基于VDSL的以太网的设计与实现

    摘要：描述了一种新兴宽带接入技术。这种宽带接入技术利用VDSL在现有电话线上实现10M以太网（Ethernet）功能，从而以尽可能低的成本，在不需要重新布线的情况下实现宽带接入。

    关键词：宽带接入 数字用户环路（xDSL） 甚高比特率数字用户环路（VDSL） Ethernet

Internet的发展正快速进入宽带时代。目前在处理“信息高速公路最后1公里”的宽带接入方面已经有了很多解决方案，例如：FTTH（光纤到户）接入网、HFC（混合光纤同轴电缆）接入网、光纤+双绞线以太网、高速无线接入网、xDSL等。

除xDSL宽带接入方式外，其它几类接入网的建设需要重新布线或建立无线基站。在宽带建设中，布线工程或无线基站建设工程的成本占总成本的比重非常大，这些方案无疑增加了网络运营商的运营成本，影响了其竞争力。

xDSL是几类DSL（数字用户环路）的总称，包括ADSL（非对称数字用户环路）、VDSL（甚高比特率数字用户环路）、SHDSL（对称型高比特率数字用户环路）和IDSL（ISDN数字用户环路）等。xDSL是为了避免重新布线的弊端，充分利用已有的铜质电话线路开发的宽带接入技术，其中ADSL已有多年的发展，已成为一种较成熟的DSL技术。根据用户到电话中心局的距离和电话线质量，ADSL可提供1.5Mbps～8Mbps的下行速率和64kbps～2Mbps的上行速率，现已成为各国电信公司主推的宽带接入技术之一。

VDSL是一种速度最快的非对称数字用户环路，由于其高速率特性，VDSL应用前途非常广泛，如：视频及电视节目、高速数据、视频会议、廉价的T1和少量T3业务，大型住宅区和校园内的多媒体业务等。现在一些有先见的国内外公司正加大投入，拓展VDSL技术，并将其它先进、成熟的技术与VDSL相结合开发出了更为实用的新技术，基于VDSL的以太网（Ethernet）技术就是一种典型代表。这种宽带接入新技术的出现已经对国内一些网络运营商正在建设的“光纤到小区、双绞线到家庭”的以太网宽带接入运营模式构成了强有力的挑战。

1 基于VDSL的以太网（Ethernet）

基于VDSL的以太网的构思是由Savan公司提出的，Infineon、BroadCom和国内一家科技公司实现这一构思。该技术采用VDSL作为物理层，在芯片组内置媒体访问控制器，集成VDSL，实现了长距离传输，速度可达10Mbps以上的全双工标准以太网功能。

1.1 VDSL技术

VDSL技术将电话线上数据传输速率推到极限，其初衷是通过数据信号处理（DSP）技术的最新进展提供最快的速率。VDSL的ETSI（欧洲曜标准组织）和ANSI（美国国家标准协会）标准已经制订完毕，ITU（国际电信联盟）标准正在加紧制订中。VDSL采用了成熟的QAM、CAP和DMT调制技术与自适应均衡技术，它占用电话线的频段为1.1MHz～12MHz。在非对称模式下，下行速率可达13Mbps～52Mbps，上行速率可达2Mbps～19.2Mbps；在对称模式下，可实现全双工10Mbps、13Mbps的通信速率，其传输速率与电话线质量和传输距离有关。

CAP的DMT是ADSL和VDSL等数字用户环路中采用的两大相互竞争的调制技术。CAP（无载波调幅和调相）基于QAM，而QAM（正交调幅调制）是一个久经考验的MODEM调制技术，它采用振幅和相位的变化来代表数据符号。产生一个QAM波是非常复杂的过程。DSL通常采用的方法是以数字形式存储波形的一部分，然后把这些存储的部分组成适当的波形变成最终的调制波，不带任何信息的载波，在传输前立即压缩以提高效率。为了获得了佳的信号质量，CAP调制在选择相应条件下的QAM方法前，有一个启动过程以测试线路质量。DMT（离散多频）把数据带宽分为4kHz的频带，给下行方向载波数百个，上行方向载波几十个。DMT还包括一个先进的测试算法，它连续测试每个频带的SNR，适当调整数据负载，使DMT能够连续检测和调整传输特性，以适应电话线路状况的变化。由于DMT的复杂性，只有采用先进的DSP技术才能实现这一调制方式；相比之下，CAP技术较为简单成熟、成本低廉，已为很多著名厂商采用。由于不同厂商对采用哪一种调制技术存在着分歧，ADSL论坛组织（也是国际上协调VDSL的论坛组织）在选择调制技术上采取了中立态度，将调制技术的决策留给每个厂商自己。表1对CAP和DMT进行了对比。

表1 CAP和DMT调制技术的比较

项    目CAPDMT下行方向载波数
上行方向载波数
时延
增量
自适应均衡量
已有经验1个
1wh 
4～10ms
320kb/s
需要
有很多成功经验数百个
几十个
15～25ms
32kb/s
不需要
相对较少

在电话线上，VDSL采用的频段范围为1.1MHz～12MHz，而电话话音占用的频段为300Hz～3400Hz，因此VDSL和话音传输可以同时进行。话音、ISDN、VDSL和其它DSL的频段分布如图1所示。

1.2 以太网（Ethernet）技术

以太网是目前使用最广泛的局域网技术，它具有扩展性强、可靠性好、成本低廉等特点，并拥有大量的网络管理工具。Ethernet标准IEEE 802.3经历了10Mbps、100Mbps、1000Mbps的发展历程，其中10Mbps和100Mbps Ethernet技术技术成熟，成本已经很低廉。10Mbsp交换式Ethernet网络足以满足Internet宽带接入（≥2Mbps）的要求。

构成Ethernet网有四个要素：1、帧（frame），这是一系列标准化的数据位，用在系统中传输数据；2、介质访问控制协议（media access control protocol），它由一整套内嵌于各个Ethernet接口中的规则组成；3、信号部件（signal component），即用在Ethernet信道中发送和接收信号的部件，如：网卡、接收器等；4、物理介质（physical mdedium），由电缆和其它用来联网的计算机之间传输数字式Ethernet信号的硬件部件组成。

Ethernet的核心技术是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）协议。IEEE 802.3标准中将Ethernet分为四层：LLC逻辑链路控制子层次；MAC介质访问控制子层次；物理信号子层和介质规范。其中前两者位于OSI网络参考模型的第二层（数据链路层），后两者位于OSI网络参考模型的第一层（物理层）。

2 设计与实现

2.1 设计方案概述

10BaseS是infineon公司提出的一种基于VDSL的以太网解决方案，该方案可以在现有铜质电话线上实现10Mbps全双工Ethernet通信，距离可达1.6公里。可以在不相互干扰的情况下，同时支持高速数据通信与POTS、ISDN或PBX电话话音信号传输。基于VDSL的Ethernet系统的设计分为用户端设备（CPE）和局端设备（Ethernet交换机或DSLAM）。目前推出的10BaseS套片由三睡构成：PEF 22810（VDSL线驱动芯片）、PEB22811（VDSL模拟芯片）、PEF 22822（数字芯片）。

2.2 10BaseS套片的特性

Infineon公司的10BaseS套片个具有如下重要特性：

·对称10/100Mbps Ethernet速度，全双工模式；

·兼容IEEE802.3 Ethernet MII、RMII、SMII和七线接口；

·可配置为标准以太网物理层（Ethernet PHY）芯片，这种配置应用于Ethernet交换机或DSL接入复用器（DSLAM）；

·可配置为以太网媒体访问控制层（Ethernet MAC）芯片，直接与用户设备上标准Ethernet PHY芯片接口，这种配置应用于用户端；

·MII串口管理接口支持对所有内部寄存器访问；

·具有地址滤波、自学习的功能；

·支持Ethernet SNMP MIB计数器功能；

·支持QAM（正交调幅调制）调制技术：QAM4～QAM256；

·对称/非对称线速可从低于1Mbps升至25Mbps（根据距离和线路状况）；在远至1.6公里距离的情况下，可实现10Mbps的对称速率；

·支持Reed-Solomon前向纠错功能（RSFEC）。

2.3 用户端设备（CPE）的设计与实现

用户端设备（CPE）的功能框图如图2所示。设计用户端设备时，应将10BaseS套片配置为Ethernet MAC模式。从功能框图中可以看出，在PEF22822一端要加入以太网物理层（Ethernet PHY）芯片和变压器（Transformer）。在设计中选择了NS公司的10/100Mbps的DP83846AVHG以太网物理层芯片，NETCON公司的单端口10Base-T隔离变压器。将变压器输出线直接引到RJ45插座上，这样通过三类或五类双绞线即可将CPE联到PC机的以太网卡或其它具有以太网接口功能的设备上。在PEF 22810一端设备有滤波器（Fliters）以便尽可能消去电话线上的干扰。为同时支持VDSL数据通信和电话话音通信，在CPE在输出端设计有分离器（Splitter），这样用户可以在使用VDSL数据传输的同时不妨碍打电话。设计分离器（Splitter）时，应注意当CPE掉电时，电话仍能打通，这个功能可以采用继电器来实现。

    2.4 局端设备的设计与实现

在局端设备（Ethernet交换机或DSLAM）中，应将10BaseS套片配置为标准Ethernet PHY模式。

本文以基于VDSL的十二端口Ethernet交换机为例来说明，其功能框图如图3。该交换机的端口分为一个上连端口和11个下连端口，图3中只画出了1个下连端口，其它10个下连端与该端口是一样的。上连端口设计与标准Ethernet方式，速率设置为100Mbps，接口采用RJ45，通过五类双绞线与服务器相联；下连端口设计为基于VDSL的方式，用来接电话线，为了避免个别用户占用过多的带宽，下连端口通信速率设置为10Mbps。在设计这款交换机过程中，笔者对多款Ethernet MAC交换控制芯片作了详细的分析和对比，最后选择了Advanced Communication Devices公司的ADC82112。该芯片支持十二端口10/100Mbps Ethernet交换功能，它与PEF22822之间通过IEEE 802.3 Ethernet MII接口相连。由于10BaseS套片只支持一个端口的通信通道，因此在一块交换机电路板上需设计有十一组10BaseS套片。上连端口的物理层芯片选用用户端设备中采用的DP83846AVHG，变压器采用NETCOM公司的单端口10/100 Base-T隔离变压器，以支持100Mbps的通信速率。10BaseS套片与电话线之间的电路设计思路与CPE相应部分的设计思路是一致的，可以直接借用。