基于PAS9401的10G-EPON網絡終端設備的研究*

劉 霞，戴璐平，劉海英，戴麗萍

（武漢工程大學電氣信息學院，武漢 430074）

隨著電視、電話、寬帶的逐漸融合，對帶寬的需求越來越高。寬帶接入網需要從EPON（Ethernet Passive Optical Network）和 GEPON（1 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network）逐漸過渡到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與已經廣泛使用的EPON和GEPON的網絡兼容有著其他接入網不可比擬的明顯優勢。10 G-EPON網絡不但可以實現EPON和GEPON的平滑升級，同時網絡的管理和運營維護可以完全繼承EPON和GEPON系統，而且10 G-EPON的OLT（Optical Line Terminal）還可以兼容GEPON和10 G-EPON的ONU（Optical Network Unit），也可以大大降低FTTH（Fiber To The Home）升級改造的成本。對于帶寬需要高的客戶，需要采用10 G-EPON的用戶終端設備，以滿足其對高帶寬的需求。

本文提出采用PMC-Sierra公司的10 G-EPON ONU SoC（System-on-a-Chip）單芯片方案PAS9401設計用戶終端設備，介紹硬件開發和軟件實現過程，并通過了系統測試。

1 10 G-EPON網絡介紹

IEEE 協會在 EPON（IEEE802.3au）基礎上于2006年提出IEEE std 802.3av標準的研究，保持EP?ON的MAC（Media Access Control）層控制協議不做改變，只是提出物理層規范的新的研究方向，核心就是將上下行傳輸速率提升到10 Gbit/s，并且提出在同一個ODN（Optical Distribution Network）下實現1 G-EPON的ONU與10 G-EPON的ONU共存方案，可以極大的減少運營商網絡升級成本。

10G-EPON定義了兩種技術，即上下行非對稱和上下行對稱。非對稱技術的下行傳輸速率為10Gbit/s，下行信號的中心波長為1577nm，上行傳輸速率為1Gbit/s，上行信號的中心波長為1 310 nm；對稱技術的上行和下行傳輸速率都為10 Gbit/s，下行信號的中心波長為1 577 nm，上行信號的中心波長為1 270 nm；電視視頻信號可以采用1 550 nm波長進行傳送［1-2］。在對上行帶寬需求較少和成本敏感的地方，可以采用非對稱形式，隨著業務的發展和技術的進步，必將是對稱模式廣泛應用于FTTH。

10 G-EPON網絡結構示意圖如圖1所示，由局端光線路終端OLT、光分配網絡、光網絡單元ONU組成［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）網絡等業務，下行通過ODN分配到ONU，ONU的上行數據通過TDMA方式傳輸到OLT，再接入到城域網、骨干網中；ONU可以置于樓棟即光纖到大樓FTTB（Fiber to The Building），也可以置于家庭即光纖到戶（FTTH），ONU接電視、固定電話、電腦，是實現三網合一的綜合接入設備。

圖1 10 G-EPON體系結構框圖

2 ONU終端硬件系統設計

如圖2所示，ONU用戶終端方案主要采用PMCSierra公司的10 G-EPON ONU專用SoC芯片PAS9401，外接的存儲器有Serial FLASH和DDR2（Double Data Rate 2）；PAS9401通過SERDES接口外接10G-EPON對稱光收發模塊，接入10 G-EPON網絡；PAS9401外接一顆10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s的PHY（Physical Layer），擴展出4個RJ45接口，接PC（Personal Computer）機、IP電話機、視頻機頂盒等寬帶設備；電源部分采用5 V/2 A直流電源供電，通過電源管理模塊，提供ONU上所有器件工作需要的電源。軟件調試接口采用JTAG（Joint Test Action Group）接口，程序調試和問題跟蹤采用 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口，產品的軟件升級可以采用WEB頁面進行升級。

圖2 ONU硬件結構示意圖

2.1 ONU光模塊

ONU光模塊采用青島海信寬帶多媒體技術有限公司的LTF7219，上行數據波長為1270nm，下行數據波長為1577nm，上下行數據傳輸速率最高均為10Gbit/s，上行發射光源為分布反饋激光器DFB（Distributed Feed Back），采用突發模式發射，下行接收為雪崩光電二極管APD（Avalanche Photo Diode），采用連續模式接收方式，封裝為SFP（Small Fortm-Factor Pluggable）+，支持最大距離為20 km［5-6］，符合對稱型10 G-EPON ONU對波長和傳輸速率的需求。

2.2 10 G-EPON ONU SoC模塊

PAS9401是PMC-Sierra公司第一代10 G-EPON光網絡單元（ONU）的SoC器件系列，用于10 G-EP?ON的ONU的設計和開發。PAS9401對于10 G-EP?ON中的不管是單用戶ONU形態SFU（Single Family Unit）還是多個獨立用戶ONU形態MDU（Multi-Dwelling Unit），都是高性能、低功耗以及低成本的優選解決方案，支持IEEE802.3av 10 G-EPON ONU的規格和CTC 10 G-EPON V3.0標準。

圖3 PAS9401硬件結構示意圖

PAS9401集成10 G-EPON的SERDES和CDR、10G-EPON媒體接入控制（MAC）、10 G-EPON協議棧管理、先進的包處理器、強大的嵌入式處理器ARM926（主頻可達300 MHz）以及多種以太網用戶接口。PAS9401支持無線基站TOD（Time of Day）和SyncE（Synchronous Ethernet）時間同步，同時進入省電模式可以降低設備的功耗。

PAS9401內部的10 G-EPON MAC支持全雙工收發10 G-EPON ONU光模塊，下行速率10 Gbit/s，上行支持10 Gbit/s和1 Gbit/s兩種；有可靠性高，可編程的光收發器接口，本設計中選用LTF7219；可配置的用戶網絡接口，支持XAUI（Ethernet Attachment Unit Interface）的多種模式，總共4組SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）/HiSGMII接 口 和 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口，可接以太網交換芯片、以太網PHY芯片，本設計中通過RGMII，外接千兆以太網PHY芯片KSZ9031MNX，擴展出4個10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s接 口 ；FE（Fast Ethernet）MAC 可通過 MII（Media Independent Inter?face）/接口外界 CPU（Central Processing Unit），帶MDC（Manufacturing Data Collection）/MDIO（Manage?ment Data Input/Output）管理功能；集成 16bit的DDR2控制器，本設計中采用MICRON公司的DDR2 SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory），型號是 MT42L128M16D1，2 Gb大小，作為程序運行空間，斷電后數據丟失；外接串行接口的FLASH，用于程序的BOOT，本設計中選用MacronixInternational公司的1Gb的Serial FLASH，型號是MX66L1G45 G，存儲程序代碼和數據，并用于系統的啟動，將程序搬移到DDR2中去運行；另外還有TOD接口、PON和用戶接口指示燈控制信號、GPIO（General Purpose Input Output）、I2C接口、UART接口等，極大地方便了ONU的設計和開發［7-9］。

2.3 Ethernet模塊

Ethernet模塊采用MICREL公司的RGMII接口的千兆以太網物理層收發器芯片KSZ9031RNX，支持5 Port 10 Base-T/1 000Base-TX/1 000 Base-T標準5類線的輸入和輸出，通過RGMII接口直接連接到PAS9401的RGMII MAC，數據傳輸速率為10 Mbit/s/100 Mbit/s/1 000 Mbit/s［10］，KSZ9031RNX 通過網絡變壓器，對外支持五路LAN接口，可接PC，網絡播放器，IP電話機等寬帶設備。

3 ONU終端的基本軟件設計

10 G-EPON ONU的軟件開發主要是PAS9401，KSZ9031MNX，LTF7219等芯片和模塊底層驅動設計以及初始化、系統啟動程序Bootloader的開發、嵌入式Linux系統的移植、TCP/IP協議棧的移植、10 GEPON協議棧的處理以及應用層軟件的開發。ONU的軟件架構如圖4所示。

圖4 ONU軟件系統結構

在Fedora17操作系統進行軟件的設計和編譯調試，Fedora是最佳的linux操作系統，非常優秀的桌面設置功能深受開發者的喜愛，采用標準C語言進行實際開發工作，上層應用會用到面向對象的JAVA語言，PAS9401的內核是ARM926處理器，軟件調試采用J-LINK ARM JTAG仿真器進行。

模塊化的軟件設計思路，使軟件開發過程變得清晰，底層是硬件驅動，往上依次是OS（Operating System）操作系統，API（Application Programming In?terface）接口，各種協議棧以及上層應用。各模塊之間的通信采用消息機制和共享數據方式進行，彼此之間是相互獨立，網絡管理模塊在HTTP（HyperText Transfer Protocol）、TELNET、TFTP（Trivial File Trans?fer Protocol）、SNMP（Simple Network Management Pro?tocol）層實現［10-11］。

主要模塊：

（1）10 G-EPON MAC模塊：

此模塊為10 G-EPON協議實現模塊，實現10 G-EPON的協議中的雙速率突發接收、波長分配、光功率預算、MPCP兼容以及FEC等，同時還要實現10 G-EPON系統中1 G ONU和10 G ONU的共存，主要是關注波長分配、雙速率接收以及FEC（Forward Error Correction）增益控制等技術的實現。

（2）CPU模塊

此模塊包括Bootloader啟動程序、PAS9401的底層硬件驅動、KSZ9031MNX的底層硬件驅動、嵌入式Linux內核、TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協議的移植，以及ONU的所有控制工作等。

（3）協議支撐模塊

此模塊為嵌入式Linux系統與10 G-EPON協議的接口、Linux系統與TCP/IP協議的接口模塊。

（4）用戶接口模塊

支持TFTP、TELNET、SNMP、HTTP接口，為網絡管理維護，程序升級等提供接口。

4 測試結果

采用SPIRENT SmartBits 6 000C進行網口吞吐量、丟包率等主要指標測試，SmartBits 6 000 C支持4個千兆網絡網口，4個千兆光纖接口，以及1個10 G以太網接口。

對ONU的4個千兆網口的吞吐量進行測試。其中當每幀為64 byte，千兆網口收發速率為1 488 100幀/s，即762 Mbit/s；每幀為128 byte，千兆網口收發速率為844 590 幀/s，即865 Mbit/s；每幀為256 byte，千兆網口收發速率為452 900幀/s，即879 Mbit/s；

每幀為512 byte，千兆網口收發速率為234 960幀/s，即962 Mbit/s；每幀為1 024 byte，千兆網口收發速率為119 730幀/s，即981 Mbit/s；每幀為1 280 byte，千兆網口收發速率為96 150幀/s，即985 Mbit/s；每幀為1 518 byte，千兆網口收發速率為81 270幀/s，即987 Mbit/s。可見千兆網口的吞吐量滿足設計要求。

另外對每幀為 64 byte，128 byte，256 byte，512 byte，1 024 byte，1 280 byte，1 518 byte時的丟包率測試結果為0，滿足設計需求。

5 結論

采用PAS9401 SoC方案設計的10 G-EPON ONU用戶終端設備，有很高的集成度，只需采用少量的外圍器件，就可以完成ONU的硬件架構設計，大大降低了ONU的器件成本。ONU終端的吞吐量、過載丟包率和轉發延時等特性進行了嚴格的測試，針對MPCP（Multi-Point Control Protocol）兼容適配機制，采用不同速率ONU進行不同的時間開窗授權的方法，可以實現10 G-EPON網絡中的1 G ONU和10 G ONU的兼容和共存。測試結果表明采用PAS9401設計的ONU，完全滿足IEEE802.3 av標準的要求，有很高的市場價值。

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劉 霞（1974-），女，漢族，湖北陽新，就任于武漢工程大學電氣信息學院，工程師，研究方向為通信技術，yaoduoqi@163.com。