基于VDSL的以太网的设计与实现 - 全文

　　Internet的发展正快速进入宽带时代。目前在处理“信息高速公路最后1公里”的宽带接入方面已经有了很多解决方案，例如：FTTH（光纤到户）接入网、HFC（混合光纤同轴电缆）接入网、光纤+双绞线以太网、高速无线接入网、xDSL等。

　　除xDSL宽带接入方式外，其它几类接入网的建设需要重新布线或建立无线基站。在宽带建设中，布线工程或无线基站建设工程的成本占总成本的比重非常大，这些方案无疑增加了网络运营商的运营成本，影响了其竞争力。

　　xDSL是几类DSL（数字用户环路）的总称，包括ADSL（非对称数字用户环路）、VDSL（甚高比特率数字用户环路）、SHDSL（对称型高比特率数字用户环路）和IDSL（ISDN数字用户环路）等。xDSL是为了避免重新布线的弊端，充分利用已有的铜质电话线路开发的宽带接入技术，其中ADSL已有多年的发展，已成为一种较成熟的DSL技术。根据用户到电话中心局的距离和电话线质量，ADSL可提供1.5Mbps～8Mbps的下行速率和64kbps～2Mbps的上行速率，现已成为各国电信公司主推的宽带接入技术之一。

　　VDSL是一种速度最快的非对称数字用户环路，由于其高速率特性，VDSL应用前途非常广泛，如：视频及电视节目、高速数据、视频会议、廉价的T1和少量T3业务，大型住宅区和校园内的多媒体业务等。现在一些有先见的国内外公司正加大投入，拓展VDSL技术，并将其它先进、成熟的技术与VDSL相结合开发出了更为实用的新技术，基于VDSL的以太网（Ethernet）技术就是一种典型代表。这种宽带接入新技术的出现已经对国内一些网络运营商正在建设的“光纤到小区、双绞线到家庭”的以太网宽带接入运营模式构成了强有力的挑战。

　　1 基于VDSL的以太网（Ethernet）

　　基于VDSL的以太网的构思是由Savan公司提出的，Infineon、BroadCom和国内一家科技公司实现这一构思。该技术采用VDSL作为物理层，在芯片组内置媒体访问控制器，集成VDSL，实现了长距离传输，速度可达10Mbps以上的全双工标准以太网功能。

　　1.1 VDSL技术

　　VDSL技术将电话线上数据传输速率推到极限，其初衷是通过数据信号处理（DSP）技术的最新进展提供最快的速率。VDSL的ETSI（欧洲曜标准组织）和ANSI（美国国家标准协会）标准已经制订完毕，ITU（国际电信联盟）标准正在加紧制订中。VDSL采用了成熟的QAM、CAP和DMT调制技术与自适应均衡技术，它占用电话线的频段为1.1MHz～12MHz。在非对称模式下，下行速率可达13Mbps～52Mbps，上行速率可达2Mbps～19.2Mbps；在对称模式下，可实现全双工10Mbps、13Mbps的通信速率，其传输速率与电话线质量和传输距离有关。

　　CAP的DMT是ADSL和VDSL等数字用户环路中采用的两大相互竞争的调制技术。CAP（无载波调幅和调相）基于QAM，而QAM（正交调幅调制）是一个久经考验的MODEM调制技术，它采用振幅和相位的变化来代表数据符号。产生一个QAM波是非常复杂的过程。DSL通常采用的方法是以数字形式存储波形的一部分，然后把这些存储的部分组成适当的波形变成最终的调制波，不带任何信息的载波，在传输前立即压缩以提高效率。为了获得了佳的信号质量，CAP调制在选择相应条件下的QAM方法前，有一个启动过程以测试线路质量。DMT（离散多频）把数据带宽分为4kHz的频带，给下行方向载波数百个，上行方向载波几十个。DMT还包括一个先进的测试算法，它连续测试每个频带的SNR，适当调整数据负载，使DMT能够连续检测和调整传输特性，以适应电话线路状况的变化。由于DMT的复杂性，只有采用先进的DSP技术才能实现这一调制方式；相比之下，CAP技术较为简单成熟、成本低廉，已为很多著名厂商采用。由于不同厂商对采用哪一种调制技术存在着分歧，ADSL论坛组织（也是国际上协调VDSL的论坛组织）在选择调制技术上采取了中立态度，将调制技术的决策留给每个厂商自己。表1对CAP和DMT进行了对比。

　　表1 CAP和DMT调制技术的比较

　　项 目CAPDMT

　　下行方向载波数

　　上行方向载波数

　　时延

　　增量

　　自适应均衡量

　　已有经验1个

　　1wh

　　4～10ms

　　320kb/s

　　需要

　　有很多成功经验数百个

　　几十个

　　15～25ms

　　32kb/s

　　不需要

　　相对较少

　　在电话线上，VDSL采用的频段范围为1.1MHz～12MHz，而电话话音占用的频段为300Hz～3400Hz，因此VDSL和话音传输可以同时进行。话音、ISDN、VDSL和其它DSL的频段分布如图1所示。

　　1.2 以太网（Ethernet）技术

　　以太网是目前使用最广泛的局域网技术，它具有扩展性强、可靠性好、成本低廉等特点，并拥有大量的网络管理工具。Ethernet标准IEEE 802.3经历了10Mbps、100Mbps、1000Mbps的发展历程，其中10Mbps和100Mbps Ethernet技术技术成熟，成本已经很低廉。10Mbsp交换式Ethernet网络足以满足Internet宽带接入（≥2Mbps）的要求。

　　构成Ethernet网有四个要素：1、帧（frame），这是一系列标准化的数据位，用在系统中传输数据；2、介质访问控制协议（media access control protocol），它由一整套内嵌于各个Ethernet接口中的规则组成；3、信号部件（signal component），即用在Ethernet信道中发送和接收信号的部件，如：网卡、接收器等；4、物理介质（physical mdedium），由电缆和其它用来联网的计算机之间传输数字式Ethernet信号的硬件部件组成。

　　Ethernet的核心技术是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）协议。IEEE 802.3标准中将Ethernet分为四层：LLC逻辑链路控制子层次；MAC介质访问控制子层次；物理信号子层和介质规范。其中前两者位于OSI网络参考模型的第二层（数据链路层），后两者位于OSI网络参考模型的第一层（物理层）。

　　

         2 设计与实现

　　2.1 设计方案概述

　　10BaseS是infineon公司提出的一种基于VDSL的以太网解决方案，该方案可以在现有铜质电话线上实现10Mbps全双工Ethernet通信，距离可达1.6公里。可以在不相互干扰的情况下，同时支持高速数据通信与POTS、ISDN或PBX电话话音信号传输。基于VDSL的Ethernet系统的设计分为用户端设备（CPE）和局端设备（Ethernet交换机或DSLAM）。目前推出的10BaseS套片由三睡构成：PEF 22810（VDSL线驱动芯片）、PEB22811（VDSL模拟芯片）、PEF 22822（数字芯片）。

　　2.2 10BaseS套片的特性

　　Infineon公司的10BaseS套片个具有如下重要特性：

　　·对称10/100Mbps Ethernet速度，全双工模式；

　　·兼容IEEE802.3 Ethernet MII、RMII、SMII和七线接口；

　　·可配置为标准以太网物理层（Ethernet PHY）芯片，这种配置应用于Ethernet交换机或DSL接入复用器（DSLAM）；

　　·可配置为以太网媒体访问控制层（Ethernet MAC）芯片，直接与用户设备上标准Ethernet PHY芯片接口，这种配置应用于用户端；

　　·MII串口管理接口支持对所有内部寄存器访问；

　　·具有地址滤波、自学习的功能；

　　·支持Ethernet SNMP MIB计数器功能；

　　·支持QAM（正交调幅调制）调制技术：QAM4～QAM256；

　　·对称/非对称线速可从低于1Mbps升至25Mbps（根据距离和线路状况）；在远至1.6公里距离的情况下，可实现10Mbps的对称速率；

　　·支持Reed-Solomon前向纠错功能（RSFEC）。

　　2.3 用户端设备（CPE）的设计与实现

　　用户端设备（CPE）的功能框图如图2所示。设计用户端设备时，应将10BaseS套片配置为Ethernet MAC模式。从功能框图中可以看出，在PEF22822一端要加入以太网物理层（Ethernet PHY）芯片和变压器（Transformer）。在设计中选择了NS公司的10/100Mbps的DP83846AVHG以太网物理层芯片，NETCON公司的单端口10Base-T隔离变压器。将变压器输出线直接引到RJ45插座上，这样通过三类或五类双绞线即可将CPE联到PC机的以太网卡或其它具有以太网接口功能的设备上。在PEF 22810一端设备有滤波器（Fliters）以便尽可能消去电话线上的干扰。为同时支持VDSL数据通信和电话话音通信，在CPE在输出端设计有分离器（Splitter），这样用户可以在使用VDSL数据传输的同时不妨碍打电话。设计分离器（Splitter）时，应注意当CPE掉电时，电话仍能打通，这个功能可以采用继电器来实现。

　　

　　2.4 局端设备的设计与实现

　　在局端设备（Ethernet交换机或DSLAM）中，应将10BaseS套片配置为标准Ethernet PHY模式。

　　本文以基于VDSL的十二端口Ethernet交换机为例来说明，其功能框图如图3。该交换机的端口分为一个上连端口和11个下连端口，图3中只画出了1个下连端口，其它10个下连端与该端口是一样的。上连端口设计与标准Ethernet方式，速率设置为100Mbps，接口采用RJ45，通过五类双绞线与服务器相联；下连端口设计为基于VDSL的方式，用来接电话线，为了避免个别用户占用过多的带宽，下连端口通信速率设置为10Mbps。在设计这款交换机过程中，笔者对多款Ethernet MAC交换控制芯片作了详细的分析和对比，最后选择了Advanced Communication Devices公司的ADC82112。该芯片支持十二端口10/100Mbps Ethernet交换功能，它与PEF22822之间通过IEEE 802.3 Ethernet MII接口相连。由于10BaseS套片只支持一个端口的通信通道，因此在一块交换机电路板上需设计有十一组10BaseS套片。上连端口的物理层芯片选用用户端设备中采用的DP83846AVHG，变压器采用NETCOM公司的单端口10/100 Base-T隔离变压器，以支持100Mbps的通信速率。10BaseS套片与电话线之间的电路设计思路与CPE相应部分的设计思路是一致的，可以直接借用。

　　VDSL的特色在于其高速性，这使它在很多其它DSL无法满足要求的宽带应用领域中极具吸引力；而VDSL与成熟、稳定的Ethernet技术的结合无疑是一大创举。关于VDSL的ITU标准正在加紧制订，预计近期将会形成决议，届时会有更多的知名公司提供种类更丰富、成本更低廉、互操作性更好的基于VDSL的Ethernet产品。一旦基于VDSL的Ethernet的传输距离突破5公里（即ITU标准规定的用户端到电话中心局的最远距离），那些以“光纤到小区、双绞线到家庭”的以太网宽带接入为运营模式的网络运营商将不得不调整其经营策略，以应付这一新技术带来的挑战。