千兆位無源光網(wǎng)絡(luò)詳細解析

在2005年，F(xiàn)SAN(全業(yè)務(wù)接入網(wǎng))組商定了千兆位無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)規(guī)范(見圖1)。此規(guī)范建立了語音、數(shù)據(jù)和視頻具有成本效益的遞交過程，這包括遞交到終端用戶的服務(wù)質(zhì)量。‘first mile’接入技術(shù)采用光纖連接(光纖到用戶系統(tǒng)連接)可增加寬帶內(nèi)容選擇。GPON很可能超過以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)成為未來光網(wǎng)絡(luò)的選擇。

GPON是一個點到多點系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，時分復(fù)用業(yè)務(wù)從光線路終端(OLT)經(jīng)光纖送到光分路器，分路器重復(fù)分路業(yè)務(wù)到專門的相同數(shù)據(jù)流數(shù)。這些數(shù)據(jù)流的每一個直接到遠程光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，ONU提取指定所需的數(shù)據(jù)。在上游其過程與上述相反。

GPON在下游方向所提供的帶寬是上游方向的兩倍(64分路對32分路)。帶寬效率得到很大改善，因為定位的位較少，而更多位用于用戶。效率的改善是GPON技術(shù)的一個主要優(yōu)點，這也為它正在成為數(shù)據(jù)遞交選擇技術(shù)的原因。

鎖定時間

GPON業(yè)務(wù)是異步的，下游規(guī)定為2.488Gbyte/s，上游定義為1.244Gbyte/s。在上游業(yè)務(wù)中，給每個用戶一個傳輸數(shù)據(jù)的時隙。從ONU到OLT的業(yè)務(wù)不是連續(xù)的，由數(shù)據(jù)突發(fā)組成。在上游方向的接收端，為了獲得高速數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)同步和時鐘鎖定。

處理這些高速數(shù)據(jù)突發(fā)所需的鎖定時間，對于GPON是50位時間，而傳統(tǒng)系統(tǒng)允許相當長的鎖定時間(通常幾千位時間)。傳統(tǒng)技術(shù)(如時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)不能用在這些情況下，所以，專門分立突發(fā)模式接收機用來滿足上游數(shù)據(jù)中固有的非常短鎖定時間的要求。然而，這類接收機消耗大量功率，導(dǎo)致占位面積不是最佳，使整個系統(tǒng)成本增加。

延遲和自適應(yīng)

FPGA器件可解決此問題。輸入緩沖器包含適合不同線路條件的專門邏輯。每個可編程I/O單元包含4個可編程I/O(見圖2)。這些I/O的每個I/O都包含專門的邏輯，允許器件補償由每個引腳高達2Gbyte/s性能引起的定時變化。其關(guān)鍵是輸入延遲邏輯和自適應(yīng)輸入邏輯(AIL)。

輸入延遲邏輯功能提供高達128個延遲單元，使輸入數(shù)據(jù)在0.45ps額定延遲。與輸入延遲邏輯相連的所有功能為監(jiān)控和保持輸入時鐘/數(shù)據(jù)相位關(guān)系提供I/O邏輯性能，以保證單個I/O的建立和保持時間。檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變點和延遲數(shù)據(jù)(為了使采樣時鐘沿不在轉(zhuǎn)變點處)，從而正確地鎖定數(shù)據(jù)。此模式是一個自控制閉環(huán)系統(tǒng)，可由FPGA控制。它可跟蹤和補償由壓力、電壓和溫度引起的延遲變化，而這些變化可能導(dǎo)致參量超過整個系統(tǒng)控制范圍。

為了集中在無噪聲環(huán)境下，所有工作都是基于“伸縮窗：(‘sliding window’)原理。此窗取輸入數(shù)據(jù)的多個連續(xù)周期的抽點。為了在任何給定時間采樣，所有數(shù)據(jù)周期都呈現(xiàn)在延遲鏈上。例如，數(shù)據(jù)率為1.25Gbyte/s，則全部7個數(shù)據(jù)周期呈現(xiàn)在延遲鏈中。AIL寄存沿延遲線給定點(取決于窗位置)的9個連續(xù)數(shù)據(jù)位。一個中心分接頭寄存器(見圖3)做為數(shù)據(jù)有效窗的參考點，而周圍的寄存器確定窗寬度。根據(jù)來自延遲分接頭寄存器的反饋，定時通過延遲單元數(shù)(128)的數(shù)據(jù)輸入，選擇數(shù)據(jù)眼最好是無噪聲環(huán)境。

鎖定功能

數(shù)據(jù)有效窗大小做為最壞情況有效周期的函數(shù)是用戶可選擇的。窗大小應(yīng)盡可能的大，而且最大總是小于最壞情況下有效數(shù)據(jù)周期。數(shù)據(jù)采集最壞情況起始位置是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變周期內(nèi)對準AIL時。在窗內(nèi)采樣到中心分接頭寄存器的左右寄存器的數(shù)據(jù)位，基于這些采樣，AIL開始以90ps步長進行搜索(圖4)。

所示的3個寄存器是：中心分接頭寄存器，取樣L寄存器和取樣R寄存器。在開始狀態(tài)取樣R寄存器是0、中心分接頭寄存器可以是1或0，取樣L寄存器是1。隨著AIL進行3步，當所有寄存器都示為1時，實現(xiàn)鎖定。這是在無噪聲環(huán)境和數(shù)據(jù)可靠情況下。

一旦搜索開始，AIL繼續(xù)單方向進行，因為這可防止噪聲環(huán)境下造成鎖定。當檢測到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，AIL繼續(xù)跟蹤由低速抖動/漂移、壓力、電壓和溫度變化引起的偏差，從而簡化數(shù)據(jù)恢復(fù)問題。

高性能器件

有些器件不僅僅包含工作在2Gbyte/s的高速并行I/O，而且也兼有FPGA結(jié)構(gòu)和32個通道(工作在3.8Gbyte/s)。這與先進的嵌入式物理編碼子層相接合，為高速通信協(xié)議提供一個靈活的平臺方案。一些器件提供多結(jié)構(gòu)ADIC單元，每個單元包含低功率高性能所需的50K ASIC型的門。

這些前置工作ASIC單元，使性能最大化地快速上市。它們包含GbE和10G Ethernet用的IP、SP14.2接口和存儲器控制器等。這些特性使這些器件的SC/M家庭適合集成GPON方案(如實發(fā)模式接收機功能)，用一個FPGA做為復(fù)雜問題的單片系統(tǒng)方案。這比其他分立方案節(jié)省板面積50%~80%，節(jié)省功率4~8倍。

GPON參考設(shè)計可免費從Internet下載，參考設(shè)計為上游GPON業(yè)務(wù)終端展示可用的方案。此設(shè)計產(chǎn)生具有44位報頭和一個信頭(包含可編程定界符和長度半幀)的GPON幀。它可以仿真多ONU和在1幀內(nèi)產(chǎn)生多分組突發(fā)。(彭京湘)

圖1 GPON功能框圖

圖2 FPGA輸入邏輯

圖3 伸縮數(shù)據(jù)有效窗

圖4 實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖定