基于地鐵網絡的通信城域網設計方案

江蘇省無錫專用通信局 梁韻芳 章勇剛

地鐵作為城市的地下軌道交通系統，擁有豐富的管道資源。隨著通信用戶的不斷發展，通信管道資源日漸稀缺，如何合理利用地鐵管道來建設網絡成為城域網建設的新課題。

1 特定城市環境下城域網建設方式

1.1 城域網線路的傳統建設方式

光纖是目前骨干網絡建設的首選。光纜的傳統建設方式有架空、直埋、管道、水底這4種方式[1]。表1為城域傳統建設方式對比。

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1.2 特定城市環境下城域網線路建設方式

1.2.1 利用下水管道系統建設城域網

排水管道是市政建設的重要系統，幾乎遍布城市的每個角落，因此可以在通信管道缺乏的區域利用排水管道敷設光纜。

排水管道光纜敷設可采用以下幾種方式。一是采用自承式結構光纜進行吊掛敷設；二是采用鎧裝光纜進行水底敷設；三是在排水管道的管壁上建一空管，進行管道敷設?？紤]到管道敷設的建設成本較高，排水管疏通時可能對水底敷設光纜造成影響，因此最為常用的是吊掛敷設方式。光纜吊掛在雨水管道的頂部，僅占用很小的空間，幾乎不影響管道的排水和疏通。

利用雨水管道系統敷設光纜的優點是施工效率較高，建設成本低。其缺點是會受到洪水、腐蝕及鼠嚙等的影響，安全性一般，后期維護不方便。

1.2.2 利用地鐵管道系統建設城域網

地鐵覆蓋城市的大部分區域，因此可以借助地鐵的發展契機，同步敷設光纜線路。

地鐵管道光纜敷設可以采用以下幾種方式。一是在鐵軌根部布放光纜，通過皺紋無縫不銹鋼護套對光纜進行保護；二是在管道側壁的橋架上布放光纜，采用普通光纜進行綁扎固定。綜合考慮建設成本及后期維護便利性，通常采用第二種方式。

利用地鐵管道系統敷設光纜的優點是建設成本低，安全性高，施工效率高。其缺點是必須在地鐵建設期進行同步施工，且地鐵正式啟用后軌行區的線路維護只能在夜間進行。

1.3 利用地鐵網絡建設城域網的可行性分析

1）城市地鐵網的普及性。截至2013年，中國有大約28個城市正在籌備建設城市軌道交通。

2）用戶分布情況對比。城市地鐵網作為一個城市的地下交通網絡，其服務對象是城市居民，其地理覆蓋范圍包括金融中心、商業中心、居民區、辦公密集區、學校等人流密集區域和火車站、汽車站、飛機場、博物館等重要場所，和城域網的用戶群體有高度吻合性。

3）網絡拓撲結構對比。地鐵網絡的拓撲結構通常都是先由南北向和東西向兩條線路構成“十”字形結構，然后再逐步增加若干條環線形成環形和網格型結合的城市地鐵網。城域網的拓撲結構通常在前期采用環網結構，隨著業務的擴展逐步向網格狀結構平滑過渡。因此利用地鐵網絡建設城域網可以在逐步建設的過程中自然形成網格狀網絡。

4）經濟優勢。利用地鐵網絡建設光纜線路其建設成本和室內光纜布放成本相當，且其安全性遠高于傳統的架空方式、直埋方式和管道方式，且后期的維護管理更為方便。

2 通信城域網的體系結構

城域網通常從邏輯上分為三層結構：核心層、匯聚層、接入層[2]。核心層以大顆粒業務的調度和多業務處理為核心，同時實現與長途網的互聯；匯聚層主要負責多種業務的匯聚、傳送、調度和處理；接入層通過各種接入技術實現多種業務的接入。圖1為通信城域網體系結構圖。

在具體實施中，通常將城域網分為城域骨干網（三層路由網絡）和寬帶接入網（二層交換網絡）。其中城域骨干網對應三層結構中的核心層和業務接入控制層；寬帶接入網對應三層結構中的匯聚層和接入層。

城域骨干網中的核心層通過核心路由器實現與長途骨干網的鏈接，完成高速的數據轉發。業務接入控制層是二層網絡與三層IP（網際協議）網絡的轉換點，并負責業務的控制、用戶的管理、計費信息采集等項目。業務接入控制層設備有寬帶接入服務器（BRAS）和業務路由器（SR）。

城域接入網是業務接入控制點一下的二層接入網絡。負責二層鏈路的接入和匯聚，如交換以太網、ATM/FR/DDN（異步轉移模式/幀中繼/數字數據網）等，負責將以太網、OLT（光線路終端）匯聚到BRAS，或將ATM/FR/DDN等專線業務匯聚到業務路由器。

需要指出的是，城域網的分層并不是固定的，它所包含的是一個全集，實際應用中可能只是它的子集，這與城市規模、業務類型以及業務發展等因素有關[3]。隨著城域網網絡規模的擴大，其接入層面與接入網的重疊部分開始增多，特別是對于辦公樓、賓館等大用戶，往往將光纖延伸至大樓，直接與樓宇內部的LAN（局域網）相連，從而使城域網接入部分等同于成為接入網[4]。

3 基于地鐵網絡通信城域網設計

3.1 城市城域網發展特點

3.1.1 業務類型

某市城域網承載的主要業務包括語音（包括固定電話、IP電話等）、數據（包括Internet上網業務、虛擬專用網業務等）、視頻（包括視頻會議、視頻監控等）三大類，旨在為用戶提供“三網合一”的ICT（信息通信技術）服務和融合通信服務。ICT服務可同時提供電信業務、互聯網業務和企業應用服務，單位用戶可以享受從網絡的基礎建設到網絡應用建設的全方位服務。融合通信服務通過多樣化的終端將語音、數據、視頻、傳真等信息類型綜合為一體，為用戶提供更全面的服務。

3.1.2 需求預測

統計數據表明，數據業務對傳輸容量的需求占總傳輸帶寬的比例可達到75%，即數據業務所需要的帶寬是傳統話音所需要的帶寬的2～3倍，而在城域網骨干層，數據業務所需要的帶寬可達到傳統話音的4～5倍。根據某市城域網不同業務的帶寬需求，個人用戶需要的下行帶寬為20 Mb/s左右，上行帶寬為512 kb/s～4 Mb/s；單位用戶需要的下行帶寬在100 Mb/s左右。同時考慮到未來3～5年用戶可能會有多路高質量業務需求，因此城域網接入層在設計時需具備提供50～100 Mb/s下行帶寬的能力。

3.2 某城市城域骨干網設計

3.2.1 組網方案

城域骨干網的組網方案有兩種：路由器組網方案和LAN交換機組網方案。

考慮到該市城域網的覆蓋范圍廣、發展潛力大，采用路由器組網方案更符合實際需要。路由器組網方案是大規模采用路由器組建IP城域網的方案。在整個城域網內部采用純IP路由的方式傳輸來自用戶的IP數據。該方案所采用的傳輸技術一般包括光纖、ATM、SDH（同步數字體系）、GE（千兆以太網）、DWDM（密集波分復用）等方式，是中等和大規模網絡普遍采用的組網方式。某市城域網將采用SDH光纖環網技術來組建城域骨干網。

3.2.2 網絡拓撲結構

某市城域網核心層采用雙星型結構，擬選擇2個地鐵交匯站點作為核心節點。通過對該市的城域網用戶地理分布情況進行統計，共選取了31個匯聚節點。

節點之間采用144芯G.652D單模光纜進行雙路由鋪設，將匯聚機房OLT（光線路終端）和位于不同物理位置的ONU（光網絡單元）串接起來，利用華為交換系統作傳輸路由，連通交換機和用戶，即形成基于某城市地鐵網絡的環形和網格型綜合的城域網拓撲結構。

雖然至今未中過一毛錢，我的情緒倒也沒什么大的起伏。畢竟只是動動手指，也沒付出多大成本。只是成功塑造了一個價格敏感型消費者（窮鬼）的形象而已。

3.3 城域接入網設計

某市城域網將采用目前已經成熟的GPON（吉比特無源光網絡）技術和FTTx（光纖接入）技術進行傳統銅纜接入網的改造以及新開發區域的接入。FTTx接入系統主要由OLT、ONU和光分配網（ODN）組成。其中OLT是接入網的局端設備，匯聚下屬所有的ONU信號，并按照業務類型分別送入各種業務網中。ONU是接入網的用戶側設備，為用戶提供各種業務接口。ODN是光纖系統，為OLT和ONU之間提供光傳輸通道[5]。

3.3.1 OLT上行組網接入方案

OLT是接入層中層級最高的網絡節點，通常安裝在接入機房中，在網絡中起到“承上啟下”的作用。根據不同類型的用戶，OLT的上行方向有以下兩種組網接入方案（見圖1）。

OLT上行組網接入方案一：OLT下掛在匯聚交換機上，再通過匯聚交換機連至SR/BRAS。該方案適用于OLT上行帶寬要求較小的情況，適合于家庭用戶和業務分散地區。其優點是OLT就近接入匯聚交換機節點，節約光纖資源，同時無需占用大量核心設備光端口。缺點是網絡層級和節點數量增加無形中增加了故障節點，提高了維護成本和維護難度。

OLT上行組網接入方案二：OLT通過光纖直接上聯至SR/BRAS。該方案適用于OLT帶寬要求高的情況，更適合于政企大客戶和賓館客戶。其優點是使網絡扁平化、業務集中化，可以滿足用戶個性化的需求。缺點是占用大量光纖資源及核心設備光端口，擴容難度相對較大，同時對OLT設備的性能要求較高。

3.3.2 FTTx接入方案

根據光纖到達深度和用戶線的不同，FTTx常用的接入方式可以分為以下 4種[6-7]：FTTC（光纖到路邊），FTTB（光纖到樓），FTTO（光纖到辦公室）和FTTH（光纖到戶）。后三種較常用。

光纖到樓（FTTB）指在某個區域內將光纖進入到樓宇（通常放置在樓頂），在用戶樓宇的某個單元內設置1～N個分光器和ONU，再通過五類線或雙絞線接入到用戶室內。

光纖到戶（FTTH）指在光線路終端（OLT）到用戶間無有源設備，ONU或ONT（光網絡設備）在用戶家中。

按照FTTx類型的不同，ONU有不同的安裝位置和形態，并可以提供多種類型的網絡接口：ONU的POTS（普通電話業務）接口可以與用戶電話機連接，提供語音業務；ONU的以太網接口可以與用戶計算機連接，提供上網業務。

考慮到某市城域網的潛在業務量大、覆蓋范圍廣、用戶疏密程度不均的特點，下面將根據不同用戶的現有網絡資源狀況和不同業務需求，給出多種設計方案。

1）家庭用戶?？刹捎肍TTB（ONU加小區樓內五類線/電話雙絞線）或FTTH的接入方式，保證每戶50～100Mb/s以上的帶寬接入能力。采用家庭網關單元ONU設備〔部分內置IAD（綜合接入設備）〕，具有 2POTS、4FE（快速以太網）、1 WLAN（無線局域網）、1USB（通用串聯總線）端口，提供電話、寬帶接入。同時，可在用戶個人計算機終端上安裝軟phone軟件或視頻通信軟件為用戶提供語音服務和視頻通信服務。具體接入方式結構圖見圖2。

2）賓館用戶。借助賓館內樓層到各房間的綜合布線系統，采用FTTB的接入方式，保證每個房間50～100Mb/s以上的帶寬接入能力。按樓層集中配置ONU設備，保證ONU設備至用戶信息點的五類線長度在90 m以內。根據不同需求采用不同的ONU設備：在客房區采用多住戶單元型ONU，合計具有8～64 POTS、8～64 FE/DSL端口，提供電話、寬帶接入；在商務區采用多商戶單元型ONU，合計具有8～16 POTS、8～16 FE、4～8 E1端口，提供電話、寬帶、2 Mb/s專線和視頻會議等業務接入。具體接入方式結構圖見圖3。

3）政企客戶。對于綜合辦公樓，可采用和賓館用戶類似的FTTB接入方式。對于樓內按區域租用給各單位辦公的大樓，采用FTTO接入方式，保證每個單位100 Mb/s～1 Gb/s的寬帶接入能力。根據不同需求采用不同的ONU設備：對于小型單位可采用家庭網關單元ONU設備（部分內置IAD），合計具有2 POTS、4 FE、1 WLAN、1 USB端口，提供電話、寬帶業務接入；對于大型單位可采用多商戶單元型ONU，合計具有8～16 POTS、8～16 FE、4～8 E1端口，提供電話、寬帶、2 Mb/s專線和視頻會議等業務接入。具體接入方式結構圖見圖4。

3.4 設備配置原則

某市城域網采用高性能的國內主流廠家設備，設備板卡及端口將按照目前的實際需求進行配置，后期再根據業務的發展進行設備擴容。設備配置將遵循以下原則[8]：

1）考慮到設備端口配置的統一，同機房設備間互聯端口統一配置為單模短距接口。

2）如果兩臺設備在不同節點或不同機房則端口配置如下：

·節點之間距為0～l0km則配置短距光模塊（10km）；

·節點之間距為10～40km則配置長距光模塊（40km）；

·節點之間距為40～70km則配置超長距光模塊（70km）。

3）城域網核心路由器與省網核心路由器之間、核心路由器之間采用10GPOS（SDH封裝數據包）端口連接，核心路由器和SR/BRAS之間采用10 GE/GE端口連接，匯聚交換機和SR/BRAS之間采用GE端口連接。

4 結束語

本方案可充分發揮后發優勢，利用地鐵網絡大幅降低建設費用，并具有高安全可靠性。該方案在地鐵逐條線路建設時同步進行城域骨干網的建設以及相應接入網的用戶接入。如何在該網絡不斷演進的情況下進行后期的路由優化，是本課題下一步的研究工作。

[1] 李樹平.光纜敷設方式及應用場景分析 [J].中國西部科技,2011(6):18-19.

[2] 韓大海.智能城域光網絡多業務承載技術及其網絡性能研究 [D].北京:北京郵電大學,2007.

[3] HEJ,CHENH,CHENTM,et al.Adaptivecongestion control for DSRC vehiclenetworks[J].IEEECommunicationsLetters,2010,14(2):127-129.

[4] MA X,ZHANGJ,WU T.Reliability analysis of one-hop safety-critical broadcastservicesin VANET[J].IEEET ransactionson Vehicular Technology,2011,60(8):3933-3946.

[5] 孫維平,郁建生,朱燕,等.FTTx與PON系統工程設計與實例［M］.北京:人民郵電出版社,2013:104-156.

[6] YADAV R.Passive-optical-network-(PON-)based converged access network[J].IEEE/OSAJournal of Optical Communicationsand Networking,2012,4(11):124-130.

[7] 張永軍,顧婉儀.一種在接入網中實現OCDMA/DWDMA的新方法[J].通信學報,2005,26(1):23-26.

[8] 林秋輝.城域網設計方案研究[D].北京:北京郵電大學,2010.