CN103532619A - 基于fpga构建gpon系统的仿真实现及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，包括如下步骤：a)采用两个FPGA板相连构成一个光网络单元；b)采用两个FPGA板相连构成一个光线路终端；c)采用一个FPGA板构建仿真光网络单元产生到达该节点的来自任何光网络单元的上游流量；d)将步骤a)中的多个光网络单元、步骤b)中的多个光线路终端以及步骤c)中的仿真光网络单元通过单模光纤和无源分光器相连组成GPON系统；d)在光线路终端的输出端设置缓冲器进行下游差异化业务测试。本发明提供的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，能够快速构建GPON系统进行仿真，并且易于调整控制方案，可信度高。

Description

基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法

技术领域

本发明涉及一种GPON系统仿真平台的实现及其控制方法，尤其涉及一种基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法。

背景技术

使用无源光网络(PON)的光纤到家(fibre to the home；FTTH)被看做是最有可能的接入演进方案，用于支持提供给顾客的实时和数据的服务。PON技术的演进方案正在从早期的BPON、EPON系统的部署快速发展成更新型GPON系统的测试，并且朝着长距离GPON方向发展，操作速率和分光比也在增加。大多数PON标准化以及研发检查将注意力集中在PON的上游操作所需要的动态带宽分配(DBA)上，例如由Angelopoulos等人所报道。但是，下游服务(诸如IPTV)被看做是关键服务之一，而在此领域的业务建模和实验工作却是有限的。

实际组网前需要提供一种方法来检查PON协议，该方法现实可行并且可以随着技术演进而快速更新，允许协议设计快速地从设计成为实施方案。此外，对于将模拟作为测试新的电信概念的方法，新近已经存在一些批评。这些批评中的一些针对的是方法的不佳(或有限)；但是，还存在一个总体可信度问题。因此，需要提供一种构建GPON系统的仿真实现及控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，能够快速构建GPON系统进行仿真，并且易于调整控制方案，可信度高。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，包括如下步骤：a)采用两个FPGA板相连构成一个光网络单元；b)采用两个FPGA板相连构成一个光线路终端；c)采用一个FPGA板构建仿真光网络单元，所述仿真光网络单元仿真产生到达该节点的来自任何光网络单元的上游流量；d)将步骤a)中的多个光网络单元、步骤b)中的多个光线路终端以及步骤c)中的仿真光网络单元通过单模光纤和无源分光器相连组成GPON系统，所述光网络单元通过以太网交换机和客户端相连，位于上游链路的光线路终端和内容服务器、重新配置存储库相连；d)在光线路终端的输出端设置缓冲器进行下游差异化业务测试。

上述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其中，所述光网络单元、光线路终端和仿真光网络单元提供可编程的逻辑模块对计算资源进行重新配置并通过高速收发机相互连接。

上述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其中，所述光网络单元、光线路终端和仿真光网络单元对计算资源重新配置过程如下：接收来自以太网的数据，执行时钟数据恢复和帧定位将位与位元组/字边界相对准；利用数据分类器剖析接收的数据并且根据不同的策略进行分类，然后将经过分类的数据存储到各个缓冲器中；对各个缓冲器中的分类数据根据定制的逻辑模块执行用户数据的处理，包括封装/解封装、维护有限状态机、所接收数据的恢复、流量定形、缓冲器优先权排列以及用户协议处理；经定制的逻辑模块处理后的数据经由网络接口转发至终端用户。

上述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其中，所述两个FPGA板之间的数据传输速率为1.24吉比特/秒。

上述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其中，所述下游差异化业务包括实时视频业务和背景业务，所述实时视频业务的优先级高于背景业务的优先级。

上述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其中，所述GPON系统以平均7Mb/s数据速率的视频流朝下游方向的光网络单元发送测试业务；高于所允许的峰值速度的测试业务将在缓冲器中被延迟，直至更多的令牌到达，当缓冲器的大小达到预设阈值时，维持高优先权的实时视频业务，抛弃低优先权的背景业务。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，通过采用两个FPGA板相连分别构成光网络单元和光线路终端，进而通过单模光纤和无源分光器相连组成GPON系统，从而能够快速构建GPON系统进行仿真，并且易于调整控制方案，可信度高。

附图说明

图1为本发明基于FPGA构建GPON系统的架构示意图；

图2为本发明基于FPGA构建仿真光网络单元的功能方块示意图；

图3为本发明基于FPGA构建GPON系统的仿真控制流程示意图；

图4为本发明对于不同的OLT输出缓冲器大小以及优先权方案的应用包损失比较示意图；

图5为本发明对于不同的OLT输出缓冲器大小的流传输的视频业务的最大抖动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明基于FPGA构建GPON系统的架构示意图；图2为本发明基于FPGA构建仿真光网络单元的功能方块示意图；图3为本发明基于FPGA构建GPON系统的仿真控制流程示意图。

请参见图1、图2和图3，本发明提供的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法包括如下步骤：

步骤S1：开发基于FPGA的光网络单元。

步骤S2：开发基于FPGA的光线路终端。

步骤S3：采用一个FPGA板构建仿真光网络单元，所述仿真光网络单元仿真产生到达该节点的来自任何光网络单元的上游流量。

步骤S4：将步骤S1)中的多个光网络单元、步骤S2)中的多个光线路终端以及步骤S3中的仿真光网络单元通过单模光纤和无源分光器相连组成GPON系统，所述光网络单元通过以太网交换机和客户端相连，位于上游链路的光线路终端和内容服务器、重新配置存储库相连；为了具有实际的PON网络试验台，需要一定数量的ONU/ONT来将上游流量馈给到光线路终端(OLT)。但是，在给定所有ONU/ONT的功能相同的情况下，针对每一个ONU/ONT使用专门的FPGA开发板是十分昂贵且不合理的。因此，本发明使用一个FPGA开发板来仿真到达该OLT的任何其他ONU/ONT上游流量。所述ONU/ONT经由以太网交换器连接至许多以太网客户端来汇总被发送到该上游OLT的数据。以此同时，所述ONU/ONT将下游功能提供到以太网客户端。所述仿真ONU/ONT未连接至任何实际的以太网客户端，而是仿真背景上游流量，并且接收任何来自OLT的下游流量；当所述高速收发机接收正常用户数据(不是来自重新配置存储库的重新配置文件)时，其会通过预设方式将该数据转发到该可重新配置的计算资源，然后经由该高速收发机发射至下游ONU/ONT。当该高速收发机接收该数据时，其需要先执行CDR来准确地将位与位元组/字边界相对准，然后才能将它们存储在该可重新配置的计算资源中以供进一步的定制处理。在CDR之后，数据在可重新配置的计算资源中进行处理，包括履行整个协议并完成必要处理的任何用户逻辑功能。关于此的一个类似实施例是独立FPGA或部分FPGA组构。它是可重新配置的，并不仅仅是让微处理器执行一个不同的程序。它执行用户数据的处理，即封装/解封装、维护该FSM、所接收数据的恢复、流量定形、缓冲器优先权排列、用户协议处理以及许多其他任务。然后，经处理的数据经由任何网络接口转发至终端用户，如图2中的以太网接口。

重新配置计算资源(RCR)在本发明的GPON试验台中起到重要作用，具体配置计算过程如下：

当来自以太网的数据被接收到时，其被发送到以太网-GPON桥，该以太网-GPON桥包括一个不对称同步FIFO(来将数据宽度从8转换到10)以及另一个不对称不同步FIFO(来将数据宽度从10转换到40，GPON系统数据宽度)。以太网MAC在不同于GPON用户时钟(CLK2)的时钟域(CLK1)下运作，因而来为两个子系统提供灵活性并在在不影响对方的前提下达成各自的最大时钟频率。该GPON系统数据宽度为40位，这是RocketIO所能支持的最大宽度。该数据分类器剖析该数据并且根据不同的策略进行分类，然后将经过分类的数据存储到各个缓冲器中。该数据调度器使用调度算法来做出从哪一缓冲器来获取数据的决策。然后来自该数据调度器的数据穿过另一缓冲器并且与此同时中断该GPON封装器。在做出响应之后，该GPON封装器在下一级产生被扰码的GPON帧(除了Psync栏位之外)，然后该GPON帧最终被发送至该高速收发机。

以上为在OLT和ONU/ONT处从以太网到该GPON的数据流。下面描述从该GPON到该以太网的数据流。当该GPON帧在该高速收发机处被接收到时，该数据被解序列化。然而，为了正确地解读该数据，字边界需要是已知的，即字对准。然后，该数据由弹性缓冲器进行帧定位、解扰以及其余的CDR功能。然后，该GPON帧在该GPON解封装器中进行处理。最终，通过该GPON-以太网桥，解封装的数据被发送到以太网MAC。

为了达成最大通量，该试验台在以太网-GPON桥、GPON以太网桥、数据分类器、数据调度器、GPON封装/解封装器、解扰/扰码器以及许多其他设备中密集地部署了流水线和并行的运算。尽管该通量被最大化，但是实施复杂性不仅对于该试验台而言是个大挑战，并且对于生产商用PON产品的行业来说难度也不小。

CDR(时钟数据恢复)和帧定位的具体过程如下：

在帧定位之后(在帧的开始处所找到)，所接收的数据通过解扰器(Psync未被扰码)。在此级处，该数据仍不能得到正确地解封装。由于抖动和歪斜所导致的不对准，必需部署作为CDR功能一部分的弹性缓冲器。该弹性缓冲器越过两个时钟域，即从写入时钟到恢复时钟以及从读取时钟到用户时钟(CLK2)。当写入时钟(CLK3)快于读取时钟(CLK2)时，弹性缓冲器将会扩展。为了避免溢流，当弹性缓冲器的完整性高于阈值时，一些特殊的无用的数据不得不掉出。当不存在实际数据供发送时，在与Psync值相同的空闲数据被发送以维持帧同步化时，这种数据移除起来是安全的。然而，并非所有的空闲数据可以安全地掉出，因为其必须是至少4个连续段的空闲数据。另一方面，当写入时钟(CLK3)慢于读取时钟(CLK2)时，该弹性缓冲器会收缩。为了避免溢流，当弹性缓冲器的完整性低于阈值时，相同的空闲数据必须插入到该弹性缓冲器中。在该弹性缓冲器之后，所接收的数据中由抖动和歪斜所导致的不对准被完全移除且易于解封装。

数据分类具体过程如下：

在路由器中将包分类成流的过程被称作数据分类，参见文献：Y.-K.Chang，“Efficient Multidimensional Packet Classification with Fast Updates，”IEEETransactions on Computers，vol.58，pp.463-479，April2009。传统上，属于同一流的所有包遵循预定义的规则并且以相似的方式由路由器处理。现今，随着网络的发展，出现的应用和服务需要新的策略。例如，服务提供商可以发展出新的定价方案，该方案需要硬件流量定形并且需要改变数据分类。因而，快速的网络演进需要可扩充的、动态可重新配置的包剖析器。然而，以下由P.Gupta等人做出的判断一直正确——对于“非尽力而为”服务需要数据分类，例如诸如防火墙和QoS，来提供差异化的服务，参见文献：P.-C.Wang，C.-T.Chan，C.-L.Lee，and H.-Y.Chang，“Scalable Packet Classification for Enabling Internet DifferentiatedServices，”IEEE Transactions on Multimedia，vol.8，pp.1239-1249，Dec.2006。对于需要在不同的流中区分和隔离流量以供适宜处理的服务需要数据分类，以过滤和处理新的NE定义数据以供动态的重新配置，参见文献：P.Gupta and N.McKeown，“Algorithms for Packet Classification，”IEEE Network，vol.15，no.2，pp.24-32，2001。在此不再一一赘述。

数据分类器在所有层上剖析数据，以提供灵活性和容量来实现应用感知的面向服务的控制。它根据动态策略在各个层和组合层上剖析数据，即链路层、网络层、传输层、服务层以及应用层。归功于可编程逻辑的动态可重新配置能力，它具有完美的可扩充性并且可以支持对于新服务的新策略的应用。这是对于以下的可调适的、智能的、可重新配置的网络控制和管理的先决条件。并且它原生地实现面向服务和应用的应用。因此，在数据分类器之后，流量被分解到不同的转发类别中。根据不同的分类策略即分类器，例如VoIP流量被存储到第一伫列中，VoD流量被存储到第二伫列中，以此类推，各种数据可以存储到数据调度器中的不同缓冲器中。然后，如J.Gallardo等人所指出，该伫列调度算法确定从每一伫列转发包的速率、资源到各个伫列以及对应流的分配，参见文献J.Gallardo，D.Makrakis，and M.Angulo，“Dynamic Resource Management Considering the Real Behavior ofAggregate Traffic，”IEEE Transactions on Multimedia，vol.3，no.2，pp.177-185，2001。

步骤S5：在光线路终端的输出端设置缓冲器进行下游差异化业务测试；所述下游差异化业务包括实时视频业务和背景业务，所述实时视频业务的优先级高于背景业务的优先级。

本发明提供的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，使用Handel-C来提供从MAC协议设计到FPGA硬件描述的快速路线。这就允许用于协议实施的设计的类似于C的方法，该方法密切地匹配通常为概念协议设计的模拟及证明所执行的工作。使用了两个FPGA板，相互电连接，使用了1.24吉比特/秒的数据速率来进行“PON”MAC仿真(除了数据速率之外，物理层未被仿真)。由于仅连接了两个板，该系统物理地仿真了一个单个ONU(光网络单元)以及OLT(光线路终端，optical linetermination)。但是，该OLT使用虚设帧(dummy frame)仿真的是到达其他虚拟ONU的业务，因此单个ONU提供了用于系统测量的一个点，但是并没有限制仿真的规模，假设逻辑分光比为128。

具体来说，下游服务差异化是通过在OLT的输出端缓冲器处应用的分类器(classifier)来提供的。对于这些实验来说，会应用简单的双优先权分类，高优先权应用给实时视频服务，而低优先权应用给所有其他业务，这些业务是使用TCP流控制的多个并行数据连接。该仿真器的两个边缘供应了100Mb/s以太网客户端接口以允许测试业务(视频及背景)在OLT与ONU之间发送。根据一个假定的服务级别协定，对于一个ONU，假设将基于单个应用(或以太网客户端)的最大速率限制为68Mb/s。在下游方向处的其他PON帧仿真的是到达虚拟ONU的业务。高于所允许的峰值速度的业务将在缓冲器中被延迟，直至更多的令牌到达。因此，尽管更多的包在缓冲器中被延迟，缓冲器的饱和性(fullness)将达到近乎整个阈值(被定义为仅可以再接受一个以太网帧的点)。越过此阈值之后，仿真系统将维持高优先权服务，但是会抛弃低优先权服务。数个缓冲器大小被测试，接下来的章节描述了来自一些此类测试的结果。与一些开关/路由器缓冲器优先权方案相比，这显然是一个简单的算法，但是却发现很适宜于所测试的服务。与分类系统一样，可以实施更复杂的缓冲器系统，在此不再一一赘述。

未来的网络有可能具有整合的城域网和接入网。在这种网络聚合方法下，需要网络支持来自许多不同应用的流量，诸如网页浏览、网络存储、P2P、虚拟私人网络(VPN)，以及诸如视频广播、视频会议、VoIP以及E-医疗的应用等新应用。前述应用对于QoS的基本要求为带宽、误码率、延迟以及抖动。延迟指的是使一个数据位在一个方向上越过该网络所需的时间，同时抖动指的是时间上的变化。许多应用对于延迟和抖动并不敏感，但是对于带宽和错误率是敏感的。例如，网络存储和P2P。如果它们能在一定时间段内成功地发射一定量的数据，则应用被满足。延迟/抖动敏感应用的典型实例为视频广播、视频会议和VoIP。它们需要更为严格的网络QoS，并且因此延迟和抖动在评价网络和NE时总是能成为标准。上述各种服务类型QoS的应用要求如下：

本发明最大延时损失和最大抖动仿真结果如下：平均7Mb/s数据速率的视频流被朝下游方向发送到单个目标ONU以允许进行这种敏感的实时服务的测试。背景业务会在两个部分中仿真：其他(虚拟)ONU通过所发送的闲置帧来仿真，与128的分光比成比例；发送到实际ONU的其他业务通过发送到目标ONU的TCP/IP业务流来仿真。在实践中，发现，在不存在缓冲器优先权方案系统的情况下，下游的视频业务明显地被背景TCP/IP业务所干扰。背景业务对视频的影响的目标测量图示于图4中，曲线1不具有缓冲器优先权方案，曲线2具有缓冲器优先权方案。应注意，缓冲器大小为适中的，因为需要通过延迟来限制(来满足端至端实时服务请求)，此外此缓冲器仅与一个ONU相关并且如果对于整个PON系统使用一个被共用的缓冲器的话，该缓冲器将会更大。如果存在608X4字节的最小缓冲器大小并且不存在任何优先权方案，包损失就会太高。但是，该优先权方案系统递送的是适宜的低包损失，使得被动的降级(subjeetive degradation)是可以被忽略的。对于不具有优先权方案的系统来说，缓冲器大小必须可观地增大(至4094X4字节)以达成相当的损失率。但是，应注意，如果背景业务需求增大(数目增大的相互竞争的流控制的TCP业务)，那么该问题仍会出现并且仍需要优先权方案(或进一步增大的缓冲器大小)。

图5所示为在视频业务中的最大抖动(包延迟变化)，曲线1具有缓冲器优先权方案，曲线2不具有缓冲器优先权方案。对于实时服务来说重要的是该抖动不会增加地过高。并且此项工作展示出所实施的方案的适中的贡献(抖动预算通常大约为50ms)。但是，应强调，通过使用此处所提出的排列了优先权的缓冲器管理方案，与不使用优先权方案的系统相比，缓冲器大小(以及抖动)可以减小。

由上可见，作为系统检查的方法来说，仿真相对于模拟具有一些强大的优势。具体来说，本发明通过使用在FPGA平台设计方法中的新近进展，可以灵活地改变实验平台，而不会像传统FPGA/电子设计方法那样存在过度的延迟。该平台已经被用来展示下游服务差异化对于在PON上递送的实时服务来说是重要的。结果显示，通过使用简单的优先权方案，可以仅通过极适中的缓冲器大小来递送低的包损失来进行实时服务。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)采用两个FPGA板相连构成一个光网络单元；

b)采用两个FPGA板相连构成一个光线路终端；

c)采用一个FPGA板构建仿真光网络单元，所述仿真光网络单元仿真产生到达该节点的来自任何光网络单元的上游流量；

d)将步骤a)中的多个光网络单元、步骤b)中的多个光线路终端以及步骤c)中的仿真光网络单元通过单模光纤和无源分光器相连组成GPON系统，所述光网络单元通过以太网交换机和客户端相连，位于上游链路的光线路终端和内容服务器、重新配置存储库相连；

e)在光线路终端的输出端设置缓冲器进行下游差异化业务测试。

2.如权利要求1所述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，所述光网络单元、光线路终端和仿真光网络单元提供可编程的逻辑模块对计算资源进行重新配置并通过高速收发机相互连接。

3.如权利要求2所述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，所述光网络单元、光线路终端和仿真光网络单元对计算资源重新配置过程如下：

接收来自以太网的数据，执行时钟数据恢复和帧定位将位与位元组/字边界相对准；

利用数据分类器剖析接收的数据并且根据不同的策略进行分类，然后将经过分类的数据存储到各个缓冲器中；

对各个缓冲器中的分类数据根据定制的逻辑模块执行用户数据的处理，包括封装/解封装、维护有限状态机、所接收数据的恢复、流量定形、缓冲器优先权排列以及用户协议处理；

经定制的逻辑模块处理后的数据经由网络接口转发至终端用户。

4.如权利要求1所述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，所述两个FPGA板之间的数据传输速率为1.24吉比特/秒。

5.如权利要求1所述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，所述下游差异化业务包括实时视频业务和背景业务，所述实时视频业务的优先级高于背景业务的优先级。

6.如权利要求5所述的基于FPGA构建GPON系统的仿真实现及控制方法，其特征在于，所述GPON系统以平均7Mb/s数据速率的视频流朝下游方向的光网络单元发送测试业务；高于所允许的峰值速度的测试业务将在缓冲器中被延迟，直至更多的令牌到达，当缓冲器的大小达到预设阈值时，维持高优先权的实时视频业务，抛弃低优先权的背景业务。

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