李柏高，丁揚(yáng)威，陸乙君，屠佳佳，胡正松

（ 1.河北盛合電力工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063300；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

PON技術(shù)在水利監(jiān)控中的應(yīng)用分析

李柏高1，丁揚(yáng)威2，陸乙君2，屠佳佳2，胡正松2

（ 1.河北盛合電力工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063300；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

針對(duì)水利監(jiān)控項(xiàng)目的需求，介紹了PON（Passive Optical Network: 無源光纖網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)組成、技術(shù)性能，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度對(duì)PON通訊和目前流行的交換機(jī)組網(wǎng)通訊在可靠性、搭建費(fèi)用等方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出PON通訊能夠較好地適應(yīng)累積距離在20 km以內(nèi)的水利監(jiān)控項(xiàng)目類型及應(yīng)用場(chǎng)景，具有較高的性價(jià)比和應(yīng)用前景。

PON（無源光纖網(wǎng)絡(luò)）；通訊；水利監(jiān)控

1 問題的提出

水利監(jiān)控項(xiàng)目多用于水庫、河道、水閘等與防汛、安全相關(guān)的領(lǐng)域，主要是利用監(jiān)控手段對(duì)重要的水利建構(gòu)筑物（壩體、堤岸、河道等）、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況等進(jìn)行監(jiān)視、控制，輔助完成對(duì)水利設(shè)施的管理與調(diào)度。近年來，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，因其直觀可視的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水利監(jiān)控項(xiàng)目中，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)視頻采集傳輸系統(tǒng)的需求己經(jīng)從“看得見”發(fā)展為“看得清”，實(shí)時(shí)視頻應(yīng)用開始朝著前端設(shè)備一體化、視頻圖像高清化、傳輸網(wǎng)絡(luò)寬帶化的方向不斷發(fā)展，可由于網(wǎng)絡(luò)資源有限，而視頻監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的帶寬有較高的要求。目前水利監(jiān)控項(xiàng)目通訊主要采用交換機(jī)組環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)，環(huán)網(wǎng)具有一定的冗余能力，某一節(jié)點(diǎn)損壞網(wǎng)絡(luò)能夠開環(huán)運(yùn)行，同時(shí)相比于星形組網(wǎng)，能夠較好的控制項(xiàng)目投資。但當(dāng)環(huán)網(wǎng)有2個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，會(huì)有部分正常節(jié)點(diǎn)丟失，而水利監(jiān)控項(xiàng)目各節(jié)點(diǎn)多位于室外，運(yùn)行環(huán)境較差，特別是節(jié)點(diǎn)的供電很難保證，網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性有待提高。

PON技術(shù)是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖接入方案，近幾年隨著家用寬帶技術(shù)的發(fā)展，PON技術(shù)以光寬帶接入的形式得到了飛速發(fā)展，作為當(dāng)前綜合寬帶接入中最為經(jīng)濟(jì)有效的方式之一，PON已被視為能夠充分適應(yīng)未來發(fā)展趨勢(shì)的高清視頻傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方案。因PON通訊采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有很高的可靠性，這在光寬帶入戶的應(yīng)用中已得到了充分驗(yàn)證，而PON通訊在水利監(jiān)控項(xiàng)目中的應(yīng)用很少，相關(guān)的研究及論文也比較少。本文從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度研究PON通訊技術(shù)用于水利監(jiān)控項(xiàng)目的可行性及其推廣價(jià)值，旨在為水利監(jiān)控項(xiàng)目尋找一種高性價(jià)比的組網(wǎng)方式作簡(jiǎn)單的探索。

2 PON通訊構(gòu)成及其發(fā)展

2.1 PON通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

PON（Passive Optical Network：無源光纖網(wǎng)絡(luò)）是指光配線網(wǎng)（ODN：Optical Distribution Network）中不含任何電子器件及電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成的光纖網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通常采用點(diǎn)到多點(diǎn)的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）包括一個(gè)安裝于中心控制站的光線路終端（OLT：Optical Line Terminal）、一批配套的安裝于用戶場(chǎng)所的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONUs：Optical Network Units），以及在OLT與ONU之間的光配線網(wǎng)（ODN）。PON無源光纖網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D1。

圖1 PON無源光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 PON通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展[1-2]

PON技術(shù)研究起源于1995年，ITU（國際電信聯(lián)盟）從APON開始，經(jīng)歷了BPON、EPON以及GPON的xPON，到目前最新的10G EPON以及xGPON技術(shù)。

目前用于寬帶接入的PON技術(shù)主要有EPON和GPON，以及在EPON/GPON技術(shù)上發(fā)展起來的高帶寬10G EPON/xGPON。

2.3 PON通訊的技術(shù)特點(diǎn)

PON網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)點(diǎn)是消除了戶外的有源設(shè)備，所有的信號(hào)處理功能均在交換機(jī)和用戶住宅內(nèi)設(shè)備上完成。而且這種接入方式的前期投資小，大部分資金要推遲到用戶真正接入時(shí)才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的短，覆蓋的范圍較小，但造價(jià)低，無須另設(shè)機(jī)房，容易維護(hù)。

PON網(wǎng)絡(luò)“無源”的關(guān)鍵是在光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間的光配線網(wǎng)（ODN），是沒有任何有源電子設(shè)備的光接入網(wǎng)，正因?yàn)榇恕盁o源”特性，使得PON這種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)可以避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)減少維護(hù)成本。

此外，光配線網(wǎng)（ODN）全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，在物理拓?fù)渖细鞴?jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)間為星形拓?fù)?，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)間的連接不經(jīng)過其他有源節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性高。并且中心節(jié)點(diǎn)只需1個(gè)GPON/ EPON的光電轉(zhuǎn)換接口，還可省去中心節(jié)點(diǎn)的匯聚設(shè)備，能明顯降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2.4 PON通訊的主要技術(shù)性能

目前用于寬帶接入的PON技術(shù)主要有EPON和GPON，以及在EPON和GPON技術(shù)上發(fā)展起來的高帶寬10G EPON及10G GPON。因EPON與GPON在技術(shù)上比較成熟，其組網(wǎng)容量分別達(dá)到1.25，2.50 Gbps，能夠滿足在水利上的絕大部分應(yīng)用，本文主要討論EPON與GPON的應(yīng)用。

2.4.1 速 率

（1）OLT出口速率：EPON提供固定上下行1.25 Gbps，采用8b/10b線路編碼，實(shí)際速率為1.00 Gbps。GPON支持多種速率等級(jí)，可以支持上下行不對(duì)稱速率，下行2.50 Gbps或1.25 Gbps，上行1.25 Gbps或622 Mbps，可根據(jù)實(shí)際需求決定上下行速率，選擇相對(duì)應(yīng)的光模塊，提高光器件速率價(jià)格比。

（2）ONU用戶接口速率：ONU接口以RJ45以太網(wǎng)接口為主，提供10/100 Mbps自適應(yīng)端口。

2.4.2 分路比

分路比即1個(gè)OLT端口(局端)帶多個(gè)ONU（用戶端）。EPON標(biāo)準(zhǔn)定義分路比1:32。GPON標(biāo)準(zhǔn)定義分路比有1:32、1:64、1:128。

2.4.3 通訊距離

PON傳輸距離[3]主要有2個(gè)方面：①物理因素：比如系統(tǒng)光功率預(yù)算，系統(tǒng)色散容限等；②光路徑損耗。

（1）PON系統(tǒng)光功率預(yù)算：根據(jù)802.3ah規(guī)定，OLT的輸出光功率應(yīng)大于2 dBm,接收靈敏度小于-27 dBm；ONU的輸出光功率大于-1 dBm，接收靈敏度小于-24 dBm（現(xiàn)在實(shí)際一般能達(dá)到 - 27 dBm的靈敏度）。這樣，整個(gè)鏈路的光預(yù)算（包括傳輸損耗、分光器插損、熔接損耗、系統(tǒng)預(yù)留冗余等），下行1 490 nm的光功率預(yù)算為：2 - （ - 27） = 29 dB，上行1 310 nm的光功率預(yù)算： - 1 -（- 27） ＞ = 26 dB。

（2）分光器插入損耗：分光器的插損計(jì)算公式簡(jiǎn)單：- 10log（1/最大分光數(shù)）。比如：1×32均分的PLC分光器插損是： - 10log（1/32）≈ 15 dB，考慮分光器的附加損耗，大約為小于17 dB；1×64均分的PLC分光器插損是：- 10Log（1/64） ≈ 18 dB，損耗約大約為小于20 dB。

如果整個(gè)鏈路的光預(yù)算只有29 dB，選用1×64的Splitter后，留給線路的光功率只有29 - 20 = 9 dB了?？紤]其他損耗2 dB，功率預(yù)算就剩7 dB了。

（3）線路損耗：1 310 nm的損耗 ＜ 0.35 dB / km（G.652光纖里傳輸），而1 490 nm大約是 ＜ 0.25 dB / km（G.652光纖里傳輸）。因此，剩下的7 dB最多能傳輸：7 / 0.35 = 20 km。

3 PON通訊應(yīng)用于水利監(jiān)控的可行性

3.1 技術(shù)可行性分析

3.1.1 水利監(jiān)控項(xiàng)目的通訊需求

水利監(jiān)控項(xiàng)目主要包括泵站、水閘（含水庫泄洪閘、灌區(qū)渠道節(jié)制閘等）監(jiān)控，河道、水庫沿岸的視頻監(jiān)控等，一般以一項(xiàng)水利設(shè)施為對(duì)象，比如一座水庫、一個(gè)灌區(qū)、一段河道等，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)通訊的需求如下：

（1）組網(wǎng)模式多為1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，若干個(gè)分節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)數(shù)量多在10個(gè)左右）。比如水庫堤岸監(jiān)視頻監(jiān)控、灌區(qū)渠道節(jié)制閘監(jiān)控、河道沿線視頻監(jiān)控等；

（2）可靠性要求高，并要求各節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立，互不影響，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詈媚茏龀尚切?。水利監(jiān)控項(xiàng)目多用于水庫、河道、水閘等與防汛、安全相關(guān)的領(lǐng)域，日常可替代人員的現(xiàn)場(chǎng)巡查，而在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨等時(shí)段要求能夠可靠工作，將前線巡查人員難以到達(dá)的水利設(shè)施的運(yùn)行狀況反饋回來，因此對(duì)可靠性要求較高，并要求不能因系統(tǒng)一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效；

（3）低功耗、能適應(yīng)太陽能蓄電池組供電。水利監(jiān)控項(xiàng)目的某些點(diǎn)位位置十分偏僻，取得市電比較困難，因此當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)采用太陽能蓄電池組供電時(shí)，要求采用低功耗的通訊設(shè)備并能適應(yīng)DC12 V的直接供電要求；

（4）20 km通訊距離。水利監(jiān)控項(xiàng)目一般以一項(xiàng)水利設(shè)施為對(duì)象，目前的監(jiān)控范圍多在2 ～ 20 km范圍內(nèi)；

（5）10 Mbps數(shù)據(jù)帶寬保障。水利監(jiān)控項(xiàng)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高，其中數(shù)據(jù)量較大的視頻監(jiān)控要求每路在2 ～ 4 Mbps，一般要求通訊鏈路的帶寬能達(dá)到10 Mbps。

3.1.2 PON通訊與水利監(jiān)控需求的適應(yīng)性

表1根據(jù)PON通訊的特點(diǎn)及水利監(jiān)控項(xiàng)目通訊的需求列出了PON通訊在水利監(jiān)控項(xiàng)目需求各方面的適應(yīng)性。

表1 PON通訊與水利監(jiān)控需求的適應(yīng)性表

綜合上述水利監(jiān)控項(xiàng)目的通訊需求和PON通訊在水利監(jiān)控項(xiàng)目需求各方面的適應(yīng)性分析可知，PON通訊能夠較好的滿足水利監(jiān)控項(xiàng)目的應(yīng)用需求，從技術(shù)角度講PON通訊應(yīng)用于水利監(jiān)控項(xiàng)目是可行的。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

近幾年隨著家用寬帶技術(shù)的發(fā)展，PON技術(shù)以光寬帶接入的形式得到了飛速發(fā)展，PON通訊產(chǎn)品的價(jià)格也達(dá)到了親民的水準(zhǔn)。1臺(tái)OLT設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)降到了5萬元以內(nèi)，ONU的價(jià)格更是在千元以下。以1個(gè)中心、5個(gè)端節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)為例，PON通訊組網(wǎng)的設(shè)備投資約7萬元左右；而組建1個(gè)中等檔次的環(huán)網(wǎng)，組網(wǎng)設(shè)備投資在8萬元左右。并且隨著端節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，PON通訊的成本將進(jìn)一點(diǎn)降低。

由上述分析可知，PON通訊在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)中具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)角度講PON通訊應(yīng)用于水利監(jiān)控項(xiàng)目是可行的。

3.3 與交換機(jī)組網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

表2列出了目前水利監(jiān)控中應(yīng)用較多的交換機(jī)組網(wǎng)（或光纖收發(fā)器+交換機(jī)組網(wǎng)）與PON通訊的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表2 PON通訊組網(wǎng)與交換機(jī)組網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

由表2可知，PON通訊的可靠性可以達(dá)到交換機(jī)組星形拓?fù)渚W(wǎng)的水平，并具有較高的性價(jià)比。

3.4 適用的水利監(jiān)控項(xiàng)目類型

根據(jù)近年在水利監(jiān)控項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)，將可利用PON通訊的水利監(jiān)控項(xiàng)目總結(jié)如下：

（1）圍涂海閘群/沿江引排水閘泵站群：沿海堤/沿江分布，累積距離10 ～ 15 km，通訊數(shù)據(jù)量一般，可靠性要求高。

（2）河道、水庫沿岸的視頻監(jiān)控：視頻監(jiān)控點(diǎn)沿河道或水庫周界分布，累積距離10 ～ 15 km，單點(diǎn)通訊數(shù)據(jù)量不大，可靠性要求高。

（3）渠道沿線節(jié)制閘監(jiān)控、量測(cè)水設(shè)施、重要點(diǎn)位視頻監(jiān)控：各信息采集點(diǎn)沿渠道分布，累積距離10 km以下，點(diǎn)數(shù)多，單點(diǎn)通訊數(shù)據(jù)量不大，可靠性要求高。

4 結(jié) 語

（1）PON技術(shù)具有高可靠、低成本的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足水利監(jiān)控項(xiàng)目高清視頻實(shí)時(shí)傳輸高帶寬、高質(zhì)量、高穩(wěn)定以及多場(chǎng)景海量接入的需求，在水利監(jiān)控中具有較高的應(yīng)用前景。

（2）PON 的應(yīng)用還處于起步階段，需要技術(shù)的不斷更新，迎合市場(chǎng)的需求，同時(shí)更需要政府政策的支持和鼓勵(lì)，才能健康、有序、有效地發(fā)展。

[1] 趙峰.PON技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國電子商務(wù)，2010 (6)：91. [2] 張甫光.無源光網(wǎng)絡(luò) (PON)的發(fā)展[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊（自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版），2003，24 (4) ：30 - 36.

[3] 丁為民，陳一偉.無源光網(wǎng)絡(luò) (PON)的傳輸指標(biāo)要求與光分路器設(shè)置[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2011，24 (5) ：56 - 58.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

TN929.1

B

1008 - 701X(2017)03 - 0080 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.023