隧道監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用EPON技術(shù)的優(yōu)化方案

畢如林，蔡麗婷

(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

隨著以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技術(shù)的不斷發(fā)展，EPON組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。監(jiān)控系統(tǒng)常用的組網(wǎng)模式有環(huán)網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2種，在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中采用EPON技術(shù)組網(wǎng)既有一定的優(yōu)越性，也存在一定的局限性，可能會(huì)引發(fā)一些未知問(wèn)題，比如上海外灘隧道在采用EPON技術(shù)組網(wǎng)過(guò)程中就出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)連的問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)，在采用環(huán)網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2種組網(wǎng)模式時(shí)，通常會(huì)用到光端機(jī)和工業(yè)交換機(jī)，對(duì)于二者采用的傳統(tǒng)光模塊，以傳輸距離為10 km的1000M-SFP光模塊為例，其基本參數(shù)為：中心波長(zhǎng)1 310 nm；單模；發(fā)射功率范圍-9.5～-3.0 dBm；接收靈敏度-22.5～-3.0 dBm。由此可見(jiàn)，該光模塊的發(fā)射功率范圍在其接收功率范圍內(nèi)，即使通過(guò)跳纖直接相連，也能正常通信。EPON采用的是光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)和光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)，以傳輸距離為10 km的無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)光模塊為例：OLT對(duì)應(yīng)光模塊的發(fā)射功率范圍為-3～2 dBm，接收靈敏度為-24～-1 dBm；ONU對(duì)應(yīng)光模塊的發(fā)射功率范圍為-1～4 dBm，接收靈敏度為-24～-3 dBm?？梢?jiàn)，若要采用EPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)正常通信，需使其有一定量的功率衰減。

本文以EPON技術(shù)在外灘隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，指出其在應(yīng)用過(guò)程中致使網(wǎng)絡(luò)傳輸存在時(shí)斷時(shí)連問(wèn)題的根本原因，并提出解決方法和思路，為今后EPON技術(shù)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

1 EPON技術(shù)原理及其在隧道中應(yīng)用的必要性

EPON是基于以太網(wǎng)的PON技術(shù)，采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無(wú)源光纖傳輸，在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)，具有成本低、帶寬高、擴(kuò)展性強(qiáng)、與現(xiàn)有以太網(wǎng)兼容和方便管理等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 EPON系統(tǒng)構(gòu)成和傳輸原理

EPON系統(tǒng)由局端設(shè)備OLT、用戶端設(shè)備ONU和光分配網(wǎng)(Optical Distribution Network，ODN)組成。

EPON通過(guò)單根光纖傳送收發(fā)信號(hào)，這種機(jī)制叫做單纖雙向傳輸機(jī)制，用到的技術(shù)是波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術(shù)，采用不同波長(zhǎng)(下行1 490 nm，上行1 310 nm)實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)在1根光纖上同時(shí)傳輸上行數(shù)據(jù)流和下行數(shù)據(jù)流而相互不影響。

1.2 EPON技術(shù)在隧道中應(yīng)用的必要性

由于隧道設(shè)備的布置較為密集，采用傳統(tǒng)的組網(wǎng)形式會(huì)存在以下問(wèn)題：

1)設(shè)備較多，有源設(shè)備需要消耗能量，對(duì)于改造項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，增加有源設(shè)備會(huì)給原有系統(tǒng)的不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)帶來(lái)較大的壓力，甚至需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容；

2)每增加1臺(tái)有源設(shè)備就會(huì)增加1個(gè)故障點(diǎn)和1個(gè)發(fā)熱點(diǎn)，且隧道空間相對(duì)密閉，散熱條件不佳，減少有源設(shè)備有利于改善隧道環(huán)境，提高設(shè)備的使用壽命。

EPON是基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，目前相關(guān)技術(shù)已較為成熟，EPON商用芯片和光模塊已得到逐步優(yōu)化，設(shè)備成本不斷下降，已達(dá)到規(guī)模商用水平，故可將EPON技術(shù)應(yīng)用到隧道工程中。

2 EPON網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范和光功率預(yù)算

2.1 EPON光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范

OLT和ONU的技術(shù)參數(shù)是光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)參數(shù)。一般情況下，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品分為10 km傳輸距離和20 km傳輸距離2種，不同傳輸距離對(duì)應(yīng)不同的發(fā)射功率和接收范圍，且因采用的光器件不同，各指標(biāo)有所不同。表1為OLT和ONU的技術(shù)參數(shù)。

表1 OLT和ONU的技術(shù)參數(shù) dBm

分路器是EPON系統(tǒng)中不可缺少的無(wú)源光纖分支器件，用于將通過(guò)光纖輸入的光信號(hào)對(duì)應(yīng)的功率按比例分配到若干輸出用戶線光纖上，一般有1分2、1分4、1分8、1分16、1分32和1分64等6種。表2為ODN光損耗參數(shù)。

2.2 EPON光功率預(yù)算

2.2.1 光飽和度

光飽和度又稱飽和光功率，是指在一定的傳輸速率下維持一定的誤碼率(10-12～10-10)時(shí)的最大輸入光功率。

需注意的是，光探測(cè)器在強(qiáng)光照射下會(huì)出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象。出現(xiàn)該現(xiàn)象之后，探測(cè)器需要一定的時(shí)間恢復(fù)原狀態(tài)，此時(shí)接收靈敏度下降，接收到的信號(hào)有可能被誤判，進(jìn)而造成誤碼現(xiàn)象，同時(shí)容易損壞接收端探測(cè)器，在操作過(guò)程中應(yīng)盡量避免超出其飽和光功率。

2.2.2 ODN光通道損耗

光通道損耗是ODN最重要的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。判斷EPON光路是否滿足傳輸要求，最重要的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是在實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)束之后，看其能否符合OLT與ONU之間的光功率預(yù)算要求[2]。影響光功率衰減的主要因素有：分光器插入損耗(不同分光比有不同的插入損耗)；光纜本身的損耗，與長(zhǎng)度有關(guān)；光纜熔接點(diǎn)損耗；尾纖/跳纖通過(guò)適配器端口連接的插入損耗。這些因素引起的損耗總和即為光通道損耗。在工程設(shè)計(jì)中，必須控制ODN中最大的功率衰減值，建議控制在26 dB以內(nèi)。光通道損耗s的計(jì)算式為

表2 ODN光損耗參數(shù)

s=LXa+n1Xb+n2Xc+n3Xd+e+f

(1)

式(1)中：a為光纖每公里平均損耗，dB/km；L為光纖總長(zhǎng)度，km，工程中使用的光纖跳纖和尾纖的一般長(zhǎng)度較短，可忽略；b為光纖熔接點(diǎn)損耗，dB；n1為熔接點(diǎn)的數(shù)量；c為光纖機(jī)械接續(xù)點(diǎn)損耗，dB；n2為機(jī)械接續(xù)點(diǎn)的數(shù)量；d為連接器的損耗，dB；n3為連接器的數(shù)量；e為光分路器的損耗，dB，這里只考慮一級(jí)分光，若是二級(jí)分光，則要分別考慮2臺(tái)光分器造成的損耗；f為工程余量，一般傳輸距離小于等于5 km時(shí)取1 dB，傳輸距離在(5，10]km時(shí)取2 dB，傳輸距離大于10 km時(shí)取3 dB。

通常只考慮ODN中最大的功率衰減值，建議控制在26 dB以內(nèi)，否則會(huì)接收不到。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝的不斷完善，各環(huán)節(jié)的損耗不斷減少，有可能導(dǎo)致衰減值不夠，使光功率超出ONU或OLT接收范圍的臨界點(diǎn)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。圖1 為ODN網(wǎng)絡(luò)插入損耗計(jì)算示例。

圖1 ODN網(wǎng)絡(luò)插入損耗計(jì)算示例

以圖1為例，以表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，分別計(jì)算EPON系統(tǒng)在10 km和20 km傳輸距離下的適用范圍。

2.2.3 10 km EPON系統(tǒng)

1)若傳輸方向?yàn)橄滦校僭O(shè)光纜的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1(中間無(wú)斷點(diǎn)接續(xù))，分光器為1分2分光器，由表2可知，10 km OLT光模塊的發(fā)射光功率為2 dBm，10 km ONU光模塊的接收飽和度為-3 dBm。由此可得L1=3.4 km。

2)若傳輸方向?yàn)樯闲校僭O(shè)光纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)2(中間無(wú)斷點(diǎn)接續(xù))，分光器為1分2分光器，由表2可知，10 km ONU光模塊的發(fā)射光功率為4 dBm，10 km OLT光模塊的接收飽和度為-1 dBm。由此可得L2=2.43 km。

由于EPON是雙向傳輸?shù)?，故只有取L1和L2中的大值(即L>3.40 km)，傳輸才會(huì)穩(wěn)定。

若在ODN中將最大的衰減值控制在26 dB以內(nèi)，工程余量取3 dB，則有：

1)上行傳輸，假設(shè)光纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)3(中間無(wú)斷點(diǎn)接續(xù))，可得L3=75.40 km；

2)下行傳輸，假設(shè)光纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)4(中間無(wú)斷點(diǎn)接續(xù))，可得L4=53.90 km。

由于EPON是雙向傳輸?shù)模嗜3和L4中的小值(即L<53.90 km)，最遠(yuǎn)能傳輸53.90 km。

若分光器為1分4分光器，則有：

1)下行方向，L=-12.60 km<0；

2)上行方向，L=-9.00 km<0。

由此可知，當(dāng)分光器分光數(shù)≥4時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)傳輸不穩(wěn)定的情況。

同理，若在ODN中將最大的衰減值控制在26 dB以內(nèi)，工程余量取3 dB，可計(jì)算出L<42.40 km，故最遠(yuǎn)能傳輸42.40 km。

綜上，對(duì)于10 km的OLT和ONU，在實(shí)際中采用1分2的分光器時(shí)要考慮主干光纜的最短長(zhǎng)度是否滿足要求，在采用1分4及1分4以上的分光器時(shí)要控制鏈路損耗。

2.2.4 20 km EPON系統(tǒng)

假設(shè)分光器為1分n分光器，則有：

1)下行方向，20 km OLT光模塊的發(fā)射光功率為7 dBm，20 km ONU光模塊的接收飽和度為-3 dBm；

2)上行方向，20 km ONU光模塊的發(fā)射光功率為4 dBm，20 km OLT光模塊的接收飽和度為-6 dBm。

在ODN中將最大的衰減值控制在26 dB以內(nèi)，工程余量取3 dB，可計(jì)算出主干光纜的長(zhǎng)度見(jiàn)表3。

表3 不同分光器下主干光纜長(zhǎng)度的計(jì)算值

由表3可知，當(dāng)分光器分光數(shù)大于等于8時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)連的情況。

因此，對(duì)于20 km的OLT和ONU，在實(shí)際工程中采用1分2和1分4的分光器時(shí)要考慮主干光纜的最短長(zhǎng)度是否滿足要求，在采用1分8及1分8以上的分光器時(shí)要控制鏈路損耗。

3 EPON技術(shù)在外灘隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)用

3.1 外灘隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外灘隧道南起上海東門路，北至吳淞路海寧路，設(shè)匝道連接延安路高架和東長(zhǎng)治路。隧道為雙層結(jié)構(gòu)，福州路到天潼路段采用盾構(gòu)法施工，上層由南向北(上行)，下層由北向南(下行)，雙向4～6車道，全長(zhǎng)約3.3 km。

外灘隧道已建成通車多年，原有監(jiān)控系統(tǒng)為模擬系統(tǒng)，機(jī)電設(shè)備老化現(xiàn)象十分突出，原有系統(tǒng)技術(shù)較為落后，無(wú)法滿足現(xiàn)階段的運(yùn)營(yíng)管理需求和行業(yè)管理需求。對(duì)此，將原有模擬攝像機(jī)改造為高清攝像機(jī)，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整體更新。同時(shí)，將EPON技術(shù)應(yīng)用到該系統(tǒng)中，既恢復(fù)系統(tǒng)原有的功能，更新老化設(shè)備，又對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)更新，提升其總體性能，滿足行業(yè)管理要求，提高隧道的服務(wù)水平和突發(fā)事件應(yīng)急處置能力，特別是后期設(shè)備的擴(kuò)容，優(yōu)勢(shì)明顯。

外灘隧道高清監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 外灘隧道高清監(jiān)控系統(tǒng)

3.2 外灘隧道監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題和解決方案

由于外灘隧道全長(zhǎng)只有3.3 km，距離較短，且用到了1分2、1分4和1分8等3種分光器，為保證系統(tǒng)具有較高的可靠性，選擇了20 km傳輸距離的OLT和ONU產(chǎn)品，并未考慮采用距離的最小值。在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，1分2分光器和1分4分光器連接的攝像機(jī)時(shí)斷時(shí)連，排查故障時(shí)以為是設(shè)備出現(xiàn)了問(wèn)題，并未考慮接收飽和度的情況，直到測(cè)得光功率之后才找到引發(fā)該問(wèn)題的原因。

該問(wèn)題的解決思路有2種：

1)從鏈路入手，增加其損耗；

2)從設(shè)備端入手，改變其發(fā)射功率或接收范圍，從根本上予以解決。

第一種思路有以下2種方法：

1)增加光纖衰減器(方法1)；

2)將1分2的分光器和1分4的分光器換成1分8的分光器(方法2)。

第二種思路有以下2種方法：

1)若為近距離使用，則在設(shè)計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)通過(guò)計(jì)算分析，合理地降低OLT和ONU的發(fā)射功率，即將出廠時(shí)光模塊的發(fā)射功率調(diào)低(方法3)；

2)增大ONU和OLT的接收范圍，提高其接收飽和度，使其落在發(fā)射功率范圍內(nèi)(方法4)。

這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況靈活運(yùn)用。

1)第1種方法：光纖衰減器的選擇范圍較廣，價(jià)格較低，衰減可調(diào)范圍較廣且穩(wěn)定，但不利于標(biāo)準(zhǔn)施工；有的添加，有的不加，容易混淆，且要反復(fù)核定光功率，使其在合理的范圍內(nèi)，要求調(diào)試人員具有一定的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備。由于增加了一個(gè)器件，不僅增加了成本，而且多了一個(gè)故障隱患點(diǎn)。

2)第2種方法：施工簡(jiǎn)單，施工人員直接更換，無(wú)需復(fù)核光功率，且多余的端口可備用，但工程成本有所增加，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

3)第3種方法：將光模塊發(fā)射功率調(diào)低，使其由標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品變?yōu)榉菢?biāo)產(chǎn)品，從根本上解決問(wèn)題，但后期維護(hù)比較麻煩，一旦損壞，需專門定制，不僅會(huì)增加成本，而且比較耗時(shí)。

4)第4種方法：理論上可行，但受技術(shù)和材料的限制，比較難實(shí)現(xiàn)。

綜上，這4種方法既可單獨(dú)使用，又可組合使用，其中前2種方法具有成本低、簡(jiǎn)便易行和效果顯著等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程應(yīng)用中較為常見(jiàn)。外灘隧道采用了第1種方法，實(shí)測(cè)所得光功率基本上都在-10 dBm左右，通信連接正常，系統(tǒng)運(yùn)行順暢。

外灘隧道監(jiān)控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為符合EPON的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，若增加設(shè)備，只需增加ONU的數(shù)量和少量用戶側(cè)光纖即可方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)；同時(shí)，OLT與ONU之間僅有光纖和光分路器等光無(wú)源器件，無(wú)需租用機(jī)房，無(wú)需配備電源，無(wú)需有源設(shè)備維護(hù)人員，可有效節(jié)省建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

在應(yīng)用EPON技術(shù)時(shí)，需根據(jù)工程的具體特點(diǎn)制訂合適的應(yīng)用方案。在外灘隧道應(yīng)用EPON技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較清晰，節(jié)約主干光纜。引入POS，將原有的有源設(shè)備替換為無(wú)源設(shè)備，能大大降低故障發(fā)生率，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。由于隧道內(nèi)的攝像機(jī)具有數(shù)量多、碼率大和碼流多等特點(diǎn)，在應(yīng)用EPON技術(shù)時(shí)，還要關(guān)注帶寬是否滿足要求，合理地規(guī)劃負(fù)載，使負(fù)載均衡，從而避免出現(xiàn)圖像卡頓和丟幀現(xiàn)象。

本文從理論上分析了EPON技術(shù)在短距離傳輸過(guò)程中可能引發(fā)的問(wèn)題，給出了解決方案，可為今后EPON技術(shù)的工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)思路和排障方案。