首 页王磊：无源光网络助力医院下一代园区网建设（上）
1、医院简介
山东大学齐鲁医院是国家卫生健康委委属（管）医院，教育部直属重点大学——山东大学的直属附属医院，首批委省共建国家区域医疗中心（综合类）牵头和主体建设单位。医院现有济南中心院区、济南东院区、青岛院区，实际开放床位5000张，2019年度完成门急诊量496万人次，最高日门急诊服务量2.4万人次，出院病人23万人次，手术量17万台次。
2、园区网现状
2001年医院济南中心院区进行了全院园区网建设，院区内所有楼宇均进行了综合布线，建设信息点5000多个。上一代园区网建成迄今已近20年，原有桥架老化严重、线路混乱、故障频发、信息点不足等问题日益凸显，不仅使得网络工程师们疲于奔命，也严重制约了医院信息化发展，下一代园区网的建设迫在眉睫。
3、下一代园区网设想
鉴于下一代园区网的重要作用，我们希望其能够具有以下特点：结构简单、带宽高（可升级）、成本低廉、支持多业务、扩展性强、寿命长、运维方便。
图1 带宽与介质的对照关系
如上图所示，采用铜缆建设园区网，在带宽升级时需要更换线缆，而采用光缆则不需要，在“光进铜退”的大趋势面前，下一代园区网最好建设为全光网络。
1、全光网络实现方式
（1）点对点方式（图2中的①）：从网络设备到用户终端之间采用点到点的光通信方式，该方式需要光纤资源多、光模块多，成本高，用户分布密集时，对走线空间要求高，布线工作量大。
（2）有源光网络方式（图2中的②）：接入设备拉近到用户侧，但接入设备为有源设备，该方式较点到点网络所需要光纤资源少、工程部署难度低，但有源设备的部署涉及机房空间和供电问题且维护成本高。
（3）无源光网络方式（图2中的③）：规避了方式二接入设备机房空间、供电及维护等问题，部署与维护综合成本最低。
图2 全光网络实现方式
2、无源光网络介绍
PON（Passive Optical Network），即无源光网络，由光线路终端OLT（Optical Line Terminal）、无源光分配网ODN（Optical Distribution Network）、光网络单元ONU（Optical Network Unit）或光网络终端ONT（Optical Network Terminal）组成的点到多点信号传输系统，简称PON系统。
POL（Passive Optical LAN），即无源光局域网，是基于无源光网络（PON）技术的局域网。
图3 光线路终端OLT
无源光分配网ODN，由分光器POS（Passive Optical Splitter）、光缆/光纤及其它光路的接续、跳转设备组成，其作用是在OLT与ONU之间提供光传输通道。
图4 分光器POS
图5 
3、拓扑对比
图6 网络拓扑示意图
如上网络拓扑示意图中，左侧为传统以太网，中间为点到多点有源光网络，右侧为点到多点无源光网络。可见，有源光网络的特点是在传统以太网的基础上，减少铜缆使用，将接入交换机尽量部署到用户附近；而无源光网络使用OLT作为汇聚层，分光器与ONU的组合作为接入层。
4、无源光网络制式
PON技术的概念是20世纪90年代初提出的，主要可分为用非同步传输模式（ATM）进行分组通信的APON技术、用于宽带接入的基于非同步传输模式（ATM）的BPON技术、基于以太网（Ethernet）分组传送的EPON技术以及兼顾ATM/Ethernet/TDM综合化的GPON技术等。
下表列举了在POL中主要使用的PON技术，目前GPON技术应用最为广泛，10G GPON对称技术也逐渐成为主流。
表1 POL中主要使用的PON技术
PON技术 | 线路速率 | 分光比 | ||
上行速率 | 下行速率 | 理论最大值 | ||
EPON | 1.25G | 1.25G | 1:64 | |
GPON | 1.25G | 2.5G | 1:128 | |
10G EPON | 非对称 | 1.25G | 10G | 1:256 |
对称 | 10G | 10G | 1:256 | |
10G GPON | 非对称 | 2.5G | 10G | 1:512 |
对称 | 10G | 10G | 1:512 | |
5、无源光网络技术特点
第一，单芯双向，波分复用：以GPON为例，在单根光纤上，上下行分别采用中心波长为1310/1490us的光传输信号，实现OLT与ONU的通信。
图7 单芯双向，波分复用
第二，上行时分复用：各ONU在属于自己的时隙里传输数据，光信号在分光器处进行耦合。
图8 上行时分复用
第三，下行广播，ONU选择性接收：所有的ONU都能收到相同的数据，但ONU会丢弃掉不属于自己的数据。
图9 下行广播，ONU选择性接收
1、建设阶段优势分析（优势项标红）
项目 | 传统以太网络+视频监控网络+有线电视+电话 | 有源光网络 | 无源光网络 |
业务承载能力 | 多种业务需要多个并行子网（数据,视频监控,有线电视、电话等) | 一张光纤网络支撑IP业务，传统电话、有线电视等业务需要另外组网 | 一张光纤网络支撑所有业务（含传统电话、有线电视、RS232等） |
建设成本 | 中（设备成本低，综合布线成本高） | 高（设备成本高，综合布线成本中） | 低（设备成本中/低、综合布线成本低） |
综合布线 | 大量的线缆及空间占用 | 中等的线缆及空间占用，较易部署 | 少量的线缆及空间占用，易部署 |
布线周期 | 长 | 中 | 短 |
空间占用 | 占用较大设备机房和布线空间 | 占用中等设备机房和中等布线空间（需要在弱电间放置楼宇汇聚交换机） | 占用较小设备机房和布线空间，分光器通常可壁挂（弱电间主要放置分光器） |
距离限制 | 弱电间到房间小于85m | 楼宇汇聚到房间可达10km（使用普通单模光模块） | OLT到ONU距离可达40km |
部署方式 | 单一（光纤到弱电间） | 丰富（光纤到弱电间、光纤到房间以及光纤到桌面） | 丰富（光纤到弱电间、光纤到房间以及光纤到桌面） |
设备类型 | 终端设备单一（机架式接入交换机） | 较丰富（机架式接入交换机、桌面设备、86盒式设备） | 丰富（机架式ONU、桌面ONU、86盒式ONU、光模块式ONU） |
设备带宽 | 由收敛比和设备规格决定，弱电间接入交换机上下行带宽1G~20G | 由收敛比和设备规格决定，用户侧接入交换机上下行带宽1G~20G | 由分光比和设备规格决定，ONU上行带宽9.8M~10G下行带宽19.6M~10G |
用户带宽 | 由设备带宽和设备规格决定，用户带宽40M~800M（24口交换机） | 由设备带宽和用户侧设备规格决定，用户带宽250M~2.5G（4口交换机） | 由设备带宽和ONU规格决定，用户带宽5M~2.5G（4口ONU） |
带宽潜力 | 无 | 巨大的带宽潜力(高达400G) | 巨大的带宽潜力(高达400G) |
可靠性 | 双汇聚、接入交换机双链路上联 | 双汇聚、双楼宇汇聚、接入交换机双链路上联 | 双OLT、双分光器、ONU双链路上联 |
网络安全 | 需要额外的网络安全措施 | SDN可以为最复杂的环境提供更高级的网络监控功能，网络安全依赖于管理者能力 | 内建的安全特性（OLT支持流氓ONU检测，ONU支持MAC绑定，GPON下行支持AES加密，10GGPON上下行支持AES加密） |
2、运维阶段优势分析（优势项标红）
项目 类型 | 传统以太网络+视频监控网络+有线电视+电话 | 有源光网络 | 无源光网络 |
运营维护 | 汇聚交换机、接入交换机需独立配置，管理运维效率低，运维成本高，SDN不普及；网线多，运维管理复杂 | 采用交换机入房间方案需要配套使用SDN技术，管理运维效率较高;光缆多，运维管理较复杂 | 所有前端ONU/ONT都通过OLT或网管系统集中进行配置、管理、监控，管理运维效率高；光缆少，运维管理简单 |
能耗 | 能耗高，汇聚交换机、接入交换机要求供电和备电(UPS)、冷却 | 能耗中，汇聚交换机要求供电和备电(UPS)、冷却，接入交换机不需要 | 能耗低，分光器、ONU不需要供电和备电(UPS)、冷却 |
扩展性 | 差 | 较好 | 好 |
使用寿命 | 设计使用寿命15年 | 设计使用寿命30年 | 设计使用寿命30年 |
抗干扰 | 网线易受电磁等环境干扰 | 抗电磁及环境干扰 | 抗电磁及环境干扰 |
升级演进 | 无法平滑升级演进（网线本身带宽有限制且使用寿命短，所以网线本身也需要不断升级，同时汇聚、接入交换机都需要更换升级） | 平滑升级，整个光布线网络都无需做任何改变，只需要更换汇聚设备和对应的交换机即可 | 平滑升级，整个光布线网络（光纤、分光器）都无需做任何改变，只需要更换OLT的用户板和对应的ONT/ONU即可 |
（未完待续）
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