15年前,連接網際網路最常見的方式是透過類比數據機,再經標準電話語音通道發送資料。這種技術採用已經部署的現有標準雙絞電話線,無需對「最後一哩(last mile)」技術做任何更改,因此對使用者來說這種方式非常廉價,並迅速主導整個通訊市場。不用挖路鋪線、不用改變中央機房(CO),這種方式極具吸引力。

類比數據機的峰值速度為56Kbps。為什麼是56Kbps?為什麼不再高一點?簡單地說:這不是「理論上」的可能,而是這種理論極限侷限了ADSL技術的發展舞台。

類比數據機使用經ITU-T委員會嚴格規範的現有語音通道。該通道具有限定頻寬(4kHz,包含防護頻段),進入Muldex(多工器/解多工器,Multiplexer Demultiplexer)之前在中央機房進行硬體濾波。Muldex是中央機房中與電話連接的設備。

透過4kHz類比頻道可傳輸的最大資料速率是多少?這個問題的關鍵是瞭解ADSL。

正確的答案是:「取決於通道的雜訊等級。」Claude E Shannon早在1948年就給了我們答案,只要雜訊夠低,就能以任意位元速率進行傳輸,這一結果有時候會給我們驚喜。實際上,Claude E Shannon更精確地將最大位元速率以定量方式與給定通道頻寬和雜訊等級進行關聯。可以使用Shannon著名的公式:

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Shannon知名公式



其中:C:最大位元速率,單位:bit/s(容量)、B:頻寬,單位:H、S/N:通道的訊噪比。

ITU-T規定語音通道的頻寬和雜訊級,限定雙絞電話線的實際最大位元速率——56Kbps,非常接近通道容量。

ADSL沒有使用標準語音通道,而是使用另一種通道,打破語音通道的Shannon限制。

在電話系統中,每個使用者都透過雙絞線連接中央機房,雙絞線的使用時間很短,只在打電話時才會用到,而且僅佔用低於4kHz的通道頻寬,高於4kHz的頻寬顯然未被使用。ADSL使用未被利用的頻寬,並將低於4kHz的通道頻寬預留用作標準語音通道。使用者可以在進行電話語音通話的同時交換資料。

ADSL通道有多寬,雜訊有多大?這方面並未標準化,這也就是為什麼每個ADSL數據機都會在啟動時測量線路雜訊,然後根據使用者通道情況建立最佳位元速率。

每個使用者連接中央機房的速度取決於通道本身。用戶可以在家用ADSL數據機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埋在地下的線路,無需對最後一哩做任何修改,而原來的舊電話還能與新技術相容。用戶只需在家裡接一個濾波器(即「分離器」),用來分離電話語音頻寬與ADSL頻寬。總之,這種方式簡單且便宜。

中央機房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,並將線路的高頻寬部分連接到只處理資料、名為數位用戶線路接入多工器(DSLAM)的新設備上。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,就可為客戶提供ADSL服務。

DSLAM是具有類比前端(Digital Front End)的純資料通訊設備。它從一個廣泛的用戶組中收集所有ADSL資料。所有資料通常會被送到現場可編程閘陣列(FPGA),在這裡進行處理並彙集到乙太網鏈路。

高速乙太網鏈路通常連接到網際網路或者透過同步數位階層(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)或光纖傳輸網路(Optical Transport Network,OTN)傳輸。ADSL標準一直不斷演變,而用於連接網際網路的DSLAM的後端連接,根據網路配置不同可以有多種選擇:乙太網路、XAUI、SDH和OTN等。

這些是使用FPGA的理想條件,因為可建立完全可程式設計的後端連接,並可利用可程式設計元件達到不斷發展演變的ADSL標準要求。ADSL架構看起來如此出色,尤其是可以自然地升級電話網路,很難想像人們還想要什麼...但是,ADSL有侷限性,這就是為什麼市場會朝著被動光纖網路(PON)技術發展。

ADSL的侷限性依然由Shannon理論決定。使用雙絞線難以使ADSL速率超過15Mbps。這並非ADSL技術本身的限制,而是從用戶到中央機房之間平均距離產生的限制,如果想要更快,我們就必須改變「最後一哩」,同時還要最大程度減少改變最後一哩所需的成本。當然,我們可以向每位客戶提供SDH(挾帶乙太網方式)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,因為該技術能夠在升級成本、性能以及最後一哩最少返工成本之間實現最佳平衡。

PON的工作原理

服務提供者將一條光纖通到距離客戶半徑幾百公尺的「路邊」。並非為每個使用者都提供一條光纖,而是使用一條光纖替代數十條雙絞線。透過PON分配器為每個使用者提供光纖,使用者只能訪問自己的那部分來自中央機房的多播資料,並受加密演算法限制。

在上行的方向(圖1所示),來自每個使用者的光纖連接到被動分配器,並被多工到連接中心局的單條光纖。中心局內負責從光纖接收資料的設備稱為光纖線路終端(Optical Line Termination,OLT)。這種架構與ADSL完全不同,PON的優勢在於,街道上的接線盒是光學原理並且仍然是被動的,盒子中沒有主動組件,這是PON技術的關鍵優勢:能幫助供應商將維護成本降至最低。

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圖1 PON上行方向。



這種方法的缺點在於服務提供者必須將原有的雙絞線換成有限數量的光纖。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則透過光學連接。

採用這種混合方案後ADSL的速度變快了很多,原因是DSLAM距離用戶只有幾百公尺遠,而不是在中央機房內。劣勢在於街邊的混合接線盒現在變成主動的,因為它需要裝載小型DSLAM。

PON體現了成本與性能之間的平衡。這並非像老式56Kbps數據機那樣是技術上的最佳解決方案,但未來該技術可持續擴展。

OLT還有另一個關鍵技術部分:前端。在上行方向,所有使用者都透過被動光纖分配器連接到同一接收器。因此,用戶必須進行突發傳輸,一次傳輸一批,因為用戶共用一條OLT的光纖。所有突發傳輸以相同頻率操作,但採用使用者獨立相位。OLT接收器在每次突發傳輸開始會重新同步其採樣相位,以正確接收資料。

每次突發在開端前導碼位置有一個特定模式,它能說明OLT鎖定每次突發傳輸。OLT的前端接收器稱為「突發模式時脈和資料恢復(BCDR)」單元。

增加前導碼時間可以更容易地設計BCDR,但較長的前導碼顯然會降低上行頻寬的效率。BCDR是關鍵的OLT元件。它的效率直接影響PON線路的上行效率,進而影響PON運營商的每位元(bit)收入。

賽靈思的FPGA技術在OLT中很普遍,不僅像在DSLAM中那樣用在後端,而且還用於前端。賽靈思透過UltraScale All Programmable元件系列提供全面的BCDR解決方案。具體來說,BCDR採用32位元確定鎖定時間實現高效上行通訊。該功能超越了ITUTG984、G987和G989規範。BCDR配有相應說明和附件,以支援使用者解決以下問題:

˙如何模擬BCDR? ˙如何驗證BCDR?

對於整合商來說,首要問題是選擇產品。BCDR只能在PON環境中測試,也就是整合商的產品。不可能先開發產品,然後驗證BCDR。如果在開發週期結束時我們發現BCDR沒有達到預期會出現什麼情況?

這就是為什麼賽靈思推出以BCDR為基礎的框架。連同BCDR,你可獲得一個具有資料封包生成器和資料封包校驗器的完整模擬測試平台,用於證明BCDR的正確運作。

除此之外,該開發環境不僅能測試BCDR;還能對它施壓;發掘其終極性能。以下是一些實例:

˙生成多個ONU。

˙可強制讓ONU運行在「錘子(hammer)」模式,即資料封包至資料封包相位跳變始終是UI的0.5%。我們想確保BCDR完全不受這種波動的影響。

˙每次多幀資料封包重啟時,錘子模式下生成的所有資料封包移動1微微秒,以確保BCDR的相位檢測器沒有「死」區。鎖定時間必須始終為32位元——短而且確定。

˙還可以在0~8000+之間改變資料封包前導碼長度,這樣能同時滿足最嚴格的ITU.T PON要求和比較寬鬆的IEEE PON要求。

圖2顯示XAPP1277中與BCDR配套提供的模擬環境架構。該模擬環境透過腳本運行,無需編寫代碼便可在數分鐘後看到波形。

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圖2 BCDR配套提供的模擬環境。



對於硬體供應商來說,軟體壓力測試框架是一個非常好的起點。然而,你可能需要看到硬體工作,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,並在硬體中不斷生成並檢查資料封包,以免看到單個bit錯誤或丟失單個資料封包。

如何使用演示卡模擬PON環境?如何用1個BCDR進行錘子模式測試?

上行資料總是以雙倍速率合成,而且TX串列器總是每個上行bit生成兩個同樣的bit。這樣,在架構層面,硬體框架可以模擬任意兩個連續資料封包之間0.5UI的跳變——可在PON環境中發生的最差情況。硬體框架透過插入任意兩個資料封包之間最差相位步驟,對BCDR施壓。

該框架中的有效負載是被截短的PRBS,在每個資料封包的定界符(delimiter)之後重新開始。如果BCDR跳過資料封包,你會看到一個負載錯誤;還可在運行中改變前導碼長度。整個硬體測試台支援腳本編寫,而且嵌入Vivado硬體分析器,還具備一套控制功能。

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串列/解串列器(SerDes)特性和BCDR本身的很多特性,例如數位頻寬。對於不熟悉FPGA技術的使用者來說,SerDes配置則是另一個會使他們感到困惑的部分,因此BCDR框架提供使用說明,分步介紹如何配置SerDes,以協助使用者設立PONOLT介面。圖3為「GT(Gigabit Transceiver)導向GUI」示意圖,顯示框架如何指導配置,以及如何避免硬體複雜性。

這些技術使用戶只需透過GUI就能選擇好BCDR這樣的複雜產品。原則上,你即使不瞭解基礎技術細節也能做這些工作。一旦對BCDR完成評估,硬體測試台就會成為啟動真實項目的最佳起點,只需刪除演示資料包生成器/檢查器並用真實的PON MAC替代這些模組,即可嵌入BCDR。

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圖3 用於設置多速率OLT介面的SerDes配置。



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