千兆位串行化/解串化器(Serdes)：无源光网络(PON)问题的关键部分

作者：Atul Patel，德州仪器

诸如高清电视、个人视频播放器、网络游戏、IP技术以及视频电子邮件控制台等消费或面向商务的电子产品最近所碰到的问题是消费者所有目共睹的，且不可忽视。支持此类设备使用的关键在于更大的网络带宽。如今，全球的消费者正快速的在其居家及工作场所普及带宽占用型(bandwidth-hogging)的电子设备，并需要一定的容量以实现有效的利用。服务供应商及内容所有者希望能提供符合要求的服务，特别是当此类服务在各自的行业上呈现出真正的增长之时。

阻碍了服务提供商及内容所有者以至于无法满足需求大带宽带宽(bandwidth hungry)的消费者的主要原因在于老旧的、连通了当今的消费者至通信网络的铜导线通信链路。业已存在的，一般用于链接消费者及商务用户至因特网及通信网络的铜导线基础设施已经达到了一定的上限，在同时服务于数个用户时，此类设施无法提供消费者所需的、全部的新型大带宽(bandwidth intersive)应用。

诸如xDSL的技术及其缆线在因特网发展初期能为铜导线网络提供所需的大带宽。而今，随着消费者对带宽需求的增长，诸如IP-TV及IP技术等应用，铜导线网络将无法完全地为此类应用提供满足其需求的带宽。而随着因特网使用者越来越普遍，带宽状况也进一步的恶化。相对于一般的用户量来说，当网络使用者超出了一定的额度，将有可能挤掉部分电话及电视的用户。对于互联的电脑、电视机电话来说，尤其如此。

结果是服务提供商及内容所有者无法提供其客户所需的、产生回报(revenue-generating)的服务。从消费者角度来说，则正在购买需求更大带宽的电子设备以及其投资的无法完全利用之间犹豫不决。正如你所看到的，带宽问题贯穿了消费电子、计算机系统、服务提供商及内容（娱乐）等领域。

可行的解决方案

近期浮出水面的，有可能解决此类带宽问题的解决方案即是无源光网络(PON)技术。PON是大带宽的光学端链接多点式数据接入的技术，可采用无源光学元件支持数据通信，例如分路器(splitter)及波分多路复用器(WDM)。

PON系统的典型组成包括了光学线路终端单元(OLT)，将连接至客户（消费者）所在地的多个光学网络终端单元(ONT)。典型情况下，单个OLT可支持高达32-64个ONT。

PON技术已经存在了一定的时间，但直至近几年才由于新技术的浮现使得PON足够经济高效以实现广泛应用。从服务提供商方面来说，PON可高效的支持光纤用户，取决于PON实现的方式，其单条源自处理中心(central office)的线路将可服务于32-64个客户。上述方式在设备及光纤的安置开支方面实现了较低的每客户成本。

此外，无源元件需要较少的维护，且具有较低的故障率。类似的种种原因促成了可接受的PON网络实现成本。由于具备了可接受的实现成本，并为客户提供了足够大量的带宽，服务供应商正考虑把PON作为可能的替换技术，以替换目前所使用的铜导线网络。

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PON的方式

用于实现PON的技术经过了若干年的发展，可供给不同的市场领域，并促进了技术的发展和推陈出新。目前主要有三种PON实现方式：广播式PON(BPON)、以太网PON(EPON)、千兆位PON(GPON)——每一方式均具有其显著的优势及不足。

BPON在其数据传输层采用了自动化传输服务(ATM)，主要倾向于早期的、已使用ATM的基础设施。BPON基于ITU-T G.983标准。此类PON支持非均衡的数据率——622mbps下行及155mbps上行。BPON可在每条OLT链路上支持高达64个客户，支持范围长达20km。BPON的部分优势包括了全服务局域网(FSAN)兼容性、流量管理能力以及对服务质量(QoS)的支持。

BPON的一个缺点在于需要三个光学波长：语音及数据的下行波长、视频的下行波长、语音及数据的上行波长。但与其它类型的PON方式相比，BPON在实现上具有更大的成本优势。

EPON使用以太网作为数据传输层，兼容IEEE802.3ah标准。EPON可支持高达1.25Gbps的均衡数据率。以太网兼容性以及对开关数字视频(switched digital video)的支持使得EPON成为了开发新领域的优先选择，适用于较少或没有早期基础设施的场合。EPON允许32个时隙（time slot，即每OLT支持32个ONT），支持典型的链路范围高达20km。

EPON的主要优势之一在于其高速的数据传输所结合的开关数字视频服务能力。该特性与需要不同波长来支持视频的高成本实现形成了鲜明的对比。同时，与其它以太网使能设备的无缝连通性也是EPON的固有优势。EPON的一个缺点在于与BPON相比较时，单条OLT链路上所能服务的客户数量有所下降。

GPON可看作BPON的超集(superset)，但也具有一点明显的差异。GPON具有协议不确定性。因此，GPON可同时支持时分复用(TDM)以及数据分组(packet data)。GPON基于ITU-T G.984标准，支持非均衡的数据率，下行可高达2.5Gbps，上行可高达1.24Gbps。GPON可支持的链路范围高达40km。GPON的部分优势在于对开关数字视频的支持以及对本地时分复用语音的支持，无须添加IP。

GPON的缺点在于与BPON技术相比的不成熟性，但随着时间的推移，且基于GPON与终端消费者的需求极为一致的优势，其缺点终将克服。由于BPON及ATM基础设施在北美地区更为常见，因而GPON最初更多的配置于此地区。

关键的实现需求

PON系统的关键实现需求之一在于需要OLT处的端口不断的在多个ONT客户之间切换。典型的ONT端具有给定的1/32（或1/64）有效时隙以实现与OLT的通信。从而需要OLT快速顺畅的逐个锁定ONT。快速锁定及再锁定周期(re-lock cycle)的需求典型的涉及到对突发模式(burst mode)的再锁定支持（丛OLT的角度来看）。

为了支持此类对PON的实现极为关键的快速锁定功能，特定的媒介访问控制(MAC)、串行化/解串化器(Serdes)以及时钟和数据恢复(CDR)硅芯片技术都是必须的。MAC须匹配每一ONT的访问，并同时实现典型的MAC功能。

串行化/解串化器：问题的关键部分

SerDes/CDR硅芯片在PON的实现上起了非常重要的作用，此类芯片是实现快速再锁定功能(在OLT侧)的关键。典型情况下，GPON需求低于30位时(bits time)的再锁定时间，EPON需求低于300位时的再锁定时间。任意特殊的系统实现所需的额外的再锁定时间将取决于系统的架构以及设计所采用的元件。

在早期，GPON系统构建人员需要分离的实现SerDes及CDR功能，并使用多个元件，诸如CDR芯片、时钟相位调整单元、多路复用器、解多路复用器以及移位寄存器。此类分离的实现非常昂贵且需要很大的功率。某些情况下，此类离散的实现降低了基于PON实现的总体成本效益。

然而，近期的硅芯片开发商针对EPON及GPON系统引入了集成的SerDes解决方案。针对EPON应用及GPON应用的器件提供了低成本、低功耗的集成SerDes解决方案，可支持PON（EPON及GPON）所需的快速再锁定功能。例如，通过集成多路复用器、解多路复用器以及CDR，可实现约800mw的功耗。相比较而言，离散的解决方案需要2-3W的功耗即可实现同等的功能。同时，由于此类设备的构建采用了低成本的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，因而不仅可适用于OLT端的设计，亦可应用于ONT端。与OLT端相比，ONT的实现需求在再锁定时间方面略为宽松。然而，由于是更为接近客户导向的系统(consumer oriented system)，因而ONT端的元件必须极为经济高效。

很显然，用于支持关键的PON需求（例如快速再锁定）的新型SerDes设计将是PON基础设施构建的关键之一。具有了光学模块、无源元件以及硅芯片技术的优势，所有这些方面，都为PON最终取代具有百年历史的老式铜导线接入基础设施铺平了道路。