（通信与信息系统专业论文）以太无源光网络设备的设计与实现.pdf

摘要 摘要 以以太网技术为基础的以太无源光网络( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 是未 来实现宽带、多业务综合接入的重要技术手段。e p o n 系统典型的拓扑结构是点到 多点，下行是点到多点的广播，而上行是多点到点的信道复用。e p o n 系统采用局 端机( o l t ) 一用户端机( o l t ) 两级结构，中间由无源光分配网络完成下行光功 率分配和上行光耦合。e p o n 系统o l t 位于系统的中心交换局侧，是整个系统的 管理控制中心与交换引擎，对上要完成连接骨干城域网以及加载语音、数据、视 频等各种业务，对下要实现多点控制协议，完成e p o n 系统的配置、控制与管理 以及数据交换功能。局端机通过基于8 0 2 3 a h 的标准接口连接o l t 与o n u 。它综 合了无源光网络( p o n ) 技术和以太网技术二者的优点，以其高带宽、低成本、 易使用、易升级、低维护费用的优良特性成为接入网的最佳选择。 为了缩短开发周期，我们选用了一种已经投入生产的e p o n 系统m a c 芯片来 组建系统。该芯片符合8 0 2 3 a h 标准并且提供了多种接口，使得开发出的系统能很 好的解决目前接入网的需求。 本文在讨论了e p o n 的相关背景知识的基础上，提出了e p o n 系统总体方 案设计，提出e p o n 系统中软硬件的功能定位，设计出了o l t 、o n u 的功能框 图，详细描述了e p o n 系统设备的硬件设计方法以及实现，并给出了o l t 、o n u 的原理图设计和p c b 设计，着重介绍了嵌入式子系统中a t 9 1 r m 9 2 0 0 以及相关外 围电路的原理以及设计方法，同时还着重描述了e p o n 系统m a c 芯片的结构原理 以及在本系统中的设计应用，还提出了一种可以实现多种控制管理功能的o n u 设 备的方案。最后，给出了o l t 和o n u 的p c b 设计与实现。 关键词：以太无源光网络( e p o n ) ，光线路终端( o l t ) ，光网络单元( o n u ) ， 光配线网( o d n ) a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ee t h e r n e tt e c h n o l o g y , e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) i st h e v e r yi m p o r t a n tt e c h n i c a li n s t r u m e n tt h a tc a r r i e so u tt h eb o a r db a n da n da l lk i n d so f s e r v i c e si nt h ef u t u r e t h ee p o nn e t w o r ki n c l u d e so p t i c a ll i n et e r m i n a l ( o l t ) a n d o p t i c a ln e t w o r ku n i t ( o n u ) o n u s e ss h a r et h eo p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( o d n ) t r u n kf i b e rb a c kt ot h ec e n t r a lo f f i c e t h eo l tr e s i d e si nt h ec o ( p o po rl o c a l e x c h a n g e ) t h eo l ts y s t e mw o u l dt y p i c a l l yb ea ne t h e r n e ts w i t c ha n dm e d i ac o n v e r t e r p l a t f o r m a n dt h eo l ts y s t e mw o u l dp e r f o r mp o ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n 、c o n t r o la n d n e t w o r km a n a g e m e n t t h en e t w o r ki n t e r f a c eo ft h eo l ti st y p i c a l l yc o n n e c t e dt ot h ei p n e t w o r ka n db a c k b o n eo ft h en e t w o r ko p e r a t o r t h r o u g ht h i si n t e r f a c e ，m u l t i p l es e r v i c e s a r ep r o v i d e dt ot h ea c c e s sn e t w o r k a ne p o ni n t e r f a c e ，b a s e do n8 0 2 3 a h ，w i l lc o n n e c t t h eo l tt ot h es u b s c r i b e r s i th a st h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sb r o a d e rb a n d ，l o w e r c o s t ，e a s i e ru s e da n du p g r a d e d ，l o w e rm a i n t e n a n c ec h a r g e ，a n da c c o r d i n gt ot h i s ，i tw i l l b et h eb e s tc h o i c eo ft h ea c c e s sn e t w o r k f o rt h es a k eo fs h o r t e nr & d c y c l e ，w ec h o s ea k i n do fe p o ns y s t e mm a c c h i pt o b u i l dt h es y s t e m t h i sc h i pi sa c c o r dw i t ht h es t a n d a r do f8 0 2 3 a h ，a n dp r o v i d ed i f f e r e n t i n t e r f a c e t h es y s t e mc a nr e s o l v et h er e q u i r e m e n to ft h ea c c e s sn e t w o r k i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a f t e rt h eb a c k g r o u n do fe p o ns y s t e mi sd i s c u s s e d ，a ne p o n s y s t e ms t r u c t u r ed e s i g ni sm e n t i o n e d a n dt h e nt h ef u n c t i o nl o g i co ft h eo l ta n dt h e o n ua r ed i s c u s s e d ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee p o ns y s t e ma r e d e s c r i b e d ，t h es c h e m a t i cd e s i g na n dt h ep c bd e s i g no fo l ta n do n ua r ea l s os u b m i t i nt h i sc h a p t e r , w ef o c u so nt h et h e o r yo ft h ea t 9 1 r m 9 2 0 0a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t w h i c hc o n s t i t u t e dt h es u be m b e d d e dc p us y s t e m t h e nt h es t r u c t u r et h e o r yo fe p o n s y s t e m sm a cc h i pa n dt h ea p p l i c a t i o nd e s i g nw i t hi ta r ed e p i c t e d a n dak i n do fo n u e q u i p m e n tw h i c hc a ni m p l e m e n t s e v e r a lc o n t r o l m a n a g e m e n tf u n c t i o n i sa l s o i n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h ep c bd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo l ta n do n ua r e s u b m i t u a b s t r a c i k e y w o r d s ：e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o r o ，o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ( o l t ) ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ( o n u ) ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) i i i 图形列表 图卜l 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图3 - i 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图5 - 1 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图形列表 接入网的定义 e p o n 系统结构图 e p o n 系统软件总体结构图 e p o n 网元管理系统结构图 o l t 系统硬件框图一 h o s t 子系统基本模块示意图 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部结构图 内存接口的数据总线拓扑 内存接口的地址总线拓扑 内存接口的读控制逻辑 内存接口写控制逻辑 内存接口的片选 中断路径 复位路径 h o s t 接口电路图 中断执行算法流程图 o n u 硬件框图 基于e p o n 的组网方案结构图 新的e p o n 解决方案结构图 用户端设备结构框图 h o s t 子系统p c b 图 o l t 子系统p c b 图 o n u 设备p c b 图 o l t 实物图 o n u 实物图 v i i 以棚“舶埘拢棚播描描描脚埘播瑚脚心_棚椰棚棚棚爿月 缩略字表 a d s l a p o n a t m c a t v c d m a c m c s m a c d d b a d s l e f m e p o n f t t h f s a n g m i i g p o n h f c i e e e i p i p t v i t u v i a c m p c p o a m 缩略字表 a s y n c h r o n o u sd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e不对称数字用户线 a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a t m 无源光网络 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传递模式 c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a b l em o d e i c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e e t h e m e tj nt h ef i r s tm i l e e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s f i b e r t 0 1 1 1 e h o m e f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k h y b r i df i b e rc o a x i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i n t e r r i e rp r o t o c o l t vo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n m e d i aa c c e s sc o n t o l m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l o p e r a t i o n ， a d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c e 共天线电视 码分多址 电缆调制解调器 载波侦听多址接入碰 撞检测 动态带宽分配 数字用户线 以太网的第一英里 以太网无源光网络 光纤到家 全业务接入网 吉比特媒质无关接口 吉比特无源光网络 混合光纤同轴电缆网 电气与电子工程师学 会 网络协议 基于网络协议的电视 国际电信联盟 媒体访问控制 多点控制协议 操作管理维护 缩略字表 o d n o l t a n u p o n q o s s n m p w d m o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n o p t i c a ln e t w o r ku n i t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l w a v e l e m g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g i x 光配线网 光线路终端 光网络单元 无源光网络 服务质量 简单网络管理协议 波分复用 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：盔k 瘟： 日期：年 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁型鱼赵。导师签名：缨虐堡 日期： 年 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 长期以来，接入网一直是电信网领域中耗资最大、技术变化最慢、成本最敏 感、法规影响最大和运行环境最恶劣的老大难领域。当核心网领域( 用户驻地网领 域同样) 正在越来越频繁地更换和应用各种现代新技术时，接入网领域仍然基本维 持着原始的模拟技术为主的局面，正日益成为全网进一步发展的拖累。 然而近年来，以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念 和体系架构。目前，北美骨干网上的业务量己达到了约6 - 9 个月左右就翻一番的地 步。传统电话网将不可避免要过渡到以数据业务特别是i p 业务为中心的下一代电 信网，这种下一代电信网的基本特征将是宽带化和i p 化。目前核心网正在迅速向 太比特网演进。另一方面，用户侧终端的速率也在突飞猛进，低成本千兆比以太 网将局域网的速率提高了一个量级，1 0 g b s 以太网也将问世。这种用户接入的宽 带化和i p 化趋势也反映在普通居民用户群中，互联网业务正成为普通居民用户日 益重要的接入业务，从电子邮件到w e b 浏览乃至视频业务，带宽要求正以几倍几 十倍的速度增长。然而，面对核心网和用户侧带宽的快速增长，中间的接入网却 仍停留在窄带和模拟的水平，而且仍主要是以支持电路交换为基本特征，与核心 网侧和用户侧的发展趋势很不协调。显然，接入网已经成为全网带宽的最后瓶颈， 接入网的宽带化和i p 化将成为本世纪初接入网发展的主要大趋势。 1 2 宽带接入网的现状与发展趋势 1 2 1 接入网的定义 1 9 9 5 年1 1 月由i t u t 制定了接入网【1 1 的第一个国际标准g 9 0 2 ”。按照( 3 9 0 2 的定义，接入网( a n ) 是由一系列实体( 诸如线缆装置和传输设施等) 组成的， 提供所需传送承载能力的一个实现。此能力用于一个业务节点接口( s n d 向与之相 关联的每一个用户网络接口( u n i ) 提供电信业务。接入网可以经由q 3 接口进行配 电子科技大学硕士学位论文 置和管理。接入网的界定如图1 - 1 所示。原则上，接入网实现的u n i 和s n i 的类 型和数量没有限制，并且不解释用户信令。 t 心：电信管理冈 a n ：揍人阿 s n ：业务节点 l j n i ：用户网络接口 s n i ：业务节点接口 图卜1 接入网的定义 s n ( x l l z 务节点) 是提供接入到各种交换或非交换电信业务的网元。s n i ( 业务节点 接口) 是提供用户接入到s n 的接口。u n i ( 用户网络接口) 指的是终端设备与应用接 入协议的网络终端之间的接口。其目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可 监控的接入网络，使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等 综合业务。 1 2 2 几种主流的宽带接入技术 1 x d s l x d s l 3 是h d s l 、a s d l 、v d s l 等技术的统称。在x d s l 的这几项技术中， 由于h d s l 主要支持2 m b i t s 及以下的速率，v d s l 提供的速率虽然很高( 可达 2 5 m b i t s 以上) ，但线路长度较短( 2 5m b i t s 时约为l k m ) ，故在实际使用中， a d s l ( a s y m m e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e l i n e ) 相比最为普遍。 a d s l 即非对称数字用户线路，是一种在普通电话线上进行宽带通信的技术。 a d s l 的技术标准出台于1 9 9 7 年，它在h d s l 技术的基础上，根据网络和用户间 的业务流量特点，在信号调制、数字相位均衡、回波抵消等方面采用了更为先进 的器件和动态控制技术，因而成为接入网由窄带向宽带过渡的主流技术，近年来 2 第一章绪论 发展迅猛。a d s l 是利用现有的电话网络，以市话双绞铜线为传输介质的点到点的 宽带传输技术，为用户提供上、下行非对称的传输速率，上行( 从用户到网络) 为低速的传输，可达1 5 m b i t s ；下行( 从网络到用户) 为高速传输，可达8 m b i t s ，非常符合普通用户联网的实际需要。a d s l 的传输速率比传统的模拟调制解 调器快1 0 0 多倍，也是传输速率达1 2 8 k b i t s 的i s d n ( 综合业务数字网) 所无法 比拟的。 a d s l 最初主要是针对视频点播业务开发的，随着技术的发展，逐步成为了一 种较方便的宽带接入技术。a d s l 满足了用户即时接入i n t e m e t 服务的需求。这一 技术极大地推动了高速数据传输如会议电视、v o d 、h d t v 等业务的增长。 2 c a b l em o d e m 另外一种宽带接入技术则是利用现有的有线电视( c a t v ) 网络，以c a b l e 【4 】 ( 同轴电缆) 或h f c 【5 】( h y b r i df i b e r c o a x 光纤同轴混合) 网络作为传输通道， 采用c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 技术接入网络，它最大的优势在于速度快， 占用资源少，其下行传输速率根据频宽和调制方式不同可以达到2 7 5 6 m b i t s ， 上行传输速率可以达到1 0 m b i t s 。在实际运用中，c a b l e m o d e m 只占用有线电视 系统可用频谱中的一小部分，因而上网时不影响收看电视和使用电话。计算机可 以每天2 4 小时停留在网上，不发送或接收数据时不占用任何网络和系统资源。 c a b l em o d e m 本身不单纯是调制解调器，它集m o d e m 、调谐器、加解密设备、 桥接器、网络接口卡、s n m p 代理和以太网集线器的功能干一身，无需拨号上网， 不占用电话线，只需对某个传输频带进行调制解调，这一点与普通的拨号上网是 不同的( 普通的m o d e m 的传输介质在用户与交换机之间是独立的，即用户独亨通 信介质) 。 利用c a b l em o d e m 技术实现宽带接人还有一些其他优势。同利用a d s l 等电 信网络实现宽带接入的成本相比，它的成本费用很低。因此，由它提供宽带接入 的费用会明显低于x d s l 等的接入费用。这是它在应用中最大的优势。另外，有线 电视覆盖范围有广泛的大众基础，而己与丰富的可提供服务的信息内容联系在一 起，通过有线电视网络提供语音服务已经成为极具前景的发展方向，是最佳的实 现三网融合的接入方案。c a b l em o d e m 融数、模传输为一体，既能同时支持目前 的模拟与数字服务，又能平滑过渡到今后的光纤到户和全数字化服务。 电子科技大学硕士学位论文 3 吉比特以太网 吉比特以太网 6 是一种新型高速局域网，它可以提供高达l g b i t s 的通信带 宽，采用和传统1 0 兆比特、1 0 0 兆比特以太网同样的c s m a c d 协议、帧格式 和帧长，因此可以实现在原有低速以大网基础上平滑、连续性的网络升级，从而 能最大限度地保护用户以前的投资。利用光纤接入用户局域网，用户接入速度只 受限于光纤的接入速率。另外，吉比特以太网总体的开销，包括购置和维护开销 都比较低，具备可支持新应用和新数据类型的能力，网络设计可以有相当的灵活 性，还能够提供内部局域网通信。 它的缺点则是需要重新布线，对环境有要求( 如交换机位置、保护、噪声、 电源、温度) ，设备安装维护比较困难，维护费用较高，运营方式相对复杂，而 且从方向上不符合利用现有网络资源推进三网融合的大趋势。 4 无线接入技术 无线接入是指从交换节点到用户终端部分或全部采用无线手段接入技术，无 线接入技术7 1 可以分为移动接入和固定接入两大类。 移动无线接入网包括蜂窝区移动电话网、无线寻呼网、无绳电话网、集群电 话网、卫星全球移动通信网直至个人通信网等等，是当今通信行业中最活跃的领 域之一。 固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是p s t n i s d n 的无线延伸。其目标是为用户提供透明的p s t n i s d n 业务，固定无线接入 系统的终端不含或仅含有限的移动性。接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接 入的固定应用、无线用户环路及卫星v s a t 网等。固定无线接入系统以提供窄带 业务为主，基本上是电话业务。主要的固定无线接入技术有三类，即已经投入使 用的多路多点分配业务( m m d s ) 和直播卫星系统( d b s ) 以及本地多点分配业 务( l m d s ) 。 5 光纤接入技术 光纤接入技术 8 是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入方式，用 户网光纤化有很多方案，有光纤到路边( f t t c ) 、光纤n d , 区( f t t z ) 。光纤到 办公室( f t t o ) 、光纤到大楼( f t t f ) 、光纤到家庭( f t t h ) 。不管是何种领 4 第一章绪论 域的应用，实现光纤到户都是为了满足高速宽带业务以及双向宽带业务的客观需 要。 1 3 以太网的发展情况 以太暖jr 9 是在2 0 世纪8 0 年代发展的一种局域网技术，其带宽为1 0 v b i t s ，最 初是共享媒体型，需要防碰侦听，这就限制了其使用效率和传输距离。9 0 年代发展 了交换型以太网，解决了上述问题，并先后推出了快速以太网f e ( 1 0 0 m b i t s ) 和 吉位以太网g e ( 1 0 0 0 m b i t s ) 。以太网由于具有使用简单方便、价格低、速度高等优 点，很快成为局域网的主流。以太网的帧格式与口是一致的，特别适合于传输i p 数据。随着因特网的快速发展，以太网被大量使用。随着吉位以太网的成熟和万 兆以太网的出现，以及低成本在光纤上直接架构吉位以太网和万兆以太网技术的 成熟，以太网开始进入城域网m a n 和广域网w a n 领域。目前，万兆以太网已经 成为宽带i p 城域网的首选方案，也已经开始用于w a n 。2 0 0 2 年万兆以太网标准 完成后，被广泛用于m a n 和w a n 。如果接入网也采用以太网将形成从局域网、 接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构。 1 4 基于以太网的无源光接入网 无源光网络( p o n ) 被采用至今已经经历几个发展阶段，电信运营商和设备 制造商开发了多种协议和技术，使p o n 解决方案能更好的满足接入网市场要求。 p o n 标准最初基于a t m ，并由i t u f s a n 定义了相应的g 9 8 3 建议，即a p o n 。 目前已有两个制定好的新p o n 标准，其中一个是由i t u f s a n 负责制定用来替换 a p o n 标准的g p o n 标准，另一个是由i e e e8 0 2 3 工作组负责制定的e p o n e 10 “ 标准。 在2 0 0 0 年1 2 月，i e e e8 0 2 3 成立了第一英里以太网一e f m ” 特别工作组，致 力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层：铜线上以太网，在7 5 0 米 的距离上传送速率为1 0 m b p s ；点到点光纤上的以太网，在最长1 0 k i n 上传送速率 可以达到1 0 0 0 m b p s ；点到多点基于光纤的以太网，在最长1 0 k i n 上传送速率可以 达到1 0 0 0 m b p s 。此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护( o a m l ， 电子科技大学硕士学位论文 使其具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。该工作组于2 0 0 1 年7 月开 始制定e p o n 的标准，2 0 0 0 4 年6 月完成了8 0 2 3 a h 标准的制定。 e p o n 是几个最佳的技术和网络结构的结合。e p o n 采用点到多点的结构，无 源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务。目前，i p 以太网应用占到整个局域 网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述的经济和高效结构，是连接接入网最终 用户的一种最有效的通信方法。1 0 g 以太主干和城域环的出现也将使e p o n 成为 未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案。 1 5 国内外发展现状 随着i p 业务发展的突飞猛进，与传统的t d m 业务一起，三网合一己经成为 必然趋势。目前，从全球范围看，宽带用户6 6 仍是采用d s l ，我国更是高达9 0 ， 因此f t t h 还处于起步阶段，但在“技术进步”和“市场需求”两种合力的推动 下，f t t p f t t h 即将进入一个大规模商用的崭新时代。e p o n 从2 0 0 0 被首次提出 以来一直受到业内的倍加关注，以其成本低和与以太网兼容等优势被认为是实现 f i t h 的最有潜力的最佳方案。特别2 0 0 4 年e p o n 标准i e e e8 0 2 3 a h 颁布以后， e p o n 的发展进入一个全新的阶段。 在芯片和光模块方面，吸引了大批厂商加入e p o n 产业联盟，目前可提供 e p o n 核心芯片的专业厂商有5 - 6 家( 不包括自主设计芯片的系统厂商) 。在标准讨 论的过程中，这些厂商已经开始芯片的设计和验证，因此当8 0 2 3 a h 标准颁布时， 他们大多已经推出了第二代完全与标准兼容的芯片。目前，e p o n 的核心芯片己发 展到第三代嵌入式系统( ( s o c ) 阶段，这种芯片只需增加少量的外围器件就可构成完 整的e p o n 系统，某些厂家提供的o n u 参考设计，面积只有手掌一半大小。最近， 我国的大陆和台湾省的芯片厂商也启动了芯片设计项目。目前，e p o n 的光收发模 块产业链已经完整，e p o n 模块的主流厂商己由日本和美国转移到了我国的大陆和 台湾，可提供e p o n 光模块的厂商大约1 0 2 0 家。o n u 的光模块的成本己有原来 的2 0 0 美元降到不足5 0 美元，与普通千兆以太网光模块相当，e p o n 光模块成本 的降低加快了e p o n 系统的规模部署速度，日本和韩国已经开始了大规模的商业 应用。 6 第一章绪论 从系统的研发发面，在e p o n 方面比较领先的国际上既有s a l i r a ，a l l o p i t i c 等 新兴公司，也有一些老牌公司如n o k i a b r o a d b a n d ，q u a n t u m b r i d g e 等，国内在e p o n 方面研发比较领先有格林威尔公司，华中理工，武汉烽火等。我国从e p o n 国际 标准颁布一开始就把e p o n 列为国家“8 6 3 ”重大项目，支持格林威尔等厂商对 e p o n 技术进行攻关。2 0 0 4 年，由烽火通信承担的国家“8 6 3 ”计划“基于千兆以 太网的宽带无源光网络( e p o n ) 系统”项目成功通过了科技部专家组的严格测试和 总体验收。至此，烽火通信己完全独立掌握了e p o n 多项核心技术，其开发成功 的e p o n 系统在国内率先具备先进的商用水平，标志着中国在通信领域关键技术 上又一次获得了重大突破和创新。目前，国家己滚动投入第二批资金支持优秀企 业对e p o n 进行商业推广。目前可提供商用e p o n 系统的厂商接近有1 0 家，在技 术水平上看，由于几乎同步，所以国内外厂商的差别很小，在成本上，国内厂商 占优。 美国计划到2 0 0 6 年，装有f t t h 的家庭数将从2 0 0 1 年的8 9 万户增加到2 6 5 万户，年复合增长率为6 3 。为了推动f t t h 的发展，美国新成立了f t t h 协会， 各社区都在采取行动为在社区内安装f t t h 做好准备。在管制和税收方面己经或 正在推出一些有利于促进在全国范围安装宽带设施和在农村地区开展服务的政 策，并且要求采用e p o n 技术来实施f t t h 。 欧洲的f t t h 市场在未来仍然是欧洲的政府机构和公用事业公司占据着主导 地位。2 0 0 4 年欧洲的f t t h 市场开始缓步启动，其中荷兰由于k p n 电信与众多的 d s l 和有线运营商之间的激烈竞争有可能产生一个全国性产业联盟，以共享f 订h 网络，荷兰目前正在评估一个遍布全国的f t t h 网络工程，预计该工程价值7 5 亿 欧元。而在欧洲其他地方如瑞典、希腊，己进行了一些f t t h 网络铺设，预计在 未来将会有更多网络的投入运营。挪威和丹麦也计划进行新的f t t h 网络铺设。 与此同时，f t t h 也逐步进入英国和德国这些d s l 和1 s d n 占主导地位的国家， 英国电信有可能抛弃v d s l 进而选择f t t h 技术，德国电信仍在d s l 和i s d n 市 场保持强大的地位，未来也有可能投资f 丌h 。 日本是全球f t t h 发展最好的国家。日本制定的“e j a p a n ”战略要求国内使 用光纤线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的三分之一以上，日木的司法和建 筑物管理机构甚至还联合出台了一份建议，提出在未来数年内，新建的楼宇和公 寓都推荐使用光纤接入或无线接入线路。这种着重发展“超高速”宽带接入方式 7 电子科技大学硕士学位论文 的指导思想使提供f t t h 接入方式的服务提供商数量增加较快。截至2 0 0 3 年6 月， 日本f t t h 用户为4 5 8 万，并且有加速发展的趋势。最新统计数据显示到2 0 0 4 年 3 月底，达到1 1 4 2 万户，而2 0 0 5 年达7 7 3 万，并将超过d s l 增长数。而a d s l 大国之一的韩国也瞄准了f t t h ，并在2 0 0 3 年宣布将逐步发展f t t h 替代现有的 d s l 网络。据k t e c h 公司称，在a d s l 普及率很高的韩国，不少网吧为了突出自 己的特色，己经开始采用高速稳定的f t t h 系统。 从全球范围看，宽带用户中的6 6 是采用d s l ，在中国这个比例高达9 0 ， 目前中国是全球d s l 第一大国。中国在光纤到家f t t h 的发展方面是比较缓慢的。 不论是主流电信运营商，还是新兴接入提供商，对f t t h 还没有进入真正的实施 阶段。政府相关主管部门也还未就f t t h 的发展与推广制定系统的政策措施。但 从另一角度看，正因为现在的相对落后，反而预留出今后更为广阔的发展空间。 未来4 5 年内，中国f 的发展将有很大空间的。 1 6 课题来源与本文的主要研究内容 1 6 1 课题来源 本课题来源于电子科技大学光纤重点实验室与四川汇源光通信科技股份有限 公司合作启动的e p o n 系统开发项目。项目内容为基于e p o n 系统的专用m a c 芯片设计一套实用性的e p o n 系统。该项目主要分为e p o n 系统的硬件设计和软 件设计。软件部分又分为嵌入式软件的设计、网络管理系统的设计和d b a 的设计。 目前硬件平台和软件部分正在调试中。 1 6 2 主要内容及章节安排 本文主要研究了当前最具发展潜力的宽带接入技术之一一e p o n ( e t h e m e t o v e rp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 系统，设计和实现了一套符合i e e e 8 0 2 3 a h 标准的系 统，对其中的硬件设计进行了重点描述。 本文一共由6 章组成。第一章介绍宽带接入网的现状与发展趋势，说明几种 目前流行的接入网技术以及本文的重点以太无源光网络( e p o n ) 的发展情况。 第一章绪论 第二章主要介绍e p o n 系统的总体方案设计，包括e p o n 系统的结构及工作 原理，以及e p o n 系统的软、硬件设计方案。 第三章详细描述了e p o n 系统局端o l t 设备的硬件设计，包括局端设备芯片 的选型以及各个主要接口的实现，重点描述了h o s t 与p a s 5 0 0 1 的接口。 第四章详细描述了e p o n 系统o n u 的硬件设计，还提出了一种可以实现多种 控制管理功能的o n u 设备的方案。 第五章描述了系统抗干扰方面的设计以及p c b 的设计与实现。 第六章给出本文的总结。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章e p o n 系统总体方案设计 2 1e p o n 系统的总体结构 2 1 1e p o n 系统的定义 根据8 0 2 3 a h ” 标准，以太网无源光纤网络( e p o n ) 是一种采用点到多点 p 2 m p 结构的单纤双向光接入网络。e p o n 系统”由局侧的光线路终端( o l t ) ， 用户侧的光网络单元( o n u ) 和光分配网络( o d n ) 组成。在下行方向( o l t 到 o n u ) ，o l t 发送的信号通过一个1 ：n 的无源光分路器( 或几个分路器的级联) 到达各个o n u ；在上行方向( o n u 到o l t ) ，一个o n u 发送的信号只会到达 o l t 而不会到达其他o n u 。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采 用t d m a 多址接八方式并对各o n u 的数据发送进行仲裁。o d n 在一个o l t 和 一个或多个o n u 间提供一条或多条光通道，每个光通道被限制在一个特定波长窗 口内。 2 1 2e p o n 系统的结构和工作原理 e p o n 系统的结构如图2 - 1 所示。 u n i ：用户网络接口 用户端 图2 1e p o n 系统结构图 1 0 第二章e p o n 系统总体方案设计 e p o n 利用波分复用技术( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 在同一根 光纤内采用两个不同的波长( 上行：1 3 1 0 n m ，下行：1 4 9 0 n m ) 为上下行信道提供 了全双工的通信方式。首先，在e p o n 的下行方向，o l t 将i e e e8 0 2 3 a h 定义的 以太帧以广播的方式发送到信道上。每个以太帧都在头部字段( h e a d e r ) 包含了其 目的o n u 的标识( o n u1 1 3 1 ，o n ui d 2 ，o n ui d 3 ) 。以太帧传送到无源光 分路器后，被分成多路相同的信号分别送至各o n u 处。当数据到达o n u 时，o n u 负责接收数据帧并根据其头部的地址信息，取出属于自己的数据，对于其他o n u 的数据信息，则直接丢弃。 在e p o n 的上行方向，由于无源光分路器的方向特性，各o n u 之间不能传送 数据，其通信而只能与o l t 进行。所有o n u 共享上行信道，其发送顺序必须相 互协调，否则不同o n u 的数据在光分路器处就会发生碰撞。采用t d m ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x ，时分复用) ，o l t 为各o n u 分配上行数据的发送时隙，o n u 在指定的时隙到来时按照o l t 的授权窗口大小发送以太数据帧。这样各个o n u 的上行数据在到达共享光纤后就会按照预先安排好的次序进行传输，而不会发生 冲突。不同o n u 的上行帧之间留有一定的保护带宽，用于补偿由同步和测距过程 产生的误差 15 q 8 j 。 作为e p o n 的核心，o l t 应实现以下功能：向o n u 广播以太网数据：发起 并控制与各o n u 之间的测距过程并记录测距信息；发起功率控制命令；对用户的 以太网数据进行缓存，为o n u 分配带宽，其他一些相关的以太网功能。 o n u 为用户提供接入的功能：选择接受o l t 发送的广播数据；响应o l t 发 出的测距及功率控制命令；对用户的以太数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗 口中向上行方向发送；及其他一些相关的以太网功能。 o d n 位于o l t 和o n u 之间，为o l t 到o n u 的物理连接提供光传输介质。 o d n 主要完成下行光信号的分配和上行信号的集中。 2 1 3e p o n 的特点及优势 e p o n 系统是无源接入网络，具有以下特点 电子科技大学硕士学位论文 4 局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等光无源器件， 无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有 效节省建设和运营维护成本。 e p o n 采用以太网的传输格式同时也是用户局域网驻地网的主流技 术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本 因素。 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 r i m ) ，仅需一根主 干光纤和一个o l t ，传输距离可达2 0 公里。在o n u 侧通过光分路器 分送给最多3 2 个用户，因此可大大降低o l