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15 年前，連接互聯(lián)網(wǎng)最常見的方式是通過模擬調(diào)制解調(diào)器 (我們常說的貓)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電話語音通道發(fā)送數(shù)據(jù)。這種技術(shù)采用已經(jīng)部署的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)雙絞電話線，無需對“最后一英里”技術(shù)做任何更改，因此對用戶來說這種方式非常廉價，并迅速主導(dǎo)了整個通信市場。不用挖路鋪線,不用改變中心局 (CO),這種方式極具吸引力。 “貓”的峰值速度為 56Kbps。為什么是 56Kbps？為什么不再高點？簡單地說：這在“理論上”是不可能的。這種理論局限為 ADSL 技術(shù)的發(fā)展提供了空間。 模擬調(diào)制解調(diào)器使用經(jīng) ITU-T 委員會嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化的已有語音通道。該通道具有限定帶寬（4kHz，包含防護(hù)頻帶），進(jìn)入 Muldex (多路復(fù)用器/解復(fù)用器) 之前在 CO（中心局）進(jìn)行硬件濾波。Muldex 是 CO 中與電話連接的設(shè)備。 可通過 4kHz 模擬通道傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率是多少？這個問題的答案是了解 ADSL 的關(guān)鍵。 正確的答案是：“取決于通道的噪聲級�！敝灰肼暭壸銐虻�，就能以任意比特率進(jìn)行傳輸。實際上，Claude E Shannon更精確地將最大比特率以定量方式與給定通道帶寬和噪聲級進(jìn)行關(guān)聯(lián)�？梢允褂� Shannon 的著名公式： 其中： C ：最大比特率，單位：比特/秒(“容量”)； B ：帶寬，單位：Hz； S/N：通道的信噪比。 ITU-T 規(guī)定了語音通道的帶寬和噪聲級，限定了雙絞電話線的事實最大比特率——56Kbps 非常接近通道容量。 ADSL 沒有使用標(biāo)準(zhǔn)語音通道，而是使用另一種通道，打破了語音通道的 Shannon (香農(nóng))限制。 在電話系統(tǒng)中，每個用戶都通過雙絞線連接中心局，雙絞線的使用時間很短，只在打電話時才會用到，而且僅占用低于 4kHz 的通道帶寬,高于 4kHz 的帶寬顯然未被使用。ADSL 使用未被利用的帶寬，并將低于 4kHz 的通道帶寬預(yù)留用作標(biāo)準(zhǔn)語音通道。用戶可以在進(jìn)行電話語音通話的同時交換數(shù)據(jù)。 ADSL 通道有多寬，噪聲有多大？這方面并未標(biāo)準(zhǔn)化，這也就是為什么每個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器都會在啟動時測量線路噪聲，然后根據(jù)用戶通道情況建立最佳比特率。 每個用戶連接中心局的速度取決于通道本身。用戶可以在家用 ADSL 調(diào)制解調(diào)器的控制面板上讀出線路速率。 ADSL 的確是個非常好的主意。 它能更好地利用已經(jīng)埋在地下的線路，無需對最后一英里做任何修改，而原來的電話還能與新技術(shù)兼容。用戶只需在家里接一個濾波器(即“分離器”)，用以將電話語音帶寬與 ADSL 帶寬分離�？傊�，這種方式簡單且便宜。 中心局中每條線路也配有類似的濾波器。該濾波器將語音通道連接到 Muldex，并將線路的高帶寬部分連接到只處理數(shù)據(jù)的名為 DSLAM（數(shù)字用戶線接入多路復(fù)用器）的新設(shè)備上。電信運營商只需要在每個中心局中靠近每個 Muldex 的位置建立一個 DSLAM，就可向客戶提供 ADSL 服務(wù)。 DSLAM 是具有模擬前端的純數(shù)據(jù)通信設(shè)備。它收集來自廣大用戶集的所有 ADSL 數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)通常會被送到 FPGA，在這里進(jìn)行處理并匯集到以太網(wǎng)鏈路。 高速以太網(wǎng)鏈路通常連接到互聯(lián)網(wǎng)或者經(jīng) SDH 或 OTN 傳輸。ADSL 標(biāo)準(zhǔn)一直不斷演變，而用于連接互聯(lián)網(wǎng)的 DSLAM 的后側(cè)連接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置不同可以有多種選擇：以太網(wǎng)、XAUI、SDH 和 OTN 等。 這些是使用 FPGA 的理想條件，因為可建立完全可編程的后側(cè)連接，并可利用可編程器件達(dá)到不斷發(fā)展演變的 ADSL 標(biāo)準(zhǔn)要求。ADSL 架構(gòu)看起來如此出色，尤其是可以自然地升級電話網(wǎng)絡(luò)，很難想象人們還想要什么......但是，ADSL 有局限性。這就是為什么市場會朝著 PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)發(fā)展。 ADSL 的局限性依然由香農(nóng) (Shannon) 定理決定。使用雙絞線難以使 ADSL 超過 15Mbps。這并非 ADSL 技術(shù)本身的限制，而是從用戶到中心局之間平均距離產(chǎn)生的限制。如果想要更快，我們就必須改變“最后一英里”，同時還要最大程度減少改變最后一英里所需的成本。當(dāng)然，我們可以向每位客戶提供 SDH (傳輸以太網(wǎng)方式)以滿足這些需求，但這種方式太貴了。PON 是解決這個問題的最佳答案，因為該技術(shù)能夠在升級成本、性能以及最后一英里最少返工成本之間實現(xiàn)最佳平衡。 我們來看看 PON 的工作原理。 服務(wù)提供商將一條光纖通到距離客戶半徑幾百米的“路邊”。并非為每個用戶都提供一條光纖,而是使用一條光纖替代數(shù)十條雙絞線。通過無源光纖分配器為每個用戶提供入戶光纖，用戶只能訪問自己的那部分來自中心局的多播數(shù)據(jù)，并受加密算法限制。 在上行方向(圖1所示)，從每個用戶出來的入戶光纖連接到無源分配器，并被多路復(fù)用到連接中心局的單條光纖。中心局內(nèi)負(fù)責(zé)從光纖接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為 OLT（光線路終端）。這種架構(gòu)與 ADSL 完全不同。PON 的優(yōu)勢在于街道上的接線盒子是光學(xué)原理并且仍然是無源的。盒子中不含有源組件。這是 PON 技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢：能幫助提供商將維護(hù)成本降至最低。 圖 1：PON 上行方向 這種方法的劣勢在于服務(wù)提供商必須將原有的雙絞線換成有限數(shù)量的光纖。為降低移植成本，不得不以降低性能為代價，在很多國家 PON 都以混合技術(shù)的形式搭建。用戶通過 ADSL 連接到街邊的接線盒，但從街邊到 OLT 則通過光學(xué)連接。 采用這種混合方案后 ADSL 的速度變快了很多，原因是 DSLAM 距離用戶只有幾百米遠(yuǎn)，而不是在中心局內(nèi)。劣勢在于街邊的混合接線盒現(xiàn)在變成有源的，因為它需要裝載小型 DSLAM。 PON 體現(xiàn)了成本與性能之間的平衡。這并非像老式 56Kbps 調(diào)制解調(diào)器那樣是技術(shù)上的最佳解決方案，但可面向未來擴展。 OLT 還有另一個關(guān)鍵技術(shù)部件：前端。在上行方向，所有用戶都通過無源光纖分配器連接到同一接收器。因此，用戶必須進(jìn)行突發(fā)傳輸，一次傳輸一批，因為用戶共享一條通向 OLT 的光纖。所有突發(fā)傳輸以相同頻率操作，但是采用用戶獨立相位。OLT 接收器在每次突發(fā)傳輸開始會重新同步其采樣相位，以正確接收數(shù)據(jù)。 每次突發(fā)在開端前導(dǎo)碼位置有一個特定模式，它能幫助 OLT 鎖定每次突發(fā)傳輸。OLT 的前端接收器稱為“BCDR”（突發(fā)模式時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)）單元。 增加前導(dǎo)碼時間可以更容易地設(shè)計 BCDR，但較長的前導(dǎo)碼顯然會降低上行帶寬的效率。BCDR 是關(guān)鍵的 OLT 組件。它的效率直接影響 PON 線路的上行效率，進(jìn)而影響 PON 運營商的每比特收入。 對于集成商來說，首要問題是選擇產(chǎn)品。BCDR 只能在 PON 環(huán)境中測試，也就是集成商的產(chǎn)品。不可能先開發(fā)產(chǎn)品，然后驗證 BCDR。如果在開發(fā)周期結(jié)束時我們發(fā)現(xiàn) BCDR 沒有達(dá)到預(yù)期會出現(xiàn)什么情況？ 這就是為什么賽靈思推出以 BCDR 為基礎(chǔ)的框架。連同 BCDR，你可獲得一個具有數(shù)據(jù)包生成器和數(shù)據(jù)包校驗器的完整仿真測試平臺，用于證明 BCDR 的正確運行。 除此之外：該開發(fā)環(huán)境不僅能測試 BCDR；還能給它施壓；發(fā)掘其終極性能。以下是一些實例： ● 生成多個 ONU。 ● 可強制讓 ONU 運行在“錘子”模式，即數(shù)據(jù)包至數(shù)據(jù)包相位越變始終是 UI 的 0.5%。我們想確保 BCDR 完全不受這種波動的影響。 ● 每次多幀數(shù)據(jù)包重啟時，錘子模式下生成的所有數(shù)據(jù)包移動 1 微微秒，以確保 BCDR 的相位檢測器沒有“死”區(qū)。鎖定時間必須始終為 32 位——短而且確定。 ● 還可以在 0-8000+ 之間改變數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼長度，這樣能同時滿足最嚴(yán)格的 ITU.T PON 要求和比較寬松的 IEEE PON 要求。 圖2描繪了XAPP1277中與 BCDR 配套提供的仿真環(huán)境架構(gòu)。該仿真環(huán)境通過腳本運行，無需編寫代碼便可在數(shù)分鐘后看到波形。 圖2：BCDR 配套提供的仿真環(huán)境 對于硬件廠商，軟件壓力測試框架是一個非常好的起點。然而，你可能需要看到硬件工作，而這正是第二個 BCDR 框架的工作；該框架使用針對 Kintex UltraScale FPGA 的KCU1250 特性描述套件。該框架在硬件中不斷生成并檢查數(shù)據(jù)包，以免看到單個比特錯誤或丟失單個數(shù)據(jù)包。 如何使用演示卡模擬 PON 環(huán)境？如何用 1 對 BCDR 進(jìn)行錘子模式測試？ 上行數(shù)據(jù)總是以雙倍速率綜合，而且 TX 串行器總是每個上行比特位生成兩個同樣的比特位。這樣，在架構(gòu)層面，硬件框架可以模擬任意兩個連續(xù)數(shù)據(jù)包之間 0.5UI 的跳變——可在 PON 環(huán)境中發(fā)生的最差情況。硬件框架通過插入任意兩個數(shù)據(jù)包之間最差相位階躍，對 BCDR 施壓。 該框架中的負(fù)載是被截短的 PRBS，在每個數(shù)據(jù)包的定界符之后重新開始。如果 BCDR 跳過數(shù)據(jù)包，你會看到一個負(fù)載錯誤；還可在運行中改變前導(dǎo)碼長度。整個硬件測試臺支持腳本編寫，而且集成有 Vivado 硬件分析器，具備一套控制功能。 除了錘子模式測試、錯誤插入和累積以外，還可在運行中更改很多 SerDes 特性和 BCDR 本身的很多特性，例如數(shù)字帶寬。對于不熟悉 FPGA 技術(shù)的用戶來說，SerDes 配置則是另一個會使他們感到困惑的方面，因此 BCDR 框架提供了使用說明，分步介紹如何配置 SerDes，以幫助用戶設(shè)置 PON OLT 界面。圖3顯示了“ GT（千兆位收發(fā)器）向?qū)?GUI”示意圖，展示框架如何指導(dǎo)配置，以及如何避免硬件復(fù)雜性。 圖3：用于設(shè)置多速率 OLT 界面的 SerDes 配置。 這些技術(shù)使用戶只需通過 GUI 就能選擇好 BCDR 這樣的復(fù)雜產(chǎn)品。原則上，你即使不了解基礎(chǔ)技術(shù)細(xì)節(jié)也能做這些工作。一旦對 BCDR 完成評估，硬件測試臺就會成為啟動真實項目的最佳起點，只需刪除演示數(shù)據(jù)包生成器/檢查器并用真實的 PON MAC 替代這些模塊，即可嵌入 BCDR。 |
