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摘 要：为了实现井下各主要生产环节的信息能在地面进行监测、监视、监控，井下工作人员之间能友好地通信，将EPON技术应用于煤矿井下信息网络中。EPON技术与现有以太网技术兼容，具有高带宽、低成本、带宽分配灵活，服务有保证等特点，能较好地解决通信网络在井下使用时产生的层叠问题，在各网之间实现无缝连接而不需要任何格式转换，大大地提高运行效率，方便管理和降低煤矿监控通信系统的成本。同时，可彻底避免外部设备的电磁干扰，提高系统的可靠性，减少线路和外部设备的故障率。使用EPON技术能很好地解决煤矿井下通信距离、速度、成本和安全的问题。
关键词：煤矿；信息网；EPON技术；无源光网络
中图分类号：TN915.04文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2011)01-0037-04
Research on Coal Mine Information Network Construction Based on EPON Technology
LU Kui, FAN Hu
(School of Computer Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: In order to monitor the main mine production processes on the surface，and friendly communicate among workers underground mine, EPON technology was applied to coal mine information network. EPON is compatible with existing Ethernet technology, and has high bandwidth, low cost, flexible bandwidth allocation, reliable service and so on. It can better solve cascade problem of communication network used in the underground, and realize seamless connection among various networks without any format conversion, greatly improve operation efficiency, facilitate management and reduce cost of mine monitoring communication system. Also, it can protect information network from electromagnetic interference generated by external devices, improving reliability of system, reducing failure rate of cable and external equipments. EPON technology can solve the problems of communication distance, speed, cost and safety in the underground of coal mines.
Key words:coal mine; Information Network; EPON technology; passive optical network
目前光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络［1］(PON，Passive Optical Network)，PON是一种纯介质网络，由于消除了局端和用户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是广大用户长期期待的技术。PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON／BPON、GPON、EPON／GEPON等几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术，其中EPON［2］(Ethernet Passive Optical Network)是几种最佳的技术和网络结构的结合。
1EPON的原理和特点
EPON技术是一种宽带综合接入技术。它继承了以太网和TDM的一些特性。从网络分层协议上来看，EPON属于L2的协议［3］。从物理层上看，EPON的物理层四大功能基本上采纳了Ethernet的标准，确切的说，应该是GE的标准。从数据链路层看， EPON在数据链路层上，采用了基于TDM思想的全新控制协议。通过对时间进行分片，然后将不同的时间片指定给不同的ONU设备来使用，从而避免数据传输过程中棘手的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。
EPON采用了基于TDM时间片原理的分片分级分配的方式［4］，可以非常灵活地将不同的网络带宽赋予不同的ONU设备，达到有效控制用户带宽的效果。在带宽的颗粒度上可以达到64kbit／s，从而实现精细的带宽控制，而这种带宽控制功能是Ethernet所不具备的。EPON通过在OLT和ONU之间引入了无源分光器POS(Passive Optical Splitter)，从而实现了点对多点的通信方式，实现了一个端口可以支持多个ONU、最小化占用OLT端口资源、节省了中间段的光电／电光转换、上行带宽共享、节省工程投资等，解决传统的网络系统中点对点组网方式带来的种种问题。POS采用光波分路和光波耦合原理，实现了下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作。对于从OLT到达ONU的下行数据，POS通过实现下行光波分光从而实现下行数据拷贝和广播分发；对于从ONU到达OLT的上行数据，无源分光器只是通过将上行的各路光波耦合在一起，从而实现将上行的各路数据简单汇聚。由于各个ONU使用的时隙各不相同，因此不会出现由于上行数据冲突导致数据传送出错。由于无源分光器是一种无源的光学设备，在驱动距离上主要是由OLT和ONU来决定，同时无源分光器在进行光波分路和光波耦合时，都会造成或多或少的光学损耗。目前OLT和ONU之间的最大距离为20公里。当然，如果采用有源的光路放大器，OLT和ONU之间的传输距离可以更长。
从EPON的总体来看，这是一种优秀的宽带技术，集中当前众多网络技术优点，同时克服了Ethernet的固有缺点，提供了强大的网管功能，是一种准电信级别的技术。唯一美中不足的是标准尚未定型。
2EPON 技术的优势
IEEE EFM 工作组的目的是在现有IEEE802.3 协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。EPON 相对于现有其他宽带接入技术的优势归纳起来主要有以下几个方面［5-6］：
1) 与现有以太网技术兼容。以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3 协议作较少的补充，是与传统以太网兼容的。随着EPON 标准的正式发布和成熟EPON 系统的大规模商用，在WAN 和LAN 连接时将减少很多协议转换引入的成本和代价。
2) 高带宽。EPON 的下行信道为千兆广播方式，而上行信道则为用户共享的千兆信道，即使在分路比为1∶32 时，每个ONU 的上／下行平均带宽仍然可以达到近30 Mb／s，峰值带宽甚至可以达到900 Mb／s 及以上。这比目前的其他接入方式，如Modem、ISDN、ADSL 甚至APON(下行622／155 Mbit／s，上行共享155 Mbit／s)都要高很多倍。
3) 低成本。EPON 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。首先，由于采用PON 的结构，EPON 网络中减少了大量的光纤和光器件以及网络建成后的运营维护成本，降低了预先支付的设备资金和与SDH／SONET 及ATM 有关的投资。其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和简便的安装维护使EPON 具有APON 和GPON 等所无法比拟的低成本。
4) 为灵活和快速的服务重组提供了方便。提供了多层安全，例如限制用户(支持如802.1x 的用户身份认证和多种业务水平协议SLA)、支持虚拟专用网(VPN：VirtualPrivate Network)的VLAN、IP 安全(IPSec)等。
5) 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。
6) 带宽分配灵活，服务有保证。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ／WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。
7) EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入，真正实现煤矿信息网的三网合一。
3EPON在矿井通信中的应用
我国煤炭产量95％以上来自于井下开采的矿井。井下开采从技术上大致分8个环节：采煤(综采或普采)、掘进(综掘)、原煤运输(胶带运输)、辅助运输(电机车或胶轮机)、通风、供电、排水、提升。原煤生产工作人员主要按工种分配在以上8个生产环节的生产过程中，为了实现矿井生产的高产高效，要求各主要生产环节的信息能在地面进行监测、监视、监控，井下工作人员之间能友好地通信。它们之间既有数据采集信号、控制信号，也有图像监视信号和音频信号等。其发展经历了瓦斯遥测系统、监控系统、再到矿井综合监控系统的发展历程。
矿井监控通信系统(见图1)将视频、音频和数据信息传送到井下或地面的监控中心，尤其是多媒体通信技术的发展给矿井综合监控注入了新的活力，多媒体矿井监控通信系统成为矿井综合监控发展的趋势。在一个大型矿井中，各种通信信息数字化后的总数码率目前不超过68 Mbps。煤矿井下通信网是接入网，光纤是井下接入网中最好的传输媒质，宜采用光纤到大巷、光纤到工作面的光纤接入网方案。煤矿井下信息高速公路由光纤接入网、多功能终端和相关的软件组成。光纤通信的多点接入和低速数据的汇接适配是煤矿井下信息高速公路中的特殊技术。EPON作为一种多业务宽带光纤接入网技术，具有性能价格比高、可扩展性、容易安装开通以及高可靠性等优点，对矿井监控通信是一个很好的选择(见图2)。
图1 矿井监控通信系统结构图
图2 采用EPON的矿井监控通信系统示意图
采用EPON技术的矿井监控通信系统，是一种星型结构。EPON系统中，在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于煤矿监控中心的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1∶N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元，在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1∶N无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到中心OLT接收端。
结合煤矿实际，根据ONU所处位置的不同，EPON的应用模式可分为光纤到地面工作机房(如绞车机房、供电机房、风机房等)、光纤到井下工作机房(如井下变电站、井下绞车房等)、光纤到井下工作巷道(如大巷、工作面等)。ONU放置地面时，各种业务可以采用ADSL、Cable、LAN、视频同轴电缆等方式接入到ONU；ONU放置井下时，各类安全数据(如瓦斯、风量、顶板压力等)、图象可以LAN、RS232／485／422、FSK、Cable等形式接入到ONU。井下ONU与地面ONU设备不同之处除了供电电源、接口不同之外，最主要的不同之处是地下ONU需要采用防爆结构处理。
从工作面、掘进头及井下各种设施汇总到支巷道，到大巷，从井筒到地面工业广场，进入监控中心，可以1个采区或1个工作面配置1个POS。
4 结论
由于EPON与现有以太网技术兼容、高带宽、低成本、带宽分配灵活，服务有保证等特点，能较好解决传统网络在井下使用时产生的层叠问题；其次，EPON光网络的无源性使它彻底避免了外部设备的电磁干扰，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本。由于都采用了与IP统一的以太网帧结构，各网之间可以实现无缝连接而不需要任何格式转换。这大大地提高运行效率、方便管理和降低煤矿监控通信系统的成本，同时用户将可以获得极高的接入速率，从而很好地解决煤矿井下通信距离、速度、成本和安全的问题。
参考文献：
［1］ 陈禹.IP网与SDH网融合技术方案的研究与实现［D］.长春： 长春理工大学，2004.
［2］ 潘海波.无源光网络EPON技术浅谈［J］.通信与信息技术，2010（5）：9-11.
［3］ 黄欣荣.基于EPON技术的三网合一探讨［J］.中国新通信，2010(21)：38-40.
［4］ 欧振猛. EPON宽带接入技术探讨［J］.通信世界，2006 (4)：37-38.
［5］ ASSIC M DYNAMIC. Bandwidth Allocation for Quality of Service over Ethernet PONs［J］. IEEE JSAC， 2010，21(9)：1 467-1 477.
［6］ 马悦.EPON技术研究及实践应用［D］.北京：北京邮电大学，2004.
［7］ 张守祥，王汝琳，郭慧玲.基于PON技术的矿井监控通信系统［J］.工矿自动化，2002 (2)：35-37.
［8］ 陆奎.EPON在煤矿综合安全信息网中的应用研究［J］.煤矿机电，2010 (6)：8-10.
(责任编辑：李 丽，范 君)
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：煤矿；信息网；EPON技术；无源光网络
中图分类号：TN915.04文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2011)01-0037-04
Research on Coal Mine Information Network Construction Based on EPON Technology
LU Kui, FAN Hu
(School of Computer Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: In order to monitor the main mine production processes on the surface，and friendly communicate among workers underground mine, EPON technology was applied to coal mine information network. EPON is compatible with existing Ethernet technology, and has high bandwidth, low cost, flexible bandwidth allocation, reliable service and so on. It can better solve cascade problem of communication network used in the underground, and realize seamless connection among various networks without any format conversion, greatly improve operation efficiency, facilitate management and reduce cost of mine monitoring communication system. Also, it can protect information network from electromagnetic interference generated by external devices, improving reliability of system, reducing failure rate of cable and external equipments. EPON technology can solve the problems of communication distance, speed, cost and safety in the underground of coal mines.
Key words:coal mine; Information Network; EPON technology; passive optical network
目前光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络［1］(PON，Passive Optical Network)，PON是一种纯介质网络，由于消除了局端和用户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是广大用户长期期待的技术。PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON／BPON、GPON、EPON／GEPON等几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术，其中EPON［2］(Ethernet Passive Optical Network)是几种最佳的技术和网络结构的结合。
1EPON的原理和特点
EPON技术是一种宽带综合接入技术。它继承了以太网和TDM的一些特性。从网络分层协议上来看，EPON属于L2的协议［3］。从物理层上看，EPON的物理层四大功能基本上采纳了Ethernet的标准，确切的说，应该是GE的标准。从数据链路层看， EPON在数据链路层上，采用了基于TDM思想的全新控制协议。通过对时间进行分片，然后将不同的时间片指定给不同的ONU设备来使用，从而避免数据传输过程中棘手的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。
EPON采用了基于TDM时间片原理的分片分级分配的方式［4］，可以非常灵活地将不同的网络带宽赋予不同的ONU设备，达到有效控制用户带宽的效果。在带宽的颗粒度上可以达到64kbit／s，从而实现精细的带宽控制，而这种带宽控制功能是Ethernet所不具备的。EPON通过在OLT和ONU之间引入了无源分光器POS(Passive Optical Splitter)，从而实现了点对多点的通信方式，实现了一个端口可以支持多个ONU、最小化占用OLT端口资源、节省了中间段的光电／电光转换、上行带宽共享、节省工程投资等，解决传统的网络系统中点对点组网方式带来的种种问题。POS采用光波分路和光波耦合原理，实现了下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作。对于从OLT到达ONU的下行数据，POS通过实现下行光波分光从而实现下行数据拷贝和广播分发；对于从ONU到达OLT的上行数据，无源分光器只是通过将上行的各路光波耦合在一起，从而实现将上行的各路数据简单汇聚。由于各个ONU使用的时隙各不相同，因此不会出现由于上行数据冲突导致数据传送出错。由于无源分光器是一种无源的光学设备，在驱动距离上主要是由OLT和ONU来决定，同时无源分光器在进行光波分路和光波耦合时，都会造成或多或少的光学损耗。目前OLT和ONU之间的最大距离为20公里。当然，如果采用有源的光路放大器，OLT和ONU之间的传输距离可以更长。
从EPON的总体来看，这是一种优秀的宽带技术，集中当前众多网络技术优点，同时克服了Ethernet的固有缺点，提供了强大的网管功能，是一种准电信级别的技术。唯一美中不足的是标准尚未定型。
2EPON 技术的优势
IEEE EFM 工作组的目的是在现有IEEE802.3 协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。EPON 相对于现有其他宽带接入技术的优势归纳起来主要有以下几个方面［5-6］：
1) 与现有以太网技术兼容。以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3 协议作较少的补充，是与传统以太网兼容的。随着EPON 标准的正式发布和成熟EPON 系统的大规模商用，在WAN 和LAN 连接时将减少很多协议转换引入的成本和代价。
2) 高带宽。EPON 的下行信道为千兆广播方式，而上行信道则为用户共享的千兆信道，即使在分路比为1∶32 时，每个ONU 的上／下行平均带宽仍然可以达到近30 Mb／s，峰值带宽甚至可以达到900 Mb／s 及以上。这比目前的其他接入方式，如Modem、ISDN、ADSL 甚至APON(下行622／155 Mbit／s，上行共享155 Mbit／s)都要高很多倍。
3) 低成本。EPON 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。首先，由于采用PON 的结构，EPON 网络中减少了大量的光纤和光器件以及网络建成后的运营维护成本，降低了预先支付的设备资金和与SDH／SONET 及ATM 有关的投资。其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和简便的安装维护使EPON 具有APON 和GPON 等所无法比拟的低成本。
4) 为灵活和快速的服务重组提供了方便。提供了多层安全，例如限制用户(支持如802.1x 的用户身份认证和多种业务水平协议SLA)、支持虚拟专用网(VPN：VirtualPrivate Network)的VLAN、IP 安全(IPSec)等。
5) 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。
6) 带宽分配灵活，服务有保证。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ／WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。
7) EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入，真正实现煤矿信息网的三网合一。
3EPON在矿井通信中的应用
我国煤炭产量95％以上来自于井下开采的矿井。井下开采从技术上大致分8个环节：采煤(综采或普采)、掘进(综掘)、原煤运输(胶带运输)、辅助运输(电机车或胶轮机)、通风、供电、排水、提升。原煤生产工作人员主要按工种分配在以上8个生产环节的生产过程中，为了实现矿井生产的高产高效，要求各主要生产环节的信息能在地面进行监测、监视、监控，井下工作人员之间能友好地通信。它们之间既有数据采集信号、控制信号，也有图像监视信号和音频信号等。其发展经历了瓦斯遥测系统、监控系统、再到矿井综合监控系统的发展历程。
矿井监控通信系统(见图1)将视频、音频和数据信息传送到井下或地面的监控中心，尤其是多媒体通信技术的发展给矿井综合监控注入了新的活力，多媒体矿井监控通信系统成为矿井综合监控发展的趋势。在一个大型矿井中，各种通信信息数字化后的总数码率目前不超过68 Mbps。煤矿井下通信网是接入网，光纤是井下接入网中最好的传输媒质，宜采用光纤到大巷、光纤到工作面的光纤接入网方案。煤矿井下信息高速公路由光纤接入网、多功能终端和相关的软件组成。光纤通信的多点接入和低速数据的汇接适配是煤矿井下信息高速公路中的特殊技术。EPON作为一种多业务宽带光纤接入网技术，具有性能价格比高、可扩展性、容易安装开通以及高可靠性等优点，对矿井监控通信是一个很好的选择(见图2)。
图1 矿井监控通信系统结构图
图2 采用EPON的矿井监控通信系统示意图
采用EPON技术的矿井监控通信系统，是一种星型结构。EPON系统中，在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于煤矿监控中心的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1∶N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元，在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1∶N无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到中心OLT接收端。
结合煤矿实际，根据ONU所处位置的不同，EPON的应用模式可分为光纤到地面工作机房(如绞车机房、供电机房、风机房等)、光纤到井下工作机房(如井下变电站、井下绞车房等)、光纤到井下工作巷道(如大巷、工作面等)。ONU放置地面时，各种业务可以采用ADSL、Cable、LAN、视频同轴电缆等方式接入到ONU；ONU放置井下时，各类安全数据(如瓦斯、风量、顶板压力等)、图象可以LAN、RS232／485／422、FSK、Cable等形式接入到ONU。井下ONU与地面ONU设备不同之处除了供电电源、接口不同之外，最主要的不同之处是地下ONU需要采用防爆结构处理。
从工作面、掘进头及井下各种设施汇总到支巷道，到大巷，从井筒到地面工业广场，进入监控中心，可以1个采区或1个工作面配置1个POS。
4 结论
由于EPON与现有以太网技术兼容、高带宽、低成本、带宽分配灵活，服务有保证等特点，能较好解决传统网络在井下使用时产生的层叠问题；其次，EPON光网络的无源性使它彻底避免了外部设备的电磁干扰，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本。由于都采用了与IP统一的以太网帧结构，各网之间可以实现无缝连接而不需要任何格式转换。这大大地提高运行效率、方便管理和降低煤矿监控通信系统的成本，同时用户将可以获得极高的接入速率，从而很好地解决煤矿井下通信距离、速度、成本和安全的问题。
参考文献：
［1］ 陈禹.IP网与SDH网融合技术方案的研究与实现［D］.长春： 长春理工大学，2004.
［2］ 潘海波.无源光网络EPON技术浅谈［J］.通信与信息技术，2010（5）：9-11.
［3］ 黄欣荣.基于EPON技术的三网合一探讨［J］.中国新通信，2010(21)：38-40.
［4］ 欧振猛. EPON宽带接入技术探讨［J］.通信世界，2006 (4)：37-38.
［5］ ASSIC M DYNAMIC. Bandwidth Allocation for Quality of Service over Ethernet PONs［J］. IEEE JSAC， 2010，21(9)：1 467-1 477.
［6］ 马悦.EPON技术研究及实践应用［D］.北京：北京邮电大学，2004.
［7］ 张守祥，王汝琳，郭慧玲.基于PON技术的矿井监控通信系统［J］.工矿自动化，2002 (2)：35-37.
［8］ 陆奎.EPON在煤矿综合安全信息网中的应用研究［J］.煤矿机电，2010 (6)：8-10.
(责任编辑：李 丽，范 君)
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文