VDSL和以太網交換及以太網寬帶接入

2019-11-05 01:32:37

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　　一、寬帶接入技術的發展
　　近年來，Internet異軍突起，網絡規模和用戶數迅猛增長。世界各國都在致力于發展信息網絡，中國也把網絡通信作為優先發展的產業。隨著中國對骨干網絡進行擴容，Internet用戶發展十分迅速，視頻點播（VOD）、實時遠程教學等高速業務如雨后春筍般出現，但接入網卻成了Internet發展的瓶頸。
　　
　　目前，56K Modem，ISDN技術是最為成熟的接入技術，但它們都屬于窄帶接入的范疇。寬帶接入方面，利用同軸電纜的Cable Modem技術和利用現有電話線的xDSL技術正在快速發展，已經進入實用階段。由于它們具有窄帶接入不可比擬的帶寬和對多業務的支持，將成為未來幾年里接入技術的首選方案。為了利用已經在銅線上作出的巨大投資，全球各電話公司紛紛選用xDSL作為爭奪Internet接入市場的有力武器與Cable Modem競爭。這使得xDSL成為當前最熱門的技術之一，引發了大量的通信設備制造商和芯片供給商爭先恐后地生產相關產品與市場競爭。
　　
　　與xDSL相比，寬帶接入系統中的另一要害產品－－以太網交換機市場競爭更加劇烈。在包交換技術中，以太網交換由于具有簡單易用、發展成熟和成本低廉等優點，再加上快速以太網和千兆以太網等新技術迅速崛起，已取代ＡＴＭ交換技術成為ＬＡＮ領域的贏家。這種基于包交換的通信技術比傳統的時分電路交換具有數據連接永遠存在、機動靈活的優勢，并且可大量節省線路成本，非常適用于寬帶接入領域。
　　
　　二、VDSL 的技術特性
　　xDSL是指利用現有銅纜用戶線中的一對雙絞線來提供雙向傳輸業務的一系列技術。目前市場份額最大的是非對稱數字用戶線（ADSL）和ADSL基礎上開發的甚高比特率數字用戶線（VDSL）。
　　
　　1.性能
　　
　　ADSL系統在下行方向傳送高速數字信號，而上行方向工作在較低速率。ADSL采用1.5Mbit/s速率時可以在0.4mm和0.5mm線徑的雙絞線上分別傳3.6km和5.5km，若采用6Mbit/s速率，傳輸距離也能達到3.6km（0.5mm線徑）。在這樣的性能下，圖像質量最多只能達到盒式錄像機的水平。鑒于此，近年來人們又進一步開發了VDSL。按其當前產品的水平，它在雙絞線上的單向速率可高達26Mbit/s，而且還可配置為對稱模式，使上下行速率均為13Mbit/s(0.5mm線徑，傳輸距離1.3km)。由于VDSL提供了更大的帶寬，所以可以滿足更多的業務需求，包括傳送高保真音樂和高清楚度電視、多通道純MPEG2信息流，是真正的全業務接入手段。另外，VDSL的速率與以太網速率非常接近，完全可以作為以太網的延伸，構成網絡節點之間距離在1km以上的“大以太網”。有理由相信，VDSL的應用前景非常光明，會成為DSL技術發展的又一亮點。
　　
　　2.調制技術
　　
　　VDSL之所以有更高的接入速率和抗干擾能力，主要應歸功于采用了先進的調制技術。目前，關于VDSL的標準有兩種，一種支持正交幅度調制，另一種支持離散多音頻調制。下面以前一種為例對VDSL的調制技術進行簡要的說明。
　　
　　正交調幅是一種應用廣泛的技術，基本方法是將數據分解成兩個半速數據流，然后再調制出兩個數據流再進行檢測。這種方式頻譜利用率高，設備也不太復雜，VDSL收發信機通常采用這種調制方式。它的輸出功率譜密度一般不超過-60dBm/Hz。
　　
　　3.頻譜分配
　　
　　VDSL采用頻分復用方式進行通信，即上行和下行使用不同的頻率范圍。通常頻譜分配如下（以QAM為例）：下行0.9-3.4MHz；上行4.0-7.75MHz。其它常用的低頻業務，如ISDN（128，144kbit/s），普通電話POTS(8kbit/s)，甚至ADSL（1.0104Mbit/s），完全可以和VDSL同時在一對線上傳送。一般情況下，這兩個頻帶的中心頻率和帶寬都可以調整。這些數值與QAM的星座數（又稱狀態數）及分割因數（指每碼元所含比特數）一起，一旦由設備配置確定，就可以決定VDSL系統的數據速率。
　　
　　三、快速以太網交換機
　　今天的以太網事實上幾乎成了企業規模局域網絡中的標準。它源自IEEE802.3(10Ｍ)標準，并發展出一系列相關標準，包括802.3U（10M/100M自適應）、802.3x（全雙工）、802.3z（1000M）等。不過，這些標準的基本工作原理是不變的，它們都采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA/CD）技術來避免沖突實現通信。每個通信節點的工作原理可描述如下：
　　
　　1）假如線路空閑，則可隨時發送數據；
　　
　　2）假如線路忙，等待一段時間后再發送；
　　
　　3）假如與別的節點發生沖突，暫時放棄發送，等待一段時間后再回到第一步。
　　
　　早期的以太網設備主要使用集線器，每個節點發送的通信包都需要在集線器的所有端口上廣播，所以帶寬指標并非獨占而是共享。而以太網交換機是一種在第二層，即數據鏈路層上工作的交換設備，它和集線器最大的不同在于能夠自學習每個包的源地址和目的地址，并能動態建立一張轉發路徑表，由此使各個節點發送的數據包只在相對應的端口中發出而無須每次都廣播，帶寬指標是獨占而非共享，這樣就極大地提高了通信效率和安全性。
　　
　　以太網交換機的核心技術是交換芯片，但網管軟件同樣重要。在目前的寬帶接入系統中，對交換機治理的要求越來越高，這些要求主要包括：對虛擬專用局域網（VLAN）、端口禁用/啟用、業務優先級區分（CoS）、端口分組治理、流量控制以及簡單網絡治理協議（SNMP）和遠程網絡監控協議（RMON）等治理軟件給予支持。交換芯片對這些治理功能的支持固然是前提，但開發一個針對特定治理要求的治理軟件仍然是一項艱巨的工程，往往需要使用一個成熟的實時網絡操作系統的作為平臺。
　　
　　四、VDSL和以及網交換技術的實施方法
　　德國半導體公司億恒科技是在歐洲排名前三位的集成電路供給商，擅長研發有線通信方面的芯片。隨著寬帶市場的蓬勃興起，億恒適時地推出了10BaseS VDSL套片和ＡＲ2224以太網交換芯片以滿足制造寬帶通信設備的需要。
　　
　　1、10BaseS 是一種用VDSL技術在雙絞線上傳輸以太網幀的芯片組解決方案。
　　　

　　圖1是一個10BaseS 調制解調器的功能框圖，簡稱為10BaseS 物理層。它由數據芯片ＰＥＢ22822、模擬芯片ＰＥＢ22811、放大芯片ＰＥＢ22810和混合線圈無源模塊四部分組成。
　　
　　ＰＥＢ22822是10BaseS 芯片組中最主要的，它可以產生基于QAM的VDSL數字信號。該芯片本身支持以太網通用接口－－－傳輸媒體無關接口（MII）和其派生接口－－簡化的ＭＩＩ（ＲＭＩＩ）與串行的ＭＩＩ（ＳＭＩＩ），可以與一般的以太網物理層芯片或支持標準接口的以太網交換芯片連接。它可以被分別配置為局端和用戶端模式：按局端工作時，ＰＥＢ22822的以太網接口工作在物理層模式，與工作在媒體訪問控制層（MAC）的交換芯片的ＭＩＩ接口相互通信；按用戶端工作時，PEB22822以太網接口工作在MAC模式，與工作在物理層的以太網物理層芯片的ＭＩＩ接口相互通信。芯片內部實現以太網與VDSL數據幀格式的相互轉換，這樣就能使以太網通過VDSL技術在雙絞線上延伸。在控制方面，PEB22822內部集成了一個單片機以實現獨立的操作和監控，而標準軟件由集成電路供給商提供，無須自己編寫。另外也可以通過芯片內部的串行接口由pc進行控制。
　　
　?。疲牛隆?2811是基于ＱＡＭ的ＶＤＳＬ模擬前端，ＶＤＳＬ系統的調制和解調主要由它來完成。芯片內部不同的工作模式以及可調的濾波器可以支持對頻帶參數、ＱＡＭ的星座數與分割因數的靈活配置，從而可以根據各種寬帶接入的要求來選擇不同的上下行數據速率。
　　
　　放大芯片ＰＥＢ22810起線路驅動作用，是在雙絞線上實現高速數據傳送所需的放大電路。以上這三顆芯片相互配合，構成10BaseS 芯片組。10BaseS ＰＨＹ的另一部分是混合線圈無源模塊。模塊中分離濾波器的作用是抑制電話等低頻業務中的高頻諧波，混合線圈實現2線和4線的轉換?；旌暇€圈和傳輸線之間一般還有用于抑制上下行頻帶相互間諧波干擾的高通和低通濾波器。從用戶端來看，因為上行數據使用高頻頻帶而下行數據使用低頻頻帶，所以發送上行數據加高通濾波器，接收下行數據則加低通濾波器。而局端則正相反，發送接口加低通濾波器，接收接口加高濾波器。
　　
　　10BaseS ＰＨＹ是通信設備的核心，它既可以用于局端，為以太網交換芯片增加ＶＤＳＬ接口從而擴展以太網范圍，也可以用于用戶端，設計以以太網接口作為終端接口的ＶＤＳＬ調制解調器，使用非常靈活。
　　
　　2.基于ＡＲ2224的以太網交換機
　　
　?。粒?224的全稱是Ardent2224，是支持網絡治理功能的高端交換芯片，它共有24個10Ｍ/100Ｍ自適應以太網端口，可以和各種多通道以太網物理層芯片或ＰＥＢ22822這樣支持以太網終端接口的芯片通過ＭＩＩ相連接。此外另有2個1000M端口，可用于連接上級高速數據通道，也可連接其它的交換芯片以實現交換機的堆疊。芯片帶有一個32位的通用ＣＰＵ接口和一個串行接口，分別用來連接作為治理平臺的32位嵌入式精簡指令集計算機（ＲＩＳＣ）ＣＰＵ或普通的8051單片機，在它們之上運行或復雜或簡單的軟件，從而實現特定的治理要求。ＡＲ2224還帶有符合ＰＣ100規范的同步ＤＲＡＭ接口和同步ＳＲＡＭ接口，通過這兩個接口擴展外部存儲器可以緩存信息包和ＭＡＣ地址表。另外對于第三節中所提及的治理功能，ＡＲ2224基本上都給予支持。
　　
　　3.整體系統參考設計
　　
　　在智能小區中設計一個采用以太網和ＶＤＳＬ技術的寬帶接入系統是很復雜的，往往要根據不同的業務和環境在技術上做不同的處理。圖2是一個整體系統參考設計方案，實際設計中還需對它進行裁減。
　　　

　　可以看出，交換芯片的24個10Ｍ/100Ｍ自適應以太網端口有8個和8路10BaseS ＰＨＹ芯片組相連，每個端口都可通過ＶＤＳＬ技術在雙絞線上與遠程用戶終端通信。另外16個與2個8通道物理層芯片相連，支持16個10Ｍ/100Ｍ自適應以太網端口。這樣就形成了包括16個本地以太網終端和8個遠程用戶終端的交換式以太網絡。
　　
　　五、系統設計中的幾點說明
　　1.前端混合線圈與濾波器
　　
　　雙絞電話線在一個頻段上只能傳送一個方向的信號。為了雙向通信，上下行信號只能在雙絞線上分處不同的頻段。但調制解調器內部通常只用1個頻率源來提供載波，這使得上下行信號工作在一個頻段，從而必須要2對線（即4線）才行。2/4線轉換的功能要依靠前端混合線圈實現，它和分離器、濾波器一樣都是無源器件，理論上它們都可以由繞制電感線圈或用電容電阻的相應電路來完成。不過，由于ＶＤＳＬ的頻率較高，設計性能理想的電路不是一件輕易的事。一般建議使用第三方廠商專為特定的ＶＤＳＬ芯片組設計的專用模塊，比如英國ＡＰＣ公司為10BaseS 定做的ＡＰＣ77101（分離器）和ＡＰＣ77112，ＡＰＣ77110（高通低通濾波器+混合線圈）。這種方法集成度比較高，性能也有保障，但成稍高。
　　
　　2.交換機治理軟件平臺及其結構
　　
　　全功能以太網交換機的網絡治理軟件需要在32位嵌入式ＲＩＳＣ?。茫校丈线\行，這種ＣＰＵ目前有很多種選擇，比如摩托羅拉的ＭＰＣ860或ＡＲＭ系列，都是很成熟的產品。比較麻煩的是操作系統，以太網交換機的操作系統不僅要求支持ＴＣＰ／ＩＰ協議棧和各種網管功能，而且還要有很強的實時性，并且嵌入式的硬件平臺決定了它不能占用太大的空間，所以自己從零開始研制開發是不現實的。盡管有人提出使用自由軟件linux的實時版，但這種方法的可靠性和安全性都得不到保證，市場上幾乎看不到真正用它做的商業產品?？尚械霓k法是選用一個商業化的成熟產品，圖3以Windriver公司的實時網絡操作系統VxWorks和網管平臺ＴＭＳ為例介紹用這種辦法開發治理軟件的流程。
　　

　　網管平臺ＴＭＳ是利用VxWorks提供的操作系統編程接口開發的，圖3給出的ＴＣＰ／ＩＰ上的治理功能只是ＴＭＳ軟件包的一部分，實際設計時可根據需要增加或減少。用戶也可根據ＴＭＳ提供的應用程序接口（ＡＰＩ）來編寫自己的治理程序。VxWorks下的交換機支持軟件包（ＳＳＰ）是專為各種主流的交換芯片組開發的驅動程序，它把低層功能抽象出來，使用戶無須考慮硬件細節。這種方法使軟件工作大大簡化，保證設計得以順利完成。

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