光纖到戶遠(yuǎn)端設(shè)備的設(shè)計(jì)與測(cè)試

馮先成，李 寒

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

面對(duì)不斷出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的新需求，光纖接入因其具有無限帶寬資源、接入距離長達(dá)幾十公里以上、便于運(yùn)營和管理、支持業(yè)務(wù)范圍廣、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)接入發(fā)展的主要方向.光纖接入目前最看好的主要是以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Netmork,以下簡稱：EPON)光纖接入系統(tǒng),EPON技術(shù)繼承了以太網(wǎng)的低成本、易用性以及光網(wǎng)絡(luò)的高帶寬等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)光纖接入的眾多技術(shù)中性價(jià)比最好的一種技術(shù)，并逐漸被全球運(yùn)營商廣泛采用[1-2].

光纖接入(Fiber To The X,簡稱：FTTX)以光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,以下簡稱：ONU)的所在位置，分為光纖到戶(Fiber to The Home,以下簡稱： FTTH)、光纖到辦公室(Fiber to The Office,簡稱：FTTO)、光纖到大樓(Fiber to The Building,簡稱：FTTB)、光纖到小區(qū)(Fiber to The Zone,簡稱：FTTZ)和光纖到路邊(Fiber to The Curb,簡稱：FTTC)等方式.FTTH是將ONU安裝在家庭用戶或企業(yè)用戶的光纖接入方式.FTTH的顯著特點(diǎn)是不但能提供更大的帶寬，而且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)格式、速率、波長和協(xié)議的透明性，放寬了對(duì)環(huán)境條件和供電等要求，簡化了安裝和維護(hù)[3-4].FTTH可以支持現(xiàn)有的各種電信業(yè)務(wù)(包括數(shù)據(jù)、語音、專線等)，因此需要EPON設(shè)備提供各種接口.光線路終端(Optical Line Terminal，以下簡稱：OLT)設(shè)備需要支持FE、GE、E1、STM-1接口；ONU設(shè)備需要支持FE、E1、POTS接口.EPON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[5-8].

1 硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)端設(shè)備按功能分為9個(gè)部分：控制模塊、交換模塊、UNI接口模塊、ONU模塊、EPON接口模塊、網(wǎng)管調(diào)試模塊、語音處理模塊、電路仿真模塊、CATV模塊.FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備如圖2所示，硬件設(shè)計(jì)如圖3所示.控制模塊主要完成對(duì)其它業(yè)務(wù)模塊的控制，實(shí)現(xiàn)與局端OLT控制信息的交互；交換模塊實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)業(yè)務(wù)流的匯聚與管理，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的二層功能；UNI接口模塊提供與用戶側(cè)接入設(shè)備的物理接口，包括以太網(wǎng)接口、電話接口、射頻(RF)接口；ONU模塊完成控制幀的發(fā)送與處理、上下行數(shù)據(jù)流的分類與管理、各種性能的采集及對(duì)EPON光接口的發(fā)送控制等；EPON接口模塊提供1000Base-PX10/20光接口，速率為上/下行1.25 Gb/s對(duì)稱速率，傳輸距離為20 km.網(wǎng)管調(diào)試模塊完成對(duì)交換模塊、語音處理模塊、電路仿真模塊的配置和性能監(jiān)視；語音處理模塊提供對(duì)語音業(yè)務(wù)的編解碼、 壓縮等功能以及對(duì)信令信息的處理；電路仿真模塊提供E1等租用線業(yè)務(wù)的封裝與解封裝以及E1時(shí)鐘的提取；CATV模塊實(shí)現(xiàn)下行廣播光信號(hào)的接收與射頻(RF)信號(hào)的產(chǎn)生.

圖1 EPON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology structure of EPON

圖2 FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備Fig.2 Far-end equipment of FTTH

圖3 遠(yuǎn)端設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)Fig.3 Hardware design of far-end equipment

2 工作原理

2.1 FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的工作原理

FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的工作原理如圖4所示.

下行方向，在有線路保護(hù)的條件下，設(shè)計(jì)2塊光模塊，系統(tǒng)在初始化時(shí)，會(huì)指定一路光模塊工作，另一路光模塊關(guān)閉.當(dāng)光纖線路被切斷時(shí)，將產(chǎn)生LOS告警，使MUX倒換到另一路光模塊，同時(shí)復(fù)位3701/3711模塊，使其重新測(cè)距，并通過GPIO口報(bào)告給MPC850插板.正常工作時(shí)，下行光信號(hào)通過光模塊把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，兩路電信號(hào)通過MUX模塊，二選一進(jìn)入到3701/3711模塊，電信號(hào)通過3701/3711模塊分為兩路：一路通過GMII/MII口發(fā)送到BCM5380交換芯片，然后轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)FE口，用來提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，另一路通過一個(gè)MII口發(fā)送到TDM插板，轉(zhuǎn)發(fā)成2M數(shù)據(jù)輸出，用來提供E1業(yè)務(wù).

圖4 FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的工作原理Fig.4 Far-end equipment principle

在上行方向，上行的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過BCM5380交換芯片轉(zhuǎn)發(fā)到3701/3711模塊的GMII/MII，然后發(fā)送到EPON口，2M數(shù)據(jù)在TDM插板上轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，通過3701/3711模塊的MII口發(fā)送.

MPC850插板主要對(duì)BCM5380交換芯片和TDM插板進(jìn)行管理.局端下行發(fā)送的控制幀將會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到BCM5380交換芯片的MII口，通過DM9000模塊將交換芯片的MII口和MPC850插板的Host Bus連接起來.MPC850插板收集到的各模塊信息組裝成管理數(shù)據(jù)幀上行發(fā)送到局端.

2.2 FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件模塊 FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件開發(fā)采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks[9].操作系統(tǒng)采用Tornado開發(fā)工具，為開發(fā)VxWorks應(yīng)用系統(tǒng)提供集成開發(fā)環(huán)境[10-11].如圖5所示，F(xiàn)TTH遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)遵循功能模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，將軟件設(shè)計(jì)分為5個(gè)功能模塊：底層驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)管理模塊、主從通信模塊、主備倒換模塊、命令行處理模塊.

圖5 遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件模塊化設(shè)計(jì)Fig.5 Software module of far-end equipment

2.2.2 遠(yuǎn)端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì) 底層驅(qū)動(dòng)軟件提供各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序、ONU核心控制軟件與OLT核心控制軟件的通信處理通道，為上層應(yīng)用軟件提供穩(wěn)定可靠的鏈路層通信，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；核心控制軟件駐留在MPC850CPU上，是實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)功能的主體，是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)BCM5380交換芯片和TDM插板進(jìn)行控制、管理和維護(hù)，并向命令行網(wǎng)管系統(tǒng)提供管理維護(hù)接口(包括串口命令行接口和Telnet命令行接口，實(shí)現(xiàn)不同方式的管理和維護(hù)，滿足不同用戶對(duì)不同安全程度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需求)；命令行網(wǎng)管軟件負(fù)責(zé)提供用戶對(duì)設(shè)備的操作、維護(hù)和管理.如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)功能軟件Fig.6 Software system of far-end equipment

FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的主機(jī)軟件包括核心控制軟件和命令行網(wǎng)管軟件.主機(jī)軟件流程如圖7所示.主要完成對(duì)本地BCM5380交換芯片、TDM業(yè)務(wù)的配置和管理.局端可以對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程配置管理，遠(yuǎn)端設(shè)備上報(bào)本地配置信息及告警信息等.

圖7 主機(jī)軟件流程圖Fig.7 Program chart of host software

3 測(cè)試

通過將FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備接入到EPON局端設(shè)備、EPON局端設(shè)備接入IP網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試FTTH系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能.FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備的性能測(cè)試，主要是以太網(wǎng)業(yè)務(wù)性能、E1業(yè)務(wù)性能和光路保護(hù)倒換等關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試[12-13].

3.1 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)性能測(cè)試

以太網(wǎng)性能測(cè)試如圖8所示，其中NMS是網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，ODN是光分路器，網(wǎng)絡(luò)分析儀1和網(wǎng)絡(luò)分析儀2完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)監(jiān)測(cè).

圖8 EPON以太網(wǎng)性能測(cè)試圖Fig.8 Ethernet capability test of EPON

3.1.1 1∶1吞吐量測(cè)試過程 按照?qǐng)D8連接設(shè)備、儀表；待ONU正常工作后將OLT的GE上聯(lián)口和ONU以太網(wǎng)口均設(shè)為自協(xié)商模式，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀1發(fā)送100 Mb/s的下行流量、網(wǎng)絡(luò)分析儀2發(fā)送100 Mb/s的上行流量， 分別觀測(cè)并記錄儀的接收情況，結(jié)果如表1所示.

表1顯示EPON的吞吐量大于90%，其上行傳輸效率平均94%，下行傳輸效率平均達(dá)到99%.

表1 上/下行以太網(wǎng)吞吐量

3.1.2 1∶1時(shí)延測(cè)試過程 按圖8連接設(shè)備，待ONU注冊(cè)成功且工作正常；將OLT的GE上聯(lián)口和ONU的以太網(wǎng)口均設(shè)為自協(xié)商模式，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀1發(fā)送200 Mb/s的下行流量、網(wǎng)絡(luò)分析儀2 發(fā)送每端口100 Mb/s 的上行流量；利用7個(gè)典型包長分別測(cè)試10 s,分別記錄系統(tǒng)上行和下行平均延時(shí)，結(jié)果如表2所示.

表2 上/下行以太網(wǎng)時(shí)延

從表2可以看出，下行方向由于采用連續(xù)通信方式，時(shí)延指標(biāo)和普通以太網(wǎng)的測(cè)試指標(biāo)基本一致，上行方向由于采用突發(fā)通信方式，而且有32個(gè)ONU共享上行帶寬，時(shí)延比普通以太網(wǎng)要大一些，上行延時(shí)均應(yīng)<1 ms，下行延時(shí)均應(yīng)<0.5 ms.

3.1.3 1∶1長期丟包率測(cè)試過程 接圖8連接設(shè)備、儀表；待ONU正常工作后，將OLT的GE上聯(lián)口和ONU的以太網(wǎng)口均設(shè)為自協(xié)商模式，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試丟包率，分別觀測(cè)并記錄，結(jié)果如表3所示.

表3 上/下行以太網(wǎng)丟包率

表3顯示上/下行以太網(wǎng)丟包率<10-9.

測(cè)試結(jié)果表明：被測(cè)試設(shè)備的吞吐量，都能達(dá)到95 Mb/s；被測(cè)試設(shè)備在一定流量下單端口的轉(zhuǎn)發(fā)平均時(shí)延小于1 ms；單端口的丟包率約為0.

3.2 E1業(yè)務(wù)性能測(cè)試

按照?qǐng)D9連接設(shè)備、儀表；在OLT和ONU之間配置2.048 Mb/s通路，并進(jìn)行環(huán)回鏈接；設(shè)置數(shù)字信號(hào)分析儀和系統(tǒng)同步；啟動(dòng)數(shù)字信號(hào)分析儀，測(cè)試E1業(yè)務(wù)通路長時(shí)誤碼性能.測(cè)試結(jié)果表明24小時(shí)E1業(yè)務(wù)無誤碼.

圖9 E1業(yè)務(wù)誤碼性能測(cè)試圖 Fig.9 Error code capability test of E1 service

3.3 光路保護(hù)倒換測(cè)試

按照?qǐng)D10連接OLT和ONU，ONU會(huì)通過光口1完成注冊(cè)，通過Smartbit發(fā)送上下行100 Mb/s的數(shù)據(jù)流；拔掉主用或備用光纖，觀察設(shè)備能否自動(dòng)完成在主用光路和備用光路間的識(shí)別和倒換、數(shù)據(jù)能否恢復(fù)；拔掉光路1或光路2，觀察ONU能否自動(dòng)完成在光口1和光口2間的識(shí)別和倒換、數(shù)據(jù)能否恢復(fù).

圖10 光路保護(hù)倒換測(cè)試圖Fig.10 Protection switching test of optical path

測(cè)試結(jié)果表明拔掉光路1或光路2，ONU能夠自動(dòng)完成在光口1和光口2間的識(shí)別和倒換，數(shù)據(jù)能夠恢復(fù).

4 結(jié) 語

本文基于處理器850設(shè)計(jì)FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備，對(duì)以太網(wǎng)、E1業(yè)務(wù)性能和光路保護(hù)倒換的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論.FTTH遠(yuǎn)端系統(tǒng)解決了在光纖上傳輸綜合業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合，適應(yīng)當(dāng)前接入寬帶網(wǎng)的發(fā)展，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.FTTH遠(yuǎn)端設(shè)備采用模塊化的硬件、軟件設(shè)計(jì)，具有較大的擴(kuò)展性、靈活性、移植性，可生產(chǎn)多樣化的遠(yuǎn)端設(shè)備，快速響應(yīng)用戶的各種需求，全面提高用戶的服務(wù)質(zhì)量.

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮先成,李寒,羅帆,等. 光纖到戶(FTTH)的ODN工程設(shè)計(jì)及測(cè)試[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2011,39(8):171-173.

[2] 鐘秀芳,李樹明,邵巖, 等. EPON技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品現(xiàn)狀分析及探討[J]. 信息通信技術(shù),2009(1):51-57.

[3] 陳光武,楊菊花,范多旺. EPON的性能分析及優(yōu)化[J]. 光電工程,2007，34(7):116-120.

[4] 陳斌. EPON在有線網(wǎng)雙向改造中的應(yīng)用[J]. 廣播與電視技術(shù),2006(10):120-121.

[5] 張文,吳娟. EPON體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用分析[J]. 光通信技術(shù),2006(10):18-19.

[6] 夏俊. EPON寬帶接入技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]. 有線電視技術(shù),2005(22):23-25.

[7] 胡保民,劉德明,黃德修. EPON:下一代寬帶光接入網(wǎng)[J]. 光通信研究,2002(5):22-25.

[8] 張繼東,陶智勇. EPON的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 光通信研究,2002(1):26-30.

[9] 馮先成,韻湘,胡煌球.一種適用于LAN及中高速Internet接入的PON系統(tǒng)[J]. 光通信研究,2001(2):8-12.

[10] 張傳浩.電信級(jí)以太無源光網(wǎng)絡(luò)接入理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[11] 易志雄. 基FTTX+Cable架構(gòu)的多媒體寬帶接入系統(tǒng)研究[D].武漢:華中科技大學(xué), 2005.

[12] 馮先成. 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)集群管理技術(shù)的應(yīng)用研究[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,28(3): 43-47.

[13] 馮先成,李寒,羅帆，等. DRZ和CRSZ的40G DWDM系統(tǒng)的性能測(cè)試[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(7)：98-103.