、低成本光學器件以及無源架構(gòu)都為無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)以及這些網(wǎng)絡(luò)的演進做出了巨大貢獻。系統(tǒng)級OEM廠商不斷發(fā)現(xiàn),FPGA能夠提供技術(shù)性設(shè)計和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢,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)計需求。另外,更低設(shè)計成本、靈活和可擴展的FPGA對于競爭激烈的無源光網(wǎng)絡(luò)市場來說也是關(guān)鍵。

PON是點到多點(P2MP)光纖到駐地(FTTP)的網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(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)于多個駐地。分離器通常為32路,不過有時會多達64路。一個PON網(wǎng)絡(luò)包括一個位于業(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),后者也被稱為進入駐地的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。

下行的OLT信號以廣播方式送到共享一根光纖的各個ONT。目前的PON標準規(guī)定下行的數(shù)據(jù)率高達(Gbps)。上行信號則利用時分多路(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,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,到2010年,北美和亞太地區(qū)PON用戶的年度復合增長率可高達150%。吉比特PON(GPON)在北美正在取得強勁的增長,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PON市場的逐年增長,而中國正在仔細權(quán)衡EPON和GPON的優(yōu)劣。

寬帶PON(BPON)或者國際通信聯(lián)盟(ITU-T) 是流行的美國PON標準。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個家庭。今年,GPON或ITU-T ,即BPON的演進版本,有望進入更多的美國家庭。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2.5 Gbps和。GPON的關(guān)鍵優(yōu)點是無需增加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

不管哪種標準,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)置了極低的成本標桿。因此,DSL對PON提出了強大的挑戰(zhàn)。不過PON系統(tǒng)在過去兩年里在降低成本和增強功能方面也取得了長足的發(fā)展。

隨著PON市場的發(fā)展,系統(tǒng)級OEM廠商和運營商正密切關(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,因為PON將為數(shù)以百萬計的駐地提供服務(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是一個量很大的市場,ASIC和ASSP芯片廠商能夠幫助降低成本,從而幫助系統(tǒng)級OEM和運營商提供較低的價格。

另一方面,OLT系統(tǒng)數(shù)量為數(shù)萬臺而非數(shù)百萬臺,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10000美金。實際上,OLT的成本對運營商來說極為關(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數(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,這有兩個原因。首先,64個ONT只需要一個OLT,其次,每個OLT線路卡可以支持4到8個OLT端口。于是,OLT線路卡的數(shù)量和所用的元器件要遠遠少于大批量的ONT設(shè)備。

設(shè)計復雜性使成本問題更加嚴重。PON OLT和ONT拓撲結(jié)構(gòu)是一個共享的媒體架構(gòu),這為系統(tǒng)OEM設(shè)計師提出了挑戰(zhàn)。由于PON標準中采用了TDM技術(shù),因此OLT和各個ONT之間的交互非常復雜。TDM用來共享不同駐地間的容量。早期的PON標準使用靜態(tài)TDM,因此每個駐地接收相同的容量。

但是,最新的PON標準要求能夠根據(jù)駐地的需求變化,為不同的駐地動態(tài)分配容量。這種動態(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ONT所需的容量。OLT也需要將分配的容量通知給每個ONT。該協(xié)議基于從ONT到OLT的請求消息。OLT確定最佳的容量分配,并用確認消息予以響應(yīng)。

另外,與較簡單的點對點以太網(wǎng)端口不同的是,由于存在動態(tài)TDM要求,PON端口是一種更復雜的P2MP。因此OLT端口必須在多個ONT駐地之間進行連續(xù)切換。每個ONT分配得到32或64個可用時隙中的一個與OLT進行交互通信。OLT必須快速且連續(xù)地依次鎖定到每個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,需要一個高度專用的媒體訪問控制器(MAC)、串行/解串器(SerDes)以及時鐘和數(shù)據(jù)恢復(CDR)功能。為了協(xié)調(diào)對每個ONT的訪問,PON MAC尤其重要。

圖1:DSL和PON拓撲共存。

基于FPGA的設(shè)計

針對上述背景,系統(tǒng)級OEM廠商在實現(xiàn)低成本和高效的OLT設(shè)計方面可選擇性很少。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也無法較好地實現(xiàn)。ASSP在支持PON演進需求方面的靈活性有限,缺乏設(shè)計可擴展性,并且功耗隨著時鐘速率的升高而升高。ASSP在提供可競爭的差異化產(chǎn)品方面的能力也很有限,還面臨著器件停產(chǎn)的風險。另外,擁有成本也越來越高,上市時間較長。

然而,FPGA卻能為OLT的設(shè)計提供低成本高效率的開發(fā)平臺。當設(shè)計無縫移植到結(jié)構(gòu)化ASIC進行大批量生產(chǎn)時成本還能進一步降低。這種方法由于省去了大型且耗時的ASIC開發(fā),系統(tǒng)OEM廠商可以省去較大的成本,并縮短上市時間。

像Stratix這類FPGA器件,能夠為實現(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,從而在一個芯片上實現(xiàn)虛擬線路卡。FPGA中先進的高效率內(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ALM有8個帶可分塊查找表(LUT)的輸入、2個專用的嵌入式加法器、兩個專用寄存器以及附加的邏輯增強塊(見圖3)。這些功能可以讓ALM實現(xiàn)完整的六輸入LUT或者選擇一個七輸入的LUT。它們也能用來創(chuàng)建較小型LUT的多種組合的兩個獨立輸出以實現(xiàn)高效的邏輯封裝。第三,無需額外的資源即可實現(xiàn)復雜的邏輯算術(shù)功能。

圖3:FPGA ALM方框圖。

ALM采用多軌互聯(lián)架構(gòu)進行布線,能夠使FPGA實現(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,以實現(xiàn)更好的邏輯封包。

實現(xiàn)MAC和分組處理時,需要高性能邏輯、分布良好且可以配置的存儲器塊,還需要高效率的布局和布線工具。

同樣,前向糾錯(FEC)對支持PON P2MP架構(gòu)起著重要的作用。可編程邏輯是實現(xiàn)FEC的理想選擇,原因有兩個。首先,它具有固有的靈活性,容易實現(xiàn)代碼修改和算法改進。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在實現(xiàn)FEC的同時還可以為系統(tǒng)設(shè)計師提供硬件的高速度和軟件的靈活性。

對設(shè)計進行分級

從整體設(shè)計角度出發(fā),FPGA能夠幫助設(shè)計師快速實現(xiàn)并驗證OLT設(shè)備的功能。此外,基于FPGA的設(shè)計可以方便地實現(xiàn)可編程,這樣就可以在不增加大的設(shè)計開銷的前提下來修改設(shè)計和增加功能。另一個系統(tǒng)OEM受益處是可以實現(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設(shè)計和組件。例如,一個高端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來只實現(xiàn)MAC。因此無需設(shè)計不同的電路板和相關(guān)的元器件清單(BOMs)就能實現(xiàn)成本的分級。

另外,器件的靈活度和可擴展性使得設(shè)計師可以從低級的OLT設(shè)計開始,隨著更多功能的需求再逐步升級。一家著名的美國運營商就是這樣做的,它開創(chuàng)了擴展和修改需要這種可擴展性的PON的范例。該運營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波長用于IPTV,作為對原有用于因特網(wǎng)接入的波長的補充。

PON網(wǎng)絡(luò)不斷變化的特性反映了對快速和高性價比升級的強烈需求。FPGA的可擴展性有助于設(shè)計師在每次增加新功能時避免對OLT線路卡進行高成本和費時的重新設(shè)計。隨著PON標準的演進,設(shè)計師可以利用FPGA固有的可升級性不斷增加功能。結(jié)果是,基于FPGA的設(shè)計可以為系統(tǒng)級OEM廠商繪制一個可持續(xù)發(fā)展的路線圖,從而在具有最佳機會的市場窗口內(nèi)經(jīng)濟地實現(xiàn)功能的增加。

低成本設(shè)計的可擴展性已經(jīng)成為PON市場不斷發(fā)展的一個主要驅(qū)動力。作為這種擴展的一部分,系統(tǒng)級OEM和運營商都有望利用現(xiàn)場配置的方式改進PON OLT線路卡,這歸功于FPGA設(shè)計的可擴展性和可編程性。這樣,系統(tǒng)OEM廠商可以減少新設(shè)計的開發(fā)費用,而運營商也能降低高運營成本(OPEX)。有些運營商目前面臨的問題是,他們對網(wǎng)絡(luò)進行著不斷的升級,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),運營商就能隨著駐地需求的變化,通過低成本的升級來提供新業(yè)務(wù)而增加利潤。

基于FPGA的設(shè)計還允許系統(tǒng)OEM廠商建立不同的定價/擴展PON功能的計劃,以便更好地和運營商用戶執(zhí)行高效的商業(yè)計劃。在運營商需要之前,新功能的升級和相關(guān)成本可以得到很好的權(quán)衡,從而實現(xiàn)可贏利的運作。

在運營商完成初始的網(wǎng)絡(luò)試驗并準備投出大量設(shè)備訂單時,系統(tǒng)OEM廠商可以平滑且高性價比地將FPGA設(shè)計無縫地移植到一個像HardCopy II這樣的功能等效的結(jié)構(gòu)化ASIC上。這種設(shè)計方法可以為系統(tǒng)OEM廠商提供諸多好處。

采用這種方法后產(chǎn)品上市時間可以比標準單元技術(shù)早6到9個月。新功能、新特性乃至整個產(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,這種方法可以為運營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)可以將最先進的FPGA的高成本降低高達90%。這種設(shè)計移植方法能夠保證最壞情況下的系統(tǒng)時序,同時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:高性價比的FPGA設(shè)計平臺。

前景展望

系統(tǒng)OEM廠商和運營商面臨的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)實現(xiàn)之前,DSL仍將保持領(lǐng)先地位。與此同時,各個運營商正在部署各種不斷更新的方式提供用戶服務(wù)。對于系統(tǒng)OEM廠商而言,這意味著需要支持新一代的演進需求。

FPGA的靈活性和可擴展性為有效滿足上述演進需求并降低成本鋪平了道路。例如,對第一和第二代OLT線路卡的FPGA設(shè)計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營商的新需求。

這些特性在處理與PONS標準的演進相關(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)用層標準有關(guān)。

還有一個不確定性是由于兩個不同的PON標準機構(gòu)(ITU-T和IEEE)引起的,即他們各自的PON標準將如何演進到下一代數(shù)據(jù)速率。這兩個標準機構(gòu)還在提出各種應(yīng)用層標準。僅這一點就會滋生各式各樣的不確定性。問題是哪種應(yīng)用更被市場接受,可以達到多大的數(shù)量級。另外,哪家運營商想要哪種應(yīng)用？優(yōu)先級如何？

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驅(qū)動力。因此,快速地響應(yīng)這些不同市場需求的重擔落在了系統(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

高級營銷經(jīng)理

通信業(yè)務(wù)部

Altera公司