- PDF 免费下载

Size: px

Start display at page:

Download ""

祠贝
5 years ago
Views:

4 摘要摘要随着互联网业务的快速发展, 人们对网络带宽的要求越来越高, 以 xdsl 为代表的接入网技术已成为网络系统的瓶颈 EPON( 以太无源光网络 ) 融合了以太网和无源光网络技术, 采用点到多点结构无源光纤传输能够在以太网之上提供多种业务, 具有高宽带低成本易维护等优势, 普遍被业界认为是下一代宽带接入技术的最佳解决方案之一本文研究 EPON 网络中用户终端接入设备 ONU 的 MAC 控制器设计及其与 SoC 的集成, 主要工作如下 : 1) 阐述 EPON 的工作原理协议和关键技术, 并对 ONU MAC 控制器的设计进行分析, 提出设计的方法和难点 2) 根据 ONU MAC 控制器的层次结构设计总体架构, 划分不同模块, 使用 Verilog HDL 对各个模块进行硬件设计和功能验证 3) 设计 ONU MAC 控制器与 Leon2 SoC 系统的集成, 提出以 Verilog PLI 为基础,Verilog HDL 和 C/C++ 联合仿真的方案经过联合仿真, 验证了该设计可以实现 ONU MAC 控制器的功能, 并为 SoC 芯片的设计提供了基础关键词 : 以太无源光网络 (EPON);ONU;MAC;Leon2;PLI I

5 Abstract Abstract With the rapid development of internet services, higher and higher requirements of network bandwidth are needed, access network technology that is represented by xdsl has been the bottleneck of broadband network. EPON(Ethernet Passive Optical Network) integrates the Ethernet and Passive Optical Network technology. It uses point-to-multi-point topology, passive optical-fibre transmission and can provide multiple services. It has the advantages of high bandwidth, low cost, easy maintenance, and is widely conceded as one of the best solutions by the industry. The thesis focuses on the design of MAC controller of ONU which is the user terminal equipment of EPON netwok, and its integration with Leon2 SoC. The main work is as follows: 1) describe the principle, protocol and pivotal technologies of EPON, analyze the design for ONU MAC Controller, propose the method and the difficulties in the design. 2) design the general frame for ONU MAC controller, divide it into different modules, implement the hardware design and functional verification using Verilog HDL 3) integrate the ONU MAC Controller with Leon2 SoC, propose a co-simulation method using Verilog HDL and C/C++ that based on PLI. After co-simulation, the result shows that the design can realize the function of ONU MAC Controller, and this thesis is a valuable reference for SoC chip design. Keywords:EPON;ONU;MAC;Leon2;PLI II

6 目录目录第一章绪论提出背景国内外研究现状论文主要工作与篇章结构... 4 第二章 EPON 的工作原理 EPON 体系结构上下行传输方式层次模型 IEEE 802.3ah 协议多点控制协议 MPCP 控制帧 IEEE 802.3ah 帧格式位传输顺序数据链路层关键技术测距 ONU 自动注册带宽分配算法 ONU MAC 设计分析调谐子层 MAC 子层多点 MAC 控制子层 MAC 客户端本章小结第三章 ONU MAC 的设计 ONU MAC 总体架构 GMII 接口 LLID 过滤 / 添加模块设计帧发送模块设计帧接收模块设计 CRC 模块设计帧分类和复用模块设计 MPCP 处理模块设计 GATE 帧处理模块 REPORT 帧处理模块 ONU 自动注册流程本章小结第四章 ONU MAC 的 SoC 集成及验证 Leon2 SoC 平台 III

7 目录 4.2 AMBA 总线 AHB 总线 APB 总线 ONU MAC 的 DMA 控制器设计 DMA 控制器设计分析内存管理 DMA 控制器的操作方式 ONU MAC 的总体仿真 PLI 仿真原理总体仿真结构本章小结第五章总结与展望总结展望参考文献致谢 IV

8 Contents Contents Chapter 1 Introduction Research Background and Significance Research Status In Domestic and Abroad Work and Organization of Thesis... 4 Chapter 2 The Principle of EPON The architecture of EPON Upstream and Download Transmission The Architectural Model The IEEE 802.3ah Protocol Multi-Point Control Protocol MPCP Frames The Frame Format of IEEE 802.3ah Order of Bit Transmission The Key Technology of Data Link Layer Ranging ONU Auto Discovery The Algorithm for Bandwidth Allocation ONU MAC Design Analysis Reconciliation Sublayer MAC Sublayer Multi-Point MAC Control MAC Client Summary Chapter 3 The Design of ONU MAC The Overall Architecture of ONU MAC GMII Interface Design of LLID Filter/add Module Design of Frame Transmitter Module Design of Frame Receiver Module Design of CRC module Design of Frame Classifier and Multiplexer Module Design of MPCP Processing Module GATE Frame Processing Module REPORT Frame Processing Module The Flow of ONU Auto Registration Summary Chapter 4 Integration and Verification of ONU MAC Leon2 SoC platform V

9 Contents 4.2 AMBA Bus AHB Bus APB Bus The Design of DMA Controller for ONU MAC Design Analysis of DMA Controller Memory Management Operations of DMA Controller The Overall Simulation of ONU MAC Principle of PLI Simulation Overall Architecture of Simulation Summary Chapter 5 Summary and Outlook Summary Outlook Preferences Acknowledgements VI

10 第一章绪论第一章绪论 1.1 提出背景随着近年来计算机网络技术发展, 尤其是高清视频, 云计算和 Web 富媒体应用业务的快速增长, 人们对互联网的传输带宽要求也越来越高, 以 xdsl 为代表的现有最后一公里接入技术已难以满足用户对带宽的需求而无源光网络 (PON) 以光纤为介质, 使用无源光器件, 具有高带宽抗干扰易维护低成本等优点, 是通过单一平台综合接入语音数据视频等多种业务的理想平台 [3] 其中 EPON(Ethernet PON) 技术融合了无源光网络和以太网技术, 兼容于现有以太网, 而以太网技术是目前为止最成熟和最广泛使用的局域网技术, 同时 EPON 采用标准的以太网接口, 可以利用现有的价格低廉的以太网设备, 易于升级, 因此 EPON 具有极大的市场优势和发展前景, 普遍被业界认为是未来光网络发展的主流 EPON 主要解决光纤部分的连接, 包括光纤到楼 (FTTB) 光纤到小区(FTTZ) 光纤到户 (FTTH) 等 EPON 采用点到多点结构, 无源光纤传输方式, 因其融合了低成本, 高带宽的以太网设备和低成本的光纤网技术, 相对于其他接入技术具有独特的优势, 主要体现在 : 1. 兼容性好 : 除了引入光纤物理层外,EPON 只是在现有 IEEE 协议的基础上做了少许修改和扩展来传输以太帧, 与现有以太网技术兼容, 避免了复杂的协议转换, 可以实现业务的透明传输 2. 建设和维护成本低 :EPON 系统显著减少了光纤光收发模块中心局设备的数量因其无源, 无需租用机房配置电源和设备维护人员, 因而显著的降低维护运营成本 3. 带宽高 :EPON 最低速率为 1000Mbps, 通信距离最短 10km, 可以满足多媒体音视频数字高清等各种业务的需求 4. 接入可靠性高等 EPON 包含了大量的关键技术目前,EPON 正处于高速发展的阶段, 本文基于 IEEE 802.3ah 协议对 EPON 网络用户终端设备 ONU 的 MAC 控制器进行研究和设 1

11 基于 Leon2 的 EPON ONU MAC 控制器设计计, 并与 Leon2 SoC 进行集成, 为 ONU 的实现提供一种低成本的解决方案, 并为 SoC 芯片的设计提供基础 1.2 国内外研究现状 2004 年 6 月,IEEE 802.3EFM 工作组发布了 EPON 标准 IEEE 802.3ah [1] 在该标准中将以太网和 PON 技术相结合, 在无源光网络体系架构的基础上, 定义了一种新的应用于 EPON 系统的物理层规范和扩展的以太网数据链路层协议之后 EPON 技术得到快速发展, 相关的芯片和设备均已基本成熟, 并有较大规模的应用在欧洲的, 瑞典, 希腊已经进行了一些 FTTH 网络铺设, 预计在未来将会有更多网络的投入运营而挪威和丹麦也计划进行新的 FTTH 网络铺设与此同时, FTTH 也逐步进入英国和德国这些 DSL 和 ISDN 占主导地位的国家, 英国电信有可能抛弃 VDSL 进而选择 FTTH 技术, 德国电信仍在 DSL 和 ISDN 市场保持强大的地位, 未来也有可能投资 FTTH 美国新成立了 FTTH 协会, 各社区都在采取行动为在社区内安装 FTTH 做好准备 " 在管制和税收方面己经或正在推出一些有利于促进在全国范围安装宽带设施和在农村地区开展服务的政策, 并且要求采用 EPON 技术来实施 FTTH" 美国有线电视也确定 EPON 是通过光纤向企业客户提供对称服务的首选方式日本是全球 FTTH 发展最好的国家日本制定的 e-japan 战略要求国内使用光纤线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的三分之一以上这种着重发展超高速宽带接入方式的指导思想使提供 FTTH 接入方式的服务提供商数量增加较快在日本,NTT KDDI YahooBB 等运营商从 2004 年开始部署 EPON, 采用 FTTH FTTB/C+VDSL/ADSL2+ 等多种组网方式, 为用户提供高带宽互联网接入业务目前, 日本市场上已经部署了超过 500 万线的 EPON 设备, 而且每月新增的 FTTH 用户数已经超过了 DSL 用户目前已有多家公司推出相关芯片和设备, 如 PMC-Sierra 公司于 2006 年推出的 ONU 芯片 PAS6301 和用于 OLT 的 PSA5201; 美国 Broadcom 公司于 2011 年推出 OLT 芯片 BCM

12 第一章绪论在国内, 以 EPON 为代表的宽带光接入技术是十五国家 863/O-TIME( 光时代 ) 研究计划的四大组成部分之一, 它不仅能够提供多种业务的传送能力, 节省大量的光纤资源, 而且可以有效地降低投资成本和维护费用, 成为今后光纤到户 (FTTH) 的主要解决方案 2005 年 12 月 27 日和 28 日, 由北京格林威尔科技发展有限公司 / 北京邮电大学武汉邮电科学研究院承担的国家 863 计划重大课题基于千兆以太网的宽带无源光网络系统 (EPON) 分别在苏州武汉通过了 863 通信技术主题组织的现场验收目前, 该项目已自主开发完成实用化 EPON 设备, 分别在苏州武汉徐州成都齐齐哈尔等近 20 个地区的运营商网络上投入商用同时, 形成了一项国家行业标准和二项国际标准 EPON 已成为业内公认的新一代光纤接入技术的代表, 并迎来快速发展期三大运营商将目光同步瞄准光纤到户其中, 中国电信持续开展光进铜退战略, 大规模部署 EPON; 中国联通则率先启动总计 1130 万线的全球最大 EPON 集采项目在国内三大电信运营商中, 中国电信是 FTTx 的核心推动者, 拥有目前国内最大的 FTTx 网络其网络建设以 EPON 技术为核心, 以 FTTB 为主要建网方式, 现网建设量近 400 万 FTTB 用户端口在中国电信发力 FTTx 后, 中国联通也不甘落后, 启动了总计 1130 万线的全球最大 EPON 集采项目尽管 FTTX 开始应用的时间并不长, 但是 EPON 网络便于维护的特性, 加上国内运营商在宽带语音方面长期积累的维护经验,EPON 网络组建大型网络的运维并不是难题尤其是目前国内应用总量已达到千万线级, 无论是维护人员的经验还是网管运维管理, 运营商都已经总结出了较为理想的运维思路, 这也是 FTTX 目前能够大规模发展的基本条件在芯片领域, 普然通讯技术有限公司近期推出 OpConnTM ONU OPL 芯片解决方案, 该芯片采用业界流行的 ASIC 设计方式, 能够全面满足中国电信 EPON 互联互通要求在模块领域, 海信宽带多媒体技术有限公司推出一款 EPON OLT 光模块, 该模块支持突发模式数字接收信号强度 (RSSI) 功能, 支持最短 600 毫微秒光网络终端发包监测, 监控精度达到 1 分贝以内, 满足中国电信 EPON 要求, 受到国内设备厂商的青睐在集成领域, 烽火通信的 EPON 已经形成了光纤 3

13 基于 Leon2 的 EPON ONU MAC 控制器设计到户 (FTTH) 光纤到楼 (FTTB) 光纤到节点 (FTTN) 三种应用模式, 适用于高端用户普通新增用户既有提速改造用户家庭用户接入 1.3 论文主要工作与篇章结构本文研究 EPON 网络的用户终端设备 ONU 中 MAC 控制器的设计及其与 Leon2 SoC 系统的集成论文首先阐述 EPON 的工作原理数据链路层的关键技术, 并针对 ONU MAC 控制器进行详细的分析其次规划 ONU MAC 控制器的总体设计框架, 划分子模块, 使用 Verilog HDL 分模块实现硬件设计和功能验证最后为 ONU MAC 设计 DMA 控制器接口模块, 通过 AMBA 总线与 Leon2 SoC 系统集成并提出基于 Verilog PLI 的 Verilog HDL 和 C/C++ 联合仿真方案, 从整体上很好的验证了 ONU MAC 的设计全文共分五章, 各章的内容安排如下 : 第一章为绪论, 介绍了课题的研究背景和意义, 阐述了当前国内外对 EPON 的研究和应用情况, 并给出了本文的主要研究内容和篇章结构第二章阐述 EPON 的工作原理和关键技术, 这是 EPON 研究的理论基础先后介绍了 EPON 的体系结构多点控制协议和数据链路层设计相关的三项关键技术 : 测距 ONU 自动注册动态带宽分配最后对 ONU MAC 的设计进行了详细分析, 提出设计的方法和难点, 为后续的设计提供基础和参照第三章详细介绍 ONU MAC 的设计 : 首先设计总体架构, 然后划分模块, 使用 Verilog HDL 实现各模块的硬件设计并进行功能验证第四章介绍 ONU MAC 与 Leon2 SoC 的集成方案, 即设计基于 DMA 控制器接口通过 AMBA 总线与 Leon2 SoC 集成并提出基于 Verilog PLI 的 Verilog HDL 和 C/C++ 联合仿真方案, 很好的验证了整个系统的功能并为 SoC 芯片的实现做好准备工作第五章为总结与展望, 对全文工作进行了归纳总结, 并对未来研究工作进行了阐述 4

14 第二章 EPON 的工作原理第二章 EPON 的工作原理 EPON(Ethernet PON, 以太无源光网络 ) 是基于以太网技术的宽带接入系统, 它利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入 [2] EPON 采用点到多点拓扑结构, 在单根光纤上采用下行 1550nm/ 上行 1310nm 波长组合的波分复用技术 (WDM), 双向通信带宽高达 1.25Gbps EPON 采用 IEEE 802.3ah [1] 协议, 它是在 IEEE 体系结构基础上发展起来的, 与传统以太网具有很好的兼容性本章主要阐述 EPON 的工作原理和关键技术, 最后对 ONU MAC 控制器的设计进行分析, 提出设计方法和难点 2.1 EPON 体系结构以太网无源光网络 (EPON) 是一种采用电到多点 (P2MP) 结构的单纤双向光接入网络, 其典型拓扑结构为树形 [2][3], 如图 2-1 所示网络侧接口 OLT ODN 光分路器 ONU 1 ONU 2 ONU 3 用户侧接口图 2-1 EPON 系统组成 EPON 系统由局端的光线路终端 (OLT,Optical Line Terminal), 用户侧的光网络单元 (ONU,Optical Network Unit) 和光分配网络 (ODN,optical distribution network) 组成 [2] OLT 在网络侧与前端交换机用网线相连, 转换成光信号, 用单根光纤与用户 5

15 基于 Leon2 的 EPON ONU MAC 控制器设计端的分光器互联, 实现对 ONU 的控制维护管理测距和动态带宽分配等功能 OLT 集中了 EPON 中复杂的关键技术 ONU 在用户端接入网络, 为用户提供以太网等应用接口由于 EPON 采用了以太网技术, 在通信的过程中就不需要进行协议的转换, 使得 ONU 可以实现对用户数据的透明传送, 且可以借鉴传统以太网的成熟技术, 容易实现和升级, 其功能较 OLT 简单很多, 有利于降低用户终端设备的成本 ODN 由馈线光纤, 光分路器和支线等无源光器件组成, 用于将 OLT 和多个 ONU 连接起来, 提供光信号双向传输的物理通道通常光分路器选用 1:32 或 1:64 的分光比 EPON 在单根光纤上采用下行 1550nm/ 上行 1310nm 波长组合的波分复用技术 (WDM), 上行方向 (ONU 至 OLT) 是点到点方式, 下行方向 (OLT 至 ONU) 是广播方式 EPON 的上下行消息速率均为 1Gbit/s, 由于其物理层编码方式为 8B/10B 码, 所以其线路码速率为 1.25Gbit/s) [2] EPON 网络采用的点到多点的拓扑结构, 取代点到点结构, 大大节省了光纤的用量, 而且除了终端设备都不需要电器件, 因此 EPON 易于建设和维护, 是最适合宽带接入网需求的技术之一上下行传输方式由于 EPON 点对多点的拓扑结构, 其上下行采用不同的通信技术 : 下行采用广播的传输方式, 而上行采用时分多址 (TDMA,Time Division Multiple Access) 的传输方式如图 2-2 和图 2-3 所示 OLT ONU 1 1 用户 ONU 2 用户 2 光分路器 ONU 用户 3 图 2-2 EPON 下行数据传输 EPON 下行数据传输方式如上图所示,OLT 将不同长度的数据包通过光分路器广播给所有在 EPON 网络上的 ONU, 每个数据包都携带一个标识目的 ONU 地址的 6

16 第二章 EPON 的工作原理标识符, 称之为逻辑链路标记 (LLID,Logical Link Identifier), 每个 ONU 都会收到这些数据包, 但是只有与自身 LLID 想匹配或用于多播的数据包才会接收, 其他的数据包则丢弃 OLT 光分路器 1 3 ONU 1 2 ONU 2 3 ONU 用户 1 用户 2 用户 3 图 2-3 EPON 上行数据传输 EPON 的上行数据传输如上图 2-3 所示, 所有 ONU 共享上行带宽, 每个 ONU 向 OLT 申请带宽, 等待 OLT 的授权并在 OLT 指定的时隙内发送各自的数据包 ( 每个时隙内可发送多个数据包 ), 采用时分复用避免上传数据的冲突, 同时每个 ONU 发送的数据只会到达 OLT 而不会被其他 ONU 接收到这种请求 / 授权的机制是实现动态带宽分配算法的基础在上行信道上, 在给定的时间内只允许一个 ONU 传送上行数据通过这个网络由于 EPON 上行传输的 TDMA 方式, 每个 ONU 的发送时隙都必须与 OLT 分配的时隙一致, 这样可以防止多个 ONU 上行传输发送碰撞, 因此 ONU 侧的时钟应与 OLT 侧的时钟同频层次模型 EPON 协议分层和 OSI 参考模型间的关系如图 2-4 所示 7

17 Degree papers are in the Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database. Full texts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on and submit requests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-calis member libraries, please mail to etd@xmu.edu.cn for delivery details.

5 5 7 5 4 4 6 9 8 40

5 5 7 5 4 4 6 9 8 40 4 5 0 959 68 959 55 959 4 957 4 5 998 4 9 959 98 8 980 8 84 4 987 4 5 6 7 8 9 986 998 989 4 977 8 5 988 6 985 8 7 98 990 5 8 998 4 9 987 4 5 4 96 9 959 8 959 4 986 4 5 5 8 96 4 5