用VSR-3技术实现高速并行光互连

2019-11-03 18:26:19

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供稿：网友

贺传峰戴居丰毛陆虹

天津大学电子信息工程学院光纤通信研究所

　　摘要：甚短距离传输(VSR)是一种用于短距离(约300 m~600m)内进行数据传输的光传输技术。VSR-3标准是面向OC-192/STM-64接口的四个VSR技术标准之一。它是一种并行的光互连技术，采用1×4VCSEL激光器列阵组成光发射模块，12芯多模光纤带作为传输媒质，是一种构建方便、性能稳定和低成本的光互连技术。本文对VSR-3技术标准的关键技术和实现机制进行了讨论。

　　关键字：甚短距离传输；光互连；并行光通信技术

　　1 引言

　　所谓甚短距离是指在电信局内最大连接长度不超过600米（一般不超过300米）的范围，在这一通信距离内，所采用的光连接技术和电接口规范同传统的骨干网传输技术有很大的不同，是光通信技术发展的一个全新领域。在构建下一代高速、大容量全光通信网络中，由于光接口器件在网络系统中的应用数量巨大，甚短距离传输技术以其价格低和性能稳定的优势，吸引了众多光电子和网络设备制造商的注意，逐渐成为国际通用的标准技术，是全光网的一个重要组成部分。

　　根据AT&T公司统计表明，超过75%的局内互连设备的连接长度在100米之内[1]。甚短距离传输(VSR)就是面向这种目的的光互连技术。VSR并行光传输系统仍采用SONET帧接口，并用相对低廉的并行光传输技术来取代昂贵的串行光传输，使网络服务商可以在大幅降低成本的同时，提供面向OC-192/STM-64(10Gb/s)标准速率的甚短距离传输。VSR标准的推出是为了降低短距离内光互连的成本，减小所用元器件的体积，并且能够与设备的电接口兼容，进而可以把发射和接收模块置于设备内部，相当于为设备增加了VSR的光接口。在2台具有VSR光接口的设备之间，只需要用具有标准插头的光缆就可以方便的实现互连[1]。

　　2 VSR-3双向传输结构

　　OIF已经通过了VSR的4个技术标准采用不同的元器件和传输方式，它们具有一致的电接口和不同的光接口，其中VSR4-1.0和VSR4-3.0标准采用并行传输方式，VSR4-2.0而VSR4-4.0采用串行传输方式，分别应用于不同的场合。最新提出的VSR4-3.1建议是对VSR4-3.0标准实现方式的补充。

　　VSR-3标准类似于VSR-1[2]，都采用并行结构，但是VSR-3采用4路并行传输方式，它仍然用12芯多模光纤带作为传输媒质，但它只用了其中的8芯多模光纤进行双向传输，而其余中间的4芯没有使用。VSR-3的这种采用4芯光纤传输，每路在2.488Gb/s的工作方式同美国国家标准协会建议的光纤通道以及Infiniband技术具有一定的相似性，对光功率和抖动等参数的要求基本相同。它将从成帧器（framer）输出的16路622.08Mb/s的SDH/SONET信号通过SERDES转换为4路2.488Gb/s的并行信号，直接调制4路VCSEL激光器阵列，由于每路信号速率提高到了2.488Gb/s，是VSR-1单根光纤传输速率的两倍，为了达到传输300米的要求，其多模光纤带的要求有所提高——由VSR-1中芯径62.5µm，带宽为400MHz.km的多模光纤变为芯径50µm，带宽为500MHz.km的多模光纤。VSR-3标准的系统原理图如图一所示

图1 VSR-3双向传输原理图

　　VSR-3接口由转换器IC和光收发模块构成，转换器IC完成发送时16路到4路电信号和接收时4路恢复到16路电信号的转换，光收发模块完成光电信号的转换。

　　3 VSR-3并行传输技术的实现

　　3.1 转换器IC的功能实现

　　在传送方向，转换器IC从SONET OC-192成帧器芯片接收16-bit 622.08Mb/s LVDS电信号，满足OIF SFI-4.1电气接口规范。转换器IC传输数据接口与输入端数据总线的工作时钟频率622.8MHz是同步的，通过帧复用器将16路并行总线映射到4路数据通道。其SERDES功能实现比VSR-1的要相对简单一些，通过将SDH/SONET帧信号的每两个字节一组进行分解，直接将16路622.08Mb/s的SDH/SONET信号映射成4路2.488Gb/s，不产生检错和纠错信道，也不进行帧字节的替换。接收端通过每一路中的48个A1A2字节来进行同步，并实现去斜移，即4路信号的对准[3]。16路并行总线到4路数据通道映射过程如图二所示

图2 转换器比特传输顺序

　　从图二可以看出，相邻的通道互相斜移4bit，这种映射方式转换器IC需要的寄存器数量将最少。数据将按照图二的顺序经发射模块发射到光纤中传输。需要注意的是SONET帧的第一个字节是A08（LSB）~A15(MSB)，第二个字节是A00（LSB）~A07(MSB)。帧的前两个字节在通道0传输，按照这样的顺序后面的字节依次映射进4个通道。SONET帧到4路数据通道的映射方式如图三所示。

图3 转换器字节传输顺序

　　在接收方向，转换器电路与发射部分相似，只是信号的转换步骤要逆向进行，即光接收模块将接收到的4×2.488Gb/s光信号转换成电信号并输入到转换器，对各信道进行必要的时钟和数据恢复，通过每一路中的48个A1A2字节进行同步，以补偿由于信道间传输延时的不同产生的斜移。与发送部分一样转换器不进行帧字节的替换。把4路数据重组成16bit位宽的622.08Mb/s总线，输出16-bit 622.08Mb/s LVDS给OC-192成帧器。

　　由于没有进行帧字节的替换，所以转换器IC不能自动发现线缆对称交叉，需要采用的多模光纤带能避免任何的对称交叉。线路的极性通过键控适配器来保持。

　　当一个信道传输了无效数据时，一般称之为失同步（LOS）。接收部分将会检测每个数据信道的失步情况，通过寻找A1A2字节来实现失同步算法。实现失同步算法的状态机如图四所示

图4 失同步状态机

　　接收部分同样用失帧（Out of Frame，OOF）状态机通过对每路输入数据中作为帧分界符的A1A2字节的搜索来判断每帧的起始位置，每隔125us进行一次A1A2字节的搜索，当连续在四个帧的起始位置没有找到A1A2字节或者遇到reset信号，则进入失帧状态，当连续在两个帧的起始位置找到A1A2字节，则进入帧捕捉状态。实现失帧算法的状态机如图五所示。

图5 失帧状态机

　　3.2光发射和接收模块

　　图六为一简单的光发射模块功能原理图的示例，主要由LVDS电平输入装置、1×4VCSEL列阵、驱动电路和控制电路组成[4]，由转换器端输入的电信号先经过LVDS电平转换，得到的低压差分信号传送到驱动电路部分用来驱动VCSEL二极管发光，然后光发射模块将4路光信号射入由12根光纤组成的带状光纤中。从而完成整个激光发射的功能。在-RESET端置低电平可以关掉所有的激光器输出。在工作电平增加过程中，-RESET端需要一直保持低电平状态，以禁止激光器的驱动部分和控制部分工作，直到工作电平增加到某一额定值为止。并且只有当-RESET端、LE端、-LE端均处于有效电平时，驱动电路方能正常工作。如果检测到某个激光器故障或-RESET被设置为低电平，在控制电路的LA输出端输出低电平。

图6 发射模块功能原理图

　　如图七所示，光接收模块的主要组成包括探测器二极管列阵、放大器、增益放大器、信号检测电路以及LVDS信号输出设备[4]。信号从光纤带传输光接收模块，LVDS Output Enable端起到控制输出电平高低的作用，附加的输出通道（SD1－SD12）表征着从信道1－12的交流光输入信号是否正在输入。当在ENSD处置低电平时，检测电路停止工作，被禁用的检测电路也将在输出端产生一个有效电平。

图7 接收模块功能原理图

　　4 总结

　　目前对于VSR的研究大多集中在VSR-1方案，它主要是考虑到通常的IC 电路可以达到的速率，采用12路光纤来换取降低IC速率，但是这样增加了封装和耦合的复杂程度，比如要使12路光纤耦合的均匀一致是比较困难的事情。由于IC在速率上发展很快，现在2.5 G bit / s芯片制作成本也不很高，由于 VSR-3采用4路光纤传输，对封装均匀性的要求低于VSR-1，而且只用单个12芯多模光纤带就可实现双向传输，不失为较佳的方案，容易工业化。本文通过对VSR-3技术的实现方案的讨论，论证了VSR-3方案在高速并行光互连应用上的可行性。

　　参考文献：

　　1、Cisco White Paper. Very Short Reach OC-192/STM-64 Interface: Optimizing for Network Intra-POP Interconnections. P2.

　　2、OIF-VSR4-01.0，Very Short Reach(VSR)OC-192/STM-64IntcrfaceBased on Parallel Optics[S]．Optical Internetworking Forum，2000,18.

　　3、OIF-VSR4-03.1,Very Short Reach(VSR)OC-192 Four Fiber Interface Based on Parallel Optics[S]．Optical Internetworking Forum，2003,7.

　　4、申荣铉等. 10Gbit/s甚短距离（VSR）并行光传输系统. 高技术通讯，2003，第13卷，第4期：105-110.

　　
摘自　光纤新闻网

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