無源光網(wǎng)絡（PON）需要FPGA設計的支持

FPGA技術、低成本光學器件以及無源架構都為無源光網(wǎng)絡(PON)以及這些網(wǎng)絡的演進做出了巨大貢獻。系統(tǒng)級OEM廠商不斷發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA能夠提供技術性設計和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢，特別是在網(wǎng)絡側的中心局(CO)基礎設施端。

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設計需求。另外，更低設計成本、靈活和可擴展的FPGA對于競爭激烈的無源光網(wǎng)絡市場來說也是關鍵。

PON是點到多點(P2MP)光纖到駐地(FTTP)的網(wǎng)絡拓撲技術，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(用戶駐地設備)。通過無需供電或無源的光分離器，單路光纖可以服務于多個駐地。分離器通常為32路，不過有時會多達64路。一個PON網(wǎng)絡包括一個位于業(yè)務提供商中心局的光線路終端(OLT)和眾多的光網(wǎng)絡終端(ONT)，后者也被稱為進入駐地的光網(wǎng)絡單元(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2.5Gb/s(Gbps)。上行信號則利用時分多路(TDM)技術組合在一起。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(語音，視頻和數(shù)據(jù))。

根據(jù)Infonetics的預測，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，而中國正在仔細權衡EPON和GPON的優(yōu)劣。

寬帶PON(BPON)或者國際通信聯(lián)盟(ITU-T) G.983x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 G.984，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1.24Gbps。GPON的關鍵優(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。由于具有龐大的用戶數(shù)量，DSL為每端口設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注其成本的降低，尤其是OLT的成本。在ONT側，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。許多ASIC和ASSP供應商盯上了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家用調制解調器的成本為100到300美金，而PON網(wǎng)絡中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設備。

設計復雜性使成本問題更加嚴重。PON OLT和ONT拓撲結構是一個共享的媒體架構，這為系統(tǒng)OEM設計師提出了挑戰(zhàn)。由于PON標準中采用了TDM技術，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。

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設計方面可選擇性很少。一種方法是選用ASIC技術。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，F(xiàn)PGA卻能為OLT的設計提供低成本高效率的開發(fā)平臺。當設計無縫移植到結構化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，F(xiàn)PGA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。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的比較