無源光局域網(wǎng)(POL,PassiveOpticalLAN)是一種基于PON技術(shù)的新型局域網(wǎng)組網(wǎng)方式,其繼承了PON網(wǎng)絡(luò)的無源傳輸距離長、大帶寬、高可靠性、易管理、易部署的技術(shù)優(yōu)勢,相比于以接入、匯聚、核心等多級交換為特性的傳統(tǒng)局域網(wǎng),其扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更適合南北數(shù)據(jù)量大、低延時、云服務(wù)等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的特點。自2013年國際上首次提出POL的理念起，POL就在許多超大項目上得以成功應(yīng)用,迪拜哈利法酒店就是第一座采用POL技術(shù)建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志性建筑。我國自2017年也開啟了POL相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程應(yīng)用的研究,由中國勘察設(shè)計協(xié)會組織編寫的《無源光局域網(wǎng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECA20002-2009)已于2019年8月1日開始正式實施。2019年10月,在中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會、中國勘察設(shè)計協(xié)會支持和指導(dǎo)下,華為、諾基亞貝爾等多家公司作為發(fā)起單位,成立了綠色全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)盟(ONA),不僅成功發(fā)布了《F5G全光園區(qū)技術(shù)應(yīng)用白皮書》《智慧醫(yī)院F5G全光網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)白皮書》等技術(shù)成果,還推廣完成了數(shù)百個代表性工程[2-4]。在國際上,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)將POL相關(guān)技術(shù)定義為第五代固定通信網(wǎng)絡(luò)(F5G),并在2020年2月正式成立F5G工作組,加速光纖到戶及光聯(lián)萬物工程的進程。在流行的POL網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,核心交換機和OLT放置于核心機房中,一般采用兩級分光或者一級分光。采用一級分光時,無源分光器放置于樓層弱電間中;采用兩級分光時,上級分光設(shè)置于核心機房,下級分光設(shè)置于樓層弱電間內(nèi)。ONU的設(shè)置位置盡可能靠近用戶終端的位置,以4~8口的多端口ONU為常見,從ONU到各種用戶終端采用以太網(wǎng)銅纜網(wǎng)線,網(wǎng)線長度通常為5~10m。1全光纖到桌面POL

1.1全光纖到桌面POL方案的技術(shù)特點近年來,在POL技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的過程中,某些建筑體量較大、末端帶寬需求高、網(wǎng)絡(luò)物理隔離要求嚴(yán)且網(wǎng)絡(luò)需集中靈活管理的園區(qū)或大型建筑,越來越青睞一種被稱為“全光纖到桌面POL”的POL方案。與常規(guī)POL方案不同,其具有以下特點。(1)采用一級分光,且分管器集中設(shè)置在核心機房,可以方便地通過在核心機房調(diào)配分光器的配置來靈活地改變每個現(xiàn)場ONU的帶寬;(2)從核心機房到分出的干線光纜有芯數(shù)小、數(shù)量多的特點,能滿足最嚴(yán)格的各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理隔離的要求;(3)終端ONU采用1數(shù)據(jù)口或者1數(shù)據(jù)+1語音的雙口,外形和接入方式與傳統(tǒng)的86墻壁式面板一致,能很好地兼容用戶的使用習(xí)慣。全光纖到桌面POL、常規(guī)POL、傳統(tǒng)交換機組網(wǎng)，這三種局域網(wǎng)的構(gòu)架的比較如圖1所示。圖1三種常見的局域網(wǎng)構(gòu)架的比較1.2

全光纖到桌面POL方案需解決的布線困難圖1可看出,相比于常規(guī)的POL方案，全光纖到桌面POL方案如果能在園區(qū)及超大建筑項目順利實施，必須安全、經(jīng)濟、方便地解決光纖布線的以下新問題:(1)干線光纜數(shù)量多,傳統(tǒng)管孔方案的管孔數(shù)量有限,受一孔一纜施工要求的限制,難以滿足大數(shù)量管廊布線的需求;(2)終端布線環(huán)境狹小,傳統(tǒng)的線槽和穿管方案受安裝環(huán)境限制,施工不便、施工人工費高;(3)光纖到桌面后,傳統(tǒng)的末段布線穿管暗敷方式限制了光纖路由靈活性的發(fā)揮,很難滿足使用場所根據(jù)后期工作需求靈活增設(shè)光纖的需求。因此,全光纖到桌面POL方案需要在傳統(tǒng)的布線方式之外,采用更為合適的布線方式才能保障其順利推廣。1.3課題立項背景基于以上需求,筆者所在單位協(xié)同相關(guān)公司于2021年申報立項了武漢市城建局《全光纖局域網(wǎng)工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》編制研究課題(以下簡稱《導(dǎo)則》),對解決微管微纜布線方式解決全光纖到桌面POL方案的實用性和標(biāo)準(zhǔn)化進行研究。本課題組經(jīng)過1年多的調(diào)研,以及幾個樣板工程的實踐,積累了一些全光纖到桌面POL方案應(yīng)用微管微纜布線技術(shù)的經(jīng)驗,本文將對其技術(shù)要點做總結(jié)介紹。

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微管微纜布線方式

2.1微管微纜布線技術(shù)的起源最初的城域光纜布線由于管道資源昂貴,光纜芯數(shù)按終期容量配置一次布線到位,但后期發(fā)現(xiàn)存在一次性投資過大、光纜芯數(shù)空閑且完好率低的問題。而且,隨著技術(shù)的進步,原來大量預(yù)留的光纖的電氣特性滿足不了新技術(shù)傳輸指標(biāo)的要求,造成了原先施工預(yù)留的大量光纖報廢。這也證明,布線管道雖然可以一次建設(shè)到位,但光纜一次布放到位并不是一個好的施工方案?；谶@樣的市場需求,氣吹光纜施工技術(shù)應(yīng)運而生[7]。氣吹光纜技術(shù)起源于歐洲,以往歐洲的城域網(wǎng)大多采用直埋光纜方式,一條干線一條干線地重復(fù)建設(shè),待管道技術(shù)方案出現(xiàn)后,則通過預(yù)埋空管后逐級拉線來實現(xiàn)光纜升級。而氣吹光纜施工技術(shù),則是先敷設(shè)光纜的母管管束,然后根據(jù)客戶不同時期的需求分別將不同類型的光纜吹進這些微管中,以有效地解決運營商一次性投資成本高、管道資源緊缺等問題。作為一項已經(jīng)成熟的技術(shù),氣吹光纜技術(shù)自1998年起開始正式商用,迄今為止已經(jīng)有超過三十多年的歷史,在歐洲、美洲的長途網(wǎng)以及城市接入網(wǎng)工程中都有大規(guī)模應(yīng)用,國外建成的最長線路為美國圣地亞哥625km的長途干線。2002年,氣吹光纜技術(shù)一經(jīng)引入,即受到我國通信、石化、鐵路、公路行業(yè)的青睞,廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、專業(yè)通信網(wǎng)中。2005年,中石化長嶺-儀征的石油管道工程中,采用同溝敷設(shè)方式,沿輸油管道同溝在1根Φ33的母管中氣吹2根Φ8的微管,一孔預(yù)留做以后升級,另一孔微管中全程氣吹1根24芯的微纜,滿足前期整個項目所有通信的需要,全長約1000km,建成時為當(dāng)時世界最長的氣吹微纜線路,大大降低投資成本的同時保障了良好的使用效果。通過這次成功的嘗試,利用輸油管道同溝敷設(shè)微管微纜氣吹技術(shù)已成為中石油、中石化通信建設(shè)的一種固有模式,已在西氣東輸、中緬輸油管道等諸多超大工程的通信線路得以成功應(yīng)用,經(jīng)受了各種氣候條件和使用工況的考驗[9]。2.2

微管微纜布線技術(shù)相比于傳統(tǒng)城域網(wǎng)氣吹光纜技術(shù)的改進傳統(tǒng)的氣吹鋼纜施工方式針對的是最小內(nèi)徑33mm的布管,這種管路即使對小芯數(shù)的光纜,也只能一條管孔吹送一條,浪費管廊資源,而且普通光纜長距離施工需依靠逐個人(手)孔井倒盤拉線實現(xiàn),施工難度大、專業(yè)性要求較高,不適合園區(qū)和建筑的民用場景。微管微纜技術(shù)是起源于氣吹光纜技術(shù)的一項微光纜氣吹布放新技術(shù),是氣吹光纜方式適應(yīng)園區(qū)網(wǎng)多根小芯數(shù)光纜布線等特定使用場景的改進型應(yīng)用,其改進包括以下幾個方面:(1)用最小內(nèi)徑為3.5mm的微管束和微管代替城域網(wǎng)的最小內(nèi)徑為33mm的導(dǎo)管束和導(dǎo)管,大量節(jié)約了管束和橋架的空間資源;(2)發(fā)明了Y芯管路可以解決園區(qū)和建筑內(nèi)光纖鏈路復(fù)雜路由的需求;(3)用最少芯數(shù)為2芯微光纜代替城域網(wǎng)的大芯數(shù)光纜,滿足了直接配線到末段小型光纖配線盤、ONU等設(shè)備的需求;(4)氣吹機也針對微管和微纜相應(yīng)的口徑材料做了相應(yīng)改進,一次氣吹可達2km,滿足了園區(qū)或建筑最大路由的需求。3微管微纜的設(shè)計要點

3.1微纜的設(shè)計選型微纜是一種專用于氣吹微管微纜系統(tǒng)的光纜,承擔(dān)從干線到用戶的微纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光信號傳輸任務(wù)。微纜由G657光纖及填充件按一定排列固化到光敏樹脂后再擠出一層特殊的低摩擦護套形成,具有彎曲不敏感特性,可以不借助工區(qū)彎曲,相比于G652光纖,具有更小的彎曲半徑,其最小彎曲半徑分別為10mm(G657A1)、7.5mm(G657A2)、5mm(G657B3)。而典型的六類電纜,其標(biāo)準(zhǔn)彎曲半徑則應(yīng)大于50mm。市場上常見的有高性能氣吹光纖束、中心管式氣吹微纜、松套層絞式氣吹微纜、小型化氣吹微型光纜等類型,都可用于全光纖到桌面的POL系統(tǒng)的氣吹施工。其氣吹距離有0.8km、1km、1.2km、2km。設(shè)計網(wǎng)絡(luò)路由時,應(yīng)注意核對氣吹距離,留有裕量,最好不超過標(biāo)準(zhǔn)值的80%。工程上的微纜宜采用低煙無鹵阻燃型,燃燒性能不低于B1級,國內(nèi)大廠各種類型的微纜都有相應(yīng)的產(chǎn)品滿足此要求。微纜的芯數(shù)由設(shè)計決定,以全光纖到桌面POL項目中常用小芯數(shù)微纜代表中心管式氣吹微纜,以及大芯數(shù)微纜為代表的松套層絞式氣吹微纜為例,其主要規(guī)格參數(shù)見表1~2。從表1~2可以看出,應(yīng)用于末端布線時,氣吹微纜比銅纜更有綜合優(yōu)勢;應(yīng)用于干線布線時,氣吹微纜比傳統(tǒng)光纜更能節(jié)省布線通道,也具有綜合優(yōu)勢。3.2微管及微管束的設(shè)計選型微管又稱為硅芯管,彈性適中,具有較高的強度但又可不使用特殊工具進行彎曲。其以彈性高密度聚乙烯(HDPE)為主要原料,采用塑料同步擠出工藝制作,制造時硅膠被同步擠壓進高密度聚乙烯管道內(nèi)壁,形成固體的永久性固體潤滑硅芯層。氣吹微管為兩層結(jié)構(gòu),其內(nèi)壁為永久固體潤滑層(硅芯層),可使管內(nèi)壁摩擦系數(shù)低于0.10~0.15,比一般塑料管的摩擦系數(shù)減少60%~70%及以上。微管具有防水自潔的特性,通過在微纜氣吹前吹掃可快速清洗內(nèi)部污物,方便微纜氣吹敷設(shè)。其內(nèi)壁有平滑內(nèi)壁或帶級向?qū)Я鞑鄣膬?nèi)壁兩種形式,都非常適合微纜氣吹施工。多個微管及其保護外套則組成微管束。工程上的微管及微管束應(yīng)采用低煙無鹵阻燃型,燃燒性能不低于B1級,國內(nèi)大廠各種類型的微管及微管束都有相應(yīng)的產(chǎn)品滿足此要求。微管和微管束的孔徑選用由敷設(shè)的光纜外徑?jīng)Q定,常用的微管和微管束主要規(guī)格參數(shù)見表3~4。4

微管及微管束的敷設(shè)微管及微管束的敷設(shè)方式既可采用氣吹施工,也兼容傳統(tǒng)的施工方式。4.1微管及微管束與傳統(tǒng)施工方式的兼容與差異4.1.1兼容微管及微管束可以完全兼容直埋、線槽等傳統(tǒng)的施工方式,此時微纜微管等同于B1級阻燃PVC管和線纜。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的限制,微管和微管束在吊頂內(nèi)敷設(shè)時需要另穿金屬導(dǎo)管或金屬線槽來敷設(shè);其他場所微管及微管束在需要附加保護時也可穿其他材質(zhì)的母管施工。當(dāng)母管為傳統(tǒng)的金屬管、非金屬管時,都可采用傳統(tǒng)的人工拉線牽引穿管施工方案,在一根母管內(nèi)牽引3~5根微管或微管束以達到管路擴容的目的。4.1.2差異《綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》GB50311-2016第7.6.5第5款規(guī)定,纜線布放槽盒內(nèi)時槽盒內(nèi)的截面利用率應(yīng)為30%~50%。《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019也有類似要求,一般都會在設(shè)計中作為計算橋架(槽盒)容量的依據(jù),以便于維護和更換。但微管在橋架內(nèi)敷設(shè)與線纜在槽盒等橋架內(nèi)敷設(shè)的情況是不一樣的,微管在橋架內(nèi)敷設(shè)后,氣吹安裝微纜或氣吹拆除微纜時,并不需要對微管本身進行施工而要求額外的橋架內(nèi)操作空間裕量,因此微管在橋架內(nèi)的填充率可達到100%。參照《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019第8.5.7條,配電線路(電纜)在電纜橋架內(nèi)可無間距敷設(shè)。因此本《導(dǎo)則》相應(yīng)規(guī)定明確為：微管在電纜橋架、托盤、槽盒內(nèi)等場所可無間距敷設(shè)。4.2微管及微管束的氣吹施工方案當(dāng)微管及微管束在硅芯類母管中施工時,氣吹施工方式是最佳選擇,其快捷方便、施工費用低,還可解決距離長、拐彎多、施工空間狹窄等傳統(tǒng)拉線穿管施工方式不便的難題。4.3微管及微管束的續(xù)接當(dāng)微管及微管束因為條件限制必須分段施工時,兩段微管及微管束可以采用專用連接件續(xù)接而不影響微纜的氣吹效果。同樣微管束還可采用分支管進行分支,以滿足復(fù)雜路徑管路不設(shè)的要求。圖2所示為微管及微管束的續(xù)接效果圖。圖2微管及微管束的續(xù)接5

微纜在微管中的氣吹施工5.1氣吹機氣吹施工的氣吹機分為微管專用氣吹機和微纜氣吹機兩類。5.1.1

微管氣吹機微管和微管束也可采用氣吹技術(shù),分別吹入硅芯母管中,母管最大內(nèi)徑可為63mm,一次氣吹微管和微管束的敷設(shè)距離能達1~2km,常規(guī)的氣吹機最大敷設(shè)外徑42mm的微管束,氣吹速度可達40m/min以上。5.1.2

微纜氣吹機微纜氣吹機用于在微管(或微管束的一孔)中用氣吹的方式敷設(shè)最大芯數(shù)288芯(在14/12mm微管中)的微纜,氣吹速度可達100m/min。氣吹機的推進機構(gòu)把微纜推進微管,同時氣吹機附屬的空氣壓縮機把強大的氣流輸送進微管,微管內(nèi)高速流動的氣體在光纜的表面形成一種向前的推力,促使光纜前進。圖3所示為微纜氣吹施工示意圖。圖3微纜氣吹施工示意圖5.2氣吹施工的常用方案微管微纜的氣吹施工要求基本類似,都能提供多種施工方案以滿足現(xiàn)場條件的不同需求,下面以氣吹微纜施工說明不同氣吹方案的特點。5.2.1

接力氣吹接力氣吹施工方案是在管道沿線依次布置多臺氣吹機,多臺氣吹機接力工作。該施工方案適合有多臺氣吹機時一次性實現(xiàn)長距離敷纜。5.2.2

中間氣吹中間氣吹施工方案是在氣吹線路的中間使用一臺氣吹機實現(xiàn)向兩端氣吹,在向一端氣吹數(shù)設(shè)微繼完畢后,用氣吹機將繼盤上的剩余微纜導(dǎo)入倒盤器中,再將微纜的內(nèi)圈端頭引出,然后向另一端氣吹敷設(shè)微纜。施工方案適合有且只有一臺氣吹機時實現(xiàn)敷設(shè)距離翻倍。5.2.3

蚌跳氣吹蛙跳氣吹施工方案是利用一臺氣吹機和一個倒盤器逐段實現(xiàn)氣吹敷設(shè),累計實現(xiàn)長距離敷纜。其具體操作是將倒盤器安裝在氣吹點的下游,從氣吹點直接將微纜吹入倒盤器,第一段的氣吹完成后打開倒盤器,取出微纜將微纜的內(nèi)圈端頭引出,然后將氣吹機轉(zhuǎn)移到第一段的倒盤點,將倒盤器轉(zhuǎn)移到下一段氣吹段的下游后開始第二段的氣吹,如此重復(fù),直到微纜數(shù)設(shè)完畢。該施工方案適合只有一臺氣吹機時實現(xiàn)長距離敷纜。

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示范工程簡介在本課題的完成過程中,課題組選用了兩個項目作為應(yīng)用示范,均取得了較好的施工效果。6.1湖北省新華醫(yī)院新建職業(yè)病大樓網(wǎng)絡(luò)湖北省新華醫(yī)院(湖北省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院)是一家始建于1953年的三甲醫(yī)院,其新建的職業(yè)病大樓30層,建筑面積約4.4萬m2,床位395張,醫(yī)護定員300人。其微管微纜技術(shù)應(yīng)用基本數(shù)據(jù)見表5。6.2武漢市民之家網(wǎng)絡(luò)改造武漢市民之家建于2012年,項目占地面積約10萬m2,建筑規(guī)模約12.4萬m2,是武漢市重要的標(biāo)志性、景觀性建筑。經(jīng)過10年運行,因政務(wù)工作日益繁瑣,對于網(wǎng)絡(luò)要求也明顯提高,因此2021年對其網(wǎng)絡(luò)進行了升級改造。微管微纜技術(shù)應(yīng)用基本數(shù)據(jù)見6。7

微管微纜布線與常規(guī)布線的比較經(jīng)過本課題的研究以及兩個示范項目的驗證,微管微纜布線方案相比于傳統(tǒng)的布線方式有以下優(yōu)點。7.1一次布管預(yù)留充分微管微纜布線方式擴容性好,一次布管可多次使用,以一個最常見的SC15管布線舉例,兩者比較見表7。7.2性價比高經(jīng)濟優(yōu)勢大微管微纜布線相比于傳統(tǒng)的布線方式有較好的經(jīng)濟性,在新建項目造價有較大優(yōu)勢,在改建項目優(yōu)勢更大。在新建項目中,以同為敷設(shè)1根48芯的微管微纜方案與普通光纜造價比較見表8?？梢钥闯?雖然同樣芯數(shù)的微纜造價要高于普通光纜20%,但微管微纜方案占用管道及施工費用比普纜方案低80%,微管微纜方案總體造價有較大優(yōu)勢。再以升級改造項目為例,若原有管孔資源不足,采用傳統(tǒng)方式敷設(shè)管路,干線管道