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超低成本CoC - CPE芯片

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作者:Didi Ivancovsky时间:2007-02-09来源:
背景

用于 FTTP 的 PON

PON 一直以来被认为是成本最低的光纤到驻地的 (Fiber to the Premise, FTTP) 网络体系结构。运营商对 PON 部署的投资预示着新的直接和长期商业机会,可直接为商业和住宅用户提供几乎无限的带宽和全套的应用。PON 技术继续推动成本降低,以实现对新的“三重”业务投资的合理回报,如 10 Mbps 互联网、多语音线路、传统电视和全新丰富体验的 IPTV 与高清晰度电视 (HDTV) 应用,以及其他新兴的创新应用,如交互式游戏和远程学习等。然而,当前 PON CPE 器件的成本必需至少降低 25%,CPE 厂商才能实现公司盈利。
 
成本大幅降低的 GPON 

由于  PON 是无源的,因此接入环路中没有任何有源电子器件。这意味着,与其他光纤接入技术如光纤到路边和节点 (FTTC 和 FTTN) 相比,运营费用大大降低,因为网络元件更少,因此故障点更少。PON 还消除了对成本昂贵的未来工厂升级和增强的需求。

千兆位 PON (GPON) 是一种低成本、高性能的宽带光纤技术,可为 HDTV、VoIP 和 IPTV 等应用提供所需的处理能力。GPON 具有前所未有的高位速率支持(最高可达 2.488 Gbps),同时能够以内在格式和极高效率支持多业务传输,特别是数据和 TDM。2003 年 1 月,ITU-T 批准了 GPON 标准,称为 ITU-T 建议 G.984.1、G.984.2 和 G.984.3。图 1 展示了采用 GPON 的各种 FTTx 实现。

由于 GPON 高线路速率、分流比和高效率,GPON 可实现比其他 PON 技术,如用于 100 Mbps 用户服务的 IEEE 802.3ah EPON 等,节省成本达 40%。另外一项成本降低是通过 ITU 关于 GPON 设备互操作性的倡议实现的。互操作性提供了普遍性,支持大批量、低成本 PON CPE 的制造。

三重GPON 网络图 

                                             图 1 – ‘三重’GPON 网络图

第一代 PON CPE 体系结构

第一代 PON CPE 由许多分立器件组成,导致很大的材料单 (BOM) 和制造成本,如图 2 所示。尽管成本一直都是一个因素,第一代 PON CPE 关心更多的则是‘赢得业务’所需的特性和功能。为了达到 PON CPE 批量生产的目的,IC 和光器件技术厂商们进一步集成通用功能,以降低成本。

    第一代 PON ONT 框图
                                          图 2 – 第一代 PON ONT 框图

光收发器负责实现用户驻地和中心局 (CO) 之间的物理连接。它以 1490 nm 波长接收数据,以 1310 nm 波长发送突发通信。还有一个可选的第三波长, 1550 nm,用于模拟视频广播。 时钟数据恢复 (CDR) 器件接收来自光收发器的串行位流,恢复作为整个 CPE 参考的时钟,并将高速串行流转换到低速并行接口。

媒体存取控制器 (MAC) 负责 PON 系统独特的传输控制协议。PON MAC 控制 PON 突发模式数据传输。突发数据是从距 CO 不同距离的众多家庭中发送出来的。必须使用 CO 中的 OLT(光线路终端器)卡以协同方式接收上行数据,以确保来自每个家庭的数据突发不会相互冲突。下行数据是从 CO 向各个家庭播送,此时 MAC 必须过滤去往每个家庭的数据。CPE 和 CO 之间的通信线路要求在每个家庭有一个 CPE MAC,在中心局有一个 CO MAC(一个对应 64 个家庭)。

ONT 系统芯片 (SoC) 是

负责控制 CPE 和向用户提供数据、语音和 IPTV 业务的器件。该器件集成了控制处理器、数据处理以太网和语音接口。该 SoC 还提供了以太网网桥,以及对 IPTV、OAM&P 和 VoIP 信令的 IGMP 侦听。其中有些器件还集成了额外的数据功能,如增强安全性的 IPSec 、USB 端口和 WiFi 接口。

第二代 PON CPE 体系结构

芯片集成的第一层次已经在当前的宽带 PON (BPON) ONT 中实现。例如,BroadLight XN230 器件将 CDR 和 PON MAC 功能集成到一个单一芯片内。
        当前 BPON ONT
                                                   图 3 – 当前 BPON ONT

当代 PON CPE 体系结构

芯片集成的下一步骤是集成 CDR、PON MAC 和 ONT SoC。这一发展遵循 DSL 和电缆调制解调器等其他接入技术的发展道路。PON 领域的基本区别在于需要高性能处理器的较高包吞吐率。这一阶段做得最好的例子之一就是 BroadLight 公司提供的最新 BL2000 器件。这是一款成本很低的器件,配有一个独特的包处理器,可以通过微码以线速处理包,从而对未来特性提供了很大的灵活性。再加上集成的 CDR、一个可用时用于 BPON 和 GPON 的双 MAC、通用处理器和用户接口,BL2000 为 PON CPE 创立了一种新的芯片集成标准。图 4 显示了当前的 PON CPE 体系结构。
                        下一代 PON ONT 框图
                         图 4 – 下一代PON ONT 框图

未来 PON CPE 体系结构

上面提到的 CPE 体系结构满足了当前的市场需求,与当前技术标准完全兼容。它支持所有特性并具有卓越的性能。当我们考察宽带技术(DSL 和电缆调制解调器)拥有何等相似的发展轨迹时,可以清楚地看到,该技术需要更高级别的 IC 集成、更简单的装配和极低成本的生产工艺。这将使 CPE 厂商能够为市场提供消费得起的产品,同时仍能保持合理的利润。

为了达到这个目标,PON 元件行业需要沿三个方向发展:
1. 光器件成本大幅降低
2. 前端模拟集成
3. 数字部分的高度集成

图 5 展示了未来 PON CPE 的体系结构。
PON CPE 的未来体系结构 
                                          图 5 – PON CPE 的未来体系结构

从散装光器件到 PLC 光器件

三重收发器中目前的波分多路复用 (WDM) 元件是散装光元件。该元件需要人工装配和校准。它包括一个用于 1310 nm 传输的激光二极管和两个用于数字 1490 和模拟 1550 的 PIN 二极管。这三个元件全部被封装在标准的 TO 罐式封装内。在散装光模块的中心有两个分色镜 (Dichroic Mirror),将三个波长分离开。这些分色镜需手动装配和校准,产量很低。

在不久的将来,这种散装光器件将被一种更好的解决方案所取代,这种方案就是双向 (BiDi) 芯片。这是一种自动生产的光 IC,拥有与散装光器件同样的性能,尽管初期良率较低,但它还是比现有收发器便宜。这将大大降低光器件的成本,并将使总的 CPE 成本更容易承受。

BiDi 芯片基于波导技术,这种技术已经成熟并为市场广泛接受。它通过 V 型槽技术,实现了三种波长的高效分离。激光二极管、PIN 二极管和跨阻抗放大器 (TIA)(以其管芯形式)自动装配在衬底上,从而成为一个芯片,而不是旧式的散装模块。 

CoC – CPE 芯片

当前正在进行的一项工作是降低 PON ONT 收发器模拟前端的成本(一种模拟 IC,将把连续限幅放大器与突发模式激光驱动器集成在单个 IC 上)。但这还不够。进一步的集成是必需的——将所有 PON 专门逻辑与处理器和用户接口集成到单个 IC 上。这正是 DSL 和电缆调制解调器技术为大众消费得起的原因。通过这种集成,所有 CPE 硅器件将被集成到一个 IC 中,因此称之为 CPE 芯片 (CoC)。

结论

PON 市场正在开始其预期中的批量,越来越多的系统厂商正在将 PON 技术集成到其现有宽带平台,营运商也正逐渐进行现场试验和部署。 

随着PON CPE 功能的清晰明了,内部元件将迅速发展。BiDi 芯片将允许 PON CPE 厂商免除对收发器的需求,直接与光纤工作。此外,将模拟前端和 PON 控制器集成为 CPE 芯片 (CoC) 还将减少有源元件的数量和减小 ONT 的尺寸。这将加剧生产厂商之间的竞争,提高 PON 解决方案的吸引力。它将实现支付得起的真正的宽带。



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