采用FPGA實現(xiàn)100G光傳送網(wǎng)

采用運(yùn)營商級以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持OTN
以太網(wǎng)最初雖然是設(shè)計用在LAN環(huán)境中，但現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)(MAN)中。以太網(wǎng)在多方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括更高的比特率和長距離接口、基于以太網(wǎng)的接入網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、更新能力、骨干網(wǎng)供應(yīng)商橋接、可靠的保護(hù)技術(shù)、QoS流量控制和流量調(diào)理等，因此，它能夠作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的承載網(wǎng)。此外，以太網(wǎng)很容易實現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)鏈接，在現(xiàn)有點(diǎn)對點(diǎn)傳送技術(shù)下，需要n × (n - 1) / 2路鏈接。
如圖4所示，運(yùn)營商級以太網(wǎng)將以太網(wǎng)從LAN擴(kuò)展到WAN，嘗試進(jìn)入整個通信支撐系統(tǒng)中。其目的是為用戶提供WAN技術(shù)將站點(diǎn)鏈接起來，其方式與運(yùn)營商以前采用的ATM、幀中繼和X.25技術(shù)相似。運(yùn)營商級以太網(wǎng)不是LAN采用的以太網(wǎng)，例如，客戶在桌面以及服務(wù)器房間中使用的以太網(wǎng)。
圖4.運(yùn)營商級以太網(wǎng)多協(xié)議標(biāo)簽

不久前剛開始從以太網(wǎng)向運(yùn)營商級以太網(wǎng)傳送技術(shù)的過渡。目前為止，ITU-T提供了構(gòu)建基于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇。ITU-T建議由傳送承載以太網(wǎng)(EoT)，采用PDH、SDH或者OTN等傳統(tǒng)的承載技術(shù)來進(jìn)行傳送。
采用40G/100G以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來支持OTN
IEEE 802.3ba是正在為40 Gbps和100 Gbps開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段的目標(biāo)是：
■ 只支持全雙工工作
■ 保留使用802.3 MAC標(biāo)準(zhǔn)的802.3/以太網(wǎng)幀格式
■ 保留當(dāng)前802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小和最大幀長度
■ MAC/PLS業(yè)務(wù)接口支持優(yōu)于10-12的BER
■ 為OTN提供相應(yīng)的支持
■ 支持40 Gbps的MAC數(shù)據(jù)速率
■ 提供支持40-Gbps工作的物理層規(guī)范，包括：
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在銅纜上大于10 m
● 在背板上大于1 m
■ 支持100 Gbps的MAC數(shù)據(jù)速率
■ 提供支持100-Gbps工作的物理層規(guī)范，包括：
● 在SMF上大于40 km
● 在SMF上大于10 km
● 在OM3 MMF上大于100 m
● 在銅纜上大于10 m

如圖5所示，該工程要在2010年中完成。業(yè)界對于100G的實施工作主要集中在傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)上。傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在100 Gbps速率等級上達(dá)成一致，這一過程從10G就開始了。
圖5.以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)從10 Gbps就開始了融合

Stratix IV FPGA為100GbE OTN設(shè)計鋪平了道路
目前的業(yè)界發(fā)展趨勢是使用WDM承載以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳送，通過IP/MPLS/以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。Altera 40-nm Stratix® IV FPGA系列的定位非常適合滿足100G以太網(wǎng)和傳送系統(tǒng)設(shè)計的性能和系統(tǒng)帶寬要求。Stratix IV GT FPGA密度非常高，集成了在單片器件中實現(xiàn)100 GbE/光纖通道/RPR MAC功能使用的11.3-Gbps收發(fā)器，以及OTN數(shù)據(jù)包前向糾錯(FEC)、映射和成幀等關(guān)鍵處理功能。100 GbE的OTU-4標(biāo)準(zhǔn)使用增強(qiáng)FEC (EFEC)，必須采用專用算法進(jìn)行設(shè)計才能確保最大限度的發(fā)揮光帶寬優(yōu)勢。由于其優(yōu)異的架構(gòu)性能，Stratix IV FPGA能夠處理EFEC功能，是OTN系統(tǒng)算法實現(xiàn)和測試的理想平臺。圖6顯示了客戶在設(shè)計100GbE OTN設(shè)備時怎樣使用Stratix IV GT FPGA來實現(xiàn)上面介紹的所有功能。
圖6.100G OTN應(yīng)用：LAN到WAN

OTN以及對通用客戶端口的需求
OTN含有各種光網(wǎng)絡(luò)單元，是高效傳送業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。獨(dú)立的語音、視頻、數(shù)據(jù)和存儲網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)構(gòu)成公共骨干網(wǎng)，由OTN為其提供服務(wù)。OTN設(shè)備必須能夠?qū)⒑芏嗖煌愋偷臉I(yè)務(wù)(以太網(wǎng)、SONET/SDH、ESCON、光纖通道和視頻)映射到這一公共骨干網(wǎng)中。
光設(shè)備生產(chǎn)商不斷降低成本，采用跨平臺元器件，因此，靈活映射各種客戶側(cè)端口的解決方案得到了應(yīng)用。FPGA是實現(xiàn)“通用客戶側(cè)端口”的主要元件，可以配置支持各種客戶側(cè)接口。這樣，單片器件能夠高效用于多種應(yīng)用中。

為OTN提供靈活的支持
Altera提供適用于OTN體系結(jié)構(gòu)的全系列產(chǎn)品，如表2所示。
表2.Altera器件系列產(chǎn)品

隨著應(yīng)用的推廣，OTN1和OTN2對成本和功耗越來越敏感。如表3所示，含有嵌入式收發(fā)器的Altera Arria® II GX FPGA提供實現(xiàn)OTN1和OTN2波長轉(zhuǎn)換器和交叉連接所需要的功能，具有很高的性價比和功效。
表3.為OTN應(yīng)用提供的Altera Arria II GX收發(fā)器協(xié)議

相對于固定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案，靈活的Arria II GX FPGA具有以下優(yōu)點(diǎn)：
■支持新出現(xiàn)的映射技術(shù)，例如，用于將GE映射到OTN所需要的ODU0等。
■可以配置支持各種客戶側(cè)接口，采用同一器件實現(xiàn)多種應(yīng)用。
■只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多種FEC和EFEC技術(shù)。

在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)40G波長轉(zhuǎn)換器設(shè)計
波長轉(zhuǎn)換器(復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器)主要用于將多路低速客戶側(cè)信號匯集到高速波長上。它避免了為每一路客戶側(cè)低速信號分配獨(dú)立的波長，因此，大大提高了WDM頻譜效率。
業(yè)界分析師預(yù)測，到2013年，40G光端口應(yīng)用會急劇增長。40G OTN設(shè)備越來越大的吞吐量迫切要求進(jìn)一步改進(jìn)FEC技術(shù)，以便能夠?qū)⑿盘杺魉偷酶h(yuǎn)。由于實現(xiàn)這些EFEC標(biāo)準(zhǔn)需要很大的邏輯容量，因此，在40 Gbps速率時將通用客戶端口、映射器、成幀器和EFEC集成到單片器件中難度很大。
然而，Altera Stratix IV GX系列經(jīng)過規(guī)劃，能夠在單片器件中支持40G波長轉(zhuǎn)換器功能，如圖7所示。Stratix IV GX FPGA支持各種數(shù)據(jù)、存儲、TDM和視頻協(xié)議的高效實現(xiàn)，包括GbE、光纖通道(1G、2G、4G)、SONET (OC-N)和SDH (STM-N)等，為這些需求提供所需要的邏輯密度和架構(gòu)性能。所有列出的協(xié)議由Altera直接提供支持或者通過合作伙伴提供支持。