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1、目 录第一章 绪 论11.1 100G系统简介11.2 100G系统的营运发展2第二章 40G系统与100G系统42.1 40G系统中的关键技术42.2 100G系统中的关键技术5第三章100G光传网系统设计103.1 传送网承载以太网帧103.1.1业务层103.1.2网络层103.1.3物理层103.2 采用运营商级以太网标准支持OTN113.3 采用40G/100G以太网体系结构来支持OTN113.4 StratixIVFPGA为100GbE OTN设计铺平了道路123.5 OTN以及对通用客户端口的需求133.6相对于固定标准产品解决方案，灵活的ArriaIIGXFPGA具有以下优点：
2、143.7 采用StratixIVGTFPGA进行100G OTN设计15第四章 总结与展望17致 谢18参考文献19第一章 绪 论1.1 100G系统简介根据定义，由光传送设备承载的100G传送数据包能够迅速完成任何类型100G数据的传输，其封装格式是OTN或者以太网。总流量分布在城域、局域以及长途密集波分复用(DWDM)网络上。目前ITU组织研究的重点是利用现有100G以太网规范，IEEE802.3ba，在现有40G和10G基础设备上实现100G OTN。这能够满足越来越高的带宽需求，降低系统复杂度，减少了用于管理的波长，提高了频谱总效率，最终降低了成本。根据定义，目前实现的100G以太网
3、覆盖距离比100G传送网要短一些，一般为40km。100G以太网和100G传送网有相似的目标，即，寻找以低成本实现高性能快速链接的方法。OTN含有的网络功能和协议要求能够满足这些需求，以系统方式在光介质上传输信息。本文重点介绍通过光纤承载传送网和以太网载荷。建立同步数字体系(SDH)等OTN机制也在这一定义范围之内，但是我们主要关注LAN到WAN的应用，特别是40GbE和100GbE应用(802.3ba)。出于这一标准化以及工作规划的目的，所有OTN新功能以及相关技术都被认为是电信标准局(ITU-T标准)的工作范畴。根据G.872建议要求，OTN包括由光纤链路连接的光网络单元(图1.1所示)，
4、能够提供光通道承载客户信号的传送、复用、路由、管理、控制和生存等功能。 图1.1 OTN层和网络组成OTN一个独特的特性是它支持任何数字信号的传输，与具体客户业务无关(即，客户业务无关性)。根据G.805建议对通用功能模型的描述，OTN边界位于光通道/客户侧适配层之间，包括具体服务处理，不包括具体客户处理，如图1.2所示。 图1.2 客户侧汇集的各种协议使得OTN成为高性价比通用基本结构在光通道上实现这一灵活的客户应用系统时，FPGA扮演了重要角色。从OTN实施的角度看，它汇集各种独立端口的数据，提供所需要的带宽。表1所示为当前OTN标准所支持的数据速率。OTU4将增加100G的线路速率。表1
5、 OTN数据速率 1.2 100G系统的营运发展随着“宽带中国光网城市”计划的实施，在移动互联网、物联网和云计算等新型带宽应用的强力驱动下，传送网络迫切需要具备更高的容量。目前骨干网已经规模部署了40G WDM传输系统，但要建设超高速网络，100G WDM的规模部署势在必行。而作为宽带中国战略的最有力倡导者，中国电信率先进行100G波分系统大规模技术测试也在情理之中。相对于40Gb/s从提出到商用经历近10年发展过程而言，100Gb/s技术从提出到接近设备成熟可谓异常迅速。目前100Gb/s技术在全球的发展状况，可以概括为“四化”。一是标准逐步成熟化。100Gb/s标准化范围主要涉及客户接口、
6、线路接口以及线路传输等方面。目前IEEE802.3ba已规范了标准的100GE客户接口，IEEE802.3bj正在规范100GE的背板及铜缆传输规范，而成本更低廉的下一代100GE客户接口也在讨论当中。线路接口和线路传输参数目前主要由OIF和ITU-T进行规范，OIF已发布100G光模块、FEC等协议文件，而ITU-T的Q11主要规范了OTU4等100G逻辑信号结构，ITU-T的Q6则侧重于100G物理层的规范研究。二是设备支持全面化。目前主流的路由器厂商和传输厂商一般均可提供100GE路由器和100Gb/sWDM/OTN(光传送网)设备，国内典型的华为、中兴、烽火均宣称目前可提供商用基于DP
7、-QPSK相干接收实时处理的100Gb/s传输设备，具体支持能力有待国内外研究机构和运营商多方测试验证。三是测试仪表多样化。作为100Gb/s技术实现程度的评估工具，JDSU、ANRITSU、EXFO、Spirent、IXIA等厂家均可提供100GE分析仪，同时部分传输仪表商还支持基于OTU4的OTN协议分析，包括开销验证、告警分析、性能统计等功能。在物理层信号质量分析上，Agilent、EXFO、TEK等还可选择提供光调制分析仪、光示波器等100Gb/s分析仪表。四是现网应用趋势化。随着高带宽新型业务的持续发展驱动，基于100Gb/s高速传输的应用需求日趋明显。目前在世界其他地区已得到一定程
8、度的商用或试用，如华为在KPN的100Gb/s部署、阿朗在法国Completel的100Gb/s升级、香港新世界电信的100G部署等。从100Gb/s技术应用前景来看，长距离传输是100Gb/s技术应用的重点，考虑到其技术实现的复杂性、传输链路的物理限制和组网等因素，100Gb/s长距传输的应用主要涉及到应用场景、组网功能支持、线路传输限制解决、系统余量考虑以及现网升级兼容性等多个方面。从应用场景来看，干线网络层面将是100Gb/s长距传输的首选场景。针对现网10Gb/s和40Gb/s系统的实际部署，在现有10Gb/sWDM系统中直接升级100Gb/s速率的可能性不大，而在40Gb/sWDM系
9、统中升级支持100Gb/s速率有一定可能。因此，在100Gb/s系统应用时，还需要考虑40Gb/s速率和100Gb/s速率在现有40Gb/s系统上混传应用所涉及的一些关键因素。因此在商用部署上，国内电信运营商的态度将是慎重的，但100Gb/s技术的关键特征决定了其将是未来几年高速传输带宽的主流提供技术。据专家预测，2012年将是100Gb/s长距传输的测试验证年，2013年将是100Gb/s技术现网试验年，2014年将逐步推动规模商用，而更高速率的400Gb/s或1Tb/s将重新成为高速传输应用技术新的研究热点。第二章 40G系统与100G系统2.1 40G系统中的关键技术40Gbit/s系统
10、的实现要广泛应用电子学和光学领域的技术。首先，需要将网络业务低速颗粒复用为40Gbit/s信号，将其成帧；其次，选择适合传输的格式进行编码，然后进行驱动和调制；最后，将其发送到光纤上传输到最近的光放大站点。完成这些工作需要解决许多关键技术问题，主要包括：IC材料技术、调制技术、提高光信噪比（OSNR）技术、色散补偿技术、超级FEC等。（1）IC材料技术40Gbit/s网络随着脉宽或脉冲间隔的变窄，信号抖动和码间干扰（ISI）对信号的影响也变得更差。为了保证高质量的波形传输，就必须改善数字和模拟IC技术，以便高速、宽带、低噪声地对光波形进行整形和再定时。另外，IC功能的改良和功耗的减少是缩减成本
11、的必要途径。在40Gbit/s系统中很多芯片需要采用InP（铟磷）材料，但是InP材料制作比较困难，同时由于芯片尺寸太小，使得与光纤的耦合变得非常困难，插损大。（2）调制技术 目前主要有3种传统光调制器：直接调制分布反馈半导体激光器（DFB-LD）、电吸收外部调制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3马赫-曾德尔（MachZehnder）外部调制。这些调制器的应用领域是由他们各自的带宽、啁啾脉冲和波长相关性所决定的。前两种方式不适合高速系统，LiNbO3调制可以生成高速、低啁啾的传输信号，而且特性与波长没有关系，被认为是40Gbit/sWDM传输系统的最佳选择。40G调
12、制格式的选择是一个难题。目前有多种方式，例如NRZ码、差分相移键控RZ码、光孤子、伪线性RZ、啁啾的RZ、全谱RZ、双二进制等等。从最新的研究成果分析，差分相移键控RZ码（DPSK）显得最有希望，这种调制方式的频谱宽度介于NRZ和RZ之间，比普通RZ码的频谱效率高，可以改进色散容限、非线性容限和PMD容限，传输距离比普通RZ码长。（3）提高光信噪比技术同10Gbit/sWDM系统相比较，40Gbit/s WDM系统有更多与光信噪比（OSNR）、色散、非线性作用、PMD等有关的尚待解决的问题。对于40 Gbit/s系统，为了要达到与10 Gbit/s系统相近的传输误码率，系统OSNR需提高68
13、dB。（4）色散补偿技术从理论上看，色度色散代价和极化模色散代价都随比特率的平方关系增长，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，实现起来非常困难。由于小于100ps/nm色散容差很小，对于40Gbit/s的系统来说有可能会造成极其严重的限制，所以，从系统灵活设计和经济角度考虑，应采用可变色散补偿器（VDC）进行自动补偿。40Gbit/s传输系统的另一个很严重的制约因素是偏振模色散（PMD），它是由纤心的不对称以及内、外压力（如光纤的弯曲）所致。由于引入了双折射，光纤中的两个传播偏振模经历了群时延的微分（DGD），这导致了脉冲的加宽，即产生码间干扰（ISI）并表现为比特误差率的上升。
14、（5）超级FEC技术这是一个相对比较古老的技术，从1984年面世，至今才开始形成大规模的应用。随着光速率达到40G，提高光信噪比的难度越来越大，成本和代价也越来越高，FEC就成为一个非常关键的实用技术。特别是对于40Gbit/s速率，采用带外FEC已经成为关键的使能技术之一，不仅可以使传输距离达到实用化要求，而且在一些短距离传输系统上，可以避免实施昂贵复杂的有源PMD补偿。2.2 100G系统中的关键技术推广100G以太网应用的前提是相关标准的制定。100 Gbit/s以太网接口对应的标准是IEEE802.3ba1，目前处于草案2.1阶段2，标准已经确定了各种接口介质、速率和物理编码子层(PC
15、S)、媒体接入控制(MAC)层架构定义。标准在2009年7月会议后停止所有技术变更，2009年11月标准会议将产生草案3.0，预计于2010年6月前发布。此外，和100GE相关的标准组织还包括国际电信联盟远程通信标准组(ITU-T)和光互联论坛(OIF)，其关注的侧重点不同，ITU-T主要制定100G传输光转换单元(OTU)帧结构和编码、容错技术；OIF主要研究物理层高速通道规范、定义电接口标准。 以太网升级到100 Gbit/s接口离不开关键技术支撑，关键技术的成熟和商用化也都还需要时间。从芯片、系统、网络各个层面包括标准研究都还需要技术突破和时间。支撑100G以太网接口的关键技术，主要包含
16、物理层(PHY)通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用(WDM)技术。物理介质相关(PMD)子层满足100 Gbti/s速率带宽，新的芯片技术支持到40 nm工艺，这些提供了开发下一代高速接口的可能。对应于接口部分，光纤接口PMD的并行多模接口存在着封装密度大和功耗问题需要解决，单模425 Gbit/s的WDM接口存在25 Gbit/s串行并行转换电路(SERDES)技术和非冷却光器件的技术需要突破；对应于系统部分，接口速率提高带来的高带宽给包处理、存储，系统交换，背板技术都提出了新的门槛；对应于网络，需要解决新接口的传输问题，不光需要定义新的OTU帧结构，对于如此超高速传输，需要解决电子线路极限
17、情况下的信号处理、光信号的调制、物理编码、色散补偿、非线性处理、与FE/GE/10GE帧结构和PHY内各子层的兼容性和一致性问题等，还需要使100G传输特性能够满足现有10G传输网的相关特性，否则带来的网络重建必将影响新技术的推进。下一代以太网技术标准包含了40 Gbit/s和100 Gbit/s两种速度，主要针对服务器和网络方面不同的需求。40 Gbit/s主要针对计算应用，而100 Gbit/s则主要针对核心和汇接应用。提供两种速度，IEEE意在保证以太网能够更高效更经济地满足不同应用的需要，进一步推动基于以太网技术的网络会聚。标准规定了物理编码子层(PCS)、物理介质接入(PMA)子层、
18、物理介质相关(PMD)子层、转发错误纠正(FEC)各模块及连接接口总线，MAC、PHY间的片间总线使用XLAUI(40 Gbit/s)、CAUI(100 Gbit/s)，片内总线用XLGMII(40 Gbit/s)、CGMII(100 Gbit/s)，各种介质的架构如图2.1所示3。图2.1 标准仅支持全双工操作，保留了802.3MAC的以太网帧格式；定义了多种物理介质接口规范，其中有1 m背板连接(100GE接口无背板连接定义)、7 m铜缆线、100 m并行多模光纤和10 km单模光纤(基于WDM技术)，100 Gbit/s接口最大定义了40 km传输距离。标准定义了PCS的多通道分发(ML
19、D)协议架构，标准还定义了用于片间连接的电接口规范，40 Gbit/s和100 Gbit/s分别使用4个和10个10.312 5 Gbit/s通道，采用轮询机制进行数据分配获得40G和100G的速率，另通过虚拟通道的定义解决了适配不同物理通道或光波长问题；明确了物理层编码采用64B/66B。标准虽然给出了100 Gbit/s以太网的架构、接口定义，但目前尚有诸多待解决的问题。首先，PMD是802.3ba的一个关键部分，40G/100G光模块包含短波长的并行接口，对应40GBASE-4SR和100GBASE-10SR，主要的技术难点在于封装密度大；长波长的波分接口，难度在于PMA对应的25 Gb
20、it/s的SERDES和封装技术，对于100G的WDM光模块非制冷激光器技术是标准相关的关键技术，封装形式由CFP多源协议(MSA)规定为CFP4；对应的铜缆介质有关接口(MDI)标准的定义采用SFF-8436和SFF-8642，具体的结构尺寸和引脚分配已经给出。据了解目前主要供应商提供100G WDM光模块要到2010年。100G接口对应的相关芯片在MAC层已经没有问题，PMA业务接口电接口规范要求每个通道工作在10.312 5 Gbit/s速率，除了标准成熟后使用专用集成电路(ASIC)实现，前期基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的MAC则需要支持到10.312 5 Gbit/s速率，仅
21、有少数FPGA公司支持5。之前的评估系统采用的是增加SERDES Mux器件6，由8/20个5.156 25 Gbit/s的通道转换到4/10个10.312 5 Gbit/s的标准接口的过渡措施7。 对于100G以太网设备系统，除了以上100G以太网接口相关技术难点需要克服，还需要配套的包处理器，对于分布式大容量交换系统还需要大容量的分组交换系统套片等系统级的困难需要解决。对于100G的包处理能力，目前业界还没有通用可选方案，开发中的几个方案都还待评估；对于网络处理器的内容可寻址存储器(CAM)等查找接口带宽最少要增加2倍以上，数据总线宽度、速率也都存在瓶颈，催生了Interlaken LA等
22、串行高速总线接口投入使用。由于单片处理能力限制及总线接口转换等导致存在和多片堆砌的情况，至使单板面积、功耗等都难接受。基于FPGA定制开发的解决方案需要企业具备全面的技术，往往提供的业务处理能力受限。分组交换系统套片，包括交换网和交换网接口芯片，或含流量管理(TM)芯片，以前大多数系统都难于支持每线卡大于100 Gbit/s的有效数据带宽，目前新方案每线卡背板接口带宽最大约为100200 Gbit/s，背板SERDES总线速率支持到6.5 Gbit/s左右；支持100 Gbit/s接口每线卡带宽需要升级到200500 Gbit/s带宽，背板SERDES速率甚至要达到10.312 5 Gbit/
23、s以上，对于背板设计、工艺要求、材料、总线长度满足等都比以前要苛刻的多；对于满足电信级要求的系统，还需要满足虚拟队列(VoQ)、层次化服务质量(HQoS)等流管理特性，这就要求更大的处理带宽需求、更多的队列支持能力、更大的缓冲等提升系统设计难度。 随着系统要求的提升，系统功率也在提高。100 Gbit/s长波长PMD需要4个25 Gbit/s通道，SERDES速率和通道数的增加需要更大电源；100 Gbit/s处理器需要更大量的存储器，当然也需要更大功率；微处理技术也需要更大功率。对此，需要寻找解决方案。功率事关未来，同时功率也是重大的障碍，不仅要为电路板供电，还需要控制如此大的功率并保证系统
24、冷却。随着我们转向速度更快的以太网，这些都是业界面对的主要问题。高速以太网要想真正给用户带来实际的科技效益，必须将传送网业务承载到传送网上，而不能仅仅用在大型数据中心或者小范围局域网内。所以除了调制技术之外，高速以太网如何在光传送网上传输以及操作维护管理(OAM)等特性也是决定其成败的关键技术。ITU-T SG15 Q11济州岛中间会议已经达成了40G/100G以太网接口的OTU映射定义8：G.709中给出40GE映射到OPU3，使用1 024B/1 027B传输编码；100GE映射到ODU4/OTU4，比特率为111.809 973 Gbit/s(=255/2272.488 320 Gbit
25、/s40)。标准的成熟预计要到2011/2012年左右。对100 Gbit/s以太网等高速业务而言，虚级联技术可以实现适配，但是要提高光纤的利用率，虚级联并不是高效的技术，而只能提高每个波长的比特率。采用串行100G的密集波分复用(DWDM)传输技术，将1010GE/425GE的100GE业务通过ODU4适配到111.809 973 Gbit/s的OTU4中。由于单波100G速率非常高，对于各种物理损伤容限，如光信噪比(OSNR)、偏振膜色散(PMD)等提出了更高要求，需要使用特殊技术来降低传输光纤线路上传输光信号的波特率来提升损伤容限。例如，采用高阶的编码调制技术如正交相移键控(QPSK)、
26、8相移相键控(8PSK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用(OFDM)等，并结合偏振复用解复用技术。由于单波传输100GE对偏振膜色散(PMD)、色度色散(CD)有更严格的要求，因此，未来在接收端可能采用相干接收/电处理的方式，来提升对物理损伤的容限，包括非线性效应抑制、PMD、CD补偿等，从而使单波100GE能够在10G/40G网络中混合传送、平滑升级。从长期来看，100GE DWDM传输将采用偏振复用、高阶编码调制、相干接收/电处理、超强FEC等技术的组合解决方案，从而可以平滑的将40G光网络升级到100G系统。由于100G传输需要高速光电器件的支撑，预计2012年，这些高速光电器件将
27、会趋于成熟。对应于以上介绍的关键技术，100 Gbit/s以太网不单单是解决接口构建的技术，更需要同步提升系统的处理能力，对应大容量的交换系统，高带宽的流管理和包处理能力，才能提供线速的处理和转发，提供电信级的特色功能。类似中兴通讯新开发的ZXCME 9500城域以太系列硬件平台目前就可以支持到100 Gbit/s接口带宽，还保留有足够的冗余和加速比，可以支持单个100 Gbit/s接口真正的线速转发，不需要更换交换网，系统散热也完全支持，只需要增加新线卡就可以。系统升级后，可以支持到单线卡双向400 Gbit/s以上的带宽。与此同时，解决了单机系统的问题100G以太网接口的应用还受制于传输网
28、络的技术提升，100GE走向商用还有待时日。第三章 100G光传网系统设计3.1 传送网承载以太网帧目前，以太网是专网和企业网络的主要LAN技术，公共传送网也支持新出现的多协议/多业务以太网。从IEEE802的一系列标准来看，ITU-T和其他组织还在讨论公共以太网业务和帧传送标准及其实施协议。以太网的主要构成是业务层、网络层和物理层。3.1.1业务层公共以太网业务层(对于业务供应商)包括不同的业务市场，拓扑选择以及持有模型等。所采用的持有模型以及使用的拓扑类型定义了公共以太网业务。根据所支持的三类业务，对拓扑选择进行了分类，即线路业务、LAN业务和接入业务。线路业务本质上是点对点的，包括以太网
29、专用和虚拟线路等业务。LAN业务本质上是多点对多点，包括虚拟LAN业务。接入业务本质上是分散式结构，支持一个ISP/ASP为多个客户提供服务。(从公共网络角度看，由于其相似性，线路和接入业务本来就是一样的)。业务层提供不同的服务质量。SDH等电路交换技术提供有保证的比特率，而MPLS等包交换技术提供各种服务质量，从尽力而为到有保证的比特率。可以在以太网MAC层以及以太网物理层提供以太网业务。3.1.2网络层以太网网络层支持以太网业务端之间以太网MAC帧的端到端传输，由MAC地址区分业务端具体业务。以太网MAC层业务能够以线路、LAN和接入业务的形式，通过SDHVC和OTN ODU等电路交换技术
30、，或者MPLS和RPR等包交换技术来实现。对于以太网LAN业务，可以在公共传送网内部实现以太网MAC桥接，将MAC帧转发到正确的目的地址。以太网MAC业务不限于IEEE标准定义的物理数据速率(例如，10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps、100Gbps)，因此，能够以任意比特率提供以太网MAC业务。3.1.3物理层IEEE为以太网定义了一组明确的物理层数据速率，并提供一组接口选择(电或者光)。以太网物理层在公共传送网上透明传输数据，使用透明GFP映射技术，将10GbEWAN等信号通过OTN传送，或者将1GbE信号通过SDH传送。以太网物理层业务是点对点的，总是采用标准数据速率。
31、与以太网MAC层业务相比，它不够灵活，但是延时很低。3.2 采用运营商级以太网标准支持OTN以太网最初虽然是设计用在LAN环境中，但现在已经广泛应用在骨干网和城域网(MAN)中。以太网在多方面进行了改进，包括更高的比特率和长距离接口、基于以太网的接入网、虚拟网络、更新能力、骨干网供应商桥接、可靠的保护技术、QoS流量控制和流量调理等，因此，它能够作为网络运营商的承载网。此外，以太网很容易实现多点对多点链接，在现有点对点传送技术下，需要n(n-1)/2路链接。如图3.1所示，运营商级以太网将以太网从LAN扩展到WAN，尝试进入整个通信支撑系统中。其目的是为用户提供WAN技术将站点链接起来，其方式
32、与运营商以前采用的ATM、帧中继和X.25技术相似。运营商级以太网不是LAN采用的以太网，例如，客户在桌面以及服务器房间中使用的以太网。 图3.1 运营商级以太网多协议标签不久前刚开始从以太网向运营商级以太网传送技术的过渡。目前为止，ITU-T提供了构建基于以太网业务的运营商网络系统选择。ITU-T建议由传送承载以太网(EoT)，采用PDH、SDH或者OTN等传统的承载技术来进行传送。3.3 采用40G/100G以太网体系结构来支持OTNIEEE802.3ba是正在为40Gbps和100Gbps开发的标准。现阶段的目标是：只支持全双工工作 保留使用802.3MAC标准的802.3/以太网帧格式
33、 保留当前802.3标准的最小和最大帧长度 MAC/PLS业务接口支持优于10-12的BER 为OTN提供相应的支持 支持40Gbps的MAC数据速率提供支持40-Gbps工作的物理层规范，包括：在SMF上大于10km 在OM3MMF上大于100m 在铜缆上大于10m 在背板上大于1m 支持100Gbps的MAC数据速率提供支持100-Gbps工作的物理层规范，包括：在SMF上大于40km 在SMF上大于10km 在OM3MMF上大于100m 在铜缆上大于10m如图3.2所示，该工程要在2010年中完成。业界对于100G的实施工作主要集中在传送网和以太网上。传送网和以太网标准在100Gbps速
34、率等级上达成一致，这一过程从10G就开始了。 图3.2 以太网和光传送网从10Gbps就开始了融合3.4 StratixIVFPGA为100GbE OTN设计铺平了道路目前的业界发展趋势是使用WDM承载以太网进行数据包传送，通过IP/MPLS/以太网传送数据。Altera40-nmStratixIVFPGA系列的定位非常适合满足100G以太网和传送系统设计的性能和系统带宽要求。StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在单片器件中实现100GbE/光纤通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收发器，以及OTN数据包前向纠错(FEC)、映射和成帧等关键处理功能。100GbE的OTU-
35、4标准使用增强FEC(EFEC)，必须采用专用算法进行设计才能确保最大限度的发挥光带宽优势。由于其优异的架构性能，StratixIVFPGA能够处理EFEC功能，是OTN系统算法实现和测试的理想平台。图3.3显示了客户在设计100GbEOTN设备时怎样使用StratixIVGTFPGA来实现上面介绍的所有功能。 图3.3 100G OTN应用：LAN到WAN3.5 OTN以及对通用客户端口的需求OTN含有各种光网络单元，是高效传送业务的基础。独立的语音、视频、数据和存储网络演进构成公共骨干网，由OTN为其提供服务。OTN设备必须能够将很多不同类型的业务(以太网、SONET/SDH、ESCON、
36、光纤通道和视频)映射到这一公共骨干网中。光设备生产商不断降低成本，采用跨平台元器件，因此，灵活映射各种客户侧端口的解决方案得到了应用。FPGA是实现“通用客户侧端口”的主要元件，可以配置支持各种客户侧接口。这样，单片器件能够高效用于多种应用中。为OTN提供灵活的支持Altera提供适用于OTN体系结构的全系列产品，如表2所示。表2 Altera器件系列产品 随着应用的推广，OTN1和OTN2对成本和功耗越来越敏感。如表3所示，含有嵌入式收发器的Altera ArriaIIGXFPGA提供实现OTN1和OTN2波长转换器和交叉连接所需要的功能，具有很高的性价比和功效。表3 为OTN应用提供的Al
37、teraArriaIIGX收发器协议 3.6相对于固定标准产品解决方案，灵活的ArriaIIGXFPGA具有以下优点：(1)支持新出现的映射技术，例如，用于将GE映射到OTN所需要的ODU0等。 (2)可以配置支持各种客户侧接口，采用同一器件实现多种应用。 (3)只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多种FEC和EFEC技术。在单片FPGA中实现40G波长转换器设计波长转换器(复用转发器)主要用于将多路低速客户侧信号汇集到高速波长上。它避免了为每一路客户侧低速信号分配独立的波长，因此，大大提高了WDM频谱效率。业界分析师预测，到2013年，40G光端口应用会急剧增长。40G OTN设备越
38、来越大的吞吐量迫切要求进一步改进FEC技术，以便能够将信号传送得更远。由于实现这些EFEC标准需要很大的逻辑容量，因此，在40Gbps速率时将通用客户端口、映射器、成帧器和EFEC集成到单片器件中难度很大。然而，AlteraStratixIVGX系列经过规划，能够在单片器件中支持40G波长转换器功能，如图3.4所示。StratixIVGXFPGA支持各种数据、存储、TDM和视频协议的高效实现，包括GbE、光纤通道(1G、2G、4G)、SONET(OC-N)和SDH(STM-N)等，为这些需求提供所需要的逻辑密度和架构性能。所有列出的协议由Altera直接提供支持或者通过合作伙伴提供支持。 图3
39、.4 使用StratixIVFPGA实现波长转换器StratixIVGX系列提供32个具有时钟数据恢复(CDR)电路的收发器，数据速率从600Mbps到8.5Gbps，以及带有CDR的另外16个收发器，支持从600Mbps到6.5Gbps的数据速率。StratixIVGXFPGA具有530K逻辑单元(LE)，能够支持40G全波长转换器应用。表4列出了为OTN数据速率提供的StratixIVGX收发器支持。表4 为OTN应用提供的StratixIVGX收发器协议数据速率 3.7 采用StratixIVGTFPGA进行100G OTN设计最近制定标准的活动围绕100G光传送网OTN-4而进行。这些
40、应用需要结合高速收发器和10G收发器来支持所需的吞吐量以及内核性能和逻辑密度，以便实现管理100G数据流量所需要的复杂处理功能。StratixIVGTFPGA支持客户侧10G光接口的直接连接，还可以直接连接至网络侧的100GCFP或者QSFP模块。这是非常重要的优点，因为它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系统复杂度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的协议。表5 为OTN应用提供的StratixIVGT收发器协议 而且，器件支持绑定接口，例如芯片至模块和芯片至芯片连接的MLD和SFI-S。因为ITU和OIF的标准还在不断发展，因此，设备生产商可以先开发早期版本的OTN-4波长转换
41、器、转发器和再生器。图3.5显示了怎样采用StratixIVGT和GX器件实现LANOTN承载100GWAN系统。 图3.5 采用StratixIVFPGA实现LANOTN承载100GWAN系统第四章 总结与展望Altera目前的40-nmFPGA系列产品结合其合作伙伴支撑系统，非常适合实现新出现的100GOTU4标准以及线路速率从2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的传统OTN解决方案。Altera?FPGA涵盖了光传送网的所有应用，例如MSPP、P-OTN和运营商级以太网传送等。 在这一标准不断发展，出现OTU4等各种新协议的领域，需要10G数据速率以及高密度器件来实现完整
42、的100G解决方案，AlteraStratixIV器件是目前能够满足100G系统需求的唯一FPGA。光通信的最重要特点就是具有几乎用不尽的带宽资源。随着信息社会的发展，人们对信息服务的需求量与日俱增。根据中国电信预测，在未来5年之内，带宽将以每年50以上的速度增长，到2010年，干线带宽流量将达到50Tbps以上。100Gbps WDM系统是一个重要方向。现在多个制造商都在开发100GHz WDM产品，其中华为是积极的参与者之一。2008年，华为开发出了100GE以太网样机与100G DWDM样机。PDM-QPSK是目前最主流的调制技术。要实现100G WDM系统1000公里以上的传输，还需要
43、在FEC方案、相干接收、软判决等方面为OSNR带来更大的增益。相干接收需要很强的电处理能力，强大的DSP处理能力是相干接收、超强FEC、高速光接收的重要支撑。100G WDM系统应该在2012年左右开始商用，刚开始可能在北美，以后逐步进入规模应用。致 谢本论文是在叶锋老师的悉心指导下，才得以顺利完成的。感谢叶老师在我撰写论文期间在学习和生活中对我的极大帮助。无论是课题的研究和论文的撰写过程中，还是日常生活中，叶老师都一直给予我耐心的帮助、教导、启迪和关怀，我所取得的成绩和进步是跟叶老师的帮助是密不可分的。叶老师严谨求实的治学风范以及身体力行的工作精神使我受益匪浅，并潜移默化地影响着我，促使我在
44、学习中不断进步。同时，叶老师平易近人的人格魅力，朴实诚恳的工作作风，也使我对人处事方面有了新的认识。在此谨向叶老师致以我忠心的感谢。再者，感谢学院的各位领导、老师和同学。在我两年的专升本大学生涯里，学院领导和老师从各个方面给了我极大的帮助和支持。他们无私的奉献着自己的知识、关爱，让我不断的扩大自己的视野，提升自己的能力，让我能够找到社会中属于自己的一席之地，从而有机会学到更多的知识，得到更多的锻炼。感谢四年来一直帮助我支持我的同学们，让我在这里的生活和学习都充满了无限的乐趣。我将珍藏在这里所有的记忆。最后，感谢江汉大学的所有的一切，是这所美丽的校园，让我大学四年的生活充满了无限的乐趣，让我找到
45、了值得深交的朋友，让我的专业知识得到进一步的加强。毫无疑问，这里给我提供了一个很好的平台，给我的人生增添了一定的高度，我相信在这里的一切，将成为我人生一笔重要的财富，而我将终生受益。再次感谢在我学习期间所有帮过我的领导，老师，同学和朋友们！参考文献【1】 刘业辉. 光传输系统（中兴）组建、维护与管理. 人民邮电出版社【2】 李晖，唐留城. 40G/100G超高速传输系统发展及趋势 现代电信科技 2010第四期. 维普资讯网【3】 100G系统兼容性受关注 通信世界 2010第三期. 维普资讯网【4】 鲁义轩.40G/100G以太网测试系统面试 通信世界 2009 第37期. 维普资讯网【5】
46、Verzon在欧洲开通100G系统 现代传输 2009 第六期.维普资讯网【6】 100G系统中的关键技术 通信世界 2010 第三期.维普资讯网【7】 张远望 100G以太网技术和应用 中兴通讯技术 2009第五期.万方数据【8】 陈浩祺 40G DWDM系统的关键技术 光通信技术 2011第三期.万方数据【9】 40G光传输系统展望 电信世界 2002第二期.维普资讯网【10】The research and application of 40G/100G Ethernet key technology Optical Communication Technology 2011-04【11】张小丹，程丹，徐晶40G/100G以太网关键技术的研究与应用 光通信技术 2011第四期
