Wi-Fi技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)單元中應(yīng)用設(shè)計

提出一種將Wi-Fi技術(shù)與EPON技術(shù)融合的接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案，使得EPON系統(tǒng)在原有的有線接入的基礎(chǔ)上增加了無線接入的服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，簡要描述了EPON和Wi-Fi各自的技術(shù)特點，并著重描述了本方案中各模塊的功能和工作流程。

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的以銅纜為傳輸媒質(zhì)、基于不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)技術(shù)為基礎(chǔ)的接入模式已不能適應(yīng)高清視頻等高速率高帶寬業(yè)務(wù)的需求。以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)是一種點到多點拓撲結(jié)構(gòu)的光接入網(wǎng)技術(shù)，能在同一EPON網(wǎng)絡(luò)體系中實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)、語音、視頻等多業(yè)務(wù)的接入，實現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透明傳輸。

Wi-Fi(Wireless Fidelity)技術(shù)是基于IEEE 802．11協(xié)議的。無線接入和高速傳輸是Wi-Fi的主要技術(shù)優(yōu)點。其中IEEE 802．11b最高速度為11 Mbps，IEEE 802．11a與IEEE 802．11g的最高速度為54 Mbps。因此Wi-Fi技術(shù)可以在其覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)遠程教育、遠程醫(yī)療、視頻會議、網(wǎng)絡(luò)游戲等無線接入服務(wù)，并且可以實現(xiàn)移動化辦公。

將Wi-Fi無線接入與EPON系統(tǒng)有線接入融合起來，這極大豐富了EPON的應(yīng)用范圍，而且可以彌補各自技術(shù)上的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性，使得家庭和辦公用戶在享受高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的寬帶接入服務(wù)外，還能隨時隨地輕松實現(xiàn)移動辦公和娛樂。但是Wi-Fi的缺點和成本等原因決定了它無法取代有線接入網(wǎng)而獨立存在，因此將Wi-Fi無線與EPON有線融合，將是未來接入網(wǎng)的合理趨勢。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它與傳統(tǒng)的EPON系統(tǒng)的主要區(qū)別在于本系統(tǒng)在普通ONU中融合了Wi-Fi無線組網(wǎng)方式，同時為終端用戶提供有線和無線兩種方式的服務(wù)。這里將本系統(tǒng)命名為融合型ONU

1．1 EPON各部分功能

一個典型的EPON系統(tǒng)主要由OLT(光線路終端)、ODN(光分配網(wǎng))、ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)三部分組成，采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)。上行使用1310nm，下行使用1 490 nm的波長傳送數(shù)據(jù)和語音，CATV業(yè)務(wù)則使用1 550 nm波長傳送。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，起到匯聚數(shù)據(jù)(TDM)和下發(fā)數(shù)據(jù)(廣播)的作用；ODN是無源分光器，它將一個OLT和多個ONU連接起來，一般分光比為1：16、1：32、1：64。ONU是EPON系統(tǒng)的用戶端接入設(shè)備，其主要的功能有：

①選擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)；

②響應(yīng)OLT發(fā)出的測距及功率控制命令，并作相應(yīng)的調(diào)整；

③對用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行緩存，并在OLT分配的發(fā)送窗口中向上行方向發(fā)送；

④根據(jù)OLT發(fā)出的OAM幀，執(zhí)行相應(yīng)的OAM功能；

⑤其他相關(guān)的以太網(wǎng)功能。

1．2 融合型ONU的應(yīng)用場景

融合型ONU被設(shè)計應(yīng)用在FTTX中，F(xiàn)TTX根據(jù)光纖到用戶的距離來分類，如圖1所示，可分成光纖到交換箱(FTTCab)、光纖到路邊(FTTC)、光纖到大樓(FTTB)和光纖到戶(FTTH)4種應(yīng)用方式。這里簡要介紹融合型ONU在FTTH和FTTB中的應(yīng)用方式。

對于FTTH住宅用戶，將融合型ONU設(shè)備放置于用戶家中或商業(yè)用戶辦公室，在光纖入戶后由融合型ONU將光信號終結(jié)，將光接口轉(zhuǎn)換為多種電接口，為電接口終端(電話機、綜合接入設(shè)備(IAD)、計算機和IPTV機頂盒)提供有線接入，同時搭配Wi-Fi無線接入，將使得寬帶與移動結(jié)合，則可以達到未來寬帶數(shù)字家庭的愿景。

對FTTB住宅用戶，將融合型ONU設(shè)備放置于樓道，一般4個用戶共用一個融合型ONU，利用用戶新建或原有的5類線和Wi-Fi無線入戶，利用用戶家中配置的綜合接入設(shè)備(IAD)所提供的RJ11接口和RJ45接口分別連接電話機、計算機和IPTV機頂盒等終端設(shè)備，同樣也搭配Wi-Fi無線接入，將使得寬帶與移動結(jié)合。

2 Wi-Fi技術(shù)特點

Wi-Fi技術(shù)具有如下優(yōu)點：

①覆蓋范圍廣。Wi-Fi的半徑可達100 m，很適合在家庭、辦公室及單位樓層內(nèi)部使用；而Bluetooth技術(shù)只能覆蓋15 m范圍內(nèi)。

②帶寬大。802．1lg和802．11n的設(shè)備，前者的理論帶寬是54Mbps，后者的理論帶寬是300 Mbps，都遠高于傳輸CD級信號需要的1．411 2 Mbps。

③速度快，可靠性高。在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為11 Mbps、5．5 Mbps、2 Mbps等，帶寬的自動調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

④無需布線。Wi-Fi可以在覆蓋范圍的任何地方使用帶有Wi-Fi功能的設(shè)備進行寬帶業(yè)務(wù)。

⑤綠色健康。IEEE 802．11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100 mW，實際發(fā)射功率約60～70 mW，手機的發(fā)射功率約200 mW～1 W，手持式對講機高達5 W，而且無線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機直接接觸人體，是絕對安全的。

但同樣Wi-Fi相對于有線接入也存在缺點：

①系統(tǒng)開銷和頻率干擾等使傳輸速率大大減小。

②同頻段無線電波的相互影響和障礙物使得穩(wěn)定性不如有線接入方式。

③安全性和數(shù)據(jù)的保密性都不如有線接入方式。

3 融合型ONU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

融合型ONU的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

主控芯片S3C2440是三星公司近年來開發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，其高性能、低功耗、小體積、接口豐富的特點能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。其核心RISC處理器實現(xiàn)了MMU、AMBABUS、Haryard高速緩沖。CPU內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)分開的16 KB Cache、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、觸摸屏接口、8通道10位A／D控制器等，非常方便系統(tǒng)開發(fā)，因此十分廣泛地應(yīng)用于PDA、便攜媒體播放器、衛(wèi)星導(dǎo)航儀以及嵌入式控制器等設(shè)備。

光收發(fā)模塊作為上下行網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口，其作用是進行光電／電光轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)融合型ONU上行數(shù)據(jù)的發(fā)送和下行數(shù)據(jù)的接收。SerDes作用是進行串并／并串轉(zhuǎn)換。交換處理模塊負責處理數(shù)據(jù)包的交換轉(zhuǎn)發(fā)。Wi-Fi控制芯片用來控制RF射頻模塊。Flash用來存放Bootloader引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序。SDRAM作為內(nèi)存。UART作為調(diào)試接口對融合型ONU進行調(diào)試。電源電路提供融合型ONU系統(tǒng)內(nèi)部所需要的電源。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)獨立完成信息加密的大量運算，相比軟件可以提高速度、節(jié)省時間。

4 融合型ONU的工作流程

4．1 光收發(fā)模塊的工作流程

光收發(fā)模塊的核心部分采用的是Delta公司的一款EPON ONU收發(fā)器——OPEP-33-A4K1RH，該收發(fā)器主要包括1 310 nm的激光器、InGaAs PIN二極管、前置放大器等，可以接收1 490 nm的連續(xù)數(shù)據(jù)和傳送1 310 nm的突發(fā)數(shù)據(jù)，它所需的工作電壓是+3．3 V。

光收發(fā)模塊的功能連接圖如圖3所示。其中3．SD是光收發(fā)模塊的第3個引腳，它的功能可以描述為有光輸入時為邏輯高，否則為邏輯低；4．RD(n)是第4個引腳，反向接收數(shù)據(jù)的輸出；5．RD(p)是第5個引腳，正向接收數(shù)據(jù)的輸出；8．BiasCNT(n)是第8個引腳，控制ONU突發(fā)模式操作的負脈沖；9．TD(p)是第9個引腳，正向發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入；10．TD(n)是第10個引腳，反向發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入。

4．2 以太網(wǎng)模塊的工作流程

本系統(tǒng)配有4個10／100M Base-TX以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口，支持10 Mbps和100 Mbps自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度；以太網(wǎng)模塊的工作電壓為5 V。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口可以根據(jù)需要擴展成8個、16個或者24個，充分滿足不同業(yè)務(wù)量的需要。

以太網(wǎng)模塊的功能連接圖如圖4所示，進出以太網(wǎng)接口的信號都需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)濾波器，網(wǎng)絡(luò)濾波器實質(zhì)上是一個選頻電路，它的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制。與網(wǎng)絡(luò)濾波器相連的是交換處理模塊中的Ports MAC(M-edia Access Controllers)，用來解決在共用信道中產(chǎn)生競爭時分配信道的使用權(quán)問題。

4．3 VOIP模塊的工作流程

本系統(tǒng)配有兩個POTS電話機接口，可以連接兩部電話機。普通電話撥打和接收網(wǎng)絡(luò)話音，必須通過POTS接口才能進行，POTS接口是能夠連接普通電話與ISDN的接口設(shè)備，它能使兩部電話同時上網(wǎng)并與其他電話通信。

VOIP模塊的功能連接圖如圖5所示。Dual SMD PTC叫做雙重熱敏電阻，可對過熱和過流雙重作用導(dǎo)致的電路故障進行保護；Tip and Ring(正極線和負極線)表示組成電話配線電路的兩條電線，Tip是正極線的別稱，Ring是負極電線的別稱。

4．4 Wi-Fi模塊的工作流程

Wi-Fi模塊的功能連接圖如圖6所示。本系統(tǒng)的天線是外置天線，這樣能盡量穩(wěn)定信號。天線與RF射頻模塊相連，RF射頻模塊大致可分為放大模塊、變頻模塊、調(diào)制解調(diào)模塊等有源部件，然后通過A／D、D／A轉(zhuǎn)換與Wi-Fi控制芯片相連。Wi-Fi控制芯片控制整個無線模塊的運行。

結(jié)語

ONU是EPON技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，融合型的ONU所具有的高寬帶和無線靈活性是完全能滿足今后市場所需的。隨著EPON技術(shù)的改進和建設(shè)成本的降低，融合型ONU將具有廣闊的市場前景，因此Wi-Fi技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)單元中的應(yīng)用研究是非常有實際意義的。