工作原理 - PON的由来背景及原理应用

PON的工作原理

服务提供商将一条光纤通到距离客户半径几百公尺的「路边」。并非为每个用户都提供一条光纤，而是使用一条光纤替代数十条双绞线。透过PON分配器为每个用户提供光纤，用户只能访问自己的那部分来自中央机房的多播资料，并受加密算法限制。

在上行的方向(图1所示)，来自每个用户的光纤连接到被动分配器，并被多任务到连接中心局的单条光纤。中心局内负责从光纤接收数据的设备称为光纤线路终端(Optical Line Termination，OLT)。这种架构与ADSL完全不同，PON的优势在于，街道上的接线盒是光学原理并且仍然是被动的，盒子中没有主动组件，这是PON技术的关键优势：能帮助供货商将维护成本降至最低。

图1 PON上行方向

这种方法的缺点在于服务提供商必须将原有的双绞线换成有限数量的光纤。为降低移植成本，不得不以降低性能为代价，在很多国家PON都以混合技术的形式搭建。用户通过ADSL连接到街边的接线盒，但从街边到OLT则透过光学连接。

采用这种混合方案后ADSL的速度变快了很多，原因是DSLAM距离用户只有几百公尺远，而不是在中央机房内。劣势在于街边的混合接线盒现在变成主动的，因为它需要装载小型DSLAM。

PON体现了成本与性能之间的平衡。这并非像老式56Kbps调制解调器那样是技术上的最佳解决方案，但未来该技术可持续扩展。

OLT还有另一个关键技术部分：前端。在上行方向，所有用户都透过被动光纤分配器连接到同一接收器。因此，用户必须进行突发传输，一次传输一批，因为用户共享一条OLT的光纤。所有突发传输以相同频率操作，但采用用户独立相位。OLT接收器在每次突发传输开始会重新同步其采样相位，以正确接收数据。

每次突发在开端前导码位置有一个特定模式，它能说明OLT锁定每次突发传输。OLT的前端接收器称为「突发模式频率和数据恢复(BCDR)」单元。

增加前导码时间可以更容易地设计BCDR，但较长的前导码显然会降低上行带宽的效率。BCDR是关键的OLT组件。它的效率直接影响PON线路的上行效率，进而影响PON运营商的每位(bit)收入。

赛灵思的FPGA技术在OLT中很普遍，不仅像在DSLAM中那样用在后端，而且还用于前端。赛灵思透过UltraScale All Programmable组件系列提供全面的BCDR解决方案。具体来说，BCDR采用32位确定锁定时间实现高效上行通讯。该功能超越了ITUTG984、G987和G989规范。BCDR配有相应说明和附件，以支持用户解决以下问题：

如何模拟BCDR？ 如何验证BCDR？

对于整合商来说，首要问题是选择产品。BCDR只能在PON环境中测试，也就是整合商的产品。不可能先开发产品，然后验证BCDR。如果在开发周期结束时我们发现BCDR没有达到预期会出现什么情况？

这就是为什么赛灵思推出以BCDR为基础的框架。连同BCDR，你可获得一个具有数据封包生成器和数据封包校验器的完整模拟测试平台，用于证明BCDR的正确运作。

除此之外，该开发环境不仅能测试BCDR；还能对它施压；发掘其终极性能。以下是一些实例：

生成多个ONU。

可强制让ONU运行在「锤子(hammer)」模式，即数据封包至数据封包相位跳变始终是UI的0.5%。我们想确保BCDR完全不受这种波动的影响。

每次多帧数据封包重启时，锤子模式下生成的所有数据封包移动1微微秒，以确保BCDR的相位检测器没有「死」区。锁定时间必须始终为32位——短而且确定。

还可以在0~8000+之间改变数据封包前导码长度，这样能同时满足最严格的ITU.T PON要求和比较宽松的IEEE PON要求。

图2显示XAPP1277中与BCDR配套提供的模拟环境架构。该模拟环境透过脚本运行，无需编写代码便可在数分钟后看到波形。

图2 BCDR配套提供的模拟环境

对于硬件供货商来说，软件压力测试框架是一个非常好的起点。然而，你可能需要看到硬件工作，而这正是第二个BCDR框架的工作；该框架使用针对Kintex UltraScale FPGA的KCU1250特性描述套件，并在硬件中不断生成并检查数据封包，以免看到单个bit错误或丢失单个数据封包。

如何使用演示卡模拟PON环境？如何用1个BCDR进行锤子模式测试？

上行数据总是以双倍速率合成，而且TX串行器总是每个上行bit生成两个同样的bit。这样，在架构层面，硬件框架可以仿真任意两个连续数据封包之间0.5UI的跳变——可在PON环境中发生的最差情况。硬件框架透过插入任意两个数据封包之间最差相位步骤，对BCDR施压。

该框架中的有效负载是被截短的PRBS，在每个数据封包的定界符(delimiter)之后重新开始。如果BCDR跳过数据封包，你会看到一个负载错误；还可在运行中改变前导码长度。整个硬件测试台支持脚本编写，而且嵌入Vivado硬件分析器，还具备一套控制功能。

除了锤子模式测试、错误插入和累积以外，还可在运行中更改很多串行/解串行器(SerDes)特性和BCDR本身的很多特性，例如数字带宽。对于不熟悉FPGA技术的用户来说，SerDes配置则是另一个会使他们感到困惑的部分，因此BCDR框架提供使用说明，分步介绍如何配置SerDes，以协助用户设立PONOLT接口。图3为「GT(Gigabit Transceiver)导向GUI」示意图，显示框架如何指导配置，以及如何避免硬件复杂性。

这些技术使用户只需透过GUI就能选择好BCDR这样的复杂产品。原则上，你即使不了解基础技术细节也能做这些工作。一旦对BCDR完成评估，硬件测试台就会成为启动真实项目的最佳起点，只需删除演示数据报生成器/检查器并用真实的PON MAC替代这些模块，即可嵌入BCDR。

图3 用于设置多速率OLT接口的SerDes配置