EPON专用芯片设计

2019-11-03 18:24:08

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供稿：网友

　　陈虹，苏厉，金德鹏，曾烈光

　　（清华大学电子工程系通信与微波重点实验室，北京100084）

　　摘要：文章介绍了集成化设计以太网无源光网络(EPON)产品中传输汇聚（TC）子层芯片的结构设计框图，详细介绍了光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)的TC子层芯片设计.在此结构框架下，对EPON系统性能进行了仿真，发现在相同业务负载的情况下，EPON系统业务延迟小于以ATM为基础的无源光网络(ATMPON)系统中的相应延迟.

　　关键词：以太网无源光网络；光线路终端；光网络单元

　　以太网无源光网络(EPON)综合了以太网技术成熟、成本低、兼容性好以及PON技术的介质共享、运营维护成本低等优点，不仅能节省用户投资，而且能够以较低价格实现高速接入，使其成为目前最具有吸引力的下一代宽带接入网的解决方案.

　　传输汇聚（TC）功能的实现是构成EPON系统集成化设计的关键.TC功能主要包括突发同步、测距、带宽分配、帧定界和帧同步、扰码和解扰码、比特间插奇偶校验(Bip8)、比特误码率(BER)控制和运行维护管理(OAM)等.这类器件目前市场上买不到,需要自己开发. 本文提出了EPON系统专用芯片设计方案，并利用甚高速集成电路硬件描述语言(VHDL)进行高速通信网络的专用集成电路芯片（ASIC）的设计.

　　1　EPON结构及帧格式

　　EPON是点到多点的无源光网络，光信号在光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)之间传送，信号通道上没有有源器件，其内部元件包括：光纤、无源组合器、无源光耦合器/切分器.下行方向是从OLT到ONU（即点到多点），采用广播机制.OLT发送的信号由光切分器切分到多条光纤上送到每个ONU，ONU则根据接收帧中的地址信息识别并只接收属于自己的帧.上行方向是从ONU到OLT（即多点到一点），采用时分复用机制，来自各个ONU的信号由光耦合器组合到一条光纤上.OLT给每个ONU分配时隙以避免数据碰撞，每个时隙可以发送若干个以太包.ONU先缓存数据包，一旦属于自己的时隙到来就“突发”所存储的数据包.

　　OLT位于中心局（CO，Central Office），是EPON和骨干网之间的“桥梁”，负责管理EPON系统.ONU的位置则根据接入系统的不同而不同，在光纤到路边（FTTC）系统和光纤到户（FTTH）系统中，ONU分别位于路边和终端用户.图1显示了EPON上、下行传输过程.

　　图2描述了下行业务以变长包形式从OLT传输到ONU的例子.下行业务被分成固定间隔的帧，每帧携带变长包.时钟信息以同步标志的形式位于每帧的开始，其长为1 bit，每2 ms传送一次以使ONU和OLT保持同步.每个变长包根据号码1到N指明属于某个具体的ONU.变长包的格式服从IEEE 802.3标准，并以1 Gbit/s速率传输.图2显示了变长包包括包头、净荷和错误检测域.

　　图3描述来自各个ONU的上行业务时分复用到一共同的光纤上，并避免了它们之间发生碰撞.上行业务分段成连续的由2 ms连续传输间隔形成的上行帧.在每个上行帧里为每个ONU指定一时隙.例如，图3中每个上行帧分成N个时隙，分别属于从1到N的ONU.每个ONU的TDM控制器连同OLT的同步信息一起，控制指定时隙里变长包的上行传输时间.图3显示了ONU4的时隙扩展图，其中包括两个变长包和时隙开销.时隙开销包括两信路间防护频带、定时指示器和信号强度指示器.如果ONU4没有业务可传输，则时隙4会填满IDLE信号.

　　2　EPON专用芯片设计

　　由上所知，EPON系统由一个OLT、若干ONU以及连接它们的光纤和无源光切分/耦合器组成.因为EPON中OLT侧和ONU侧实现的功能是不对称的，因此在EPON系统中需要分别针对OLT和ONU进行专用集成电路的设计，完成上、下行业务的处理.图4为EPON的系统示意图，阴影部分由EPON专用集成电路实现.其中，ODN（Optical Distribution Network）是光分布网络，OAMP　DU(Operations, Administration and Maintenance PRotocol Data Unit)为运行管理和维护协议数据单元, MPCPDU( MultiPoint Control Protocol Data Unit)为多点控制协议数据单元。

　　从图4中可以看出，各种不同的业务信息(包括话音、图像和数据) 在OLT侧送入以太网交换机，经过SPI接口送入OLT处理芯片，形成光信号后经下行光纤广播到所有的ONU.ONU处理芯片在下行帧中提取以太帧流，解复用后经用户侧以太网交换机送到不同的网络终端.来自户的上行数据经ONU处理芯片，在合适的时隙发送到OLT处理芯片.OLT处理芯片完成上行帧的接收.位于两侧的OAMPDU/MPCPDU处理模块是OAMPDU/MPCPDU帧的终结，实现ONU定时、上行的带宽申请和管理、测距和注册等任务.

　　2.1OLT侧芯片电路设计

　　OLT侧芯片电路主要完成EPON下行帧的发送和上行帧的接收和处理，同时支持高层实现网络管理功能.模块框图如图5所示.

　　在下行方向，来自SPI接口的以太业务流首先送到“传送控制”模块.微处理器产生的物理层消息用于生成OAMPDU帧和MPCPDU帧并缓存.“下行帧时序产生”模块产生下行帧的时序信号，控制数据帧、OAMPDU帧及MPCPDU帧的发送时隙.“CRC生成”模块产生循环冗余码，并把它们插入到数据帧、OAMPDU帧及MPCPDU帧相应位置中.“分布式扰码”模块则按照标准的I.432建议设计. 在上行方向，EPON上行帧数据送入“突发帧定界”模块以完成帧的突发定界.然后，输出的帧流进入“解扰码/FCS(CRC)”模块以解扰码，并进行FCS纠错检错和CRC校验.经解扰码和检错后的帧流送入“业务流分类”模块来对不同类型的业务流分类：数据帧被送到“数据帧处理”模块，然后由SPI接口送出；OAMPDU帧和MPCPDU帧经预处理模块，产生出相应信息上报给微处理器.报告的信息包括：线路性能缺陷（如远端错误指示等）、来自ONU的消息和时隙申请以及测距结果等.微处理器对上述信息进行处理，产生下行的管理消息、授权分配消息以及测距指示消息.在芯片内部，这些消息被生成OAMPDU帧和MPCPDU帧，在下行方向送出.

　　2.2　ONU端的模块设计

　　ONU侧芯片电路主要完成EPON下行帧的终结和上行时隙的发送，同时支持高层实现网络管理功能.模块框图如图6所示.

　　在下行方向，EPON下行帧首先经“帧定界”模块进行定界，然后经过“分布式解扰码/FCS”模块进行解扰码和CRC纠错检错，在此过程中空帧被丢弃，非空帧则被送入“地址过滤”模块以过滤出属于此ONU的帧，再经“业务分类”模块把不同类型帧经分类送入不同的处理模块.数据帧流送到SPI接口.OAMPDU帧和MPCPDU帧进入“OAMPDU/MPCPDU同步”模块进行同步，确定它们的时序.同步后的OAMPDU帧和MPCPDU帧经预处理模块和CRC校验，取得授权信息，通过微处理器接口向高层报告来自OLT的消息.

　　在上行方向，首先由“数据缓存”模块缓存经SPI接口进入芯片的数据.ONU消息则由微处理器接口送入芯片，在芯片内部由“OAMPDU/MPCPDU生成/缓存”模块产生OAMPDU帧和MPCPDU帧并缓存.下行帧中的授权信息控制OAMPDU帧、MPCPDU帧和数据帧的发送.只有得到授权的业务帧流才允许被发送，这些业务帧经“扰码/FCS”模块被扰码.最终发射的帧被填充完前导开销后，由“突发帧发射”模块发送到EPON上行时隙.

　　3　仿真模型

　　仿真模型是根据第2部分描述的EPON系统而建立的，在此系统结构下分析系统的延迟性能.EPON的详细协议如上行多路访问机制在参考文献[5]有详细描述.有关ATM-PON的详细协议在文献[2～3]中有具体描述.仿真模型包括了16个ONU，业务源为速率为2 Mbit/s的ON-OFF突发业务模型，ON和OFF周期均为指数分布，周期长度分别为10 ms和15 ms.

　　4　仿真结果

　　通过对数据延迟性能仿真结果进行系统性能分析，并比较ATM-PON的CBR和ABR业务延迟[2～3]，发现本文设计的EPON系统中的数据延迟有明显降低.仿真结果如图7所示.

　　5 结论 

　　本文介绍了集成化设计EPON产品中TC子层芯片的结构设计框图，提出了OLT和ONU的传输汇聚子层芯片的设计方案.经过对系统仿真，发现此设计结构下的系统数据延迟比ATM-PON系统接入延迟性能好.

　　由于ATM-PON业务传输首先要建立虚通道，在每个虚通道上可以进行搅动加密来保证安全性和隐私性，而EPON没有虚通道的概念，所以本设计方案缺乏安全性考虑，需要进一步的研究.提出的集成电路设计目前已经通过了设计和功能仿真.

　　参考文献

　　［1］IEEE Std802.3ahDrofft 1.4142002,Ethernet in the first mile task force[S].

　　［2］Angelopoulos J D, Boukis G C, Venieris I S. Delay priorities enhance utilization of ATM PON access systems [J]. Computer Communications Joural, 1997(12):1518.

　　［3］Angelopoulos J D, Fragoulopoulos E K, Venieris I S. Comparison of traffic control issues between PONS and superPONs [A]. Electrotechnical Conference, 1998 [C]. MELECON:98, 9 th Mediterranean, Volume: 2, 18 20 May 1998 Page(s): 769773 vol.2.

　　［4］Huangfu Wei. Research on Some Problems of ATMPON and ATM over SDH, Thesis for Doctor'degree [D]. April 2001.

　　［5］Hong Chen, Liangwei Ge, Lieguang Zeng. Dynamic MTW: A dynamic bandwidth distribution scheme in EPON [A]. APOC 2002(Metro and Access Network II)[C].Shanghai:2002:121125.

摘自光通信研究

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