PON接入技术应用及网络建设

张春凌

中国移动设计院北京分公司

PON接入技术应用及网络建设

张春凌

中国移动设计院北京分公司

随着互联网的迅猛发展，新业务层出不穷，人们对接入带宽的需求越来越高，而宽带光纤接入技术的快速发展，为实施接入网络的转型升级，加速FTTx建设奠定了基础。作为移动运营商，为克服城区铜缆资源缺乏的不足，积极采用新的光纤接入技术，为用户提供高带宽、多业务的综合接入能力，是适应业务发展需求，应对市场环境变化，促进网络转型的重要举措之一。本文主要结合当前宽带光纤接入技术和业务需求，对移动运营商PON技术的应用和网络建设进行了探讨。

宽带光纤接入；需求；PON部署；ODN设计

1 宽带光纤接入技术发展趋势

1.1 主要光纤接入技术

宽带光纤接入技术主要包括点对点技术（P2P，如点对点光以太网）和点对多点无源光网络技术PON（Passive Optical Network，简称PON,目前主流为EPON、GPON等）两大类。

1.1.1 点到点光接入技术

点到点光接入技术从局端到每个用户都用一对或一根独立的光纤，局端和用户端各需要1个光收发器。用户带宽主要取决于用户端和局端设备，每个用户的上下行带宽可达到100Mbit/s、1000Mbit/s甚至更高。缺点是由于每个用户独占一对光纤和光收发器，在大规模应用情况下建设成本高。

因此P2P技术适合于用户分布比较分散、高带宽（100Mbps以上）和安全性要求较高的专线接入用户，不能成为公众宽带用户的主流解决方案。

1.1.2 无源光网络技术（PON）

无源光网络（PON）技术与点对点（P2P）方式相比，能够大量节省主干光纤和局端设备光接口，用户带宽配置灵活，是未来宽带光接入的主要选择。PON技术的发展经历了APON/BPON(ATM PON/Broadband PON,)、EPON（Ethernet PON，以太网无源光网络）、GPON（Gigabit-Capable PON，千兆无源光网络）、WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing PON，超长距离无源光网络)和10GEPON的过程。

（1）EPON技术

EPON技术于2003年由IEEE（美国电气与电子工程师学会）完成标准化工作，以千兆以太网技术为基础，通过MAC层之上的点到多点控制协议（MPCP协议）来实现PON点到多点传输方式，但OAM(Operation Administration and Maintenance)能力稍弱。目前技术已基本成熟，商用芯片和设备均较多，产品成熟度较好，已基本解决接入IP业务时不同厂商OLT和ONU之间的互通问题，是现阶段PON应用的主流技术。

（2）GPON技术

GPON技术由ITU在APON技术的基础上发展而来，沿用了APON的标准协议框架，增加了GEM这一新的TC层帧封装方式，对QoS和OAM有严格规定，承载TDM业务的能力较强，协议相对复杂。GPON技术近期发展较快，各厂家GPON产品支持Internet接入、话音、IPTV、视频监控、E1等多种业务的承载，能基本满足运营商远程维护管理的需求，但目前在互通性方面需进一步完善。

10G-GPON是在现有GPON基础上的进一步演进，具备带宽更高、支持接入的业务更多和传输距离更远的特点。虽然目前还未商用，但作为引领下一代接入网发展的主流PON技术有很大的市场发展空间。

1.2 PON接入技术发展趋势

（1）EPON向10GEPON演进

运营商的FTTH（光纤到户）建设带动PON技术和市场更加成熟的同时，也加速了下一代PON技术的商用进程。下一代PON接入技术的主要标准之一为IEEE提出的10GEPON标准，10G EPON满足了在现有光纤上增加更多客户和带宽的需要，有望在2010年底实现商用。

（2）GPON向NGAPON演进

NGAPON的发展可以分为两个阶段，即NGA1PON和NGA2PON。

NGA1PON与目前的GPON标准兼容，可实现网络的平滑过渡，包括10GGPON和WDM-PON，其中非对称(下行10Gbit/s上行2.5Gbit/s)的10GGPON将成为现期的一种过渡技术。WDM-PON在技术上有很多优势，包括能透明传输各种协议的所有业务流，不需改变物理设备就可以升级带宽，可以较好地解决安全问题，但WDM-PON中可用波长数目有限。

NGA2PON不考虑对目前GPON网络的兼容性，而是高速率、长距离和大分光比的WDM-PON与TDM-PON相结合的混合PON网络。

（3）两种技术的融合——WC-PON

随着光编解码技术取得突破性的发展，OCDMA-PON(光领域的CDMA)的实现成为可能，可以更好地解决传统TDM-PON中的一系列问题。但是OCDMA也存在一些缺点，如码长序列有限，码间串扰随着码长增加明显增加等。如果能够综合WDM-PON和OCDMA-PON的优势，则可以在网络承载能力、复用、对称性和安全性方面取得全面的突破，这种混合PON技术将成为光接入技术的发展趋势。

图1 PON技术发展路线示意图

图2 PON组网结构图

图3 ODN构成示意图

2 PON网络结构

2.1 PON组网结构

典型的PON系统由局侧OLT（光线路终端）、用户侧ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）组成，ODN由单模光纤和光分路器、光连接器等无源光器件组成。PON组网结构见图2。

2.2 PON系统组成

2.2.1 OLT光线路终端

一般位于局端，是整个PON系统的核心设备，向上提供接入网与核心网/城域网的高速接口，向下提供面向无源网络的一点对多点的PON接口，以广播方式向各ONU发送数据。OLT是PON系统的控制中心，提供网络集中和接入的功能，针对用户QoS的不同要求进行带宽分配、网络安全控制和管理配置。

2.2.2 ONU光网络单元

ONU为网络接口单元，采用以太网络协议，实现以太网第二层第三层交换功能，实现对用户数据的透明传送。也支持TDM协议，通过E1接口来实现传统TDM话音接入。

2.2.3 ODN光分配网

ODN位于PON网络中OLT侧S/R参考点和ONU侧R/S参考点之间。ODN可采用单级分光方式或多级分光方式，其构成见图3。

ODN的光纤/光缆网络一般分为馈线（主干）光缆、配线光缆和入户光缆。

主干光缆是从OLT到光分配点（通常光交接箱/光分纤箱）的光纤链路。

配线光缆是从光分配点（通常光交接箱/光分纤箱）到用户接入点（通常指距离用户最近的光分纤盒/箱）的光纤链路。

入户光缆是从用户接入点（通常指距离用户最近的光分纤盒/箱）到ONU的光纤链路。

3 分类客户光纤接入网建设模式

3.1 分类用户业务需求分析

3.1.1 集团/商用客户需求分析

行政类用户

如市委、市政府等行使管理职权的部门。随着政府上网工程的逐步展开，行政类用户（如政府、公安、税务、财政局、检察院、武警、教育等系统部门）对Internet、多媒体会议等需求将会有较大增长。

金融类电信大用户

主要包括各类银行机构、证券交易和保险公司。该类用户一般对于商务处理、电子商务以及虚拟专用网业务的应用较多。用户特点是以高速数据传输为主，实时性和可靠性要求高、传输突发性大。

医疗结构

随着未来多媒体业务的展开，其中远程医疗是未来解决医疗人员匮乏、医疗手段相对落后的较好的方式。

高等院校和中学

由于工作需要及其自身具有较高文化素质，对于多媒体业务需求呈现多样化，例如信息检索、局域网互联、电子邮件、远程教育等。

星级宾馆、智能写字楼、企业集团等大客户

在解决电话业务需求之后，对于多媒体业务的需求主要侧重于局域网互联、多媒体信息点播、事务处理、电子邮件等。

3.1.2 公众住宅用户需求分析

公众住宅用户需求呈现出的大带宽、高速率、综合化的业务发展趋势，对语音、宽带、视频业务的综合接入需求，大大推进了FTTH的建设。

城市新建住宅小区是FTTH建设的重点。构建信息化社区，实现全业务覆盖，打造智能家庭是新建小区、高档住宅小区的发展目标。

3.1.3 宽带专线用户需求分析

企业信息化建设与应用水平日益提高，形成了对通信网络资源的更大需求，要充分考虑为这部分专线客户提供足够的带宽资源，为企业信息化建设创造良好的外部环境。光纤可为宽带专线用户提供快速、高效、便捷的通信网络资源。

3.2 带宽需求分析

随着宽带技术、流媒体技术的快速发展，IPTV、视频监控、网络游戏等高带宽业务普遍应用，对网络带宽提出了更高要求。

预计未来1～3年，单用户带宽需求为下行带宽10M～20M，上行带宽3M～4M；如果考虑家庭可能有多路标清或高清电视，3～5年接入带宽达到下行20～30M，上行4～8M。

表1 典型业务带宽需求表

3.3 客户分类建设模式

3.3.1 集团客户建设模式

集团及商企客户接入应按高标准建设，积极采用PON技术实现FTTB/O（光纤到楼/办公室）,为保证其高可靠性，可通过PON双纤保护或主备双分光路由来实现业务保护，用户局域网可直接接入ONU；在业务需求明确且投资效益合理的情况下，可采用FTTO方式进行建设。

集团及商企客户语音接入较为密集，也可通过MSTP环网等有保护的传送方式接入IP城域骨干网，以确保大客户语音通信安全。

商企客户接入应结合带宽需求及资源现状，在客户相对集中的写字楼、工业园区、网吧集中区、商贸区等，如用户带宽需求不高，可以采用PON方式进行接入。

3.3.2 公众客户建设模式

公众客户根据业务需求和驻地网资源状况，优先采用基于PON的FTTH或FTTB（PON+LAN）模式，实现语音和数据的综合接入。

FTTH（PON）建设模式

ONU采用壁挂式设备箱安装，置于用户室内相对隐蔽且便于维护的位置，综合布线时，用户信息面板尽量部署在用户室内，避免安装在门口或楼道内。若为新建楼宇，需尽早和开发商协商解决用户室内光纤的综合布线。

FTTB（PON+LAN）建设模式

对于开发商已建设五类线的新建住宅区，可采用FTTB（PON＋LAN）方式进行建设，光缆直接推进到用户楼宇。

ONU安装位置优选弱电间或设备间，次选大楼楼道或竖井内机柜，楼内部署困难时，可部署在小区基站或室分机房或采用建设室外机柜的方式。

需要指出，当采用FTTx方式时，ONU上联OLT可利用基站空闲资源，但基站资源使用应坚持移动业务优先原则。

4 PON网络规划设计

4.1 PON网络建设原则

随着PON技术的日臻完善和规模商用，选择PON技术实施宽带接入网的建设，实现宽带提速升级，全面推进FTTx建设成为各大通信运营商的主流选择。对移动运营商而言，目前主要采用GPON技术实施FTTx建设，网络建设要遵循以下原则：

保护投资

在满足客户当前需求同时综合考虑未来业务扩展需要，以及网络运维成本等因素，充分保护当前投资，提高资金使用效率。

可靠性

网络系统应根据业务和客户需求，进行可靠性设计，保证高可靠性。

易扩展

FTTx 网络规划时要充分考虑向FTTH接入的演进，保证FTTx 网络的易扩展性。

标准化

系统设计应遵循所有相关的ITU、IEEE标准，同时还应支持国内行业标准和中国移动制订的相关企业标准、规范、要求等。

4.2 OLT设备部署

OLT设备的用户容量集成度较高，上联带宽需求大，一般集中部署在靠近承载网的汇聚机房，对配套资源需求较少，也便于设备的集中管理维护，节约网络上联所需传输资源。因此，在覆盖范围允许的情况下尽量OLT设置在传输汇聚机房。建议OLT覆盖半径应不大于10KM（链路长度不大于15KM）。

部分区域如在客户、业务密集区域，可根据实际情况将OLT下沉放置在客户侧，充分利用光缆、机房、供电配套等资源条件，选择区域内现有机房（如基站机房等）作为OLT设备的放置点，原则上不为OLT的设置新建机房。

移动运营商建设GPON网络时，建议只部署一个厂商的OLT及配套的ONU、分光器等设备。

4.3 ONU设备部署

ONU 的安装位置较为灵活，不需要专门的机房，可根据用户需求和建设模式选择安装位置，大体可分为：安装在光交间内、安装在楼道/竖井内、安装在用户区（终端箱内或壁挂、台面安装）。ONU供电采用220V交流市电，断电时用户语音需求可用GSM/3G替代。

4.4 ODN设计和部署

4.4.1 光分路器的选择与设置

光分路器的设置位置直接影响光缆芯数的需求。在实际组网设计时，应综合考虑线路成本、OLT设备PON口成本、维护成本、可扩展性等因素，尽量采用一级分光，以减少故障点、便于故障定位和系统优化。

工程设计中，分光比和分光器的数量，需要结合用户带宽需求、ONU端口数、ONU数量和分布进行综合考虑。若用户带宽需求增加，可通过增加光分路器数量进行优化，降低光分路比，提高用户带宽。

用户需求带宽计算公式为：

∑所有业务（业务分配带宽×业务用户比率×集中比×流量占空比）×总用户数/带宽冗余系数。

--上网业务：普通上网业务集中比为50%，流量占空比按50%计算，系统内带宽冗余系数按80%计取；典型高带宽业务如IPTV媒体流则不取流量占空比。

--语音业务：普通用户话务量每线约为0.031Erl，每用户带宽按100kbit/s取定。

下面举例说明，若某小区用户带宽需求有两种：70%用户带宽需求为2Mbit/s，主要为普通上网业务；30%用户带宽需求为8Mbit/s，主要包含IPTV业务。则该小区上网带宽需求为宽带用户数×（2Mbit/s×70%×50% + 8Mbit/s×30%）×50%/80%，语音带宽需求为窄带用户数×0.1Mbit/s×0.031/80%。若已知1个PON口下行线路有效带宽约1000Mbit/s，可求出PON口的需求总数，即工程初期最少配置分光器的个数。

4.4.2 ODN的光功率计算方法

ODN的光功率预算是GPON网络规划中非常重要的一个环节。ODN网中光纤链路损耗包括了S／R和R／S（S：光发信参考点；R：光收信参考点）参考点之间所有光纤和无源光元件（光分路器、活动连接器、光接头等）所引入的损耗。

光纤链路损耗采用最坏值法计算，光通道衰减计算公式如下：

（ODN光链路衰减+Mc）≤系统允许的衰减

公式中：

Mc：光纤富余度。

计算时相关参数取定如下：

--光纤衰减：1310nm波长时，取0.36dB/km；1490nm波长时，取0.22dB/km。

--光活动连接器插入衰减取0.5dB/个。

--光纤熔接接头衰减取定：分立式光纤接头衰减取双向平均值为0.08dB/每个接头，带状光缆光纤接头衰减取双向平均值为0.2dB/每个接头。

--冷接子双向平均值取0.15dB/每个接头。

--分光器插入衰减参数取定见表2。

表2 分光器典型插入衰减参考值

（6）光纤富余度Mc：当传输距离≤5km时，Mc不少于1dB；当传输距离≤10km时，Mc不少于2dB；当传输距离 >10km时，Mc不少于3dB。

4.4.3 光功率计算实例

某厂家OLT设备的GPON口发送光功率为0.5～5.0dBm，ONU的接收灵敏度最大值为-27dBm，按照最坏值法进行传输指标核算，OLT-ONU之间的传输衰耗不应大于27.5dB。实际方案中ONU距离OLT约2公里，一级2:16分光，共经过3个活动连接器，则全程衰耗为21.22dB，小于27.5dB，计算如下：

表3 光功率衰减计算

结论：通过光纤链路衰耗核算，可确定ODN的传输距离和网络结构。为保证一定的传输距离，必须尽量减少ODN网络中的光纤适配耦合次数（活接头数量），尽量减少光缆分歧次数。

5 结束语

伴随着运营商网络运营的需要以及技术的发展趋势，整个电信网面临着网络结构扁平化、运营管理维护智能化、网络融合带来的业务综合承载化以及网络高可靠性的趋势，作为网络端到端一部分的宽带光纤接入网技术已成为未来通信网发展的关键，是今后一段时期内国际通信技术研究、开发和建设的热点。采用宽带光纤接入网是光纤通信发展的必然趋势。

[1]王庆,胡卫等. 光纤接入网规划设计手册.人民邮电出版社.2009

[2]熊伟成.宽带接入网发展趋势.烽火科技报.2007.4

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.069