超低成本CoC - CPE芯片

背景

用于 FTTP 的 PON

PON 一直以來被認(rèn)為是成本最低的光纖到駐地的 (Fiber to the Premise, FTTP) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。運(yùn)營商對 PON 部署的投資預(yù)示著新的直接和長期商業(yè)機(jī)會，可直接為商業(yè)和住宅用戶提供幾乎無限的帶寬和全套的應(yīng)用。PON 技術(shù)繼續(xù)推動成本降低，以實現(xiàn)對新的“三重”業(yè)務(wù)投資的合理回報，如 10 Mbps 互聯(lián)網(wǎng)、多語音線路、傳統(tǒng)電視和全新豐富體驗的 IPTV 與高清晰度電視 (HDTV) 應(yīng)用，以及其他新興的創(chuàng)新應(yīng)用，如交互式游戲和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)等。然而，當(dāng)前 PON CPE 器件的成本必需至少降低 25%，CPE 廠商才能實現(xiàn)公司盈利。
 
成本大幅降低的 GPON 

由于  PON 是無源的，因此接入環(huán)路中沒有任何有源電子器件。這意味著，與其他光纖接入技術(shù)如光纖到路邊和節(jié)點(diǎn) (FTTC 和 FTTN) 相比，運(yùn)營費(fèi)用大大降低，因為網(wǎng)絡(luò)元件更少，因此故障點(diǎn)更少。PON 還消除了對成本昂貴的未來工廠升級和增強(qiáng)的需求。

千兆位 PON (GPON) 是一種低成本、高性能的寬帶光纖技術(shù)，可為 HDTV、VoIP 和 IPTV 等應(yīng)用提供所需的處理能力。GPON 具有前所未有的高位速率支持（最高可達(dá) 2.488 Gbps），同時能夠以內(nèi)在格式和極高效率支持多業(yè)務(wù)傳輸，特別是數(shù)據(jù)和 TDM。2003 年 1 月，ITU-T 批準(zhǔn)了 GPON 標(biāo)準(zhǔn)，稱為 ITU-T 建議 G.984.1、G.984.2 和 G.984.3。圖 1 展示了采用 GPON 的各種 FTTx 實現(xiàn)。

由于 GPON 高線路速率、分流比和高效率，GPON 可實現(xiàn)比其他 PON 技術(shù)，如用于 100 Mbps 用戶服務(wù)的 IEEE 802.3ah EPON 等，節(jié)省成本達(dá) 40%。另外一項成本降低是通過 ITU 關(guān)于 GPON 設(shè)備互操作性的倡議實現(xiàn)的。互操作性提供了普遍性，支持大批量、低成本 PON CPE 的制造。

 

                                             圖 1 – ‘三重’GPON 網(wǎng)絡(luò)圖

第一代 PON CPE 體系結(jié)構(gòu)

第一代 PON CPE 由許多分立器件組成，導(dǎo)致很大的材料單 (BOM) 和制造成本，如圖 2 所示。盡管成本一直都是一個因素，第一代 PON CPE 關(guān)心更多的則是‘贏得業(yè)務(wù)’所需的特性和功能。為了達(dá)到 PON CPE 批量生產(chǎn)的目的，IC 和光器件技術(shù)廠商們進(jìn)一步集成通用功能，以降低成本。

   
                                          圖 2 – 第一代 PON ONT 框圖

光收發(fā)器負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶駐地和中心局 (CO) 之間的物理連接。它以 1490 nm 波長接收數(shù)據(jù)，以 1310 nm 波長發(fā)送突發(fā)通信。還有一個可選的第三波長， 1550 nm，用于模擬視頻廣播。 時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù) (CDR) 器件接收來自光收發(fā)器的串行位流，恢復(fù)作為整個 CPE 參考的時鐘，并將高速串行流轉(zhuǎn)換到低速并行接口。

媒體存取控制器 (MAC) 負(fù)責(zé) PON 系統(tǒng)獨(dú)特的傳輸控制協(xié)議。PON MAC 控制 PON 突發(fā)模式數(shù)據(jù)傳輸。突發(fā)數(shù)據(jù)是從距 CO 不同距離的眾多家庭中發(fā)送出來的。必須使用 CO 中的 OLT（光線路終端器）卡以協(xié)同方式接收上行數(shù)據(jù)，以確保來自每個家庭的數(shù)據(jù)突發(fā)不會相互沖突。下行數(shù)據(jù)是從 CO 向各個家庭播送，此時 MAC 必須過濾去往每個家庭的數(shù)據(jù)。CPE 和 CO 之間的通信線路要求在每個家庭有一個 CPE MAC，在中心局有一個 CO MAC（一個對應(yīng) 64 個家庭）。

ONT 系統(tǒng)芯片 (SoC) 是

負(fù)責(zé)控制 CPE 和向用戶提供數(shù)據(jù)、語音和 IPTV 業(yè)務(wù)的器件。該器件集成了控制處理器、數(shù)據(jù)處理以太網(wǎng)和語音接口。該 SoC 還提供了以太網(wǎng)網(wǎng)橋，以及對 IPTV、OAM&P 和 VoIP 信令的 IGMP 偵聽。其中有些器件還集成了額外的數(shù)據(jù)功能，如增強(qiáng)安全性的 IPSec 、USB 端口和 WiFi 接口。

第二代 PON CPE 體系結(jié)構(gòu)

芯片集成的第一層次已經(jīng)在當(dāng)前的寬帶 PON (BPON) ONT 中實現(xiàn)。例如，BroadLight XN230 器件將 CDR 和 PON MAC 功能集成到一個單一芯片內(nèi)。
       
                                                   圖 3 – 當(dāng)前 BPON ONT

當(dāng)代 PON CPE 體系結(jié)構(gòu)

芯片集成的下一步驟是集成 CDR、PON MAC 和 ONT SoC。這一發(fā)展遵循 DSL 和電纜調(diào)制解調(diào)器等其他接入技術(shù)的發(fā)展道路。PON 領(lǐng)域的基本區(qū)別在于需要高性能處理器的較高包吞吐率。這一階段做得最好的例子之一就是 BroadLight 公司提供的最新 BL2000 器件。這是一款成本很低的器件，配有一個獨(dú)特的包處理器，可以通過微碼以線速處理包，從而對未來特性提供了很大的靈活性。再加上集成的 CDR、一個可用時用于 BPON 和 GPON 的雙 MAC、通用處理器和用戶接口，BL2000 為 PON CPE 創(chuàng)立了一種新的芯片集成標(biāo)準(zhǔn)。圖 4 顯示了當(dāng)前的 PON CPE 體系結(jié)構(gòu)。
                       
                         圖 4 – 下一代PON ONT 框圖

未來 PON CPE 體系結(jié)構(gòu)

上面提到的 CPE 體系結(jié)構(gòu)滿足了當(dāng)前的市場需求，與當(dāng)前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。它支持所有特性并具有卓越的性能。當(dāng)我們考察寬帶技術(shù)（DSL 和電纜調(diào)制解調(diào)器）擁有何等相似的發(fā)展軌跡時，可以清楚地看到，該技術(shù)需要更高級別的 IC 集成、更簡單的裝配和極低成本的生產(chǎn)工藝。這將使 CPE 廠商能夠為市場提供消費(fèi)得起的產(chǎn)品，同時仍能保持合理的利潤。

為了達(dá)到這個目標(biāo)，PON 元件行業(yè)需要沿三個方向發(fā)展：
1. 光器件成本大幅降低
2. 前端模擬集成
3. 數(shù)字部分的高度集成

圖 5 展示了未來 PON CPE 的體系結(jié)構(gòu)。
 
                                          圖 5 – PON CPE 的未來體系結(jié)構(gòu)

從散裝光器件到 PLC 光器件

三重收發(fā)器中目前的波分多路復(fù)用 (WDM) 元件是散裝光元件。該元件需要人工裝配和校準(zhǔn)。它包括一個用于 1310 nm 傳輸?shù)募す舛O管和兩個用于數(shù)字 1490 和模擬 1550 的 PIN 二極管。這三個元件全部被封裝在標(biāo)準(zhǔn)的 TO 罐式封裝內(nèi)。在散裝光模塊的中心有兩個分色鏡 (Dichroic Mirror)，將三個波長分離開。這些分色鏡需手動裝配和校準(zhǔn)，產(chǎn)量很低。

在不久的將來，這種散裝光器件將被一種更好的解決方案所取代，這種方案就是雙向 (BiDi) 芯片。這是一種自動生產(chǎn)的光 IC，擁有與散裝光器件同樣的性能，盡管初期良率較低，但它還是比現(xiàn)有收發(fā)器便宜。這將大大降低光器件的成本，并將使總的 CPE 成本更容易承受。

BiDi 芯片基于波導(dǎo)技術(shù)，這種技術(shù)已經(jīng)成熟并為市場廣泛接受。它通過 V 型槽技術(shù)，實現(xiàn)了三種波長的高效分離。激光二極管、PIN 二極管和跨阻抗放大器 (TIA)（以其管芯形式）自動裝配在襯底上，從而成為一個芯片，而不是舊式的散裝模塊。 

CoC – CPE 芯片

當(dāng)前正在進(jìn)行的一項工作是降低 PON ONT 收發(fā)器模擬前端的成本（一種模擬 IC，將把連續(xù)限幅放大器與突發(fā)模式激光驅(qū)動器集成在單個 IC 上）。但這還不夠。進(jìn)一步的集成是必需的——將所有 PON 專門邏輯與處理器和用戶接口集成到單個 IC 上。這正是 DSL 和電纜調(diào)制解調(diào)器技術(shù)為大眾消費(fèi)得起的原因。通過這種集成，所有 CPE 硅器件將被集成到一個 IC 中，因此稱之為 CPE 芯片 (CoC)。

結(jié)論

PON 市場正在開始其預(yù)期中的批量，越來越多的系統(tǒng)廠商正在將 PON 技術(shù)集成到其現(xiàn)有寬帶平臺，營運(yùn)商也正逐漸進(jìn)行現(xiàn)場試驗和部署。 

隨著PON CPE 功能的清晰明了，內(nèi)部元件將迅速發(fā)展。BiDi 芯片將允許 PON CPE 廠商免除對收發(fā)器的需求，直接與光纖工作。此外，將模擬前端和 PON 控制器集成為 CPE 芯片 (CoC) 還將減少有源元件的數(shù)量和減小 ONT 的尺寸。這將加劇生產(chǎn)廠商之間的競爭，提高 PON 解決方案的吸引力。它將實現(xiàn)支付得起的真正的寬帶。