无源光局域网(POL)电气工程设计要点

焦鹤勇

(中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053)

0 引言

2019年6月6日,中国勘察设计协会正式发布团体标准T/CECA 20002-2018《无源光局域网工程技术标准》,系统性地从规划设计、设备配置、施工、调试与试运行、检测和验收六大维度阐述和定义了POL全光园区设计和施工规范，对POL工程建设项目的设计、施工和交付验收提供了有效支撑。笔者有幸参与该标准的起草。鉴于在具体项目设计实践中，仍然存在不少因对POL原理认知不足导致电气设计无从下手的情况，本文将从POL原理入手，就POL无源光局域网的电气设计要点进行阐述，以期读者能够对这一技术的应用更加驾轻就熟。

1 背景介绍

无源光局域网(POL)是将PON(无源光网络)技术创新性地应用于局域网的技术应用类概念，经过不到5年的概念推广，当前POL技术已经大规模地应用在酒店、教育、办公和医疗等行业园区内部办公和设备网。

实际上，在POL这一概念被提出之前，PON设备已经被大规模地应用于天网、交通智慧城市等局域网、专网，尤其是与FTTH建网模式类似的酒店行业。对于PON技术的政企园区类应用，更多的是运营商主导的类FTTH的批发建网模式。在行业特征比较明显的细分行业市场，POL的技术和产品应用一直在摸索中日趋成熟。

2 POL概念介绍

PON技术最早应用于上世纪八十年代，经过三十多年的发展，在一定程度上促成了国内宽带战略提前一年实现。

无源网络的技术要求最初是在ATM的原理基础上形成的，之后ITU/FSAN对G.983进行了定位，形成了第一代PON标准：APON。但由于ATM协议复杂导致的设备造价昂贵以及以太技术的高速发展，使得APON及其后的BPON (宽带PON，Broadband Passive Optical Network)技术很快退出了通信行业。

随后IEEE/EFM标准组织发布的EPON or GEPON (以太网络PON Ethernet Passive Optical Network)标准802.3ah使得PON技术得到大规模商用，成就了PON技术的全球广泛应用。待GPON加入这一市场后，更是通过各种良性的市场竞争互动，推动了PON技术在接入网和行业网的快速深度商用渗透。

PON技术的核心在于P2MP(点到多点)的通信模式。纵观各种通信链路方式，不论是星型、树形还是链型，绝大多数信元的转发网络都呈现点到多点的路径形态。PON技术采用下行广播和上行时分复用的技术，通过对分光器技术的巧妙应用，形成了一张完美的点到多点通信网络。PON网络构成示意图如图1所示。

图1 PON网络构成示意图

其中，PON网络下行广播方式通过分光器将OLT发出的光信号分成多份带有相同信息的光信号，传送到每个ONU。ONU根据报文中所带的标记，选择性接受属于自己的报文，对标记不符的报文进行丢弃处理，PON的下行转发机制参见图2。

图2 PON的下行转发机制

上行方向，OLT侧统一分配给各个ONU一个时间片，ONU严格按照这一时间片窗口进行信号发送，不属于自己的时间片对光口进行关断操作。上行时间窗口调度机制高度依赖PON的测距技术来实现，PON的上行转发机制参见图3。

图3 PON的上行转发机制

笔者认为，对PON技术原理的理解，有助于电气设计师在设计中更熟练地应用这一技术，尤其要注意其光分配网的无源(无需供电)特性，和因传统交换机差别带来的点位配电设计。

3 设备和器材的点位布放

虽然POL的整个链路是全光纤的，但网络结构和传统的交换机组网完全一致，可将分光器视为汇聚交换机(不需要供电，使空间更小)，OLT视为核心交换机，ONU视为接入交换机(为发挥POL的优势，ONU应该更靠近信息点位)。

图4所示为POL各组成单元布放位置常用的四种模式，图5～8为四种方式的逻辑拓扑图(图中省略了配线设备)。

图4 POL各设备/器件的布放位置

图5 方式一逻辑拓扑图

图6 方式二逻辑拓扑图

图7 方式三逻辑拓扑图

图8 方式四逻辑拓扑图

OLT一般位于中心机房，如果有体量非常大的单体楼，也可以通过选用小型化的OLT设备下移到楼宇设备间。

一级分光器一般放置在中心机房，方便后期带宽提速，但缺点是主干光纤纤芯数会增加(当然PON技术采用单芯双向及二级分光时，其主干光纤纤芯数就已经很少了)。

二级分光器布放在楼宇设备间的情况，适用于体量较小且楼层不高的建筑，而一级分光器布放在此点位适用于体量大的建筑物。此点位布放分光器主要是为了节省主干段的光纤纤芯资源。

在楼层设备间，多布放末级分光器，建筑设备网和安防网用ONU也可布放在此处。ONU布放在此处便于UPS供电的强电走路设计和实现，这类ONU多为PoE形态。如果设备网和安防网所接DTE设备为本地独立供电，则此ONU尽量靠近信息点位进行布放。

水平段光缆直接进入办公/作业区，尽量将光纤靠近信息点位，可做FTTO(光纤到办公室)设计，对带宽要求比较高的用户，可直接设计为FTTD(光纤到桌面)。ONU可安装到入墙暗装设备箱或工位壁挂。对于办公区人数不能完全确定的情况，需要在墙壁预留光纤接线面板。

图4中的2∶8分光器实现了主干线路的B类保护，关于这种保护方式，下文会介绍其原理和路由设计方式。

4 设备网络平面划分

实际项目组网中，笔者建议，至少将办公网独立出来，其他建筑设备网、安防网等可视业务量情况进行划分。对于安全等级要求高的业态，需要将办公网和网外也实现物理隔离，这样就需要至少三张独立的物理网络。

对于安全要求不高的情况，可以将ONU和光配线网进行分离，但OLT设备进行共用。这样可以将OLT设备做成冗余热备模式，相同成本下提升网络的容灾备份能力。

需要说明的是，由于光纤不存在电磁信号的空间泄露问题，在物理隔离时光纤布线可以不用考虑不同物理网之间的线缆水平距离，可以将光缆共用且纤芯分立。

5 带宽计算

POL的带宽计算和交换机网络非常类似，只需要把分光比类比为汇聚交换机的收敛比即可。

例如，一个OLT的PON口(GEPON，1 000M)做了两级分光(类比为两级汇聚)，一级为1∶4，二级为1∶8，末级分光器接4GE以太口的ONU，这样每个以太口可分得的带宽为：1 000/4/8/4=7.8125Mbps。

由于PON在带宽方面做了专门的转发机制，实际上对每个ONU的独立端口或业务可以通过在OLT上的配置实现不同的带宽策略，以保证同一个PON口下不同ONU、不同业务的带宽差异性SLA(服务等级承诺)。各种PON技术的线路速率参见表1。

各种PON技术的线路速率 表1

6 链路光功率损耗的计算

光功率损耗的计算是POL技术工程应用有别于交换机的一个关键要点。只有OLT和ONU之间的光功率在最大损耗和最小损耗之间，才能保证两者的正常通信。POL系统光链路损耗参数参见表2。

POL系统光链路损耗参数 表2

(1)光链路损耗计算规则

1)国内常用的光缆采用G652D和G657A光纤；2)当前常用PLC分光器；3)从中心局端到信息点位，通常要经过5～10个连接器(法兰盘)，法兰插损为0.5db/个；4)熔接的衰减值通常在0.1dB以下；冷接方式衰减值通常为0.5～0.6dB；5)保证开通业务一般要做2～3dB的光功率富裕度预留。

(2)光链路损耗计算示例

线路情况：做两级分光，一级为1∶4，二级为 1∶8；最远ONU距离为5 km；最多连接器数量为10个；最多热熔接点位数5个。

整体光损耗：7.4+10.7+0.35×5+0.5×10+0.1×5=25.35dB。

按照EPON的PX20+模块的光功率链路预算28dB来计算，25.35+2<28，可知，采用EPON的PX20+模块满足链路光功率损耗条件。

需要注意的是，POL同时需要考虑链路最小损耗的情况，以避免出现光功率过载问题。较为简单的解决办法是，保证最近的ONU所过的分光器也要在1∶8分光比(这样链路至少有10.7dB的光损耗)。

7 B类保护实现双上联及室外段光纤保护

POL的B类保护类似于交换机的双上联(如图9所示)，不同的是，POL采用了无源器件进行分光(功率)来实现，交换机是在交换芯片中复制流量(报文)来实现。通常这一保护机制主要用在园区的室外段主干光纤链路的冗余路由保护，因为这一段是发生断纤概率更高的一段线路(相比于楼内段)，而且一旦发生断纤则影响面更大。

图9 B类保护逻辑拓扑图

图10是用B类保护设计的校园内光缆路由保护的走线示例，可以看到，在一个环路光缆中，任意一点发生断纤，ONU的转发流量可以从另一个路由方向进行转发。

图10 B类保护线缆路由保护示例图

POL的B类保护采用更少的光纤纤芯实现了主干光纤的路由冗余保护，而且在楼宇接入侧，不需要冗余的光口，实现了成本的有效控制。

8 C类、D类保护的应用

C类保护是指同一台ONU有两个光口，这两个光口连接到OLT不同的PON口，这2个不同的PON口可以是同一台OLT的同板块或跨板卡，也可以是不同OLT上的两个口。D类保护相对C类来说，不仅有2个PON口，还有2个独立的PON MAC。这两种保护在业务使用上只有倒换时间的差别，在与弱电设计相关的链路走向方面是无差别的。

图11 C/D类保护逻辑拓扑图

如图11所示，为C/D类保护的拓扑图，这一组网链路连接方式一般被称作手拉手，从物理分布上呈链状，但实际链路逻辑拓扑是树形，而流量转发是星型，这是PON技术所特有的组网方式。

C类保护和D类保护在倒换时间上有不同的要求，前者要求在150ms以内，后者要求在50ms以内。因此，D类保护更多应用在工业场景中，比如电力行业的配网和抄表都在普遍使用PON保护方式进行建网。在园区类建筑中，PON的C/D类保护可以用于道路监控和照明能源管理等，配合非均分分光器，可以使用一对纤芯进行链状路由布放20个ONU，非常适用于点位比较分散的园区内部道路或者大型景区的道路沿线信息点建设。图12所示为C/D类保护应用场景示例图。

9 建筑群通信系统配线

对园区类项目而言，建筑群直接的通信系统主要在园区骨干光缆的走向、各楼宇的出纤方式，以及中心机房的对内和对外各种配线。

对于中心机房点位，笔者建议要具备三家运营商接入能力，需要做设备机柜空间预留，基于这个机柜中配置有源设备，因此需要做用电配套。

图12 C/D类保护应用场景示例

在用户机柜这一侧，需要配备IP-PBX。因为用户电话线路侧功率较强，传统的电话交换系统可以在整个园区内布放铜缆电话线，直接从中心机房到电话机全铜线连接。但现在这类交换机因为功耗太大已经退出市场，因此采用替代性技术，即中心机房用IP-PBX，用户侧(多数到房间或楼层)的电话线长度基本控制在50m以内。

此外，如果项目是办公园区或综合体这类非单一业主/用户，对于中心机房，还需要考虑运营商裸光纤能够跳接到园区主干光纤链路上，以便通过楼内配线系统为分割出租单元提供裸光纤接入能力。图13所示为建筑群通信系统配线示例图。

图13 建筑群通信系统配线示例图

整个园区的建筑群骨干链路采用环形布放，整体采用一根光缆形成环路路由，若园区规模较大或排布不规则，可考虑多个环路的规划；若楼宇出线侧是PON的上联口，则用以太网环技术做保护；若是OLT在中心机房，则采用PON技术的B类保护方式进行保护。

这里还要注意的是，楼宇配线点位主干光纤纤芯跳接的方式问题。如果点位楼宇出纤量较少，则可以用光缆掏接方式出纤；如果是点位出纤占比量较大，则采用斩断熔接的方式；本地不出的纤芯再通过ODF跳纤搭接到原线路继续骨干光缆走向。

在这里需要强调一点，图13中楼宇侧的上联方式是为了说明可选用的方式选项(可配合图4来理解)，实际项目中需按照楼宇规模和业务保护要求，选用尽量少的上联/保护模式，以便降低线路施工的复杂度。

10 高层建筑楼内段通信系统

对于高层建筑，需要特别考虑的是垂直段竖井线缆的布放空间和工程施工问题。这里笔者推荐两种方式(配线系统图如图14～15所示)。

方式一为一级分光器在中心机房，二级分光器集中于本楼宇设备间，从此点位出来后，楼内都只有配线系统，楼层不再单设分光器。这种方式的优点是分光器集中便于安装和后期维护，缺点是垂直管井线缆较多，楼宇到中心机房的纤芯占用也较多。

图14 高层建筑楼内方式一配线系统图

图15 高层建筑楼内方式二配线系统图

方式二采用OLT下沉到楼宇机房，OLT选用小型化设备(因为PON口本楼需求量少)。两级分光器都位于楼内，一级分光器位于楼宇设备间，二级分光器位于各楼层竖井/设备间。这种方式的优势是垂直段和园区主干的纤芯都比较少，缺点是OLT下沉后要做有源设备间(带空调)。

两种方式中，笔者推荐方式一，如果单体建筑层高和体量都比较大，则选用方式二。

笔者认为，高层建筑中各段光缆的选型需要给予充分关注。考虑到垂直段线缆自重引出的抗拉强度要求，以及线缆长度过长引起的施工不便，笔者不建议高层建筑采用楼宇设备间出非铠装的蝶形皮线光缆引到ONU的方式(即垂直段和水平段是整个蝶形皮线光缆)，而要选用多芯铠缆在楼层进行光纤适配跳接。当然采用自承式蝶形缆(多一根承重钢丝)可以解决自重承载问题，但大量的皮线光缆放到竖井里又需要做线标才能区分，且过长的皮线光缆穿管的牵引阻力会对工程实施带来很大的困难。

11 中高层建筑楼内段通信系统

中高层建筑笔者也推荐两种配线方式(配线系统图如图16～17所示)。

方式一为二级分光器位于楼层(一级位于中心机房)，垂直段用自承蝶形皮线光缆，水平段采用普通室内皮线光缆。注意，这里楼层采用了2∶N分光器，从楼内连接到园区骨干光缆时，要将该分光器连在上联分东西2个方向做保护上联。

方式二采用楼宇机房集中布放二级分光器的方式，整个皮线光缆从楼宇机房一直布放到ONU点位。这种方式适用于单层面积较小的建筑。

图16 中高层建筑楼内方式一配线系统图

图17 中高层建筑楼内方式二配线系统图

在这里需要对ONU的取电问题进行说明。POL的技术优势在于光缆替代铜缆，因此笔者建议尽量把光缆往信息点位延伸(光纤到办公室、光纤到桌面)，但在公建中这一原则会引出强电建设的便利性问题。关于这点，可以通过选用光电复合缆来解决，通过这种光缆的选用，可以解决ONU下移带来的强电设计和工程施工工作量增加的问题。

12 结束语