（电路与系统专业论文）10gepon+olt+mac子层的设计实现及系统仿真验证.pdf

引orj 卜 - 。h v l i l i i ir l lif i if l lr i llijlll y 1713 4 5 4 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，论文中不包含其它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。 繇囝鱼日期纱”歹删日 论文使用授权 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：导师签名： 江坯吣 日期：三力莎年5 碉31 日 j 0 - j 摘要 摘要 e p o n 以其组网简单、成本低廉、方便维护、易于扩展、容易升级等优点受到 了电信运营商和电信设备制造商的广泛关注。e p o n 已成为f t t h 最佳解决方案。 但是随着未来越来越庞大的视频、数据业务对高带宽的需求，现有的上下行速率 仅为1 2 5 g 的e p o n 已无法满足带宽要求，所以e p o n 向1 0 ge p o n 平滑演进必将会 是大势所趋。1 0 ge p o n 不仅可以满足未来庞大综合业务数据流对带宽的需求，而 且可以从e p o n 平滑升级，节约运营成本。 本文基于对i e e e 8 0 2 3 a v 的m a c 子层协议及其关键技术的的研究，完成了 o l tm a c 子层的设计实现和1 0 ge p o n 系统级验证。本文设计的m a c 子层实现了 包括1 0 ge p o n 协议规定的m a c 子层和r s 子层两个子层的功能。设计方面根据协 议给出了o l t 的总体设计架构，根据m a c 子层功能需求提出m a c 子层设计实现的 总体框架，主要划分为七大模块：c p u 接口模块、帧发送模块、f c s 域添加模块、 x g m i i 接口模块、以太报文定界模块、f c s 域校验模块和帧接收模块。然后完成了 各个子模块的详细设计方案；验证方面给出了1 0 ge p o n 系统级验证需求，提出了 基于v m m 架构和e s l 模型的详细验证方案，完成了系统验证环境的总体架构和部 分验证组件的设计以及1 0 ge p o n 系统级验证的实现和典型的系统测试用例。 在深入理解协议的基础上，实现协议规定的功能，本文采用自顶向下的设计 方法用v c r i l o g h d l 硬件描述语言完成电路功能的描述。随着电路规模的规模和复 杂度越来越高，验证电路设计的正确性也越来越成为电子工程师关注的焦点和难 点。根据本项目验证需求，本文给出了1 0 ge p o n 系统级e d a 验证的详细方案。e d a 验证架构采取基于v m m 的验证架构，验证策略采用基于e s l 建模的方法。本文给 出了1 0 ge p o n 单元验证和系统验证的策略。基于v m m 验证架构，完成了l o g e p o n 系统验证环境的搭建。文中给出了系统验证架构框图和b f m 、c h e c k e r 验 证组件的详细设计方案。c h e c k e r 实现了自动化验证，包括上下行报文的自动比 对。在验证环境搭建完毕的基础上，本文l o ge p o n 系统验证完成了包括多种速率 下的上下行业务通路仿真以及m p c p 协议通路仿真。支持f p g a 上板测试，模拟l o g e p o n 典型应用场景，完成了单猫上线、多猫上线的发现过程以及1 0 g 1 0 g 对称模 式和1 0 0 1 g q 对称模式下的仿真验证。 关键词：i e e e 8 0 2 3 a v ，1 0 ge p o n ，o l t ，m a c ，e s l 建模，f p g a i l i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hi t sm a i n f e a t u r e s ：s i m p l e f o rn e t w o r kc o m p o s i n g , l o wc o s t ，m a i n t a i n c o n v e n i e n t l ya n de a s yt ou p d a t ea n de x p a n d ，e p o n ( 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 ) h a sw o nh i g h l ya t t e n t i o no fb o t ht e l e c o mo p e r a t o r sa n dt e l e c o me q u i p m e n tp r o d u c e r s a n di tb e c o m et h eb e s ts o l u t i o no ff t t h a st h ev i d e oa n dd a t es e r v i c e sa r eh u g e rt h a n b e f o r e ，s u r e l yi t sr e q u i r e m e n t st o w a r d sb a n d w i d t hw i l lb em o r es e r i o u si nt h ef u t u r e t h ee x i s t i n ge p o nr a t ei s o n l y 1 2 5 g b p s ，w h i c hi s n o te n o u g hf o rb a n d w i d t h ； o b v i o u s l y i ts h o u l db et h el a s tt r e n dt h a t10 ge p o nw i l li n s t e a de p o nt om e e tt h eh i 曲 r e q u i r e m e n t so fe n o r m o u sc o m p o s i t i v eo p e r a t i o n sf o rb a n d w i d t h i na d d i t i o n ，s m o o t h l y u p g r a d i n gf r o me p o nc a na l s or e d u c et h eo p e r a t i n gc o s t b a s e do nt h er e s e a r c ho nt h ep r o t o c o lo fm a cs u bl a y e ri ni e e e 8 0 2 3 a va n dt h e k e yt e c h n o l o g i e so f10 ge p o n ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fo l tm a c s u bl a y e ra n d s y s t e mv e r i f i c a t i o no f10 ge p o ni sc o m p l e t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ei m p l e m e n to f m a cs u bl a y e rh e r em e a n st h a to fm a ca n dr ss u bl a y e r su n d e r10 ge p o n a g r e e m e n t a sf o rt h ed e s i g n , t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fo l ti sg i v e na c c o r d i n gt ot h e a g r e e m e n t a n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h em a ci sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fm a cs u bl a y e r , w h i c hi sd i v i d e di n t os e v e nm o d u l e s ：c p ui n t e r f a c e 、 s e n df r a m em o d u l e 、a d df c sm o d u l e 、x g m i ii n t e r f a c em o d u l e 、d e l i m i t a t ef r a m e m o d u l e 、f c sc h e c k 、r e c e i v ef r a m em o d u l e t h e n , t h ed e t a i l e dd e s i g np r o p o s a lo fe a c h m o d u l ei sc o m p l e t e d a sf o r t h ev e r i f i c a t i o n , t h ev e r i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f10 g e p o ns y s t e mi sg i v e n a n dt h ed e t a i l e dv e r i f i c a t i o ns o l u t i o n sb a s e do nv m ma n de s l m o d e l i n gi sp r o p o s e d t h ev e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h ed e s i g no fp a r t i a lv e r i f i c a t i o n c o m p o n e n ta r ep r e s e n t e di nt h ed i a a e r t a t i o n a tl a s t ，t h es y s t e mv e r i f i c a t i o no f10 g e p o na n ds p e c i f i ct e s t i n ge x a m p l e sa r ei m p l e m e n t e d b a s e do nd e e p l yu n d e r s t a n d i n go fp r o t o c o l ，t h ef u n c t i o n sp r o t o c o ls p e c i f i e sa r e i m p l e m e n t e d ，t h ef u n c t i o n so fc i r c u i t sa r ed e s c r i b e dw i t ht h em e t h o do ft o pt od o w nb y v e r i l o g h d l a st h ei n c r e a s i n go f t h es c a l ea n dc o m p l e x i t yo f t h ec i r c u i t ，v e r i f i c a t i o ni s b e c o m i n gt h ef o c u sa n dd i f f i c u l t ye l e c t r o n i ce n g i n e e rp a ya t t e n t i o nt o a c c o r d i n gt ot h e v e r i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h ed e t a i l e d d e s c r i p t i o n o fs y s t e me d a i i i a b s t r a c t v e r i f i c a t i o no f1o ge p o ni sf i n i s h e di nt h ed i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ev m m v e r i f i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，t h ev e r i f i c a t i o ns t r a t e g yi sb a s e do ne s lm o d e l i n g t h e v e r i f i c a t i o ns t r a t e g yb o t ho fs y s t e mv e r i f i c a t i o na n du n i tv e r i f i c a t i o ni sg i v e ni nt h e d i s s e r t a t i o n b a s e do nv m ma r c h i t e c t u r e ，t h es y s t e mv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n to f10 g e p o ni sf i n i s h e d s y s t e mv e r i f i c a t i o na r c h i t e c t u r ed i a g r a ma n dt h ed e t a i l e dd e s i g no f b f m 、c h e c k e ra r ep r e s e n t e d t h ea u t o m a t i o no fv e r i f i c a t i o ni si m p l e m e n t e db y c h e c k e r ，i n c l u d i n ga u t o m a t i cm a t c h i n go ft h ep a c k e to fu ps t r e a m a n dd o w n s t r e a m a f t e r t h ec o m p l e t i o no fv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n t , t h ed e t a i lo f10 ge p o n s y s t e mv e r i f i c a t i o ni sd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , i n c l u d i n gs i m u l a t i o na n dd e b u g g i n g o fm u l t i r a t ed o w n s t r e a ma n du p s t r e a md a t ap a t ha n dm p c pp r o t o c o lp a t h t os u p p o r t t h ef p g at e s t , s i m u l a t i n gt h et y p i c a la p p l i c a t i o ns e e n a r i o so f10 ge p o n ，t h es i m u l a t i o n a n dd e b u g g i n go ft h ed i s c o v e r yp r o c e s so fs i n g l eo n u 、m u l t i - o n u 、1 0 g 1 0 g s y m m e t r i cm o d ea n d1 0 g 1ga s y m m e t r i cm o d ea r ec o m p l e t e d k e y w o r d ：i e e e 8 0 2 3 a v ，10 ge p o n ，o l tm a c ，e s lm o d e l i n g , f p g a w 目录 目录 第一章引言。1 1 1 项目背景及研究意义1 1 2国内外发展现状1 1 3 本文的主要研究内容一2 第二章 1 0 ge p o n 协议及m a c 子层概述。 2 11 0 ge p o n 系统组成和工作原理简介4 2 1 11 0 ge p o n 体系结构4 2 1 21 0 ge p o n 协议介绍5 2 210 ge p o n 关键技术介绍9 2 2 1自动发现n 距9 2 2 2多点控制协议1 l 2 31 0 ge p o no l tm a c 子层功能需求分析1 2 第三章o l tm a c 子层的设计实现。1 4 3 1设计总体框架描述1 4 3 1 1o l t 总体架构1 4 3 1 2o l tm a c 子层总体架构描述1 5 3 2各子模块功能描述以及设计实现1 6 3 2 1 c p u 接口模块( c p ui n t e r f a c e ) 1 6 3 2 2 帧发送模块( s e n df r a m em o d u l e ) 18 3 2 3f c s 域添加模块( a d df c sm o d u l e ) 2 0 3 2 4 x g m i i 接口模块( x g m i ii n t e r f a c em o d u l e ) 一2 3 3 2 5 以太报文定界模块( d e l i m i t a t ef r a m em o d u l e ) 。2 6 3 2 6 f c s 域校验模块( f c se h e e km o d u l e ) 2 9 3 2 7 帧接收模块( r e c e i v ef r a m em o d u l e ) 3 1 第四章 1 0 ge p o n 系统级e d a 仿真验证 3 3 4 1 验证技术概述3 3 4 1 1 验证的概念3 3 4 1 2 验证基本术语介绍3 3 v 目录 4 1 3验证流程介绍3 4 4 2基于s y s t e m v e r i l o g 语言的v m m 验证架构简介。3 5 4 2 1v m m 验证架构介绍3 5 4 2 2 s y s t e m v e r i l o g 语言基本语法介绍3 7 4 31 0 ge p o n 系统级e d a 验证3 7 4 3 1 1 0 ge p o n 系统级验证需求3 8 4 3 2 验证策略分析3 8 4 3 3 1o ge p o n 系统验证3 9 4 3 4f p g a 综合结果6 l 4 4本章小结6 2 第五章总结及展望。 5 1 总结一6 3 5 2展望6 3 致谢 参考文献 在学期间的研究成果 v i 6 6 缩略语 缩略语 c a t v c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n有线电视系统 b f mb u sf u n c t i o n a lm o d e l总线功能模型 d ad e s t i n a t i o na d d r e s s 目的地址 d b a d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n动态带宽分配 d u t d e s i g nu n d e r t e s t被测设计 e d a e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n电子设计自动化 基于以太网方式的无源 e p o ne 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 光网络 e s le l e c t r o n i cs y s t e ml e v e l电子系统级 f c sf r a m ec h e c ks e q u e n c e帧校验序列 f e cf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n前向纠错 f t r hf i b e rt ot h eh o m e光纤到家庭用户 g m i i 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千兆比媒质无关接口 i p g i n t e r p a c k e tg a p 帧间隔 l l i d l o g j l c a l “n ki d e n t i f i e r逻辑链路标识 l s bl e a s ts i g n i f i c a n tb i t最低位 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒质访问控制 m p c p 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 m p c p d um p c pp r o t o c o ld a t au n i tm p c p 协议数据单元 m s bm o s ts i g n i f i c a n tb i t最高位 o a m o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o n & m a i n t e n a 操作、管理和维护 n e o d n o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k光分配网络 o l t o p t i c a ll i n et e r m i n a l光线路终端 o n u o p t i c a ln e t w o r ku n i t光网络单元 p c s p h y s i c a lc o d es u b l a y e r物理编码子层 p m a p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t物理媒质附a n ( 子层) p m d p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t物理媒质相关( 子层) p o np a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络 v l l 缩略语 p s t n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k公用交换电话网络 剐m r e f e r e n c em o d e l参考模型 r s r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r协调子层 s as o u r c ea d d r e s s源地址 s f d s t a r to ff r a m ed e l i m i t e r帧起始定界符 s n i s e r v i c en o d ei n t e r f a c e业务节点接口 t q t i m eq u a n t u m时间量子 r t tr o u n dt r i pt i m e 往返时间 u n i u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e用户网络接口 u s u p s t r e a m 上行 v m m v e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g ym a n u a l 基于s y s t e m v e r i l o g 的验 f o rs y s t e m v e r i l o g 证方法学手册 v o i pv o i c eo v e ri p i p 语音 x a u i10 g i g a b i ta t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e1 0 吉比特连续单元接口 x g m i i万兆比媒质无关接口 10g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e x s b i10 g i g a b i ts i x t e e n - b i ti n t e r f a c el o 吉比特1 6 比特接口 v l i l 第一章引言 1 1项目背景及研究意义 第一章引言弟一早 j1 日 f t t h 光纤到户【l 】在日本和北美已经规模应用，被业界公认为光通信崛起的最 大动力。近几年在我国也发展非常迅速，f 1 v r h 涉及到光传输系统、光器件等诸多 方面的技术，但是传输设备和技术是其中最为关键的技术，而e p o n 便是实现f 1 v r h 的首选方案。随着用户带宽需求的日益增长，e p o n 必定会向1 0 ge p o n 升级，1 0 g e p o n 的i e e e 正式标准也于2 0 0 9 年已经发布。10 ge p o n 能兼容现有的e p o n 设备， 给用户提供更高的带宽，是未来实现三网( p s t n 、i n t e n e t 、c a t v ) 合一的最佳方案。 因此e p o n 、1 0 ge p o n 将会有广泛的应用前景。 该项目来源于华为海思半导体某光网络芯片f p g a 项目。o l t 作为e p o n 系统 中的局端设备，m a c 层协议【2 】的实现是其关键技术之一，所以m a c 层协议的研究 和实现具有重要意义。本文1 0 ge p o no l tm a c 子层实现了i e e e8 0 2 3 a v 定义的 m a c 子层和m a c 控制子层以及r s 子层的相关内容，包括可配置的f c s 域的添加、 f c s 域的校验、m p c p 帧的发送与解析、e p o n 前导码的添加、l l i d 的匹配、可配 置的对超长超短帧的过滤处理以及支持完成协议规定的发现过程，并且兼容1 0 g 、 1 g 共存。 随着电路规模和复杂度的增加，验证已经越来越成为大规模芯片开发的瓶颈。 特别对这种比较复杂的兼容1 0 g 和1 g 的e p o n 芯片，为了保证芯片功能的正确性， 验证所占的时间几乎消耗了整个项目开发时间的6 0 - - - 7 0 甚至更长。因此为了缩 短芯片开发周期，使产品快速上市占领市场必须采用先进的验证技术和验证语言 和工具以提高验证效率，模拟重现实际芯片应用场景是验证的重点。本文完成了 基于e d a 的仿真验证，验证架构是基于v m m 架构，采用s y s t e m v e r i l o g 语言搭建的 验证环境。 1 2国内外发展现状 e p o n 标准i e e e 8 0 2 3 a l l 已于2 0 0 4 年6 月正式发布【2 】，技术已经非常成熟，在同 电子科技大学硕士学位论文 本、韩国等国家已经大规模商用。1 0 ge p o n 标准i e e e 8 0 2 3 a v 也已经在2 0 0 9 年9 月 发布。e p o n 与以太网兼容 2 1 ，继承了传统以太网灵活性的特点。e p o n 网络结构 采用p o n 的拓扑结构，以其成本低廉、维护方便、易于扩展等特点受到了广大电 信运营商个设备制造商的广泛关注，这更推动了e p o n 的发展，1 0 ge p o n 标准的 发布将会给e p o n 带来广阔的市场应用前景。 目前，我国的宽带业务市场进入快速增长期。宽带业务已经成为电信运营商 重要的收入来源。据市场调查显示【3 】，随着普通上网业务、高清电视、视频业务、 v o l p 等业务的带宽需求日益加剧，未来用户对接入的带宽需求会增加到 2 0 , - - 3 0 m b p s 甚至5 0 1 0 0 m b p s 的带宽。运营商已经意识到现有的网络已越来越无法 满足未来业务的扩展，实现f t t h 是必然的趋势。国内，e p o n 的部署规模已经超 过2 0 0 0 万线，平滑升级的首选方案就是1 0 ge p o n 。中国联通和中国电信已经选择 了e p o n ，是e p o n 最有力的推动者。中国联通在2 0 0 9 年6 月已经启动规模高达11 3 0 万线的e p o n 招标，中国电信早在2 0 0 5 年开始就进行多次e p o n 芯片级的互通测试。 主流电信运营商的密切关注更进一步推动了e p o n 市场的发展和繁荣，也加快了向 1 0 ge p o n 演进的步伐。 国内外主流设备制造商和e p o n 芯片厂商也密切关注者e p o n 的发展，主要的 光接入芯片供应商p m c s i e r r a 和t e k n o v u s 已经推出了自己的1 0 ge p o n 芯片。设备 制造商华为、中兴、烽火通信也已经推出了1 0 ge p o n 设备样机。随着e p o n 产业 链的不断发展成熟和完善，专家预计在未来2 3 年内1 0 ge p o n 将会在国内大规模 部署商用，前景十分广阔。 1 3本文的主要研究内容 从原理上讲1 0 ge p o n 和e p o n 并没有本质的区别。i e e e f l ! j 定1 0 ge p o n 标准 主要集中在物理层和数据链路层，其技术热点依然是m p c p 协议设计实现、动态带 宽分配算法、网络管理以及兼容现有的1 g e p o n 以便未来顺利向1 0 ge p o n 升级。 本文前面已经提到目前国内在中国联通和中国电信的大力推动下，国内e p o n 规模部署已是必然。各大设备厂商和e p o n 芯片厂商也都积极参与e p o n 、1 0 g e p o n 相关技术的研究，部分地区e p o n 已经投入商用，1 0 ge p o n 设备样机也已经 发布。所以e p o n 无论是技术方面还是产业链的完整度，设备成本和价格等都已经 比较成熟，大规模部署是必然趋势。鉴于此，有必要对e p o n 技术和相关协议进行 研究和分析，深入理解和分析e p o n 设计实现上的关键技术以及未来e p o n 产品的 2 第一章引言 发展趋势，对目前面临的问题和将来可能会遇到的技术实现难点进行深入探讨。 以下为本论文后面章节的主要内容介绍： 第二章：1 0 ge p o n 协议i e e e 8 0 2 3 a v 数据链路层协议概述。首先介绍了 e p o n 系统架构、工作原理和应用场景，并简单介绍设计到的关键技术，重点介 绍m a c 子层m p c p 协议，阐述m a c 子层需要实现的功能。 第三章：o l tm a c 子层的设计实现。限于篇幅主要介绍10 g 部分m a c 子层 部分。首先介绍现有的e p o no l tm a c 的实现方案。深入理解1 0 ge p o n 协议， 分析了1 0 ge p o n 新的m a c 子层的功能需求，进行功能模块划分，给出了具体设 计实现方案。 第四章：1 0 ge p o n 系统级e d a 仿真验证。首先简要介绍了v m m 验证架构、 验证工具和验证语言，然后介绍本文所采用的验证策略，最后具体阐述整个1 0 g e p o n 系统级的仿真验证过程。 第五章：总结与展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章 10 ge p o n 协议及m a c 子层概述 2 11 0 ge p o n 系统组成和工作原理简介 2 1 11 0 ge p o n 体系结构 1 0 ge p o n 系统架构和e p o n 一样，主要由三大部分组成：o l t 、o d n 和o n u 。 其d p o l t 位于局端通过s n l l 2 1 与业务节点相连【4 1 ，i n t e l n e t 、p s t n 和c a t v 网络，为 用户提供多种不同的服务；o n u 为用