GPON网络在铁路场景通信的建设及应用

任伟丽　崔炳胜

摘要：本文主要介绍GPON技术原理、系统结构、特点、网络建设原则及应用模式。

关键词：无源光网络;GPON;接入网技术

一、PON技术概述

目前市场应用的宽带接入技术主要包括XDSL、LAN、MSTP等。近年来，世界范围内的宽带技术进入了高效、快速的发展时期，传统专线接入技术已逐渐不能满足需求，这就是意味着新的接入设备不仅要满足不断增长的带宽需求，还要具有承载多业务的、统一网络的能力。因此进行宽带接入网络改造以及多业务转型势在必行。

当前北京铁路局数据网接入层均采用ADSL技术，来实现铁路通信业务最后一公里的覆盖，随着北京局基础网建设的逐步推进，ADSL技术已经无法支撑目前铁路通信业务和班组信息化建设的高带宽和高可靠性保障，并且其他路局均开展GPON网络对ADSL网络的逐步替换。由此可见，北京局的GPON网络建设也需尽早实施。

二、GPON主要结构和特点

GPON网络的主体结构包括光线路终端、光网络单元及ODN。其中，光线路终端也称为局侧OLT，光网络单元又称为用户侧ONU，ODN的主要构成则为单模光纤、分光器、光连接器件等。

在GPON网络中，OLT是核心服务设备，通常部署于服务站点终端，例如各站段的车间或者大的车站。OLT的上联接口与基础网接入路由器相接，实现上行接入;下行接口则通过单根光纤与用户终端的分光器相连，分光器则与ONU或者ONT设备连接，构成了基本的GPON网络系统。OLT（局端设备）承担着下属终端设备的分配带宽的职能，能够实现对网内所有的ONU及ONT终端的管理与维护;ONU及ONT则属于GPON网络的用户终端，一般可放置在车间班组内;ODN则是光分配网构建起局端OLT与用户端ONU的数据输出的通道。在GPON网络中，可以根据具体需要选择是否配备WDM或NE模块，从而实现对部分特殊业务的有效支持。

在实际建设使用中，GPON网络一般结合WDM技术构建网络系统，通过单根光纤实现数据的双向传输。与传统的单根光纤单向传输模式相比，该模式实现了基于单根光纤的双向数据交互，在确保充分的传输效率的同时极大降低了网络系统对光纤资源的需求，因此表现出明显的成本优势。GPON网络与WDM技术的综合运用，实现了OLT设备下行信号在网络节点的自动分配，构建起一种类似与电台广播的服务模式，由单个OLT对其覆盖区域内的所有ONU的数据信号进行管控。与此同时，每个ONU或者ONT终端还可以根据自身使用的需求，自由决定其从OLT处获取的数据载荷。通常情况下，GPON网络的架构形式为树状结构，具有光传输介质的共享优势，并且满足各个ONU终端的数据需求，并设定其独特的传输时隙从而避免了干扰和冲突。这一网络模式能够充分保证每个用户终端对带宽质量的需求，不同用户之前的资源分配更加合理高效，能够充分体现WDM技术的优势。

（一）GPON系统的主要特点：

（1）大容量、高效率：基于GPON技术，宽带用户的理论下行与上行速率将分别达到2.5G与1.25G，能够充分满足路局未来班组之间大容量数据的需求;而基于GEM技术的封装模式，也能够极大提升数据传输效率。

（2）传输距离长：基于GPON技术，用户侧与局侧的最大距离高达20KM，附和铁路沿线班组距離远的特点，极大提升了网络服务终端的覆盖范围。

（3）稳定可靠：基于GPON技术的光纤网络以无源光元件为物理通道，便于系统的维护和检修;该组网技术优势主要体现在仅有OLT和ONU为有源设备，需要接入电源，其它传输设备和器件均为无源设备，不需要接入电源，增强了稳定可靠性。该方式适用于铁路沿线班组房屋面积有限，机房空间不足的现状。

（4）数据安全：采用GPON技术的网络本身具备良好QOS保证与完善的保护功能。因此更加容易获得用户的认可与信赖。另外，OLT具有集中带宽分配、控制各ONU、实时监控、运行维护管理PON系统的功能。ONU为接入网提供用户侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与ODN的接入，受OLT集中控制。

（5）高度集成，成本费用低：该网络以单根光纤实现数据的双向传输，将通过一个统一的接入平台满足区域内用户的全业务需求，因此表现出较为显著的成本优势。

三、GPON技术的应用模式

PON技术运用于接入网中，具有多种接入模式，常用的有FTTB、FTTC和FTTH（FTTO）。

1.FTTB应用模式

FTTB也称光纤到楼宇的接入方式，主要特征是用光纤代替原有使用者接入点之前的双绞线，然后用终端的ONU设备放置在原用户接入分线盒位置。ONU下利用其它传输介质方式进行接入，目前通常适用五类双绞线或者采用无线的方式，一般每个ONU分为8口、16口、32口等，支持的用户数可达到100个左右。

在FTTB应用模式中，OLT设备一般放在局端机房，作为用户业务的收敛及分发。下联接入一般通过光纤接口，利用光纤连接ONU终端设备，在ONU处终结光信号，一般通过以下接口方式与用户端进行连接，包括POTS、ADSL、VDSL、以太网等方式。

FTTB的接入模式，需要在ONU处接入电源，以北京路局各班组实际情况来看，可利用班组内的交流电源实现供电，在有条件的区域，还可利用原机柜电源供电，主要考虑有电池做电源保护，确保稳定性。

根据网络拓扑的实际情况，有如下三种FTTB的接入模式：

（1）FTTB+xDSL

将接入点放置在车站及班组车间，原有DSLAM设备采用GPON上联口，班组末端侧使用xDSL接口利用双绞线进入至末端用户。该方式使用了原有的线缆资源，采用成熟的AD或者VD的相关技术，可以充分利用现有的线路投资。提供小容量的DSL和MDU，通过使用一体化综合机柜，保障在室外较恶劣的使用环境使用。

（2）FITB+LAN

将光纤端接点分布在车站及班组，通过ONU终结光信号，利用配备多个以太网接口与用户端连接。采用此种方式，终端用户到ONU的距离不能超过100米。

2.FTTC应用模式

此种方式光网络单元ONU通常放在室外、车务车间或货运车间中的机房或楼道中，1个ONU通常为多个办公区域提供服务，用户端为双绞线，铜缆距离在500米左右;分光器布放在几个小区间的光交接箱内。这种方式比较适合用户密度低且比较分散的场合，但是缺点也很明显。

3.FTTH应用模式

光纤到办公区，机务车间，是利用光纤传输媒质连接局端OLT和班组的接入方式，接入的光纤可由单个班组、车间独享。在ONU和OLT之间采用无源的光分配网络，OLT可以置于远端的汇聚局机房，也可以置于车间机房，可以参考实际情况而定。FTTH的应用模式在ONU节点处需要提供电源，该问题可以采用班组内的交流电直接供电。

以上所说的FTTH模式，非常适合车站和班组的使用。班组级车站的通信覆盖已经比较普遍，目前几乎所有的车站均采用ADSL接入技术实现，随着视频会议系统、大数据照片上传等高带寬的业务引入，原有的网络需要进行必要的升级改造。GPON光接入平台立足高带宽接入，充分考虑各站段和班组的实际情况，分层次提供一步到位的FTTH。接入业务包括语音、数字车站、宽带上网（有线和无线方式可选）、办公OA、视频会议系统等，满足各个班组有线方式、无线方式、外网及内网等各种业务接入的需求。

四、网络建设原则

综合考虑GPON技术特点、成熟度、投资成本、业务需求、等多方面的因素GPON网络建设需注意以下几点：

1.GPON OLT建设方案

根据北京局现状建议在各正线车站通信机械室设置GPON OLT设备，GPON OLT设备通过GE上联接口双归接入同机房A/B平面两台接入路由器（PE）或PTN设备，实现GPON系统与数据网系统数据、语音（IP）业务的互联。车站通信机械室、站段机房以及光缆汇聚节点处按需设置相应分光比的分光器与光缆构成光纤分配网络（ODN）。车间、班组等业务接入节点设置GPON ONU，实现终端用户的数据、语音业务接入。

GPON OLT设备本着分等级装备的原则，根据各站接入节点数量及容量选取不同接入能力的设备，在满足近期网络改造的前提下，充分预留中远期接入能力并合理降低工程投资。

2.GPON ONU建设方案

根据北京局现状在各车间、班组节点新设GPON ONU设备，解决各节点数据、语音业务接入。在车站信息机房新设GPON ONU设备，为两网融合工程信息专业 CE路由器提供接入条件。

既有站段铁路自动电话接入方式仍采用地区电缆接入临近程控交换机或车站通信机械室传统接入网网络单元设备（NU）实现。因既有地区电缆敷设时间较长，性能逐年劣化，不满足铁路运输生产的需要，本工程在站段机关所在地按需设置GPON ONU设备，利用GPON光网络实现铁路自动电话业务接入，同时预留IP电话接入能力。

站段、车间、班组、信息机房接入用户需求不同，GPON ONU设备按照分等级装备的原则进行选型。

3.IGPON光纤分配网络（ODN）建设方案

光纤分配网络（ODN）是GPON光接入网中设置在GOPN光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间线路和设备的总称，用来分配光信号功率，是实现OLT与ONU之间光信号传输的物理通道。光纤分配网络（ODN）通常由分光器、光缆、光缆接续及终端的配线设备组成。

（1）分光器

ODN受光线、连接点、分光器等损耗会有不同程度衰耗。由于不同器件损耗情况如下表所示：

从上表可知GPON系统上行1310nm波长光纤损耗大于下行1490nm波长光纤损耗，因此进行ODN网络计算光纤衰减时取上行1310nm波长每公里平均损耗（0.35dB）做为光纤损耗参考值。

常用的分光器有1：2～1：64，分光器分光路数越大OLT每PON口可接入ONU数量越多，而损耗也会越来越大，ODN光纤链路长度缩短，每个ONU终端用户可用带宽降低等问题。一级分光、二级分光或多级分光是ODN网络的分光方式，从实际情况来看，铁路车站、站段，尤其是班组都较为分散，但是安全可靠的要求又不降低，因此建议选用1：8或1：16的分光器。

（2）光缆

从以往的建设经验中可以看到，GOPN网络建设中光缆建设投资占比通常达到总投资60%～75%，所以正确合理的规划和建设GPON光接入网中的光缆线路，对于车间、班组联网接入非常关键。

车站、站段的GPON光网络一般可使用树型或星形的拓扑结构，一些业务量大并且周边有较多车间、班组接入的节点作为光缆汇集点，该节点至车站、站段通信机械室的光缆作为主干光缆，并在该节点设置分光器，临近车间、班组节点就近接入光缆汇集点汇聚节点，避免所有接入光缆集中敷设至车站、站段通信机械室，这样可以减少光缆铺设量，有效降低工程投资。

各线沿线区间接入节点GPON光网络通常采用链型网络结构，以有效节约区段光纤资源。设置有区段光缆的线路，区间接入节点就近敷设至区段光缆，利用区段光缆接入临近车站GPON OLT设备。

五、结束语

GPON技术在实际应用中具有其广覆盖、低成本，多模式，多保护等特点，并且由于PON接入系统具有无源性，在室外的光网络中没有任何的有源设备，因此较少故障节点，具有很高的可靠性。另外通过光纤传输不受带宽限制，安装方便和成本低廉的优势，节约了未来通信段维护和处理故障的成本。因此，GPON方案为北京铁路局宽带接入网提供了较好的网络规划思路，它以更宽的带宽、更便宜的成本，较丰富的综合业务接入能力及快速业务的部署能力满足未来铁路局信息化快速发展的需求，是较好的方案选择。