（光学工程专业论文）以太网无源光网络（epon）设备的硬件设计及调试.pdf

摘要 摘要 随着互联网业务的快速发展，对网络带宽提出了越来越高的要求。由于骨干 网已有足够的能力支持宽带业务，接入网带宽成为整个传输网络的瓶颈。以以太 网( e t h e m e t ) 为基础的以太网无源光网络( e p o n ) 是未来实现宽带、多业务综 合接入的重要技术手段，它采用点到多点结构、无源光网络传输，在以太网之上 提供多种业务。它综合了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、易升级的优良特性成为光接入网的最佳选择。随着e p o n 国际标准 皿髓8 0 2 3 a l l 的正式发布。e p o n 的产业联盟已经吸引了众多厂商的积极参与。 目前北美和日本光纤到户( f 刑) 的建设已经规模展开，而国内f t i h 的实验也 开始在一些地方实施。目前已有一些厂商开始提供e p o n 的硬件解决方案以及相 应的网管系统，但到现在为止大部分还处于商业测试阶段。 本文的工作主要集中在e p o n 设备的硬件设计及调试工作。e p o n 硬件系统 主要由两个通道构成：数据通道和管理通道。首先，根据所要实现的功能，设计 e p o n 硬件系统的总体方案，确立核心芯片的选型。在数据接入功能上，选择 p a s s a v ee p o n 芯片组作为局端设备( o l t ) 和用户端设备( o n u ) 的m a c 芯片； 在网络管理功能上，选择p o w e r p c 4 0 5 e p 作为主处理器的核心芯片。其次，完成 o l t 设备的原理图和p c b 的设计，实现上行方向到骨干网的千兆以太网接口、下 行方向到o n u 光口的通信；完成o n u 设备的原理图和p c b 设计，实现上行方 向的光口、下行方向到用户侧的1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 以太网接口之间的通信；并对其相 关外围接口做了相应处理。在o l t 及o n o 设备的调试上，主要完成对其自带 p a s s j t a g 包的调试以及e e p r o m 启动参数配置的选择，从而实现e p o n 系统 m a c 芯片的系统功能初始化、启动配置及工作模式的选择。该芯片组接口灵活， 完全符合8 0 2 3 a h 标准，使得开发出的系统能很好的解决目前接入网的需求。 用于网络设备管理、启动配置及调试的接口也是e p o n 设各必不可少的。为 了使网管系统能够高效、稳定的运行，我们采用嵌入式l i n u x 系统来完成各种网络 监测参数的记录、读取、存储以及协议间的转换。以p o w e r p c 4 0 5 e p 为核心芯片 的硬件设备作为嵌入式系统的硬件平台( 称为h o s t c p u ) ，使网管人员可实时、 远程监测网络状态，对网络故障、意外事件进行及时处理，保证良好的q o s 。h o s t 摘要 c p u 与o l t 的m a c 芯片的通信接口我们选择本地总线( l o c a lb u s ) 方式。同时 为了便于升级和维护，对e p o n 设备的相关可扩展接口作了相应处理。嵌入式硬 件设备h o s tc p u 的调试工作相对复杂。除完成l o c a lb u s 及其相关控制信号线的 调试外，还要完成作为c p u 外围扩展设备的o l tm a c 芯片的驱动程序调试。采 用软硬件相结合的调试方式，建立h o s tc p u 对o l tm a c 芯片的高速、频繁的 访问机制，实现了实时管理、监测网络设备运行的目的。 关键词：以太网无源光网络，光线路终端，光网络单元，嵌入式系统，管理 代理，本地总线 h a b s t r a c r a b s t r 檄 w i 血t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m c t $ e r v i c e s ，h i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so f n e t w o r kb a n d w i d t ha r en e e d e d s i n c et h eb a c k b o n eh a sa k e a d yt h ea d e q u a t ea b i l i t yt o s u s t a i nt h eb r o a d b a n d , a c c e s sn e t w o r kb a n d w i d t hb e c o m e st h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l e n c t w o r la sas o l u t i o nf o ra c c e s sn e t w o r k , e p o n 饵也e m c tp a s s i v eo p l i c a ln e t w o r k ) h a sm a l = l 】i et e c h n o l o g ya n db r o a da p p l i c a t i o no fe t h e m e t i th a sap o i n t - t o m u l t i p o i n t a r c h i t e c t u r ea n dp r o v i d e sm u l t i s e r v i c eb a s i n go ne t h e m e t i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e o fp o n t e c h n o l o g ya n de t h e m e tt e c h n o l o g y w i t hi t sf e a t u r e so fh i g hb a n d w i d t h , l o w c o s ta n db e i n gu s e da n du p d a t e de a s i l y e p o ni st h eb e s ts o l u t i o nf o ra c c e s sn e t w o r k w i t he p 0 ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d - - i e e e 8 0 2 3 a hw a sr e l e a s e di n2 0 0 4 t h ei n d u s t r y a l l i a n c eo fe p o nh a sa p p e a l e dm a n ym a n u f a c t u r e st op a r t i c i p a t ea c t i v e l y n o wi n n o r t ha m e r i c aa n dj a p a n e s ef 唧h a sb e e nd e v e l o p e di nal a r g es c a l e , a n di no i r c o u n t r yt h ee x p e r i m e n to ff r mh a sb e e ns t a r t e di ns o m ep l a c e s s of a r , 8 0 m o m a n u f a c t u r e sh a v e s u p p l i e d h a r d w a r es o l u t i o n sa n ds o r w a r eo i ln e t w o r k i n g m a n a g e m e n to f e p o n b u tm o s to f t h e ma r ei nc o m m e r c i a le x p e r i m e n t a lp h a s e i nt h i st h e s i s ，t h em a i nw o r ki sf o c u s i n go i lt h eh a r d w a r ed e s i g na n dd e b u g g i n go f e p o n f i r s t ，e s t a b l i s h i n gt h e9 v e r a l lp l a no ft h eh a r d w a r es y s t e ma n d 硒c e f t a i n i n gt h e t y p eo ft h ec o r ec h i p sb a s e do nt h ef u n c t i o nw h a tw i l l b en e e d e dt op e r f o r m c o n s i d e r i n gt h ea c c e s sf u n c t i o n , p a s s a v ee p o nc h i pg r o u pi ss e l e c t e d 私t h ec e n t r a l o f f i c ei n t e r f a c ea n dn s o rn e t w o r ki n t e r f a c em a c c h i p s c o n s i d e r i n g t h en e t w o r k m a n a g e m e n tf u n c t i o n , p o w e r p c a 0 5 e pi s l e c t e da st h em a i np r o c e s s o rc h i p s e c o n d , t w op c bb o a r d sd e s i g na r ec o m p l e t e d ，o n ei sf o rt h ee t h e m e tn e t w o r ki n t e r f a c e b e t w e e nt h eu pd i r e c d o no fo l ta n dt h eb a c k b o n en e t w o r kw i t ht h eb a n d w i d t ho f 1 0 b i ta n do l t so p t i c a li n t e r f a c e ；t h eo t h e ri sf o rt h eu s e rn e t w o r ki n t e r f a c ew i t ht h e r a t e1 0 1 0 0 mo fo n ua n di t so p t i c a li n t e r f a c et 0o l t s o m er e l e v a n ti n t e r f a c e sa r c a l s op r o c e s s e ds p e c i a l l y w i t hr e g a r dt ot h ed e b u g g i n go fo l ta n do n u ，t h e p a s s j t a gp a c k a g ea n dt h ep a r a m e t e rc a n f i g u r i n go fe e p r o mi sa c c o m p l i s h e di n o r d e rt or e a l i z et h ei n i t i a l i z a t i o no f t h em a i nc h i p ，t h ec o n f i g u r i n ga n dt h ec h o i c eo f t h e i l l f u n c t i o np a t t e r n t h e s ec h i p sa r ea 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 e d i f f e r e n ti n t e r f a c e t h es y s t e mw ed e s i g n e dc 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 s n e t w o r k t h ei n t e r f a c e su s i n gf o rn e t w o r kd e v i c em a n a g e m e n t , b o o tc o n f i g u r a t i o na n d d e b u g g i n ga r ea l s oi n d i s p e n s a b l e i no r d e rt om a k et h en e t w o r ks y s t e mo p 础a t ah i g h s p e e da n de f f i c i e n t l y , t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mi su s e df o rr e c o r d i n ga n d a c c e s s i n gk i n d so f p a r a m e t e r s e x c e p tf o rt h a tt h eo p e r a t i o ns y s t e ma l s oc 缸b eu s e df o r c o m p l e t i o nt h et r a n s i t i o no f d i f f e r e n tp r o t o c o l s t h eh a r d w a r ed e v i c ew i t ht h em a i nc h i p p o w e r p c a 0 5 e pw h i c hi sc a l l e dh o s tc p ui su s e da st h ep l a t f o r mo fn e t w o r k m a n a g e m e n ta g e n t t h r o u g hh o s tc p u ，a d m i n i s t r a t o r sc a nm o n i t o rt h es t a t u so fl i n k , c o l l e c tt h ep a r a m e t e r sa n dd e a lw i t ht h em a l f u n c t i o n si nar e a lt i m ea n d l o n g - r a n g e t h e h a i d w a r ei n t e r f a c eo f h o s tc p ui su s i n gl o c a lb u st oc o n n e c tw i t ht h em a c c h i po f o l t a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt ou p d a t ec o n v e n i e n t l y , s o m ee x p e n d a b l ei 玎舡利妇a l s o p r o c e s s e da c c o r d i n g l y t h ed e b u g g i n gw o r ko fh o s tc p ui sc o m p l i c a t e d b e s i d e s c o m p l e t i n gt h ed e b u g g i n go fl o c a lb u sa n di t sr e l e v a n ts i g n a l s ，t h ed r i v e rb e t w e e nt h e o l tm a ca n dc p ui si n d i s p e n s a b l e t h ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t ；w a r e d e b u g g i n gi su s e d , a n da l la d v a n e e da n de f f i c i e n t l ya c c e s sm e c h a n i s mb e t w e e nh o s t c p ua n dp e ni se s t a b l i s h e d t h e nt h eo p e r a t i o ns t a t u so f t h ed e v i c ec a nb em o n i t o r e d a n dm a n a g e dr e a lt i m e k e yw 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 ，o p t i c a l l i n et e r m i n a t e ， o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，e m b e d d e ds y s t e m ，m a n a g e m e n ta g e n t ，l o c a lb u s 图形列表 图2 i 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 - 7 图3 - 8 图4 1 图4 2 图4 3 图“ 图 图缅 图4 - 7 图4 _ 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 - 1 2 图4 。1 3 图5 1 图5 - 2 图5 - 3 图形列表 e p o n 网络拓扑结构图5 e p o n 硬件系统总体结构图7 p a s s 0 0 1 芯片内部结构图9 p a s 6 2 0 1 芯片内部结构图1 l e p o n 管理体系结构图1 2 p p c 4 0 5 e p 芯片内部结构图1 3 h o s tc p u 与p a $ 5 0 0 1 接口设计1 6 o l r 系统硬件结构框图1 7 l o c a lb u s 数据总线驱动接口设计1 8 h o s tc p u 的p c b 板2 0 h o s tc p u 的电路板2 0 o l t 设备的电路板实物图2 1 中断执行算法流程2 3 管理系统运行结果显示2 5 l t b 3 4 1 6 结构功能图2 8 p a s 6 2 0 1 的p c b 设计图2 9 p a s 6 2 0 1 的电路板图2 9 p a s s j t a g 硬件调试接口3l p a s 6 2 0 l 芯片检测示意图3 l b o o t l o a d e r 程序烧写过程3 2 f l a s h 烧写验证示意图3 3 e e p r o mi s p 串口调试界面3 4 读取e e p r o m 映象3 5 e e p r o m 存储映象表3 5 e e p r o m 参数配置表3 6 脚r o m 编程示意图3 6 p a s 6 2 0 l 调试通过运行结果显示图3 7 l t b 3 4 1 8 内部结构功能图4 0 o 工，t 设备p c b 图4 0 o l t 完成o n u 设备的注册4 2 l 表格列表 表2 - 1 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表4 - 1 表4 - 2 表5 - 1 表5 - 2 表格列表 p p c a 0 5 e p 启动模式配置1 4 s n 7 4 a l v c h l 6 2 4 5 的控制逻辑电平表 s n 7 4 a b t l 6 2 4 4 的逻辑控制电平 p a s 5 0 0 1 的存储映像表 u b 3 4 1 6 光发射参数表 m 3 4 1 6 光接收参数表 u b 3 4 1 8 光发射参数表 l t b 3 4 1 8 光接收参数表 i i 1 8 1 9 2 7 2 7 3 9 3 9 缩略字母表 缩略字母表 d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n 动态带宽分配 e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s以太网无源光网络 f i b e rt ot h eh o m e光纤到户 g i g a b i t m e d i a i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e 吉比特媒质无关接口 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 吉比特无源光网络 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电气与电子工程师学 e n g i n e e r s会 j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p联合测试行动小组 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体访问控制 m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l 多点控制协议 o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a l l f ：e 操作管理维护 o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k光分配网 o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n 光线路终端 o p t i c a ln e t w o r ku n i t 光网络单元 p e f i p h e n ac o m p o n e n t i n t e r f a c e 外围设备接口 p a s s i v eo p t i c mn e t w o r k无源光网络 q l i a l 坶o f s e r v i c e 服务质量 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 简单网络管理协议 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外设接口 t e nb i ti n t e r f a c a g十位元接口 u n i ”e r s a ia 5 y i l 。 1 删1 0 啮 通用异步总线收发器 r e c e i v e r t r a n s m i t t e r 。7 ” i x =一三l|=洲删=；科： 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： 豸秒i 荻 日期：如订年r 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：孙f 久导师躲盟沁导师签名：丝翌竺型 日期：谝) 年珀日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 技术进步和市场需求是促进网络发展的重要源动力。伴随互联网规模不断发 展壮大，与互联网息息相关的业务呈现“爆炸式”增长，互联网技术衍生出各种 各样的业务应用。从市场的需求现状和发展趋势来看，新兴宽带业务的不断出现， 传统的铜线接入技术已经很难满足接入带宽要求，国内外运营商也在不断探索新 通信环境下的接入技术应用和网络转型，不同的国家和地区网络基础不同，对技术 的选择和网络发展方面也有所差异，不过所有运营商在接入层发展方面的理解基 本是一致的，即“光进铜退”，提升末端用户接入带宽，“光进铜退”是今后相当 长一段时间内国内外运营商网络转型的重点1 1 l 。 接入网络光纤化一直是很多电信运营公司长期以来追求的理想。光纤到户技 术使运营商提供高速数据、语音和图像服务成为可能，而且这些业务今后几年在 世界范围内会有巨大的增长。f t t h 将是运营商固定接入网络发展的终极方式。运 营商在选择“光进铜退”的技术和方案过程中，无论选择哪种建设模式，都需要 支持网络在未来进一步演进到f t f h 的能力。然而，受技术成熟水平、市场开放 程度、成本等诸多因素的限制，接入网路光纤化一直未能实现大规模应用。而这 种局面在低成本的p o n 技术出现并迅速成熟的今天将有望得到根本的改观。 f n h 应用方案已经在国内有了较多的试点应用，均采用x p o n 技术实现。 x p o n 技术由于成本相对较低、可扩展性好、维护管理能力强，是光纤接入的主要 实现方式。x p o n 技术以光纤为传输媒质，采用w d m ( 波分复用) 技术，具备高 接入带宽，全程无源分光传输，在管理和运营、带宽性能、综合业务提供、带宽 分配策略、组网灵活性等方面，相比其他光接入技术具有明显的优势1 3 0 】。 目前业内普遍看好的x p o n 技术有e p o n 和g p o n t ：醴i ，从产业链发展、技术 成熟度、设备成本等各方面比较，g p o n 市场进展稍慢于e p o n ，g p o n 相关的 电子科技大学硕士学位论文 a s i c 芯片尚未成熟。尚未有真正符合g p o n 标准的产品出现。e p o n 技术从传统 的以太网技术演进而来，技术简单且成熟、成本较低，芯片已经成熟，并且在国 内外市场上得到了一定规模的应用。现阶段宽带光纤接入应用以e p o n 技术为主， 周时兼顾光接入平台未来向g p o n 演进的能力，构建“光进铜退”的f t l h 光接 入网络。f n h 是网络发展的目标，综合考虑投资回报比，光终结点位置的下移是 个循序渐进的过程。 1 3e p o n 的定义、现状及发展趋势 i 3 1e p o n 的定义 e p o n 技术基于i e e e 8 0 2 3 a h 标准，采用8 b l o b 线路编码，支持1 0 k i n 、2 0 k i n 两种最大传输距离和双向对称i g b i r i s 以太网速率，最大分光比可达3 2 路，采用 波分复用技术实现单纤双向传输。髓e 8 0 2 3 a h 在传统以太网体系架构基础上定义 了一种扩展的8 0 2 3 m a cm p c p ( 多点控制协议) 作为e p o n 数据链路层协议，实 现点到多点p o n 中以太帧的时分多址接入。e p o n 系统利用以太网控制帧传送多 点控制位信息，利用o a m ( 运营、管理、维护) 帧传递o | a m 信息，具有较强的 o a m ( 操作、管理、维护) 能力，可以实现对终端的远程管理；利用p o n 系统具 有的广播功能实现单拷贝广播( s c b ) ，适合视频组播业务的开展。 此外，e p o n 协议简单，对光收发模块的技术指拆要求低，所以系统成本相对 较低。由于成本较低、速率高、扩展性好、对数据业务的适配效率高，能够以较 低成本高效率地传送i p 业务，所以e p o n 成为目前光纤接入的主要实现技术之一。 1 3 2e p o n 的现状及发展趋势 无源光网络n m l 】( p o n ) 的概念由来已久，它具有光纤网络高带宽及对网络 协议透明的特点；同时，点对多点的结构节省了光纤资源，降低了成本。以太网 ( e t h e m e t ) 技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经 完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载i p 数据包的最佳载体。随着口业务 在城域和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性 等方面豹改进，逐渐匈接入、城域甚至骨于网上渗透。面以太网与p o n 的结合， 便产生了e p o n 。它同时具备了p o n 和以太网的优点，成为唧i 领域中的热门 2 第一章绪论 技术瞄j 。 e p o n 技术目前已基本成熟。从带宽能力来看，e p o n 能提供1 2 5 g b i t s 的带 宽。由于e p o n 所基于的分组码流的统计特性以及灵活的动态宽带分配，使得用 户实际使用的带宽往往高于得到的平均带宽。 从产品成熟性来说，e p o n 推出较早，技术成熟，从芯片到设备的产业链较为 健全，商用芯片较多，成本不断下降，在国外有几百万线的规模商用，特别是在 日本有上百万线的应用。规模生产e p o n 芯片的厂家主要有p a s s a v e ( 已被p m c 收购) 、t e k n o v u s 、格林威尔、c o n e x a n t 和i m m e n s t a r 。目前在亚洲，e p o n 设备主 要是以p a $ s a v e 系歹i j 芯片为主。由于在日本已获百万以上用户的应用，功能、性能、 可靠性等都得到了验证，价格也已经降到相对低的程度，适合开展大规模建设和 发展。 目前，光纤的单位价格已低于铜线，e p o n 光器件也比较成熟，设备成本逐渐 下降，相比a d s l 建网，在配线成本、机房占用成本和运维管理成本等方面均具 有较大的优势，可以预见在未来的一两年间，国内光接入市场会出现一个发展的 高潮。 就全球市场来说，以美国为主的欧美国家的发展路线大部分是g p o n 技术， 这和当地通信网络的建设背景有关，以日本、韩国和中国为主的亚太地区国家主 要选择了e p o n 技术，光接入发展最好的国家是日本，9 0 以上的地区已经实现 光纤到户，光接入用户的比例逐渐增大，这和日本政府的大力推动是分不开的。 据国内外专家预测，到2 0 0 7 年中期，全世界的光纤接入将会超过铜线接入。 日本、韩国、美国和欧洲f t l h 发展的趋势，充分证明了这一点。虽然目前在我 国丌m 的推广才启动不久，但在未来3 5 年内，f 1 1 h 在我国一定能够得到快 速发展，为我国的信息化建设奠定良好的基础，同时人们的生活也将随之而改变。 1 4 课题来源、主要研究方向及章节安排 1 4 1 课题来源及研究方向 本课题来源予电子科技大学光纤通信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 f t t h 系统开发项目。项目包括e p o n 设备的硬件设 3 电子科技大学硕士学位论文 计，嵌入式系统搭建和网管系统的设计。本文主要研究方向集中在e p o n 设备的 硬件设计及调试。 1 4 2 本文的主要内容及章节安排 本文工作主要负责完成e p o n 系统网络管理设备的硬件设计及调试，用户端 设备o n u 的设计及调试，局端设备o l t 的设计及与他人合作完成o l t 设备的相 关调试工作。各章节内容安排如下： 第一章：接入网技术发展现状，重点阐述了e p o n 的发展现状。 第二章：提出e p o n 硬件系统的总体方案，并对核心芯片的选型及其功能进行 了详细描述 第三章：e p o n 系统中网络管理设备的硬件设计。 第四章：用户端设备o n u 的设计及相关调试，完成支持以端口划分的v l a n 功能。 第五章：局端设备o l t 的设计及相关调试工作。 第六章：总结全文。 4 第二章e p o n 硬件系统的总体设计及功能概述 第二章e p o n 硬件系统的总体设计及功能概述 2 1e p o n 系统的总体结构 2 1 1e p o n 系统的结构和工作原理 u 讯：用户网络接口 用户端 图2 - 1e p o n 网络拓扑结构圈 e p o n 系统在网络侧通过业务节点接n ( s n l ) 与业务节点相连，在用户侧通过 用户网络接d ( u n i ) 和用户设备相连，从而形成一个实现用户接入功能的无源光网 络。在物理层上e p o n 继承了p o n 的体系结构，其结构如图2 - 1 所示。 在数据通信方向上，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 n m 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。在e p o n 的下行方向，o l t 将i e e e 8 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 u _ i d l ，o n l ii d 2 ，o n u _ i 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 5 电子科技大学硕士学位论文 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 ed i v i s i o n m u l t i p l e x ，时分复用) 技术，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【”j 。 作为e p o n 的核心，o l t 主要实现以下功能：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 分配带宽以及其他一些相关的以太网功能刚。 o n o 为用户提供接入的功能嘲：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 主要完成下行方向光信号的分配和上行信号的集中。 位于局端设备的o l t 除了实现数据通信功能，同时要考虑到其可管理及易于 升级。为了方便灵活的实现对e p o n 网络的五大功能的管理，可采用嵌入式系统 来管理收集网络参数信息，对用户带宽进行合理分配，及时对意外、告警等事件 进行处理，在保证良好数据通信的基础上保障良好的q o s 。 2 1 2e p o n 的特点及优势 e p o n 系统是无源接入光网络，具有以下特点1 2 9 1 ： 1 局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等无源器件，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。 2 e p o n 采用以太网的传输格式同时也是用户局域网胜地网的主流技术，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。 3 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 r i 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 t 和主干光纤的成本压力。 6 第二章e p o n 硬件系统的总体设计及功能概述 4 上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享 带宽，上行利用时分复用( t d m a ) 共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户 的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽。 5 点对多点的结构，只需增加o n u 数量和少量用户侧光纤即可方便地对系 统进行扩容升级，充分保护运营商的投资。 6 e p o n 具有同时传输t d m 、i p 数据和视频广播的能力，其中t d m 和p 数据采用i e e e8 0 2 3 以太帧的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证 传输质量。通过扩展第三个波长( 1 5 5 0 n m ) 可实现视频业务广播传输。 2 2e p o n 硬件系统总体方案 根据对e p o n 网络的结构、特点及其工作原理的分析，我们设计的e p o n 系统 硬件方案由两部分组成：数据通道和管理通道。图2 - 2 为e p o n 硬件系统总体结构 图。 数据通道从局端( c ! n i ) 到用户端( u n i ) ，它实现了e p o n 的数据传输。 完成上行方向连接到骨干网的g m i i 接口以及下行方向到用户端的m 咖i 以太网 口之间的通信。 管理通道管理基站通过管理代理端( h o s tc p u ) 完成对e p o n 网络管理。 管理代理由微处理器执行，它通过_ h o s tm i c r o p r o c e s s o ri n t e r f a c e 控制和管理整个 e p o n 系统。主处理器芯片可以连接至多个p o n 3 ，从而实现对多个p o n 系统的管 理及升级。 l ，g 砌 图2 - 2e p o n 硬件系统总体结构图 7 电子科技大学硕士学位论文 网络管理实现的软件为p a s s a v e 软件( “p a s s o f t ”) 在主c p u 上运行， 操作系统是实时的嵌入式l i n u x 。 2 2 1 数据通道核心芯片结构及功能介绍 为缩短产品开发周期，本e p o n 系统硬件设计方案采用p a s s a v e 公司开发的专 用芯片，o l t 端采用p a s 5 0 0 1 - n m 3 2 1 ，o n u 端采用p a s 6 2 0 1 p 】。 p a s s a v e 公司是世界上技术最为领先的e p o n 芯片开发商。目前p a s s a v e 已经 在日本、韩国、中国大陆、中国台湾、北美及欧洲，与市场上的系统厂商建立了 关系，同时它也是第一家提供完整且符合e p o n 标准的系统芯片厂商，目前已大 量生产其第二代甚至第三代芯片给客户端设备( c p e ) 及局端设备( c 0 ) 来使用。 而p a s 5 0 0 1 一n m 3o l t 芯片及p a s 6 2 0 1o n u 芯片是目前市场上唯一成熟的 e p o n 应用解决方案，提供高效率及可程序化的动态带宽分配，并供给服务品质 ( q o s ) 要求的特定应用及系统服务。 p a s s a v ee p o n 系列芯片组支持网络协议的视频服务( i fv i d e o ) 及网络语音 ( v o w ) 的应用，而芯片保证所有用户都在于a e s 的保密协议下传输，同时上传带 宽的使用率可借助动态带宽分配( 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 ) 管理，而且 芯片也完全兼容i e e e s 0 2 3 a h 协议。 2 2 1 1 局端设备m a g 芯片接口功能描述 局端设备负责完成连接到骨干网的数据通信及e p o n 系统的网络管理。数据 通道使用p a s s a v e 系列芯片，局端的m a c 芯片采用p a s 5 0 0 1 - n m 3 ，管理通道 的c p u 芯片采用p o w e r p c 4 0 5 e p 4 。其中主c p u 与p a s 5 0 0 1 的管理接口具有多种 通信方式，包括串口，以太网口以及本地总线( l o c a lb u s ) 三种。 p a s 5 0 0 1 n m 3 是专门为e p o n 系统中o l t 设备设计的吉比特以太网芯片。它 结合了以太网m a c 介质层功能和e p o n 协议管理功能。 p a s 5 0 0 1 芯片集成了十分全面的p o n 功能，设计严格执行了i e e e s 0 2 3 a h 标 准中m p c p ( 多点控制协议) ，还通过i e e e 8 0 2 3 a h 标准o a m ( 操作维护管理) 实行全面的网络维护管理