基于GPON 系統(tǒng)的鐵路業(yè)務(wù)接入設(shè)計與應(yīng)用

江 浩

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)公司,湖北武漢 430063)

1 概述

隨著鐵路信息化的發(fā)展,鐵路綜合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對帶寬的需求不斷增加,現(xiàn)有鐵路承載網(wǎng)帶寬已逐漸出現(xiàn)瓶頸。 另一方面,隨著鐵路新建項目的增多,既有節(jié)點引入新建節(jié)點的通道日趨復(fù)雜,需要研究統(tǒng)一的接入方案,以滿足網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性以及帶寬等各方面的發(fā)展需要。

GPON 技術(shù)具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶接口豐富等眾多優(yōu)點[1],可滿足鐵路各類業(yè)務(wù)日趨增長的接入需求。

2 GPON 系統(tǒng)概述

GPON 技術(shù)是一種無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)技術(shù),它可以支持點到多點的應(yīng)用,是一門新興的光接入技術(shù),可有效解決網(wǎng)絡(luò)提供商與商業(yè)用戶或者家庭用戶之間“最后一公里”的數(shù)據(jù)傳輸問題[2]。

GPON 是基于ITU-TG.984.x 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。 該標(biāo)準(zhǔn)支持PSTN、PSTN、數(shù)據(jù)、專用線路、數(shù)字視頻業(yè)務(wù),可將多種業(yè)務(wù)映射到GEM 幀中進(jìn)行傳送,也可提供高質(zhì)量的QoS 并對各種業(yè)務(wù)類型進(jìn)行保障[3]。

2.1 GPON 系統(tǒng)構(gòu)成

GPON 系統(tǒng)由以下三個部分組成,分別為光線路終端設(shè)備(OLT)、包含光無源器件的光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)以及處于用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備/光網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(ONU/ONT)[4]。 ODN 通常由單模光纖、光連接器與分光器等無源光器件組成,ODN 的作用是為GPON OLT 與ONU 之間提供物理傳輸通道[5]。

GPON 系統(tǒng)有多種組網(wǎng)方式,如樹型、環(huán)型、總線型以及混合型等[6](如圖2 所示)。 其中,樹型結(jié)構(gòu)多用于電信運(yùn)營商FTTH/FTTB(Fiber To The Home/Fiber To The Building,光纖到戶/光纖到樓)模式,該模式的特點是用戶較分散,ONU 設(shè)置在用戶端,最多可設(shè)置3 級分光器,以減小光纖鏈路總的插入損耗;總線型結(jié)構(gòu)由不均勻分光器來實現(xiàn),一般適用于鏈型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):環(huán)型結(jié)構(gòu)也是基于不均勻分光器,其邏輯上為開環(huán),物理上為閉環(huán),是一種特殊的總線型結(jié)構(gòu),可適用于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1112]。

圖1 GPON 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

2.2 GPON 系統(tǒng)優(yōu)勢

目前,鐵路接入網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正由窄帶業(yè)務(wù)向?qū)拵I(yè)務(wù)發(fā)展,從傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)向視頻、多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展。 既有鐵路接入網(wǎng)的能力局限性已日益顯現(xiàn)。 而相較于既有鐵路接入網(wǎng),GPON 系統(tǒng)有以下技術(shù)優(yōu)勢[7]。

(1)GPON 技術(shù)是一種基于無源光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不需要電源與其他電子部件,易于維護(hù)。 從長期發(fā)展的角度看,可以節(jié)約大量管理及維護(hù)成本。

(2)GPON 系統(tǒng)采用不等比分光,其物理傳輸通道僅需單芯光纖,可以大大減少光電纜的敷設(shè)以及配套設(shè)備。

(3)GPON 系統(tǒng)接口接入方式靈活,便于擴(kuò)展,可提供POTS、FE 、GE 等多業(yè)務(wù)接口,滿足數(shù)據(jù)、圖像、語音等多類業(yè)務(wù)的接入需求。

(4)帶寬分配靈活,服務(wù)有保證。 GPON 對帶寬的分配和保證有一套完整的體系,可以通過動態(tài)帶寬算法來實現(xiàn)對每個用戶的帶寬分配,并保證每個用戶的QoS 應(yīng)用,可以高效率地傳輸語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種不同業(yè)務(wù)。

(5)GPON 設(shè)備有主流廠家支持,設(shè)備有統(tǒng)一的網(wǎng)管,網(wǎng)管集成度、可靠性、安全性較高,可擴(kuò)展性強(qiáng),適合鐵路發(fā)展的需要。

3 鐵路GPON 系統(tǒng)

3.1 鐵路GPON 系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)類型

GPON 系統(tǒng)可承載的鐵路業(yè)務(wù)包括鐵路行車運(yùn)輸組織、客貨營銷與經(jīng)營管理等活動中使用的數(shù)據(jù),語音,圖像業(yè)務(wù)等[8]。

(1)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

電力、電氣化SCADA、電源及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、會議電視系統(tǒng)、各系統(tǒng)網(wǎng)管及復(fù)示終端接入、車輛5T、辦公信息網(wǎng)、旅服、各類班組接入業(yè)務(wù)等。

(2)語音業(yè)務(wù)

鐵路電話、直通電話、會議電視語音業(yè)務(wù)。

(3)圖像業(yè)務(wù)

各類視頻采集。

3.2 GPON OLT

GPON OLT 是GPON 系統(tǒng)中對業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚的設(shè)備,它是PON 系統(tǒng)的核心。 GPON OLT 可對系統(tǒng)進(jìn)行集中帶寬分配,同時對各ONU 進(jìn)行實時監(jiān)控,運(yùn)行、維護(hù)、管理整個PON 系統(tǒng)[5](最大可以支持40 km 的光纖傳輸)。 在鐵路應(yīng)用中,一般將GPON OLT 設(shè)置在車站的通信機(jī)械室。

目前,國內(nèi)普速鐵路的站間距大多為8 ～15 km,OLT 的最大傳輸距離可以覆蓋多個區(qū)間。 因此,根據(jù)鐵路實際情況,可每2 ～3 個車站設(shè)置1 套GPON OLT 設(shè)備,在未設(shè)置GPON OLT 設(shè)備的車站設(shè)置分光器。

高速鐵路及客運(yùn)專線站間距大多接近40 km,若采取隔站設(shè)置的方式會超過GPON OLT 的最大傳輸距離。 因此,對于高速鐵路及客運(yùn)專線可采用逐站設(shè)置的方式,在沿線各車站均設(shè)置1 套GPON OLT設(shè)備。

3.3 GPON ONU

GPON ONU 是GPON 系統(tǒng)中的用戶設(shè)備,受OLT集中控制,可為接入網(wǎng)用戶提供多種接口,包括語音、數(shù)據(jù)、視頻等[9],通常安裝在有數(shù)據(jù)及電話業(yè)務(wù)需求的班組、設(shè)備房屋內(nèi)[10],通過光纖資源接入GPON OLT 設(shè)備。

對于不涉及承載重要業(yè)務(wù)或行車指揮及行車安全的節(jié)點,如普通班組辦公網(wǎng)絡(luò)接入及會議電視等,可不采取Type B 或Type C 的方式進(jìn)行保護(hù),以節(jié)省工程投資。

對于承載重要業(yè)務(wù)或涉及行車指揮及行車安全的節(jié)點,可采取Type B 或Type C 的方式進(jìn)行保護(hù)。

3.4 分光器

分光器是GPON ODN 中的重要組成部分,用來分配光信號功率。 GPON 系統(tǒng)支持的分光比為1 ∶2/4/8/16/32/64/128,分光器分光路數(shù)越大,OLT 每個PON口可接入ONU 的數(shù)量越多,但也帶來插入損耗的增大。

對于需要在車站通信機(jī)械室匯聚的各類鐵路業(yè)務(wù),如電力SCADA、電氣化SCADA,可以將分光器設(shè)置在車站通信機(jī)械室,在電力、變電設(shè)備房屋內(nèi)設(shè)置GPON ONU。

對于接入節(jié)點較分散的業(yè)務(wù)(如班組計算機(jī)網(wǎng)),可以采取多級分光器的方式,在車站通信機(jī)械室設(shè)置一級分光器,在班組相對集中的地方設(shè)置二級分光器,在各班組設(shè)置GPON ONU。 對于大型車站、編組站,通過設(shè)置二級分光器,可以減少光纜敷設(shè)總量,并且使得GPON 系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性,便于后續(xù)新增班組的接入。

4 鐵路GPON 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

目前,GPON 系統(tǒng)已經(jīng)在部分鐵路局的鐵路線路中得到運(yùn)用。 以廣州局管內(nèi)京廣鐵路蒲圻-白石渡段(蒲白段)、貴廣鐵路三水南-佛山西區(qū)間為例,介紹GPON 系統(tǒng)的設(shè)計。

4.1 京廣線蒲白段GPON 系統(tǒng)設(shè)計

(1)京廣線蒲白段概況

京廣鐵路蒲圻-白石渡段全長601 km,共有63 座車站,平均站間距為9.54 km。 采用SDH 10Gb/s+SDH 2.5Gb/s 傳輸系統(tǒng)與雙平面數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng),設(shè)有35 個電氣化所亭、17 個電力配電所、58 個電力開關(guān)站以及700 余處班組。

(2)GPON OLT 設(shè)置

京廣鐵路為普速鐵路,根據(jù)鐵路實際情況,每2 ～3 個車站設(shè)置1 套GPON OLT 設(shè)備,設(shè)置情況見表1。

表1 蒲白段GPON OLT 設(shè)置

續(xù)表1

蒲白段共設(shè)置52 套GPON OLT,與既有數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入路由器采用GE(O)互聯(lián)。 其中株洲北為三級七場編組站,共有各專業(yè)班組200 余個,故在株洲北編組站I、III、IV、VI 場以及新站調(diào)樓各設(shè)置1 套16 PON 口GPON OLT,以滿足編組站各場班組的接入需求。

蒲白段GPON 組網(wǎng)示意如圖2 所示。

圖2 蒲白段GPON 組網(wǎng)示意

(3)GPON ONU 設(shè)置

在蒲白段電氣化所亭、電力配電所以及開關(guān)站內(nèi)設(shè)置雙歸GPON ONU 設(shè)備,配置16FE(e)+16POTS 接口,在13 處無數(shù)據(jù)網(wǎng)接入路由器的車站通信信號變電所設(shè)置16FE(e)GPON ONU 設(shè)備,共計93 套雙歸GPON ONU 設(shè)備,利用京廣線既有干纜中的2 芯,采取Type C 的保護(hù)方式接入上下行車站的GPON OLT,以滿足遠(yuǎn)動業(yè)務(wù)的保護(hù)需求。 其余45 處通信信號變電所直接通過FE(o)接口接入車站數(shù)據(jù)網(wǎng)。

在各車間、班組節(jié)點設(shè)置ONU 設(shè)備,采用“1 個PON 口+1 個1 ∶N 分光器+單口ONU 方式”的保護(hù)方案,在同一綜合樓、站房內(nèi)的車間和班組僅設(shè)置1 臺ONU 設(shè)備;未設(shè)置OLT 的車站設(shè)置雙歸ONU,分別與鄰站OLT 互聯(lián),采用Type C 的保護(hù)方案(共計418 套單歸ONU,43 套雙歸ONU)。

車間設(shè)置的每臺ONU 設(shè)備擬按150M 預(yù)留帶寬,班組設(shè)置的每臺ONU 設(shè)備擬按100M 預(yù)留帶寬。 即OLT 每個PON 口至車間級ONU 設(shè)備不超過8 個,至班組級不超過10 個。

(4)分光器設(shè)置

電力/電氣化遠(yuǎn)動業(yè)務(wù)需采取Type C 保護(hù)方式接入上下行車站GPON OLT,且京廣鐵路干線光纜資源有限。 因此,采用不等比分光的方式,在區(qū)間接入節(jié)點設(shè)置2 個10 ∶90 分光器,只需利用2 芯干線光纜,即可滿足Type C 保護(hù)方式的需求,如圖3 所示。

圖3 基于不等比分光的Type C 保護(hù)方式接入示意

在車站通信機(jī)械室設(shè)置1 ∶4,1 ∶8 分光器,匯接二級分光器或GPON ONU 設(shè)備,在部分班組設(shè)置二級分光器,匯接就近班組的GPON ONU 設(shè)備,以減少光纜敷設(shè)的工作量。 預(yù)留部分分光器端口,以滿足后續(xù)更多班組接入的需求。

4.2 貴廣鐵路三水南-佛山西區(qū)間GPON 系統(tǒng)設(shè)計

(1)區(qū)間概況

貴廣鐵路三水南-佛山西區(qū)間全長17.84 km,該區(qū)間新設(shè)視頻采集點23 處。

(2)GPON OLT 設(shè)置

貴廣鐵路為高速鐵路,考慮上下行區(qū)間的長度,在三水南站與佛山西站各設(shè)置16PON 口GPON OLT 設(shè)備1 套。

(3)GPON ONU 設(shè)置

在區(qū)間23 處視頻采集點設(shè)置GPON ONU 設(shè)備,配置8FE 接口,采用不等比分光的方式,利用貴廣鐵路既有干線光纜,分別接入三水南站、佛山西站GPON OLT 設(shè)備,每臺ONU 設(shè)備擬按10M 預(yù)留帶寬。 考慮視頻業(yè)務(wù)并非影響行車安全的重要業(yè)務(wù),全部視頻采集點采用單歸ONU 設(shè)備。

(4)分光器設(shè)置

貴廣鐵路干線光纜資源緊張,故采用不等比分光的方式,在23 處區(qū)間接入節(jié)點設(shè)置1 個10 ∶90 分光器,在三水南、佛山西車站設(shè)置1 ∶8 分光器。 考慮插入損耗的影響,每條鏈路不超過6 個GPON ONU 設(shè)備,共計4 條鏈路。 由于該區(qū)間長度小于GPON 最大傳輸距離(40 km),故4 條鏈路可任意向上、下行車站接入(小里程接入三水南車站,大里程接入佛山西車站),只需利用2 芯干線光纜即可滿足區(qū)間視頻接入的需求,如圖4 所示。

圖4 貴廣鐵路區(qū)間視頻接入拓?fù)鋱D