无源光网络EPON系统的设计.docx
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无源光网络EPON系统的设计
无源光网络EPON系统的设计
摘要:
以以太网技术基础的以太无源光网络(EthemetPassiveOpticalNetwork)是未来实现宽带、多业务综合zheg接入的重要技术手段。
EPON系统典型的拓扑结构是点到多点,下行是点到多点的广播,而上行是多点到点的信道复用。
EPON系统采用局端机(OLT)一用户端机(OLT)两级结构,中间由无源光分配网络完成下行光功率分配和上行光耦合。
EPON系统OLT位于系统的中心交换局侧,是整个系统的管理控制中心与交换引擎,对上要完成连接骨干城域网以及加载语音、数据、视频等各种业务,对下要实现多点控制协议,完成EPON系统的配置、控制与管理以及数据交换功能。
局端机通过基于802.3ah的标准接口连接OLT与ONU。
它综合了无源光网络(PON)技术和以太网技术二者的优点,以其高带宽、低成本、易使用、易升级、低维护费用的优良特性成为接入网的最佳选择。
为了缩短开发周期,我们选用了一种已经投入生产的EPON系统MAC芯片来组建系统。
该芯片符合802.3ah标准并且提供了多种接口,使得开发出的系统能很好的解决目前接入网的需求。
本文在讨论了EPON的相关背景知识的基础上,提出了EPON系统总体方案设计,提出EPON系统中软硬件的功能定位,设计出了OLT、ONU的功能框图,详细描述了EPON系统设备的硬件设计方法以及实现,并给出了OLT、ONU的原理图设计和PCB设计,着重介绍了嵌入式子系统中AT91RM9200以及相关外围电路的原理以及设计方法,同时还着重描述了EPON系统MAC芯片的结构原理以及在本系统中的设计应用,还提出了一种可以实现多种控制管理功能的ONU设备的方案。
最后,给出了OLT和ONU的PCB设计与实现。
关键词:
以太无源光网络(EPON)光线路终端(OLT)光网络单元(ONU)光配线网(ODN)
PONEPONSYSTEMDESIGN
Abstract:
BasedontheEthernettechnology,EthemetPassiveOpticalNetwork(EPON)istheveryimportanttechnicalinstrumentthatcarriesouttheboardbandandallkindsofservicesinthefuture.TheEPONnetworkincludesopticallineterminal(OLT)andopticalnetworkunit(ONu).OnusessharetheOpticalDistributionNetwork(ODN)trunkfiberbacktotheCentralOffice.TheOLTresidesintheCO(POPorlocalexchange).TheOLTsystemwouldtypicallybeanEthernetswitchandMediaConverterplatform.AndtheOLTsystemwouldperformPONsystemconfiguration、controlandnetworkmanagement.ThenetworkinterfaceoftheOLTistypicallyconnectedtotheIPnetworkandbackboneofthenetworkoperator.Throughthisinterface,multipleservicesareprovidedtotheaccessnetwork.AnEPONinterface,basedon802.3ah,willconnecttheOLTtothesubscribers.Ithasthegoodcharacteristicssuchasbroaderband,lowercost,easierusedandupgraded,lowermaintenancecharge,andaccordingtothis,itwillbethebestchoiceoftheaccessnetwork.ForthesakeofshortenR&Dcycle,wechoseakindofEPONsystemMACchiptobuildthesystem.Thischipisaccordwiththestandardof802.3ah,andprovidedifferentinterface.ThesystemcanresolvetherequirementoftheacCeSSnetwork.Inthedissertation,afterthebackgroundofEPONsystemisdiscussed,anEPONsystemstructuredesignismentioned.AndthenthefunctionlogicoftheOLTandtheONUarediscussed,thehardwaredesignandimplementationoftheEPONsystemaredescribed,theschematicdesignandthePCBdesignofOLTandONUarealsosubmit.Inthischapter,wefocusonthetheoryoftheAT91RM9200anditsperipheralcircuitwhichconstitutedtheSubEmbeddedCPUSystem.ThenthestructuretheoryofEPONsystem’SMACchipandtheApplicationdesignwithitaredepicted.AndakindofONUequipmentwhichcanimplementseveralcontrolmanagementfunctionisalsointroduced.Intheend,thePCBdesignandimplementationofOLTandONUaresubmit.
Keywords:
EthemetPassiveOpticalNetwork(EPOrO,OpticalLineTermination(OLT),OpticalNetworkUnit(ONU),DynamicBandwidthAllocation(DBA)
图形列表
图1-1接入网的定义.........…………………………………………………………………………….……….…………...1
图2-1EPON系统结构图..…………………………………………………………….……………..…..…….……………..7
图2-2EPON系统软件总体结构图…………………….………………………….………………………………….10
图2-3EPON网元管理系统结构图…………………………………………………….……………………….………….12
图3-1OLT系统硬件框图.............................................................................................................16
图3-2HOST子系统基本模块示意图……………………………………………………..……………….………………17
图3-3AT91RM9200内部结构图..……………………………………………………………………….……………….18
图3-4内存接口的数据总线拓扑………………………………………………………..………………….……….……..20
图3-5内存接口的地址总线拓扑……………………………………………………..………..………………...………..21
图3-6内存接口的读控制逻辑.....................................................................................................21
图3-7内存接口写控制逻辑.........................................................................................................21
图3-8内存接口的片选.................................................................................................................21.
图3-9中断路径…………………………………………………………………………….………………….……………………..22
图3-10复位路径…………………………………………………………………………...……………..………………………..23
图3-11Host接口电路图..............................................................................................................27
图3-12中断执行算法流程图…………………………………………………………………………………….……………29
图4-1ONU硬件框图....................................................................................................................34.
图4-2基于EPON的组网方案结构图……………………………………………….…………………………………….36
图4-3新的EPON解决方案结构图……………………………….………………………………………………………..37
图4-4用户端设备结构框图......…………….…………………………………………………………………………..37
图5-1HOST子系统PCB图..........................................................................................................40
图5-2OLT子系统PCB图.............................................................................................................41
图5-3ONU设备PCB图.........…………………………………………………………………….………………..…….……41
图5-4OLT实物图………………………………………………………………………………………………………..…….……42
图5-5ONU实物图........................................................................................................................42.
缩略字表
ADSLAsynchronousDigitalSubscriberLine不对称数字用户线
APONATMPassiveOpticalNetworkATM无源光网络
ATMSynchronousTransferMode异步传递模式
CATVCommunityAntennaTelevision共天线电视
CDMACodeDivisionMultipleAccess码分多址
CMCableModeI电缆调制解调器
DBADynamicBandwidthAllocation动态带宽分配
DSLDigitalSubscriberLine数字用户线
EFMEthemetjntheFirstMile以太网的第一英里
EPONEthemetPassiveOpticalNetworks以太网无源光网络
FTTHFiberT0111eHome光纤到家
FSANFullServiceAccessNetwork全业务接入网
GMIIGigabitMediaIndependentInterface吉比特媒质无关接口
GPONGigabitPassiveOpticalNetwork吉比特无源光网络
HFCHybridFiberCoax混合光纤同轴电缆网
IEEEInstitutionofElectricalandElectronics电气与电子工程师学
IPInterrierProtocol网络协议
IPTVTVoverIntemetProtoc01基于网络协议的电视
ITUInternationalTelecommunicationUnion国际电信联盟
MPCPMulti—PointControlProtocol多点控制协议
OAMOperation,Administrationand操作管理维护
ODNOpticalDistributionNetwork光配线网
OLTOpticalLineTermination光线路终端
ONUOpticalNetworkUnit光网络单元
PONPassiveOpticalNetwork无源光网络
QOSQualityOfService服务质量
SNMPSimpleNetworkManagementProtocol简单网络管理协议
WDMWavelem.gthDivisionMultiplexing波分复用
引言
长期以来,接入网一直是电信网领域中耗资最大、技术变化最慢、成本最敏感、法规影响最大和运行环境最恶劣的老大难领域。
当核心网领域(用户驻地网领域同样)正在越来越频繁地更换和应用各种现代新技术时,接入网领域仍然基本维持着原始的模拟技术为主的局面,正日益成为全网进一步发展的拖累。
然而近年来,以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系架构。
目前,北美骨干网上的业务量己达到了约6-9个月左右就翻一番的地步。
传统电话网将不可避免要过渡到以数据业务特别是IP业务为中心的下一代电信网,这种下一代电信网的基本特征将是宽带化和IP化。
目前核心网正在迅速向太比特网演进。
另一方面,用户侧终端的速率也在突飞猛进,低成本千兆比以太网将局域网的速率提高了一个量级,10Gb/s以太网也将问世。
这种用户接入的宽带化和IP化趋势也反映在普通居民用户群中,互联网业务正成为普通居民用户日益重要的接入业务,从电子邮件到Web浏览乃至视频业务,带宽要求正以几倍几十倍的速度增长。
然而,面对核心网和用户侧带宽的快速增长,中间的接入网却仍停留在窄带和模拟的水平,而且仍主要是以支持电路交换为基本特征,与核心网侧和用户侧的发展趋势很不协调。
显然,接入网已经成为全网带宽的最后瓶颈,接入网的宽带化和IP化将成为本世纪初接入网发展的主要大趋势。
本项目内容为基于EPON系统的专用MAC芯片设计一套实用性的EPON系统。
该项目主要分为EPON系统的硬件设计和软件设计。
软件部分又分为嵌入式软件的设计、网络管理系统的设计和DBA的设计。
本文主要研究了当前最具发展潜力的宽带接入技术之一一EPON(EthemetoverPassiveopticalNetwork)系统,设计和实现了一套符合IEEE802.3ah标准的系统,对其中的硬件设计进行了重点描述。
第一章绪论第二章主要介绍EPON系统的总体方案设计,包括EPON系统的结构及工作原理,以及EPON系统的软、硬件设计方案。
第三章详细描述了EPON系统局端OLT设备的硬件设计,包括局端设备芯片的选型以及各个主要接口的实现,重点描述了HOST与PAS5001的接口。
第四章详细描述了EPON系统ONU的硬件设计,还提出了一种可以实现多种控制管理功能的ONU设备的方案。
第五章描述了系统抗干扰方面的设计以及PCB的设计与实现。
第一章绪论
1.1宽带接入网的现状与发展趋势
1.1.1接入网的定义
1995年11月由ITU-T制定了接入网【1】的第一个国际标准G.902【1】按照(3.902的定义,接入网(AN)是由一系列实体(诸如线缆装置和传输设施等)组成的,提供所需传送承载能力的一个实现。
此能力用于一个业务节点接口(sND)向与之相关联的每一个用户网络接口(UNI)提供电信业务。
接入网可以经由Q3接口进行配
置和管理。
接入网的界定如图1-1所示。
原则上,接入网实现的UNI和SNI的类型和数量没有限制,并且不解释用户信令。
图1—1接入网的定义
SN(xllz务节点)是提供接入到各种交换或非交换电信业务的网元。
SNI(业务节点接口)是提供用户接入到son的接口。
UNI(用户网络接口)指的是终端设备与应用接入协议的网络终端之间的接口。
其目标是建立一种标准化的接口方式,以一个可监控的接入网络,使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。
1.1.2几种主流的宽带接入技术
1.XDSL
xDSL[3]是HDSL、ASDL、VDSL等技术的统称。
在xDSL的这几项技术中,由于HDSL主要支持2Mbit/S及以下的速率,VDSL提供的速率虽然很高(可达25Mbit/S)
但线路长度较短(25Mbit/S时约为lkm),故在实际使用中,ADSL(AsymmetricDigitalSubscribeLine)相比最为普遍。
ADSL即非对称数字用户线路,是一种在普通电话线上进行宽带通信的技术。
ADSL的技术标准出台于1997年,它在HDSL技术的基础上,根据网络和用户间的业务流量特点,在信号调制、数字相位均衡、回波抵消等方面采用了更为先进的器件和动态控制技术,因而成为接入网由窄带向宽带过渡的主流技术,近年来发展迅猛。
ADSL是利用现有的电话网络,以市话双绞铜线为传输介质的点到点的宽带传输技术,为用户提供上、下行非对称的传输速率,上行(从用户到网络)为低速的传输,可达1.5Mbit/S;下行(从网络到用户)为高速传输,可达8Mbit/s,非常符合普通用户联网的实际需要。
ADSL的传输速率比传统的模拟调制解调器快100多倍,也是传输速率达128kbit/S的ISDN(综合业务数字网)所无法比拟的。
ADSL最初主要是针对视频点播业务开发的,随着技术的发展,逐步成为了一种较方便的宽带接入技术。
ADSL满足了用户即时接入Intemet服务的需求。
这一技术极大地推动了高速数据传输如会议电视、VOD、HDTV等业务的增长。
2.CableModem
另外一种宽带接入技术则是利用现有的有线电视(CATV)网络,以Cable【4】(同轴电缆)或HFc【5】(HybridFiber/Coax光纤同轴混合)网络作为传输通道,采用CableModem(电缆调制解调器)技术接入网络,它最大的优势在于速度快,占用资源少,其下行传输速率根据频宽和调制方式不同可以达到27~56Mbit/S,上行传输速率可以达到10Mbit/S。
在实际运用中,CableModem只占用有线电视系统可用频谱中的一小部分,因而上网时不影响收看电视和使用电话。
计算机可以每天24小时停留在网上,不发送或接收数据时不占用任何网络和系统资源。
CableModem本身不单纯是调制解调器,它集Modem、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、SNMP代理和以太网集线器的功能干一身,无需拨号上网,不占用电话线,只需对某个传输频带进行调制解调,这一点与普通的拨号上网是不同的(普通的Modem的传输介质在用户与交换机之间是独立的,即用户独亨通信介质)。
利用CableModem技术实现宽带接人还有一些其他优势。
同利用ADSL等电信网络实现宽带接入的成本相比,它的成本费用很低。
因此,由它提供宽带接入的费用会明显低于xDSL等的接入费用。
这是它在应用中最大的优势。
另外,有线电视覆盖范围有广泛的大众基础,而己与丰富的可提供服务的信息内容联系在一起,通过有线电视网络提供语音服务已经成为极具前景的发展方向,是最佳的实现三网融合的接入方案。
CableModem融数、模传输为一体,既能同时支持目前的模拟与数字服务,又能平滑过渡到今后的光纤到户和全数字化服务。
3.吉比特以太网
吉比特以太网[6]是一种新型高速局域网,它可以提供高达lGbit/s的通信带宽,采用和传统10兆比特、100兆比特以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长,因此可以实现在原有低速以大网基础上平滑、连续性的网络升级,从而能最大限度地保护用户以前的投资。
利用光纤接入用户局域网,用户接入速度只受限于光纤的接入速率。
另外,吉比特以太网总体的开销,包括购置和维护开销都比较低,具备可支持新应用和新数据类型的能力,网络设计可以有相当的灵活性,还能够提供内部局域网通信。
它的缺点则是需要重新布线,对环境有要求(如交换机位置、保护、噪声、电源、温度),设备安装维护比较困难,维护费用较高,运营方式相对复杂,而且从方向上符合利用现有网络资源推进三网融合的大趋势。
4.无线接入技术
无线接入是指从交换节点到用户终端部分或全部采用无线手段接入技术,无线接入技术‘71可以分为移动接入和固定接入两大类。
移动无线接入网包括蜂窝区移动电话网、无线寻呼网、无绳电话网、集群话网、卫星全球移动通信网直至个人通信网等等,是当今通信行业中最活跃的领域之一。
固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入,它实际上是PSTN/ISDN的无线延伸。
其目标是为用户提供透明的PSTN/ISDN业务,固定无线接入系统的终端不含或仅含有限的移动性。
接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应用、无线用户环路及卫星VSAT网等。
固定无线接入系统以提供窄带业务为主,基本上是电话业务。
主要的固定无线接入技术有三类,即已经投入使用的多路多点分配业务(MMDs)和直播卫星系统(DBS)以及本地多点分配业务(LMDS)。
5.光纤接入技术
光纤接入技术[8]是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入方式,用户网光纤化有很多方案,有光纤到路边(FTTC)、光纤Nd,区(FTTZ)。
光纤到办公室(FTTO)、光纤到大楼(FTTF)、光纤到家庭(FTTH)。
不管是何种领的应用,实现光纤到户都是为了满足高速宽带业务以及双向宽带业务的客观需要。
1.2以太网的发展情况
以太网【9】是在20世纪80年代发展的一种局域网技术,其带宽为10Mbit/s,最初是共享媒体型,
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