基于VDSL的以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　Internet的發(fā)展正快速進(jìn)入寬帶時(shí)代。目前在處理“信息高速公路最后1公里”的寬帶接入方面已經(jīng)有了很多解決方案，例如：FTTH（光纖到戶）接入網(wǎng)、HFC（混合光纖同軸電纜）接入網(wǎng)、光纖+雙絞線以太網(wǎng)、高速無線接入網(wǎng)、xDSL等。

　　除xDSL寬帶接入方式外，其它幾類接入網(wǎng)的建設(shè)需要重新布線或建立無線基站。在寬帶建設(shè)中，布線工程或無線基站建設(shè)工程的成本占總成本的比重非常大，這些方案無疑增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本，影響了其競(jìng)爭(zhēng)力。

　　xDSL是幾類DSL（數(shù)字用戶環(huán)路）的總稱，包括ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路）、VDSL（甚高比特率數(shù)字用戶環(huán)路）、SHDSL（對(duì)稱型高比特率數(shù)字用戶環(huán)路）和IDSL（ISDN數(shù)字用戶環(huán)路）等。xDSL是為了避免重新布線的弊端，充分利用已有的銅質(zhì)電話線路開發(fā)的寬帶接入技術(shù)，其中ADSL已有多年的發(fā)展，已成為一種較成熟的DSL技術(shù)。根據(jù)用戶到電話中心局的距離和電話線質(zhì)量，ADSL可提供1.5Mbps～8Mbps的下行速率和64kbps～2Mbps的上行速率，現(xiàn)已成為各國(guó)電信公司主推的寬帶接入技術(shù)之一。

　　VDSL是一種速度最快的非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路，由于其高速率特性，VDSL應(yīng)用前途非常廣泛，如：視頻及電視節(jié)目、高速數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議、廉價(jià)的T1和少量T3業(yè)務(wù)，大型住宅區(qū)和校園內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)等?，F(xiàn)在一些有先見的國(guó)內(nèi)外公司正加大投入，拓展VDSL技術(shù)，并將其它先進(jìn)、成熟的技術(shù)與VDSL相結(jié)合開發(fā)出了更為實(shí)用的新技術(shù)，基于VDSL的以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)就是一種典型代表。這種寬帶接入新技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)一些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正在建設(shè)的“光纖到小區(qū)、雙絞線到家庭”的以太網(wǎng)寬帶接入運(yùn)營(yíng)模式構(gòu)成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

　　1 基于VDSL的以太網(wǎng)（Ethernet）

　　基于VDSL的以太網(wǎng)的構(gòu)思是由Savan公司提出的，Infineon、BroadCom和國(guó)內(nèi)一家科技公司實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)思。該技術(shù)采用VDSL作為物理層，在芯片組內(nèi)置媒體訪問控制器，集成VDSL，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離傳輸，速度可達(dá)10Mbps以上的全雙工標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)功能。

　　1.1 VDSL技術(shù)

　　VDSL技術(shù)將電話線上數(shù)據(jù)傳輸速率推到極限，其初衷是通過數(shù)據(jù)信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的最新進(jìn)展提供最快的速率。VDSL的ETSI（歐洲曜標(biāo)準(zhǔn)組織）和ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制訂完畢，ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)正在加緊制訂中。VDSL采用了成熟的QAM、CAP和DMT調(diào)制技術(shù)與自適應(yīng)均衡技術(shù)，它占用電話線的頻段為1.1MHz～12MHz。在非對(duì)稱模式下，下行速率可達(dá)13Mbps～52Mbps，上行速率可達(dá)2Mbps～19.2Mbps；在對(duì)稱模式下，可實(shí)現(xiàn)全雙工10Mbps、13Mbps的通信速率，其傳輸速率與電話線質(zhì)量和傳輸距離有關(guān)。

　　CAP的DMT是ADSL和VDSL等數(shù)字用戶環(huán)路中采用的兩大相互競(jìng)爭(zhēng)的調(diào)制技術(shù)。CAP（無載波調(diào)幅和調(diào)相）基于QAM，而QAM（正交調(diào)幅調(diào)制）是一個(gè)久經(jīng)考驗(yàn)的MODEM調(diào)制技術(shù)，它采用振幅和相位的變化來代表數(shù)據(jù)符號(hào)。產(chǎn)生一個(gè)QAM波是非常復(fù)雜的過程。DSL通常采用的方法是以數(shù)字形式存儲(chǔ)波形的一部分，然后把這些存儲(chǔ)的部分組成適當(dāng)?shù)牟ㄐ巫兂勺罱K的調(diào)制波，不帶任何信息的載波，在傳輸前立即壓縮以提高效率。為了獲得了佳的信號(hào)質(zhì)量，CAP調(diào)制在選擇相應(yīng)條件下的QAM方法前，有一個(gè)啟動(dòng)過程以測(cè)試線路質(zhì)量。DMT（離散多頻）把數(shù)據(jù)帶寬分為4kHz的頻帶，給下行方向載波數(shù)百個(gè)，上行方向載波幾十個(gè)。DMT還包括一個(gè)先進(jìn)的測(cè)試算法，它連續(xù)測(cè)試每個(gè)頻帶的SNR，適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)負(fù)載，使DMT能夠連續(xù)檢測(cè)和調(diào)整傳輸特性，以適應(yīng)電話線路狀況的變化。由于DMT的復(fù)雜性，只有采用先進(jìn)的DSP技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)這一調(diào)制方式；相比之下，CAP技術(shù)較為簡(jiǎn)單成熟、成本低廉，已為很多著名廠商采用。由于不同廠商對(duì)采用哪一種調(diào)制技術(shù)存在著分歧，ADSL論壇組織（也是國(guó)際上協(xié)調(diào)VDSL的論壇組織）在選擇調(diào)制技術(shù)上采取了中立態(tài)度，將調(diào)制技術(shù)的決策留給每個(gè)廠商自己。表1對(duì)CAP和DMT進(jìn)行了對(duì)比。

　　表1 CAP和DMT調(diào)制技術(shù)的比較

　　項(xiàng) 目CAPDMT

　　下行方向載波數(shù)

　　上行方向載波數(shù)

　　時(shí)延

　　增量

　　自適應(yīng)均衡量

　　已有經(jīng)驗(yàn)1個(gè)

　　1wh

　　4～10ms

　　320kb/s

　　需要

　　有很多成功經(jīng)驗(yàn)數(shù)百個(gè)

　　幾十個(gè)

　　15～25ms

　　32kb/s

　　不需要

　　相對(duì)較少

　　在電話線上，VDSL采用的頻段范圍為1.1MHz～12MHz，而電話話音占用的頻段為300Hz～3400Hz，因此VDSL和話音傳輸可以同時(shí)進(jìn)行。話音、ISDN、VDSL和其它DSL的頻段分布如圖1所示。

　　1.2 以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)

　　以太網(wǎng)是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，它具有擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性好、成本低廉等特點(diǎn)，并擁有大量的網(wǎng)絡(luò)管理工具。Ethernet標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3經(jīng)歷了10Mbps、100Mbps、1000Mbps的發(fā)展歷程，其中10Mbps和100Mbps Ethernet技術(shù)技術(shù)成熟，成本已經(jīng)很低廉。10Mbsp交換式Ethernet網(wǎng)絡(luò)足以滿足Internet寬帶接入（≥2Mbps）的要求。

　　構(gòu)成Ethernet網(wǎng)有四個(gè)要素：1、幀（frame），這是一系列標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)位，用在系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)；2、介質(zhì)訪問控制協(xié)議（media access control protocol），它由一整套內(nèi)嵌于各個(gè)Ethernet接口中的規(guī)則組成；3、信號(hào)部件（signal component），即用在Ethernet信道中發(fā)送和接收信號(hào)的部件，如：網(wǎng)卡、接收器等；4、物理介質(zhì)（physical mdedium），由電纜和其它用來聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)字式Ethernet信號(hào)的硬件部件組成。

　　Ethernet的核心技術(shù)是CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)）協(xié)議。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中將Ethernet分為四層：LLC邏輯鏈路控制子層次；MAC介質(zhì)訪問控制子層次；物理信號(hào)子層和介質(zhì)規(guī)范。其中前兩者位于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），后兩者位于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第一層（物理層）。

???????? 2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 設(shè)計(jì)方案概述

　　10BaseS是infineon公司提出的一種基于VDSL的以太網(wǎng)解決方案，該方案可以在現(xiàn)有銅質(zhì)電話線上實(shí)現(xiàn)10Mbps全雙工Ethernet通信，距離可達(dá)1.6公里?？梢栽诓幌嗷ジ蓴_的情況下，同時(shí)支持高速數(shù)據(jù)通信與POTS、ISDN或PBX電話話音信號(hào)傳輸?；赩DSL的Ethernet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為用戶端設(shè)備（CPE）和局端設(shè)備（Ethernet交換機(jī)或DSLAM）。目前推出的10BaseS套片由三睡構(gòu)成：PEF 22810（VDSL線驅(qū)動(dòng)芯片）、PEB22811（VDSL模擬芯片）、PEF 22822（數(shù)字芯片）。

　　2.2 10BaseS套片的特性

　　Infineon公司的10BaseS套片個(gè)具有如下重要特性：

　　·對(duì)稱10/100Mbps Ethernet速度，全雙工模式；

　　·兼容IEEE802.3 Ethernet MII、RMII、SMII和七線接口；

　　·可配置為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層（Ethernet PHY）芯片，這種配置應(yīng)用于Ethernet交換機(jī)或DSL接入復(fù)用器（DSLAM）；

　　·可配置為以太網(wǎng)媒體訪問控制層（Ethernet MAC）芯片，直接與用戶設(shè)備上標(biāo)準(zhǔn)Ethernet PHY芯片接口，這種配置應(yīng)用于用戶端；

　　·MII串口管理接口支持對(duì)所有內(nèi)部寄存器訪問；

　　·具有地址濾波、自學(xué)習(xí)的功能；

　　·支持Ethernet SNMP MIB計(jì)數(shù)器功能；

　　·支持QAM（正交調(diào)幅調(diào)制）調(diào)制技術(shù)：QAM4～QAM256；

　　·對(duì)稱/非對(duì)稱線速可從低于1Mbps升至25Mbps（根據(jù)距離和線路狀況）；在遠(yuǎn)至1.6公里距離的情況下，可實(shí)現(xiàn)10Mbps的對(duì)稱速率；

　　·支持Reed-Solomon前向糾錯(cuò)功能（RSFEC）。

　　2.3 用戶端設(shè)備（CPE）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　用戶端設(shè)備（CPE）的功能框圖如圖2所示。設(shè)計(jì)用戶端設(shè)備時(shí)，應(yīng)將10BaseS套片配置為Ethernet MAC模式。從功能框圖中可以看出，在PEF22822一端要加入以太網(wǎng)物理層（Ethernet PHY）芯片和變壓器（Transformer）。在設(shè)計(jì)中選擇了NS公司的10/100Mbps的DP83846AVHG以太網(wǎng)物理層芯片，NETCON公司的單端口10Base-T隔離變壓器。將變壓器輸出線直接引到RJ45插座上，這樣通過三類或五類雙絞線即可將CPE聯(lián)到PC機(jī)的以太網(wǎng)卡或其它具有以太網(wǎng)接口功能的設(shè)備上。在PEF 22810一端設(shè)備有濾波器（Fliters）以便盡可能消去電話線上的干擾。為同時(shí)支持VDSL數(shù)據(jù)通信和電話話音通信，在CPE在輸出端設(shè)計(jì)有分離器（Splitter），這樣用戶可以在使用VDSL數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)不妨礙打電話。設(shè)計(jì)分離器（Splitter）時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)CPE掉電時(shí)，電話仍能打通，這個(gè)功能可以采用繼電器來實(shí)現(xiàn)。

　　2.4 局端設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在局端設(shè)備（Ethernet交換機(jī)或DSLAM）中，應(yīng)將10BaseS套片配置為標(biāo)準(zhǔn)Ethernet PHY模式。

　　本文以基于VDSL的十二端口Ethernet交換機(jī)為例來說明，其功能框圖如圖3。該交換機(jī)的端口分為一個(gè)上連端口和11個(gè)下連端口，圖3中只畫出了1個(gè)下連端口，其它10個(gè)下連端與該端口是一樣的。上連端口設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)Ethernet方式，速率設(shè)置為100Mbps，接口采用RJ45，通過五類雙絞線與服務(wù)器相聯(lián)；下連端口設(shè)計(jì)為基于VDSL的方式，用來接電話線，為了避免個(gè)別用戶占用過多的帶寬，下連端口通信速率設(shè)置為10Mbps。在設(shè)計(jì)這款交換機(jī)過程中，筆者對(duì)多款Ethernet MAC交換控制芯片作了詳細(xì)的分析和對(duì)比，最后選擇了Advanced Communication Devices公司的ADC82112。該芯片支持十二端口10/100Mbps Ethernet交換功能，它與PEF22822之間通過IEEE 802.3 Ethernet MII接口相連。由于10BaseS套片只支持一個(gè)端口的通信通道，因此在一塊交換機(jī)電路板上需設(shè)計(jì)有十一組10BaseS套片。上連端口的物理層芯片選用用戶端設(shè)備中采用的DP83846AVHG，變壓器采用NETCOM公司的單端口10/100 Base-T隔離變壓器，以支持100Mbps的通信速率。10BaseS套片與電話線之間的電路設(shè)計(jì)思路與CPE相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)思路是一致的，可以直接借用。

　　VDSL的特色在于其高速性，這使它在很多其它DSL無法滿足要求的寬帶應(yīng)用領(lǐng)域中極具吸引力；而VDSL與成熟、穩(wěn)定的Ethernet技術(shù)的結(jié)合無疑是一大創(chuàng)舉。關(guān)于VDSL的ITU標(biāo)準(zhǔn)正在加緊制訂，預(yù)計(jì)近期將會(huì)形成決議，屆時(shí)會(huì)有更多的知名公司提供種類更豐富、成本更低廉、互操作性更好的基于VDSL的Ethernet產(chǎn)品。一旦基于VDSL的Ethernet的傳輸距離突破5公里（即ITU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用戶端到電話中心局的最遠(yuǎn)距離），那些以“光纖到小區(qū)、雙絞線到家庭”的以太網(wǎng)寬帶接入為運(yùn)營(yíng)模式的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將不得不調(diào)整其經(jīng)營(yíng)策略，以應(yīng)付這一新技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。