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硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 摘要 5 7 1 1 1 2 基于异步传输模式( a t m ) 的无源光网络( a p o n ) 系统中的光网络终端 ( o n t ) 作为一个智能的宽带网络终端是实现光纤入户的重要设备。它是a p o n 系统中置于用户家中的多媒体设备，可将图像、语音、数据等不同带宽的业务分 配至家庭的不同终端( 如电视机、计算机、电话等) ，具有类似于机顶盒的功能， 但其所提供的容量和业务质量都优于现有的机顶盒。 本课题源于江苏省高技术研究计划项目，项目代号：b g 2 0 0 1 0 4 6 。文中在讨 论宽带综合业务数据网( b i s d n ) 网络分层模型的基础上，介绍了实现a p o n 系统中o n t 的总体方案功能模块图，并根据协议和o n t 技术要求提出了通道层 硬件电路设计。在该设计中提出了采用了d s p + f p g a 的架构，选用 f i r e s t r e a m y ”1 5 5 g 芯片完成a t m 层和a a l 层功能，利用数字信号处理( d s p ) 技术实现高层业务接口开发，用可编程逻辑门阵列f p g a 来做两者之间的时序配 合的实现方案。最后，在对论述硬件电路设计的基础上，对高速电路设计中出现 的信号完整性的问题进行了分析，用信号完整性分析软件b o r d s i m 进行了仿真， 并完成了电路的连通性调试。 关键词：异步传输模式，无源光网络，光网络终端，通道层 塑堂垡迨塞 垒! 坠! 墨笙主尘! ! 望壅星堡堡皇堕堡生竺窒 ：。 a b s t r a c t o n ti na p o n s y s t e mi s a ni n t e l l i g e n t 谢d eb a n dn e t w o r kt e r m i n a la p p l i a n c e w h i c hc a nm a k et h eo p t i c a lf i b e rc o m et oh o u s e i t sam u l t i m e d i a e q u i p m e n tl o c a t e d i nh o m ea n dc a l ld i s t r i b u t ed i f f e r e n tb a n d w i d t ha p p l i c a t i o n ss u c ha sv i d i o ，v o i c e ，d a t a t oa l lk i n d so ft e r m i n a li nh o m es u c ha s t e l e p h o n e ，c o m p u t e ra n ds oo n i th a s t h ef u n c t i o nl i k es e t - t o p - b o x ，b u ti t sc a p a c i t ya n dq u a l i t yo fs e r v i c ea r eb e t t e rt h a n s e t t o p - b o xe x i s t i n g t h i sp a p e ro r i g i n a t e df r o mt h eh i 曲- t e c hp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c ea n di t s c o d ei sb g 2 0 010 4 6 t h e p a p e r i n t r o d u c e dt h ef u n c t i o n a lb l o c ks c h e m a t i co f r e a l i z i n gt h ew h o l eo n t i na p o nb a s e do nt h en e t w o r km o d e lo fb i s d na n d b r i n g f o r w a r dp a t h l a y e rs y s t e md e s i g na c c o r d i n g t ot h ep r o t o c 0 1 i ta d o p tt h ef r a m e w o r ko f d s p + f p g a ，s e l e c tf i r s t r e a m t ”15 5 gc h i pt oa c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fa t m l a y e r a n da a l l a y e ra n df p g a t of u l f i l lt h ef u n c t i o no f t i m i n gc o o p e r a t i o nb e t w e e nd s p a n df i r s t r e a m “1 5 5 g ，a n du s i n g d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s t e c h n o l o g y t om a k ea i n t e r f a c ew i t ht o pl a y e r f i n a l l y ，w ea n a l y z e dt h ep r o b l e mo fs i g n a li n t e g r i t yi nh i 曲 s p e e d c i r c u i td e s i g na n dm a k eas i m u l a t i o nu s i n gt h es i g n a li n t e g r i t ya n a l y z es o f t w a r e - b o r d s i m ，a n df i n i s h e dt h ec o n n e c t i v i t yd e b u g g i n g k e y w o r d s ：a t m ，p o n ，o n t , p a t h l a y e r 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 1 绪论 1 1 课厦研究背景和国内外发展状况 2 l 世纪是信息社会的时代，由信息技术、信息传送、信息资源所构成的信 息产业将成为生产的力基本要素。社会对信息的需求推动了信息产业的发展，迫 切要求各种专业信息系统共同经过一个信息网络，能使任何人在任何地点、任何 时间，将文本、声音、图像、电视信息传送给在任何地点的任何人，这就是国家 信息基础设施( n i l ) ，由国家骨干电信网( 数字交换网、光纤网、数字微波网、 卫星通信网等) 构成的高速通信网为n i l 提供了高速信息传送的通道。接入网就 是这个通道的“最后一公里”，它主要解决如何将语音、图像，数据等多种业务 综合传送到用户的问题，接入网在通信中占有重要的地位，不仅投资大，而且对 当前及未来业务的发展及网络资源的配置利用有密切的关系。 1 0 0 多年以来，电信网技术已发生了翻天覆她的变化，无论是交换还是传输， 大约每隔1 0 2 0 年就会有新一代的技术和系统诞生。然而这种迅速更新和变化只 发生在电信网的核心一即长途网和中继网部分。而电信网的边缘一即从本地交换 机到用户之间的接入网部分，则主要由于经济的原因几乎没有多大改变，仍然以 模拟双绞线为主，成为电信网全网的发展瓶颈【2 j 。 建立光纤接入系统可以缓解和克服广大用户和通信网之间的“瓶颈效应”， 是实现多媒体通信的关键网络，为信息高速公路的建设和宽带综合业务数字网 ( b i s d n ) 的发展奠定基础。网络宽带化需求推动下，全球光通信技术和建设得到 飞速发展。到2 0 1 5 年，多数发达国家的电信网将基本完成全光纤化的进程，从 而跨入全光网络时代。在此背景下，光接入技术无疑成为热门技术而备受关注。 同时，由于光纤具有极宽带宽、远距离传输能力强、保密性好、抗干扰能力强等 优点，从而，光按入技术成为未来接入网的主要实现技术。 光接入网可分为两大类，即有源光网络( a o n ) 系统和无源光网络( p o n ) 系统。两者的主要的区别在于光配线网中所采用的分( 合) 路设备：前者采用准 同步数字体系( p d h ) 或同步数字体系( s d h ) 的有源电复用设备作为分( 合) 路设备：而后者采用简单的无源光分路器作为分( 合) 路设备。 a o n 系统的主要特点是：存在有源电复用设备造成的传输“瓶颈效应”，且 成本与护费用高：p o n 系统的主要特点则与其相反，即不存在有源电复用设备 造成的传输“瓶颈效应”，故能充分利用光纤的宽带传输特性，同时具有系统成 本与维护费用低、业务透明等一系列优点。由于有这些优点，所以与a o n 相比， p o n 的发展更为迅速，p o n 已由早期的窄带接入p o n 发展到目前的宽带接入 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 p o n 。从承载的内容来分类，p o n 技术主要包括a p o n ( a t mb a s e dp a n s ) 、 e p o n ( e t h e m e tb a s e d p o n s ) 以及g p o n ( g i g a b i t p o n s ) 等。 a p o n a p o n 是f s a n ( 全业务接入网) 组织于2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的， 并将其定为i t u 的标准，即g 9 8 3 协议。a p o n 是结合a t m 多业务多比特率支 持能力和无源光网络透明宽带传送能力的解决方案。它是基于信元的传输系统， 为点到多点的传输系统的复用和多路接入方式提供了良好的基础。 a p o n 提供了非常完备的运行维护管理( o a m ) ，包括误码率( b e r ) 监测、 告警和检测、自动发现和自动测距和下行加密的搅动机制等。现在a p o n 技术 已经比较成熟，目前，北美、欧洲和日本已有产品进入市场，中国的华为和电子 3 4 所( 桂林激光通信研究所) 也有产品问世。 e p o n 由于以太( e m e m e t ) 技术的高速发展，把简单经济的以太技术与p o n 的传 输结构结合起来的e t h e m e to v e rp o n 概念开始引起技术界和网络运营商的广泛 重视。2 0 0 0 年1 1 月，i e e e 组织“以太网最后一公里( e f m ，e 也e m e t f o r t h e f i r s t m i l e ) ”研究组，研究和制定了e p o n 标准。e t h e m e tp o n 最大的优越性在于允 许运营商放弃复杂昂贵的a t m 和s o n e t ( 同步光网络) 器件，从而使网络大为 简化。 e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传输方式。在以太网之上提供多种业务。 但由于以太网的固有机制使得e p o n 难以支持实时的语音和视频业务的q o s 1 8 1 g p o n 在2 0 0 1 年，f s a n 组织开始起草超过1 g b s 速率的p o n 网络标准。速率范 围的设定是基于一个认识：不同服务需求对应不同的系统容量。除了需要支持更 高比特率，f s a n 还需重新考虑所有现行的协议，寻找一个最优化最有效的解决 方案以支持多种服务、o a m & p ( 操作管理、维护和供应) 功能以及可升级能力。 由于f s a n 的努力，使g p o n 成为光按入网一种全新的解决方案一一不但 提供高速的比特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的 数据分维和t d m 流。g p o n 提供1 2 4 4 和2 4 8 8 g b s 的下行速率和所有标准的上 行速率，具有高速宽带及高效率传输的特性。而且它的帧结构不基于任何指定类 型的格式，是基于各种用户信号原有格式( a t m i p e t h e m e t ) 的封装。 旱在相关国际标准出台之前，日本电话电报公司( n t t ) 已于1 9 9 7 年联合 富士通降低一个非标准的a p o n 系统投入商用。随后国际电信联盟( i t u t ) 于 1 9 9 8 年通过了g 9 8 3 1 建议( “支持带宽大于i s d n 基本速率及未来业务的光接 入网”) ：为了使不同设备供应商的设备有更好的兼容性，i t u t 又于1 9 9 9 年通 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 过了g 9 8 3 2 建议( “a p o n 中光网络终端( o n t ) 的管理和接口控制”) 。一些 f s a n 的设备厂家则已在1 9 9 9 年下半年开发出了符合标准的a p o n 系统。2 0 0 0 年我国等效采用了g 9 8 3 1 建议作为通信行业标准y d t 1 0 9 0 2 0 0 0 。 g 9 8 3 1 协议一问世我们课题组就对此进行了前期的踪研究，1 9 9 9 年我们课 题组在国内首先翻译了g 9 8 3 1 协议，开始了接入网方面的调研工作。2 0 0 0 年 在消化和分析g 9 8 3 1 协议的基础上提出了a p o n 系统中的光网络终端o n t 原理样机的功能要求与总体方案架构。2 0 0 1 年以“基于异步传输模式的无源光 网络系统中光网络终端的研制”为题目申报并获得了江苏省高技术研究项目的支 持。 1 2 课题研究内容 本课题按照国际标准1 1 u tg 9 8 3 1 及相关建议对a p o n 系统的规范， 研究解决光网络终端o n t 的各主要关键技术，重点开发具有自主知识产权且符 合国际标准的o n t 的t c 层内核，最终研制出光网络终端的原理样机。 1 3 论文设计任务 开发研制出符合a p o n 系统标准的o n t 原理样机是一综合性、跨学科性的 课题，难度大，涉及面广。在本课题中采用了分层的设计方法，整个o n t 分为 三层：即物理媒介层、t c ( 传输会聚) 层和通道层。本论文所做工作为通道层 硬件电路设计，是该课题的重要组成部分之一，主要阐述了o n t 通道层硬件电 路设计，通道层硬件电路包括a t m 层、从l 层及与高层接口。具体内容如下： 在查阅消化关于a p o n 系统的国内外资料的基础上，确定和细化了总体 设计方案，采用的是d s p + f p g a 的架构。 提出了采用x i l i n xf p g a 来完成时序配含逻辑。 用v h d l 完成时序配合逻辑电路的设计。 完成原理图设计，完成硬件电路的设计。 提出采用音频电路做为高层业务来测试系统 本文在绪论中介绍了接入网的发展情况和趋势，阐明了光接入技术是解决带 宽瓶颈的必然，并绍了无源光接入网的发展情况。第二章中从功能、结构上对 a p o n 系统进行了详细阐述。在第三章中，介绍了研制a p o n 系统中相对独立 的o n t 设备的总体设计和实现方案，并按照这个方案，在第四章中依次分别介 绍了a t m 层芯片模块、数字信号处理器( d s p ) 模块、存贮器模块、和可编程 逻辑模块，最后在第五章介绍了信号完整性的问题和电路的仿真，并介绍了电路 的调试。目前此电路已完成电路连通性的调试，正在进行软硬件联调。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 2 基于a t m 的无源光网络 2 1 无源光网络( p o n ) 宽带接入网是当前网络研究的热点和难点，其目的是要打破网络传输“最后 一公里”的瓶颈。在物理层，无源光网络以其高带宽、高可靠性和几乎无需维护 费用的突出优点成为宽带接入技术的首选也是唯一的方案口】。下面介绍一下p o n 的功能参考配置和应用类型。 2 1 1 无源光网络的功能参考配置 i t u t 建议g 9 8 2 建议提出了一个与业务和应用无关的无源光网络功能参考 配置，如下图2 1 t 4 所示。该功能参考配置描述了构成光纤接入网的功能单元配 置及其连接关系。 参考点s r 和r s 处的接口被定义为i f p o n 。这是一个p o n 特定接口，该接 口支持在o l t 和o n u 之间进行传输的所有必须的协议元素。 图2 1 中从右边给定网络接口( s n i ) 到左边单个用户接口( u n i ) 之间的 传输手段的总和称为接入链路。通常，接入链路的用户侧和网络侧功能有很大不 同，因而是非对称的。从功能上讲，光接入传输系统可以看作是一种用光纤作为 具体实现手段支持接入链路的传输系统。于是，o a n 可以看成是共享同一网络 侧接口且由光接入传 i ； 用户侧接入链路网络侧 图2 1无源光网络功能参考配置 u n i 一用户网络接口：s n i 一业务节点接口；a f 一适配功能： o n u 一光网络单元：o l l 一光线路终端：0 d n 一光配线网 s ：光纤上1 _ i 7 ：于o l t ( _ 卜行) o n u ( 上行) 光连接点( 即光连接器域光分路器) 之后的点 r ：光纤上位丁：o n u ( f , 7 ) o l t ( _ h 行) 光连接点( 即光连接器或光分路器) 之前的点 4 - 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 输系统支持的一系列接入链路。接入链路由一个o l t 、至少一个光配线网 o d n 、至少一个光网络单元o n u 及其适配设施a f 组成，可能包含若干与同一 o l t 相连的o d n 。其中o d n 在o l t 与o n u 之间提供光传输手段其主要 功能是完成光信号功率的分配任务，o d n 是由无源光元件( 诸如光纤光缆、光 连接器和光分路器等) 组成的纯无源光配线网。图2 1 中o l t 的作用是为光接入 网提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经一个或多个o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 之间为主从通信关系。o n u 提供用户侧通往o d n 的接口。 网络侧是光接口，而用户侧是电接口，因此光网络单元需要有光电和电光转换 功能、以及模拟信号的数模和模数转换、复用、信令处理和维护管理功能。其 a f 为o n u 和用户提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在o n u 内，也可 以完全独立。q 3 接口可与电信管理网( t m n ) 相连，t m n 实施对o a n 的操作 管理维护( o a m ) 功能。 2 1 2 无源光接入网的应用类型 o n u 的作用是为光接入网提供远端用户侧接口。其主要任务是终结来自 o d n 的光纤，并为多个单位用户和居民住宅用户提供业务接口。 o n u 位置具有很大的灵活性，既可以设置在用户所在地，也可以设置在配 线点。根据o n u 在光接入网所处的不同位置，可以将o a n 划分为几种不同的 基本应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光纤到楼( f t t b ) 以及光纤到办公室 ( f w ) 和光纤到户( f t t h ) 。各种应用类型如图2 2 所示。 图2 2 无源光接入网的应用类型 f t t c f t t c 是一种双星型网络结构。0 n u 设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒 处，有时也可设置在交接箱处( f t t c a b ) 。此时从o n u 到用户之间( 网络终端 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 n t ) 采用双绞线铜缆。若要传送宽带业务，这一部分还需要高频电缆( 如5 号 缆) 或同轴电缆。f t t c 的主要特点有： a ) 在f t t c 结构中，现有的通信资源仍能利用，可以推迟用户引入线或者 配线部分的光纤投入，具有较好的经济性。 b ) 在这种结构中，预先建设了一条靠近用户的宽带传输链路，一旦有宽带 业务需求，可以很快地将光纤引至用户处。由于光纤已非常靠近用户，可以充分 发挥光纤化的优越性，如易于维护、节省管道空间、传输距离长、带宽大。 c ) 由于f t t c 是一种光缆铜缆混合系统，从维护运行的观点来看仍不够理 想。 f t t b f t t b 是f t t c 的变型，不同之处在于o n u 放置在大楼内( 如居民住宅公 寓，或小企业，事业单位办楼内) ，再经铜缆将业务分送到各个用户。此时的o n u 结合了o l i n 和n t 的功能，称之为0 n t 。f t t b 比f t t c 的光纤化程度更进一 步，因而更适合高密度用户使用。 f t t h 或f t t o 在f t t c 结构中，如果将设置在路边的o n u 换成无源光分支器，将o n u 移到用户家或大企业事业单位用户( 如公司、大学、研究所、政府机关等) 即为 f 砌或f r t o 方式，同样的，此时的0 n u 称为o n t 。 f t t h 是种全光纤网，接入网成为全透明的光网络，因而对传输制式、带 宽、波长等没有任何限制，适于引入新业务，是一种理想的业务传送网络。o n t 安装在用户处，环境条件、供电、维护安装等问题都得以简化。光纤直接通到了 用户，每个用户真正有了宽带网络，b i s d n 的实现才有最终的保证。 2 2 基于a t m 的宽带光接入网 2 2 1b - - i s d n 和a t m 随着信息时代的发展，出现了大量的用户终端业务。每一类业务都对通信网 提出一些新的要求，有的还是未知的要求，这就需要建立一个通用的网络，这个 网络应十分灵活，能以同样的方式来提供所有的这些不同的业务，这个网就是 b i s d n 。 a t m 技术是实现b i s d n 的核心技术。它以分组传递模式为基础，并融合 了电路交换的简单性和分组交换的灵活性，是一种面向连接的快速分组交换技 术。它使用异步时分复用技术，将信息流分割成固定长度的信元。统一的信息单 元的使用，较容易的实现了各种信息流混合在一起的多媒体通信，并能根据业务 类型、速率的需要动态的分配有效带宽。a t m 能够根据需要改变传送速率，按 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 照统计复用的原理进行传输和交换，因此删可以用单一的交换方式，灵活有 效地支持从窄带话音、数据传输到宽带高清晰度电视等分布范围极广的各种业 务。 i t u t 建议1 3 2 1 给出了b i s d n 的协议参考模型。这个协议参考模型已广 泛用于描述基于a t m 的通信实体。如图2 3 【1 1 所示。 该模型由三个平面组成： 用户面：提供用户信息和传送，采用分层结构； 控制面：提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，采用分层结 构： 管理面：提供两种管理功能。面管理功能实现与整个系统有关的管理功 能，并实现所有面之间的协调，面管理不分层；层管理实现网络资源和协议参数 的管理，处理操作维护信息流，也具有分层结构。 图2 3b - i s d n 协议参考模型 协议参考模型包括四种功能：物理层完成信息传输功能；a t m 层负责交换、 路由选择和信元复用：a t m 自适应层( a a l ) 的功能是将各种业务的信息适配 成a t m 信元流；高层则根据不同的业务特点完成高层功能。a a l 层和物理层又 进一步分成几个子层，以便将功能进一步细化。各层及子层功能如表2 1 【6 1 所示。 下面对这些层进行一下简单介绍。 2 2 2 物理层 物理层利用通信线路的比特流的传送功能，实现传送a t m 信元的功能。 物理层由两个子层组成，分别是物理媒介层p m ( p h y s i c a lm e d a i ) 子层和传 输会聚t c ( t r a n s m i s s i o n c o v e r a g e ) 子层。用户网络接口u n i 的物理层由i t u t 的1 4 3 2 建议和a t m 论坛用户网络接口建议描述。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 表2 1b i s d n 协议参考模型子层及其功能 高层协议高层协议功能 会聚子层( c s ) 业务特定( s s ) a a l 公共部分( c p ) 拆装子层( s a r )分段和组装( s a r ) g f c ；信头的产生，校验；信元v p u v c i 翻译：信元复 a t m 用和解复用；信元速率去耦( 未分配信元) 传输会聚子层佰兀遁翠去耦( 空陶儒兀) ：h e c 信头的严生与校验； 物理层 ( t c ) 信元定界：侍输帧适配；传输帧产生恢复 物理媒介( p m ) 比特定时：物理媒介 p m 子层负责在物理媒介上正确传输和接收比特，其中包括比特传送、比特 定位、线路编码和光电转换。其中比特定位是指采用适合于物理媒介传输的波形， 根据需要插入和取出的定时信息并进行线路编码。t c 子层和p m 子层之间交换 的原语的数据单元是带有相应定时信息的连续逻辑比特流或符号流。 当比特流从p m 子层传送给t c 子层时，比特己被识别出来。t c 子层主要 完成5 个方面的功能： 传输帧的产生恢复：根据传输媒介的具体类型，确定传输帧的格式。在发 送端，产生标准的传输帧；在接收端，从传输系统中将传输帧提取出来。 传输帧的适配：在发送端将传输的信元适配到相应传输帧的负载区，在 接收端从传输帧的负载区中提取相应的信元。 信元定界：按照某种算法从连续的比特流中分离出信头。 h e c 信头的产生与校验：在发送端，计算h e c 序列并将其插入信头中； 在接收方向上，检验信头差错。 信元速率去耦：为了使有效a t m 信元和传输系统的有效负载容量适配， 信元速率去耦包括空闲信元的插入和消除。 2 。2 1 3a t m 层 a t m 层和用来传送a t m 信元的物理媒介完全无关，也就是说和p h y 层完 全无关，在介绍a t m 层功能之前，先看一下a t m 技术的基本概念a t m 信 元。 在a t m 中的基本操作单元是固定长度( 5 3 字节) 的信元。其中包括5 字节 的信头和4 8 字节的信元净荷。如图2 4 所示。 所有的信息在a t m 网络上通过这些固定长度信元交换和复用。信元头表示 了目的地、信元字节和优先级。v p i 和v c l 只在一个端口上具有意义。每次在端 到端的连接上交换v c i v p i 值。在路径上经过交换所映射出的v p i v c i 值序列 组成一个端到端的连接，一般流量控制( g f c ) 区允许复用器控制一个a t m 终 b 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 端的速率。网络一节点接口( n n i ) 处与网络用户接口( u n i ) 处的信头稍有不 同，n n i 处的信头没有g f c 区但却将4 b i t 的v p i 区增加到1 2 b i t ，在u n i 处 信头中的v p i 为8 b i t 。 g f c ：一般流量控制p t ：净荷类型 v p i ：虚通道标识c l p ：信元丢失优先级 v c i ：虚通路标识h e c ：倍头差错控制 + ：对于n n i g f c 被用作4 个附加的v p i 比特 图2 4a t m 信元格式 a t m 层利用物理层提供的信元( 5 3 字节) 传送功能，向外部提供传送a t m 业务数据单元( 4 8 字节) 的功能。a t m 业务数据部分( a t m s d u ) 是任意的 4 8 字节长的数据段，它在a t m 层中成为a t m 信元的负载区部分。a t m 层完成 的主要工作包括： 信元的复用和分解：在发送方向，信元复用功能将各虚路径v p 和虚信 道v c 送来的信元给组合成一路非连续的组合信元流。在接收方向，信元分解功 能将非连续的组合信元流的各个信元送往相应的v p 或v c 。 虚路径标识符v p i 和虚信道标识符v c i 的变换：在a t m 交换区域或a t m 交叉节点完成对任意输入的a t m 信元的v p i 和v c i 的数值的变换。 信头的产生和提取：在a t m 层和上层交互位置完成该功能，在发送方向， 信头产生功能从上一层接收信元负载信息，并产生一个相应的a t m 信头，但不 包括信头校验编码h e c 序列；在接收方向，信头提取操作去掉a t m 信元头部， 并将负载区内容提交给上一层。 一般流量控制g f c ：当a t m 层使用该操作时，分配和未分配信元携带 流量控制信息。在a t m 层产生携带这种信息的信元，用于n u i 接口的信元速率 控制【7 j 。 2 2 4 a a l 层 a t m 层提供的只是提供基本的数据传送能力。a a l 层在此基础上，提供更 适合于各种不同电信业务的通信能力。a a l 层可以分成两个子层：拆装予层s a r 和会聚子层c s 。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 2 2 4 1拆装子层s a r s a r 完成的是c s 传送的数据格式和信元负载格式的适配。由于上层应用交 付的数据是和具体应用相关的。信息的长度是不定的，但是a a l 下层a t m 处 理的是统一的a t m 信元，所有s a r 完成的是两种数据格式的适配。具休说是： 信息格式装拆：在发送端，将高层信息拆装到一个适当虚电路上的a t m 信元流中，在接收端执行相反的操作。 a t m 信元负载编号：由于递交给s a r 层的数据单元和具体应用有关， 所以长度一般大于4 8 字节，所以必须对a t m 信元进行编号，可以基于此判断是 否出现信元丢失和信元误插入，并可将出现的消息向上层传送。 a t m 负载字节填充和去除：发送端s a r 子层对数据进行分拆会出现最 后一个负载充不满4 8 个字节，这时候采用字节填充的方法填满负载区，在接收 端作相应的填充字节的移除。 2 2 4 2 会聚子层c s c s 子层的基本功能是对高层的数据进检错纠错处理，对实时业务必须考虑 收发业务时钟的同步。c s 子层位于s a r 子层之上，它又分为两个子层：公共部 分会聚子层( c p c s ) 和业务特定会聚子层( s s c s ) 。 迄今为止。i t u - t 在1 , 3 6 3 中针对不同的业务定义了四种a a l 适配协议：分 别是a a l l 、a a l 2 、a a l 3 4 和a a l 5 。 a a l 层的数据单元变化如下图2 5 所示： 图2 5a a l 层数据单元变化 在图2 5 中可以看出a a l 层数据单元的变化过程。图2 5 中，s a r 子层的 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 主要功能是将来自c s 的c s p d u 分割为a t m 信元信息字段( 长度为4 8 个字节) ， 其逆过程是将a t m 信元信息字段重组为c s p d u ，在实旌拆装的过程中维持 s a r p d u 的传送顺序，提供误码检出与保护功能。c s 位于a a l 的上部，它又 可分为公共部分会聚子层( c p c s ) 和业务特定会聚子层( s s c s ) 。c s 的主要功 能是从a a l 业务层接入点( a a l s a p ) 接收业务数据单元( a a l s d u ) ，将它 作为c s 规程单元( c s p d u ) 的有效负荷，在有效负荷前、后分别加上头部和 尾部构成c s p d u 或其逆过程。 2 3 a p o n 系统概述 采用a t m 信元传输技术的p o n 称为a t m - - p o n ，简称a p o n ，i t u t g 9 8 3 建议己对a p o n 技术进行了详细的规范。 a p o n 系统是一点到多点的系统，它不仅可以利用光纤的巨大带宽资源向用 户提供宽带服务，而且可以利用a t m 技术对宽带业务进行高效管理。 a p o n 系统的应用类型如图2 2 所示，唯一不同的是p o n 系统上传输的是 a t m 业务，也正是因为如此，a p o n 系统的协议参考模型和b i s d n a t m 一样， 从上到下依次为：高层协议、a a l 层、a t m 层和物理层。并且在前面几节所涉 及到的有关a t m 和无源光接入网的概念在a p o n 中都适用，因此，a p o n 系统 可以说是a t m 技术和p o n 系统的嫁接结果。根据g 9 8 3 1 及相关标准对a p o n 系统的规范，结合本课题研究内容，下面从不同方面对a p o n 系统的f t t h 结 构进行综合论述。 2 , 3 1a p o n 的结构 0 o d n i l i t f p 0 1 无源光分路器 图2 6a p o n 的物理结构 如图2 6 所示，a p o n 是由o u 、o d n 和o n t 组成。s n i 为业务节点接口， 可接入的业务有：不对称宽带业务，主要包括数字广播业务、视频点播( v o d ) 、 互联网、远程教学、远程医疗等；对称宽带业务，主要包括小商业客户的电信业 务、远程咨询等；以及p s t n 和i s d n 业务等。另外接入网可在适当的时候以灵 活的方式提供窄带电话业务。正因为此，a p o n 在u n i 用户网络接口处可为用 户提供各种带宽的业务，例如视频点播、互联网业务、电话业务等。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 2 3 1 1 o l t 的功能 o l t 提供与o d n 之间的光接口，应至少提供o a n 网络侧一个网络接口。 o l t 可以位于交换局内，也可以位于远端。o l t 提供传送到o n t 所需各种业务 的手段。 o l t 由3 部分组成：定义为核心层、业务层和公共层，如图2 7 所示。 图2 7o l t 功能图 2 3 1 2o d n 的功能 o d n 为o n t 和o l t 的物理连接提供光传输媒质。能够组合多个o d n 并且通过使用光放大器来延长传输距离和扩大服务的用户数。图2 7 给出了一个 o d n 的一般物理配置。 s rr s o d n o o r 表示o n t 和o d n 之间的光接口 o l 表示o l t 和o d n 之间的光接口 s 瓜为参考点 图2 8o d n 的一般物理日0 i o d n 利用各种无源元件( 光纤、光分路器、波分复用器和光连接器等) 在 一个o l t 和一个或多个o n t 之间提供一条或多条光通道。每条光通道在特定波 长窗口内被定义在参考点s 和r 之间。当o d n 重新配置需加入连接器或其它无 源光器件时，这些器件必须加在s 点和r 点之间，而且，在所有的光损耗计算 中这些器件的损耗也都应考虑到。 在o d n 内光传输的两个方向被定义为： 下行信号方向从o l l 传至o d n ( s ) ； 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 上行信号方向从o d n ( s ) 传至o l t 。 下行和上行方向的光信号传输可以在同一根光纤和器件中双向传输，也可以 在两根光纤和器件中分别单向传输。 2 3 1 3 o n t 的功能 o n t 是a p o n 系统中置于用户家中的多媒体终端，在家庭的各个终端与外 界进行交互通信的过程中起着桥梁作用。它实现了将图像、语音、数据等不同带 宽的网络业务接入家庭的各终端( 如电视机、计算机、电话等) 的功能。 o n t 提供i f m n 至o l t 以及i f p o n 至u n i 的接口，也主要由3 部分组成： o d n 接口功能、用户端口功能以及传输、业务和用户复用功能，如图2 8 所示： 用户 业务层核心层 圆圈 豳雁r 忑 + o d n 图2 9o n t 功能图 o d n 接口用于控制光电转换过程。o d n 接口从下行p o n 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 信元插入上行p o n 净荷。 复用功能将业务接口复用进o d n 接口。用户端口提供u n i 至终端的接口。 o n t 和o l t 通过p o n 共同提供在u n i s 和s n i 之间的a t m 透明传送业务。 2 3 2 a p o n 的主要特性 2 3 2 1与p o n 相关的特性 p o n 有其独特的优点，能最大限度的减少网络中电子器件的数量，从而一 旦投入使用便能保持很低的维护和功耗的费用。 a p o n 系统中一根光纤可被6 4 个用户共享，与点对点系统相比一方面节省 了光纤，另一方面也大大减少了o l t 端的接口数。同时，随着生产规模的不断 扩大，近几年来光电器件和网络设备的价格也呈稳定下降的趋势。于是，从长久 的利益来看，p o n 接入是最具经济性的。 另外，信号在p o n 中透明地传输，独立于业务，且有光纤极宽带宽的保证， 便于新业务的加入和整个系统的升级。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 2 3 2 2 与a t m 相关的特性 在a t m p o n 中，所有的上下行业务都是由a t m 信元传送的，这就决定了 a t m p o n 所提供业务的如下特性： 多重业务质量( q o s ) 保证等，q o s 在以其它形式传送的网络中往往是 得不到很好的保障的： a t m 能够以低的时延和时延变化提供确定带宽的连接，这使得对时间敏 感的一些业务能应用于a t m p o n 网络中； a t m 的统计复用适用于i n t e m e t 接入和高速数据传送等突发业务。 2 3 3a p o n 的光网络分层结构 与其他现代网络技术一样，a p o n 网络是分层的，其分层基于g 9 8 2 ，可以 分为物理媒介层、t c 层和通道层，并且各层分别完成不同的功能。表22 给出 了a p o n 分层结构功能的示例。 表2 2a t m - p o n 网络的分层结构 通道层参见1 7 3 2 适配子层参见1 7 3 2 测距 信元时隙分配 传输媒介层t c 层 带宽分配 注：传输媒介层 p o n 传输子层私有性和安全性 必须提供相关的 帧定位 o a m 功能 突发同步 比特字节同步 e o 适配 物理媒介层波分复用 光纤连接 通道层对应于b i s d n 协议中的a t m 层，具体功能的描述由1 7 3 2 规范。光 网络分层结构模型和图2 - 3b i s d n 模型一样，通道层之上应是a a l 层，a a l 层之上是高级层协议，这里没有给出。传输会聚t c 层分为p o n 传输子层和适 配子层，它对应于图2 3b i s d n 的传输会聚子层。p o n 的传输子层终结了所要 求的o d n 传输功能，p o n 的特定功能也在p o n 的传输子层终结。按照g 9 8 3 1 ， 物理媒介层和t c 层组成了传输媒介层【5 l 。 2 4 小结 本章从p o n 系统功能和结构的概念入手，进而引出了基于a t m 的p o n ( a p o n ) 系统的概念，并对其协议参考模型、应用类型和分层的结构等内容进 行了详细的介绍。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 3 o n t 的整体方案 3 1 o n t 整体设计思想 a p o n 系统中f t t h 的应用方式是真正意义上实现光纤入户，它是实现用户 接入网的最终发展目标。本章主要介绍了研制o n t 这一a p o n 系统中相对独立 的设备的设计思想及整体实现方案。o n t 在a p o n 系统中的位置如2 3 1 节的图 2 6 所示，它综合了图2 1 中o n u 和a f 模块的功能。 本课题结合o n t 的网络分层概念，提出了o n t 的分层设计方案。根据o n t 的功能层面不同把0 n t 的信号处理分为三个部分来完成：即物理媒介层、t c 层 和通道层( a t m 、a a l 层及与高层接口) 。o n t 各层功能相对应的信号处理的 过程如图3 1 所示，下面对各层完成的功能进行具体说明。 图3 1o n t 各层功能相对应的信号处理 物理媒介层所需完成的功能 物理媒介层为o n t 设备提供了最底层的物理链路，它的功能主要包括接收 由o l t 通过光纤向下传输的1 5 5 0 n m 光脉冲信号，将其透明地转换成电脉冲信号， 并传送给t c 层；接收由t c 层向上传输的电脉冲信号，将其透明地转换成1 3 1 0 n m 的光脉冲信号，并通过同根光纤向上传输给o l t 。 图3 2 为o n t 的物理媒介层实现原理框图 物理媒介层 刊光发射器卜 爿圆篙1 3 1 赢0 n m 纤l t c 层 a 主 剖光接收器p o i _ j 图3 , 2o n t 的物理媒介屡实现原理框图 t c 层所需完成的功能 根据i t u t g 9 8 3 1 ，t c 层又可分为p o n 传输子层和适配子层( 可选功能) 。 硕士学位论文a p o n 系统中o n t 通道层硬件电路设计研究 p o n 传输子层的功能为：比特字节同步、突发同步、帧定位、私有性和安全性、 带宽分配、信元时隙分配和测距【2 】。由于a p o n 系统下行信号为连续的信元，光 网络终端的p o n 传输子层便不存在突发同步的问题。比特同步功能可用的数据 时钟恢复专用集成芯片实现。带宽分配、信元时隙分配的功能主要由o l t , 完成， 但光网络终端需对带宽和时隙分配做出相应的响应。测距功能由o l t 和o n t 协 同完成。图3 3 为t c 层的功能框图。 图3 3t c 层功能框图 注：图中的实线为数据信号，虚线为控制信号 t c 层从信号流向上，很清晰的分为两路。一路为下行，即o n t 处理0 l t 送来的信号并送至用户终端：一路为上行，即o