張望遠

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

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低成本4口百兆ONU光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)計

張望遠

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

摘要:設(shè)計了一種低成本的ONU光網(wǎng)絡(luò)單元，詳細介紹了ONU光網(wǎng)絡(luò)單元的總體硬件設(shè)計方案，包括處理器子系統(tǒng)、以太網(wǎng)交換系統(tǒng)，EPON接口和外圍電路設(shè)計，對ONU運行的軟件系統(tǒng)架構(gòu)和開發(fā)過程也進行了細致分析，最終搭建測試環(huán)境對研制的ONU產(chǎn)品進行測試，測試結(jié)果表明，研制的低成本ONU光網(wǎng)絡(luò)單元功能性能可以滿足產(chǎn)品應用要求。

關(guān)鍵詞:光網(wǎng)絡(luò)單元；低成本；以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)

光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)是EPON(Ethernet Passive Optical Network)以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分，EPON系統(tǒng)作為一種經(jīng)濟高效的傳輸方式，成為三網(wǎng)融合推進過程中的首選系統(tǒng)傳輸解決方案。EPON系統(tǒng)通常由光網(wǎng)絡(luò)單元ONU、光線路終端OLT及光分配網(wǎng)ODN組成。ONU產(chǎn)品作為三網(wǎng)融合光纖入戶用戶端產(chǎn)品，位于用戶側(cè)，放在住戶、企業(yè)或MDU(多用戶單元)處，將前端系統(tǒng)的光信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)電信號，為用戶提供EPON的接入功能，選擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)，并進行業(yè)務(wù)分流，除提供客戶端語音、數(shù)據(jù)和視頻接口外，還提供第二層交換功能[1-3]。本文采用Cortina芯片方案設(shè)計了一種可提供1路EPON接口和4口百兆以太網(wǎng)接口的ONU光網(wǎng)絡(luò)單元產(chǎn)品，可實現(xiàn)靈活的應用方案，同時具備一定的成本優(yōu)勢，在三網(wǎng)融合的大背景下，可滿足產(chǎn)品迅速推廣需要。

1總體硬件設(shè)計方案

低成本4口百兆ONU光網(wǎng)絡(luò)單元系統(tǒng)單元原理框圖如圖1所示，硬件系統(tǒng)核心為主處理器CS8032，通過SPI總線外擴SPI FlASH，組成處理器子系統(tǒng)；通過GMII接口擴展4口百兆交換芯片RTL8305，由網(wǎng)絡(luò)變壓器引出4路百兆以太網(wǎng)接口；通過高速串行SerDes總線與光模塊互聯(lián)，形成1路上下行數(shù)據(jù)速率可達1G的EPON接口；其余部分的電路主要有通用輸入輸出接口GPIO，可選配的E2PROM和時鐘電源復位等輔助功能電路[4-5]。

1.1處理器子系統(tǒng)設(shè)計

ONU光網(wǎng)絡(luò)單元主處理器采用Cortina公司的ONU專用芯片CS8032，該芯片內(nèi)部集成主頻500 MHz的ARM9處理器，可滿足系統(tǒng)處理運算需要，主芯片內(nèi)部還成了容量為2 Mbyte的SDRAM存儲器，不需要外部擴展SDRAM存儲器，通過SPI接口外擴4 Mbyte的SPIFlash，組成光網(wǎng)絡(luò)單元ONU的處理器子系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)運行需要的同時大大降低了系統(tǒng)硬件成本，如圖2所示。

主芯片CS8032內(nèi)部集成遵循IEEE802.3ab規(guī)范的標準GMAC，可通過RGMII接口外接以太網(wǎng)PHY芯片或交換芯片擴展單路或多路以太網(wǎng)接口；集成高速串行SerDes接口，通過外接光模塊實現(xiàn)用于上聯(lián)OLT系統(tǒng)的EPON接口，數(shù)據(jù)速率可達1 Gbit/s；集成串口控制器，可直接擴展TTL串口，用于系統(tǒng)調(diào)試和后續(xù)升級；集成16路GPIO接口，可以靈活地對外部信號進行控制。

1.2以太網(wǎng)交換系統(tǒng)設(shè)計

主芯片CS8032內(nèi)部集成1路GMAC，可外接PHY芯片或交換芯片擴展1路或多路以太網(wǎng)接口，本設(shè)計中采用RealTek公司的交換芯片RTL8305，擴展4路百兆以太網(wǎng)接口。RTL8305內(nèi)部集成1路GMAC和4路百兆以太網(wǎng)交換接口，自帶4路百兆物理層PHY，不需額外接PHY芯片。以太網(wǎng)交換系統(tǒng)設(shè)計原理如圖3所示，主芯片CS8032集成的GMAC通過RGMII接口和RTL8305的GMAC直接互聯(lián)，RTL8305的GMAC與內(nèi)部的Switch互聯(lián)，通過集成的PHY引出4路百兆以太網(wǎng)交換接口，以太網(wǎng)信號在連接外部之前還需要加上網(wǎng)絡(luò)變壓器芯片進行隔離處理，隔離變壓器選用Group-Tek公司的低成本HST-2027器件，單個變壓器含兩路百兆以太網(wǎng)隔離耦合功能，本設(shè)計中4路百兆以太網(wǎng)采用兩片HST-2027。RTL8305交換芯片內(nèi)部集成了2k的MAC地址表和4 096個VLAN查找表，可以滿足ONU以太網(wǎng)交換業(yè)務(wù)處理需要。

1.3EPON接口設(shè)計

ONU的EPON接口設(shè)計如圖4所示，CS8032主芯片內(nèi)部集成了EPON SerDes接口，高速串行差分信號ERX_P/ERX_N、ETX_P/ETX_N直接和光模塊的高速串行收發(fā)器SerDes相連，形成數(shù)據(jù)速率為1 Gbit/s的高速通道；I2C總線實現(xiàn)控制功能，對光模塊的工作狀態(tài)進行反饋和控制；GPIO5和GPIO6通過對PONRX_CTL和PONTX_CTL信號的控制，在EPON接口不工作時，實現(xiàn)對光接口信號進行功率控制，達到節(jié)約能源的目的，同時在光信號異常如出現(xiàn)長發(fā)光的故障光模塊影響其他ONU光模塊應用時，通過GPIO5和GPIO6進行光模塊收發(fā)光信號的通斷控制。光模塊型號采用海信寬帶通信公司的LTB34D3-SC+，為目前業(yè)內(nèi)主流型號[6]。

1.4外圍輔助電路設(shè)計

ONU光網(wǎng)絡(luò)單元主要的接口為1路EPON和4路百兆以太網(wǎng)接口，除此之外，外圍還有串口和GPIO接口。CS8032內(nèi)部集成了1路串口控制器，直接將串口信號RXD和TXD以插針的形式引出，不進行RS-232信號電平的轉(zhuǎn)換，滿足調(diào)試和后續(xù)產(chǎn)品升級需求的同時，可以有效降低產(chǎn)品成本。CS8032集成了16路通用輸入輸出即GPIO接口，滿足ONU產(chǎn)品內(nèi)部系統(tǒng)功能需求。其中，3路GPIO接口通過外接LED指示燈用于ONU工作狀態(tài)指示，1路GPIO接口用于看門狗電路控制，2路GPIO用于光模塊收發(fā)信號電源控制，其余接口預留后續(xù)使用。其他的輔助電路由時鐘、電源、復位電路等組成，外部電源適配器輸入的電源為12 V DC 1 A。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

ONU光網(wǎng)絡(luò)單元軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，產(chǎn)品運行內(nèi)核空間極小的eCos嵌入式操作系統(tǒng)，可以適配硬件平臺緊湊的系統(tǒng)空間，根據(jù)底層硬件平臺配置情況，對系統(tǒng)原生的硬件抽象層進行修改，完成硬件抽象層的移植，為上層軟件提供硬件操作接口。Redboot完成對硬件平臺的系統(tǒng)引導，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的初始化，用以引導eCos嵌入式系統(tǒng)。Redboot可以加載eCos應用程序，并提供Debug支持，通過Redboot還可以對目標系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進行管理。

Redboot不僅可以引導eCos系統(tǒng)，也可以作為其他嵌入式系統(tǒng)的引導程序，采用Cortina廠商為CS8032芯片提供的移植好的Redboot版本，簡化軟件開發(fā)過程。利用Redboot集成的Stub程序，為GDB工具的使用提供支持。設(shè)備驅(qū)動程序主要是串口驅(qū)動，F(xiàn)lash驅(qū)動，RTL8305交換芯片驅(qū)動和GPIO驅(qū)動，負責對硬件設(shè)備進行控制和管理，并完成設(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫操作。驅(qū)動程序為上層軟件提供標準的API函數(shù)，使得串口、Flash、RTL8305和GPIO設(shè)備可以滿足上層應用程序訪問需求，完成對設(shè)備的初始化配置、獲取配置信息以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

ONU產(chǎn)品的EPON和網(wǎng)絡(luò)接口都是基于以太網(wǎng)標準，eCos系統(tǒng)內(nèi)部集成的網(wǎng)絡(luò)包支持完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可滿足系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)應用方面需要，在此基礎(chǔ)上開發(fā)VLAN、QoS等其他網(wǎng)絡(luò)應用。集成第三方的OAM管理維護和基于MPCP的EPON接口控制系統(tǒng)。eCos內(nèi)部集成的Web服務(wù)器，可以在此基礎(chǔ)上完成ONU產(chǎn)品用戶配置網(wǎng)頁界面，實現(xiàn)完備的產(chǎn)品功能。

3產(chǎn)品功能性能測試

光網(wǎng)絡(luò)單元ONU主要針對運營商進行推廣，在入網(wǎng)前需進行大量功能性能測試，按照業(yè)內(nèi)標桿文件《中國電信EPON測試方案》，搭建測試環(huán)境，選取其中的主要功能性能指標進行測試。測試環(huán)境如圖6所示，OLT的EPON接口經(jīng)光分支器分出多路光纖接口，分別接入多個ONU的EPON接口，分光器最大分光比為1∶32，實際測試中分出10路進行測試。ONU的百兆以太網(wǎng)口分別連接至網(wǎng)絡(luò)測試儀工作在百兆模式的以太網(wǎng)接口，OLT的千兆以太網(wǎng)接口連接至網(wǎng)絡(luò)測試儀的千兆以太網(wǎng)接口中。

搭建好測試環(huán)境后，對ONU產(chǎn)品的功能和性能進行測試，功能方面主要驗證ONU的注冊和通信功能，驗證ONU是否能順利注冊到OLT端，以及能否與OLT正常通信，具體測試項為ONU的MPCP發(fā)現(xiàn)和注冊功能測試；性能方面主要按照RFC2544標準，通過網(wǎng)絡(luò)測試儀測試ONU的數(shù)據(jù)傳輸性能，具體測試項為ONU的吞吐量性能、過載丟包率性能、包轉(zhuǎn)發(fā)時延和背靠背性能的測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1ONU光網(wǎng)絡(luò)單元性能測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，本文研制的ONU光網(wǎng)絡(luò)單元產(chǎn)品可以與前端OLT設(shè)備正常注冊和通信，各項功能正常，性能主要測試項指標滿足《中國電信EPON測試方案》中的性能測試指標要求，滿足產(chǎn)品應用和推廣需求。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于CS8032主芯片的低成本4口百兆ONU光網(wǎng)絡(luò)單元產(chǎn)品，介紹了ONU光網(wǎng)絡(luò)單元的總體硬件設(shè)計方案，對處理器子系統(tǒng)、以太網(wǎng)交換系統(tǒng)，EPON接口和外圍電路設(shè)計分別進行了詳細介紹，對ONU運行的軟件系統(tǒng)也進行了闡述，最終搭建測試環(huán)境，對研制的ONU產(chǎn)品的主要功能性能進行測試，測試結(jié)果表明，研制的低成本ONU光網(wǎng)絡(luò)單元產(chǎn)品功能性能穩(wěn)定可靠，滿足產(chǎn)品應用需求。本文設(shè)計的ONU光網(wǎng)絡(luò)單元同時具有一定成本優(yōu)勢，方案所屬產(chǎn)品已經(jīng)在某地廣電系統(tǒng)批量出貨，市場反響較好。

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Design of low-cost optical network unit with four 100 Mbit/s ethernet port

ZHANG Wangyuan

(JiangsuAutomationResearchInstitute,JiangsuLianyungang222006,China)

Key words：ONU；low-cost；EPON

Abstract:A low-cost Optical Network Unit (ONU)is designed in this paper. The overall hardware design scheme, the processor subsystem, the Ethernet switch system, the EPON interface and the peripheral circuit design of ONU are introduced in detail, and the software system architecture and development process of the ONU is also introduced. A test environment is established to implement the function and performance test of ONU, and the test result show that the ONU designed in this paper can satisfy the needs of product application.

中圖分類號：TN929.11

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.018

作者簡介：

張望遠(1984— )，碩士，工程師，主要進行機頂盒和寬帶接入類產(chǎn)品開發(fā)。

責任編輯：許盈

收稿日期：2015-06-01

文獻引用格式：張望遠.低成本4口百兆ONU光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)計[J].電視技術(shù)，2016，40(1)：91-94.

ZHANG W Y.Design of low-cost optical network unit with four 100 Mbit/s ethernet port[J].Video engineering，2016，40(1)：91-94.