摘 要 采用GEPON光纖網(wǎng)絡技術，對煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)設計應用，采用環(huán)形冗余模型融合相關設備連接方式，對未知的網(wǎng)絡安全故障進行智能化控制，結合光纖線路終端OLT、設備冗余控制器、線路冗余控制器、分光器以及ONT設備等，建立全面監(jiān)控、系統(tǒng)聯(lián)動、智能切換的綜合智能礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)GEPON系統(tǒng)模型。

關鍵詞 GEPON光纖網(wǎng)絡；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；智能冗余切換

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0045-02

開灤集團錢家營礦采用GEPON（千兆無源光纖網(wǎng)絡）技術對工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行構建，使傳輸速率達到1000M級別。GEPON網(wǎng)絡采用多環(huán)冗余加樹形分支的混合結構，可將井上、下工業(yè)網(wǎng)絡應用子系統(tǒng)（例如皮帶集中控制系統(tǒng)、井下水泵自動控制系統(tǒng)、井上下電力監(jiān)控系統(tǒng)等）掛接在該高速信息通道上，實現(xiàn)礦井大量監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)暢通無阻的高速傳輸。

GEPON光纖網(wǎng)絡是一種采用點到多點的網(wǎng)絡結構、中間采用無源光分路器和千兆光纖網(wǎng)絡傳輸方式、基于高速以太網(wǎng)平臺和WDM波分復用技術、提供多種業(yè)務綜合網(wǎng)絡接入技術。一般由OLT（光線路終端）、設備冗余控制器、線路冗余控制器、ONT（光網(wǎng)絡單元）和無源光纖分配器等組成。

1 煤礦GEPON千兆無源光網(wǎng)絡結構

GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）是PON 技術中最新實用的一種，由IEEE802.3EFM（Ethernet for the First Mile）提出，它是一種千兆無源以太網(wǎng)，是目前寬帶通訊及寬帶接入的新技術。特點是成本低，寬帶且?guī)捒蓜討B(tài)分配，系統(tǒng)穩(wěn)定，易于安裝維護，故障率低，組網(wǎng)靈活，易于擴展，適合于綜合傳輸視頻、數(shù)據(jù)、語音等信息，可用作全礦井綜合自動化系統(tǒng)的高速主干傳輸。

在工業(yè)以太網(wǎng)絡中，由于目前的大型控制系統(tǒng)大多為分布式控制系統(tǒng)，因此，多采用總線結構或環(huán)形結構。本系統(tǒng)GEPON千兆無源光網(wǎng)絡采用環(huán)形網(wǎng)絡冗余方式，采用地面、井下單環(huán)組網(wǎng)方式。

GEPON千兆無源光環(huán)以太網(wǎng)結構如圖1

所示。

所有工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機都具備兩個全雙工光纖端口，一個連接上級交換機，一個用于連接下級交換機，構成一個完整的光纖環(huán)路。當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相應的網(wǎng)絡設備發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡會自愈，并恢復正常的通訊。

2 GEPON網(wǎng)絡技術在煤礦工業(yè)網(wǎng)絡中的組建

GEPON網(wǎng)絡采用的是點對多點網(wǎng)絡拓撲結構（一臺OLT連接多臺ONT）。采用WDM波分復用技術，單芯雙向傳輸上、下行數(shù)據(jù)。OLT發(fā)出的是連續(xù)的1490 nm波長的下行光信號，而各個ONT發(fā)出的則是脈沖式的1310 nm波長的上行光信號。

下行方向，OLT將數(shù)據(jù)廣播給網(wǎng)絡中的所有的ONT，各ONT接收和自身ID號相同的數(shù)據(jù)，丟棄和自身ID號不同的數(shù)據(jù)。

上行方向采用TDMA時分多址（Time Division Multiple Access）技術，每個ONT都會分配到一個不同的時隙，多個ONT的上行數(shù)據(jù)組成一個時分復用數(shù)據(jù)流傳送到OLT。如圖2所示。

圖2 GEPON網(wǎng)絡拓撲結構圖

開灤集團應用了礦用GEPON系統(tǒng)，并將該技術成功應用到錢家營礦井下信息通訊領域。

GEPON千兆無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)由光線路終端OLT，設備冗余控制器，線路冗余控制器，分光器，傳輸光纜以及ONT設備KJJ61A/CJJ03等部分組成。

1）光線路終端OLT。光線路終端OLT（也稱作BBS 1000+）實物照片如下圖所示。將四個千兆上行口UPLINK1～UPLINK4中的任意一個口連接到上一級交換機即可。需注意的是所連接的交換機端口必須是千兆端口。

光線路終端OLT的四個千兆下行PON口：OLT1～OLT4連接到設備冗余控制的IN端口。當系統(tǒng)中沒有設備冗余控制器時，則直接連到線路冗余控制器的IN1端口，如圖3所示。

圖3 光線路終端OLT示意圖

2）設備冗余控制器。設備冗余控制器可以實現(xiàn)OLT的端口設備冗余功能。它可以實時監(jiān)測主要設備OLT工作端口狀態(tài)和備用設備OLT端口的狀態(tài)，實現(xiàn)自動或手動的冗余切換功能。

設備冗余控制器的連接情況如下圖4所示。圖示中僅表示出了主、備OLT設備的一對端口冗余時的連接情況。其他三對端口連接情況相同。

圖4 設備冗余控制器連接圖

3）線路冗余控制器。線路冗余控制器實物照片如下圖所示。機箱中插有兩塊線路冗余控制模塊（也可根據(jù)實際情況只插一塊線路冗余控制模塊），一塊線路冗余控制模塊可以連接一個GEPON環(huán)網(wǎng)，如圖5所示系統(tǒng)可以連個兩個GEPON環(huán)網(wǎng)。

圖5 線路冗余控制器示意圖

當系統(tǒng)中有設備冗余控制器時，線路冗余控制器的IN1端連接到設備冗余控制器的OUT端。

當系統(tǒng)中不使用設備冗余控制器時，線路冗余控制器的IN1端則直接連到光線路終端OLT四個下行PON口中的任意一個。

從線路冗余控制器的WI端出發(fā)，經(jīng)由網(wǎng)絡中的各個分光器模塊，最后回到WF的這個光纖環(huán)路稱為工作路徑環(huán)。從PF出發(fā)，經(jīng)由網(wǎng)絡中的各個分光器模塊，最后回到PI的這個光纖環(huán)路為保護環(huán)。

線路冗余控制器具有三種工作模式：①工作路徑模式，在工作路徑模式下，系統(tǒng)由WI發(fā)光由對應的WF端來檢測工作路徑的狀態(tài)；同時由PI發(fā)光，PF端檢測保護路徑的狀態(tài)。②保護路徑模式，在保護路徑模式下，系統(tǒng)由PF發(fā)光由對應的PI端來檢測保護路徑的狀態(tài)；同時由WF發(fā)光，WI端檢測工作路徑的狀態(tài)。③緊急工作模式，在緊急工作模式下，系統(tǒng)由WI和PF同時發(fā)光，WF和PI同時檢測系統(tǒng)的對應路徑的狀態(tài)。endprint

4）分光器。環(huán)網(wǎng)中使用FJHG型光纜連接器（原KL5001分光器）。一個FJHG型光纜連接器中有一個分光器模塊。

分光器模塊對外有5個SC接口，分別是COM1、COM2、OUT1、OUT2、ONU五個端。分光器內部結構如圖6所示。

圖6 分光器模塊接口圖

3 GEPON網(wǎng)絡中光傳輸情況

1）下行光傳輸情況。在原GEPON環(huán)網(wǎng)中，由于有線路冗余控制器，不管系統(tǒng)是在工作路徑模式中還是在保護路徑模式中，環(huán)網(wǎng)兩芯光纖中光的傳輸方向都是同向的。

以環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式為例，網(wǎng)絡中光傳播的方向如下圖中大箭頭和小箭頭所示。

注意：此時是系統(tǒng)由WI發(fā)光，由對應的WF端來檢測工作路徑環(huán)的狀態(tài)；同時由PI發(fā)光，PF端檢測保護路徑環(huán)的狀態(tài)，下行的光波長為1490 nm。

如圖7所示，示意性的表示了分光器在環(huán)網(wǎng)中的連接方法。

圖7 GEPON網(wǎng)絡中分光器連接圖

此時分光器中的光傳播情況如圖8所示。由于環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式，只有工作環(huán)中的光能傳輸?shù)終JJ61A中，而保護環(huán)中的光此時不會傳輸?shù)終JJ6A中。

2）上行光傳輸情況。當KJJ61A中的ONU數(shù)據(jù)需要上行傳輸時，使用的是1310 nm波長的光。傳輸方向如圖9所示，以1#分光器下所連接的KJJ61A為例。

此時，從ONU發(fā)出的1310 nm波長的光一部分會經(jīng)過1#分光器的COM1，再沿工作路徑環(huán)的反方向回到線路冗余的W1端；還有一部分會經(jīng)過COM2，并繼續(xù)沿保護路徑環(huán)到達線路冗余的PF端，如圖10所示。

此時，線路冗余控制器會在PF端對1310 nm波長的光進行濾除，如上圖中叉號所示（否則會出現(xiàn)同一點光源發(fā)出的光，沿不同路徑到達同一點，造成光的干涉，也就無法正常通訊了）。只有線路冗余控制器的W1端會將所接收到的1310 nm波長的上行光信號最終傳輸?shù)絆LT中去，從而完成上行光信號的傳輸。

其余2#分光器～6#分光器下所連接的KJJ61A的上行

1310 nm波長的光傳輸情況均一樣。由于上行使用了TDMA時分多址（Time Division Multiple Access）技術，每個ONU都會分配到一個不同的時隙，各ONU只會在分配給自己的這個時間段內以千兆速率送出所緩存的數(shù)據(jù)，故各ONU所發(fā)出的

1310 nm波長的光也不會相互干擾。

3）小結。上述礦用GEPON系統(tǒng)中光信號的上、下行傳輸情況均是線路冗余控制器處在工作路徑模式下時情形，實際上此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的W1端到6#分光器的COM1之間的這一根光纖中雙向傳輸。

同理，當線路冗余控制器在保護路徑模式時，下行的

1490 nm光會由PF和WF發(fā)出，P1和W1接收。各個ONU發(fā)出的上行1310 nm波長的光則只會經(jīng)由線路冗余控制器的PF端傳輸?shù)絆LT中去。此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的PF端到1#分光器的COM2之間的這一根光纖中雙向傳輸。

可以簡單的理解成“光從哪里來，還從哪里回去”。

4 結論

本文總結了煤礦GEPON光纖傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)在實際中的應用技術及原理，采用了環(huán)形的網(wǎng)絡結構，基于三網(wǎng)合一的概念，系統(tǒng)具有雙總線、環(huán)形兩種冗余方式，既保證了系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性，系統(tǒng)具有完整的網(wǎng)絡管理功能，可以實現(xiàn)對OLT，ONT的實時通訊狀態(tài)的管理及故障報警功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡管理可以對每個ONT及OLT進行各種參數(shù)的配置及狀態(tài)報告，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)的雙總線及環(huán)形結構冗余的自動及手動保護功能。GEPON傳輸技術代表未來網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢，是礦山現(xiàn)代化的基礎神經(jīng)中樞的首選方案。

參考文獻

[1]韓曉東，范佩磊，鄧榮.礦用GEPON在祁南煤礦綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].工礦自動化，2008（5）：115-116.

[2]龔道香，石旭剛，黃秀珍.實時工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機的設計[J].電訊技術，2008（1）：86-89.

[3]李世銀，錢建生，孫彥景，等.煤礦工業(yè)以太網(wǎng)絡模型研究及應用[J].華中科技大學學報，2007（3）：46-48.

[4]湯大立，田伊鵬.千兆環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦安全集成監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機電，2009（2）：83-85.

作者簡介

李衛(wèi)國（1981-），男，本科，主要從事計算機網(wǎng)絡、信息化研究。endprint

4）分光器。環(huán)網(wǎng)中使用FJHG型光纜連接器（原KL5001分光器）。一個FJHG型光纜連接器中有一個分光器模塊。

分光器模塊對外有5個SC接口，分別是COM1、COM2、OUT1、OUT2、ONU五個端。分光器內部結構如圖6所示。

圖6 分光器模塊接口圖

3 GEPON網(wǎng)絡中光傳輸情況

1）下行光傳輸情況。在原GEPON環(huán)網(wǎng)中，由于有線路冗余控制器，不管系統(tǒng)是在工作路徑模式中還是在保護路徑模式中，環(huán)網(wǎng)兩芯光纖中光的傳輸方向都是同向的。

以環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式為例，網(wǎng)絡中光傳播的方向如下圖中大箭頭和小箭頭所示。

注意：此時是系統(tǒng)由WI發(fā)光，由對應的WF端來檢測工作路徑環(huán)的狀態(tài)；同時由PI發(fā)光，PF端檢測保護路徑環(huán)的狀態(tài)，下行的光波長為1490 nm。

如圖7所示，示意性的表示了分光器在環(huán)網(wǎng)中的連接方法。

圖7 GEPON網(wǎng)絡中分光器連接圖

此時分光器中的光傳播情況如圖8所示。由于環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式，只有工作環(huán)中的光能傳輸?shù)終JJ61A中，而保護環(huán)中的光此時不會傳輸?shù)終JJ6A中。

2）上行光傳輸情況。當KJJ61A中的ONU數(shù)據(jù)需要上行傳輸時，使用的是1310 nm波長的光。傳輸方向如圖9所示，以1#分光器下所連接的KJJ61A為例。

此時，從ONU發(fā)出的1310 nm波長的光一部分會經(jīng)過1#分光器的COM1，再沿工作路徑環(huán)的反方向回到線路冗余的W1端；還有一部分會經(jīng)過COM2，并繼續(xù)沿保護路徑環(huán)到達線路冗余的PF端，如圖10所示。

此時，線路冗余控制器會在PF端對1310 nm波長的光進行濾除，如上圖中叉號所示（否則會出現(xiàn)同一點光源發(fā)出的光，沿不同路徑到達同一點，造成光的干涉，也就無法正常通訊了）。只有線路冗余控制器的W1端會將所接收到的1310 nm波長的上行光信號最終傳輸?shù)絆LT中去，從而完成上行光信號的傳輸。

其余2#分光器～6#分光器下所連接的KJJ61A的上行

1310 nm波長的光傳輸情況均一樣。由于上行使用了TDMA時分多址（Time Division Multiple Access）技術，每個ONU都會分配到一個不同的時隙，各ONU只會在分配給自己的這個時間段內以千兆速率送出所緩存的數(shù)據(jù)，故各ONU所發(fā)出的

1310 nm波長的光也不會相互干擾。

3）小結。上述礦用GEPON系統(tǒng)中光信號的上、下行傳輸情況均是線路冗余控制器處在工作路徑模式下時情形，實際上此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的W1端到6#分光器的COM1之間的這一根光纖中雙向傳輸。

同理，當線路冗余控制器在保護路徑模式時，下行的

1490 nm光會由PF和WF發(fā)出，P1和W1接收。各個ONU發(fā)出的上行1310 nm波長的光則只會經(jīng)由線路冗余控制器的PF端傳輸?shù)絆LT中去。此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的PF端到1#分光器的COM2之間的這一根光纖中雙向傳輸。

可以簡單的理解成“光從哪里來，還從哪里回去”。

4 結論

本文總結了煤礦GEPON光纖傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)在實際中的應用技術及原理，采用了環(huán)形的網(wǎng)絡結構，基于三網(wǎng)合一的概念，系統(tǒng)具有雙總線、環(huán)形兩種冗余方式，既保證了系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性，系統(tǒng)具有完整的網(wǎng)絡管理功能，可以實現(xiàn)對OLT，ONT的實時通訊狀態(tài)的管理及故障報警功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡管理可以對每個ONT及OLT進行各種參數(shù)的配置及狀態(tài)報告，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)的雙總線及環(huán)形結構冗余的自動及手動保護功能。GEPON傳輸技術代表未來網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢，是礦山現(xiàn)代化的基礎神經(jīng)中樞的首選方案。

參考文獻

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[2]龔道香，石旭剛，黃秀珍.實時工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機的設計[J].電訊技術，2008（1）：86-89.

[3]李世銀，錢建生，孫彥景，等.煤礦工業(yè)以太網(wǎng)絡模型研究及應用[J].華中科技大學學報，2007（3）：46-48.

[4]湯大立，田伊鵬.千兆環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦安全集成監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機電，2009（2）：83-85.

作者簡介

李衛(wèi)國（1981-），男，本科，主要從事計算機網(wǎng)絡、信息化研究。endprint

4）分光器。環(huán)網(wǎng)中使用FJHG型光纜連接器（原KL5001分光器）。一個FJHG型光纜連接器中有一個分光器模塊。

分光器模塊對外有5個SC接口，分別是COM1、COM2、OUT1、OUT2、ONU五個端。分光器內部結構如圖6所示。

圖6 分光器模塊接口圖

3 GEPON網(wǎng)絡中光傳輸情況

1）下行光傳輸情況。在原GEPON環(huán)網(wǎng)中，由于有線路冗余控制器，不管系統(tǒng)是在工作路徑模式中還是在保護路徑模式中，環(huán)網(wǎng)兩芯光纖中光的傳輸方向都是同向的。

以環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式為例，網(wǎng)絡中光傳播的方向如下圖中大箭頭和小箭頭所示。

注意：此時是系統(tǒng)由WI發(fā)光，由對應的WF端來檢測工作路徑環(huán)的狀態(tài)；同時由PI發(fā)光，PF端檢測保護路徑環(huán)的狀態(tài)，下行的光波長為1490 nm。

如圖7所示，示意性的表示了分光器在環(huán)網(wǎng)中的連接方法。

圖7 GEPON網(wǎng)絡中分光器連接圖

此時分光器中的光傳播情況如圖8所示。由于環(huán)網(wǎng)工作在工作路徑模式，只有工作環(huán)中的光能傳輸?shù)終JJ61A中，而保護環(huán)中的光此時不會傳輸?shù)終JJ6A中。

2）上行光傳輸情況。當KJJ61A中的ONU數(shù)據(jù)需要上行傳輸時，使用的是1310 nm波長的光。傳輸方向如圖9所示，以1#分光器下所連接的KJJ61A為例。

此時，從ONU發(fā)出的1310 nm波長的光一部分會經(jīng)過1#分光器的COM1，再沿工作路徑環(huán)的反方向回到線路冗余的W1端；還有一部分會經(jīng)過COM2，并繼續(xù)沿保護路徑環(huán)到達線路冗余的PF端，如圖10所示。

此時，線路冗余控制器會在PF端對1310 nm波長的光進行濾除，如上圖中叉號所示（否則會出現(xiàn)同一點光源發(fā)出的光，沿不同路徑到達同一點，造成光的干涉，也就無法正常通訊了）。只有線路冗余控制器的W1端會將所接收到的1310 nm波長的上行光信號最終傳輸?shù)絆LT中去，從而完成上行光信號的傳輸。

其余2#分光器～6#分光器下所連接的KJJ61A的上行

1310 nm波長的光傳輸情況均一樣。由于上行使用了TDMA時分多址（Time Division Multiple Access）技術，每個ONU都會分配到一個不同的時隙，各ONU只會在分配給自己的這個時間段內以千兆速率送出所緩存的數(shù)據(jù)，故各ONU所發(fā)出的

1310 nm波長的光也不會相互干擾。

3）小結。上述礦用GEPON系統(tǒng)中光信號的上、下行傳輸情況均是線路冗余控制器處在工作路徑模式下時情形，實際上此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的W1端到6#分光器的COM1之間的這一根光纖中雙向傳輸。

同理，當線路冗余控制器在保護路徑模式時，下行的

1490 nm光會由PF和WF發(fā)出，P1和W1接收。各個ONU發(fā)出的上行1310 nm波長的光則只會經(jīng)由線路冗余控制器的PF端傳輸?shù)絆LT中去。此時的通訊數(shù)據(jù)只在線路冗余控制器的PF端到1#分光器的COM2之間的這一根光纖中雙向傳輸。

可以簡單的理解成“光從哪里來，還從哪里回去”。

4 結論

本文總結了煤礦GEPON光纖傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)在實際中的應用技術及原理，采用了環(huán)形的網(wǎng)絡結構，基于三網(wǎng)合一的概念，系統(tǒng)具有雙總線、環(huán)形兩種冗余方式，既保證了系統(tǒng)的可靠性，又增加了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性，系統(tǒng)具有完整的網(wǎng)絡管理功能，可以實現(xiàn)對OLT，ONT的實時通訊狀態(tài)的管理及故障報警功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡管理可以對每個ONT及OLT進行各種參數(shù)的配置及狀態(tài)報告，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)的雙總線及環(huán)形結構冗余的自動及手動保護功能。GEPON傳輸技術代表未來網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢，是礦山現(xiàn)代化的基礎神經(jīng)中樞的首選方案。

參考文獻

[1]韓曉東，范佩磊，鄧榮.礦用GEPON在祁南煤礦綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].工礦自動化，2008（5）：115-116.

[2]龔道香，石旭剛，黃秀珍.實時工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機的設計[J].電訊技術，2008（1）：86-89.

[3]李世銀，錢建生，孫彥景，等.煤礦工業(yè)以太網(wǎng)絡模型研究及應用[J].華中科技大學學報，2007（3）：46-48.

[4]湯大立，田伊鵬.千兆環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦安全集成監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機電，2009（2）：83-85.

作者簡介

李衛(wèi)國（1981-），男，本科，主要從事計算機網(wǎng)絡、信息化研究。endprint