基于PAS9401的10G-EPON網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的研究*

劉 霞，戴璐平，劉海英，戴麗萍

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢 430074）

隨著電視、電話、寬帶的逐漸融合，對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高。寬帶接入網(wǎng)需要從EPON（Ethernet Passive Optical Network）和 GEPON（1 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network）逐漸過(guò)渡到10 G-EPON（10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network）或10 G-GPON（10 Gbit/s Gigabit-Capable PON），然而10 G-EPON與已經(jīng)廣泛使用的EPON和GEPON的網(wǎng)絡(luò)兼容有著其他接入網(wǎng)不可比擬的明顯優(yōu)勢(shì)。10 G-EPON網(wǎng)絡(luò)不但可以實(shí)現(xiàn)EPON和GEPON的平滑升級(jí)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)可以完全繼承EPON和GEPON系統(tǒng)，而且10 G-EPON的OLT（Optical Line Terminal）還可以兼容GEPON和10 G-EPON的ONU（Optical Network Unit），也可以大大降低FTTH（Fiber To The Home）升級(jí)改造的成本。對(duì)于帶寬需要高的客戶，需要采用10 G-EPON的用戶終端設(shè)備，以滿足其對(duì)高帶寬的需求。

本文提出采用PMC-Sierra公司的10 G-EPON ONU SoC（System-on-a-Chip）單芯片方案PAS9401設(shè)計(jì)用戶終端設(shè)備，介紹硬件開(kāi)發(fā)和軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)了系統(tǒng)測(cè)試。

1 10 G-EPON網(wǎng)絡(luò)介紹

IEEE 協(xié)會(huì)在 EPON（IEEE802.3au）基礎(chǔ)上于2006年提出IEEE std 802.3av標(biāo)準(zhǔn)的研究，保持EP?ON的MAC（Media Access Control）層控制協(xié)議不做改變，只是提出物理層規(guī)范的新的研究方向，核心就是將上下行傳輸速率提升到10 Gbit/s，并且提出在同一個(gè)ODN（Optical Distribution Network）下實(shí)現(xiàn)1 G-EPON的ONU與10 G-EPON的ONU共存方案，可以極大的減少運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成本。

10G-EPON定義了兩種技術(shù)，即上下行非對(duì)稱和上下行對(duì)稱。非對(duì)稱技術(shù)的下行傳輸速率為10Gbit/s，下行信號(hào)的中心波長(zhǎng)為1577nm，上行傳輸速率為1Gbit/s，上行信號(hào)的中心波長(zhǎng)為1 310 nm；對(duì)稱技術(shù)的上行和下行傳輸速率都為10 Gbit/s，下行信號(hào)的中心波長(zhǎng)為1 577 nm，上行信號(hào)的中心波長(zhǎng)為1 270 nm；電視視頻信號(hào)可以采用1 550 nm波長(zhǎng)進(jìn)行傳送［1-2］。在對(duì)上行帶寬需求較少和成本敏感的地方，可以采用非對(duì)稱形式，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，必將是對(duì)稱模式廣泛應(yīng)用于FTTH。

10 G-EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由局端光線路終端OLT、光分配網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)單元ONU組成［3-4］。其中 OLT 端接入 PSTN（Public Switched Telephone Network）、ISDN（Integrated Services Digi?tal Network）、DDN（Digital Data Networ）、IP（Internet Protocol）網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)，下行通過(guò)ODN分配到ONU，ONU的上行數(shù)據(jù)通過(guò)TDMA方式傳輸?shù)絆LT，再接入到城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)中；ONU可以置于樓棟即光纖到大樓FTTB（Fiber to The Building），也可以置于家庭即光纖到戶（FTTH），ONU接電視、固定電話、電腦，是實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一的綜合接入設(shè)備。

圖1 10 G-EPON體系結(jié)構(gòu)框圖

2 ONU終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，ONU用戶終端方案主要采用PMCSierra公司的10 G-EPON ONU專用SoC芯片PAS9401，外接的存儲(chǔ)器有Serial FLASH和DDR2（Double Data Rate 2）；PAS9401通過(guò)SERDES接口外接10G-EPON對(duì)稱光收發(fā)模塊，接入10 G-EPON網(wǎng)絡(luò)；PAS9401外接一顆10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s的PHY（Physical Layer），擴(kuò)展出4個(gè)RJ45接口，接PC（Personal Computer）機(jī)、IP電話機(jī)、視頻機(jī)頂盒等寬帶設(shè)備；電源部分采用5 V/2 A直流電源供電，通過(guò)電源管理模塊，提供ONU上所有器件工作需要的電源。軟件調(diào)試接口采用JTAG（Joint Test Action Group）接口，程序調(diào)試和問(wèn)題跟蹤采用 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口，產(chǎn)品的軟件升級(jí)可以采用WEB頁(yè)面進(jìn)行升級(jí)。

圖2 ONU硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 ONU光模塊

ONU光模塊采用青島海信寬帶多媒體技術(shù)有限公司的LTF7219，上行數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為1270nm，下行數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為1577nm，上下行數(shù)據(jù)傳輸速率最高均為10Gbit/s，上行發(fā)射光源為分布反饋激光器DFB（Distributed Feed Back），采用突發(fā)模式發(fā)射，下行接收為雪崩光電二極管APD（Avalanche Photo Diode），采用連續(xù)模式接收方式，封裝為SFP（Small Fortm-Factor Pluggable）+，支持最大距離為20 km［5-6］，符合對(duì)稱型10 G-EPON ONU對(duì)波長(zhǎng)和傳輸速率的需求。

2.2 10 G-EPON ONU SoC模塊

PAS9401是PMC-Sierra公司第一代10 G-EPON光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的SoC器件系列，用于10 G-EP?ON的ONU的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。PAS9401對(duì)于10 G-EP?ON中的不管是單用戶ONU形態(tài)SFU（Single Family Unit）還是多個(gè)獨(dú)立用戶ONU形態(tài)MDU（Multi-Dwelling Unit），都是高性能、低功耗以及低成本的優(yōu)選解決方案，支持IEEE802.3av 10 G-EPON ONU的規(guī)格和CTC 10 G-EPON V3.0標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 PAS9401硬件結(jié)構(gòu)示意圖

PAS9401集成10 G-EPON的SERDES和CDR、10G-EPON媒體接入控制（MAC）、10 G-EPON協(xié)議棧管理、先進(jìn)的包處理器、強(qiáng)大的嵌入式處理器ARM926（主頻可達(dá)300 MHz）以及多種以太網(wǎng)用戶接口。PAS9401支持無(wú)線基站TOD（Time of Day）和SyncE（Synchronous Ethernet）時(shí)間同步，同時(shí)進(jìn)入省電模式可以降低設(shè)備的功耗。

PAS9401內(nèi)部的10 G-EPON MAC支持全雙工收發(fā)10 G-EPON ONU光模塊，下行速率10 Gbit/s，上行支持10 Gbit/s和1 Gbit/s兩種；有可靠性高，可編程的光收發(fā)器接口，本設(shè)計(jì)中選用LTF7219；可配置的用戶網(wǎng)絡(luò)接口，支持XAUI（Ethernet Attachment Unit Interface）的多種模式，總共4組SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）/HiSGMII接 口 和 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口，可接以太網(wǎng)交換芯片、以太網(wǎng)PHY芯片，本設(shè)計(jì)中通過(guò)RGMII，外接千兆以太網(wǎng)PHY芯片KSZ9031MNX，擴(kuò)展出4個(gè)10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s接 口 ；FE（Fast Ethernet）MAC 可通過(guò) MII（Media Independent Inter?face）/接口外界 CPU（Central Processing Unit），帶MDC（Manufacturing Data Collection）/MDIO（Manage?ment Data Input/Output）管理功能；集成 16bit的DDR2控制器，本設(shè)計(jì)中采用MICRON公司的DDR2 SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory），型號(hào)是 MT42L128M16D1，2 Gb大小，作為程序運(yùn)行空間，斷電后數(shù)據(jù)丟失；外接串行接口的FLASH，用于程序的BOOT，本設(shè)計(jì)中選用MacronixInternational公司的1Gb的Serial FLASH，型號(hào)是MX66L1G45 G，存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)，并用于系統(tǒng)的啟動(dòng)，將程序搬移到DDR2中去運(yùn)行；另外還有TOD接口、PON和用戶接口指示燈控制信號(hào)、GPIO（General Purpose Input Output）、I2C接口、UART接口等，極大地方便了ONU的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)［7-9］。

2.3 Ethernet模塊

Ethernet模塊采用MICREL公司的RGMII接口的千兆以太網(wǎng)物理層收發(fā)器芯片KSZ9031RNX，支持5 Port 10 Base-T/1 000Base-TX/1 000 Base-T標(biāo)準(zhǔn)5類線的輸入和輸出，通過(guò)RGMII接口直接連接到PAS9401的RGMII MAC，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s［10］，KSZ9031RNX 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器，對(duì)外支持五路LAN接口，可接PC，網(wǎng)絡(luò)播放器，IP電話機(jī)等寬帶設(shè)備。

3 ONU終端的基本軟件設(shè)計(jì)

10 G-EPON ONU的軟件開(kāi)發(fā)主要是PAS9401，KSZ9031MNX，LTF7219等芯片和模塊底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及初始化、系統(tǒng)啟動(dòng)程序Bootloader的開(kāi)發(fā)、嵌入式Linux系統(tǒng)的移植、TCP/IP協(xié)議棧的移植、10 GEPON協(xié)議棧的處理以及應(yīng)用層軟件的開(kāi)發(fā)。ONU的軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 ONU軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在Fedora17操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和編譯調(diào)試，F(xiàn)edora是最佳的linux操作系統(tǒng)，非常優(yōu)秀的桌面設(shè)置功能深受開(kāi)發(fā)者的喜愛(ài)，采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)際開(kāi)發(fā)工作，上層應(yīng)用會(huì)用到面向?qū)ο蟮腏AVA語(yǔ)言，PAS9401的內(nèi)核是ARM926處理器，軟件調(diào)試采用J-LINK ARM JTAG仿真器進(jìn)行。

模塊化的軟件設(shè)計(jì)思路，使軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程變得清晰，底層是硬件驅(qū)動(dòng)，往上依次是OS（Operating System）操作系統(tǒng)，API（Application Programming In?terface）接口，各種協(xié)議棧以及上層應(yīng)用。各模塊之間的通信采用消息機(jī)制和共享數(shù)據(jù)方式進(jìn)行，彼此之間是相互獨(dú)立，網(wǎng)絡(luò)管理模塊在HTTP（HyperText Transfer Protocol）、TELNET、TFTP（Trivial File Trans?fer Protocol）、SNMP（Simple Network Management Pro?tocol）層實(shí)現(xiàn)［10-11］。

主要模塊：

（1）10 G-EPON MAC模塊：

此模塊為10 G-EPON協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊，實(shí)現(xiàn)10 G-EPON的協(xié)議中的雙速率突發(fā)接收、波長(zhǎng)分配、光功率預(yù)算、MPCP兼容以及FEC等，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)10 G-EPON系統(tǒng)中1 G ONU和10 G ONU的共存，主要是關(guān)注波長(zhǎng)分配、雙速率接收以及FEC（Forward Error Correction）增益控制等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

（2）CPU模塊

此模塊包括Bootloader啟動(dòng)程序、PAS9401的底層硬件驅(qū)動(dòng)、KSZ9031MNX的底層硬件驅(qū)動(dòng)、嵌入式Linux內(nèi)核、TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議的移植，以及ONU的所有控制工作等。

（3）協(xié)議支撐模塊

此模塊為嵌入式Linux系統(tǒng)與10 G-EPON協(xié)議的接口、Linux系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議的接口模塊。

（4）用戶接口模塊

支持TFTP、TELNET、SNMP、HTTP接口，為網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)，程序升級(jí)等提供接口。

4 測(cè)試結(jié)果

采用SPIRENT SmartBits 6 000C進(jìn)行網(wǎng)口吞吐量、丟包率等主要指標(biāo)測(cè)試，SmartBits 6 000 C支持4個(gè)千兆網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)口，4個(gè)千兆光纖接口，以及1個(gè)10 G以太網(wǎng)接口。

對(duì)ONU的4個(gè)千兆網(wǎng)口的吞吐量進(jìn)行測(cè)試。其中當(dāng)每幀為64 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為1 488 100幀/s，即762 Mbit/s；每幀為128 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為844 590 幀/s，即865 Mbit/s；每幀為256 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為452 900幀/s，即879 Mbit/s；

每幀為512 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為234 960幀/s，即962 Mbit/s；每幀為1 024 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為119 730幀/s，即981 Mbit/s；每幀為1 280 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為96 150幀/s，即985 Mbit/s；每幀為1 518 byte，千兆網(wǎng)口收發(fā)速率為81 270幀/s，即987 Mbit/s。可見(jiàn)千兆網(wǎng)口的吞吐量滿足設(shè)計(jì)要求。

另外對(duì)每幀為 64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte，1 518 byte時(shí)的丟包率測(cè)試結(jié)果為0，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)論

采用PAS9401 SoC方案設(shè)計(jì)的10 G-EPON ONU用戶終端設(shè)備，有很高的集成度，只需采用少量的外圍器件，就可以完成ONU的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，大大降低了ONU的器件成本。ONU終端的吞吐量、過(guò)載丟包率和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)等特性進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，針對(duì)MPCP（Multi-Point Control Protocol）兼容適配機(jī)制，采用不同速率ONU進(jìn)行不同的時(shí)間開(kāi)窗授權(quán)的方法，可以實(shí)現(xiàn)10 G-EPON網(wǎng)絡(luò)中的1 G ONU和10 G ONU的兼容和共存。測(cè)試結(jié)果表明采用PAS9401設(shè)計(jì)的ONU，完全滿足IEEE802.3 av標(biāo)準(zhǔn)的要求，有很高的市場(chǎng)價(jià)值。

［1］IEEE 802.3av 10G-EPON［S］.2008.6.

［2］堯昱，張靜，尚鳳亮，等.10G EPON技術(shù)及應(yīng)用方案研究［J］.光網(wǎng)絡(luò)，2012，27（1）：441-442.

［3］中國(guó)電信集團(tuán)公司.中國(guó)電信EPON設(shè)備技術(shù)要求（V2.0）［S］.2007.

［4］曹大為，葉家駿，張俊杰.基于SoC的千兆EPON ONU硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.光通信技術(shù)，2007，（10）：17-19.

［5］趙安新，廖曉群，馬莉.協(xié)議互轉(zhuǎn)化智能EPON光模塊的研究［J］.電子器件，2013，36（4）：443-446.

［6］Hisense.LTF7219 Symmetrical Datasheet［R］.2010.04.

［7］PMC-Sierra Semiconductor.PAS9xxx Product Brief［Z］.2012.02.

［8］Macronix International.MX66L1G45G Datasheet v.1.0［R］.2006：12.

［9］MICRON Technology.2gb_mobile_lpddr2_s4_g69a Datasheet Rev.N［R］.2010.3.

［10］Micrel.KSZ9031RNX Datasheet［R］.2012.04.

［11］應(yīng)旭君.基于嵌入式系統(tǒng)的10G-EPON ONU管理控制模塊的設(shè)計(jì)［D］.浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2007.11.

劉 霞（1974-），女，漢族，湖北陽(yáng)新，就任于武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)，yaoduoqi@163.com。