CN103491461A - 基于千兆无源光网络的中心节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤网络通信技术领域，提供了一种基于千兆无源光网络的中心节点装置，包括电源模块、中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块，所述电源模块分别与所述中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块电连接，为其提供电能，所述中心节点高速物理层模块与所述中心节点MAC层模块通信连接，所述光电转换模块与所述中心节点高速物理层模块通信连接，所述光电转换模块通过光纤连接接入节点。通过本发明使千兆以太网兼容性好的特点和光纤网络带宽大、不受外界电磁环境干扰的优势。

Description

基于千兆无源光网络的中心节点装置

技术领域

本发明涉及光纤网络通信技术领域，具体地，涉及一种基于千兆无源光网络的中心节点装置。

背景技术

在各种工业现场以及车载系统中，包含大量的图像、信号传输，比如CCD图像系统、雷达、GPS导航等，这些设备间的数据还要进行共享、交换和转换，这就要求快速构建一个基于以太网的无源光纤网络。而现有应用于工业现场和车载系统的无线网络都是借用于主干网络技术，其网络的不仅带宽窄，而且容易受外界信号干扰，在工业现场和车载系统中，工况恶劣，使现场网络工作很不稳定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于千兆无源光网络的中心节点装置，在车内构建一个快速高效的具有以太网特性的无源光纤网络。

根据本发明的一个方面，提供一种基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征是，包括电源模块、中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块，所述电源模块分别与所述中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块电连接，为其提供电能，所述中心节点高速物理层模块与所述中心节点MAC层模块通信连接，所述光电转换模块与所述中心节点MAC层模块通信连接，所述光电转换模块通过光纤连接接入节点。

优选地，所述中心节点高速物理层模块包括数据发送单元、数据接收单元和突发数据恢复单元，所述中心节点高速物理层模块提供标准的GMII接口与MAC层模块互联。

优选地，所述中心节点MAC层模块包括时隙管理单元、帧解析单元、数据发送单元和数据接收单元。

优选地，所述光电转换模块包括接入点光电转换单元和输出点电光转换单元，光电转换模块将从接入节点接收上来的光信号通过所述接入点光电转换单元转为电信号，并通过所述中心节点高速物理层模块处理送往中心节点MAC层模块；光电转换模块将所述中心节点MAC层模块和所述中心节点高速物理层模块发送过来的电信号通过所述输出点电光转换单元转换为光信号，并发往光网络接入节点。

优选地，所述光电转换模块接收光信号的方式是突发性接收，所述光电转换模块发射光信号是连续性发射。

优选地，其特征在于，中心节点MAC层模块采用EP3C40F324芯片的FPGA逻辑电路模块。

优选地，其特征在于，所述中心节点高速物理层模块采用型号为TLK2541的电路模块。

优选地，其特征在于，所述光电转换模块采用型号为LTE4302的光电模块。

优选地，其特征在于，所述中心节点装置采用单纤双向通信模式，接收波长为1310nm，发送波长为1490nm。

优选地，所述中心节点装置还包括辅助模块，所述辅助模块包括FPGA的配置单元和时钟源，所述中心节点MAC层模块的运行速度是125MHz，所述光电转换模块连接的高速差分信号运行速度是1.25GHz。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）千兆以太网兼容性好的特点和光纤网络带宽大、不受外界电磁环境干扰的优势；

（2）采用了FPGA实现网络的逻辑链路层协议，通过光突发传输技术结合高速物理层串行芯片提高了网络传输实时性；

（3）整体架构简单，可以在工业现场快速构建一个光纤网络。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的中心节点装置模块示意图；

图2为本发明的中心节点装置的逻辑结构图；

图3为本发明的网络整体结构图；

图4为本发明的中心节点数据通信流程图；

图5为本发明的中心节点网络管理流程图；

图6为本发明的光纤网络数据帧格式示意图；

图7为本发明的光纤网络控制帧格式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见附图1，基于千兆无源光网络的中心节点装置包括电源模块、中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块，电源模块分别与中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块电连接，为其提供电能，中心节点高速物理层模块与中心节点MAC层模块通信连接，光电转换模块与中心节点高速物理层模块通信连接，光电转换模块通过光纤连接接入节点。中心节点高速物理层模块包括数据发送单元、数据接收单元和突发数据恢复单元，中心节点高速物理层模块提供标准的GMII接口与MAC层模块互联。中心节点MAC层模块包括时隙管理单元、帧解析单元、数据发送单元和数据接收单元。光电转换模块包括接入点光电转换单元和输出点电光转换单元，光电转换模块将从接入节点接收上来的光信号通过接入点光电转换单元转为电信号，并经过中心节点高速物理层模块处理送往中心节点MAC层模块；光电转换模块将中心节点MAC层模块和中心节点高速物理层模块发送过来的电信号通过输出点电光转换单元转换为光信号，并发往光网接入节点。光电转换模块接收光信号的方式是突发性接收，光电转换模块发射光信号是连续性发射。中心节点MAC层模块采用EP3C40F324芯片的FPGA逻辑电路模块。中心节点高速物理层模块采用型号为TLK2541的电路模块。光电转换模块采用型号为LTE4302的光电模块。中心节点装置采用单纤双向通信模式，接收波长为1310nm，发送波长为1490nm。中心节点装置还包括辅助模块，辅助模块包括FPGA的配置单元和时钟源，中心节点MAC层模块的运行速度是125MHz，光电转换模块连接的高速差分信号运行速度是1.25GHz。

中心节点的MAC层完成了时隙管理功能、帧解析功能、数据发送和接收功能，发送接收缓存的功能。本发明采用Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C40F324。FPGA提供1.2V2.5V和3.3V的电压，运行时钟源为125MHz，支持LVDS差分电平和LVTTL电平。

中心节点物理层主要分为三大模块：数据发送、数据接收和突发数据恢复，通过TLK2541高速物理层电路实现。在上行方向上，中心节点光接收模块将从接入节点接收到的突发信号进行光电转换和LVPECL电平转换后，经过突发同步锁定、高速串并转换、光纤线路解码输出8比特数据信号和1比特控制信号，送入FPGA内部的物理层数据接收模块。FPGA去除物理层的帧头帧尾提取MAC层有效信息。在发送方向上从FPGA输出的并行比特流，经过光纤线路编码、高速并串转换以及LVPECL电平转换后经中心节点光电转换模块调制到下行波长上发送。

光电转换模块负责将从接入节点接收上来的光信号转为电信号，送往FPGA进行处理；将从FPGA发送过来的电信号转换为光信号，发往接入接点光网。本发明采用LTE4302模块。LTE4302是一种高速的光收发器，光电转换速率可达1250Mb/s，支持突发接收和连续发送，同时具有动态增益调整功能，采用单纤双向通信模式，接收波长1310nm，发送波长1490nm。

下面对本发明进行更详尽地说明，从车载环境出发，针对车辆内部的各类传感器控制信号为各类业务，主要业务接口是车载CAN接口，设计了具有实时交换功能的车载以太网无源光网络。中心节点装置是千兆无源光网络的核心。

中心节点装置是整个网络的核心部分，其主要功能是对接入节点的数据进行存储解析和转发，并计算整个网络的时隙窗口，同时对整个网络进行管理和监控，中心节点将从接入节点接收下来的数据通过下行波长转发，并通过光分配网络广播给各个接入节点，同时也将分配的时隙信息也转发给各个接入节点。中心节点装置包括：网络中心节点MAC模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块。

参见附图2，中心节点MAC层的核心模块在FPGA内部逻辑电路实现，采用EP3C40F324的FPGA电路，负责实现中心节点的MAC和物理层数据的打包和解析功能，为中心节点的MAC提供可靠的数据传输，支持突发数据接收和连续数据的发送。中心节点MAC内部包括GMII发送接收逻辑电路、MAC数据接收缓存逻辑电路、帧解析逻辑电路、时隙管理逻辑电路、MAC数据发送逻辑电路。其中GMII发送接收逻辑电路用于连接中心节点高速物理层模块，输入输出有效MAC数据。帧解析逻辑电路用于提取每一个帧的节点ID信息、时间戳信息和帧类型信息，通过判断生成对应控制信号输入时隙管理逻辑电路。时隙管理逻辑电路读取帧的地址信息，类型信息并根据内部状态机完成节点查找、初始时隙窗口计算、网络启动、正常通信以及网络管理，并在每一轮通信周期中计算每一帧的达到时隙，完成协调各个接入节点时分复用上传数据的时间窗口计算。

快速物理层需要完成接收时钟快速同步、数据的串并/并串转换以及8B10B光纤线路编码，并为MAC层的连接提供了GMII接口。本发明采用TLK2541模块，内部包含了8B10B编码，设置模式在1.25Gbps，在1.25Gbps模式和8B10B编解码作用下，TLK2541提供8bits数据端口和1bit控制端口的输入，最终生成10比特高速串行码流发送出去。在接收端通过8B10B解码还原出原始的8比特数据和1比特的状态位，快速物理层模块通过锁相环快速同步接收数据。

光电转换模块采用光模块LTE4302，光电转换模块与接入节点相连，负责将接入节点接收上来的光信号转为电信号，送往FPGA进行处理，将从FPGA发送过来的电信号转换为光信号，发往接入节点光网。正常通信时的工作方式：接收信号时，为突发的接收，即检测到光信号才开始数据的接收，在期间完成光信号的动态增益调整；发送信号时，为连续的发送，即正常工作后激光器一直为开启状态。采用单纤双向通信模式，接收波长为1310nm，发送波长为1490nm。

供电模块，提供其他各模块正常工作的电压和功率，其中FPGA提供1.2V2.5V和3.3V，TLK2541提供2.5V，光模块提供3.3V。

辅助模块包括FPGA的配置模块、时钟源等。配置模块提供FPGA硬件配置以及调试，时钟源给FPGA提供工作时钟。整个MAC模块逻辑电路运行在125MHz，与光电转换模块连接的高速差分线运行在1.25GHz。

参见附图3，整个结构采用星型的形式搭建，重要组成包括中心节点、接入节点、光分路器这三大环节。其中中心节点是整个网络的核心，负责整个网络的节点查找，节点的初始化和授权时隙窗口的分配，以及数据的存储转发，并对接入节点的管理和维护职责。

在下行数据传输中，采用了广播的方式，下行数据将通过共享的光纤信道达到每一个接入节点，这些下行的数据包可能是广播包、组播包或者是单播接收包。中心节点发送下行的数据帧中包含了目的地址信息、时隙信息和用户数据信息。远端的接入节点解析数据包的目的地址，滤除不相干的数据，接收自己需要的数据包。

在上行数据传输中，采用时分复用的方式，中心节点为每一个接入节点分配各自的时隙进行数据的上传，这样就可以对上行的信道进行复用，同时避免各节点上的数据传输的冲突。

参见附图4、5，在网络初始化阶段，网络首先要去探测在线的接入节点。通过发送GATE帧给各个接入节点，在线节点通过回复REPORT帧完成应答和注册，同时中心节点计算与接入节点的时间差信息存在时间戳RAM中，等到所有的接入节点探寻完成后，生成网络启动帧(START帧)，随带各个接入节点的时间调整信息下行广播发送。开启计时器等待发送时隙的到来，至此网络进入数据通信阶段。

在数据通信阶段，分为两大部分的时隙，TDM时隙和OAM时隙。当时间处于TDM时隙的时候依次接收各个接入节点的数据帧，更新Timestamp，存入发送缓存下行转发数据。在OAM时隙段，OLT判断节点是否在线，如未在线发送节点查询帧(REG_OPEN帧)，等待远端接入节点回复请求加入帧(REG_REQ帧)，最后OLT计算时隙通过回复确认帧(REG_ACK帧)告知接入节点，完成新节点的接入。如节点在线OLT传输统计管理帧和配置管理帧对接入节点进行实时网络监控管理。网络数据帧格式参见附图6，网络控制帧格式参见附图7。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，包括电源模块、中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块，所述电源模块分别与所述中心节点MAC层模块、中心节点高速物理层模块以及光电转换模块电连接，为其提供电能，所述中心节点高速物理层模块与所述中心节点MAC层模块通信连接，所述光电转换模块与所述中心节点高速物理层模块通信连接，所述光电转换模块通过光纤连接接入节点。

2.根据权利要求1所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述中心节点高速物理层模块包括数据发送单元、数据接收单元和突发数据恢复单元，所述中心节点高速物理层模块提供标准的GMII接口与MAC层模块互联。

3.根据权利要求1所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述中心节点MAC层模块包括时隙管理单元、帧解析单元、数据发送单元和数据接收单元。

4.根据权利要求1所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述光电转换模块包括输入点光电转换单元和输出点电光转换单元，光电转换模块将从接入节点接收上来的光信号通过所述接入点光电转换单元转为电信号，经过所述中心节点高速物理层模块处理，并送往中心节点MAC模块；光电转换模块将所述中心节点MAC层模块和所述中心节点高速物理层模块的发送过来的电信号通过所述输出点电光转换单元转换为光信号，并发往接点光网。

5.根据权利要求4所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述光电转换模块接收光信号的方式是突发性接收，所述光电转换模块发射光信号是连续性发射。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，中心节点MAC层模块采用EP3C40F324芯片的FPGA逻辑电路模块。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述中心节点高速物理层模块采用型号为TLK2541的电路模块。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述光电转换模块采用型号为LTE4302的光电模块。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述中心节点装置采用单纤双向通信模式，接收波长为1310nm，发送波长为1490nm。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的基于千兆无源光网络的中心节点装置，其特征在于，所述中心节点装置还包括辅助模块，所述辅助模块包括FPGA的配置单元和时钟源，所述中心节点MAC层模块的运行速度是125MHz，所述光电转换模块连接的高速差分信号运行速度是1.25GHz。

Images