無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）需要FPGA設(shè)計(jì)的支持

FPGA技術(shù)、低成本光學(xué)器件以及無源架構(gòu)都為無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)以及這些網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)做出了巨大貢獻(xiàn)。系統(tǒng)級OEM廠商不斷發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA能夠提供技術(shù)性設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢，特別是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的中心局(CO)基礎(chǔ)設(shè)施端。

2002年之前，低性能的FPGA主要用于原型創(chuàng)建工具。而如今的FPGA具有強(qiáng)大的性能和豐富的功能，能更好地滿足日益提高的PON設(shè)計(jì)需求。另外，更低設(shè)計(jì)成本、靈活和可擴(kuò)展的FPGA對于競爭激烈的無源光網(wǎng)絡(luò)市場來說也是關(guān)鍵。

PON是點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)光纖到駐地(FTTP)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，也常被定義為光纖到路邊(FTTC)和光纖到家庭(FTTH)。在PON定義中采用了FTTP或CPE(用戶駐地設(shè)備)。通過無需供電或無源的光分離器，單路光纖可以服務(wù)于多個(gè)駐地。分離器通常為32路，不過有時(shí)會多達(dá)64路。一個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)位于業(yè)務(wù)提供商中心局的光線路終端(OLT)和眾多的光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)，后者也被稱為進(jìn)入駐地的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。

下行的OLT信號以廣播方式送到共享一根光纖的各個(gè)ONT。目前的PON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下行的數(shù)據(jù)率高達(dá)2.5Gb/s(Gbps)。上行信號則利用時(shí)分多路(TDM)技術(shù)組合在一起。與數(shù)字用戶線(DSL)或電纜相比，PON具有無可比擬的帶寬優(yōu)勢，可以提供高速三重播放業(yè)務(wù)(語音，視頻和數(shù)據(jù))。

根據(jù)Infonetics的預(yù)測，到2010年，北美和亞太地區(qū)PON用戶的年度復(fù)合增長率可高達(dá)150%。吉比特PON(GPON)在北美正在取得強(qiáng)勁的增長，而以太網(wǎng)PON (EPON)主要用在日本。日本政府的津貼政策正在推動(dòng)PON市場的逐年增長，而中國正在仔細(xì)權(quán)衡EPON和GPON的優(yōu)劣。

寬帶PON(BPON)或者國際通信聯(lián)盟(ITU-T) G.983x是流行的美國PON標(biāo)準(zhǔn)。其最大下行數(shù)據(jù)速率為622Mb(Mbps)，上行數(shù)據(jù)率為155 Mbps。安裝在光纖鏈路中的無源分離器允許一根光纖最多連接64個(gè)家庭。今年，GPON或ITU-T G.984，即BPON的演進(jìn)版本，有望進(jìn)入更多的美國家庭。它支持TDM和分組數(shù)據(jù)，下行和上行數(shù)據(jù)率最高分別可達(dá)2.5 Gbps和1.24Gbps。GPON的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是無需增加IP就能支持交換式數(shù)字視頻和原有的TDM語音。

成本敏感性

不管哪種標(biāo)準(zhǔn)，用于提供寬帶接入的PON系統(tǒng)具有高度的成本敏感度。DSL是目前使用最為廣泛的寬帶接入技術(shù)。由于具有龐大的用戶數(shù)量，DSL為每端口設(shè)置了極低的成本標(biāo)桿。因此，DSL對PON提出了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)。不過PON系統(tǒng)在過去兩年里在降低成本和增強(qiáng)功能方面也取得了長足的發(fā)展。

隨著PON市場的發(fā)展，系統(tǒng)級OEM廠商和運(yùn)營商正密切關(guān)注其成本的降低，尤其是OLT的成本。在ONT側(cè)，數(shù)量有望增加到百萬臺，因?yàn)镻ON將為數(shù)以百萬計(jì)的駐地提供服務(wù)。許多ASIC和ASSP供應(yīng)商盯上了ONT，并提供各種芯片產(chǎn)品。由于ONT是一個(gè)量很大的市場，ASIC和ASSP芯片廠商能夠幫助降低成本，從而幫助系統(tǒng)級OEM和運(yùn)營商提供較低的價(jià)格。

另一方面，OLT系統(tǒng)數(shù)量為數(shù)萬臺而非數(shù)百萬臺，故成本較高。例如，PON家用調(diào)制解調(diào)器的成本為100到300美金，而PON網(wǎng)絡(luò)中OLT系統(tǒng)的成本則高達(dá)10000美金。實(shí)際上，OLT的成本對運(yùn)營商來說極為關(guān)鍵，因此大都集成了多端口線路卡，可以處理越來越多的駐地?cái)?shù)量。

OLT線路卡的期望數(shù)量在可預(yù)見的未來將保持在中等到較低的水平，這有兩個(gè)原因。首先，64個(gè)ONT只需要一個(gè)OLT，其次，每個(gè)OLT線路卡可以支持4到8個(gè)OLT端口。于是，OLT線路卡的數(shù)量和所用的元器件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于大批量的ONT設(shè)備。

設(shè)計(jì)復(fù)雜性使成本問題更加嚴(yán)重。PON OLT和ONT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)共享的媒體架構(gòu)，這為系統(tǒng)OEM設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn)。由于PON標(biāo)準(zhǔn)中采用了TDM技術(shù)，因此OLT和各個(gè)ONT之間的交互非常復(fù)雜。TDM用來共享不同駐地間的容量。早期的PON標(biāo)準(zhǔn)使用靜態(tài)TDM，因此每個(gè)駐地接收相同的容量。

但是，最新的PON標(biāo)準(zhǔn)要求能夠根據(jù)駐地的需求變化，為不同的駐地動(dòng)態(tài)分配容量。這種動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)功能需要利用ONT和OLT之間傳送的信令通知OLT每個(gè)ONT所需的容量。OLT也需要將分配的容量通知給每個(gè)ONT。該協(xié)議基于從ONT到OLT的請求消息。OLT確定最佳的容量分配，并用確認(rèn)消息予以響應(yīng)。

另外，與較簡單的點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)端口不同的是，由于存在動(dòng)態(tài)TDM要求，PON端口是一種更復(fù)雜的P2MP。因此OLT端口必須在多個(gè)ONT駐地之間進(jìn)行連續(xù)切換。每個(gè)ONT分配得到32或64個(gè)可用時(shí)隙中的一個(gè)與OLT進(jìn)行交互通信。OLT必須快速且連續(xù)地依次鎖定到每個(gè)ONT數(shù)據(jù)流上，用的是眾所周知的突發(fā)模式。為了支持這一極快的鎖定方案，需要一個(gè)高度專用的媒體訪問控制器(MAC)、串行/解串器(SerDes)以及時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)功能。為了協(xié)調(diào)對每個(gè)ONT的訪問，PON MAC尤其重要。

圖1：DSL和PON拓?fù)涔泊妗?/P>

基于FPGA的設(shè)計(jì)

針對上述背景，系統(tǒng)級OEM廠商在實(shí)現(xiàn)低成本和高效的OLT設(shè)計(jì)方面可選擇性很少。一種方法是選用ASIC技術(shù)。但這種方法的投資成本極高。由于一些原因，ASSP也無法較好地實(shí)現(xiàn)。ASSP在支持PON演進(jìn)需求方面的靈活性有限，缺乏設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性，并且功耗隨著時(shí)鐘速率的升高而升高。ASSP在提供可競爭的差異化產(chǎn)品方面的能力也很有限，還面臨著器件停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，擁有成本也越來越高，上市時(shí)間較長。

然而，F(xiàn)PGA卻能為OLT的設(shè)計(jì)提供低成本高效率的開發(fā)平臺。當(dāng)設(shè)計(jì)無縫移植到結(jié)構(gòu)化ASIC進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)成本還能進(jìn)一步降低。這種方法由于省去了大型且耗時(shí)的ASIC開發(fā)，系統(tǒng)OEM廠商可以省去較大的成本，并縮短上市時(shí)間。

像Stratix這類FPGA器件，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)和集成主要的OLT線路卡功能(見圖2)提供所需的高性能邏輯。而且，F(xiàn)PGA也是用于實(shí)現(xiàn)CO OLT或者ONT用戶駐地端EPON和GPON MAC的可選技術(shù)。另外，可以在一片F(xiàn)PGA中集成PHY和MAC，從而在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)虛擬線路卡。FPGA中先進(jìn)的高效率內(nèi)核矩陣基于的是被稱為自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)的創(chuàng)新邏輯單元。

圖2：OLT線路卡采用的分布式與集中式架構(gòu)的比較