《武汉工程大学学报》 2012年4期
59-63
出版日期：2012-05-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
光纤到户远端设备的设计与测试
0引言 面对不断出现的网络新业务和网络带宽的新需求，光纤接入因其具有无限带宽资源、接入距离长达几十公里以上、便于运营和管理、支持业务范围广、技术成熟的特点，已经成为网络接入发展的主要方向.光纤接入目前最看好的主要是以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Netmork,以下简称：EPON）光纤接入系统,EPON技术继承了以太网的低成本、易用性以及光网络的高带宽等特点，是实现光纤接入的众多技术中性价比最好的一种技术，并逐渐被全球运营商广泛采用［1-2］. 光纤接入（Fiber To The X,简称：FTTX）以光网络单元（Optical Network Unit,以下简称：ONU）的所在位置，分为光纤到户（Fiber to The Home,以下简称： FTTH）、光纤到办公室（Fiber to The Office,简称：FTTO）、光纤到大楼（Fiber to The Building,简称：FTTB）、光纤到小区（Fiber to The Zone,简称：FTTZ）和光纤到路边（Fiber to The Curb,简称：FTTC）等方式.FTTH是将ONU安装在家庭用户或企业用户的光纤接入方式.FTTH的显著特点是不但能提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了安装和维护［3-4］.FTTH可以支持现有的各种电信业务（包括数据、语音、专线等），因此需要EPON设备提供各种接口.光线路终端（Optical Line Terminal，以下简称：OLT）设备需要支持FE、GE、E1、STM-1接口；ONU设备需要支持FE、E1、POTS接口.EPON的拓扑结构如图1所示［5-8］.1硬件设计 远端设备按功能分为9个部分：控制模块、交换模块、UNI接口模块、ONU模块、EPON接口模块、网管调试模块、语音处理模块、电路仿真模块、CATV模块.FTTH远端设备如图2所示，硬件设计如图3所示.控制模块主要完成对其它业务模块的控制，实现与局端OLT控制信息的交互；交换模块实现用户侧业务流的汇聚与管理，实现以太网的二层功能；UNI接口模块提供与用户侧接入设备的物理接口，包括以太网接口、电话接口、射频（RF）接口；ONU模块完成控制帧的发送与处理、上下行数据流的分类与管理、各种性能的采集及对EPON光接口的发送控制等；EPON接口模块提供1000Base-PX10/20光接口，速率为上/下行1.25 Gb/s对称速率，传输距离为20 km.网管调试模块完成对交换模块、语音处理模块、电路仿真模块的配置和性能监视；语音处理模块提供对语音业务的编解码、 压缩等功能以及对信令信息的处理；电路仿真模块提供E1等租用线业务的封装与图1EPON的拓扑结构
Fig. 1Topology structure of EPON图2FTTH远端设备
Fig.2Far\|end equipment of FTTH图3远端设备的硬件设计
Fig.3Hardware design of far\|end equipment解封装以及E1时钟的提取；CATV模块实现下行广播光信号的接收与射频（RF）信号的产生.2工作原理2.1FTTH远端设备的工作原理 FTTH远端设备的工作原理如图4所示.第4期冯先成，等：光纤到户远端设备的设计及测试
武汉工程大学学报第34卷
下行方向，在有线路保护的条件下，设计2块光模块，系统在初始化时，会指定一路光模块工作，另一路光模块关闭.当光纤线路被切断时，将产生LOS告警，使MUX倒换到另一路光模块，同时复位3701/3711模块，使其重新测距，并通过GPIO口报告给MPC850插板.正常工作时，下行光信号通过光模块把光信号转变为电信号，两路电信号通过MUX模块，二选一进入到3701/3711模块，电信号通过3701/3711模块分为两路：一路通过GMII/MII口发送到BCM5380交换芯片，然后转发到各个FE口，用来提供高速的数据业务，另一路通过一个MII口发送到TDM插板，转发成2M数据输出，用来提供E1业务.图4FTTH远端设备的工作原理
Fig.4Far\|end equipment principle 在上行方向，上行的以太网数据通过BCM5380交换芯片转发到3701/3711模块的GMII/MII，然后发送到EPON口，2M数据在TDM插板上转换成以太网数据包后，通过3701/3711模块的MII口发送. MPC850插板主要对BCM5380交换芯片和TDM插板进行管理.局端下行发送的控制帧将会被转发到BCM5380交换芯片的MII口，通过DM9000模块将交换芯片的MII口和MPC850插板的Host Bus连接起来.MPC850插板收集到的各模块信息组装成管理数据帧上行发送到局端.2.2FTTH远端设备的软件设计
2.2.1远端设备的软件模块FTTH远端设备的软件开发采用嵌入式实时多任务操作系统VxWorks［9］.操作系统采用Tornado开发工具，为开发VxWorks应用系统提供集成开发环境［10-11］.如图5所示，FTTH远端设备的软件设计遵循功能模块化设计思想，根据系统实现的任务，将软件设计分为5个功能模块：底层驱动模块、系统管理模块、主从通信模块、主备倒换模块、命令行处理模块.
图5远端设备的软件模块化设计
Fig.5Software module of far-end equipment2.2.2远端设备的软件设计底层驱动软件提供各种硬件的驱动程序、ONU核心控制软件与OLT核心控制软件的通信处理通道，为上层应用软件提供稳定可靠的链路层通信，使系统运行稳定；核心控制软件驻留在MPC850CPU上，是实现与控制系统功能的主体，是整个软件系统的核心，同时负责对BCM5380交换芯片和TDM插板进行控制、管理和维护，并向命令行网管系统提供管理维护接口（包括串口命令行接口和Telnet命令行接口，实现不同方式的管理和维护，满足不同用户对不同安全程度和网络规模的需求）；命令行网管软件负责提供用户对设备的操作、维护和管理.如图6所示.图6系统功能软件
Fig.6Software system of far\|end equipmentFTTH远端设备的主机软件包括核心控制软件和命令行网管软件.主机软件流程如图7所示.主要完成对本地BCM5380交换芯片、TDM业务的配置和管理.局端可以对远端设备进行远程配置管理，远端设备上报本地配置信息及告警信息等.图7主机软件流程图
Fig.7Program chart of host software3测试 通过将FTTH远端设备接入到EPON局端设备、EPON局端设备接入IP网络，测试FTTH系统的业务性能.FTTH远端设备的性能测试，主要是以太网业务性能、E1业务性能和光路保护倒换等关键指标的测试［12-13］.3.1以太网业务性能测试 以太网性能测试如图8所示，其中NMS是网络管理系统，ODN是光分路器，网络分析仪1和网络分析仪2完成以太网数据的收发监测.
图8EPON以太网性能测试图
Fig.8Ethernet capability test of EPON3.1.11∶1吞吐量测试过程按照图8连接设备、仪表；待ONU正常工作后将OLT的GE上联口和ONU以太网口均设为自协商模式，利用网络分析仪1发送100 Mb/s的下行流量、网络分析仪2发送100 Mb/s的上行流量， 分别观测并记录仪的接收情况，结果如表1所示.表1显示EPON的吞吐量大于90%，其上行传输效率平均94%，下行传输效率平均达到99%.
表1上/下行以太网吞吐量
Table 1Throughput of upstream/downstream
帧长/B641282565121 0241 2801 518上行吞吐量/(Mb/s)90.9393.1393.7595959595.13下行吞吐量/(Mb/s)95.859 3897.578 1398.671 8899.296 8899.609 3899.687 5099.765 633.1.21∶1时延测试过程按图8连接设备，待ONU注册成功且工作正常；将OLT的GE上联口和ONU的以太网口均设为自协商模式，利用网络分析仪1发送200 Mb/s的下行流量、网络分析仪2 发送每端口100 Mb/s 的上行流量；利用7个典型包长分别测试10 s,分别记录系统上行和下行平均延时，结果如表2所示.表2上/下行以太网时延
Table 2Ethernet latency of upstream/downstream
帧长/B641282565121 0241 2801 518上行时延/us578580590608649674693下行时延/us576379109168199256从表2可以看出，下行方向由于采用连续通信方式，时延指标和普通以太网的测试指标基本一致，上行方向由于采用突发通信方式，而且有32个ONU共享上行带宽，时延比普通以太网要大一些，上行延时均应＜1 ms，下行延时均应＜0.5 ms.
3.1.31∶1长期丢包率测试过程接图8连接设备、仪表；待ONU正常工作后，将OLT的GE上联口和ONU的以太网口均设为自协商模式，利用网络分析仪测试丢包率，分别观测并记录，结果如表3所示.表3上/下行以太网丢包率
Table 3Ethernet frame loss of upstream/downstream
帧长/B641282565121 0241 2801 518上行丢包率/%9.116.816.014.914.854.744.62下行丢包率/%0.050.050.050.050.050.050.05表3显示上/下行以太网丢包率＜10-9. 测试结果表明：被测试设备的吞吐量，都能达到95 Mb/s；被测试设备在一定流量下单端口的转发平均时延小于1 ms；单端口的丢包率约为0.3.2E1业务性能测试按照图9连接设备、仪表；在OLT和ONU之间配置2.048 Mb/s通路，并进行环回链接；设置数字信号分析仪和系统同步；启动数字信号分析仪，测试E1业务通路长时误码性能.测试结果表明24小时E1业务无误码.图9E1业务误码性能测试图
Fig.9Error code capability test of E1 service3.3光路保护倒换测试 按照图10连接OLT和ONU，ONU会通过光口1完成注册，通过Smartbit发送上下行100 Mb/s的数据流；拔掉主用或备用光纤，观察设备能否自动完成在主用光路和备用光路间的识别和倒换、数据能否恢复；拔掉光路1或光路2，观察ONU能否自动完成在光口1和光口2间的识别和倒换、数据能否恢复.图10光路保护倒换测试图
Fig.10Protection switching test of optical path 测试结果表明拔掉光路1或光路2，ONU能够自动完成在光口1和光口2间的识别和倒换，数据能够恢复.4结语 本文基于处理器850设计FTTH远端设备，对以太网、E1业务性能和光路保护倒换的关键指标进行测试，并对实验结果进行分析和讨论.FTTH远端系统解决了在光纤上传输综合业务，实现三网融合，适应当前接入宽带网的发展，具有很强的实用价值.FTTH远端设备采用模块化的硬件、软件设计，具有较大的扩展性、灵活性、移植性，可生产多样化的远端设备，快速响应用户的各种需求，全面提高用户的服务质量.