1、PON网络的规划与设计 摘 要：随着宽带业务的发展，我国三大运营商正在进行大规模的PON网络建设。本文结合业务带宽需求的发展以及国家产业政策的要求，分析了PON网络的规划与设计中的重点问题，并介绍了所涉及的相关技术以及规划模型。 关键词：PON FTTx OLT ONU ODN 光分路器 EPON GPON 1 引言 随着宽带数据业务的发展，国家对三网融合的推进，以及物联网的蓬勃发展，都对宽带发展提出了更高的要求。现有的带宽将不能满足其需求，需要承载更多数据和业务的下一代宽带网络的支持。尤其是网络接入部分（最后一公里）存在严重的带宽“瓶颈”。接入部分两端目前已跨入吉比特级以上的速率，如用户端广
2、泛使用的PC内部传送的速率已达到吉比特速率；而作为接入部分的另一端，城域网或骨干网的每波长速率也已达到2.5Gbps10Gbps，它们比接入部分高出至少3个数量级。在这样一个大背景下，突破接入网瓶颈变得越来越迫切，只有突破接入部分的带宽“瓶颈”，才能使整个网络有效发挥宽带的作用，真正推动各种业务的发展，给运营商带来经济效益和社会效益。因此能够实现更宽、更快、更优宽带接入的PON技术获得了各个运营商的青睐。 2010年4月8日，工业和信息化部、国家发改委、国土资源部等7部委联合发布3年投资规模1500亿人民币推进光纤宽带网络建设的指导意见。在国家力量的参与下，我国三大运营商中国电信、中国移动、中
3、国联通都进行大规模的PON网络建设，未来几年建设量将出现大爆发式的增长。但目前在PON网络建设过程中对建设模式、覆盖范围、网络容量及网络保护等问题存在有不同的看法，因此本文将对PON网络建设规划中的网络覆盖、网络容量、网络保护三个问题作重点介绍，同时为了使网络能满足将来中长期业务发展的需要，对 PON网络建设应遵循的原则、及网络资源分配原则等前期所需进行规划的内容也做一个简单的分析。 2 PON技术简介 PON（Passive Optical Network），无源光网络。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，“无源”是指 OD
4、N中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光纤和光分路器等无源光器件组成，如 图 所示。 图 1 PON组网结构（以2级分光方式为例） PON技术包括APON/BPON、EPON、GPON技术，支持更高速率的10GEPON、10G GPON技术。目前我国各运营商基本上采用EPON和GPON两种技术来建设PON网络。 PON网络根据ONU所在的位置不同，可以有以下几种FTTx的应用模式：光纤到家庭用户（FTTH）、光纤到公司/办公室（FTTO）、光纤到楼宇（FTTB）、光纤到交接箱（FTTC）、光纤到村（FTTV）等。对应以上几种FTTx的应用模式，PON网络存在以下3种典型建设模式： （1）
5、FTTH /O FTTH/O建设模式是指采用PON技术实现光纤到户，每个家庭用户/办公室部署一个ONU，单个ONU（ONT）为单个家庭用户/办公室提供数据、语音和视频业务。 （2）FTTB+LAN FTTB+LAN建设模式是指采用PON技术实现光纤到楼层或单元，在楼宇部署支持多用户的ONU，ONU到最终用户采用五类线接入，为多个用户提供数据、语音和视频业务。 （3）TTB/C + DSL FTTB/C+DSL建设模式是指采用PON技术实现光纤到楼宇或光纤到楼边（楼旁路边），在楼宇部署支持多用户的ONU，ONU到最终用户采用双绞线DSL接入。 3 PON网络建设的原则 进行PON网络的建设，应兼
6、顾业务目前的现状及将来的中长期发展，并结合未来网络演进、技术发展、改造投资、运营成本来综合制定总体方案。 （1）市场驱动原则 在开展PON网络规划初期，必须根据用户性质、用户密度分布等情况来明确引入PON建设的目的、采取何种建设模式、及预计达到何种目标等。 （2）投资有效性原则 PON网络建设应充分考虑投资与效益的均衡，注重投资成本的整体回报。根据用户需求、应用场景，选择适合的建设模式。 （3）可靠性原则 PON网络应通过系统和网络两个层面保证高可靠性。 （4）易扩展原则 PON 网络的发展是一个逐步将接入光缆向终端用户延伸的过程，在进行 ODN网络规划时，必须充分考虑向FTTH接入的演进，保
7、证PON网络的易扩展性。同时也要保证将来网络容量扩容时的易扩展性。 （5）标准选择及支持原则 PON技术包括APON/BPON、EPON、GPON、 10GEPON、10G GPON技术，应根据实际情况，选择不同的PON技术体制，同时PON系统应支持所相关的ITU、IEEE标准，同时还应支持国内行业标准和企业标准。 （6）其它 PON网络应实现所有网元由统一的网络系统管理。同时要及时对网络的资源资料进行整理并录入相关资源库。 4 PON网络覆盖范围规划 从图1 PON组网结构中可以看出，PON网络覆盖范围其实主要考虑的是ODN网络所覆盖的范围。而ODN网络的覆盖范围主要要考虑ODN的光功率衰减
8、因素，在网络设计前需对 ODN 光通道衰减的预算，控制 ODN 最大的衰减值，使其符合PON系统的光功率预算要求。PON系统允许的光功率预算见表 。 表 1 PON系统允许的光功率预算（最坏值估算） 设备类型 光器件类型 最大允许衰减 1310nm 1490nm EPON 1000BASE-PX20 24dB 23.5dB GPON B+ 28dB 28dB 注：目前EPON设备较少采用1000BASE-PX10类型的光器件，GPON设备较少采用A/B/C类光器件，因此本文件暂不考虑上述几种类型的光器件。 ODN光通道衰减所允许的衰减定义为S/R和R/S参考点之间的光衰减，以 dB表示。ODN
9、光通道衰减包括光纤、光分路器、光活动连接器、光纤熔接接头所引入的衰减总和。 应采用最坏值法进行ODN光通道衰减预算，常用的ODN光通道模型见图 2。 图 2 ODN光通道模型 图 2 ODN光通道模型 ODN光通道衰减预算公式： 公式中， ：为光通道全程n段光纤衰减总和； ：为m个光活动连接器插入衰减总和； ：为p个光纤熔接接头衰减总和； ：为k个光分路器插入衰减总和； Mc：光纤链路光衰减富余度 计算时相关参数典型取值如下： 光纤衰减： 1310nm波长，0.36dB/km 1490nm波长，0.22dB/km 光活动连接器插入衰减：0.5dB/个 光纤熔接接头衰减：分立式光缆光纤接头衰减双
10、向平均值为0.08dB/每个接头；带状光缆光纤接头衰减双向平均值为0.2dB/每个接头； 冷接子双向平均值为0.15dB/每个接头； 计算时光分路器插入衰减参考值见表 ； 光纤富余度Mc：传输距离10公里时，光功率预算富余度不少于2dB； 传输距离10公里时，光功率预算富余度不少于3dB。 表 2 光分路器典型插入衰减参考值 分光器类型 衰减值 1:2 1:4 1:8/2:8 1:16/2:16 1:32/2:32 FBT或PLC 3.6dB 7.3dB 10.7dB 14.0dB 17.7dB 注：表中所列典型插入衰减值仅针对均匀分光型器件。在FTTV等应用场景下，考虑到ONU放置的分散性，
11、一般需要采用不均匀分光方式，光分路器的实际插入衰减值取决于定制的分光比率。 ODN在光节点设置上分为光汇聚点、FP点（光灵活点）、DP点（光分配点），在网络结构上以主干光缆配线光缆引入光缆三层结构为主，结合 ODN光通道计算的衰减值，以及下面介绍的网络容量等因素，以采用 EPON技术为例，来确定各光节点的覆盖范围。 光汇聚点。OLT设备一般设置于光汇聚点，城市区域OLT覆盖半径（主干光缆）尽量控制在1.53Km，农村区域OLT覆盖半径（主干光缆）尽量控制在510Km。 FP点覆盖半径（配线光缆）控制在300500米，主要用于汇聚多条配线光缆的光交接设施。 DP点。城市中心区域的DP点覆盖半径应
12、控制在100200米，市郊和县城区域的DP点覆盖半径应控制在100300米，农村DP点覆盖面积可以以自然村为界划定。 在光缆建设规划上，主干光缆应留有一定的富裕量，以便满足将来PON网络扩容升级的需要。如一个PON口将来不能满足现在所覆盖用户容量需求时，只需在OLT设备上增加一个PON口，在FP点增加一分路器，把原分路器所带的一半用户割接至新增的分路器上即可使网络容量带宽增加一倍。 5 网元设置原则 从图 1的PON组网结构示意图中，我们可以看出，PON网络主要有OLT、光分路器及ONU三种网元。 5.1 OLT网元位置的设置 考虑到接入光缆网络的分层结构以及 PON 光链路预算，在城市地区，
13、 OLT优先设置于母局，也可设置于业务量大的模块局、接入点汇聚层节点。目的，减轻主干光缆的纤芯资源压力，也为今后FTTH创造条件。农村地区考虑到网络实际情况，OLT根据需要可放在乡镇局所或县城机楼。 5.2 ONU设置位置 ONU 应根据PON网络的应用模式、业务需求进行设置： 1) FTTB/C：ONU应尽可能靠近用户，以缩短接入电缆的长度。可选择将ONU放置于楼道综合信息箱，设置在大楼楼道或竖井内机柜、室外光交接箱等不同位置集中放置。 2) FTTH：ONU置于用户住宅内相对隐蔽且便于维护的位置。应尽量将ONU 设置在用户家里，避免安装在门口或楼道内。对普通公众用户，可将 ONU 设置在用
14、户综合信息箱内提供保护，或者放置于桌面（采用光纤信息插座）。 3) FTTO：ONU一般放置在企业、单位的中心机房内，以获得最优越的保障设施条件，同时也方便与用户设备对接。 5.3 光分路器的设置 光分路器设置的理想目标：减少分光器上行光缆的用纤量，减少分光器下行光缆的长度。同时保证分光比尽量用足，不要浪费分光比。 由此，光分路器设置的总原则：以树形结构为主，分光方式应尽量采用单级均匀分光方式，不宜超过2级，设计时应充分考虑光分路器的端口利用率，根据用户分布情况选择合适的分光方式：ONU数量多时，分光器尽量地下沉；ONU数量少时，分光器尽量地上浮。 光分路器对应于PON网络的不同应用模式、业务
15、需求分别进行设置： 1) FTTC模式：光分路器一般设置于FP点，城区可设于主干光交、接入网机房等；农村区域可设于村接入网机房，甚至是EPON专用光缆接头盒。 2) FTTB 模式：光分路器一般设置于 DP 点，如配线光交、光缆分纤箱、小区交接间等；若是主干光交直带区域，光分路器也可设置于主干光交中。 3) FTTH模式：光分路器一般设置于配线光交（别墅区用户）、楼道光缆分纤箱（小区用户）。 4) FTTO模式：光分路器一般设置于主干光交（工业区）、大楼光缆分纤箱或大楼交接间（商业楼宇）。 6 网络容量计算 PON网络带宽容量的预算包括两方面的内容，单个PON口接入用户数的预算和OLT上联口带
16、宽的预算。 6.1 单PON 口接入用户数计算 由于PON口下行速率是固定的，如采用EPON接入时，单个PON 口下行可提供970Mb/s 带宽；采用GPON接入时，单个PON 口下行可提供2300Mb/s 带宽。因此，在对PON口下行容量计算时，主要考虑的是根据用户业务带宽的需求，来预算PON口所能接入的用户数。 假设为高速率用户提供的主要业务为：2 路高清电视2 路标清电视、高速上网和2路IP 话音业务，其中，标清频道数为100 套，高清频道数为10 套。各业务所占带宽和并发比如表 所示。 表 3 高速率用户业务及带宽需求 业务类型 提供节目 所需带宽 并发比 标清电视 100套 1003
17、M=300M 100%组播 高清电视 10套 1010M=100M 100%组播 标清点播 多个节目源 3M/路 30% 高清点播 多个节目源 10M/路 30% 高速上网 4M 33% IP 话音 2路 200k 100% 设n 为单个PON 口接入的宽带用户数，各业务所需要的带宽如下： 直播（用户数大于频道数情况下）：300M(100 路标清)100M(10 路高清) 点播（高清、标清各占50%）：n30%（10M3M） 高速上网：n33%4M IP 话音：n200k 为了保证各业务所需服务质量，各种业务所需总计带宽必须小于一个PON 所能提供的带宽能力。 取EPON 接入时有效带宽为97
18、0M，有： 400Mn30%（10M3M）n33%4Mn0.2M970M 所以： n105 取GPON 接入时有效带宽为2300M，有： 400Mn30%（10M3M）n33%4Mn0.2M2300M 所以： n350 6.2 OLT上联口带宽的预算 对OLT上联的带宽测算，需要考虑该OLT所有PON口所带的全部ONU产生的流量（一般OLT包含多个PON口）。计算公式： （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 公式中： 业务用户比率、总用户数：OLT上联带宽规划时对应OLT带的所有用户，PON系统内带宽规划时对应该PON带的所有用户。 集中比（并发比）：可根据不同地
19、区、不同客户群实际情况进行设定，可取30%。 流量占空比：一般可取50%。 带宽冗余系数：建议OLT上联取65%。 7 PON网络系统的保护设计 PON网络系统的保护设计包括两方面，一是OLT是上联口，应尽量做到上连链路双归属，并尽量做到由不同物理路由实现；二是 ODN网络的保护，主要有以下四种类型及特点，设计时可以根据用户的要求来灵活选择。 1）光纤备份，如图3所示。 图3 光纤备份 该类型保护的特点：设备没有任何备份措施。主干光纤故障后，由人工切换至备用光纤。业务肯定中断，中断时间取决于线路恢复时间。如果到用户的线路故障，业务就会中断，无法备份。 2） OLT端口备份，如图4所示。 图4
20、OLT端口备份 该类型保护的特点： OLT设备上有两个PON接口 。此种保护方式仅限于主干光纤出现故障时，系统会自动切换到备用系统，实现了对骨干光纤的保护。保护对象仅限于OLT与光分路器之间的光纤故障和OLT单板硬件故障，对其他类型的故障没有涉及，可能存在严重安全隐患，无法满足客户需求。 3）全备份方式，如图5所示。 图5 全备份方式 a) 该类型保护的特点： OLT和ONU上均有两个PON接口。OLT的PON接口要工作在1:1模式下。是一种全保护光纤倒换方式，OLT与ONU之间有完全不同的两条通路，可以保证各种故障都得到恢复 。当ONU的主用PON口或用户线路故障时，ONU会自动将业务倒换到
21、备用PON口上，业务通过备用线路和OLT的备份端口上行，业务基本不会中断。但实现难度较大，成本较高。 4）混和备份方式，如图6所示。 该类型保护的特点：也是一种全保护光纤倒换方式，OLT与ONU之间有完全不同的两条通路，可以保证各种故障都得到恢复，包括无源光分路器故障，链路都可以自动恢复 。此种网络中支持ONU混合方式，可以是带一个PON口的，也可以是带两个PON口的，根据用户的实际需要选择。实现难度较大，成本较高。 8 网络资源的规划 网络资源的规划主要包括VLAN划分、IP地址的规划和QoS规划三部分内容。 8.1 VLAN划分 PON系统通过VLAN隔离方式来实现多业务的接入，因此VLA
22、N划分必须遵循以下5个划分原则： 1) VLAN规划应统筹考虑城域传送网与PON接入网的VLAN资源分配，原则上城域传送网与PON接入网的VLAN资源不应重复。 2) OLT到宽带边缘网关(BRAS或SR)间采用IEEE 802.1ad规定的SVLANCVLAN（QinQ）方式进行VLAN规划,其中外层SVLAN用于区分业务类型、OLT和PON口，内层CVLAN用于区分用户和业务。 3) 以三层设备下各独立的二层网络为单位进行 VLAN 规划，相互隔离的二层网络的VLAN ID可重复。单个BRAS/SR端口下，SVLAN标签不能重复；单个SVLAN下，CVLAN标签不能重复。 4) 在OLT无
23、法直接连接BRAS/SR的情况下，OLT与BRAS/SR之间的汇聚交换机等设备对VLAN进行透传。 5) 各类ONU均统一要求支持VLAN切换功能，根据需求进行VLAN切换。对于接入的 untag信号，ONU根据统一规划原则标识 CVLAN；对于家庭网关等可信网元发送的 tag信号，ONU可进行透传或切换为统一的CVLAN；对于不可信网元发送的tag信号，ONU将VLAN切换为统一的CVLAN。 8.2 IP地址的规划 为了将来业务开通流程能够全省范围内互通，IP地址的规划可参照表4进行。 表4 PON网络IP地址的规划 业务类型 IP地址类型 规划方式 IP地址分配方式 高速上网(PPPoE
24、) 公网IP 全国按省统一规划 BRAS PPPoE分配 私网IP 全省按地市统一规划 企业接入 公网IP 全国按省统一规划 企业出口由移动分配静态地址，企业 内部自行DHCP或静态 企业专线互联 私网IP 全省按地市统一规划 静态配置 VOIP(内置 AG/IAD)/视频会 议 私网IP 全国按大区/省统一 规划 静态配置 VOIP(SIP Phone 等)/视频通话 BRAS DHCP分配 IPTV 私网IP 全省按地市统一规划 BRAS DHCP分配 网管 私网IP 全省按地市统一规划 静态配置 WLAN 公网IP 全国按省统一规划 BRAS DHCP分配 8.3 QoS规划 为了使PO
25、N系统能够更好的对多业务支持，系统必须可以针对不同的用户和业务规定不同的时延与抖动、保证带宽、最大带宽等参数，如表5所示。 表5 PON网络的QoS规划 业务类型 EPON带宽类型 GPON带宽类型 GPON T-CONT类型 CoS 优先级标签 调度方式 家庭和普通集团客户话音 接入(内置AG/IAD) 保证尽力而为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 5 SPQ 家庭和普通集团客户话音接入(SIP 电话) 保证尽力而为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 4 SPQ 家庭客户宽带上网 尽力而为 尽力而为 Type 4 0 WRR 普通集团客户宽带上网 保证尽力而 为带宽 保证+非保证带宽
26、Type 3 0 WRR 普通集团客户PBX/IPPBX接 入 固定带宽 固定带宽 Type 1 5 SPQ 普通集团客户视频会议 保证尽力而 为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 4 WRR 普通集团客户VPN专线 保证尽力而 为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 4 WRR WLAN高速上网 保证尽力而 为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 0 WRR 带内网管 保证尽力而 为带宽 保证+非保证带宽 Type 3 6 WRR 9 结束语 网络规划与设计是一个很复杂的系统工程，涉及到方方面面。古人云：谋定而后动，因此网络规划是必不可少的，实施PON网络建设工程的首要工作就是进行规划，深
27、入细致的规划是成功构建网络的一半，缺乏规划的网络必然是失败的网络，网络的稳定性、扩展性、安全性、可管理性没有保障，只有通过科学合理的规划才能够用最低的成本建设最佳的网络，达到最高的性能，提供最优的服务，并能够满足业务中长期发展的需要。 参考文献 1宽带光接入网总貌.YD/T 16192007. 2光纤到户（FTTH）体系结构和总体要求. YD/T 16362007. 3接入网技术要求基于以太网方式的无源光网络(EPON). YD/T 14752006. 4接入网技术要求EPON系统互通性要求. YD/T 17712008. 5虚拟局域网标准. IEEE 802.1Q. 作者简介 蒋振根（1974年1月），男，高级工程师，工学学士，毕业于北京邮电大学计算机通信专业，主要从事有线网络的规划与设计研究。
