(shù)據(jù)網(wǎng)接入層均采用ADSL技術，來實現(xiàn)鐵路通信業(yè)務最后一公里的覆蓋，隨著北京局基礎網(wǎng)建設的逐步推進，ADSL技術已經(jīng)無法支撐目前鐵路通信業(yè)務和班組信息化建設的高帶寬和高可靠性保障，并且其他路局均開展GPON網(wǎng)絡對ADSL網(wǎng)絡的逐步替換。由此可見，北京局的GPON網(wǎng)絡建設也需盡早實施。

二、GPON主要結構和特點

GPON網(wǎng)絡的主體結構包括光線路終端、光網(wǎng)絡單元及ODN。其中，光線路終端也稱為局側OLT，光網(wǎng)絡單元又稱為用戶側ONU，ODN的主要構成則為單模光纖、分光器、光連接器件等。

在GPON網(wǎng)絡中，OLT是核心服務設備，通常部署于服務站點終端，例如各站段的車間或者大的車站。OLT的上聯(lián)接口與基礎網(wǎng)接入路由器相接，實現(xiàn)上行接入;下行接口則通過單根光纖與用戶終端的分光器相連，分光器則與ONU或者ONT設備連接，構成了基本的GPON網(wǎng)絡系統(tǒng)。OLT（局端設備）承擔著下屬終端設備的分配帶寬的職能，能夠實現(xiàn)對網(wǎng)內所有的ONU及ONT終端的管理與維護;ONU及ONT則屬于GPON網(wǎng)絡的用戶終端，一般可放置在車間班組內;ODN則是光分配網(wǎng)構建起局端OLT與用戶端ONU的數(shù)據(jù)輸出的通道。在GPON網(wǎng)絡中，可以根據(jù)具體需要選擇是否配備WDM或NE模塊，從而實現(xiàn)對部分特殊業(yè)務的有效支持。

在實際建設使用中，GPON網(wǎng)絡一般結合WDM技術構建網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過單根光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。與傳統(tǒng)的單根光纖單向傳輸模式相比，該模式實現(xiàn)了基于單根光纖的雙向數(shù)據(jù)交互，在確保充分的傳輸效率的同時極大降低了網(wǎng)絡系統(tǒng)對光纖資源的需求，因此表現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢。GPON網(wǎng)絡與WDM技術的綜合運用，實現(xiàn)了OLT設備下行信號在網(wǎng)絡節(jié)點的自動分配，構建起一種類似與電臺廣播的服務模式，由單個OLT對其覆蓋區(qū)域內的所有ONU的數(shù)據(jù)信號進行管控。與此同時，每個ONU或者ONT終端還可以根據(jù)自身使用的需求，自由決定其從OLT處獲取的數(shù)據(jù)載荷。通常情況下，GPON網(wǎng)絡的架構形式為樹狀結構，具有光傳輸介質的共享優(yōu)勢，并且滿足各個ONU終端的數(shù)據(jù)需求，并設定其獨特的傳輸時隙從而避免了干擾和沖突。這一網(wǎng)絡模式能夠充分保證每個用戶終端對帶寬質量的需求，不同用戶之前的資源分配更加合理高效，能夠充分體現(xiàn)WDM技術的優(yōu)勢。

（一）GPON系統(tǒng)的主要特點：

（1）大容量、高效率：基于GPON技術，寬帶用戶的理論下行與上行速率將分別達到2.5G與1.25G，能夠充分滿足路局未來班組之間大容量數(shù)據(jù)的需求;而基于GEM技術的封裝模式，也能夠極大提升數(shù)據(jù)傳輸效率。

（2）傳輸距離長：基于GPON技術，用戶側與局側的最大距離高達20KM，附和鐵路沿線班組距離遠的特點，極大提升了網(wǎng)絡服務終端的覆蓋范圍。

（3）穩(wěn)定可靠：基于GPON技術的光纖網(wǎng)絡以無源光元件為物理通道，便于系統(tǒng)的維護和檢修;該組網(wǎng)技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在僅有OLT和ONU為有源設備，需要接入電源，其它傳輸設備和器件均為無源設備，不需要接入電源，增強了穩(wěn)定可靠性。該方式適用于鐵路沿線班組房屋面積有限，機房空間不足的現(xiàn)狀。

（4）數(shù)據(jù)安全：采用GPON技術的網(wǎng)絡本身具備良好QOS保證與完善的保護功能。因此更加容易獲得用戶的認可與信賴。另外，OLT具有集中帶寬分配、控制各ONU、實時監(jiān)控、運行維護管理PON系統(tǒng)的功能。ONU為接入網(wǎng)提供用戶側的接口，提供話音、數(shù)據(jù)、視頻等多業(yè)務流與ODN的接入，受OLT集中控制。

（5）高度集成，成本費用低：該網(wǎng)絡以單根光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，將通過一個統(tǒng)一的接入平臺滿足區(qū)域內用戶的全業(yè)務需求，因此表現(xiàn)出較為顯著的成本優(yōu)勢。

三、GPON技術的應用模式

PON技術運用于接入網(wǎng)中，具有多種接入模式，常用的有FTTB、FTTC和FTTH（FTTO）。

1.FTTB應用模式

FTTB也稱光纖到樓宇的接入方式，主要特征是用光纖代替原有使用者接入點之前的雙絞線，然后用終端的ONU設備放置在原用戶接入分線盒位置。ONU下利用其它傳輸介質方式進行接入，目前通常適用五類雙絞線或者采用無線的方式，一般每個ONU分為8口、16口、32口等，支持的用戶數(shù)可達到100個左右。

在FTTB應用模式中，OLT設備一般放在局端機房，作為用戶業(yè)務的收斂及分發(fā)。下聯(lián)接入一般通過光纖接口，利用光纖連接ONU終端設備，在ONU處終結光信號，一般通過以下接口方式與用戶端進行連接，包括POTS、ADSL、VDSL、以太網(wǎng)等方式。

FTTB的接入模式，需要在ONU處接入電源，以北京路局各班組實際情況來看，可利用班組內的交流電源實現(xiàn)供電，在有條件的區(qū)域，還可利用原機柜電源供電，主要考慮有電池做電源保護，確保穩(wěn)定性。

根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的實際情況，有如下三種FTTB的接入模式：

（1）FTTB+xDSL

將接入點放置在車站及班組車間，原有DSLAM設備采用GPON上聯(lián)口，班組末端側使用xDSL接口利用雙絞線進入至末端用戶。該方式使用了原有的線纜資源，采用成熟的AD或者VD的相關技術，可以充分利用現(xiàn)有的線路投資。提供小容量的DSL和MDU，通過使用一體化綜合機柜，保障在室外較惡劣的使用環(huán)境使用。

（2）FITB+LAN

將光纖端接點分布在車站及班組，通過ONU終結光信號，利用配備多個以太網(wǎng)接口與用戶端連接。采用此種方式，終端用戶到ONU的距離不能超過100米。

2.FTTC應用模式

此種方式光網(wǎng)絡單元ONU通常放在室外、車務車間或貨運車間中的機房或樓道中，1個ONU通常為多個辦公區(qū)域提供服務，用戶端為雙絞線，銅纜距離在500米左右;分光器布放在幾個小區(qū)間的光交接箱內。這種方式比較適合用戶密度低且比較分散的場合，但是缺點也很明顯。

3.FTTH應用模式

光纖到辦公區(qū)，機務車間，是利用光纖傳輸媒質連接局端OLT和班組的接入方式，接入的光纖可由單個班組、車間獨享。在ONU和OLT之間采用無源的光分配網(wǎng)絡，OLT可以置于遠端的匯聚局機房，也可以置于車間機房，可以參考實際情況而定。FTTH的應用模式在ONU節(jié)點處需要提供電源，該問題可以采用班組內的交流電直接供電。

以上所說的FTTH模式，非常適合車站和班組的使用。班組級車站的通信覆蓋已經(jīng)比較普遍，目前幾乎所有的車站均采用ADSL接入技術實現(xiàn)，隨著視頻會議系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)照片上傳等高帶寬的業(yè)務引入，原有的網(wǎng)絡需要進行必要的升級改造。GPON光接入平臺立足高帶寬接入，充分考慮各站段和班組的實際情況，分層次提供一步到位的FTTH。接入業(yè)務包括語音、數(shù)字車站、寬帶上網(wǎng)（有線和無線方式可選）、辦公OA、視頻會議系統(tǒng)等，滿足各個班組有線方式、無線方式、外網(wǎng)及內網(wǎng)等各種業(yè)務接入的需求。

四、網(wǎng)絡建設原則

綜合考慮GPON技術特點、成熟度、投資成本、業(yè)務需求、等多方面的因素GPON網(wǎng)絡建設需注意以下幾點：

1.GPON OLT建設方案

根據(jù)北京局現(xiàn)狀建議在各正線車站通信機械室設置GPON OLT設備，GPON OLT設備通過GE上聯(lián)接口雙歸接入同機房A/B平面兩臺接入路由器（PE）或PTN設備，實現(xiàn)GPON系統(tǒng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、語音（IP）業(yè)務的互聯(lián)。車站通信機械室、站段機房以及光纜匯聚節(jié)點處按需設置相應分光比的分光器與光纜構成光纖分配網(wǎng)絡（ODN）。車間、班組等業(yè)務接入節(jié)點設置GPON ONU，實現(xiàn)終端用戶的數(shù)據(jù)、語音業(yè)務接入。

GPON OLT設備本著分等級裝備的原則，根據(jù)各站接入節(jié)點數(shù)量及容量選取不同接入能力的設備，在滿足近期網(wǎng)絡改造的前提下，充分預留中遠期接入能力并合理降低工程投資。

2.GPON ONU建設方案

根據(jù)北京局現(xiàn)狀在各車間、班組節(jié)點新設GPON ONU設備，解決各節(jié)點數(shù)據(jù)、語音業(yè)務接入。在車站信息機房新設GPON ONU設備，為兩網(wǎng)融合工程信息專業(yè) CE路由器提供接入條件。

既有站段鐵路自動電話接入方式仍采用地區(qū)電纜接入臨近程控交換機或車站通信機械室傳統(tǒng)接入網(wǎng)網(wǎng)絡單元設備（NU）實現(xiàn)。因既有地區(qū)電纜敷設時間較長，性能逐年劣化，不滿足鐵路運輸生產(chǎn)的需要，本工程在站段機關所在地按需設置GPON ONU設備，利用GPON光網(wǎng)絡實現(xiàn)鐵路自動電話業(yè)務接入，同時預留IP電話接入能力。

站段、車間、班組、信息機房接入用戶需求不同，GPON ONU設備按照分等級裝備的原則進行選型。

3.IGPON光纖分配網(wǎng)絡（ODN）建設方案

光纖分配網(wǎng)絡（ODN）是GPON光接入網(wǎng)中設置在GOPN光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡單元（ONU）之間線路和設備的總稱，用來分配光信號功率，是實現(xiàn)OLT與ONU之間光信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ?。光纖分配網(wǎng)絡（ODN）通常由分光器、光纜、光纜接續(xù)及終端的配線設備組成。

（1）分光器

ODN受光線、連接點、分光器等損耗會有不同程度衰耗。由于不同器件損耗情況如下表所示：

從上表可知GPON系統(tǒng)上行1310nm波長光纖損耗大于下行1490nm波長光纖損耗，因此進行ODN網(wǎng)絡計算光纖衰減時取上行1310nm波長每公里平均損耗（0.35dB）做為光纖損耗參考值。

常用的分光器有1：2～1：64，分光器分光路數(shù)越大OLT每PON口可接入ONU數(shù)量越多，而損耗也會越來越大，ODN光纖鏈路長度縮短，每個ONU終端用戶可用帶寬降低等問題。一級分光、二級分光或多級分光是ODN網(wǎng)絡的分光方式，從實際情況來看，鐵路車站、站段，尤其是班組都較為分散，但是安全可靠的要求又不降低，因此建議選用1：8或1：16的分光器。

（2）光纜

從以往的建設經(jīng)驗中可以看到，GOPN網(wǎng)絡建設中光纜建設投資占比通常達到總投資60%～75%，所以正確合理的規(guī)劃和建設GPON光接入網(wǎng)中的光纜線路，對于車間、班組聯(lián)網(wǎng)接入非常關鍵。

車站、站段的GPON光網(wǎng)絡一般可使用樹型或星形的拓撲結構，一些業(yè)務量大并且周邊有較多車間、班組接入的節(jié)點作為光纜匯集點，該節(jié)點至車站、站段通信機械室的光纜作為主干光纜，并在該節(jié)點設置分光器，臨近車間、班組節(jié)點就近接入光纜匯集點匯聚節(jié)點，避免所有接入光纜集中敷設至車站、站段通信機械室，這樣可以減少光纜鋪設量，有效降低工程投資。

各線沿線區(qū)間接入節(jié)點GPON光網(wǎng)絡通常采用鏈型網(wǎng)絡結構，以有效節(jié)約區(qū)段光纖資源。設置有區(qū)段光纜的線路，區(qū)間接入節(jié)點就近敷設至區(qū)段光纜，利用區(qū)段光纜接入臨近車站GPON OLT設備。

五、結束語

GPON技術在實際應用中具有其廣覆蓋、低成本，多模式，多保護等特點，并且由于PON接入系統(tǒng)具有無源性，在室外的光網(wǎng)絡中沒有任何的有源設備，因此較少故障節(jié)點，具有很高的可靠性。另外通過光纖傳輸不受帶寬限制，安裝方便和成本低廉的優(yōu)勢，節(jié)約了未來通信段維護和處理故障的成本。因此，GPON方案為北京鐵路局寬帶接入網(wǎng)提供了較好的網(wǎng)絡規(guī)劃思路，它以更寬的帶寬、更便宜的成本，較豐富的綜合業(yè)務接入能力及快速業(yè)務的部署能力滿足未來鐵路局信息化快速發(fā)展的需求，是較好的方案選擇。