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支持11ac的多功能家庭网关硬件方案设计

2017-04-21杨宇红

电子科技 2017年4期
关键词:输出功率网关电感

周 理,杨宇红

(上海交通大学 电子与电气工程系,上海 200233)

支持11ac的多功能家庭网关硬件方案设计

周 理,杨宇红

(上海交通大学 电子与电气工程系,上海 200233)

设计了一种家庭网关设备,可以实现PON(无源光网络)接入,同时提供有线上网和无线覆盖(WiFi 2.4 GHz 5.8 GHz)、电话、视频服务。用一个设备解决多个家庭设备的联网问题,而且速度较快。在周围用户较多的情况下,能够有较好地用户体验。由于此设备支持大功率WiFi11ac功能,输出功率达20 dBm,可以在2.4 GHz信号密集区域有效避开干扰,同时提供高达1.3 Gbit·s-1的连接速率,可以满足多用户大数据量传输的要求。

家庭网关;PON;WIFI;11ac

近年来,我国宽带网络发展迅速,宽带覆盖率不断提升,然而,有些地方还在使用比较陈旧的ADSL设备[1],上网速率受到限制,难以满足视频传输等高速传输要求。有的虽然使用了光通信终端,但联网方式单一,也无法满足用户需求,或需要另加路由器实现无线覆盖,增加了设备数量和成本。有些网关设备带无线,但无法提供电视联网服务,或者在周围无线设备较多的情况下,容易被干扰而降低用户体验。如何用一个网关实现电话、手机、电脑、电视等多个终端设备同时联网,同时具备有线和无线上网,还可尽量避开干扰,增加一种另外的无线联网方式来实现高速上网,成为了迫切需要解决的问题。

该方案采用嵌入式处理器为硬件平台,由于嵌入式处理器具有高性能、体积小、低功耗和低成本特点,能实现多种通信网络的接入和复杂的逻辑处理,如 Internet 接入、远程监控以及实现协议转换连接局域网内部异构网络等功能。设计智能家庭网关(Home Gateway Unit)也能满足对低成本、高性能、低功耗以及功能相对完善的要求。

1 实现原理分析

1.1 实现功能分析

设计的家庭网关的功能如图1所示,通过光纤连接到Internet,然后通过自带的各种接口连接到家庭的各种终端,比如支持WiFi的手机、电脑、电话、电视机等。

图1 家庭网关的应用

1.2 家庭网关总体架构设计

功能决定该网关的架构。该网关产品包含包括GPON、WiFi 2.4 GHz、 WiFi 5.8 GHz、Ethernet(以太网)、VOIP(语音)、CATV(视频接入);PON部分作为对外接口,通过光纤将数据发送到OLT局端(Internet);WiFi、VOIP、CATV是接用户端设备,比如笔记本、手机、电话、电视机。PON部分和用户端设备的数据交互通过CPU完成[2]。

1.3 各模块简介

本方案采用CPU加各个功能模块的方式组合而成。各模块之间通过CPU进行数据转发。即CPU+WiFi 5.8 GHz+WiFi 2.4 GHz +PON(光接入和视频功能)+VOIP(语音部分)组成[3],各个模块分别用不同的芯片和外围电路组建。

(1)CPU部分。CPU作为所有数据模块互相通信的中转中心,支持 PCI-e、Serdes等主要接口跟其他模块通信,以连接不同的模块。2个PCI-e接口连接两个WiFi模块实现WiFi 2.4 GHz 和WiFi 5.8 GHz 的功能;Serdes接口连接光模块;APM&SPI接口连接语音模块;CPU还支持一些其他接口和调试接口,由于需要处理的数据量极大,必须支持高速的DDR3;

(2) PON部分。通过Serdes接口连接CPU,作为家庭网关的对外连接接口连接到互联网。支持ITU-T G984.2 协议,上行速率1.244 Gbit·s-1,下行速率2.488 Gbit·s-1,采用SC/UPC接口,上行中心波长1 310 nm,下行中心波长1 490 nm,视频传输中心波长1 550 nm;

(3) WiFi 5.8 GHz部分[4]。通过PCI-E接口连接CPU。支持802.11ac协议,最高连接速率1.3 Gbit·s-1,支持20 /40 /80 MHz等3种模式。集成Transceiver,搭配外置大功率放大器PA、低噪声放大器LNA、切换开关SW等组合起来,完成大功率输出。扩大有效的覆盖范围,天线端入口最高输入功率达20 dBm(EVM<-32 dB);

(4) WiFi 2.4 GHz部分[5]。通过PCI-e接口连接CPU。模块采用支持802.11b/g/n协议[6],最高连接速率300 Mbit·s-1,支持20 /40 MHz等模式。内置Transceiver,搭配外置大功率放大器PA、低噪声放大器LNA、切换开关SW等组合起来,完成大功率的输出,扩大有效的覆盖范围,天线端入口最高输入功率达22 dBm(EVM<-28 dB);

(5) VOIP部分。通过SPI&APM接口连接CPU。支持G.711G.729协议,SIP (RFC3261),SDP (RFC2327),RTP (RFC3550/3551)等。支持动态或者静态IP分配[7]。支持2路RJ11接口,每个接口最多支持6部固定话机,带馈电不需要外接电源。

综合以上原理,整体框架图如图2所示。

图2 家庭网关的架构

2 详细设计分析

2.1 CPU部分

从上述原理分析可知,CPU必须集成PCI-e、Serdes、APM、SPI接口连接PON、WiFi、VOIP等模块,同时支持网口、UART,留有额外的GPIO口,选择BROADCOM CPU BCM68380,其主频高达600 MHz,支持16位宽的时钟速率533 Mbit·s-1的DDR3,带32 kB Dcache and 64 kB×2 Icache,运行速度快,同时支持PCI-e、Serdes、APM、SPI等接口,同时还可以支持以太网功能[8]。

CPU集成以太网功能。支持IEEE802.3,支持极性自动翻转,支持全双工/半双工,支持千兆速率,支持10/100/1 000 Mbit·s-1速率自适应。

2.2 PON部分

信号部分。用Serdes接口连接CPU,SC/UPC连接局端,主要完成完成光电信号转换。局端输入的1 490 nm[9]信号经过模块PON模块转换为电信号,经过Serdes接口到达CPU,经过CPU处理后作出回应,再次通过Serdes接口到达PON模块,经过转为为光信号后经SC/UPC接口送到局端设备,完成通信。要求PON流量高达双向900 Mbit·s-1不丢包[10]。

视频传输部分。主要完成完成光电信号转换,1 550 nm的光信号经过SC/UPC接口到达PON模块,经过光电转换后经过SMB RF Connector输出,经过同轴线到达电视。

2.3 WiFi 5.8 GHz部分

支持PCI-e接口与CPU通信。通过辐射WiFi信号与家庭的其他WiFi 5.8 GHz的设备连接。802.11ac 的1发1收的最高速率为433 M bit·s-1

ratemax=433 Mbit·s-1×3=1.3 Gbit·s-1

(1)

式中,ratemax表示WiFi 5.8 GHz最大连接速率。由以上公式计算得支持1 Gbit·s-1以上的速率,需要3发3收。

采用Broadcom BCM43602支持3T3R(3发3收),最高连接速率高达1.3 Gbit·s-1,BCM43602集成MAC和PHY,集成Transceiver,配合大功率PA输出高达20 dBm[11]信号。支持这种高功率的有Skyworks的SE5023,其输出高达23 dBm(11ac 80 MHz模式)。BCM43602支持11ac,可以实现11ac 20/40/80 MHz带宽,20&40 MHz支持SGI,支持MCS23[12]调制方式,可以满足用户进行视频等大数据传输的要求,同时支持WAP、WAP2等多种加密方式,可以有效的保护数据安全。

本设备支持的WiFi输出功率大,需要将功率放大器PA和小信号放大器LNA分开,同时增加切换开关SW,以实现半双工的方式,切换开关后增加滤波器BPF,防止谐波产生干扰到其他用户或者设备。采用BCM43602实现大功率11ac的框图如图3所示。

图3 BCM4360的典型应用电路框架

公式

pant_in=ppa_out-ploss

(2)

式中,pout_in表示5.8 GHz天线输入功率;ppa_out表示5.8 GHz PA输出功率;ploss表示5.8 GHz PA到天线之间的插入损耗。

ppa_out=pant_in+ploss

(3)

式中,pout_in表示5.8 GHz天线输入功率,ppa_out表示5.8 GHz PA输出功率;ploss表示5.8 GHz PA到天线之间的插入损耗。

实现大的覆盖范围,要求5.8 GHz天线端pant_in输出20 dBm,SW和BPF损耗ploss为2~3 dBm,则由式(3)推出5.8 GHz PA的输出功率ppa_out的输出功率23 dBm时,可以保证到达天线的功率为20 dBm(EVM<-32 dB)。

2.4 WiFi 2.4 GHz部分

支持PCI-e接口与CPU对接。通过辐射WiFi信号与家庭的其他支持WiFi 2.4 GHz的设备连接。802.11n 的1发1收的最高速率为150 Mbit·s-1[13]

ratemax2=150 Mbit·s-1×2=300 Mbit·s-1

(4)

式中,ratemax2表示WiFi 2.4 GHz最大连接速率。由上述计算公式得支持300 Mbit·s-1速率,需要2发2收。

采用Broadcom BCM43217支持2T2R,最高连接速率高达300 Mbit·s-1,支持PCI-e接口与CPU对接,其集成MAC和PHY,集成Transceiver,配合大功率PA可输出高达20 dBm的信号。BCM43217支持802.11n,可以实现20/40 MHz带宽,20&40 MHz支持SGI[14],最高支持MCS15调制方式,可以满足用户进行视频等大数据传输的要求,同时支持WAP、WAP2等多种加密方式,可以有效保护数据安全。

由于支持的功率超大,需要将功率放大器PA和小信号放大器LNA分开,同时增加切换开关SW,以实现半双工的方式,切换开关后增加滤波器BPF,防止谐波产生干扰到其他用户或者设备。

由式

pant_in2=ppa_out2-ploss2

(5)

式中,pant_in2表示2.4 GHz天线输入功率; 表示2.4 GHz PA输出功率;ploss2表示2.4 GHz PA到天线之间的插入损耗

ppa_out2=pont_in2+ploss2

(6)

式中,pant_in2表示2.4 GHz天线输入功率;ppa_out2表示2.4 GHz PA输出功率;ploss2表示2.4 GHz PA到天线之间的插入损耗。

实现大的覆盖范围,要求2.4 GHz天线端pant_in2输出22 dBm,SW和BPF损耗ploss2为1~2 dBm,则由式(6)推出2.4 GHz PA的输出功率ppa_out2的输出功率24 dBm时,可以保证到达天线的功率为20 dBm(EVM<-30 dB)。

2.5 VoIP部分

VoIP主要包括2部分,信号处理部分、升压电路部分、信号处理部分主要完成信号的采集、解调、解码、传输,实现模拟信号到数字信号的转换,然后将数据发送给CPU,CPU处理后再将信号传给VoIP的信号处理IC,将数字信号进行调制和编码后通过接口发送出去[15],这里选用LE9540D 。升压电路部分,其抽象结构如图4所示。

图4 升压电路结构

在充电过程中,开关闭合(MOS管导通),开关(MOS管)处用导线代替。这时输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加。随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。在放电过程中,这时开关断开(MOS管截止)时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电, 电容两端电压升高,此时输出电压已经高于输入电压,升压完毕。

升压电路提供基本的偏置,给数据处理部分提供工作的基本条件,保证数据处理部分输出的波形符合要求,同时外部输入的数据能正确的解码并通过APM接口到达CPU进行进一步处理。

3 实验数据分析

(1)PON部分。PON对LAN流量测试:上下行各900 Mbit·s-1不丢包;播放视频清晰流畅,没有卡顿和斑点情况;

(2)WiFi部分。WiFi 5.8 GHz输出功率和流量测试测试:符合功率设计20 dBm要求,EVM满足802.11ac标准。

表1 WiFi 5.8 GHz输出功率

表2 WiFi 5.8 GHz实际流量测试

WiFi 2.4 GHz输出功率和流量测试:符合功率设计22 dBm要求,EVM符合802.11n标准。

表3 WiFi 2.4 GHz输出功率

表4 WiFi 2.4 GHz实际流量测试

(3)VoIP部分。VoIP 测试,符合G.711和G.729。

表5 VoIP电压和振铃频率

综合以上测试情况可以看出,WiFi、VoIP、PON等各个功能模块功能正常,且参数指标都符合各自的标准要求,达到了预计的设计效果。

4 结束语

本设计支持光通信GPON/EPON兼容设计。光纤到户可以带来超高的传输速度,且容量大,具有成本优势;支持WiFi 2.4 GHz,以满足常规WiFi联网需求,提供笔记本、手机、平板电脑等联网支持;支持WiFi 5.8 GHz,为视频传输等大数据传输提供更快的传输速度,进一步提高用户体验。在人员密集区域,可以有效避开拥挤的2.4 GHz信道;支持电话线接入电话实现语音通话;本设计综合考虑用户需求和现有市场的情况,既可以实现诸多功能,满足用户大量数据传输的要求,同时又可以有效的避开现有的干扰,且成本较低,性价比较高。

[1] 万洪丹.吉比特无源光网络(GPON)和光网络终端(ONT)关键技术研究[D].南京:南京理工大学, 2007.

[2] 刘玉飞.结合PON 技术的HFC网络改造[D].济南:山东大学, 2007.

[3] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.IEEE std 802.11i-2004 wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY),specifications:amendment 6:Medium Access Control(MAC) security enhancements [S]. New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc,2004.

[4] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.IEEE std 802.11a-1999 wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications:higher speed physical layer extension in the 5 GHz band[S]. New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc,1999.

[5] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.IEEE std 802.11b-1999 wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications:higher speed physical layer extension in the 2.4 GHz band[S].New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc,1999.

[6] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.,IEEE std 802.11g-2003 wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications:amendment 4:further higher data rate extension in the 2.4 GHz band[S].New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc,2003.

[7] 谢希仁.计算机网络[M].4版.北京:电子工业出版社,2003.

[8] 彭林.第三代移动通信技术[M].北京:电子工业出版社,2003.

[9] 中国电信集团公司技术部.中国电信 EPON设备技术要求 V2.0[M].北京:中国电信集团公司, 2007.

[10] 邹洁.EPON 在用户接入网的应用研究[D].北京:北京邮电大学, 2007.

[11] Akyildiz I F,Wang X,Wang W.Wireless mesh networks:a survey[J].Computer Networks,2005,3(47):445-487.

[12] Pelechrinis K,Salonidis T,Lundgren H,et al.Experimental characterization of 802.11n link quality at high rates[C].USA:WiHtech,2010.

[13] Willam Stallings.无线通信与网络[M]. 何军,译.北京:清华大学出版社,2004.

[14] 方旭明,何蓉.短距离无线与移动通信网络[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[15] 张贤达,保铮.通信信号处理[M].北京:国防工业出版社, 2000.

Hardware Design of Multifunction Home Gateway Hardware with 11ac

ZHOU Li, YANG Yuhong

(School of Electronics and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200233,China)

This article introduce the design of HGU, which can access Passive Optical Network , providing wired Internet access and wireless coverage (WiFi 2.4 GHz &5.8 GHz), using telephone (VoIP) and watching video (CATV) at the same time. The device solve the networking problem of multiple home terminal, one-stop solution for multiple devices home networking issues with high speed. In the case where many other AP(Access Point) around, it have a better user experience. As this device supports 5G 11ac function with high power output, which up to 20 dBm, it can effectively avoid the interference where 2.4 GHz signal very dense and strong. As the connection rate of 5 GHz 11ac function up to 1.3 Gbit·s-1, it can meet the multi-user requirements for large data transferring.

home gateway unit; PON; WiFi; 11ac

2016- 05- 30

周理(1989-),男,硕士研究生。研究方向:电子与通信工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.011

TN915.05

A

1007-7820(2017)04-044-05

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