周 理，楊宇紅

(上海交通大學 電子與電氣工程系，上海 200233)

支持11ac的多功能家庭網(wǎng)關硬件方案設計

周 理，楊宇紅

(上海交通大學 電子與電氣工程系，上海 200233)

設計了一種家庭網(wǎng)關設備，可以實現(xiàn)PON(無源光網(wǎng)絡)接入，同時提供有線上網(wǎng)和無線覆蓋(WiFi 2.4 GHz 5.8 GHz)、電話、視頻服務。用一個設備解決多個家庭設備的聯(lián)網(wǎng)問題，而且速度較快。在周圍用戶較多的情況下，能夠有較好地用戶體驗。由于此設備支持大功率WiFi11ac功能，輸出功率達20 dBm，可以在2.4 GHz信號密集區(qū)域有效避開干擾，同時提供高達1.3 Gbit·s-1的連接速率，可以滿足多用戶大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊蟆?/p>

家庭網(wǎng)關；PON；WIFI；11ac

近年來，我國寬帶網(wǎng)絡發(fā)展迅速，寬帶覆蓋率不斷提升，然而，有些地方還在使用比較陳舊的ADSL設備[1]，上網(wǎng)速率受到限制，難以滿足視頻傳輸?shù)雀咚賯鬏斠?。有的雖然使用了光通信終端，但聯(lián)網(wǎng)方式單一，也無法滿足用戶需求，或需要另加路由器實現(xiàn)無線覆蓋，增加了設備數(shù)量和成本。有些網(wǎng)關設備帶無線，但無法提供電視聯(lián)網(wǎng)服務，或者在周圍無線設備較多的情況下，容易被干擾而降低用戶體驗。如何用一個網(wǎng)關實現(xiàn)電話、手機、電腦、電視等多個終端設備同時聯(lián)網(wǎng)，同時具備有線和無線上網(wǎng)，還可盡量避開干擾，增加一種另外的無線聯(lián)網(wǎng)方式來實現(xiàn)高速上網(wǎng)，成為了迫切需要解決的問題。

該方案采用嵌入式處理器為硬件平臺，由于嵌入式處理器具有高性能、體積小、低功耗和低成本特點，能實現(xiàn)多種通信網(wǎng)絡的接入和復雜的邏輯處理，如 Internet 接入、遠程監(jiān)控以及實現(xiàn)協(xié)議轉換連接局域網(wǎng)內部異構網(wǎng)絡等功能。設計智能家庭網(wǎng)關(Home Gateway Unit)也能滿足對低成本、高性能、低功耗以及功能相對完善的要求。

1 實現(xiàn)原理分析

1.1 實現(xiàn)功能分析

設計的家庭網(wǎng)關的功能如圖1所示，通過光纖連接到Internet，然后通過自帶的各種接口連接到家庭的各種終端，比如支持WiFi的手機、電腦、電話、電視機等。

圖1 家庭網(wǎng)關的應用

1.2 家庭網(wǎng)關總體架構設計

功能決定該網(wǎng)關的架構。該網(wǎng)關產品包含包括GPON、WiFi 2.4 GHz、 WiFi 5.8 GHz、Ethernet(以太網(wǎng))、VOIP(語音)、CATV(視頻接入)；PON部分作為對外接口，通過光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送到OLT局端(Internet)；WiFi、VOIP、CATV是接用戶端設備，比如筆記本、手機、電話、電視機。PON部分和用戶端設備的數(shù)據(jù)交互通過CPU完成[2]。

1.3 各模塊簡介

本方案采用CPU加各個功能模塊的方式組合而成。各模塊之間通過CPU進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。即CPU+WiFi 5.8 GHz+WiFi 2.4 GHz +PON(光接入和視頻功能)+VOIP(語音部分)組成[3]，各個模塊分別用不同的芯片和外圍電路組建。

(1)CPU部分。CPU作為所有數(shù)據(jù)模塊互相通信的中轉中心，支持 PCI-e、Serdes等主要接口跟其他模塊通信，以連接不同的模塊。2個PCI-e接口連接兩個WiFi模塊實現(xiàn)WiFi 2.4 GHz 和WiFi 5.8 GHz 的功能；Serdes接口連接光模塊；APM&SPI接口連接語音模塊；CPU還支持一些其他接口和調試接口，由于需要處理的數(shù)據(jù)量極大，必須支持高速的DDR3；

(2) PON部分。通過Serdes接口連接CPU，作為家庭網(wǎng)關的對外連接接口連接到互聯(lián)網(wǎng)。支持ITU-T G984.2 協(xié)議，上行速率1.244 Gbit·s-1，下行速率2.488 Gbit·s-1，采用SC/UPC接口，上行中心波長1 310 nm，下行中心波長1 490 nm，視頻傳輸中心波長1 550 nm；

(3) WiFi 5.8 GHz部分[4]。通過PCI-E接口連接CPU。支持802.11ac協(xié)議，最高連接速率1.3 Gbit·s-1，支持20 /40 /80 MHz等3種模式。集成Transceiver，搭配外置大功率放大器PA、低噪聲放大器LNA、切換開關SW等組合起來，完成大功率輸出。擴大有效的覆蓋范圍，天線端入口最高輸入功率達20 dBm(EVM<-32 dB)；

(4) WiFi 2.4 GHz部分[5]。通過PCI-e接口連接CPU。模塊采用支持802.11b/g/n協(xié)議[6]，最高連接速率300 Mbit·s-1,支持20 /40 MHz等模式。內置Transceiver，搭配外置大功率放大器PA、低噪聲放大器LNA、切換開關SW等組合起來，完成大功率的輸出，擴大有效的覆蓋范圍，天線端入口最高輸入功率達22 dBm(EVM<-28 dB)；

(5) VOIP部分。通過SPI&APM接口連接CPU。支持G.711G.729協(xié)議，SIP (RFC3261)，SDP (RFC2327)，RTP (RFC3550/3551)等。支持動態(tài)或者靜態(tài)IP分配[7]。支持2路RJ11接口，每個接口最多支持6部固定話機，帶饋電不需要外接電源。

綜合以上原理，整體框架圖如圖2所示。

圖2 家庭網(wǎng)關的架構

2 詳細設計分析

2.1 CPU部分

從上述原理分析可知，CPU必須集成PCI-e、Serdes、APM、SPI接口連接PON、WiFi、VOIP等模塊，同時支持網(wǎng)口、UART，留有額外的GPIO口，選擇BROADCOM CPU BCM68380，其主頻高達600 MHz，支持16位寬的時鐘速率533 Mbit·s-1的DDR3，帶32 kB Dcache and 64 kB×2 Icache，運行速度快，同時支持PCI-e、Serdes、APM、SPI等接口，同時還可以支持以太網(wǎng)功能[8]。

CPU集成以太網(wǎng)功能。支持IEEE802.3，支持極性自動翻轉，支持全雙工/半雙工，支持千兆速率，支持10/100/1 000 Mbit·s-1速率自適應。

2.2 PON部分

信號部分。用Serdes接口連接CPU，SC/UPC連接局端，主要完成完成光電信號轉換。局端輸入的1 490 nm[9]信號經(jīng)過模塊PON模塊轉換為電信號，經(jīng)過Serdes接口到達CPU，經(jīng)過CPU處理后作出回應，再次通過Serdes接口到達PON模塊，經(jīng)過轉為為光信號后經(jīng)SC/UPC接口送到局端設備，完成通信。要求PON流量高達雙向900 Mbit·s-1不丟包[10]。

視頻傳輸部分。主要完成完成光電信號轉換，1 550 nm的光信號經(jīng)過SC/UPC接口到達PON模塊，經(jīng)過光電轉換后經(jīng)過SMB RF Connector輸出，經(jīng)過同軸線到達電視。

2.3 WiFi 5.8 GHz部分

支持PCI-e接口與CPU通信。通過輻射WiFi信號與家庭的其他WiFi 5.8 GHz的設備連接。802.11ac 的1發(fā)1收的最高速率為433 M bit·s-1

ratemax=433 Mbit·s-1×3=1.3 Gbit·s-1

(1)

式中，ratemax表示W(wǎng)iFi 5.8 GHz最大連接速率。由以上公式計算得支持1 Gbit·s-1以上的速率，需要3發(fā)3收。

采用Broadcom BCM43602支持3T3R(3發(fā)3收)，最高連接速率高達1.3 Gbit·s-1，BCM43602集成MAC和PHY，集成Transceiver，配合大功率PA輸出高達20 dBm[11]信號。支持這種高功率的有Skyworks的SE5023，其輸出高達23 dBm(11ac 80 MHz模式)。BCM43602支持11ac，可以實現(xiàn)11ac 20/40/80 MHz帶寬，20&40 MHz支持SGI，支持MCS23[12]調制方式，可以滿足用戶進行視頻等大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，同時支持WAP、WAP2等多種加密方式，可以有效的保護數(shù)據(jù)安全。

本設備支持的WiFi輸出功率大，需要將功率放大器PA和小信號放大器LNA分開，同時增加切換開關SW，以實現(xiàn)半雙工的方式，切換開關后增加濾波器BPF，防止諧波產生干擾到其他用戶或者設備。采用BCM43602實現(xiàn)大功率11ac的框圖如圖3所示。

圖3 BCM4360的典型應用電路框架

公式

pant_in=ppa_out-ploss

(2)

式中，pout_in表示5.8 GHz天線輸入功率；ppa_out表示5.8 GHz PA輸出功率；ploss表示5.8 GHz PA到天線之間的插入損耗。

ppa_out=pant_in+ploss

(3)

式中，pout_in表示5.8 GHz天線輸入功率，ppa_out表示5.8 GHz PA輸出功率；ploss表示5.8 GHz PA到天線之間的插入損耗。

實現(xiàn)大的覆蓋范圍，要求5.8 GHz天線端pant_in輸出20 dBm，SW和BPF損耗ploss為2～3 dBm，則由式(3)推出5.8 GHz PA的輸出功率ppa_out的輸出功率23 dBm時，可以保證到達天線的功率為20 dBm(EVM<-32 dB)。

2.4 WiFi 2.4 GHz部分

支持PCI-e接口與CPU對接。通過輻射WiFi信號與家庭的其他支持WiFi 2.4 GHz的設備連接。802.11n 的1發(fā)1收的最高速率為150 Mbit·s-1[13]

ratemax2=150 Mbit·s-1×2=300 Mbit·s-1

(4)

式中，ratemax2表示W(wǎng)iFi 2.4 GHz最大連接速率。由上述計算公式得支持300 Mbit·s-1速率，需要2發(fā)2收。

采用Broadcom BCM43217支持2T2R，最高連接速率高達300 Mbit·s-1，支持PCI-e接口與CPU對接，其集成MAC和PHY，集成Transceiver，配合大功率PA可輸出高達20 dBm的信號。BCM43217支持802.11n，可以實現(xiàn)20/40 MHz帶寬，20&40 MHz支持SGI[14]，最高支持MCS15調制方式，可以滿足用戶進行視頻等大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，同時支持WAP、WAP2等多種加密方式，可以有效保護數(shù)據(jù)安全。

由于支持的功率超大，需要將功率放大器PA和小信號放大器LNA分開，同時增加切換開關SW，以實現(xiàn)半雙工的方式，切換開關后增加濾波器BPF，防止諧波產生干擾到其他用戶或者設備。

由式

pant_in2=ppa_out2-ploss2

(5)

式中，pant_in2表示2.4 GHz天線輸入功率； 表示2.4 GHz PA輸出功率；ploss2表示2.4 GHz PA到天線之間的插入損耗

ppa_out2=pont_in2+ploss2

(6)

式中，pant_in2表示2.4 GHz天線輸入功率；ppa_out2表示2.4 GHz PA輸出功率；ploss2表示2.4 GHz PA到天線之間的插入損耗。

實現(xiàn)大的覆蓋范圍，要求2.4 GHz天線端pant_in2輸出22 dBm，SW和BPF損耗ploss2為1～2 dBm，則由式(6)推出2.4 GHz PA的輸出功率ppa_out2的輸出功率24 dBm時，可以保證到達天線的功率為20 dBm(EVM<-30 dB)。

2.5 VoIP部分

VoIP主要包括2部分，信號處理部分、升壓電路部分、信號處理部分主要完成信號的采集、解調、解碼、傳輸，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU，CPU處理后再將信號傳給VoIP的信號處理IC，將數(shù)字信號進行調制和編碼后通過接口發(fā)送出去[15]，這里選用LE9540D 。升壓電路部分，其抽象結構如圖4所示。

圖4 升壓電路結構

在充電過程中，開關閉合(MOS管導通)，開關(MOS管)處用導線代替。這時輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。在放電過程中，這時開關斷開(MOS管截止)時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電， 電容兩端電壓升高，此時輸出電壓已經(jīng)高于輸入電壓，升壓完畢。

升壓電路提供基本的偏置，給數(shù)據(jù)處理部分提供工作的基本條件，保證數(shù)據(jù)處理部分輸出的波形符合要求，同時外部輸入的數(shù)據(jù)能正確的解碼并通過APM接口到達CPU進行進一步處理。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

(1)PON部分。PON對LAN流量測試：上下行各900 Mbit·s-1不丟包；播放視頻清晰流暢，沒有卡頓和斑點情況；

(2)WiFi部分。WiFi 5.8 GHz輸出功率和流量測試測試：符合功率設計20 dBm要求，EVM滿足802.11ac標準。

表1 WiFi 5.8 GHz輸出功率

表2 WiFi 5.8 GHz實際流量測試

WiFi 2.4 GHz輸出功率和流量測試：符合功率設計22 dBm要求，EVM符合802.11n標準。

表3 WiFi 2.4 GHz輸出功率

表4 WiFi 2.4 GHz實際流量測試

(3)VoIP部分。VoIP 測試，符合G.711和G.729。

表5 VoIP電壓和振鈴頻率

綜合以上測試情況可以看出，WiFi、VoIP、PON等各個功能模塊功能正常，且參數(shù)指標都符合各自的標準要求，達到了預計的設計效果。

4 結束語

本設計支持光通信GPON/EPON兼容設計。光纖到戶可以帶來超高的傳輸速度，且容量大，具有成本優(yōu)勢；支持WiFi 2.4 GHz,以滿足常規(guī)WiFi聯(lián)網(wǎng)需求，提供筆記本、手機、平板電腦等聯(lián)網(wǎng)支持；支持WiFi 5.8 GHz,為視頻傳輸?shù)却髷?shù)據(jù)傳輸提供更快的傳輸速度，進一步提高用戶體驗。在人員密集區(qū)域，可以有效避開擁擠的2.4 GHz信道；支持電話線接入電話實現(xiàn)語音通話；本設計綜合考慮用戶需求和現(xiàn)有市場的情況，既可以實現(xiàn)諸多功能，滿足用戶大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，同時又可以有效的避開現(xiàn)有的干擾，且成本較低，性價比較高。

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Hardware Design of Multifunction Home Gateway Hardware with 11ac

ZHOU Li, YANG Yuhong

(School of Electronics and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200233，China)

This article introduce the design of HGU, which can access Passive Optical Network , providing wired Internet access and wireless coverage (WiFi 2.4 GHz &5.8 GHz), using telephone (VoIP) and watching video (CATV) at the same time. The device solve the networking problem of multiple home terminal, one-stop solution for multiple devices home networking issues with high speed. In the case where many other AP(Access Point) around, it have a better user experience. As this device supports 5G 11ac function with high power output, which up to 20 dBm, it can effectively avoid the interference where 2.4 GHz signal very dense and strong. As the connection rate of 5 GHz 11ac function up to 1.3 Gbit·s-1, it can meet the multi-user requirements for large data transferring.

home gateway unit; PON; WiFi; 11ac

2016- 05- 30

周理(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電子與通信工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.011

TN915.05

A

1007-7820(2017)04-044-05