（光学工程专业论文）apon系统ont物理层软硬件设计与关键技术的研究.pdf

摘要 基于异步传输模式( a t m ) 的无源光网络( p o n ) 结合了a t m 的多业务多比特 率支持能力和p o n 的透明宽带传送能力，其光纤入户模式( f t t h ) 是宽带接入技术 的发展方向。本文是对a t m p o n 系统终端o n t 物理层特别是t c 层的设计思想与 关键技术的全面分析。论文的主要内容如下： 论文首先对a t m 技术阻及b i s d n 分层模型进行了概括，分析了a p o n 系统的 网络结构，并以t c 层为核心重点分析了a p o n 系统的工作原理，在此基础上分析了 a p o n 系统终端o n t 基于分层设计思想的总体设计方案，并对t c 层的关键技术进 行了深入探讨。 其次，针对a p o n 系统的数据保护功能要求，分析了循环冗余校验技术，得到 了信元定界和数据校验的并行校验算法；针对数据扰码功能，在分析帧同步扰码技术 ( f s s ) 和分布式扰码技术( d s s ) 工作原理的基础上，论述了t c 层设计中使用的 并行f s s 和并行d s s 技术：针对时钟恢复功能，对锁相环原理和基带信号的功率谱 密度进行了分析，为时钟恢复功能的设计打下理论基础。 再次，本文在分析物理层功能的基础上提出了物理层( 包括物理媒介层特别是 t c 层) 设计的软硬件实现方案。其中，软件方面，着重分析了t c 层的信元定界、 解扰、测距等八个子模块的设计以及仿真结果，论述了t c 层设计中采用的一些编程 优化技术；在硬件方面，运用高速电路板的设计规律与技术，完成了包括光电转换、 时钟恢复、f p g a ：吝片及其配置等电路的物理层电路板的设计，并给出了物理层电路 的原理图和p c b 图。论文的最后部分，讨论了物理层电路软硬件的测试方案分析 了光端机的没计并给出了硬件测试方案和测试结果；分析了测试数据源的编制并给出 了软件测试方案与t c 层的测试结果。文章最后给出了使用逻辑分析仪等手段得到整 体联调的测试结果。 本课题得到江苏省高技术项目资助，项目名称“基于异步传输模式的无源光网络 系统( a p o n ) 终端o n t 的研制”，项目编号：b g 2 0 0 1 1 0 4 6 。对物理层电路功能调 试与检测的结果以及o n t 整体连通调试实验表明，整个硬件电路与软件设计已经完 成g 9 8 3 1 协议所规定的a p o n 系统终端o n t 物理层的功能，特别是研制成功了具 有自主知识产权的的传输汇聚层( t c ) 功能的核心芯片，达到了预定的设计要求。 关键词：异步传输模式，无源光网络，光网络终端，物理层，传输汇聚层 博l 论史摘费 a b s t r a c t t h ep a s s i v e o p t i c a l n e t w o r kb a s e do n a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ( a p o n ) c o m b i n e st h ea t m t e c h n i q u ew i t ht h ep o nt e c h n i q u e ，s oi tc a ns u p p o r td i f f e r e n ts e r v i c e s a n dh a st h e c a p a b i l i t y t ot r a n s f e ri n f o r m a t i o nf r o ms e r v i c en e t w o r ki n t e r f a c et ou s e r n e t w o r ki n t e r f a c ec h a n g e l e s s l yt h ef t t hm o d eo fp o ni st h et r e n do ft h eb r o a da c c e s s n e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o ni st h es u m m i n g u po ft h ed e s i g no fo n t - 一t h et e r m i n a t i o no f a p o n s y s t e m ，a n de m p h a s i z e so n t h ed e s i g no f p h y s i c a ll a y e ro f o n t t h ec o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ni sa sf o f l o w s ： f i r s t l y ，t h i s d i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e st h ea t mt e c h n i q u ea n dt h eb i s d nm o d e l ， a n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l e so fa p o ns y s t e m ，a n dt h e nb r i n g sf o r w a r dt h e l a y e r e dd e s i g n i n gs c h e m eo f o n t s e c o n d l y ，t h ec r ct e c h n i q u ei sa n a l y z e df o rt h ed a t av e r i f i c a t i o no fa p o ns y s t e m ， a n dt h e nt h ep a r a l l e lc e l l d e l i n e a t i o na l g o r i t h ma n dt h e p a r a l l e l d i v i s i o na l g o r i t h ma r e a c q u i r e db a s e do nt h ea n a l y s i s t h es c r a m b l i n gt e c h n i q u e ，s u c ha sf s sa n dd s s ，i sa l s o a n a l y z e da c c o r d i n gt oa p o ns y s t e m t h ep l lt h e o r ya n dt h ef r e q u e n c yo f t h eb a s e b a n d s i g n a la r ea n a l y z e df o r t h ec l o c kr e c o v e r yf u n c t i o no f p h y s i c a ll a y e r t h i r d l y ，b a s e do n t h ea n a l y s i so f p h y s i c a ll a y e r sf u n c t i o n ，t h es c h e m e o fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n i n gi m p l e m e n t a t i o n ，i n c l u d i n gp h y s i c a lm e d i al a y e ra n dt h et cl a y e r , i s b r o u g h t f o r w a r d a sf o r t h e s o f t w a r e ，t h ed e s i g n i n g a n ds i m u l a t i o nr e s u l to fe a c h s u b m o d u l eo ft cl a y e ri sa n a l y z e d ，d u r i n gt h ea n a l y s i sp r o c e s s ，s o m ep r o g r a m m i n ga n d o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei se x p a t i a t e d a sf o rt h eh a r d w a r e ，t h ed e s i g n i n go fp h y s i c a ll a y e r c i r c u i ti sa n a l y z e da l o n gw i t hh i g h s p e e dc i r c u i tt e c h n i q u e ，a n dt h ep c b i sg i v e na tl a s t a t t h ee n d ，t h ed e b u g g i n gs c h e m ea n dt h ed e b u g g i n gr e s u l ti sg i v e n t h i sp r o j e c t d e v e l o p m e n to ft h et e r m i n a t i o no fa p o ns y s t e m o n t i ss u p p o r t e d b y t h e h i g ht e c h n i q u e f u n do fj i a n g s up r o v i n c e ，t h es e r i a ln u m b e ro ft h ep r o j e c t i s b g 2 0 0 11 0 4 6 t h ed e b u g g i n gr e s u l to fp h y s i c a ll a y e ri n d i c a t e st h a tt h ep h y s i c a ll a y e r f u n c t i o n s ，e s p e c i a l l yt h et cl a y e rf u n c t i o n s w i t hf u l li n t e l l e c t u a lp r o p c r t y ( i p ) ，s p e c i f i e db y g 9 8 3 1r e c o m m e n d a t i o nh a sb e e na c c o m p l i s h e dw e l l ，a n dt h ed e s i g n i n gg o a ls c h e d u l e di s a c h i e v e d k e y w o r d s ：a t m ，p o n ，o n t ，p h y s i c a ll a y e r ，t cl a y e r a p o n 系统o n t 物理屡软碰件眦汁2 关耻技术的研究博i - 论文 1 序论 1 1 现代通信网及接入网的发展 现代通信网是由骨干网、城域网以及接入网组成“，- f i + 干网和城域网是覆盖城 市或者更大地域的网络，负责远距离批量数据的传输；接入网处于用户和城域网骨 干网之间，它起到了用户进入网络时的桥梁的作用。当今世界上存在着公共电话网络、 有线电视( c a t v ) 网络和计算机网络三大通信网络。公共电话网络用于传输话音信 息；有线电视网络用于传输电视信号；计算机网络主要用于传输数据。三种网络的存 在，必然造成网络资源的浪费，这就要求三网融合；同时，随着包括声音、图像等信 息的多媒体技术的不断发展以及人们对于多媒体业务需求的增加，也提出了三网融合 的要求，可见无论在技术还是在用户需求方面，都要求三网融合。目前，三网并存的 情况将长期存在下去，但随着三种网络在网络技术、业务以及市场等方面不断的趋向 致，相信在不久的将来，三网一定能够融合成为一个统一的电信综合网忡”。 目前，通信网在城域网骨干网上普遍采用了以光缆为传输介质，以波分复用 ( w d m ) 技术和同步数字体系( s d h ) 技术为基础的网络传输技术，数据的传输速 率已经达到几十g 比特每秒甚至更高，这远远超过了现阶段数据传输的要求。用户 侧终端的速率也在突飞猛进，从电子邮件到w e b 浏览乃至多媒体业务，带宽要求正 在激增。而在接入网方面，目前占主导地位的接入方式仍旧为拨号接入方式，这种方 式的传输速率只有5 6 k ，已经远远不能满足网络技术的发展和用户对网络的需求。虽 然现在的一些宽带技术，如数字用户线( x d s l ) 技术、混合光纤电缆( h f c ) 技术 等，能够提供几兆的接入速率，但是，由于多媒体业务的发展、数据业务的激增等因 素，这些带宽资源将被很快地消耗殆尽。可见，接入网已经成为网络发展的瓶颈，宽 带化是接入网的发展趋势之一。由于三网共存的现状，提供不同业务的网络运营商会 使用不同的接入网来提供不同的服务，而单一的网络形式难以满足用户对多种业务的 接入要求，如：电话网提供语音业务；有线电视网提供多媒体业务；而数据业务有独 立的接入网，也可以在电话网或电视网的基础上使用调制解调技术来实现，它具有多 种实现方式。因此，有必要使用一种全业务接入网来透明实现包括话音、视像、多媒 体数据等所有业务的接入。也就是说，业务的多样化是接入网发展的另一个趋势。因 此，大带宽、多业务是接入网的发展趋势。基于此，i t u t 提出了b i s d n 【4 j 宽带综 合业务接入网的概念，它的目的就是为不同的业务提供一个单一的接入平台。b i s d n 应该具有支持多种业务的能力，并能够灵活地使用和分配网络资源，使不同的业务共 享网络资源。而a t m 技术具有分组交换的特性，能够支持不同的网络业务；同时它 博l 。论殳 序论 又具有吲定的数据长度，具有时分复用的特性，能够灵活地分配网络资源。因此，a t m 技术是一种理想的传输模式，是b 。i s d n 的核心技术 2 , 6 1 。 1 。2 接入技术的分类以及发展趋势 目前存在着多种宽带接入技术 3 - 5 , 1 9 , 2 0 ，每一种接入技术都有各自的特点： 用户数字线( x d s l ) 接入技术【2 i j 。x d s l 有高速数字用户线( h d s l ) 、非对 称数字用户线( a d s l ) 和甚高频数字用户线( v d s l ) 之分。h d s l 可开展t 1 e 1 业务，不能提供普通电话业务，不适用于家庭使用；a d s l 除提供t 1 e l 业务外，还 能提供电话业务。它提供上下行非对称的传输速率，避免了对称传输系统在用户一侧 的干扰，提高了系统的速度，可以将6 m 信号传送3 6 公罩，通过降低传输速度到1 m 左右，可以进一步降低接八成本。目前a d s l 正得到迅猛地发展，普通的接入速率为 5 1 2 k ；v d s l 比a d s l 具有更高的接入速率，但传输距离较a d s l 近，成本较高。 同步数字体系( s d h ) 接入口o “。s d h 技术是骨干网中普遍采用的一种网络传 输技术，如果其接口尽可能靠近用户并降低接口速率，s d h 技术也可用于接入网。 但这种接入只适合于要求可靠性和业务质量高的大企业用户 混合光纤电缆接八技术( h f c ) 1 3 】。h f c 技术是以光缆为c a t v 网的主干网， 然后经树形结构的同轴电缆分配网将信号分配到用户端。它是将数字信号调制后采用 频分复用技术与c a t v 信号综合在起进行传输。尽管h f c 网络带宽很宽，但它是 被多个用户共享，用户可用的带宽有限；h f c 属于模拟传输技术，与整个电信网络 的数字化不相适应。 无线接入技术 3 , 2 3 】。无线接入技术可以向室内提供2 m 速率的接入，对于室外 活动的用户提供的接入速率要小一些。无线接入服务价格较高，其成本的降低是其能 够推广的重要因素之一。 无源光网络( p o n ) 技术 5 , 2 7 】。p o n 技术是以光纤作为传输介质，并采用由无 源光器件组成的接入网系统。它的下行数据采用点对多点的时分复用( t d m ) 的数 据传输技术，上行采用多对一的时分多址接入技术( t d m a ) 。p o n 有三种形式：光 纤到家( f t l 、h ) 、光纤到楼路边( f t t b c ) 和光纤到机箱( f t t c a b ) ，而全部采用 光器件的f t r h 方式是p o n 的最终发展趋势。由于使用光信号进行传输，p o n 系统 的传输速率可以达到几百兆甚至几吉比特每秒；由于使用了无源的光器件，系统的运 行成本大大降低，系统的可维护性大大提高。目前，无源光接入网主要有两种技术： 基于a t m 技术的a p o n 2 8 州1 和基于以太网技术的e p o n ”9 i 。另外，还有一种基于 波分复用( w d m ) 技术的无源光网络w d m p o n 2 ，它可以让不同用户使用不同的 波长进行数据的传输，以代替以上两种p o n 的时分多址接入技术，具有更高的安全 性，但它需要更多的光器件，需要等到集成光学器件成熟且成本下降后才能有比较好 a p o n 采统o n t 物理层软耻件改汁，关键投术的俐究博i - 论文 的发展前景。最近义出现了一种新的p o n 技术- - g p o n ( g i g a b i tp o n ) ，是在a p o n 和e p o n 的基础上发展起来的，它具有以下优点 2 5 】：支持三类光分配网络( o d n ) ： 可配置的传输速率：很高的传输效率。g p o n 从出现到标准化不到一年时间，其相关 标准尚未完善，还有待于i t u t 的正式批准2 ”。 a p o n 系统是基于a t m 技术的无源光网络系统。a t m 技术是一种高速分组传送 模式，它将话音、图像以及数据等数据分解成长度为4 8 字节的数据块并加上5 字节 的信头，构成个个5 3 字节的a t m 信元，是传统的分组交换技术和t d m 技术的组 合。由于分组交换的灵活性和t d m 信元长度的固定性，a t m 技术支持可变速率业务， 电支持延时要求较小的业务。因此，它可以支持多种不同要求的业务并能够提供相应 的服务质量( q o s ) 保证【2 8 3 4 , 6 2 , 6 3 。 e p o n 是基于以太网技术的无源光网络，它和a p o n 的主要区别就是，在e p o n 系统中传输的数据采用可变长度的数据包。目前，基于网际协议( t c p i p ) 的可变长 度的数据传输方式由于在世界范围内得到了广泛的应用，t c p i p 已经成为 i n t e r n e t 事实上的标准。以太网的数据帧格式与i p 网一致，因此采用以太网技术 的e p o n 具有技术成熟、兼容性强以及性价比高等优点，采用e p o n 可以避免将i p 包分割成a t m 包的情况并节约信头的字节开销。但e p o n 还需解决些难题彳能进 行广泛的应用o “叭。首先，e p o n 技术是一种采用分组技术的网络传输技术，能够 支持多种不同的业务，但是由于数据长度的可变性，它没有a p o n 系统所具有的有 效的带宽分配、实时业务q o s 保证等特性；其次，以太网尚不能提供电信级公用电 信网所必须的硬件和软件可靠性，这是因为以太网是一种广播网络，原来根本没有也 无须网内安全机制，而一旦用于公网，安全机制成为必不可少的关键要求：再之，以 太网原来主要用于小型局域网络环境，操作管理能力( o a m ) 很弱，其管理工具也 不足以支持公用电信网所必须的网络范围的管理和视野，而在公用电信网中，必须有 效地运行和维护大规模地域分散的网络，需要有很强的o a m 能力和网络缴的管理能 力和视野。因此，只有妥善地解决了上述主要问题后，传统的以太网才能顺利地应用 于公用电信网的环境。 目前，为了利用a p o n 系统的带宽分配的灵活性、安全性以及服务质量的可靠 性等优点，和e p o n 系统良好兼容性以及很好的性价比等优点，相关研究机构正在开 发相关技术 4 “”】，如：多协议标记交换( m p l s ) 技术，来解决这些难题。因此，无 源光网络将朝着a t m 技术和i p 技术不断融合的方向发展下去。 通过对各种接入技术的对比，可以发现采用无源光网络的接入网技术具有传输距 离远、大带宽、多业务的良好特性，符合接入网的发展趋势，而光纤入户方式( f t t h ) 是无源光网络发展的终极目标。因此，在可预见的将来，以f t t h 为接入方式的无源 光网络是接入网发展的趋势。 1 3a p o n 系统的发展以及研究现状【3 1 , 5 5 - 5 8 光纤通信现已经渗入到网络的各个层面，从广域网、城域网一直到用户驻地网， 但同时作为“最后一公里”的接入网仍是骨干网与城域网的瓶颈。大容量、高速率的宽 带接入系统成为解决这问题的有效方法。目前常用的宽带接入技术数字用户线 ( d s l ) 和电缆调制解调器( c m ) 利用原本是为电话或有线电视设计的基础设施来 传输数据，自然不是最佳的选择。而理论上可以有“无限”接入带宽的光纤接入方式以 其经济、简单、可扩展等特点，成为业界一致公认的理想接入方式。从1 9 9 5 年开始， 同本国家电话电报公司( n t t ) 、南方贝尔( b e l l s o u t h ) 、法国电信( f r a n c et e l e c o m ) 以及英国电信( b t ) 等1 4 家有影响力的电信运营商和设备供应商组成全业务接入网 ( f s a n ) 小组，开始开发以p o n 为核心技术的技术规范。同时，f s a n 小组把f t t x ( 光纤到x ，x = 路边，机箱，大楼，办公室，家) 确定为接入网的发展策略，并认为 基于异步传输模式的无源光网络( a r m p o n ) 是支持f t t x 的最佳方案。随后，国 际电信联盟( i t u t ) 于1 9 9 8 年接纳f s a n 的提案，通过了g 9 8 3 1 建议“基于无源 光网络技术的高速光接入系统”。根据g 9 8 3 i ，我国a p o n 系统的行业标准 “y d 2 0 0 0 ”也在2 0 0 0 年底通过。g 9 8 3 1 建议主要规定标称线路速率、光网络要 求、网络分层结构、物理媒质层要求、传输会聚层要求、测距方法和传输性能要求等， 从物理层等下三层角度保证t d m t d m a 技术的实现。 自从( 3 9 8 3 1 标准提出以来，国外的一些厂商已经进行了a p o n 系统的开发和研 制，早在2 0 0 0 年左右，在英国、德国等就已经有了a p o n 的实验系统：2 0 0 3 年5 月 底，美国最大的三家市话公司b e l l s o u t h ( 南方贝尔) 、s b c 、v e r i z o n 宣布，要采 用统一的标准建设光纤接入网，拉开了光纤接入网大规模建设的序幕；r 本是世界上 光纤接入网发展最快的国家，目前已有3 0 多万f t t h 用户；以美国与欧洲为主要市 场的美国独资公司青岛首讯作为一个专项研发a p o n 系统的高科技公司，正在进行 a p o n 实用设备的研发工作，目前已经进入设备测试阶段。可见，作为实现f t t x 的 重要技术之一的无源光网络( p o n ) 正同益受到业界的广泛注意：在国内，我国自主 开发的a p o n 系统也正在积极的进行之中，国家已将a p o n 系统列为8 6 3 通信高科 技攻关计划之一。由于我国国情与f t t h 方式的系统成本等原因，国内目前主要采用 a p o n 与其它技术相结合的形式进行研发。a d s l 和l a n 是目前中国最主要的两种 宽带接入技术，相应地f t t b f t t c + d s l 、f t t b f t t c + l a n 成为两个主要的研究方 向。同时，更高速率的a d s l 2 、a d s l + 以及v d s l 技术也逐步受到重视。相信随着 光通信技术以及光学器件的设计技术不断地成熟、光器件的价格不断下降以及人民整 体收入的不断提高，f t t h 在我国不久的将来一定会有更美好的发展前景。 a p o n 系统o n t 物理层软碰件设汁，关谜披术的研究博1 。论文 从g 9 8 31 出台起，我们南京理工大学课题组便密切地关注国内外有关a t m p o n 的动态，并开始对该系统进行有关的研究和分析。1 9 9 9 年我们在国内首先全文翻译 了g 9 8 3 1 协议，对国内的接入网情况开展了大量的调研工作；在详细消化深入分析 g 9 8 3 1 协议的基础上，2 0 0 0 年我们提出了光网络终端o n t 原理样机的功能要求与 总体方案架构，同时也提出了o n t 中传输汇聚子层( t c 层) 的整体原理框架及实现 手段；2 0 0 1 年我们申报了“基于a t m 技术的无源光网络( a p o n ) 终端o n t 的研 制”项目并获得了江苏省高技术研究项目的支持，设计的目标是研制出a p o n 系统 终端o n t 的原理样机，并研发出o n t 中具有自主知识产权的核心部分一传输汇聚层 ( t c 层) 核心芯片。 1 4 论文的主要工作以及创新点 1 4 1 本文的主要工作 本文的内容是以三年多来o n t 原理样机设计研制，特别是物理层( 物理媒介层 与t c 层) 研制工作为背景的。其中包括：a p o n 系统工作原理分析、o n t 整机方案 设计、物理层特别是t c 层整体方案设计及其各软硬件的设计与调试、以及在o n t 设计中应用的一些基础理论与关键技术的研究分析。 本人在a p o n 系统终端o n t 的设计中，主要负责o n t 整体方案的核心部分 物理层( 物理媒介子层、重点是传输汇集子层) 的设计与关键技术研究。在整个设计 过程中，本人的主要工作有： l深入研究并消化了g 9 8 3 1 、1 4 3 2 1 等a p o n 相关协议，以及采用分层设计 思想完成的a p o n 系统终端o n t 的整体方案设计。 2 在研究g 9 8 3 1 协议的基础上，对物理媒介子层的功能进行了分析；进而在查 阅大量光模块以及时钟恢复设计方面资料的基础上，确定了物理媒介子层的设计方案 及选用的关键器件。设计实现了物理媒介子层的功能：光电转换功能以及时钟恢复与 数据提取功能。 3 在研究g 9 8 3 1 协议的基础上，对传输汇聚子层的功能要求进行了深入分析， 确定了t c 层的核心功能；运用模块化的设计思想完成了t c 层整体方案的设计，研究 了系列关键技术，并结合f p g a 技术与v h d l 编程优化技术完成了各子模块的设计， 最终以f p g a 为载体实现了t c 层的功能。在t c 层的设计与关键技术研究过程中，编 程实现了下行数据信元定界功能、分布式扰码解扰端功能、帧同步功能、测距功能、 消息和授权处理功能、乌托邦接口功能以及上行组帧和上行发送功能等核心功能。 4 研究应用数据编码纠错技术，得到适合a p o n 系统的并行数据校验算法。在 博1 论义序论 信元定界设计中，提出并设计了采用8 个校验模块对下行串行数据逐比特搜索a t m 信头的并行处理技术，取得了良好的效果。 5 在查阅大量关于扰码技术( f s s 与d s s ) 方面的资料、以及学习研究序列空 间理论的基础上，将并行扰码技术应用于o n t 物理层设计，从而使d s s 解扰模块的 工作频率从1 5 5 5 2 m 下降到1 9 4 4 m ，大大降低了系统工作时钟速率，减少了实现的 难度并且提高了系统的稳定性。 6 从理论上对光纤基带传输系统中的n r z 码和r z 码的功率谱进行了分析，为 物理媒介子层时钟与数据恢复功能的设计奠定基础；进而在深入研究锁相环理论与时 钟恢复技术的基础上，设计实现了物理媒介子层时钟与数据恢复的方案与功能。 7 在查阅大量关于f p g a 技术与v h d l 编程方面的资料的基础上，研究并掌握 了f p g a 的开发技术、x i l i n x 公司的f p g a 开发平台f o u n d a t i o n4 1 的使用方 法以及x i l i n x 公司的v i r t e x e 系列f p g a 芯片的特点，深入了解了该芯片的结构 及其内部编程资源，掌握了开发该芯片的技术。 8 综合运用时钟转换技术、不定长时钟延时技术、流水线技术、分离状态机技 术以及合理利用芯片内部编程资源( 存储资源以及时钟同步和布线资源等) 的编程优 化技术等多种技术手段，对t c 层进行优化设计，使得系统能够工作在协议规定的 1 5 5 5 2 m 的时钟速率上。 9 完成了物理层特别是t c 层的调试，包括：设计了用于硬件调试的光端机， 对物理层硬件电路进行了调试：设计了用于t c 层调试的数据源，可以方便地对t c 层进行调试。t c 层功能最终通过该数据源进行调试并且调试成功。 1 4 2 本论文的主要创新点 1 根据g 9 8 3 1 协议以及模块化的设计思想，提出了t c 层的模块化设计方案与 使用f p g a 芯片作为实现t c 层功能载体的技术路线，独立自主地设计并实现了 a p o n 系统终端o n t 的物理层，特别是设计研制出具有自主知识产权的t c 层核心 芯片。 2 研究运用序列空间理论和f s s 、d s s 等扰码技术的工作原理，成功地将p f s s 、 p d s s 等并行扰码技术应用于t c 层设计中，从而降低了系统的运行速度，并大大提 高了系统的稳定性，降低设计对系统性能的要求，减少了系统的成本。 3 在信元定界模块设计中提出了并行的信头搜索技术，设计使用8 个并行校验模 块实现了逐比特的信头搜索能力。在信元边界判决模块设计中提出了“搜索一 锁定一 失步后再搜索”的边界判决技术，并且在多比特有效的校验结果中提出了具有优先级 的边界判决标准。综合使用这些技术可以快速有效地实现逐比特的信头搜索功能。 4 在使用v h d l 语言开发f p g a 过程中，设计并应用了一些实用技术和特殊的存 a i ，o n 系统o n t 物理层软础件设计关键技术的研究博 ：论文 储结构来改善系统的性能：设计了时钟转换方法，解决了多时钟系统中的时钟间相位 不稳定的问题；设计了不定长时钟延时技术，解决了时钟延时过长以及f p g a 内部 b u f g 资源不足的问题：设计了“6 位地址+ 3 位授权类型”的9 位存储结构的寄存器， 储存有效的时隙位置以及授权类型，并且设计了“比较一 刷新”的r e f r e s h 信号设 计方案，在降低授权刷新频率的同时高效地完成了授权在上行时隙中的映射功能；根 据模块化设计思想提出了分离状态机的设计方法，降低了复杂状态机的设计难度。 5 综合运用时钟恢复技术、f p g a 技术以及高速电路技术，设计并实现了a p o n 系统物理层( 物理媒介层和t c 层) 电路，并且在设计中配备了多种测试用的输入信 号以及反映系统运行状态的观测信号：f p g a 配置电路中设计了手动启动配置过程的 控制电路，可以在任意时间手动丌始一个配置过程。这些技术的运用不仅保证了系统 功能的正常运行，而且可以方便地对系统进行调试。 6 编写了具有灵活组帧功能的数据源对t c 层进行调试。数据源采用分段存储并 以指针为寻址方式，可以灵活地组成任意需要的数据帧并按照所需的顺序进行发送， 方便系统进行分模块地调试以及最后的系统联调。 2 a p o n 系统分析 a p o n 系统是基于a t m 技术的无源光接入网( p o n ) 系统，它是一种双囱数字 传输系统，它在下行采用时分复用( t d m ) 传输技术，上行使用时分多址( t d m a ) 接入技术1 1 j j ，以便多个用户共享整个p o n 的资源。a p o n 系统将p o n 的宽带透明 传输能力和a t m 的多业务、多比特速率能力结合起来给用户提供了一个支持各种业 务的宽带接入平台。a p o n 系统的基本功能就是在用户网络接口( u n i ) 和业务网络 接口( s n i ) 之间提供高速的a t m 信元的透明传输，它的主要特点就是使用无源器 件实现资源共享，以降低单个用户的接入费用。 本章首先对b i s d n 和a t m 技术进行了简要的概括；然后分析a p o n 系统的网 络结构：进而，以传输汇聚层为核心分析a p o n 系统的工作原理：最后分析了a p o n 系统的测距技术以及o n t 的测距过程。 2 1b 1 s d n ，a t m 基础 异步传送模式( a t m ，a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ) 【2 川以分组交换为基础，并融 合了同步传输技术的优点，是实现宽带综合业务接入网( b i s d n ) 的核心技术。a t m 技术本质上是一种高速分组传输模式，它将话音、数据以及图像等所有的数字信息分 解成长度固定的数据块构成信元。每个信元包括5 字节的信头和4 8 字节的净荷部分， 信头的五个字节用来进行流量控制以及v p 、v c 寻址等功能。 基于i t u t 建议i 3 2 1 的b i s d n 的协议模型如图2 1 1 所示。 图2 1 1b - l s d n 的协议参考模型 该立方体的顶部标明了通过前部和侧面定义的平面。用户平面和控制平面扩展到 所有的层面，从物理层、a t m 层到a a l 层 1 4 1 7 , 5 9 , 6 0 1 和高层。用户和控制平面使用同 样的物理层和a t m 层协议，甚至使用同样的a a l 层协议，所以物理层、a t m 层和 a a l 层是b i s d n 的基础。高层和从l 层是面向业务的，其中所含的元素根据功能 的不同而不同，而a t m 层为高层协议中的大量音频、视频和数据业务提供了一个统 一的基础。管理平面分为层管理和平面管理。层管理为控制平面和用户平面在每层都 提供了一个接口。平面管理没有层结构，因此当前尚只是一个抽象的概念，几乎没有 与之对应的标准。 选择a t m 技术作为b i s d n 的核心技术有以下几个原因阳1 ： 1 业务集成。使用a t m 技术的b i s d n 可以使用一条物理线路代替现有的语音、 电视( 图像) 以及数据业务等不同的接入线路，并对多种业务提供透明的传输。 2 服务透明。a t m 在集成服务时带来的一个重要的优点是服务透明。在常规网 络中，网络运营商必须为每种类型的业务提供硬件接口，而在使用a t m 技术后，如 果要向用户增加业务，只需要分配好业务所需的带宽以及服务质量保证( q o s ) 即可。 3 多业务支持以及服务质量保证。由于a t m 技术采用固定长度的信元传输数 据，因此它兼有分组网络与同步网络的优点，所以它可以提供对不同业务的支持并且 提供很好的服务质量保证( q o s ) 。a t m 技术支持的业务类型如下；c b r ( 恒定比特 率) 、r t v b r ( 实时可变比特率) 、n r t - v b r ( 非实时可变比特率) 、a b r ( 可用比特率) 以及u b r ( 未定比特率) b i s d n 能够使用单一的网络提供给用户不同的业务，它的核心技术是a t m 技 术。它的发展趋势是以光纤技术为基础的光接入网，其最终发展方向是光纤入户。 2 2 无源光接入网的网络结构 无源光接入网是采用无源光器件构成的接入系统，可以采用点对点技术，也可以 采用点对多点技术【1 】。无源光接入网以其近乎无限的网络带宽可以使用单一的接入 网络支持多种不同的业务，包括：不对称带宽业务( 数字广播业务，视频点播( v o d ) ， i n t e m e t ，远程学习，远程医疗等等) ；对称带宽业务( 针对小商业用户的电信业务， 远程咨询等等) ：公共电话交换网( p s t n ) 和综合业务数字网( i s n d ) j “。 无源光接入网系统有三种接入方式：光纤到家( f t t h ) 、光纤到楼路边( f t l l b c ) 和光纤到机箱( f t t c a b ) 【l ，“1 “1 。其中，f t t b c 和f t t c a b 的差异主要在于其与用 户的位置不同，所以可将二者视为等同。 如图2 2 1 所示，f t t c a b c b 方案是将接入网终端o n u 置于户外，也就是大楼 或者路边，而f t t h 方案是将o n u 置于室内。f t t c a b c b 方案是接入速率要求不 高情况下的一种接入方式，它是接入网发展过程中的一种过渡方案，而f t t h 方案由 于将o n u 置于室内，因此它具有良好的环境条件、易于维护和升级等优势，相信随 着光通信技术的不断发展、集成光学的发展和光器件价格的下降以及通信数据量的激 增，f t t h 必将得到很好的发展，具有广阔的发展前景。 o n u 一光尉络单元 o l t - 光线路终端 o n t 一光网络终端 n t 一删络终端 图221 接入网结构 2 3a p o n 系统的网络结构 a p o n 系统的网络结构可以从不同的角度进行分析。从接口的角度来看，可以将 a p o n 系统分为o l t 、o d n 以及o n u 几部分，陀l ：从网络分层结构来看，可以将 a p o n 系统分为物理层( 物理媒介层和传输汇聚层) 、a t m 层、适配层以及高层的应 用层”j 。下面分别从这两个个角度分析a p o n 的网络结构。 2 3 1 a p o n 系统的参考配置 从网络接口角度来看，a p o n 系统的参考配置如图2 31l 所示，从图中可以看 出，一个完整的a p o n 系统是由光线路终端( o l t ) 、光分配网络( o d n ) 、光网络 单元( o n u ) 以及众多的无源光器件组成。其中，o n u 置于室内则称为o n t ；o n u 置于室外则需要增加适配接口为用户提供相关业务。在本沦文中将只讨论f t t h 方 案，因此以下将o n u 通称为o n t 。下面分别分析a p o n 系统中各个功能块的功能。 a i o n 系统o n t 物_ ! l ! 层软硬件璇汁与关键拙术的研究博l 论文 s 光纤上位于o l t ( 下行) o n u ( 上行) 光连接点【即光连接器或光分路器) 之后的点 r ：光纤上位于o n u ( 下钉) ，o l t ( 上行) 光连接点( 即光连接器或光分路器) 之前的点 图2 3 1 1a t m - p o n 系统的参考配置 2 31 1 光网络终端( o n t ) f t t h 方案中o n t 是在室内与接入网的分配网络耦合的，o n t 的功能框图如图 2 3 1 1 1 所示。 图23 1 1 1 0 n t 功能框图 从图2 31 1 1 中可以看出，o n t 具有o d n 接口功能；用户端口功能；传输、业 务和用户复用解复用功能以及供电功能。其中，o d n 接口用于控制光电转换过程， 从p o n 下行净荷中提取a t m 信元，并以从下行帧中获得的同步信号为基准将a t m 信元插入p o n 上行时隙中：用户端口功能提供给用户各种不同业务的接口，这些接 口可以将a t m 信元插入上行p o n 净荷，也可从下行p o n 净荷中提取a t m 信元； 复用解复用功能是为了充分利用带宽将不同业务的数据复用进p o n 的上行时隙，并 能够对下行数据进行解复用提取出不同业务的数据；供电功能为o n t 提供可靠的电 源，它可以采用多种有效的供电方案。以上功能块组合起来构成了完整的o n t ，实 现了与o d n 的接口功能和为用户提供不同业务的接口功能。 博j j 论文2 a p o n 系统分析 23 1 2 光分配网络( o d n ) 光分配网络是由光纤、光分路器、光耦合器等无源光器件组成，为o n t s 到o l t 的物理连接提供光传输媒介。o d n 为o l t 和一个或多个o n t s 之间提供一条或多条光 通道，协议规定o d n 的光学特性应能提供现在所能预见的任何一种业务而不必对o d n 本身进行大范围的修改 1 1 , 1 2 】，以下是对o d n 的光学特性有直接影响的一组要求： 光波长透明性：光分支器等不必进行波长选择的器件应能支持在1 3 1 0 n m 和 1 5 5 0 区域内任何波长的信号的传输； 互换性：将输入端和输出端互换后通过该器件的光损耗不应有大的变化： 光纤匹配性：所有的光器件应与g 6 5 2 单模光纤兼容。 2 3 1 3 光线路终端( o l t ) 光线路终端( o l t ) 在局端- - n 为不同的业务提供业务接入接口，通常这一一接口 是标准的v 5 x 接口。 o l t 的功能框图如图2 3 1 3 1 所示，它由三部分组成：业务端口功能、o d n 接 口功能和虚通道( v p ) 复用( m u x ) 功能。它将不同核心网提供的业务提取出来通 过o d n 分配到不同的用户，并在反方向上将用户的不同业务的上行数据复用进不同 的核心网中。 图2 31 3 10 l t 功能框图 2 3 1 4a p o n 系统的业务接口 a p o n 系统的业务接口在核心网络侧的接口为业务节点接口( s n i ) ，在用户侧为 用户网络接口( u n i ) i 1 , 1 2 】。s n i 接收核心网络侧的数据并将它转换成a p o n 系统的 基于a t m 信元的数据格式，在反方向上接收用户的数据并转换为核心网的数据结构； u n i 接口提供给用户应用类的接口，这些接口将业务的数据转换为不同应用的数据类 型，并在反方向上将用户的信息转换为相应的数据格式。 s n i 的接口有：a t m6 2 2 0 8 0k b i t s 光接口、a t m1 5 5