利用网格化设计模式建设野外光网络分前端系统
刘贵强 刘 诚
摘 要：本文介绍了野外光网络分前端系统的应用及技术方案，通过“网格化设计建设模式”提升了光纤利用率，解决了光纤接入的诸多难题。
关键词：网络化设计；野外光网络；分前端应用
在“三网融合”的背景下，网络运营商都在大力开展更大传输容量数据光纤接入网络建设，目标是建设能够提供数据、视频、语音、监控、专网等全业务支撑网络。由于光纤传输所具备的独特优势及当前光纤接入设备成本大幅降低，尤其是在用户分散、传输距离较远的农村有线电视网络建设中，光纤网络在各方面呈现出更为明显的综合优势。如性能优势：长距离传输、抗干扰、抗衰减、抗雷击、能耗小；指标优势：数据带宽高、时延低、抖动小，能很好支撑高清VOD及语音等对网络指标要求高的业务；成本优势：光纤材料成本低于电缆、网络路由架构简单、远期运维成本低。
但是在实际建设过程中，经常困扰我们的是，现有主干光纤资源匮乏，机房选址难、建设成本高、网络传输交换设备部署“下沉”困难，网络规划设计复杂（需要根据实际网络进行精确计算），难以执行先进的“模块化”设计规范等诸多困难问题。下面通过“野外光网络分前端系统”的介绍来解决这些难题。
一、野外光网络分前端系统应用介绍
（一）野外光网络分前端系统结构
野外光网络分前端设备按照功能模块结构设计，分别包括可选配和输出功率可选的EDFA模块、8PON口XPON OLT、背板交换模块、双电源模块及相应辅助电路，其功能组成图及系统架构如图1所示。
图1
其功能接口主要包括：2 X GE光接口、2 X 10 GE光接口、4 X GE电接口、1个CONSOLE口，8个XPON口、1个EDFA光输入口、1个光输出口。产品示意图及功能接口如图2所示。
图2
（二）野外光网络分前端系统应用场景
野外光网络分前端可在以下应用场景中快速开展业务：
1.现有管道及纤芯严重不足
广电FTTH方案通常是双纤三波（两根入户光纤、三个信号波长，广电若使用WDM技术而采取单纤三波方案则会涉及到终端成本高、前期PON口资源闲置、PON技术方案升级过渡等问题，故选择双纤三波在行业内已基本形成共识，此处不再赘述），现有广电光纤资源通常是4芯甚至2芯到现有FTTC/FTTB光节点处，如果采用分前端机房集中分光至用户端，从分前端机房出局到用户终端的光纤数量会成倍，甚至是十倍增加，这使得很多网络从分前端到用户端网络的管道资源、杆路资源、纤芯资源压力非常大，尤其是在城市化建设和发展非常成熟、市政管网施工复杂、市政施工项目报批困难的区域；或者是在县级网络至乡镇级分前端、网络距离较远（通常在20公里以上，虽然减小分光比可提高传输距离，但分摊下来的网络成本又达不到投资建设的经济指标）且前期布放光缆芯数（或可用光纤资源）又非常少的情况。在这些区域重新布放光缆要么难度大、周期长，要么高昂的施工建设成本根本不能满足投资回报要求，因此在这些地方如何做到高效快速且低成本的实现FTTH覆盖和接入，成了一个难题。
2.分前端设备机房条件受限
关于FTTH网络建设都会面临光纤资源和管道、杆路等资源不足的问题。解决问题的唯一办法（也是规范的技术规划）是分前端“下沉”。
分前端“下沉”的应用行之有效，在全国各个地方已经比较普遍。因为无论是传输超长距离的地方（边缘农村）或者是城市小区，骨干机房的光纤以“万兆”（10G光纤）的方式向下（南向）数据链接，将分前端设备（即EDFA、OLT等设备）下沉到最“边缘”的用户小区（或者农村）机房，形成覆盖几百户～几千户的“边缘前端”，通过这个“边缘前端”以PON结构进行光纤覆盖并入户。
但在很多实际情况中，这个“边缘前端”的规划设计会遇到两个难以克服的问题。
其一，无论是城区还是乡镇，不具备建设小区机房或者是镇村级分前端的条件（比如运营商没有土地建设产权和使用权，即使有，其基建成本也非常高昂），因此大多数情况是使用开发商或物业提供的公共弱电配套机房，乡镇网络则多利用镇政府原有办公楼闲置房间或以前老的广播电视站机房使用，或者是村委会办公地点所在地等设置迷你分前端，而标准机房设备安装在这些位置则会出现机房配套建设不满足使用要求的问题，比如空调、防尘、防腐蚀气体、防雷接地、电源、湿度以及需要人员值守等等问题均无法有效达到标准分前端机房的要求。
其二，在农村网络条件下，长距离传输的链路损耗已经不能满足PON结构的分配条件，需要“边缘前端”真实地接近农村用户（组群），尤其是典型的农村用户极其分散，覆盖几千户可能需要传输30公里以上，需要中继。而这些条件下根本不可能建立机房（投资价值的决策也不可行）。
由于以上两类情况的实际需要，不得不采取一些折衷和临时性的解决办法，比如在野外选址安装一个小基站，配置空调、UPS电源，然后将标准机房设备（EDFA、OLT）等安装在里面。在这种情况下，整个箱子耐用性、材料成本、施工成本、设备防雨、防潮、防盐雾、接头可靠性等问题都会经受严峻考验。
3.入纤光功率及用户覆盖距离限制
在有线电视1550nm光传输系统中，为实现远距离传输和覆盖更多用户，可以通过EDFA大功率输出方式接入网络。但入纤功率过高会导致光纤色散，造成信号失真。在外调制光发射机系统中，可以提高SBS来提高入纤光功率，入纤光功率不大于SBS阀值，提高SBS的代价是色散会加剧，因此在远距离传输中一般不推荐超过19dBm光功率入纤。在使用直调光发射机的近距离传输中，也不推荐超过23dBm以上的大功率直接入纤，会造成指标不满足要求。因此在1550系统中，需要在合适的位置增加中继设备（EDFA）实现中继。
在XPON系统中，为满足一个PON口覆盖64个用户，光纤传输距离一般会限制在10公里以内。一个PON口覆盖用户32户时，传输距离可以控制在20公里以内。按照标准，PON口到用户最远距离为20公里。因此，受光纤传输距离的限制，用户到分机房距离超过20公里情况下，需要将PON设备下沉。
4.现有架构无法满足广电“十三五”规划入户百兆带宽需求
现有网络架构无法解决上述FTTH网络建设过程存在的现有管道及纤芯严重不足、分前端设备机房条件受限、1550设备入纤光功率及PON用户覆盖距离限制、接入带宽不足等问题，难以实现千兆到楼，百兆入户的信息网络发展规划。
（三）系统应用优势
野外光网络分前端基于现有成熟XPON技术、1550nm光传输技术和三层交换技术整体构架与设计，采用野外光网络分前端并结合“网络设计模块化、覆盖接入千兆化、节点设备下沉化”的规划、设计和建设理念，可简洁、快速、灵活地建设网络，快速实现500户内的全FTTH解决方案，真正实现10G高速接入，实现入户100M接入。应用野外光网络分前端的网络具有以下优势：
优势一：
野外光网络分前端应用网络按照以覆盖500用户为一个“网格”、每一个“网格”只采用一台可适应野外环境的设备为光节点设备、该设备北向链接“万兆光纤和电视光纤”、南向8个千兆PON口链接覆盖本“网格”内的光纤接入网络，南向链接4个本地GE接口（供专网和智慧社区服务）和1对万兆光纤（用于级联覆盖或构建环网需要）。通过级联功能，整个大型接入覆盖的网络无需专门副中心（分前端）机房等基础设施条件、可将整个大型网络的接入覆盖半径超过达50公里以上。功能强大、适应城市与农村普遍适用。
优势二：
由于每一个网格覆盖目标仅500户，光节点与用户接入距离一般都在5公里以内，无论方案采用光纤入户方案（FTTH）还是同轴电缆入户方案（ONU+EOC），每一个网格下的网络设计工作相关的计算可彻底简化。
优势三：
野外光网络分前端就是该网格的光节点。光节点设备功能包括：2对万兆链接的三层交换功能、8个PON口的OLT、4个GE链接口、22dbmEDFA光纤放大器、高可靠的双电源单元模块（适应本地备份供电）、全部功能模块适应统一网络管理监控。该设备可适应野外环境工作要求（环境温度-40℃～+65℃，密封防水、防腐蚀、防雷击）。该设备就是功能完备的光网络基站，通过本基站可实现本网格下的有线、无线服务覆盖（需配置无线通信或广播设备）。该设备功能完备，相比传统的组合设备“下沉”方案的实施成本有大幅度降低（远期维护减少费用）。
二、野外光网络分前端技术方案及优点
在实际网络建设过程中，经常困扰我们的是现有主干光纤资源匮乏，机房选址难、建设成本高、网络传输交换设备部署“下沉”困难，网络规划设计计算复杂，并且必须达到“一次性”覆盖建设的设备利用率高的目标（需要根据实际网络进行的精确计算）。
针对这些困难（问题），我们建议按照：“网络设计模块化、覆盖接入千兆化、节点设备下沉化”的规划、设计和建设理念，提出了“网格化设计建设”模式，直接达到“万兆光纤出局”发展趋势的要求，把光纤利用率提高10倍。
（一）技术方案介绍
为了优化、简化设计，便于今后的运行维护，把整个网络按照以覆盖500/512用户左右为一个“网格”、每一个“网格”只采用一台可适应野外环境的设备为光节点设备、该设备向上链接“万兆光纤和电视光纤”、向下8个千兆PON口链接覆盖本“网格”内的光纤接入用户的网络，并且向下链接4个本地GE接口（供专网和智慧社区服务）和1对万兆光纤（用于级联覆盖或构建环网需要）。通过设备具有的级联功能，在出局干线光纤资源困难条件下，采用2+1芯光纤覆盖1000户左右（两个网格覆盖区域）。使整个大型接入覆盖的网络无需专门副中心（分前端）机房等基础设施条件、可将整个大型网络的接入覆盖半径超过达50公里以上。功能强大、适应城市与农村普遍适用。
实现了光纤资源和设备利用率最优化、建设条件无限制、设计施工最简化，设备扩容快速化，这是我们一直以来不断追求的目标，并且能够适应各类具体环境的多种技术方案（如FTTH、EOC、DOCSIS）。
（二）技术方案优点
1.简化设计
由于每一个“网格”覆盖目标为500户，光节点与用户接入距离一般都小于5公里，无论方案采用光纤入户方案（FTTH）还是同轴电缆入户方案（ONU+EOC），每一个网格下的网络设计工作相关的计算可彻底简化。由于采用“网格化”的设计、建设模式，最大程度简化了网络，不会因为“用户群”与机房距离不同的复杂设计计算，同时也使设备配置与“用户群”数量的严格一致的匹配，确保设备利用率。
2.缩短建设周期，降低成本
整个网络建设（网络覆盖建设）分为ODN（光纤分配网络）建设与设备安装两个阶段。工程建设管理非常清晰，施工周期大大缩短，整个网络建设成本大大降低。
3.节约光纤资源
由于设备的万兆级联功能，甚至可以覆盖1000用户（两个网格）仅仅需要2+1根出局光纤，机房设备也大大简化。广电正在新的起点上，快速以低投入超过电信企业多年的巨大投入。
4．提高设备覆盖利用率
根据每一个PON口覆盖用户64户，8个PON口覆盖512户。由于全部属于近距离覆盖，整个覆盖按照理论覆盖来规划（提高了设备利用率），而实际发展用户率肯定低于覆盖数量，避免了未来网络增加设备的再次重复建设。
5.适应多种接入技术
适应采用任何入户技术，符合因地制宜建设与发展用户相结合原则，进行“光纤到户”大带宽传输资源的根本目的。
FTTH：每一个PON口在二级光交接箱进行1:4/8分配，三级光交接箱进行1:16/8分配入户。
EOC：每一个PON口在二级光交接箱进行1:4分配，与ONU+EOC局端链接,一台局端覆盖16户，同轴电缆入户。传输资源与光纤入户一致，光纤到用户户外，属于光纤到户。
三、野外光网络分前端系统网络改造建设方案
在FTTH网络设计中，野外分前端设备完全具备分前端设备（OLT、EDFA、交换机）的作用和逻辑功能，优点在于将设备下沉并设置在更靠近用户的地方（安装方式灵活），使得FTTH建设中出局的主干纤芯资源压力得以缓解，同时增强了设备对工作环境的适应性，缩短了局端设备与入户终端的光纤距离和光功率损耗，有利于在设计中采用最大分光比，确保实现更多终端用户的覆盖，从而降低整个FTTH建设成本，确保设计裕量，简化工程设计。
具体设计中，采用野外光网络分前端的FTTH网络拓扑结构应该是“城域接入网前端机房——野外光网络分前端 ——一级光交接箱——二级光交接箱——分纤箱——用户”。配置上，野外光网络分前端设备配置一个8 PON口OLT功能模块、一个万兆三层交换机功能模块、一个EDFA功能模块（模块可选、功率20dB、23dB可选，其它功率可定制）。其上联通过EDFA输入光纤、OLT上联光纤（千兆或万兆）与城域接入网机房EDFA和汇聚交换机相联，下联通过EDFA输出光纤、OLT PON口光纤、万兆级联光纤与ODN网络相联，设备所有上、下联光缆出局都通过一级光交接箱完成。根据上述讨论的电视1:512分光比，分光组合是1:8:8:8、1:8:4:16、1:8:2:32、1:8:16:4，其中前两种方式在网络设计中最常见，在双纤三波方案中，为使电视出局光纤与数据出局光纤匹配，此处一级光交主要作用是安装EDFA 与OLT端口匹配的1:8的分光器，还有就是承担进缆、出缆，其安装位置应紧挨野外光网络分前端设备。如果野外光网络分前端设备采用挂杆安装和壁挂安装方式，则需要单独配置此一级光交箱；若野外光网络分前设备采用落地箱安装方式，则可选用一个室外综合箱，除安装野外光网络分前端设备外，还可安装配电装置、接地装置和EDFA的1:8分光器及进缆、出缆等光交箱功能；如果野外光网络分前端设备安装在建筑物内（非标准机房），则可根据实际情况进行配套，如图3所示。
图3
一级交接箱纤芯配置：上联来缆新建大于8芯（实际使用3芯或2芯），利旧大于4芯（最少2芯，实际使用3芯或2芯），箱体到设备使用12芯（级联13芯）,其中OLT 8芯、EDFA一进一出2芯、OLT上联2芯（最少1芯，千兆和万兆不同时使用）、级联2芯（最少使用1芯），故建议使用16芯，可考虑用整体防水尾缆，箱体出缆是8根缆/8芯（使用2芯）或4根缆/8芯（使用4芯）+1根级联缆/2芯或4芯。箱体容量上建议选择72芯或96芯容量。各种不同作用尾缆除接头规格不同外，建议采用不同颜色以示区分，工程施工中还应作好标识，如图4所示。
图4
四、结束语
随着“三网融合”的深入推进，各大运营商都在比网络的带宽、稳定性，传统的接入方式必然被光纤接入所淘汰。野外光网络通过“网络设计模块化、覆盖接入千兆化、节点设备下沉化”的规划、设计和建设理念，提升了光纤利用率，解决了主干光纤资源匮乏，机房选址难、建设成本高、网络传输交换设备部署“下沉”困难，网络规划设计复杂难以执行先进的“模块化”设计规范等诸多困难问题。
参考文献：
［1］李珂.无线光通信技术在广播电视领域的应用探讨[J].广播与电视技术，2016，Vol.43(11).
（作者单位：江苏有线泰州分公司）