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浙江工业大学硕士学位论文 g p o n 系统中o n u 的研究与硬件设计 摘要 随着通信技术的发展，骨干网和局域网取得了巨大的发展，而连接骨干网和用户的接 入网却发展缓慢，成为信息高速公路发展的瓶颈。在有线接入领域，由于光纤的宽带优势， 无源光网络( p o n ) 技术有着良好的市场前景。g p o n 作为一种旨在实现全业务接入的宽 带接入技术，相对于其它p o n 技术，在带宽能力、安全性和可管理性等方面具有更大的 优势，被业内人士公认为是宽带接入网的最佳解决方案之一。 o n u 作为g p o n 系统中面向用户端的核心单元，其实现技术和成本将直接影响到光 纤用户的承受能力，从而影响到g p o n 技术的发展和应用前景。因此，对o n u 的研究具 有重要意义。 本文首先概述了宽带接入网的现状和发展趋势，介绍了p o n 的发展史并比较了目前 三种主流p o n 技术，指出g p o n 的技术优势和发展前景。其次研究了i t u - tg 9 8 4 规范的 g p o n 光接入系统，分析了g p o n 系统的网络结构和协议分层结构，在此基础上探讨了 g p o n 系统各层功能、工作原理和关键技术。本文重点部分是o n u 系统的硬件设计与实 现。通过对o n u 分层结构和各层功能分析，提出了基于f p g a + m p u 架构的o n u 系统 的硬件设计方案，将o n u 系统分为物理媒介层、g t c 层、用户接口和管理控制平面四个 部分。通过市场调研，选取最合适的器件，然后从核心芯片的工作原理和外围设备入手介 绍了各个子模块的功能与电路实现，分析了系统中高速差分接口互连的设计原理，并采用 0 r c a d 、a l l e g r o 电路设计工具完成o n u 系统原理图和p c b 设计。最后，本文结合自己 设计实现o n u 系统的实践经验，总结了几点关于p c b 设计中的注意事项，并采用c a d e n c e 软件中的信号完整性仿真设计工具s p e c c t r a q u e s t 对系统中的关键信号进行仿真，分析了 0 n u 系统的调试过程。 关键词：吉比特无源光网络，光网络单元，接入网，现场可编程逻辑门阵列，l v d s 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dh a r d w a r ed e s i g no fg p o n o n us y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，b a c k b o n en e t w o r ka n dl o c a la r e a n e t w o r kh a v em a d ee n o r m o u sd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h ea c c e s sn e t w o r kw h i c hc o n n e c t st h e s l l b s c r i b e r sa n db a c k b o n en e t w o r kh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h ei n f o r m a t i o nh i g h w a y i nt h e f i e l do fw i r e ds o l u t i o n s ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) h a sg o o dm a r k e tp r o s p e c t sb e c a u s e o fi t s b a n d w i t hc a p a c i t y a sab r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kw i t ht h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gf u l ls e r v i c e a c c e s s ，g p o nh a sg r e a t e ra d v a n t a g e i nb a n d w i t hc a p a c i t y ，s e c u r i t ya n dm a n a g e a b i l i t yc o m p a r e d t oo t h e rp o nt e c h n o l o g i e s g p o nh a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h eb e s ts o l u t i o nt o t h e b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k a st h ec o r em o d u l eo fg p o ns y s t e mo r i e n t e du s e r s ，t h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o s to fo n ua f f e c tt h ea f f o r d a b i l i t yo fu s e r sd i r e c t l y , a n da l s oa f f e c tt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t so fg p o nt e c h n o l o g y ，s oi ti sm e a n i n g f u l t os t u d yo n us y s t e m f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fp o n ，t h e nc o m p a r e so ft h r e ep o n t e c h n o l o g i e sa n dp o i n t so u tt e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t so fg p o n s e c o n d l y ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg p o no p t i c a la c c e s ss y s t e ms p e c i f i e db yi t u tg 9 8 4 ，a n a l y s e st h e n e t w o r ks t r u c t u r ea n dl a y e r dm o d e lo fg p o ns y s t e m ，t h e nd i s c u s s e se a c hl a y e r sf u n c t i o n ， w o r k i n gp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fg p o ns y s t e m t h em o s ti m p o r t a n tp o r to ft h i sp a p e r i sh 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 fo n us y s t e m c o m b i n e dw i t ht h en e t w o r kl a y e r e d s t r u c t u r ea n de a c hl a y e r sf u n c t i o n so fo n u ，t h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo fo n u b a s e do n f p g aa n dm p ui sp r o p o s e d t h eo n us y s t e mc o n s t i t u t e so ff o u rp a r t s ：p h y s i c a lm e d i a d e p e n d e n t ( p m d ) l a y e r ，g t cl a y e r ，u s e ri n t e r f a c ea n dm a n a g e m e n tc o n t r o lp l a n e a c c o r d i n g t om a r k e tr e s e a r c h ，s e l e c t st h em o s ta p p r o p r i a t ed e v i c e ，e l a b o r a t e st h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e a n dt h ea p p l i c a t i o nc i r c u i t ，t h e na n a l y s e st h ed e s i g np r i n c i p l eo fh i g h s p e e dd i f f e r e n t i c a l i n t e r f a c ei n t e r c o n n e c t i o n ，c o m p l e t e ss c h e m a t i ca n dp c bd e s i g no fo n us y s t e mw i t ho r c a d a n da l l e g r o c o m b i n e dt h ep r a c t i a le x p e r i e n c eg a i n e df r o mt h i sp r o j e c t ，af e wn o t e so fp c b d e s i g na r es u m m a r i z e d ，a n dt h ek e ys i g n a l so fo n u s y s t e ma r es i m u l a t e db ys i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i o nt 0 0 1 s p e c c t r a q u e s t a tt h el a s to ft h i sp a p e r , t h ed e b u g g i n gp r o c e s so fo n us y s t e mi s 浙江工业大学硕士学位论文 a n a l y s e d k e yw o r d s ：g p o n ，o n u ，a c c e s sn e t w o r k ，f p g a ，l v d s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 峰 & 日期：卅年厂月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 峰! 汲 戋八吃 v 日期：碲1 - 月矽e 1 日期汕0 9 年 r 月2 , o 日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 宽带接入网的技术与现状 随着信息技术的飞速发展和i n t e r a c t 的普及，以i p 为代表的数据业务快速增长，用 户对带宽的需求越来越高，电信业务正逐渐从以传统的电话为主的窄带业务向集语音、 高速数据和可变视频为一体的多媒体宽带业务方向发展【。w d m 、d w d m 等技术的应用， 将核心网的带宽提高到t b p s 的数量级，全球主干网已基本实现光纤化、数字化、宽带化。 与之相反，与用户联系最密切的接入网却由于技术、设备、成本等因素，发展缓慢，接 入速率依旧停留在m b p s 。传统的铜线接入已经不能满足人们对信息的多样化需求，“最 后一公里”的接入部分已成为制约电信发展的瓶颈问题【2 3 】。如何以经济的手段解决各种 业务的快速接入的问题成为当今热门的研究课题。 大致来说，当前宽带接入解决方案有如下几种【4 5 】：改造传统的电话用户线，数字化 并提高带宽，称之为数字用户线( x d s l ) 技术；改造有线电视网，部分光纤化，使之具 备双向传输能力，称之为混合光纤同轴网( h f c ) ；直接敷设光纤，为用户提供高带宽的 光接入，这是光接入网( o a n ) 技术：还有一类是无线接入，可以作为有线接入的补充。 宽带接入的基本技术如图1 1 所示。 图1 1 宽带接入的基本技术 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) x d s l 接入技术【6 】。x d s l 是一种旨在通过现有的普通电话线路传输速率高达几兆 比特的数据、话音及视频信号的技术，主要包括高比特率的用户数字环路( h d s l ) 、非 对称用户数字环路( a d s l ) 和甚高比特率的用户数字环路( v d s l ) 。所有d s l 技术均 基于现有的普通铜芯电话线路，采用各种高速调制和编码技术提高传输带宽。 ( 2 ) 无线接入技术【7 1 。无线接入技术是指从交换节点到用户终端部分或全部采用无线 方式，包括移动无线接入和固定无线接入。移动无线接入是指用户端可以在较大的范围移 动的通信系统接入技术，如蜂窝系统、移动卫星通信系统。固定无线接入能把有线方式传 输的信息用无线方式传输到固定用户端或相反传输的通信系统，即无线本地环路技术。 ( 3 ) 混合光纤同轴网【8 】。h f c 是指改造原有的c a t v 同轴电缆网络，使之部分光纤化 并具备双向传输能力，在中心点到光电转换节点之间采用有源光纤接入，而光电转换节 点到用户用同轴电缆接入。除c a t v 业务外，h f c 还可以提供语音、数据和其它交互型 业务。 ( 4 ) 光接入网e g , l o 】。光接入网是以光纤为传输介质，并利用光波作为光载波传送信号 的接入网。光纤技术具有频带宽、容量大、衰减小、抗干扰性强、可提供多种业务，特 别是宽带交互型业务等一系列特点，因而成为用户接入网的主流。目前主要有三种应用 形式：光纤到家庭( f t t h ) 、光纤到路边( f t t c ) 和光纤到大楼( f t t b ) 。 从系统配置上，光接入网可分为无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) ，参考配 置参见图1 2 。无源光网络在o l t 和o n u 之间没有任何有源电子设备，对于各种业务呈 透明状态，易于升级扩容，便于维护管理。 图1 - 2 光接入网参考配置 浙江工业大学硕士学位论文 有源光网络中，用有源设备和网络系统( 如s d 环网) o d t 代替无源光网络中的o d n ， 传输距离和容量得以增加，易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性较大。不足之处是 有源设备需要机房、供电、维护等，增加了安装成本和运营成本。 总体上看，目前的接入网仍然主要是铜缆网，约占9 4 左右，携带的业务主要是电 话业务。但是铜缆网的故障率很高，维护运行成本也很高，仅美国贝尔电话运营公司每 年用于其用户铜缆网维护运行和满足新用户增长要求的花费就达3 0 亿美元。x d s l 和h f c 技术分别对传统电信网和有线电视网的用户接入部分进行改造，从近期看，具有一定的 性价比优势，但从长远来看，它们只是过渡性的解决方案。虽然无线接入也有一定的优 势，但限于带宽，只能作为有线接入的有益补充。由于光纤的带宽优势，光纤接入方式 必然成为宽带接入网的最终解决方案。而光接入网中的p o n 系统由于较低的接入成本， 受到很多电信主管部门和运营部门的重视，成为f t t h 的理想解决方案。无源光网络发 展到现在，主要有三种技术，分别为a p o n 、e p o n 和g p o n ，本文下面对这三种无源光 网络技术进行简单说明。 1 2p o n 技术的发展与比较 1 2 1 无源光网络的发展 p o n 的概念最早是由英国电信公司的研究人员于1 9 8 7 年提出，主要是为了满足用户 对网络灵活性的要求。由于p o n 中不包含任何有源器件，价格低，安装维护方便，所以 p o n 技术成为光接入网技术中的热点，发展十分迅速。 全业务接入网联盟( f s a n ，f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ) 于1 9 9 5 年提出a p o n 的 概念，采用a t m 作为传输协议【】。最初a p o n 支持的速率为1 5 5 m b i t s ，并且被i t u t 批准为g 9 8 3 标准。后来a p o n 得到加强，支持的速率可以达到6 2 2 m b i t s ，即l t u t 随 后批准的( 3 9 8 3 系列协议标准，其中还引入了动态带宽分配( d b a ) 和保护机制。a p o n 将a t m 的多业务、多比特速率能力和统计复用能力与p o n 的透明宽带传输能力结合起 来。a p o n 虽然有良好的a t m 的服务质量继承，但是由于a t m 过于复杂以及传输速率 较低，对l p 和e t h e r n e t 的支持率不高，所以并未投入实用。 为了提供适合多种环境下的i p 业务，o n u 需要进行复杂的协议转换，r 难以提供高 带宽来满足突发性的光传输和接入需求的缺陷口益明显。2 0 0 0 年1 1 月i e e e 成立了8 0 2 3 e f m ( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e ) 工作组，提出了e p o n i 眨】。e p o n 将e t h e m e t 技术与p o n 浙江工业大学硕士学位论文 技术结合起来，其目标是用最简单的方式实现一个点到多点结构的吉比特以太网光纤接 入系统。e p o n 属于i e e e 以太网标准的范畴，对于向全口网络过渡是一个很好的选择。 e p o n 的主要优点是消除了a t m 和s d h 层，降低了初始成本和运行成本，可以大量采 用以太网技术成熟的芯片，实现和维护简单，相对成本低，容易扩展和升级。e p o n 的主 要缺点是总体效率较低，难以支持以太网之外的业务，当遇到话音和t d m 业务时，就会 引起q o s 问题。 随着a p o n 的逐渐淡出以及用户对带宽的要求越来越高，2 0 0 1 年f s a n 开始了对吉 比特以上速率的p o n 研究。除了对更高比特速率的支持外，f s a n 努力寻求一种更快的、 支持全业务的、效率更高的解决方案。至今，已经通过了q 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 、g 9 8 4 4 标准。g p o n 具有前所未有的高比特速率，能以原有格式和极高的效率传送多种业务。 g p o n 可以提供1 2 4 4 g b i t s 和2 4 8 8 g b i t s 的下行速率和i t u t 规定的多种标准上行速率， 可以灵活地提供对称和非对称速率，传输距离至少达2 0 k m ；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组和t d m 流；具有o a m & p ( 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 n c ea n dp r o v i s i o n i n g ) 功能和可升级能力【1 3 】。2 0 0 3 年底已有完整的g p o n 样品出 现在市场上，g p o n 通过为用户提供高效的业务承载模式和高达吉比特的带宽传输能力， 将成为f t t p f t t h 中更为完善和先进的解决方案。 1 2 2 三种主流p o n 技术的比较 表1 1 列出了a p o n 、e p o n 和g p o n 的技术参数性能比较。 表1 - 1a p o n 、e p o n 和g p o n 的技术参数性能比较 a p o n e p o n g p o n 相关标准1 t u tg 9 8 3i e e e8 0 2 3 a hi t u tg 9 8 4 下行线路速率( m b i t s ) l5 5 5 2 6 2 2 0 81 2 5 01 2 4 4 1 6 2 4 8 8 3 2 l5 5 5 2 6 2 2 0 8 上行线路速率( m b i t s ) 1 5 5 5 21 2 5 0 1 2 4 4 1 6 2 4 8 8 3 2 线路编码 n r z8 b 1 0 bn r z 分路比( 在传输汇聚层)3 23 2 6 46 4 1 2 8 5 3 1 5 1 8 字节的可 数据包大小5 3 字节1 5 1 8 字节 变长度 传输层使用的协议 a t mi p e t h e m e ta t m g e m t c 层支持的最大逻辑传 送距离( k m ) 2 01 0 或2 06 0 q o s 可靠不町靠 可靠 浙江工业大学硕士学位论文 t d m o v e r t d m 支持能力t d mo v e r a r mt d mo v e re t h e m e t a t m p a c k e t 下行数据流加密扰码或a e s 无定义 a e s 升级容易程度困难一般一般 用户侧成本高低 较高 网络侧成本高低 较高 技术成熟度成熟 成熟不成熟 总体效率( 1 0 t d m ， 9 0 d a t a ) 7 l 4 9 9 3 从表1 1 可以看出，相对于a p o n 和e p o n ，g p o n 具有明显的技术优势f 1 1 , 1 4 ： ( 1 ) 承载i p 业务效率高。在与i p 网络连接时，a p o n 需要进行a t m 协议和i p e t h e m e t 协议之间的转换，支持i p 业务比较复杂。e p o n 由于采用和i p e t h e m e t 一样的以太网协 议，不需要进行协议转换。而g p o n 则是用g e m 封装格式对各种协议进行“透明的封 装传输”，较之以太网的m a c 帧，g e m 帧没有前同步码、帧开始、帧结束标识符，也 无须再封装客户信号时加入填充字节。同时，g e m 的净负荷区范围为0 - - 6 5 5 3 5 字节，而 每个以太网m a c 帧可用来装载客户数据的区域为4 6 1 5 0 0 字节，相比之下，单个g e m 帧比单个以太网m a c 帧具有更灵活、更强大的装载能力，这些特点使得传输g e m 帧 时的非净荷开销要远远小于传输以太网m a c 帧时的开销。 ( 2 ) 支持实时业务能力强。话音至今仍是运行商的主要收入来源，a p o n 和g p o n 支 持语音实时业务的能力强于e p o n 。e p o n 标准是以现有的i e e e 8 0 2 3 协议为基础发展的， 它继承了以太网在数据传输方面的优异性能，由于以太网在处理语音、视频等实时业务 时的先天不足，为实现综合业务，e p o n 标准必须附加很复杂的q o s 保证机制。g p o n 采用的标准1 2 5 u s 周期的g e m 帧能对t d m 语音业务提供直接支持，无论是低速的e l t 1 还是高速的s t m o c 3 ，都能以它们的原有格式传输，这极大地减少了执行语音业务的时 延和抖动。因此，g p o n 是一种简单、高效、全业务的接入网解决方案。 ( 3 ) o a m & p 功能强大。a p o n 能提供丰富完备的o a m 功能，但带宽有限，数据传 送效率低，系统复杂。g p o n 借鉴a p o n 中p l o a m 信元的概念，实现全面的运行维护 管理功能，使g p o n 作为宽带综合接入的解决方案可运营性非常好。 ( 4 ) 系统配置灵活。目前，a p o n 的上行和下行速率都可达到1 5 5 m b i f f s ，非对称应 用下行方向的数据率可达到6 2 2 m b i t s ，用户接入速率可以从6 4 k b i t s 到1 5 5 m b i t s 间灵 活分配，传输距离为2 0 k i n 。e p o n 仅仅支持一种速率，即上下行对称的1 2 4 4 g b i t s 。g p o n 可以支持6 2 2 m b i t s 、1 2 4 4 g b i t s 和2 4 8 8 g b i t s 上下行对称速率，及2 4 8 8 g b i t s 和 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 4 4 g b i t s 非对称速率，其非对称特性更能适应f t t h 宽带市场。g p o n 允许网络提供 者根据实际的需要配置速率，而e p o n 无法做到这一点，a p o n 虽然配置的速率也较丰 富，但是提供的带宽有限。g p o n 支持的传输距离可超过2 0 k m ，支持的用户分支数最多 能达到1 2 8 路。 1 3 g p o n 目前国内外发展 目前，全球的电信运营商主要采用e p o n 和g p o n 技术来建设光纤接入网络【1 5 】。市 场调查机构h e a v yr e a d i n g 今年发布的全球光纤入户( f t t h ) 技术和市场发展报告预计， 到2 0 1 2 年全球5 的家庭将实现f t t h ，g p o n 技术将在未来几年内有望成为f t t h 的主 导技术，f t t h 用户总数有望从2 0 0 0 万增至9 0 0 0 万。 从g p o n 的应用地区来看，首先开始大规模部署g p o n 的地区将是北美，因为那里 有很好的b p o n 基础。北美f t t h 用户发展十分迅速，2 0 0 7 年f t t h 的用户增长率为 1 1 2 ，超过2 0 0 万户，居全球首位【i s a 6 。截至2 0 0 9 年3 月，北美f t t h 网络用户已经达 到4 4 0 万户。由于g p o n 更适合北美多b p o n 组网的网络结构，所以a t & t 、v e f i z o n 等 主流北美运营商，以及爱立信和阿尔卡特朗讯等设备商对g p o n 都给予了足够的支持。 2 0 0 6 年北美主要的电信运营商a t & t 、v e r i z o n 、q w e s t 都进行了g p o n 技术和设备选型， 并与2 0 0 8 年规模引入g p o n 设备。 从2 0 0 7 年开始，西欧的主流运营商，如西班牙t e l e f o n i c a 、法国电信、英国电信和意 大利电信，相继开始测试和试验f t t h 。截至2 0 0 8 年年底，欧洲f t t h 用户数量已经接 近2 4 0 万户。据咨询公司i d a t e 估计，随着欧洲各国的主流运营商相继部署f t t h ，到 2 0 1 2 年，欧洲f t t h 的用户数至少有1 1 0 0 万。而t e l e f o n i c a 、法国电信、英国电信、意 大利电信这些主流运营商都毫无例外选择g p o n 技术作为其末端光纤接入的手段。 日本和韩国是f t t h 发展最好的国家，n t t 和韩国电信均可向用户提供l o o m b i t s 的 接入速率。据预测，日本的f t t h 用户数在2 0 0 9 年3 月底将达到1 5 7 5 万户，2 0 1 0 年3 月底将会达到1 9 8 0 万户，2 0 1 1 年3 月末将达到2 4 3 0 万户。中国电信在2 0 0 8 年确立了 e p o n 先行g p o n 跟进的f t t x 发展策略，在2 0 0 8 年e p o n 取得了多达4 0 0 万线的发展 情况下，中国电信在2 0 0 8 年底发出了g p o n 技术标书，烽火、华为、中兴和上海贝尔阿 尔卡特最终分得2 3 0 0 线的首标。2 3 0 0 线将分别在北京、上海、武汉和杭州做试点【1 7 】。 g p o n 由于标准门槛高，商用j 卷片推出较晚。存j 芯片厂商方面，b r o a d l i g h t 公司一直 走在前列。2 0 0 5 年b r o a d l i g h t 公司宣布了针对g p o n 标准的系统单芯片( s o c ) 策略， 浙江工业大学硕士学位论文 并最先推出了一款g p o ns o c 芯片b l 2 0 0 0 ，同时推出了一种采用b l 2 0 0 0 的完整e 2 e g p o n 解决方案，面向注重成本的o n t 应用。随后，b r o a d l i g h t 公司又推出了面向高性 能多住户单元( m d u ) 和多租户单元( m t u ) 应用的b l 2 3 4 0g p o no n t 解决方案。亚 旭电脑、华为、盛达等公司的p o n 产品都将采用b r o a d l i g h t 的解决方案。同时，c o n e x a n t 、 飞思卡尔和p m c s i e r r a 等芯片商也都推出了g p o n 商用芯片。 早前因为标准化与商品化进展缓慢而在e p o n 的竞争中处于劣势的g p o n 技术，过 去两年取得了引入注目的成果，大有后来居上之势。特别是在2 0 0 7 年，不仅在其传统的 支持者欧洲和北美市场，获得了一系列重量级运营商的支持，即使是在e p o n 处于优势 的亚洲地区也获得了重要的突破。曾经一度困扰g p o n 发展的商用产品少、成熟性不足、 产品成本较高等弊端，也随着简化g p o n ( g p o n l i t e ) 等新的技术发展，以及飞思卡尔、 b r o a d l i g h t 、p m c 、华为、u t 斯达康、中兴、爱立信、北电、阿尔卡特朗讯等众多大厂 商的加入，情况已经大为改观，可以说g p o n 的发展趋势已经非常明显，规模部署g p o n 的产业链已经形成。相信随着g p o n 的技术进一步的成熟，产品逐步的市场化，g p o n 将 会在未来十年成为电信企业解决“最后一公里”瓶颈最理想的技术。 1 4 本文的主要工作 本文主要研究了i t u tg 9 8 4 规范的g p o n 光接入系统，分析了g p o n 系统的网络 结构、协议分层结构，在此基础上探讨了g p o n 系统各层功能、工作原理和关键技术， 并重点研究了o n u 在g p o n 系统中的核心功能、o n u 接口参数和支持的业务类型。根 据o n u 分层结构和各层功能，提出了基于f p g a + m p u 架构的o n u 系统的硬件设计方 案，将o n u 系统分为物理媒介层、g t c 层、用户接口和管理控制平面四个部分。通过 对市场进行调研，选取最合适的器件，从核心芯片的工作原理和外围设备入手介绍了各 个子模块的功能与电路实现，分析了系统中高速差分接口互连的设计原理，并利用 o r c a d 、a l l e g r o 电路设计工具完成o n u 系统原理图和p c b 设计。结合自己在设计实现 o n u 系统的实践经验，总结了几点关于p c b 设计中的注意事项，并采用c a d e n c e 软件中 的信号完整性仿真设计工具s p e c c t r a q u e s t 对系统中的关键信号进行仿真，最后分析了 o n u 系统的调试过程。 本文共五个章节，文章内容安排如下： 第一章介绍了宽带接入蚓的现状和发展趋势，概述了p o n 的发展史并比较了目前三 种主流p o n 技术，指出g p o n 的技术优势和发展前景。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章介绍了i t u tg 9 8 4 规范的g p o n 光接入系统，分析了g p o n 系统结构、工 作原理和关键技术，并重点研究了g p o n 分层协议模型。 第三章对g p o no n u 功能和接口参数进行了分析，根据分层设计思想将o n u 分为 物理媒介层、g t c 层、用户接口和管理控制平面4 个部分，分析每部分实现的技术和功 能，最后提出了o n u 的整体设计方案。 第四章主要介绍了o n u 系统的硬件实现，详细介绍了实现这四个功能模块的芯片的 工作原理及其外围电路设计，分析了系统中高速差分接口互连的设计原理。 第五章主要结合自己在设计实现o n u 系统的实践经验，总结几点关于p c b 设计中 的注意事项，并采用c a d e n c e 软件中的信号完整性仿真设计工具s p e c c t r a q u e s t 对系统中 的关键信号进行仿真，分析了o n u 系统的调试过程。 第六章对参加课题以来所做的工作进行总结，并探讨课题下一步的工作。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章g p o n 系统分析 2 1g p o n 标准化进程 在2 0 0 1 年1 月e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 组织也开始进行支持更高比特 速率、企业业务、高效的p o n 标准的研究。鉴于a p o n 的低效率和e p o n 标准对保证 q o s 的多业务承载、电信级的网络运行与维护和业务管理没有规范，i t u t 于2 0 0 3 年初 推出了具有吉比特高速率、高效率、支持多业务透明传输，同时提供明确的服务质量和 服务级别、电信级别的网络监测和业务管理的g i g a b i t - c a p a b l ep o n ，简称g p o n 。 在2 0 0 3 年初的i t u t 会议上，已经通过了g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 的g p o n 系列标准， 2 0 0 4 年又发布了g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 标准。形成了g 9 8 4 x 系列标准，至此，g p o n 技术 标准已经完成。 g 9 8 4 1 标准主要对g p o n 接入系统的总体特性进行了规定1 8 】，主要规范了g p o n 系统的总体要求，包括o a m 的体系结构、业务类型、s n i 和u n i 、物理速率、逻辑传输 距离以及系统的性能目标。 g 9 8 4 2 标准主要对g p o n 的o d n 物理媒体相关子层( p m d ) 进行了规定【1 9 】，主要 规范了g p o n 系统的物理层要求。g 9 8 4 2 规定，系统下行速率为1 2 4 4 g b i t s 或 2 4 8 8 g b i t s ，上行速率为1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i t s 。标准定义了 在各种速率等级下o l t 和o n u 光接口的物理特性，提出了1 2 4 4 g b i f f s 及其以下各速率 等级的o l t 和o n u 光接口参数。 g 9 8 4 3 标准主要对传输汇聚( t c ) 层的相关要求进行了规定弘o l ，规定了g p o n 的 t c 子层、帧格式、封装方法、适配方法、测距机制、q o s 机制、安全机制、动态带宽分 配和操作维护管理功能等。g 9 8 4 3 引入了一种新的传输汇聚子层，用于承载a t m 业务 流和g e m 业务流。g e m 是一种新的封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号 和t d m 业务。 g 9 8 4 4 标准对g p o n 系统的o n t 管理控制接口( o n tm a n a g e m e n tc o n t r o l i n t e r f a c e ) 进行了规范【2 l 】，包括在o l t 和o n t 之间交换信息的协议独立的管理信息库( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ，m i b ) 的管理实体，以及o n t 管理和控制通道、协议和具体消息， 一q 一 浙江工业大学硕士学位论文 提出了对o m c i ( 光网络终端管理与控制接口) 的要求，目标是实现多厂家o l t 和o n t 设备之间的互通。 2 2g p o n 的体系结构与工作原理 2 2 1g p o n 系统结构 同所有的p o n 系统一样，g p o n 系统主要是由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和光分配网络( o d n ) 等构成【2 2 】，其参考配置如图2 1 所示。 a 参考点一用于区n a f 和o n u 图2 ig p o n 系统的参考配置 o l t 为接入网提供网络侧与核心网之间的接口通过o d n 与各个o n u 连接。作为 p o n 系统的核心部件，o l t 具有集中带宽分配、控制各o d n 、实时监控、运行维护管理 p o n 系统的功能。o n u 为接入网提供用户侧的接口，提供话音、视频、数据等多业务数 据流和光网络分配的接入，受o l t 集中控制。o d n 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备， 其功能是分发下行数据和集中上行数据。系统支持的分光比为l ：1 6 3 2 6 4 ，随着光收发模 块的发展演进，支持的分光比将达到l ：1 2 8 。在同一根光纤上，g p o n 可使用波分复用 ( w d m ) 技术实现信号的双向传输。根据实际的需要，还可以在传统的树形拓扑的基础 上采用相应的p o n 保护结构提高网络的生存性。 图2 1 中w d m 表示波分复用器，如没有采用波分复用，这个模块就没有，a 、b 点 _ 采用波分复用时也4 定义。n e 代表使用与o l t 、o n u1 、= 同波长的嘲元( 如1 5 5 0 n m 波 一1 0 一 浙江工业大学硕士学位论文 长的c a t v 设备) 。 2 2 2g p o n 系统的功能模块 2 2 2 1 光线路终端 o l t 网络侧经标准s n i 接口连接到局域网。o l to d n 侧提供比特率、功率预测、抖 动等特性符合g p o n 标准的光接口。o l t 主要由业务端口接口功能、交叉连接功能和p o n 核心功能3 个功能模块组成。典型的o l t 功能模块逻辑图如图2 2 所示。 p o n 核心功能模块：由o d n 接口功能和p o nt c 功能两部分组成。o d n 接口功能在 g 9 8 4 2 中规范，p o nt c 功能在g 9 8 4 3 中规范。其中p o nt c 功能包括：媒体接入控制、 o a m 、d b a 、o n u 管理和为交叉连接功能进行的p d u 定界。每个p o nt c 选择a t m 、 g e m 和混合模式中的一种。 交叉连接功能模块：提供p o n 核心模块和业务模块之间的连接。o l t 根据连接模式 是g e m 、a t m 或双重模式提供相应的交叉连接功能。 业务模块：提供p o n 中业务节点接口和t c 帧接口之间的转化。 2 2 2 2 光网络单元 g p o no n u 主要功能模块和o l t 的功能模块相似。其典型配置如图2 3 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 3o n u 功能结构 由于o n u 只有一个p o n 接口( 在使用保护倒换结构的情况下，最多可有2 个接口) ， 交叉连接功能可以省略掉，取而代之的是业务的复用和解复用功能。每个p o n 的t c 选 择支持g e m 、a t m 或双重模式中的一种。 2 2 2 3 光分配网 光分配网( o d n ) 提供o n u 和o l t 间的光纤连接，使用无源光器件实现光的连接 和光的分路合路。光分配网中主要的无源光器件有：单模光纤光缆、光连接器、光分路 器和光纤接头等。 o d n 采用树状结构的点到多点方式，即多个o n u 和一个o l t 相连。这种结构利用 了一系列级联的光分路器对下行信号进行分路，传输给多个用户，同时也靠这些分路器 将上行信号汇合在一起送给o l t 。 设计o d n 时，应该考虑不仅能提供目前业务的需要，而且还能提供将来可预见到的 任何业务需要，而不需对o d n 进行任何改动。这就要求在选择组成o d n 的无源光器件 时，要考虑器件的以下特性【l o 】： ( 1 ) 对光波长的透明性：如光分路器应能够支持1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 波长区域内任何波长 信号的传输； ( 2 ) 可逆性：输入口和输出口掉换后不会引起器件光损耗的明显变化，这样可以简化网络 的设计； ( 3 ) 与光纤的兼容性：所有光器件应能与单模光纤g 6 5 2 兼容。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 3g p o n 系统工作原理 在下行方向上，g p o n 是一个点到多点的网络。o l t 以广播的方式将由数据包组成 的帧经由无源光分支器发送到各个o n u 。每个o n u 收到全部的数据流，然后根据o n u 的媒介访问控制( m a c ) 地址取