基于电信级以太网的EPON 解决方案助力智慧矿山建设

梁忠辉，潘 成，罗 鹏

武汉烽火网络有限责任公司

1 引言

矿山资源是不可再生资源，随着社会的发展，人类对各类矿产资源的需求越来越大，国家对矿山资源的管理也逐步完善。矿业安全生产成为目前最为关注的焦点，党和政府越来越高度重视生产安全的各项措施的落实工作。高新科技的迅猛发展，特别是信息、网络技术的发展，为强化和深化安全生产管理、提高管理部门工作效能提供了强大的技术支撑，也为加强对矿业安全生产的监管力度，对矿井的生产运营现场及时实时监测监控提供了更加智能的解决方案。

受全球信息演进的“智慧地球”的影响，智慧矿山主要基于物联网技术，以智能化、信息化为基础,实现各类信息的统一管理和共享。如生产、运输、销售、安全、统计、人力等环节，通过对矿山各类数据的分析和存储，提供决策建议和解决方案，并将其自动反馈给相关的系统或决策部门。

武汉烽火网络有限责任公司 （以下简称烽火网络）作为通信行业的主流厂商关注智慧矿山的建设，致力于智慧矿山网络层解决方案研究，烽火网结合自身的技术特点和目前智慧矿山建设的需求提出了最具特色基于“电信级以太网的EPON”的智慧矿山承载方案，为智慧矿山建设提供可靠、高速、稳定的网络服务。

2 智慧矿山需求分析

“智慧矿山”由3个核心系统组成：智慧生产、智慧安全、智慧物流。支撑“智慧矿山”的技术主要包括计算机与信息处理、云计算、物联网、通信与工业自动化技术。智慧生产主要是指矿山生产与经营的信息自动化，以自动化、计算机网络技术为主；智慧安全主要是指矿山的安全监控系统与安全治理措施，以传感技术为主；智慧物流主要是指人与物的定位与流向管理，以定位识别技术为主。而“智慧”主要体现在这些系统相互衔接，相互促进，相互保障。

“智慧矿山”建设中矿区需要传输的数据种类较多，如：话音业务，矿井下面的人员有时需要实时与矿上工作人员沟通；控制数据，矿井下面的瓦斯监控数据，人员、车辆定位数据，都需要实时上传；视频数据，井下视频监控的数据需要实时上传，使管理部门能实时知道井下工作情况。

因此，建设“智慧矿山”的综合数据承载网络，提供高水平通信技术保障的需求日益强烈。结合前面的分析总结出“智慧矿山”承载网络需满足以下要求。

·多业务承载：为矿山的多种业务应用与传输通信网络提供统一的综合业务传送平台，满足矿区视频、话音、数据业务的综合承载。

·高可靠性：在环型组网和树型双归组网拓扑结构中，要求在50 ms以内实现对关键业务的保护倒换。矿区的人员定位、车辆定位及瓦斯监控的数据信息的安全可靠传输，涉及矿区安全生产作业；对于光纤线路和设备故障导致的网络中断，必须能够通过可靠的措施提供业务的保障。

·高带宽：具有较高的传输带宽，支持万兆以太网，并在流量高峰情况下仍然具有较高的效率、时延低。由于视频监控点多、视频业务对带宽要求高，只有建设高速的承载网络才能满足视频监控业务对带宽的需求。

·支持QoS：能根据智慧矿山的要求，针对不同的业务提供相应等级的服务质量保证，如拥塞管理及控制、报文分类、流量整形等强大的QoS功能，保证网络高效有序的运行。

·兼容性：与现有各系统等无缝兼容，针对未来需求可平滑升级，有效保护已有投资，节省宝贵的资源。

·可扩展需求：随着智慧矿山业务的逐步完善丰富，新的业务系统会逐步建设，同时，随着新的矿井建设，承载网络肯定需要扩容，要求承载网络具备一定的扩展性。

3 智慧矿山承载网络建设方案

烽火网络电信级以太网设备支持OLT EPON接口卡，把电信级以太网技术和EPON技术有机结合，为用户提供基于电信级以太网的EPON的一体化解决方案。

电信级以太网，是指在传统以太网的基础上，应用电信网的技术，具备网络和业务的可扩展性、运营级网管维护能力和服务质量保障等电信级运营所需要的能力，从而解决IP、以太网、TDM等多业务的传送问题，并向城域网乃至广域网延伸，推动传统电信网络向分组化网络转型，并且应用领域从运营商用户向行业用户扩展。

EPON技术是将以太网和无源光网络相结合的技术，EPON接入网络具有投资成本低、操作维护简单等优势，为运营商解决“最后一公里”接入提供了非常经济有效的解决方案，同时在各个行业的专网中也取得了大量的应用。EPON系统主要由光线路终端 （OLT）、光分配网络（ODN）和光网络单元（ONU）组成。OLT将光接入网连接到IP汇聚层或者骨干层，通过汇聚层或者骨干层设备将用户接入到业务节点，ONU放置在光纤延伸的最末端，为多业务提供接入。在PON系统中，ODN是由主干光缆、分路器、配线光缆、光纤接头、法兰盘等各种无源光器件组成的无源网络。

核心层：部署烽火网络S4600/M8416E电信级以太网设备，组成10GE以太环网，保证未来几年的带宽需求。核心层完成业务的汇聚和收敛功能；电信级以太环网确保在出现单节点故障或者光纤链路故障时，可在50 ms以内恢复业务节点之间的通信，以保证网络和业务的安全可靠。

汇聚接入层：烽火网络S4600/M8416E电信级以太网设备支持EPON接口卡，单卡可支持16个PON接口，通过在不同位置部署ODN，将ONU和ODN以链型或星型结构延伸至每个信息采集点，非常适合矿井的坑道结构走向。EPON接口卡单卡可覆盖512个信息采集点。信息采集点主要包括车辆调度系统、视频监控系统、人员定位系统、门禁系统等，整个系统实现了光纤互联和光纤接入，相比电缆提供了更高的安全性和可靠性。网络拓扑如图1所示。

4 基于电信级以太网的EPON解决方案的特点

（1）组网能力强

满足矿区的各种组网拓扑要求，电信级以太网支持环型（单环、相切环）、链型、星型等多种拓扑，支持多点双归属上联。提供基于以太环网的小于50 ms自动保护倒换能力，增强了视频监控、瓦斯监控等关键应用的可靠性。对于ODN规划，建议以树形为主，结合矿区光纤部署情况，采用一级或二级分光方式。从提高光缆资源利用率和PON口使用效率的角度出发，二级分光方式适合矿区接入点分散的场合。在EPON发展初期，ONU数量较少相对分散的情况下，可将光分路器设置在靠近OLT的地方，随着业务部署的增加，再将光分路器逐步下移到靠近ONU的地方。基于电信级以太网的EPON的组网方案充分适应矿区现有资源的情况，弹性业务/弹性组网，采取灵活的拓扑进行网络部署。

（2）基于以太网的多业务承载

满足话音、视频、数据多业务承载需求，除了提供百兆以太网光/电口、吉比特以太网光/电口、万兆以太网光口用于以太网业务的接入外，还可以提供对TDM业务的支持，满足矿区话音业务的需求。话音业务正在由传统的PSTN向下一代网络和IMS过渡。因此对于EPON系统，在ONU和OLT之间，话音都承载在IP报文中传输。对于2G和未IP化的3G基站的接入使用E1（TDM 2M）接入。基于电信级以太网的EPON系统由于采用以太网作为传输技术，因此使用电路仿真（CESoP）方式来支持TDM业务。以太网的高带宽和QoS技术可以很好地保证视频业务的开展。

（3）端到端的 QoS

端到端的QoS保证，可以高效地利用网络资源，优化多业务承载。支持多种调度方式，为用户提供最小带宽的预留以及高性能和低时延传送，保证智慧矿山不同业务的QoS需求。

图1 智慧矿山承载网络组网拓扑

通过深度分析转发报文，可以动态智能地标识不用的业务流，为后续的业务控制和QoS调度打下基础。在承载网络中根据业务报文中的QoS标记进行有差别的调度处理。通过多种QoS算法和调度策略，如RED和WRED丢弃算法、WFQ和PQ等队列调度策略，为不同业务提供不同的带宽保证。对网络敏感的话音业务在EPON内可以设置最高优先级，分配一定的保证带宽。表1所示为各种业务的QoS要求。

（4）可靠性高、环境适应性强

基于电信级以太网的EPON系统采用高可靠性设计方法，选取高质量的元件，提供完善的保护功能。系统采用多个风扇冗余，根据机箱内部的温度动态调节风扇的性能，保证系统的散热系统长期可靠运行。设备经过高、低温环境测试，能够适应各种工作环境，满足矿井下复杂的工作环境。

表1 业务的QoS要求

网络结构采用环形拓扑的高可靠结构设计，生存性高、运行灵活、高效，可使智慧矿山承载网络更加优质健壮。环网自愈技术无需人为干预，遇到网络故障能在极短时间内恢复所承载业务。烽火网络电信级以太网多业务平台基于ITU-T X.87标准，提供环网拓扑下的电信级50 ms业务保护。它在环形拓扑网络中采用分布式环保护算法，对于故障通告和恢复均采用分布式处理，具有较低的时间和空间复杂度，对系统的要求低，同时支持环内自愈、环间互通，为建设高可靠性的、强大的智能矿山生产管理通信网络提供了支撑。

PON系统组网都为树型结构，这符合矿区的实际环境。OLT到分路器之间为主干光纤，分路器到ONU为支路光纤。PON的保护分为两类：主干光纤保护和全保护。主干光纤保护倒换配置对OLT、OLT和光分路器之间的光纤进行备份，光分路器的OLT侧有两个输入输出端口，这种组网方式只能恢复OLT侧故障。全光纤保护倒换对OLT、ONU、光分路器和全部光纤进行备份。在这种配置方式下，通过倒换到备用设备可以在任意点恢复故障，具有高可靠性。在智慧矿山的建设中可以根据对可靠性的要求，选择不同的保护方式。

图2 甘肃某镍矿智能矿山组网

（5）良好的可扩展性

电信级以太网基于以太网的分组化平台，支持百兆、吉比特、万兆以太网，环路带宽可从10/100 Mbit/s平滑升级至N×10GE；设备采用模块化设计，配置方便、扩展灵活；支持链型、星型、单环、多环等网状拓扑结构，环网的节点数量、多环拓扑可根据业务需要及时调整。在满足当前带宽需求的情况下为将来可预见阶段内的流量增长和新业务开展提供网络保障，而且保护了用户的已有投资，非常适合矿区业务点分散的架构特点，适用于进行共网络建设。

5 案例分析

烽火网络承载解决方案在甘肃某镍矿项目中取得应用，主要实现矿下GSM网无线覆盖，实现与上层有效沟通、人员定位、车辆定位等功能，实现对矿下人员、车辆的数量、动向进行全面掌握，实现矿区考勤系统的承载。电信级以太网设备主要实现这些业务数据上传到地面中心机房，实现与中心机房的人员定位系统和基站的2 Mbit/s接口对接。EPON系统主要实现人员定位系统、车辆定位系统等各个业务系统的接入。

烽火网络的解决方案是在地下每个层面机房放置一台M8228E设备，在地面机房放置2台M8228E设备，在中心机房放置2台M8416E设备。6台电信级以太网设备组成2GE环网，实现数据的上传，数据通过中心机房接入internet。井下两台设备通过两个矿井口，实现数据上传到地面。人员定位系统、车辆定位系统分别通过ONU接入到承载网络。组网拓扑见图2。

6 结束语

随着政府大力推动物联网应用，物联网在各个行业取得了飞速发展。智慧矿山是物联网在矿山领域的应用，承载网络的建设决定了智慧矿山业务的发展。长远来看视频监控、RFID、传感器网络等感知和识别技术与通信网络的深度融合，将推动智能矿山的发展。智慧矿山的承载网络解决方案必须结合智慧矿山的业务情况进行深入分析，在技术先进性和成本之间进行平衡，寻求最合适的解决方案。

1 张傲.三网融合下的FTTx网络.北京：人民邮电出版社，2011

2 解海东,李松林,王春雷等.基于物联网的智能矿山体系研究.工矿自动化，2011（3）