基于PAS9401的10G-EPON网络终端设备的研究*

2015-02-28戴璐平刘海英戴丽萍

电子器件 2015年6期

刘霞，戴璐平，刘海英，戴丽萍

（武汉工程大学电气信息学院，武汉 430074）

随着电视、电话、宽带的逐渐融合，对带宽的需求越来越高。宽带接入网需要从EPON（Ethernet Passive Optical Network）和 GEPON（1 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network）逐渐过渡到10 G-EPON（10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network）或10 G-GPON（10 Gbit/s Gigabit-Capable PON），然而10 G-EPON与已经广泛使用的EPON和GEPON的网络兼容有着其他接入网不可比拟的明显优势。10 G-EPON网络不但可以实现EPON和GEPON的平滑升级，同时网络的管理和运营维护可以完全继承EPON和GEPON系统，而且10 G-EPON的OLT（Optical Line Terminal）还可以兼容GEPON和10 G-EPON的ONU（Optical Network Unit），也可以大大降低FTTH（Fiber To The Home）升级改造的成本。对于带宽需要高的客户，需要采用10 G-EPON的用户终端设备，以满足其对高带宽的需求。

本文提出采用PMC-Sierra公司的10 G-EPON ONU SoC（System-on-a-Chip）单芯片方案PAS9401设计用户终端设备，介绍硬件开发和软件实现过程，并通过了系统测试。

1 10 G-EPON网络介绍

IEEE 协会在 EPON（IEEE802.3au）基础上于2006年提出IEEE std 802.3av标准的研究，保持EP⁃ON的MAC（Media Access Control）层控制协议不做改变，只是提出物理层规范的新的研究方向，核心就是将上下行传输速率提升到10 Gbit/s，并且提出在同一个ODN（Optical Distribution Network）下实现1 G-EPON的ONU与10 G-EPON的ONU共存方案，可以极大的减少运营商网络升级成本。

10G-EPON定义了两种技术，即上下行非对称和上下行对称。非对称技术的下行传输速率为10Gbit/s，下行信号的中心波长为1577nm，上行传输速率为1Gbit/s，上行信号的中心波长为1 310 nm；对称技术的上行和下行传输速率都为10 Gbit/s，下行信号的中心波长为1 577 nm，上行信号的中心波长为1 270 nm；电视视频信号可以采用1 550 nm波长进行传送［1-2］。在对上行带宽需求较少和成本敏感的地方，可以采用非对称形式，随着业务的发展和技术的进步，必将是对称模式广泛应用于FTTH。

10 G-EPON网络结构示意图如图1所示，由局端光线路终端OLT、光分配网络、光网络单元ONU组成［3-4］。其中 OLT 端接入 PSTN（Public Switched Telephone Network）、ISDN（Integrated Services Digi⁃tal Network）、DDN（Digital Data Networ）、IP（Internet Protocol）网络等业务，下行通过ODN分配到ONU，ONU的上行数据通过TDMA方式传输到OLT，再接入到城域网、骨干网中；ONU可以置于楼栋即光纤到大楼FTTB（Fiber to The Building），也可以置于家庭即光纤到户（FTTH），ONU接电视、固定电话、电脑，是实现三网合一的综合接入设备。

图1 10 G-EPON体系结构框图

2 ONU终端硬件系统设计

如图2所示，ONU用户终端方案主要采用PMCSierra公司的10 G-EPON ONU专用SoC芯片PAS9401，外接的存储器有Serial FLASH和DDR2（Double Data Rate 2）；PAS9401通过SERDES接口外接10G-EPON对称光收发模块，接入10 G-EPON网络；PAS9401外接一颗10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s的PHY（Physical Layer），扩展出4个RJ45接口，接PC（Personal Computer）机、IP电话机、视频机顶盒等宽带设备；电源部分采用5 V/2 A直流电源供电，通过电源管理模块，提供ONU上所有器件工作需要的电源。软件调试接口采用JTAG（Joint Test Action Group）接口，程序调试和问题跟踪采用 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口，产品的软件升级可以采用WEB页面进行升级。

图2 ONU硬件结构示意图

2.1 ONU光模块

ONU光模块采用青岛海信宽带多媒体技术有限公司的LTF7219，上行数据波长为1270nm，下行数据波长为1577nm，上下行数据传输速率最高均为10Gbit/s，上行发射光源为分布反馈激光器DFB（Distributed Feed Back），采用突发模式发射，下行接收为雪崩光电二极管APD（Avalanche Photo Diode），采用连续模式接收方式，封装为SFP（Small Fortm-Factor Pluggable）+，支持最大距离为20 km［5-6］，符合对称型10 G-EPON ONU对波长和传输速率的需求。

2.2 10 G-EPON ONU SoC模块

PAS9401是PMC-Sierra公司第一代10 G-EPON光网络单元（ONU）的SoC器件系列，用于10 G-EP⁃ON的ONU的设计和开发。PAS9401对于10 G-EP⁃ON中的不管是单用户ONU形态SFU（Single Family Unit）还是多个独立用户ONU形态MDU（Multi-Dwelling Unit），都是高性能、低功耗以及低成本的优选解决方案，支持IEEE802.3av 10 G-EPON ONU的规格和CTC 10 G-EPON V3.0标准。

图3 PAS9401硬件结构示意图

PAS9401集成10 G-EPON的SERDES和CDR、10G-EPON媒体接入控制（MAC）、10 G-EPON协议栈管理、先进的包处理器、强大的嵌入式处理器ARM926（主频可达300 MHz）以及多种以太网用户接口。PAS9401支持无线基站TOD（Time of Day）和SyncE（Synchronous Ethernet）时间同步，同时进入省电模式可以降低设备的功耗。

PAS9401内部的10 G-EPON MAC支持全双工收发10 G-EPON ONU光模块，下行速率10 Gbit/s，上行支持10 Gbit/s和1 Gbit/s两种；有可靠性高，可编程的光收发器接口，本设计中选用LTF7219；可配置的用户网络接口，支持XAUI（Ethernet Attachment Unit Interface）的多种模式，总共4组SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）/HiSGMII接口和 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口，可接以太网交换芯片、以太网PHY芯片，本设计中通过RGMII，外接千兆以太网PHY芯片KSZ9031MNX，扩展出4个10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s接口；FE（Fast Ethernet）MAC 可通过 MII（Media Independent Inter⁃face）/接口外界 CPU（Central Processing Unit），带MDC（Manufacturing Data Collection）/MDIO（Manage⁃ment Data Input/Output）管理功能；集成 16bit的DDR2控制器，本设计中采用MICRON公司的DDR2 SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory），型号是 MT42L128M16D1，2 Gb大小，作为程序运行空间，断电后数据丢失；外接串行接口的FLASH，用于程序的BOOT，本设计中选用MacronixInternational公司的1Gb的Serial FLASH，型号是MX66L1G45 G，存储程序代码和数据，并用于系统的启动，将程序搬移到DDR2中去运行；另外还有TOD接口、PON和用户接口指示灯控制信号、GPIO（General Purpose Input Output）、I2C接口、UART接口等，极大地方便了ONU的设计和开发［7-9］。

2.3 Ethernet模块

Ethernet模块采用MICREL公司的RGMII接口的千兆以太网物理层收发器芯片KSZ9031RNX，支持5 Port 10 Base-T/1 000Base-TX/1 000 Base-T标准5类线的输入和输出，通过RGMII接口直接连接到PAS9401的RGMII MAC，数据传输速率为10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s［10］，KSZ9031RNX 通过网络变压器，对外支持五路LAN接口，可接PC，网络播放器，IP电话机等宽带设备。

3 ONU终端的基本软件设计

10 G-EPON ONU的软件开发主要是PAS9401，KSZ9031MNX，LTF7219等芯片和模块底层驱动设计以及初始化、系统启动程序Bootloader的开发、嵌入式Linux系统的移植、TCP/IP协议栈的移植、10 GEPON协议栈的处理以及应用层软件的开发。ONU的软件架构如图4所示。

图4 ONU软件系统结构

在Fedora17操作系统进行软件的设计和编译调试，Fedora是最佳的linux操作系统，非常优秀的桌面设置功能深受开发者的喜爱，采用标准C语言进行实际开发工作，上层应用会用到面向对象的JAVA语言，PAS9401的内核是ARM926处理器，软件调试采用J-LINK ARM JTAG仿真器进行。

模块化的软件设计思路，使软件开发过程变得清晰，底层是硬件驱动，往上依次是OS（Operating System）操作系统，API（Application Programming In⁃terface）接口，各种协议栈以及上层应用。各模块之间的通信采用消息机制和共享数据方式进行，彼此之间是相互独立，网络管理模块在HTTP（HyperText Transfer Protocol）、TELNET、TFTP（Trivial File Trans⁃fer Protocol）、SNMP（Simple Network Management Pro⁃tocol）层实现［10-11］。

主要模块：

（1）10 G-EPON MAC模块：

此模块为10 G-EPON协议实现模块，实现10 G-EPON的协议中的双速率突发接收、波长分配、光功率预算、MPCP兼容以及FEC等，同时还要实现10 G-EPON系统中1 G ONU和10 G ONU的共存，主要是关注波长分配、双速率接收以及FEC（Forward Error Correction）增益控制等技术的实现。

（2）CPU模块

此模块包括Bootloader启动程序、PAS9401的底层硬件驱动、KSZ9031MNX的底层硬件驱动、嵌入式Linux内核、TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议的移植，以及ONU的所有控制工作等。

（3）协议支撑模块

此模块为嵌入式Linux系统与10 G-EPON协议的接口、Linux系统与TCP/IP协议的接口模块。

（4）用户接口模块

支持TFTP、TELNET、SNMP、HTTP接口，为网络管理维护，程序升级等提供接口。

4 测试结果

采用SPIRENT SmartBits 6 000C进行网口吞吐量、丢包率等主要指标测试，SmartBits 6 000 C支持4个千兆网络网口，4个千兆光纤接口，以及1个10 G以太网接口。

对ONU的4个千兆网口的吞吐量进行测试。其中当每帧为64 byte，千兆网口收发速率为1 488 100帧/s，即762 Mbit/s；每帧为128 byte，千兆网口收发速率为844 590 帧/s，即865 Mbit/s；每帧为256 byte，千兆网口收发速率为452 900帧/s，即879 Mbit/s；

每帧为512 byte，千兆网口收发速率为234 960帧/s，即962 Mbit/s；每帧为1 024 byte，千兆网口收发速率为119 730帧/s，即981 Mbit/s；每帧为1 280 byte，千兆网口收发速率为96 150帧/s，即985 Mbit/s；每帧为1 518 byte，千兆网口收发速率为81 270帧/s，即987 Mbit/s。可见千兆网口的吞吐量满足设计要求。

另外对每帧为 64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte，1 518 byte时的丢包率测试结果为0，满足设计需求。

5 结论

采用PAS9401 SoC方案设计的10 G-EPON ONU用户终端设备，有很高的集成度，只需采用少量的外围器件，就可以完成ONU的硬件架构设计，大大降低了ONU的器件成本。ONU终端的吞吐量、过载丢包率和转发延时等特性进行了严格的测试，针对MPCP（Multi-Point Control Protocol）兼容适配机制，采用不同速率ONU进行不同的时间开窗授权的方法，可以实现10 G-EPON网络中的1 G ONU和10 G ONU的兼容和共存。测试结果表明采用PAS9401设计的ONU，完全满足IEEE802.3 av标准的要求，有很高的市场价值。

［1］IEEE 802.3av 10G-EPON［S］.2008.6.

［2］尧昱，张静，尚凤亮，等.10G EPON技术及应用方案研究［J］.光网络，2012，27（1）：441-442.

［3］中国电信集团公司.中国电信EPON设备技术要求（V2.0）［S］.2007.

［4］曹大为，叶家骏，张俊杰.基于SoC的千兆EPON ONU硬件平台的设计与实现［J］.光通信技术，2007，（10）：17-19.

［5］赵安新，廖晓群，马莉.协议互转化智能EPON光模块的研究［J］.电子器件，2013，36（4）：443-446.

［6］Hisense.LTF7219 Symmetrical Datasheet［R］.2010.04.

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［9］MICRON Technology.2gb_mobile_lpddr2_s4_g69a Datasheet Rev.N［R］.2010.3.

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