VDSL和以太网交换及以太网宽带接入

一、宽带接入技术的发展
近年来，Internet异军突起，网络规模和用户数迅猛增长。世界各国都在致力于发展信息网络，中国也把网络通信作为优先发展的产业。随着中国对骨干网络进行扩容，Internet用户发展十分迅速，视频点播（VOD）、实时远程教学等高速业务如雨后春笋般出现，但接入网却成了Internet发展的瓶颈。
目前，56K Modem，ISDN技术是最为成熟的接入技术，但它们都属于窄带接入的范畴。宽带接入方面，利用同轴电缆的Cable Modem技术和利用现有电话线的xDSL技术正在快速发展，已经进入实用阶段。由于它们具有窄带接入不可比拟的带宽和对多业务的支持，将成为未来几年里接入技术的首选方案。为了利用已经在铜线上作出的巨大投资，全球各电话公司纷纷选用xDSL作为争夺Internet接入市场的有力武器与Cable Modem竞争。这使得xDSL成为当前最热门的技术之一，引发了大量的通信设备制造商和芯片供给商争先恐后地生产相关产品与市场竞争。
与xDSL相比，宽带接入系统中的另一要害产品－－以太网交换机市场竞争更加剧烈。在包交换技术中，以太网交换由于具有简单易用、发展成熟和成本低廉等优点，再加上快速以太网和千兆以太网等新技术迅速崛起，已取代ＡＴＭ交换技术成为ＬＡＮ领域的赢家。这种基于包交换的通信技术比传统的时分电路交换具有数据连接永远存在、机动灵活的优势，并且可大量节省线路成本，非常适用于宽带接入领域。
二、VDSL 的技术特性
xDSL是指利用现有铜缆用户线中的一对双绞线来提供双向传输业务的一系列技术。目前市场份额最大的是非对称数字用户线（ADSL）和ADSL基础上开发的甚高比特率数字用户线（VDSL）。
1.性能
ADSL系统在下行方向传送高速数字信号，而上行方向工作在较低速率。ADSL采用1.5Mbit/s速率时可以在0.4mm和0.5mm线径的双绞线上分别传3.6km和5.5km，若采用6Mbit/s速率，传输距离也能达到3.6km（0.5mm线径）。在这样的性能下，图像质量最多只能达到盒式录像机的水平。鉴于此，近年来人们又进一步开发了VDSL 。按其当前产品的水平，它在双绞线上的单向速率可高达26Mbit/s，而且还可配置为对称模式，使上下行速率均为13Mbit/s(0.5mm线径，传输距离1.3km) 。由于VDSL提供了更大的带宽，所以可以满足更多的业务需求，包括传送高保真音乐和高清楚度电视、多通道纯MPEG2信息流，是真正的全业务接入手段。另外，VDSL的速率与以太网速率非常接近，完全可以作为以太网的延伸，构成网络节点之间距离在1km以上的“大以太网” 。有理由相信，VDSL的应用前景非常光明，会成为DSL技术发展的又一亮点。
2.调制技术
VDSL之所以有更高的接入速率和抗干扰能力，主要应归功于采用了先进的调制技术。目前，关于VDSL的标准有两种，一种支持正交幅度调制，另一种支持离散多音频调制。下面以前一种为例对VDSL的调制技术进行简要的说明。
正交调幅是一种应用广泛的技术，基本方法是将数据分解成两个半速数据流，然后再调制出两个数据流再进行检测。这种方式频谱利用率高，设备也不太复杂，VDSL收发信机通常采用这种调制方式。它的输出功率谱密度一般不超过-60dBm/Hz 。
3.频谱分配
VDSL采用频分复用方式进行通信，即上行和下行使用不同的频率范围。通常频谱分配如下（以QAM为例）：下行0.9-3.4MHz；上行4.0-7.75MHz 。其它常用的低频业务，如ISDN（128，144kbit/s），普通电话POTS(8kbit/s)，甚至ADSL（1.0104Mbit/s），完全可以和VDSL同时在一对线上传送。一般情况下，这两个频带的中心频率和带宽都可以调整。这些数值与QAM的星座数（又称状态数）及分割因数（指每码元所含比特数）一起，一旦由设备配置确定，就可以决定VDSL系统的数据速率。
三、快速以太网交换机
今天的以太网事实上几乎成了企业规模局域网络中的标准。它源自IEEE802.3(10Ｍ)标准，并发展出一系列相关标准，包括802.3U（10M/100M自适应）、802.3x（全双工）、802.3z（1000M）等。不过，这些标准的基本工作原理是不变的，它们都采用载波侦听/冲突检测（CSMA/CD）技术来避免冲突实现通信。每个通信节点的工作原理可描述如下：
1）假如线路空闲，则可随时发送数据；
2）假如线路忙，等待一段时间后再发送；
3）假如与别的节点发生冲突，暂时放弃发送，等待一段时间后再回到第一步。
早期的以太网设备主要使用集线器，每个节点发送的通信包都需要在集线器的所有端口上广播，所以带宽指标并非独占而是共享。而以太网交换机是一种在第二层，即数据链路层上工作的交换设备，它和集线器最大的不同在于能够自学习每个包的源地址和目的地址，并能动态建立一张转发路径表，由此使各个节点发送的数据包只在相对应的端口中发出而无须每次都广播，带宽指标是独占而非共享，这样就极大地提高了通信效率和安全性。
以太网交换机的核心技术是交换芯片，但网管软件同样重要。在目前的宽带接入系统中，对交换机治理的要求越来越高，这些要求主要包括：对虚拟专用局域网（VLAN）、端口禁用/启用、业务优先级区分（CoS）、端口分组治理、流量控制以及简单网络治理协议（SNMP）和远程网络监控协议（RMON）等治理软件给予支持。交换芯片对这些治理功能的支持固然是前提，但开发一个针对特定治理要求的治理软件仍然是一项艰巨的工程，往往需要使用一个成熟的实时网络操作系统的作为平台。
四、VDSL和以及网交换技术的实施方法
德国半导体公司亿恒科技是在欧洲排名前三位的集成电路供给商，擅长研发有线通信方面的芯片。随着宽带市场的蓬勃兴起，亿恒适时地推出了10BaseS VDSL套片和ＡＲ2224以太网交换芯片以满足制造宽带通信设备的需要。
1、10BaseS 是一种用VDSL技术在双绞线上传输以太网帧的芯片组解决方案。
　
图1是一个10BaseS 调制解调器的功能框图，简称为10BaseS 物理层。它由数据芯片ＰＥＢ22822、模拟芯片ＰＥＢ22811、放大芯片ＰＥＢ22810和混合线圈无源模块四部分组成。
ＰＥＢ22822是10BaseS 芯片组中最主要的，它可以产生基于QAM的VDSL数字信号。该芯片本身支持以太网通用接口－－－传输媒体无关接口（MII）和其派生接口－－简化的ＭＩＩ（ＲＭＩＩ）与串行的ＭＩＩ（ＳＭＩＩ），可以与一般的以太网物理层芯片或支持标准接口的以太网交换芯片连接。它可以被分别配置为局端和用户端模式：按局端工作时，ＰＥＢ22822的以太网接口工作在物理层模式，与工作在媒体访问控制层（MAC）的交换芯片的ＭＩＩ接口相互通信；按用户端工作时，PEB22822以太网接口工作在MAC模式，与工作在物理层的以太网物理层芯片的ＭＩＩ接口相互通信。芯片内部实现以太网与VDSL数据帧格式的相互转换，这样就能使以太网通过VDSL技术在双绞线上延伸。在控制方面，PEB22822内部集成了一个单片机以实现独立的操作和监控，而标准软件由集成电路供给商提供，无须自己编写。另外也可以通过芯片内部的串行接口由pc进行控制。
ＦＥＢ　22811是基于ＱＡＭ的ＶＤＳＬ模拟前端，ＶＤＳＬ系统的调制和解调主要由它来完成。芯片内部不同的工作模式以及可调的滤波器可以支持对频带参数、ＱＡＭ的星座数与分割因数的灵活配置，从而可以根据各种宽带接入的要求来选择不同的上下行数据速率。
放大芯片ＰＥＢ22810起线路驱动作用，是在双绞线上实现高速数据传送所需的放大电路。以上这三颗芯片相互配合，构成10BaseS 芯片组。10BaseS ＰＨＹ的另一部分是混合线圈无源模块。模块中分离滤波器的作用是抑制电话等低频业务中的高频谐波，混合线圈实现2线和4线的转换。混合线圈和传输线之间一般还有用于抑制上下行频带相互间谐波干扰的高通和低通滤波器。从用户端来看，因为上行数据使用高频频带而下行数据使用低频频带，所以发送上行数据加高通滤波器，接收下行数据则加低通滤波器。而局端则正相反，发送接口加低通滤波器，接收接口加高滤波器。
10BaseS ＰＨＹ是通信设备的核心，它既可以用于局端，为以太网交换芯片增加ＶＤＳＬ接口从而扩展以太网范围，也可以用于用户端，设计以以太网接口作为终端接口的ＶＤＳＬ调制解调器，使用非常灵活。
2.基于ＡＲ2224的以太网交换机
ＡＲ2224的全称是Ardent2224，是支持网络治理功能的高端交换芯片，它共有24个10Ｍ/100Ｍ自适应以太网端口，可以和各种多通道以太网物理层芯片或ＰＥＢ22822这样支持以太网终端接口的芯片通过ＭＩＩ相连接。此外另有2个1000M端口，可用于连接上级高速数据通道，也可连接其它的交换芯片以实现交换机的堆叠。芯片带有一个32位的通用ＣＰＵ接口和一个串行接口，分别用来连接作为治理平台的32位嵌入式精简指令集计算机（ＲＩＳＣ）ＣＰＵ或普通的8051单片机，在它们之上运行或复杂或简单的软件，从而实现特定的治理要求。ＡＲ2224还带有符合ＰＣ100规范的同步ＤＲＡＭ接口和同步ＳＲＡＭ接口，通过这两个接口扩展外部存储器可以缓存信息包和ＭＡＣ地址表。另外对于第三节中所提及的治理功能，ＡＲ2224基本上都给予支持。
3.整体系统参考设计
在智能小区中设计一个采用以太网和ＶＤＳＬ技术的宽带接入系统是很复杂的，往往要根据不同的业务和环境在技术上做不同的处理。图2是一个整体系统参考设计方案，实际设计中还需对它进行裁减。
　
可以看出，交换芯片的24个10Ｍ/100Ｍ自适应以太网端口有8个和8路10BaseS ＰＨＹ芯片组相连，每个端口都可通过ＶＤＳＬ技术在双绞线上与远程用户终端通信。另外16个与2个8通道物理层芯片相连，支持16个10Ｍ/100Ｍ自适应以太网端口。这样就形成了包括16个本地以太网终端和8个远程用户终端的交换式以太网络。
五、系统设计中的几点说明
1.前端混合线圈与滤波器
双绞电话线在一个频段上只能传送一个方向的信号。为了双向通信，上下行信号只能在双绞线上分处不同的频段。但调制解调器内部通常只用1个频率源来提供载波，这使得上下行信号工作在一个频段，从而必须要2对线（即4线）才行。2/4线转换的功能要依靠前端混合线圈实现，它和分离器、滤波器一样都是无源器件，理论上它们都可以由绕制电感线圈或用电容电阻的相应电路来完成。不过，由于ＶＤＳＬ的频率较高，设计性能理想的电路不是一件轻易的事。一般建议使用第三方厂商专为特定的ＶＤＳＬ芯片组设计的专用模块，比如英国ＡＰＣ公司为10BaseS 定做的ＡＰＣ77101（分离器）和ＡＰＣ77112，ＡＰＣ77110（高通低通滤波器混合线圈）。这种方法集成度比较高，性能也有保障，但成稍高。
2.交换机治理软件平台及其结构
全功能以太网交换机的网络治理软件需要在32位嵌入式ＲＩＳＣ　ＣＰＵ上运行，这种ＣＰＵ目前有很多种选择，比如摩托罗拉的ＭＰＣ860或ＡＲＭ系列，都是很成熟的产品。比较麻烦的是操作系统，以太网交换机的操作系统不仅要求支持ＴＣＰ／ＩＰ协议栈和各种网管功能，而且还要有很强的实时性，并且嵌入式的硬件平台决定了它不能占用太大的空间，所以自己从零开始研制开发是不现实的。尽管有人提出使用自由软件Linux的实时版，但这种方法的可靠性和安全性都得不到保证，市场上几乎看不到真正用它做的商业产品。可行的办法是选用一个商业化的成熟产品，图3以Windriver公司的实时网络操作系统VxWorks和网管平台ＴＭＳ为例介绍用这种办法开发治理软件的流程。
网管平台ＴＭＳ是利用VxWorks提供的操作系统编程接口开发的，图3给出的ＴＣＰ／ＩＰ上的治理功能只是ＴＭＳ软件包的一部分，实际设计时可根据需要增加或减少。用户也可根据ＴＭＳ提供的应用程序接口（ＡＰＩ）来编写自己的治理程序。VxWorks下的交换机支持软件包（ＳＳＰ）是专为各种主流的交换芯片组开发的驱动程序，它把低层功能抽象出来，使用户无须考虑硬件细节。这种方法使软件工作大大简化，保证设计得以顺利完成。