、低成本光學(xué)器件以及無源架構(gòu)都為無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)以及這些網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)做出了巨大貢獻(xiàn)。系統(tǒng)級(jí)OEM廠商不斷發(fā)現(xiàn),FPGA能夠提供技術(shù)性設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì),特別是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的中心局(CO)基礎(chǔ)設(shè)施端。
2002年之前,低性能的FPGA主要用于原型創(chuàng)建工具。而如今的FPGA具有強(qiáng)大的性能和豐富的功能,能更好地滿足日益提高的PON設(shè)計(jì)需求。另外,更低設(shè)計(jì)成本、靈活和可擴(kuò)展的FPGA對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)激烈的無源光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)來說也是關(guān)鍵。
PON是點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)光纖到駐地(FTTP)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù),也常被定義為光纖到路邊(FTTC)和光纖到家庭(FTTH)。在PON定義中采用了FTTP或CPE(用戶駐地設(shè)備)。通過無需供電或無源的光分離器,單路光纖可以服務(wù)于多個(gè)駐地。分離器通常為32路,不過有時(shí)會(huì)多達(dá)64路。一個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)位于業(yè)務(wù)提供商中心局的光線路終端(OLT)和眾多的光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT),后者也被稱為進(jìn)入駐地的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。
下行的OLT信號(hào)以廣播方式送到共享一根光纖的各個(gè)ONT。目前的PON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下行的數(shù)據(jù)率高達(dá)(Gbps)。上行信號(hào)則利用時(shí)分多路(TDM)技術(shù)組合在一起。與數(shù)字用戶線(DSL)或電纜相比,PON具有無可比擬的帶寬優(yōu)勢(shì),可以提供高速三重播放業(yè)務(wù)(語音,視頻和數(shù)據(jù))。
根據(jù)Infonetics的預(yù)測(cè),到2010年,北美和亞太地區(qū)PON用戶的年度復(fù)合增長(zhǎng)率可高達(dá)150%。吉比特PON(GPON)在北美正在取得強(qiáng)勁的增長(zhǎng),而以太網(wǎng)PON (EPON)主要用在日本。日本政府的津貼政策正在推動(dòng)PON市場(chǎng)的逐年增長(zhǎng),而中國(guó)正在仔細(xì)權(quán)衡EPON和GPON的優(yōu)劣。
寬帶PON(BPON)或者國(guó)際通信聯(lián)盟(ITU-T) 是流行的美國(guó)PON標(biāo)準(zhǔn)。其最大下行數(shù)據(jù)速率為622Mb(Mbps),上行數(shù)據(jù)率為155 Mbps。安裝在光纖鏈路中的無源分離器允許一根光纖最多連接64個(gè)家庭。今年,GPON或ITU-T ,即BPON的演進(jìn)版本,有望進(jìn)入更多的美國(guó)家庭。它支持TDM和分組數(shù)據(jù),下行和上行數(shù)據(jù)率最高分別可達(dá)2.5 Gbps和。GPON的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是無需增加IP就能支持交換式數(shù)字視頻和原有的TDM語音。
成本敏感性
不管哪種標(biāo)準(zhǔn),用于提供寬帶接入的PON系統(tǒng)具有高度的成本敏感度。DSL是目前使用最為廣泛的寬帶接入技術(shù)。由于具有龐大的用戶數(shù)量,DSL為每端口設(shè)置了極低的成本標(biāo)桿。因此,DSL對(duì)PON提出了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)。不過PON系統(tǒng)在過去兩年里在降低成本和增強(qiáng)功能方面也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
隨著PON市場(chǎng)的發(fā)展,系統(tǒng)級(jí)OEM廠商和運(yùn)營(yíng)商正密切關(guān)注其成本的降低,尤其是OLT的成本。在ONT側(cè),數(shù)量有望增加到百萬臺(tái),因?yàn)镻ON將為數(shù)以百萬計(jì)的駐地提供服務(wù)。許多ASIC和ASSP供應(yīng)商盯上了ONT,并提供各種芯片產(chǎn)品。由于ONT是一個(gè)量很大的市場(chǎng),ASIC和ASSP芯片廠商能夠幫助降低成本,從而幫助系統(tǒng)級(jí)OEM和運(yùn)營(yíng)商提供較低的價(jià)格。
另一方面,OLT系統(tǒng)數(shù)量為數(shù)萬臺(tái)而非數(shù)百萬臺(tái),故成本較高。例如,PON家用調(diào)制解調(diào)器的成本為100到300美金,而PON網(wǎng)絡(luò)中OLT系統(tǒng)的成本則高達(dá)10000美金。實(shí)際上,OLT的成本對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說極為關(guān)鍵,因此大都集成了多端口線路卡,可以處理越來越多的駐地?cái)?shù)量。
OLT線路卡的期望數(shù)量在可預(yù)見的未來將保持在中等到較低的水平,這有兩個(gè)原因。首先,64個(gè)ONT只需要一個(gè)OLT,其次,每個(gè)OLT線路卡可以支持4到8個(gè)OLT端口。于是,OLT線路卡的數(shù)量和所用的元器件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于大批量的ONT設(shè)備。
設(shè)計(jì)復(fù)雜性使成本問題更加嚴(yán)重。PON OLT和ONT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)共享的媒體架構(gòu),這為系統(tǒng)OEM設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn)。由于PON標(biāo)準(zhǔn)中采用了TDM技術(shù),因此OLT和各個(gè)ONT之間的交互非常復(fù)雜。TDM用來共享不同駐地間的容量。早期的PON標(biāo)準(zhǔn)使用靜態(tài)TDM,因此每個(gè)駐地接收相同的容量。
但是,最新的PON標(biāo)準(zhǔn)要求能夠根據(jù)駐地的需求變化,為不同的駐地動(dòng)態(tài)分配容量。這種動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)功能需要利用ONT和OLT之間傳送的信令通知OLT每個(gè)ONT所需的容量。OLT也需要將分配的容量通知給每個(gè)ONT。該協(xié)議基于從ONT到OLT的請(qǐng)求消息。OLT確定最佳的容量分配,并用確認(rèn)消息予以響應(yīng)。
另外,與較簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)端口不同的是,由于存在動(dòng)態(tài)TDM要求,PON端口是一種更復(fù)雜的P2MP。因此OLT端口必須在多個(gè)ONT駐地之間進(jìn)行連續(xù)切換。每個(gè)ONT分配得到32或64個(gè)可用時(shí)隙中的一個(gè)與OLT進(jìn)行交互通信。OLT必須快速且連續(xù)地依次鎖定到每個(gè)ONT數(shù)據(jù)流上,用的是眾所周知的突發(fā)模式。為了支持這一極快的鎖定方案,需要一個(gè)高度專用的媒體訪問控制器(MAC)、串行/解串器(SerDes)以及時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)功能。為了協(xié)調(diào)對(duì)每個(gè)ONT的訪問,PON MAC尤其重要。
基于FPGA的設(shè)計(jì)
針對(duì)上述背景,系統(tǒng)級(jí)OEM廠商在實(shí)現(xiàn)低成本和高效的OLT設(shè)計(jì)方面可選擇性很少。一種方法是選用ASIC技術(shù)。但這種方法的投資成本極高。由于一些原因,ASSP也無法較好地實(shí)現(xiàn)。ASSP在支持PON演進(jìn)需求方面的靈活性有限,缺乏設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性,并且功耗隨著時(shí)鐘速率的升高而升高。ASSP在提供可競(jìng)爭(zhēng)的差異化產(chǎn)品方面的能力也很有限,還面臨著器件停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。另外,擁有成本也越來越高,上市時(shí)間較長(zhǎng)。
然而,FPGA卻能為OLT的設(shè)計(jì)提供低成本高效率的開發(fā)平臺(tái)。當(dāng)設(shè)計(jì)無縫移植到結(jié)構(gòu)化ASIC進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)成本還能進(jìn)一步降低。這種方法由于省去了大型且耗時(shí)的ASIC開發(fā),系統(tǒng)OEM廠商可以省去較大的成本,并縮短上市時(shí)間。
像Stratix這類FPGA器件,能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)和集成主要的OLT線路卡功能(見圖2)提供所需的高性能邏輯。而且,FPGA也是用于實(shí)現(xiàn)CO OLT或者ONT用戶駐地端EPON和GPON MAC的可選技術(shù)。另外,可以在一片F(xiàn)PGA中集成PHY和MAC,從而在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)虛擬線路卡。FPGA中先進(jìn)的高效率內(nèi)核矩陣基于的是被稱為自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)的創(chuàng)新邏輯單元。
圖2:OLT線路卡采用的分布式與集中式架構(gòu)的比較。
每個(gè)ALM有8個(gè)帶可分塊查找表(LUT)的輸入、2個(gè)專用的嵌入式加法器、兩個(gè)專用寄存器以及附加的邏輯增強(qiáng)塊(見圖3)。這些功能可以讓ALM實(shí)現(xiàn)完整的六輸入LUT或者選擇一個(gè)七輸入的LUT。它們也能用來創(chuàng)建較小型LUT的多種組合的兩個(gè)獨(dú)立輸出以實(shí)現(xiàn)高效的邏輯封裝。第三,無需額外的資源即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯算術(shù)功能。
圖3:FPGA ALM方框圖。
ALM采用多軌互聯(lián)架構(gòu)進(jìn)行布線,能夠使FPGA實(shí)現(xiàn)高速邏輯、算術(shù)和寄存器功能。這種多軌連接方式由于連接較少,能夠向周圍的邏輯陣列塊(LAB)提供高水平的連接性和可訪問性。另外,還可以避免局部擁塞,以實(shí)現(xiàn)更好的邏輯封包。
實(shí)現(xiàn)MAC和分組處理時(shí),需要高性能邏輯、分布良好且可以配置的存儲(chǔ)器塊,還需要高效率的布局和布線工具。
同樣,前向糾錯(cuò)(FEC)對(duì)支持PON P2MP架構(gòu)起著重要的作用?？删幊踢壿嬍菍?shí)現(xiàn)FEC的理想選擇,原因有兩個(gè)。首先,它具有固有的靈活性,容易實(shí)現(xiàn)代碼修改和算法改進(jìn)。另外,FPGA中的高性能和高密度與PON系統(tǒng)的需求最相配。與專門用于FEC的ASSP不同,FPGA在實(shí)現(xiàn)FEC的同時(shí)還可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供硬件的高速度和軟件的靈活性。
對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分級(jí)
從整體設(shè)計(jì)角度出發(fā),FPGA能夠幫助設(shè)計(jì)師快速實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證OLT設(shè)備的功能。此外,基于FPGA的設(shè)計(jì)可以方便地實(shí)現(xiàn)可編程,這樣就可以在不增加大的設(shè)計(jì)開銷的前提下來修改設(shè)計(jì)和增加功能。另一個(gè)系統(tǒng)OEM受益處是可以實(shí)現(xiàn)一系列不同的OLT線路卡功能,這些線路卡可以采用相同的板級(jí)設(shè)計(jì)和組件。例如,一個(gè)高端OLT線路卡可以采用一片高性能FPGA來集成MAC和流量管理。另一方面,一個(gè)低端線路卡則可以使用具有相同外形但性能略低的FPGA來只實(shí)現(xiàn)MAC。因此無需設(shè)計(jì)不同的電路板和相關(guān)的元器件清單(BOMs)就能實(shí)現(xiàn)成本的分級(jí)。
另外,器件的靈活度和可擴(kuò)展性使得設(shè)計(jì)師可以從低級(jí)的OLT設(shè)計(jì)開始,隨著更多功能的需求再逐步升級(jí)。一家著名的美國(guó)運(yùn)營(yíng)商就是這樣做的,它開創(chuàng)了擴(kuò)展和修改需要這種可擴(kuò)展性的PON的范例。該運(yùn)營(yíng)商通過提供射頻覆蓋,將IPTV作為PON的一部分加以部署。它在光纖中增加了第二個(gè)波長(zhǎng)用于IPTV,作為對(duì)原有用于因特網(wǎng)接入的波長(zhǎng)的補(bǔ)充。
PON網(wǎng)絡(luò)不斷變化的特性反映了對(duì)快速和高性價(jià)比升級(jí)的強(qiáng)烈需求。FPGA的可擴(kuò)展性有助于設(shè)計(jì)師在每次增加新功能時(shí)避免對(duì)OLT線路卡進(jìn)行高成本和費(fèi)時(shí)的重新設(shè)計(jì)。隨著PON標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),設(shè)計(jì)師可以利用FPGA固有的可升級(jí)性不斷增加功能。結(jié)果是,基于FPGA的設(shè)計(jì)可以為系統(tǒng)級(jí)OEM廠商繪制一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的路線圖,從而在具有最佳機(jī)會(huì)的市場(chǎng)窗口內(nèi)經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)功能的增加。
低成本設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性已經(jīng)成為PON市場(chǎng)不斷發(fā)展的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力。作為這種擴(kuò)展的一部分,系統(tǒng)級(jí)OEM和運(yùn)營(yíng)商都有望利用現(xiàn)場(chǎng)配置的方式改進(jìn)PON OLT線路卡,這歸功于FPGA設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和可編程性。這樣,系統(tǒng)OEM廠商可以減少新設(shè)計(jì)的開發(fā)費(fèi)用,而運(yùn)營(yíng)商也能降低高運(yùn)營(yíng)成本(OPEX)。有些運(yùn)營(yíng)商目前面臨的問題是,他們對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行著不斷的升級(jí),卻沒有保持相應(yīng)的收入現(xiàn)金流。但如果借助于可配置的PON系統(tǒng),運(yùn)營(yíng)商就能隨著駐地需求的變化,通過低成本的升級(jí)來提供新業(yè)務(wù)而增加利潤(rùn)。
基于FPGA的設(shè)計(jì)還允許系統(tǒng)OEM廠商建立不同的定價(jià)/擴(kuò)展PON功能的計(jì)劃,以便更好地和運(yùn)營(yíng)商用戶執(zhí)行高效的商業(yè)計(jì)劃。在運(yùn)營(yíng)商需要之前,新功能的升級(jí)和相關(guān)成本可以得到很好的權(quán)衡,從而實(shí)現(xiàn)可贏利的運(yùn)作。
在運(yùn)營(yíng)商完成初始的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)并準(zhǔn)備投出大量設(shè)備訂單時(shí),系統(tǒng)OEM廠商可以平滑且高性價(jià)比地將FPGA設(shè)計(jì)無縫地移植到一個(gè)像HardCopy II這樣的功能等效的結(jié)構(gòu)化ASIC上。這種設(shè)計(jì)方法可以為系統(tǒng)OEM廠商提供諸多好處。
采用這種方法后產(chǎn)品上市時(shí)間可以比標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)早6到9個(gè)月。新功能、新特性乃至整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)成本只是傳統(tǒng)開發(fā)方案的一小部分。在結(jié)構(gòu)化ASIC硅片投產(chǎn)之前,這種方法可以為運(yùn)營(yíng)商用戶演示全部功能特性。此外,它還可以展現(xiàn)多種變化,并經(jīng)過定制提供特定的PON性能。最重要的是,設(shè)計(jì)可以從原型階段快速轉(zhuǎn)向低成本的生產(chǎn),從而盡量減少工程成本和工作量。
采用結(jié)構(gòu)化ASIC(圖4)可以將最先進(jìn)的FPGA的高成本降低高達(dá)90%。這種設(shè)計(jì)移植方法能夠保證最壞情況下的系統(tǒng)時(shí)序,同時(shí)刪除可編程器件和內(nèi)部互聯(lián),從而有效地減小裸片尺寸和最終成本。
圖4:高性價(jià)比的FPGA設(shè)計(jì)平臺(tái)。
前景展望
系統(tǒng)OEM廠商和運(yùn)營(yíng)商面臨的PON挑戰(zhàn)集中在持續(xù)的成本下降方面,以便戰(zhàn)勝DSL。在低成本接入駐地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)之前,DSL仍將保持領(lǐng)先地位。與此同時(shí),各個(gè)運(yùn)營(yíng)商正在部署各種不斷更新的方式提供用戶服務(wù)。對(duì)于系統(tǒng)OEM廠商而言,這意味著需要支持新一代的演進(jìn)需求。
FPGA的靈活性和可擴(kuò)展性為有效滿足上述演進(jìn)需求并降低成本鋪平了道路。例如,對(duì)第一和第二代OLT線路卡的FPGA設(shè)計(jì)投資可以攜帶到第三代中,只需要一定的增量投資即可滿足運(yùn)營(yíng)商的新需求。
這些特性在處理與PONS標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)相關(guān)的不確定性方面也起著關(guān)鍵作用。而這些不確定性與數(shù)據(jù)速率以及各種應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。
還有一個(gè)不確定性是由于兩個(gè)不同的PON標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(ITU-T和IEEE)引起的,即他們各自的PON標(biāo)準(zhǔn)將如何演進(jìn)到下一代數(shù)據(jù)速率。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)還在提出各種應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。僅這一點(diǎn)就會(huì)滋生各式各樣的不確定性。問題是哪種應(yīng)用更被市場(chǎng)接受,可以達(dá)到多大的數(shù)量級(jí)。另外,哪家運(yùn)營(yíng)商想要哪種應(yīng)用？?jī)?yōu)先級(jí)如何？
在可預(yù)見的未來,這些問題還將繼續(xù)搖擺不定,而能夠確定下來的則是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。因此,快速地響應(yīng)這些不同市場(chǎng)需求的重?fù)?dān)落在了系統(tǒng)OEM廠商的肩上。與固定架構(gòu)的解決方案相比,利用 FPGA可以最好地解決這些不確定性。
作者:Nilam Ruparelia
高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理
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Altera公司
