VDSL及以太網(wǎng)寬帶接入

陳旻
　　摘要：首先回顧了寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，然后介紹了ＶＤＳＬ和以太網(wǎng)交換這兩種技術(shù)的現(xiàn)狀，著重分析了它們的基本工作原理和設(shè)計思想。最后以億恒公司的芯片解決方案為例，為采用ＶＤＳＬ和以太網(wǎng)交換的寬帶接入系統(tǒng)給出了一種功能完整的實(shí)現(xiàn)方法。



　　關(guān)鍵詞：寬帶接入，ＶＤＳＬ，10BaseS，以太網(wǎng)交換機(jī)，ＡＲ2224



　　一、寬帶接入技術(shù)的發(fā)展



　　近年來，Internet異軍突起，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)迅猛增長。世界各國都在致力于發(fā)展信息網(wǎng)絡(luò)，中國也把網(wǎng)絡(luò)通信作為優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。隨著中國對骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容，Internet用戶發(fā)展十分迅速，視頻點(diǎn)播（VOD）、實(shí)時遠(yuǎn)程教學(xué)等高速業(yè)務(wù)如雨后春筍般出現(xiàn)，但接入網(wǎng)卻成了Internet發(fā)展的瓶頸。



　　目前，56K Modem，ISDN技術(shù)是最為成熟的接入技術(shù)，但它們都屬于窄帶接入的范疇。寬帶接入方面，利用同軸電纜的Cable Modem技術(shù)和利用現(xiàn)有電話線的xDSL技術(shù)正在快速發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。由于它們具有窄帶接入不可比擬的帶寬和對多業(yè)務(wù)的支持，將成為未來幾年里接入技術(shù)的首選方案。為了利用已經(jīng)在銅線上作出的巨大投資，全球各電話公司紛紛選用xDSL作為爭奪Internet接入市場的有力武器與Cable Modem競爭。這使得xDSL成為當(dāng)前最熱門的技術(shù)之一，引發(fā)了大量的通信設(shè)備制造商和芯片供應(yīng)商爭先恐后地生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品與市場競爭。



　　與xDSL相比，寬帶接入系統(tǒng)中的另一關(guān)鍵產(chǎn)品－－以太網(wǎng)交換機(jī)市場競爭更加劇烈。在包交換技術(shù)中，以太網(wǎng)交換由于具有簡單易用、發(fā)展成熟和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，再加上快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)等新技術(shù)迅速崛起，已取代ＡＴＭ交換技術(shù)成為ＬＡＮ領(lǐng)域的贏家。這種基于包交換的通信技術(shù)比傳統(tǒng)的時分電路交換具有數(shù)據(jù)連接永遠(yuǎn)存在、機(jī)動靈活的優(yōu)勢，并且可大量節(jié)省線路成本，非常適用于寬帶接入領(lǐng)域。



　　二、VDSL 的技術(shù)特性



　　xDSL是指利用現(xiàn)有銅纜用戶線中的一對雙絞線來提供雙向傳輸業(yè)務(wù)的一系列技術(shù)。目前市場份額最大的是非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）和ADSL基礎(chǔ)上開發(fā)的甚高比特率數(shù)字用戶線（VDSL）。



　　1.性能



　　ADSL系統(tǒng)在下行方向傳送高速數(shù)字信號，而上行方向工作在較低速率。ADSL采用1.5Mbit/s速率時可以在0.4mm和0.5mm線徑的雙絞線上分別傳3.6km和5.5km，若采用6Mbit/s速率，傳輸距離也能達(dá)到3.6km（0.5mm線徑）。在這樣的性能下，圖像質(zhì)量最多只能達(dá)到盒式錄像機(jī)的水平。鑒于此，近年來人們又進(jìn)一步開發(fā)了VDSL。按其當(dāng)前產(chǎn)品的水平，它在雙絞線上的單向速率可高達(dá)26Mbit/s，而且還可配置為對稱模式，使上下行速率均為13Mbit/s(0.5mm線徑，傳輸距離1.3km)。由于VDSL提供了更大的帶寬，所以可以滿足更多的業(yè)務(wù)需求，包括傳送高保真音樂和高清晰度電視、多通道純MPEG2信息流，是真正的全業(yè)務(wù)接入手段。另外，VDSL的速率與以太網(wǎng)速率非常接近，完全可以作為以太網(wǎng)的延伸，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離在1km以上的“大以太網(wǎng)”。有理由相信，VDSL的應(yīng)用前景非常光明，會成為DSL技術(shù)發(fā)展的又一亮點(diǎn)。



　　2.調(diào)制技術(shù)



　　VDSL之所以有更高的接入速率和抗干擾能力，主要應(yīng)歸功于采用了先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)。目前，關(guān)于VDSL的標(biāo)準(zhǔn)有兩種，一種支持正交幅度調(diào)制，另一種支持離散多音頻調(diào)制。下面以前一種為例對VDSL的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行簡要的說明。



　　正交調(diào)幅是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)，基本方法是將數(shù)據(jù)分解成兩個半速數(shù)據(jù)流，然后再調(diào)制出兩個數(shù)據(jù)流再進(jìn)行檢測。這種方式頻譜利用率高，設(shè)備也不太復(fù)雜，VDSL收發(fā)信機(jī)通常采用這種調(diào)制方式。它的輸出功率譜密度一般不超過-60dBm/Hz。



　　3.頻譜分配



　　VDSL采用頻分復(fù)用方式進(jìn)行通信，即上行和下行使用不同的頻率范圍。通常頻譜分配如下（以QAM為例）：下行0.9-3.4MHz；上行4.0-7.75MHz。其它常用的低頻業(yè)務(wù)，如ISDN（128，144kbit/s），普通電話POTS(8kbit/s)，甚至ADSL（1.0104Mbit/s），完全可以和VDSL同時在一對線上傳送。一般情況下，這兩個頻帶的中心頻率和帶寬都可以調(diào)整。這些數(shù)值與QAM的星座數(shù)（又稱狀態(tài)數(shù)）及分割因數(shù)（指每碼元所含比特數(shù)）一起，一旦由設(shè)備配置確定，就可以決定VDSL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。



　　三、快速以太網(wǎng)交換機(jī)



　　今天的以太網(wǎng)事實(shí)上幾乎成了企業(yè)規(guī)模局域網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)。它源自IEEE802.3(10Ｍ)標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)展出一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括802.3U（10M/100M自適應(yīng)）、802.3x（全雙工）、802.3z（1000M）等。不過，這些標(biāo)準(zhǔn)的基本工作原理是不變的，它們都采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)來避免沖突實(shí)現(xiàn)通信。每個通信節(jié)點(diǎn)的工作原理可描述如下：



　　1）如果線路空閑，則可隨時發(fā)送數(shù)據(jù)；



　　2）如果線路忙，等待一段時間后再發(fā)送；



　　3）如果與別的節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，暫時放棄發(fā)送，等待一段時間后再回到第一步。



　　早期的以太網(wǎng)設(shè)備主要使用集線器，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的通信包都需要在集線器的所有端口上廣播，所以帶寬指標(biāo)并非獨(dú)占而是共享。而以太網(wǎng)交換機(jī)是一種在第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層上工作的交換設(shè)備，它和集線器最大的不同在于能夠自學(xué)習(xí)每個包的源地址和目的地址，并能動態(tài)建立一張轉(zhuǎn)發(fā)路徑表，由此使各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包只在相對應(yīng)的端口中發(fā)出而無須每次都廣播，帶寬指標(biāo)是獨(dú)占而非共享，這樣就極大地提高了通信效率和安全性。



　　以太網(wǎng)交換機(jī)的核心技術(shù)是交換芯片，但網(wǎng)管軟件同樣重要。在目前的寬帶接入系統(tǒng)中，對交換機(jī)管理的要求越來越高，這些要求主要包括：對虛擬專用局域網(wǎng)（VLAN）、端口禁用/啟用、業(yè)務(wù)優(yōu)先級區(qū)分（CoS）、端口分組管理、流量控制以及簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控協(xié)議（RMON）等管理軟件給予支持。交換芯片對這些管理功能的支持固然是前提，但開發(fā)一個針對特定管理要求的管理軟件仍然是一項艱巨的工程，往往需要使用一個成熟的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的作為平臺。



　　四、VDSL和以及網(wǎng)交換技術(shù)的實(shí)施方法



　　德國半導(dǎo)體公司億恒科技是在歐洲排名前三位的集成電路供應(yīng)商，擅長研發(fā)有線通信方面的芯片。隨著寬帶市場的蓬勃興起，億恒適時地推出了10BaseS VDSL套片和ＡＲ2224以太網(wǎng)交換芯片以滿足制造寬帶通信設(shè)備的需要。



　　1、10BaseS 是一種用VDSL技術(shù)在雙絞線上傳輸以太網(wǎng)幀的芯片組解決方案。





　　圖1是一個10BaseS 調(diào)制解調(diào)器的功能框圖，簡稱為10BaseS 物理層。它由數(shù)據(jù)芯片ＰＥＢ22822、模擬芯片ＰＥＢ22811、放大芯片ＰＥＢ22810和混合線圈無源模塊四部分組成。



　�。校牛�22822是10BaseS 芯片組中最主要的，它可以產(chǎn)生基于QAM的VDSL數(shù)字信號。該芯片本身支持以太網(wǎng)通用接口－－－傳輸媒體無關(guān)接口（MII）和其派生接口－－簡化的ＭＩＩ（ＲＭＩＩ）與串行的ＭＩＩ（ＳＭＩＩ），可以與一般的以太網(wǎng)物理層芯片或支持標(biāo)準(zhǔn)接口的以太網(wǎng)交換芯片連接。它可以被分別配置為局端和用戶端模式：按局端工作時，ＰＥＢ22822的以太網(wǎng)接口工作在物理層模式，與工作在媒體訪問控制層（MAC）的交換芯片的ＭＩＩ接口相互通信；按用戶端工作時，PEB22822以太網(wǎng)接口工作在MAC模式，與工作在物理層的以太網(wǎng)物理層芯片的ＭＩＩ接口相互通信。芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與VDSL數(shù)據(jù)幀格式的相互轉(zhuǎn)換，這樣就能使以太網(wǎng)通過VDSL技術(shù)在雙絞線上延伸。在控制方面，PEB22822內(nèi)部集成了一個單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的操作和監(jiān)控，而標(biāo)準(zhǔn)軟件由集成電路供應(yīng)商提供，無須自己編寫。另外也可以通過芯片內(nèi)部的串行接口由pc進(jìn)行控制。



　�。疲牛隆�22811是基于ＱＡＭ的ＶＤＳＬ模擬前端，ＶＤＳＬ系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)主要由它來完成。芯片內(nèi)部不同的工作模式以及可調(diào)的濾波器可以支持對頻帶參數(shù)、ＱＡＭ的星座數(shù)與分割因數(shù)的靈活配置，從而可以根據(jù)各種寬帶接入的要求來選擇不同的上下行數(shù)據(jù)速率。



　　放大芯片ＰＥＢ22810起線路驅(qū)動作用，是在雙絞線上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送所需的放大電路。以上這三顆芯片相互配合，構(gòu)成10BaseS 芯片組。10BaseS ＰＨＹ的另一部分是混合線圈無源模塊。模塊中分離濾波器的作用是抑制電話等低頻業(yè)務(wù)中的高頻諧波，混合線圈實(shí)現(xiàn)2線和4線的轉(zhuǎn)換�；旌暇�圈和傳輸線之間一般還有用于抑制上下行頻帶相互間諧波干擾的高通和低通濾波器。從用戶端來看，因為上行數(shù)據(jù)使用高頻頻帶而下行數(shù)據(jù)使用低頻頻帶，所以發(fā)送上行數(shù)據(jù)加高通濾波器，接收下行數(shù)據(jù)則加低通濾波器。而局端則正相反，發(fā)送接口加低通濾波器，接收接口加高濾波器。



　　10BaseS ＰＨＹ是通信設(shè)備的核心，它既可以用于局端，為以太網(wǎng)交換芯片增加ＶＤＳＬ接口從而擴(kuò)展以太網(wǎng)范圍，也可以用于用戶端，設(shè)計以以太網(wǎng)接口作為終端接口的ＶＤＳＬ調(diào)制解調(diào)器，使用非常靈活。



　　2.基于ＡＲ2224的以太網(wǎng)交換機(jī)



　�。粒�2224的全稱是Ardent2224，是支持網(wǎng)絡(luò)管理功能的高端交換芯片，它共有24個10Ｍ/100Ｍ自適應(yīng)以太網(wǎng)端口，可以和各種多通道以太網(wǎng)物理層芯片或ＰＥＢ22822這樣支持以太網(wǎng)終端接口的芯片通過ＭＩＩ相連接。此外另有2個1000M端口，可用于連接上級高速數(shù)據(jù)通道，也可連接其它的交換芯片以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的堆疊。芯片帶有一個32位的通用ＣＰＵ接口和一個串行接口，分別用來連接作為管理平臺的32位嵌入式精簡指令集計算機(jī)（ＲＩＳＣ）ＣＰＵ或普通的8051單片機(jī)，在它們之上運(yùn)行或復(fù)雜或簡單的軟件，從而實(shí)現(xiàn)特定的管理要求。ＡＲ2224還帶有符合ＰＣ100規(guī)范的同步ＤＲＡＭ接口和同步ＳＲＡＭ接口，通過這兩個接口擴(kuò)展外部存儲器可以緩存信息包和ＭＡＣ地址表。另外對于第三節(jié)中所提及的管理功能，ＡＲ2224基本上都給予支持。



　　3.整體系統(tǒng)參考設(shè)計



　　在智能小區(qū)中設(shè)計一個采用以太網(wǎng)和ＶＤＳＬ技術(shù)的寬帶接入系統(tǒng)是很復(fù)雜的，往往要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)和環(huán)境在技術(shù)上做不同的處理。圖2是一個整體系統(tǒng)參考設(shè)計方案，實(shí)際設(shè)計中還需對它進(jìn)行裁減。





　　可以看出，交換芯片的24個10Ｍ/100Ｍ自適應(yīng)以太網(wǎng)端口有8個和8路10BaseS ＰＨＹ芯片組相連，每個端口都可通過ＶＤＳＬ技術(shù)在雙絞線上與遠(yuǎn)程用戶終端通信。另外16個與2個8通道物理層芯片相連，支持16個10Ｍ/100Ｍ自適應(yīng)以太網(wǎng)端口。這樣就形成了包括16個本地以太網(wǎng)終端和8個遠(yuǎn)程用戶終端的交換式以太網(wǎng)絡(luò)。



　　五、系統(tǒng)設(shè)計中的幾點(diǎn)說明



　　1.前端混合線圈與濾波器



　　雙絞電話線在一個頻段上只能傳送一個方向的信號。為了雙向通信，上下行信號只能在雙絞線上分處不同的頻段。但調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常只用1個頻率源來提供載波，這使得上下行信號工作在一個頻段，從而必須要2對線（即4線）才行。2/4線轉(zhuǎn)換的功能要依靠前端混合線圈實(shí)現(xiàn)，它和分離器、濾波器一樣都是無源器件，理論上它們都可以由繞制電感線圈或用電容電阻的相應(yīng)電路來完成。不過，由于ＶＤＳＬ的頻率較高，設(shè)計性能理想的電路不是一件容易的事。一般建議使用第三方廠商專為特定的ＶＤＳＬ芯片組設(shè)計的專用模塊，比如英國ＡＰＣ公司為10BaseS 定做的ＡＰＣ77101（分離器）和ＡＰＣ77112，ＡＰＣ77110（高通低通濾波器+混合線圈）。這種方法集成度比較高，性能也有保障，但成稍高。



　　2.交換機(jī)管理軟件平臺及其結(jié)構(gòu)



　　全功能以太網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件需要在32位嵌入式ＲＩＳＣ�。茫校丈线\(yùn)行，這種ＣＰＵ目前有很多種選擇，比如摩托羅拉的ＭＰＣ860或ＡＲＭ系列，都是很成熟的產(chǎn)品。比較麻煩的是操作系統(tǒng)，以太網(wǎng)交換機(jī)的操作系統(tǒng)不僅要求支持ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧和各種網(wǎng)管功能，而且還要有很強(qiáng)的實(shí)時性，并且嵌入式的硬件平臺決定了它不能占用太大的空間，所以自己從零開始研制開發(fā)是不現(xiàn)實(shí)的。盡管有人提出使用自由軟件Linux的實(shí)時版，但這種方法的可靠性和安全性都得不到保證，市場上幾乎看不到真正用它做的商業(yè)產(chǎn)品�？尚械霓k法是選用一個商業(yè)化的成熟產(chǎn)品，圖3以Windriver公司的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)VxWorks和網(wǎng)管平臺ＴＭＳ為例介紹用這種辦法開發(fā)管理軟件的流程。





　　網(wǎng)管平臺ＴＭＳ是利用VxWorks提供的操作系統(tǒng)編程接口開發(fā)的，圖3給出的ＴＣＰ／ＩＰ上的管理功能只是ＴＭＳ軟件包的一部分，實(shí)際設(shè)計時可根據(jù)需要增加或減少。用戶也可根據(jù)ＴＭＳ提供的應(yīng)用程序接口（ＡＰＩ）來編寫自己的管理程序。VxWorks下的交換機(jī)支持軟件包（ＳＳＰ）是專為各種主流的交換芯片組開發(fā)的驅(qū)動程序，它把低層功能抽象出來，使用戶無須考慮硬件細(xì)節(jié)。這種方法使軟件工作大大簡化，保證設(shè)計得以順利完成。



摘自《現(xiàn)代電信科技》2002.3