千兆以太网无源光网络（EPON）的物理层研究



朱丽丽，何岩 

（武汉邮电科学研究院，湖北 武汉430074）

    摘  要：EPON是基于以太网技术的宽带接入系统，采用以太网的帧结构，在传统以太网的点到点和共享（多点到多点）媒体访问机制基础上，增加了一种点到多点的媒体访问机制，即无源光网络媒体.因而EPON在物理媒质参数、编/解码和串行/解串、上行突发通信等方面引出了较为复杂的问题，文章在详细阐述千兆以太网物理层结构的基础上，深入探讨了上述EPON系统中的物理层问题，并给出了相应的解决方法.
    关键词：千兆以太网；无源光网络；编/解码器；串行/解串器；抖动；上行突发通信

1概述
    随着通信技术的飞速发展，通信领域出现了两种趋势^[1]：第1种是光纤技术逐渐从骨干网向广域网（WAN）和城域网（MAN）发展，最后将渗透到接入网；第2种是以太网技术逐渐从局域网（LAN）向MAN和WAN发展，最后在骨干网上也将可能传送IP包.这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光以太网.它将成为在一个平台上提供数据、视频和语音业务的主要工具.
    光纤接入有无源和有源之分，基于SDH和PDH的光纤接入是有源接入，基于无源光网络（PON）的接入是无源接入.PON具有独特的优点，它能够提供透明宽带的传送能力.由于PON本身是一种多用户共享的系统，即多个用户共享同一个设备、同一条光缆和同一个光分路器，所以成本低.与有源光网络相比，PON由于其固有特性，它的安装、开通和维护运营成本大为降低，系统更可靠、更稳定，因此接入网正在大量应用PON系统.  随着因特网的快速发展，以太网被大量使用，由于市场的推动，以太网技术也得以飞速发展.在20世纪80年代它仅是一种LAN技术，其速率为10 Mbit/s，90年代后推出了快速以太网（100 Mbit/s）和千兆以太网（1 Gbit/s），它的应用也从LAN发展到了WAN.千兆以太网无源光网络(EPON)是基于以太网技术的宽带接入系统，它采用以太网的帧结构，在传统以太网的点到点和共享（多点到多点）媒体访问机制基础上，增加了一种点到多点的媒体访问机制，即PON媒体.有了这种新的媒体，以太网的发展如虎添翼，将具备更广泛的应用领域，更灵活的带宽分配能力.EPON能提供较大的带宽和较低的用户设备成本，可应用于光纤到大楼（FTTB）和光纤到路边（FTTC），最终的目标是在一个平台上提供全业务（数据、视频和语音）到家.
2千兆以太网物理层简介
    千兆以太网物理层是OSI参考模型的一部分，提供以太网设备和其媒质之间的接口，但是，它不仅仅是一个接口，还利用机械、电子和逻辑方式来建立、维护和释放给定传输媒质上的物理连接.千兆以太网物理层^[2]包括以下3层：物理编码子层（PCS）、物理媒质接入子层（PMA）和物理媒质相关子层（PMD），物理层的功能框图如图1所示.

2.1PCS层
    PCS层的接口是GMII接口 ，GMII使上层能以标准方式与任何大量不同的物理层(PHY)芯片互连，PCS提供给GMII所需的全部服务，包括:（1） 把GMII字节数据编码成10 bit码组（8B/10B）,用于下面PMA层的通信；（2） 为物理层的半双工客户端产生载波监听和冲突检测的指示符；（3） 管理自动协商的过程，当物理层可使用时，通过GMII接口通知管理实体.
2.2PMA层
    PMA为PCS提供了一种媒质无关的方法，支持使用串行比特的物理媒质，功能如下：（1） 通过PMA服务接口，在PCS和PMA之间映射码组的发送和接收；（2） 发送部分把10位并行码组转换为串行位流，发送到PMD层；接收部分把来自PMD层的串行数据，转换为10位并行数据；（3） 从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐的符号定位时钟；（4） 通过PMD服务接口，在PMA和PMD之间映射比特流的发送和接收；（5） 在PMD服务接口完成数据环回的功能.
2.3PMD层
    PMD为电/光收发机，把输入的电压变化状态变为光波或光脉冲以便能在光纤中传输^[3].
    千兆以太网规范支持3种形式的传输介质： (1) 单模和多模光纤上的长波（LW）激光（称为1000Base－LX）；(2) 多模光纤上的短波（SW）激光（称为1000Base－SX）;(3) 均衡屏蔽的150 Ω铜缆（称为1000Base－CX）.
    目前，光纤信道的PMD规范允许以全双式方式传输1.062 Gbit/s的信令，而千兆以太网将这一速率提高到了1.25 Gbit/s.8B/10B编码机制允许的数据速率达到1 000 Mbit/s.
    在光纤介质上传输的激光有SW激光和LW激光两种，总的来说，SW激光成本低，但传输距离较短；LW激光成本高，但传输距离较长.多模光纤不仅支持SW激光也支持LW激光.多模光纤的直径有62.5和50 μm两种.单模光纤不支持SW激光，但可以传输LW激光.单模光纤传统上用于较长距离的网络布线系统中.对于短距离（25 m或更短）的传输，千兆以太网可以运行于均衡屏蔽的150 Ω铜缆上.
2.4各层之间的接口
    PCS层与MAC层的接口定义为GMII,是字节宽度的数据通道；PMA层与PCS层的接口定义为TBI，是10 bit宽度的数据通道；PMD层与物理媒质的接口为MDI，是串行比特的物理接口.
3各子层芯片内部结构的设计
3.1编/解码器
    千兆以太网的PCS与光纤信道的PCS层相同，编/解码器的作用是支持多种编码方法并将它们通知高层，数据通过PMD进入PHY，光纤信道的编码方法是8B/10B，该编码方法是专门为光缆传输设计的.千兆以太网采用与之相似的编码方法，区别在于光纤信道使用1.062 Gbit/s的信号机制，而千兆以太网使用1.25 Gbit/s的信号机制.
    光纤信道的FC1子层描述了同步方法和8B/10B编码方法，FC1定义的传输协议包括物理层(双向)的串行编/解码方法、特殊字符以及错误控制方法.千兆以太网使用的编/解码方法与光纤信道FC1子层及定义的方法相同，即8B/10B编码方法.8B/10B编码和FDDI采用的4B/5B编码相似，但是光纤信道没有采用4B/5B编码，因为它没有直流（DC）平衡机制.8B/10B编码的另一个特性称为直流平衡.因为数据是用电压代表的，所以系统可能会长时间停留在正或负的状态.如果是这种情况，那么通道上的交流耦合元件可能会产生直流充电，这可能会使传送的信号产生失真，这种干扰称之为基线漂动.8B/10B编码本身在每个发送的数据码中平衡了“1”和“0”的数量，从而没有直流电荷的积累，消除了任何形式的基线漂动.
    8B/10B传输码使用字母来描述未编码信息字节的各比特和一个单独的控制变量.字节的每个比特为二进制的“0”或“1”，控制变量Z，其值为D或K.当Z为D时，码组为数据码组，当Z为K时，码组为特殊的码组.
    用A,B,C,D,E,F,G,H来表示各比特，转换为a,b,c,d,e,i，f,g,h,j 10%bit%.每一个码组有一个名字，对于256个有效的数据码组，转换方法是D_x.y，K_x.y表示12个特殊的控制码组，这里x指EDCBA的十进制值，y是HGF的十进制值.
    市场上已有的8B/10B编/解码芯片具有以下基本特点：（1） 符合IEEE802.3千兆比特以太网标准；（2） 根据工业标准特殊字符编码方法，把8 bit的字节编码成10 bit的数据和特殊字符；（3） 使用TBI接口与商用串行/解串器（SerDes）无缝连接；（4） 当无有效数据可利用时，时钟使能输入端可使能和暂停编码器；（5） 使用错误检测和指示机制可检查和计算不均等性（RD）;（6） 配合SerDes利用间隔符（Comma）可定位并同步10 bit码组.
3.2串行/解串器（SerDes）
    PMA发送过程把发送码组转换成串行比特，传送给PMD.类似地，PMA接收过程把从PMD接收到的串行比特流转换成并行的10 bit码组，传送给PCS.SerDes的基本设计框图如图2所示.

    （1） 输入锁存
    发送端接收10 bit宽的并行数据TX<9∶0>，用户提供的参考时钟信号REFCLK用作发送时钟，必须正确地定位TX<9∶0>和REFCLK.
    （2） TX PLL/时钟生成单元
    发送端锁相环和时钟生成单元用于产生所有的内部时钟，REFCLK为125 MHz，是内部时钟的基准，乘以10后得到1 250 MHz，作为高速串行输出数据的时钟.
    （3） 串行化
    从输入锁存中接收10 bit宽的并行数据，利用产生的内部高速时钟，转换为1 250 Mbit/s的串行数据流，连续发送，先发送最低有效位TX<0>，最后发送最高有效位TX<9>.
    （4） 输出选择
    提供了一种可选的高速串行信号的环回方式，可用作测试.正常工作方式下，LOOPEN为“0”，串行数据流输出到±DOUT.当LOOPEN为“1”时，±DOUT置为“1”，串行数据流到达输入选择单元.
    （5） 输入选择
    该特性允许不考虑媒质，用作环回测试.
    （6） RX PLL/时钟恢复单元
    频率锁存到125 MHz的参考时钟，相位锁存到输入的数据流.内部信号检测电路检测输入的情况，当数据流到来时，激活相位检测，一旦检测到有比特被锁存，接收端产生1 250 MHz的高速取样时钟，用于输入取样端，恢复两个62.5 MHz的接收端比特时钟（RBC0/RBC1），它们相位相差180°，交替用作10 bit并行输出数据的时钟.
    （7） 解串和同步
    把高速串行比特流转换为10 bit并行数据，确认（0011111XXX）的间隔符（或K28.5）,然后把并行数据流正确地定位到接收端时钟（RBC0/RBC1）.
    （8） 信号检测(SIG_DET)
    检查输入±DIN的差分幅度.当输入信号太小时，SIG_DET输出逻辑“0”，同时迫使并行输出RX<9∶0>为（1111111111）.该电路的目的是防止在串行输入线未连接上时，产生任意数据.当±DIN是有效幅度时，SIG_DET输出逻辑“1”.
    市场上已经有很多SerDes芯片，基本特征如下：
    （1） 符合IEEE802.3千兆比特以太网标准，速率可达到1.25 Gbit/s;
    （2） 能完成10 bit码组和串行比特数据之间的变换以及同步；
    （3） 具有字定位和间隔符检测的功能；
    （4） 使用发送和接收时钟产生器可生成和恢复所需的不同时钟.
3.3SerDes的性能测试
    必须采取一系列的测试方法来确保SerDes的性能^[4]，包括功能测试、误码率测试和抖动测试.
    功能测试用于检验发送端和接收端数据通道的基本操作.对发送端而言，意味着驱动芯片的并行数据，并检查高速串行数据的比特错误.对接收端而言，是指驱动芯片的串行数据，并检查并行数据的比特错误.测试设备仅需提供一个时钟源来驱动发送端的并行数据.
    有3种环回测试通道可用作环回测试：
    （1） 发送环回：是指把发送端的串行输出数据直接环回到接收端的串行数据输入端；
    （2） 接收环回：是指把接收端的串行输入数据环回到发送端的串行输出端；
    （3） 并行环回：是指把接收端的并行输出数据环回到发送端的并行数据输入端.
    当接收端的并行数据与恢复时钟同步时，可能产生可变延时，导致数据的建立时间和维持时间可变，测试结果不稳定.解决这个问题的一个方法是把接收端的并行数据和恢复时钟环回到发送端，用误码仪（BERT）来检查数据.误码率（BER）指示了SerDes发送端和接收端的质量性能.在1.25 Gbit/s比特速率下，需要800 s（13.3 min）来发送和接收10¹²比特.SerDes配置为并行环回模式，BERT驱动接收端的数据，检查发送端的比特错误.使用这种方法可检测到发送端或接收端的任何比特错误.
    当串行信号到达接收端时，其中可能已经掺杂了各种形式的信号抖动，给可靠无误地恢复数据增加了难度.信号抖动是信号的边界偏离了理想的位置，造成信号抖动的原因很多.随机信号抖动是无界的高斯抖动(主要由热噪声引起)，由发送端和收发端中的时钟发生器产生.
  由于随机信号抖动的存在，链路有某个特定位BER指标，通常优于10^-12.实际系统比行业规范好得多，可靠的数据通信产品需要假定一个最坏情况的BER，然后设计实现可靠的恢复机制，从而完成无错传输. 
    另一类要探讨的抖动是由传输系统的电路效应引起的确定性信号抖动、定时失真和不规则信号.抖动是由链路中很多因素引起的，但只要能将它限制在一定阈值内，接收端就可以可靠地排除确定性信号抖动.很多确定性信号抖动是由传输系统的带宽限制引起的，并导致信号中的数据发生相应变化.
4EPON光路设计
    EPON使用的无源器件有完成光分配的光纤、分路器和连接器等；使用的有源器件有光线路终端（OLT）和多个光网络单元(ONU)^[5].OLT用于局端，ONU位于用户侧.OLT发出的下行光信号经PON中的1×N光分路器分成N路光信号，在多根光纤中传输.ONU发出的上行光信号经PON中的1×N分路器合路成1路光信号，在一根光纤中传输.EPON的光路可以使用2个波长，也可以使用3个波长.在使用2个波长时，下行使用1 510 nm，上行使用1 310nm.这种系统可用于分配数据、语音和IP交换式数字视频(SDV)业务给用户.在使用3个波长时，除下行使用1 510 nm，上行使用1 310 nm外，可增加一个1 550 nm窗口（1 550～1 565 nm）波长.这种系统除有2个波长提供的业务外，还可以提供CATV业务，或者DWDM业务.
    图3表示2波长的EPON结构，1 510 nm用来携带下行数据、语音和数字视频业务，1 310 nm波长用来携带上行用户语音信号和点播数字视频、下载数据的请求信号，使用1.25 Gbit/s的双向PON，如果分光比为32，可以传输20 km.

    图4表示3波长的EPON结构，除了1 510 nm波长携带下行数据、语音和数字视频业务外，另外用1 550 nm波长携带下行CATV业务，上行语音信号和点播数字视频、下载数据的请求信号仍然用1 310 nm波长.在这里既可以直接传输模拟视频信号，也可以将模拟视频信号编码成MPEG2数字视频流，然后用QAM载波调制.这种PON，即使分光比为32，也可以传输18 km.

5EPON物理层的关键问题
5.1大动态范围光功率接收和电平恢复
    由于EPON中各个ONU到OLT的距离各不相同，所以各个ONU到OLT的路径传输损耗也互不相同，在各个ONU发送光功率相同的情况下，到达OLT的光功率就互不相同^[6].显然OLT的上行光接收机不能采用传统的AGC的办法，而必须采用特殊办法来保证能够接收足够大的动态范围光功率.把突发模式信号恢复为逻辑电平，可以采用直流耦合方法和交流耦合方法.直流耦合方法有自动阈值控制（ATC），其拓扑结构如图5所示.当每一个突发信号到来时，测量它的功率，并作出相应的调整.该方法要求上行通路必须是线性的，但实际情况可能会受到非线性元件（如较差的放大器或较慢的光电二极管）的影响.

    交流耦合方法是采用一个接收通道能够丢弃突发信号与另一个突发信号之间的电平转化，这个电平转换相对于数据来说较慢，使用一个高通滤波器接收高速的上行数据，可以维持信号的完整性.
    上升和下降时间是发射机的重要参数，这个参数对保护带的大小有一定的影响，可以设计激光器驱动电路，使之具有较小的开关时间性能.
5.2同步时钟提取和突发同步
    在EPON中，OLT传送下行数据到多个ONU，完全不同于从多个ONU上行传送数据到OLT.上下行传送采用不同的技术，下行采用TDM，上行采用TDMA.EPON要求OLT的上行方向采用突发光接收机，以便能从接收到的突发脉冲串的前几个比特中,快速地提取出同步时钟，进行突发同步.传统的时钟恢复方法是通过一个基于锁相环（PLL）的时钟数据恢复（CDR）电路来实现的，如图6所示.

EPON系统可采用时间或空间上超取样的方法来提取同步时钟.时间上超取样是指用比特速率的几倍来取样，通过与已知的类型（如前同步码）作比较来选择合适的取样，对于Gbit/s速率的数据，可以使用约5倍的速率来取样.空间上超取样是指把时钟复制几份，通过不同的相位延时，得到不同的时钟.把这些时钟与已知的类型（如前同步码）作比较，可以决定重新定时的相位，该方法需要配置一个时钟脉冲相位差电路.
6结束语
    基于千兆以太网的EPON宽带接入网，其物理层包括编/译码、串行/解串和收发器3个主要的模块，其中收发器的功能包括突发接收和突发发送，以及时钟提取等特殊要求.商用的标准化PHY芯片均能符合IEEE802.3千兆以太网标准，但直接作为EPON的PHY还不行.EPON系统的一个重要特点是下行连续通信，而上行突发通信，这就产生了上行同步时钟提取和大动态范围光功率接收等问题，针对这些问题，需对突发光发射机和接收机作出相应的调整，满足千兆速率突发通信的要求.

参考文献

［1］Stallings W(著)，高传善(译).局域网与城域网[M].北京：电子工业出版社，1998.
［2］IEEE  802.3 2000. Part3: arrier Sense Multiple access with collisiondetection(CSMA/CD) access method and physical layer specifications[S].
［3］斯蒂芬(著)，刘符(译).数据通信吉比特以太网手册[M].北京：人民邮电出版社，2000.
［4］Stanley Seat. Gearing up SerDes for highspeed operation[DB/OL]. http://www.commsdesign.com, 200203.
［5］冯先成，韵湘，胡煌球.一种适合于LAN及中高速Internet接入的PON系统[J].光通信研究，2001（2）：812.
［6］Paolo Solira, Frank Effenberger. Burst mode technology[DB/OL].http://www.ieee802.org,200205