（通信与信息系统专业论文）综合业务以太无源光网olt设备的研究.pdf

蟛：合业务光源光删o u f 砬并的研究 摘要 宽带接八作在成为世界和中国电信业新的业务增长点。作为新一代的接入网 技术，e p o n 将光纤通信完整地应用于接入网领域，从而解决了长期以来困扰业 羿的接入网瓶颈问题。在数据业务占多数的接入网中，e p o n 与现有的以太设备 a e 容性良好，从而具有较高的性价比。由于e p o n 又能很好地承载电视、语音 ! 务，成为一个多业务的平台，实现了综合业务的光纤到户。 本文主要研究综合业务e p o n 平台的o l t 设备。提出了新的o l t 硬件设计 方案，控制：笛片功能设计方案，多业务支持系统设计方案和插板式o l t 总线仲 裁策略，并对o l l 硬件与j - 2 氆j j ：e 片功能进行了实物测试。 文中首先介绍了综合业务无源光网( i s e p o n ) 各种业务的实现方案，然后 在没有任何参考设计的情况下，提出了适合本课题总体设计的o l t 硬件实现方 法，对各部分的设计思路进行了详细阐述。接着设计和解释了o l t 控制芯片的 功能，并将其下载到o l t 硬件系统进行验证，得到满意的效果，在文中对功能 测试图也进行了分析。随后创新性地设计了o u f 多业务支持系统，包括基于业 务优先级的下行队列管理方案和i p t v 组播传输方案，并进行仿真以证明其可行 性。同时也对总线型多o l t 交换系统进行了预备研究，提出了新的基于各板卡 数据队列长度的动态仲裁策略。最后，对整个o l t 的设计与实现进行了总结， 并对进一步的研究给出了有价值的建议。 关键词： 综合! 【k 务以太无源光网光线路终端，o l t 控制芯片，组播，c o m p a c tp c i v 综合业务- 尢溉光j 叫o 【t | 殳行的究 a b s t r a c t d e l i v e r yo fb r o a d b a n da c c e s sb yt r a d i t i o n a lv o i c es o l v i c ep r o v i d e r si sb e c o m i n g a ni m p o r t a n ts o u l c eo l r e v e n u ei na ne r ao fi n c r e a s i n gc o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t s f r t bo rf t t hi st h eb e s ts o l u t i o nt os o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e mo fa c c e s sn e t w o r k a st h eh o p eo ff t t h e p o nb r i n g so p t i c a lf i b e ri n t ot h er e a l mo fa c c e s sn e t w o r ka n d n l e e t st h eb a n d w i d t hr e q u ir e m e n to ft h es u b s c r i b e r se p o ni sc o m p a t i b l ew i t h e t h e r n e td e v i c e sa n dt h en e t w o r kc o s tc a nb ed e c r e a s e db e c a u s eo ft h e s ef a c t o r s ， e p o nw i l lb e c o m ea l li n t e g r a t e ds e r v i c ep l a t f o r mw i t ht r i p l ep l a ys e r v i c e s - - v o i c e ， d a t aa n dv i d e o t h i st h e s i sf o c u s e so nt h eo l td e v i c eo fi s e p o n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ee p o n ) ， i n c l u d i n gh a r d , , v a l 。ed e s i g no fo l t ，f u n c t i o nd e s i g no fc o n t r o l l e rc h i p ，s u p p o r ts y s t e m o fi n t e g r a t e dp l a t f o r ma n dd y n a m i cw e i g h t e db u sa r b i t r a t i o np o l i c yo fo l tc o n t r o l l e r b o a r dt e s t so fh a r d w a r ea n dc o n t r o l l e rc h i pa r ea l s or e p o r t e di nt h i st h e s i s t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si nt h i st h e s i sd e s i g no fi s e p o ni ss h o w ni nt h e c h a p t e r1 a n d2 t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，w h i c hi san o v e ld e s i g na n ds u i t a b l e f o ro u rp l a t f o r m ，i sd e s c r i b e r e di nd e t a i li nc h a p t e r3i nc h a p t e r4 ，t h ef u n c t i o n so f o l tc o n t r o l l e rc h i pi si n t r o d u c e da n dt e s t e d i no r d e rt os u p p o r tm u l t i p l es e r v i c e s ，t h e m u l t i p l e s e r v i c e s s u p p o r ts y s t e m i no l ti s d e s i g n e d i n c h a p t e r5 ，i n c l u d i n g m a n a g e r n l e n tp o l i c yo fd o w n s t r e a mq u e u e sa n dm u l t i c a s t i n g i p - t vo v e re p o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e dw i t ha p p r o p r i a t ea n a l y s e si n t h i sc h a p t e ra d y n a m i cw e i g h t e da r b i ! r a f t o np o l i c yb a s e do na v e r a g eq u e u es i z eo fo l te x c h a n g e s y s t e m i s d e s i g n e d i n c h a p t e r6 f i n a l l y ，t h e c o n c l u s i o no ft h es t u d ya n d i m p l e m e n t a t i o no ft h eo l ts y s t e mi ss u m m a r i z e d 1 h ep r o s p e c to ff u r t h e rr e s e a r c hi s a l s op l + o p o s e d k e yw o r d s ： i s ，e p o n ，0 l t , c o n t l o l l m 。c h i p ，m u l t i c a s t ，c o m p a c tp c i v 综台业务无源光刚o l t 设备的研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致酬的地方外，沦文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：么醢日期：盟 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布沦文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：翅导师签名：檄日期：墨生生：2 卫 街、学埘! i 学位沱义 综业务无螈光m o l t 敬需的t 0 1 宽 第一章绪论 1 1 引言 一个国家的信息基础构造由骨干网( b a c k b o n en e t w o r k ) 、城域网 ( m e “o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 和接入网( a c c e s sn e t w o r k ) 三大部分组成。骨干网 是连接各个城市的信息交换t 杠c 、的长途干线网。城域网是连接一个城市的信息交 换中心和各个信息交换分中心的网络l 。接入网是连接信息交换分中心与用户的 网络，被称为信息高速公路的“最后一英里”或“最初一英里”1 6 j 。迄今为止， 电话、数据、电视业务的接入网是分立的。现在全球信息高速公路的瓶颈不在骨 干网，电不在城域网，而在于接入网。宽带接入f 在成为世界和中国电信业新的 ! i t 务增长点，各运营商都要大力发展宽带接入业务。现在国际信息科技界和产业 界认为宽带接入网是互联网泡沫和光泡沫破裂后推动i t 产业复苏的原动力。 从本质上晚，唯一能够根本上彻底解决宽带接入瓶颈的技术手段是光接入网 一光纤到楼( f t t b ) 和光纤到家( f t t h ) 。通过光纤到家( f t t h ) 实现全业务接 入网是通信业界人们的理想。光纤到家( f t t h ) 和光纤到办公室( f t t o ) ，或 总称为光纤到户( f i t p ) 的光接入网是信息高速公路最初一英罩的最终解决方 案，是电话、电视、数据业务融合的最后归宿。它的实现剥于推进人类社会信息 化将具有划时代的意义。 1 2e p o n 网络的特点 对于实现f t t h 所需的技术，1 9 9 8 年欧洲首先推出关于a t m - p o n ( 简称 a p o n ) 的i t u tg 9 8 3 1 建议。2 0 0 0 年1 1 月美国i e e e 成立了8 0 2 3 e f m ( 以太 第一英早) 工作组，开始进行基于以太数据帧的以太接入网( e a n ) 的标准化。 以太接入网标准i e e e 8 0 2 3 a h 的正式文本已在2 0 0 4 年6 月诞生。它包括点一点 以太光纤链路和点一多点以太无源光网e t h e r n e t p o n ( 简称e p o n ) 。 e p o n 融合了无源光网络( p o n ) 和以太数据产品的优点，相对于现有接入 技术表现出明显的优势： 高容量：e p o n 的下行信道为千兆的广播信道，而上行信道为用户共享的于 兆信道。带宽比目卣0 其它的接入方式都要高得多。 赞用低廉：由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。 标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网设备，故e p o n 有显著的 价格优势。 易于7 1 一级：p o n 结构本身就决定了网络的可升级性很强，只要更换终端设 综合业务无源光同0 1 t 世并的i i j l _ 究 薪就可以升级网络到1 0 g 或者更高速率。 实现综合业务：e p o n 不仅能综合现有的有线电视、数据、晒音业务，还能 兼容其它业务如数字电视、v o l p 、电视会议、v o d 等等。 与现有以太网的兼容性：相对于以往的接入方式，以太网技术是迄今为止最 成熟的局域网技术。e p o n 协议只是对现有i e e e s 0 2 3 幽议作一定的补充与后者 完全兼容。 安全性：e p o n 协议为用户提供了多层安全保证。 由于以太网具有协议简单和市场普及率高的优势，在各种f t t h 方式中，以 太无源光网( e p o n ) 无疑是晟经济的、应用前景最好的方式，将在f t t h 的逐 步实施过程中扮演重要的角色。 以e p o n 为爨础，采用* e f t , j 隔波分复用技术，人们可以容易地将射频电视 信号叠加在同一个光纤物理构造中。把e p o n 和c a t v 网络结合起束的物理基 础在于两种网络都是一点到多点的网络，可以设训成具有同一的拓扑结构。同样， 将e 1 数字信号( 3 0 路电西) 封装进以太帧，与数据信号一起传送。可以实现在 e p o n 上叠加t d m 电话信号。加上i p 丁v 等网络应用，从而能真萨实现电话、 电视、数掘业务在接入刚中的融合。我们将这种融合了电话、电视、数掘业务的 e p o n 称之为综合业务无源以太光网( i s e p o n ) 。 图1 1e p o n 上行t d m a 传输 与其它接入方式不同，在e p o n 中，从多个o n u 到o l t 的上行数据传输 采用时分多：i i k ( t d m a ) j s 式j 。如图1 1 所示，o l t 为各个o n u 安排不同的传送 时隙。各个时隙都保持同步。彼此间留有间隙，使得各个o n u 的数据汇合到公 共的光纤干线日_ j 不会发生互相碰撞。在注册以后，每个o n u 在o l t 预先安排的 时隙报告自己的用户数据队列情况( 服务等级、队列长度等) ，o l t 根据各个o n u 的报告及既定策略给每个o n u 安排发送时隙的起点和长度( 动态带宽分配) 。 山此可见，e p o n 与传统以太网不同，是点到多点的主从网络。o l t 作为核心， 综台业务尤源光1 4o l t 啦符的川究 控制所有o n u 的行为。上行链路工作于突发模式1 5 1 。 为实现t d m a 通信，e p o n 的8 0 23 a h 协议栈对千兆以太网协议栈作了修改 和扩展”i ，增添了多点m a c 控制( m u l t i p o i n tm a cc o n t r 0 1 ) 、运行管理维护 ( o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n n a n c e ) 二个子层和点到点仿真功能( 位 于r s 子层中) ，如图1 2 所示。 l a n ( s m 量c d l y e r s h i ( 赳e rl a y e r s l l ( ：o l - o t h e l m a cc l i e n l o a m h l l t i p o i n tm a ( ：c o n t r o l a i ( 1 r s ( 。；n i i i o l t i p ( ：p p o n t a g p c sp c s p l x ，【土p m a p 口dp a m 图l | 2i e e e 8 0 2 3 a h 协议栈 g i i i ( n u 多点m a c 控制子层负责o n u 注册、测距和动态带宽分配。采用申请一授权 ( r e p o i t 。g r a n t ) 机制，执行一套多点m a c 控制协议( m p c p ) ，但是对于注册 周期、注删窗1 2 1 、碰撞规邋参数和动态带宽分配算法8 0 23 a h 标准不作具体规定， 留给制造商自由发挥。 点到点仍真功能在r s 子层上实现e p o n 协议与以太网的8 0 2 1 d 网桥协议 的兼容。通过该功能在m a c 帧的帧头( p r e a m b l e ) 添加或去除逻辑链路标识符 f l l i d ) ，从而实现以a 包的过滤。 运行管理维护( o a m ) 子层负责e p o n 的网络管理。作为宽带接入网，e p o n 系统必须有o a m 功能，包括o n u 配置、状态与流量监测、告警和环回测试等。 1 3 国内外f t t h 和e p o n 的现状 图l3 是y a n k e eg r o u p 所发表的未柬几年全球f t t x 的市场预测，l 叮见宽带 接入发展的趋势是以p o n 为主流的光接入技术。 撼一一 蛳、学埘i ：学位论义 综台业务无源光恻o l t 砹备的研究 ： 竺 i 羹 一 l 阿蘩冀 i 图1 3 全球f t t x 市场预测 j = i 本是世界上列f t t h 最热衷的国家，据f 本，e 2 务省公布的数据，截至2 0 0 4 年8 月3 0 同，闩本f t l h 用户为1 6 0 1 4 3 2 力，并且自2 0 0 4 年以来，当月增加 数稳定在8 力以上。现在n t t 的f t t h 网络架构主要以m c 架构所组成，但在 o f c 会议中，n t t 宣称从现在起日本f t t h 标案将采取p 2 m p 架构的p o n 网络 模式。 据美国光纤提供商c o m i n gl n c 进行的调查显示，至2 0 0 4 年2 月份，美国共 有9 6 个地区的约1 8 万个家庭将f t t h 用光纤铺没到家。美国s b c 表示将加速 f t t h 网络的建设，为1 8 0 0 万美国家庭在2 到3 年内提供高速数据，视频和语 音服务。b e l l s o u t h 也表示将在2 0 0 5 年实现4 0 的用户实现基于光纤平台的连接。 韩国在f t t h 方面，k t 到2 0 0 3 年1 1 月才开始进行实地试验( f i e l dt e s t ) 。 具首席执行官兼总裁l e ey o n g k y u n g 在o f c 上发表的演讲中表示，“木公司为 在2 0 0 6 年内丌通商用服务进行准备。计划在2 0 10 年，f t t h 的家庭普及率超过 7 0 ”，表明虽然f t t h 起步晚但将迎头赶上的决心。 在欧洲，意大利己有1 45 万f t t h 用户。瑞典有2 4 5 万f t t h 用户。荷兰 正在鹿特川和阿姆斯特月实施两个f t t h 工程，共有用户约6 0 万户。在澳洲， 澳大利亚有】8 个与f t t t t 有关的项目正在实施，并有f 丌h 的现场试验 在e p o n 没备方面，p a s s a v e 已推出o l t 芯片p a s 5 0 0 1 n 和o n u 芯片 p a s 6 0 0 l n 。u t 斯达康与p a s s a v d 宣布双方将共同研制用于f t t h 网络的e p o n 整机，并己提供完整的端到端e p o n 方案_ b b s1 0 0 0 。另外，s a l i r a 公司宣布将 同芯片供应商f e k n o v u s 共同开发e p o n 系统。 | | | | |l 狙 综合! i k 务无源光| i jo i f f 设梧的州究 目前中国国内电信运营商f t t x 的进展以f t t b ( c ) + l a n 为主要方式，利用 f t t x ( 光纤到小区) + l a n ( 网线到户) 的宽带接入方式实现“千兆到小区、百兆 到大楼、十兆到桌面”的宽带接入方案，小区内的交换机和局端交换机以光纤相 连，1 、区内采用综合布线，用户上网速率可达1 0 m 1 0 0 m b p s ，适合相对集中的 住宅小区、智能大厦、现代写字楼使用。2 0 0 3 年占宽带上网用户的比例为3 5 ， 用户数达3 5 8 力，主要提供商有中国电信、中国网通、中国联通、中国铁通和长 城宽带，主要采用光有源点剥点s d h 接入、a t m 接入或e t h e r n e t 接入技术。而 在f t t l 一i f t t p 进展上，2 0 0 4 年国内确定了五个光纤试点城市，包括武汉、北京、 长沙等，其中，以p o n 接入技术发展最受关注，运营商在未来几年将进行各种 p o n 的现场试验( f i e l dt 1 i a l ) 。 现在在国内还没有可以商用的国产e p o n 芯片及系统，可见如果能够研制 出具有自主知识产权的e p o n 芯片及系统，将会推动中国f t t h 的发展。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 1 4 1 研究内容和本人所做的研究工作 本课题是上海市科委项目“综合业务宽带接入系统在临港新城的应用研究” ( 0 4 d z l 2 0 4 5 ) 和上海市科委项目“基于i p v 6 的接入汇聚服务平台”。本人负责 的工作是设计综合业务无源以太光网o l t 的设备，包括o l t 硬件的设计制作与 o l t 控制芯片的f p g a 实现。本人所做的主要研究工作如下： l 、收集并阅读了大量e f m 工作组成员关于e p o n 标准的公开建议和相关论文， 仔细研读和l 理解了i e e e8 0 2 3 a h 正式版协议，列其中所涉及的物理层功能用硬 件实现，对p c s 、r s 、m a c 等子层的功能用控制芯片实现。设计有创新意义的 并且具有自主知识产权的o l t 设备，这是本课题的重点研究内容。 2 、针刺练合业务以太无源光网所应具有语音、视频和数据的传输能力，对v l a n 与m l d 胁、议进行了深入地研究，提出了具有优先级的o l t 下行数据管理的新方 案，也提出了基于l p v 6 平台的i p t v 在o l t 中组播传输的方案，并把这两种支 持多业务的方案进行了f p g a 史现，这也是本文的重点与创新点。 3 、对于o h 、商用模式的设计，深入研究了c o m p a c tp c i 总线1 力、议，并提出了 新的基于插板系统的总线仲裁策略。 4 、 对硬件系统与控制芯片的功能进行测试，并对结果进行深入分析，证明 i s e p o no l 丁研究与设计的正确性。 综台业井无源光删o l t 吐桥的 i j 究 1 4 2 课题研究的意义 ( 1 ) 利用商用的有关以太无源光网的器件、自主研制符合i e e e 8 0 2 3 a h 协议的 设备，配以自行，l ：发的控制软件，集成为综合业务以太无源光网 ( i s e p o n ) 的光线路终端( o l t ) ，为综合业务光接入网提供殴备系列， 并促进我国通信产业和相关光产业的发展； ( 2 ) 通过列各种数据下行队列管理和i p t v 在o l t 中组播传输的研究，使整 个i s e p o n 系统具有更有效的性能，推进“三网融合”的进程； ( 3 ) 研制具有自主知识产权的e p o n 芯片及系统，丌发数字城市的宽带接入 网模型，为在中国建立f t t h 接入体系做出贡献。 1 5 论文的结构安排 本论文内容分为以下几个章节： 第一章：介绍了e p o n 系统的特点、国内外f t t h 发展的现状，并且引出了本 课题的研究内容与意义。 第二章：介绍了综合! l k 务e p o n 系统各业务实现的方案，同时也介绍了本课题 中o h 、硬件以及o l t 控制j ! _ = 片的总体设计方案。 第三章：介绍了o l t 各硬件组成部分的设计，这是本文的重点章节。包括o l t 控制芯片( f p g a ) 、下行队列存储芯片( 双e lr a m ) 、网络管理部分、 时钟与复位系统、千兆网络接口、p o n 光网络系统以及系统电源等的 电路设计，并且给出部分电路功能的f p g a 测试程序。 第四章：介绍了o l t 控制芯片的功能和设计方案，并针对各个功能模块进行了 详细地说明，对于数据帧处理模块使用s i g n a l t a p l i 软件进行测试，并 给出了实际网络数据的功能测试图，证明设计的正确性。 第五章：介绍了o u f 多业务支持系统，分为两部分，第部分介绍了下行数据 队列的作用，提出了新的基于数据优先级的队列管理方案，并用f p g a 程序实现。第二部分介绍了在o l t 中组播传输基于1 p v 6 协议的i p - t v 数据，并创新地提出了实现该功能的f p g a 程序设计方案。这两部分都 给出了f p g a 实现的仿真图，陔章也是本文的一个重点章节。 筇六章：主要针刘局端所需求的总线型多o l t 交换系统进行预备研究，对采用 c o m p a c tp c i 总线方式的o l t 系统主控板卡提出了新的基于各插板数 据队列长度的动态仲裁策略，并进行了功能仿真和分析。 第七章：给出了论文的总结和对未来工作的展望。 综合业务光源光i 叫o u f 世稀的研究 第二章综合业务e p o no l t 的总体设计 2 1o l t 在综合业务e p o n 中的作用 作为一种新颖的接入手段，e p o n 可以为用户带来光纤传输的高带宽享受。 在现有的接入技术中，e p o n 是最有可能成为多业务接入平台的技术。因此，在 这早我们提出了综合业务以太无源光网( i s e p o n ) 的概念，其结构如图2 1 所 示1 。 图2 ii s e p o n 的网络结构 在一个e p o n 系统中，o l t 既是一个交换机又是一。个多业务提供平台( m s p p , m u l t i - s e r v i c ep r o v i d i n gp l a t f o m l ) ，它提供面向无源光纤网络的光纤接口。它是整 个e p o n 系统的核心部件，主要完成的功能有：以广播方式向o n u 发送以太网 数掘；发起并控制注册和测距过程，记录测距信息；针对用户的服务质量( q o s ， q l i a l ic vo f s e r v i c e ) 要求为o n u 分配带宽，f , p 控制o n u 发送数据的起始时间和 发送窗口大小。根据以太网向城域和广域发展的趋势，o l t 可以提供多个g b p s 的以太接口。除了提供网络集中和接入的功能外，o l t 还要进行网络管理”“。 2 2 多种业务在e p o n 中实现的方法 除了接入网通常提供的数据业务之外，l s e p o n 还可以提供c a t v tl p 一1 1 v ， 以及t d m 电话等多种业务，下而简单介绍这几种业务在e p o n 中的实现方法。 c a t v 与e p o n 这两种网络都是一点到多点的网络，可以设计成具有同一的 甜j 、学硼i j 学位论义 综含业并尤源光ho i j 啦杆的砌究 拓扑结构，然后以e p o n 为基础，采用粗问隔波分复用技术，将射频电视的光 信号叠加在统一的光纤物理构造中4 他】。如图2 2 所示，c a t v 信号用1 5 5 0 r u n 波沃的光发送机发送，经掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大，再通过w d m 合波器 在o u i 的线路侧与1 4 9 0 n m 波长的e p o n 下行光波混合。在o n u 的线路侧，c a t v 光信号通过w d m 分波器与e p o n 的下行光波分离，被c a t v 光接收机还原为 c a t v 信号。 t 5 5 0 n m lr 、罂n f j d f a 1 4 卅 模拟h 、 分鼯器 l 扰卵r 互l h l _ l 7 j ls s o f l 4 9 0 1 l io m 哪 nr 0 l t5 5 0 ，o l o m 叫 边缘 e p 0 1 qt x g x t e p 0 1 1m c l 黯由器 l 钟，13 1 0 “ 前端视颂 中心局 分前湍 0 n u 图2 2c a t v 与e p o n 的波分复用方案 由于c a 3 v 使用独立波长传输，因此本文在讨论o u r 对于多业务的传输支 持时，不对其作深入讨论。 经过m p e g 2 或m p e g 4 编码的i p t v 信号可以通过i p 组播技术( i g m p f o r i p v 4 或m l df o r l p v 6 ) 在网内传播。如图2 3 所示。o l t 通过兼容i p 组播协议， 把i p t v 信号传递给预定用户。o n u 在输出i p t v 信号后，用户需要通过充当 l p 主机的机顶盒爿能在电视机上观看t p t v ，或直接使用节目运营商提供的软件 在电脑上观看。 图23i p t v 在e p o ne 的传输方案 街人学坝i j 学位论文 综台业务光源光喇o l t 啦蔷的研究 存e p o n 上叠加t d m 电话信号的方案如图2 4r 4 i 。它的核心部分是 f d m p a c k e t 处理单元。该单元把来自e 1 接口单元的数字码流分段封装入以太网 数掘包，经m 1 接v i 把打包后的m a c 帧送入以太网交换单元，通过上行接口接 入e p o n 。同时，以太网交换雎元提供二路本地以太网接口，以便本地的其他计 算机接入e p o n 。 图2 4t d mo v e re t h e r n e t 方案 同时，来自e p o n 的携带e 1 数据的以太网数据包，经以太网交换单元由 m i i 口送入t d m p a c k e t 处理单元。处理单元把收到的数据包重组恢复为原来的 e 1 数字码流，经e 1 接口单元输出。t d m p a c k e t 处理单元需要对重组的数据进 行复杂的定时处理和数据缓存，以便恢复出的e 1 码流的速率、抖动和漂移指标 符合i t u t 对t d m 信号的要求( g8 2 3 ) 。 使用t d m o e 技术在e p o n 中实现t d m 信号传输，提供了以太网络的好处 却不担风险。它在毫无功能损失的情况下通过e p o n 支持传统的电话交换机和 p b x 。司时，它通过租用线路的服务，使e p o n 可以运行话音、a t m 、帧中继、 s n a 等服务。其简单、低价格和对所有信令和踟议的透明性使其成为e p o n 技 术的理想互补。 2 3o l t 硬件系统设计 本课题中所设计的o u f 设备主要由f p g a ：出片、a r m 9 芯片、双口r a m 芯片、以太p h y ，占片、光收发电路等组成。其结构如图2 5 所示。整个o u f 硬 件系统按功能可以分为四大部分，io l t 核心控制单元，包括f p g a 、配置芯片 以及双口r a m ：出片。2 网络管理单元，包括a r m 9 、s d r a m 、f l a s h 、1 0 0 m 网络接口以及串行配置接口等。3 核心网络接口单元，包括千兆以太网络物理层 芯片以及下兆r j 4 5 接口。4p o n 端千兆光路单元，包括串并转换：占片( s e r d e s ) 和具有突发接收功能的光模块。 诲人学叫jl 学位| 义综合! i k 务无源光i qo l t 吐并的究 图25 0 l t 硬件系统框图 光 纤+ f p g a 是整个o l t 嵌入式系统的核心。它完成数据发送、接收、转换等功 能。列收到的数据进行帧头校验，对发送数据加上校验位。判断各种数据类型， 在上行时把它们送入各自的处理单元进行处理，下行时通过队列按顺序发送。同 时f p g a 会存储新注册o n u 的l l i d 以及m a c 地址，以便接收数据时决定是 否继续向上层网络传递，发送数据时根据目的m a c 地址查找对应的l l i d 并把 它加入帧头。 f p g a 配置芯片主要用于存放实现上述o l t 控制芯片功能的程序。 取口r a m 用来缓存下行队列中的数据，并且作准双口读写配置，即左端口 写入数据，右端 】读出数掘。这样可以提高下行数据队列处理速度。 对于c p u 单元，我们选用a r m 9 芯片来处理i s e p o n 系统中的o a m 帧与 m p c p 帧。o a mi l i 贞用来对i s e p o n 进行网络管理。包括o n u 配置、状态与流 量监测、告警和环回测试等。m p c p 帧用来实现p 2 m p 网络结构所必需的多点控 制功能，包括o n u 注册、测距和动态带宽分配。 a r m 单元除了有j t a g 接口作为测试口之外，还具有串行口用于网络管理 配置，网络接口用于远程网络管理。f l a s h 与s d r a m 芯片用于a r m 的配置 和数据存放。 o l t 网络控制：苎片通过g m i i ( o 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 ) 接口连 接到10 0 0 m 以太p h y 芯片，输出的串行差分数据经过电压转换后连接到r j 4 5 接e l 上。上层交换机( 电接1 2 1 ) 可以与其相连。也可以通过1 0 0 0 m 以太p h y 芯 片内部的s e r d e s 将数据送入光纤，与上层交换机( 光接_ i ) 相连。o l t 控制芯 ? 或网络管理芯片( a r m ) 可以通过m d i o ( m a n a g e m e n td a t ai n p u t o u t p u t ) 综台业务无妤光恻o l t 吐哥的圳光 接口史现对1 0 0 0 m 以太? h y 芯片的控制。 在e p o n 端，o i t 控制芯片通过，f 1 3 i ( t e nb i ti n t e r f a c e ) 接t 3 _ 连接e p o n 翠并变换j 占片( s e r d e s ) ，经光收发模块完成光电转换，由一根单模光纤连接光 分配网络后雨连接到各个o n u 。o l t 端的光收发模块需实现连续模式下f | 勺光发 送和突发模式r 的光接收。 2 40 i j t 控制芯片内部功能的设计 o l t 控制芯片( f p g a ) 将会实现i e e e 8 0 23 a h 协议中的物理编码子层( p c s ) ， 删和子层( r s ) 以及m a c 子层的全部或部分功能，具体的功能框图如图2 6 所示。 m l i 帕虫 替换 8 位转 32 位 2 位转 8 位 m a c 垒丧 丑 ：“ 分类 l d 过滤 f 行什 此 8 位转 3 2 位 c r c 8 扯 4 z g ：h 剿篓引墨f h 3 位 i _ 卅涿加f r l 崖送 忑= 五五蔓鹫。矗= 五捌l 一 图26o l t 控制芯片内膏5 功能框图 在上行方向，实现p c s 子层功能的p c s 接收模块把从p o n 网络传来的1 0 b 数据转换成8 b 数据，并检测帧起始码组和l 啧结束码细。完成组帧后送入c r c 8 妆验裢块。 宴现r s 了层功能的c r c 8 校验模块对e p o n 帧头。l j 的l l i d 进行校验5 过 滤。当校验位诈确时，继续向上行方向传递数掘帧否则过滤掉孩帧。 il _ i d 过滤模块主要功能是验证数掘帧的合法性。它会提取e p o n 帧头中的 i , i 。i d 并l - 1l i d 表内部查找，如果查找到，说明该帧是合法的用户数据帧，继 绩阻p 行方1 自传送，西则耕作为j ；法帧过滤掉。 上行分类模块是卜 i 方向对数据处理最重要的一个模块，它有两个功能：数 据帧的分类以及地士| | = 表的操作。恢模块根据类型字段区分数据帧、控制帧以及 o a m 帧。对数据1 1 咬叉提取目的m a c 地址，查找m a c 地址袁，完成地址表的 m 1 ，o 。 一盈 t l rl 洲蓑 湘人学删i 学位沦义 综合业务无源光ho u r 世符的圳究 更新。当浚模块验i 睡0 是组播操作帧时，将会执行组播地址添加等一系列的操作。 帧头替换模块主要用于把i e e e 8 0 2 3 a h 的帧头替换成标准以太网的8 0 2 3 z 帧头，并将其通过g m i i 接口传到千兆核心网。 - 卜行方向，m a c 地址查表模块将会提取上层路由器传来数据的目的m a c 地址，当目臼勺m a c 地址为单播或组播地址时，查找m a c 地址表，如果找到， 在帧头添加所映射的l l i d ，并继续向下行方向传送。否则过滤掉该数据帧。当 目的m a c 地址为广播m a c 地址时，添加广播l l i d 并向下行方向传送。 分类存储模块主要负责将下行数据分类缓存到片外的双口r a m 中。下行仲 裁模块通过以优先级和带宽要求为依据的仲裁，凋度双v ir a m 中n 勺队列，实现 下行数掘的合理传j _ i j i 。 c r c 8 添加模块对先前添加到e p o n 帧头上的l l i d 进行计算，得到c r c 8 校验数掘后添加到帧头中的第8 个字节中去。 p c s 发送模块完成8 b 到1 0 b 码型的转换，同时添加帧起始、结束字符。数 据i 帧转换成标准的t b i 接口。 在实际仿真与测试过程中，发现在使用1 2 5 m h z 作为f p g a 内部模块的工 作时钟吲，比较复杂的操作模块会出现不定态的结果，因此我们使用8 位转3 2 位模块和3 2 位转8 位模块来完成数据位宽转换功能，将o l t 控制芯片核心部分 的处理时钟频率降低为3 1 2 5 m h z 。由于转换时读写时钟频率不同，可以便于内 部模块使用各种异步时钟，如在网络接v 1 部分采用物理层芯片提供的时钟而非系 统时钟束输出数据，使数据处理更加稳定、高效。同时，核一模块中存在有与双 v ir a m 和a r m 的接口，降低内部处理频率的同时也降低了这些接口的工作频 率，从而使得o l t 硬件漫计、布线的要求降低，提高了整个系统工作的稳定性。 在i e e e s 0 23 a h 协议中，同一个p o n 网络中的不同o n u 之间可以交换数据， 也可以实现同一网络下o n u 对于其它o n u 的广播。但出于管理与安全性方面 的考虑，运营商制定的技术要求中，禁i e 同一e p o n 系统内o n u 之间的直接 通信。并强制同一e p o n 系统内o n u 之间的以太包向上联口转发，由其他上 层设备完成交换。因此在o l t 控制芯片设计中，我们不再设计实现上下行数据 交换的功能。 2 5 本章小结 本章对e p o n 系统结构以及e p o n 对多业务的支持进行了描述，包括o l t 的作月j 以及在e p o n 网络中实现c a t v 、i p t v 、语音t d m 业务的方案。同时 给出了本课题研究中所涉及的综合业务以太无源光网的o l t 硬件系统和o u i 控 制j 占片内部模块的框图并对各项功能进行了阐述。 综合业务无源光恻o l t 世备的删f 究 第三章o l t 硬件系统设计与实现 在本章中，将针对上一章所阐述的o l t 系统硬件结构进行具体描述，包括 o l t 控制芯片( f p g a ) 、下行队列存储芯片( 双口r a m ) 、网络管理部分、时 钟与复位系统、千兆网络接口、p o n 光网络系统以及系统电源等。在给出设计 思想和实现方法后，也会给出在硬件功能凋试过程中所使用的部分简单的f p g a 测试程序。 3 1o l t 控制芯片的硬件设计 3 1 1f p g a 芯片介绍 本设计中，o l t 的控制芯片采用a l t e r a 公司的c y c l o n ee p l c 2 0 f 3 2 4 c 6 现 场可编程门阵列( f p g a ) 来实现。该f p g a 基于1 5v 、o 1 3 u r n 层铜s r a m 工 艺，其密度为2 0 0 6 0 个逻辑单元( l e ) ，它具有用于时钟的锁相环以及d d rs d r 和快速周期r a m ( f c r a m ) 存储器所需的专用双数据率( d d r ) 接口等。c y c l o n e 器件支持多种i o 标准，包括6 4 0m b p s 的l v d s ，以及速率为3 3m h z 和6 6m h z 、 数据宽度为3 2 位和6 4 位的p c i i ”i 。 i e e e 8 0 23 a h 协议中的p c s 子层，r s 子层以及m a c 子层的功能由e p l c 2 0 实现，其内部功能框图如图2 6 所示。 3 1 2r a m 资源的使用 c y c l o n e 内部的r a m 块只有m 4 k 一种3 1 ，它可以实现真正双端口、简单双 端口和单端口的r a m ，可以支持移位寄存器和r o m 方式。 设计中，我们会用到m 4 k 作为并行数据位数转换模块的f i f o 和一些功能 中所需要的r o m 存储单元。 3 1 3 锁相环的使用 c y c l o n e 内部有8 个内部全局时钟网络，可以由全局时钟管脚c l k 0 3 、复 用的时钟管脚d p c l k 0 7 、锁相环( p l l ) 或者是内部逻辑来驱动。 c y c l o n e 器件内置晟多2 个增强型锁相环，可给用户提供高性能的叫钟管理 能力t 如频率合成、可编程移相、片外时钟输出、可编程占空比、失锁检测以及 高速差分时钟t 信号的输入和输山等。图31 所示为c y c l o n e 器件内锁相环的原理 框图。 综台业势无源光1 _ o l t 设备的研究 图31c y c l o n e 锁相j 不结构 c y c l o n e 的锁相环电路具有时钟合成功能，内部实际运行的时钟可以不同于 输入的时钟频率。一个p l l 的输出可以驱动两个内部全局时钟网络和一个f 或一 x , j ) i o 管脚。锁相环提供两个比例因子分别为i l l 和