FPGA實(shí)現100G光傳送網(wǎng)的設計

IEEE802.3ba是正在為40Gbps和100Gbps開(kāi)發(fā)的標準?，F階段的目標是：

■只支持全雙工工作
■保留使用802.3MAC標準的802.3/以太網(wǎng)幀格式
■保留當前802.3標準的最小和最大幀長(cháng)度
■MAC/PLS業(yè)務(wù)接口支持優(yōu)于10-12的BER
■為OTN提供相應的支持
■支持40Gbps的MAC數據速率
■提供支持40-Gbps工作的物理層規范，包括：
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在銅纜上大于10m
●在背板上大于1m
■支持100Gbps的MAC數據速率
■提供支持100-Gbps工作的物理層規范，包括：
●在SMF上大于40km
●在SMF上大于10km
●在OM3MMF上大于100m
●在銅纜上大于10m

如圖5所示，該工程要在2010年中完成。業(yè)界對于100G的實(shí)施工作主要集中在傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)上。傳送網(wǎng)和以太網(wǎng)標準在100Gbps速率等級上達成一致，這一過(guò)程從10G就開(kāi)始了。

圖5 以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)從10Gbps就開(kāi)始了融合

StratixIVFPGA為100GbEOTN設計鋪平了道路

目前的業(yè)界發(fā)展趨勢是使用WDM承載以太網(wǎng)進(jìn)行數據包傳送，通過(guò)IP/MPLS/以太網(wǎng)傳送數據。Altera40-nmStratix®IVFPGA系列的定位非常適合滿(mǎn)足100G以太網(wǎng)和傳送系統設計的性能和系統帶寬要求。StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在單片器件中實(shí)現100GbE/光纖通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收發(fā)器，以及OTN數據包前向糾錯(FEC)、映射和成幀等關(guān)鍵處理功能。100GbE的OTU-4標準使用增強FEC(EFEC)，必須采用專(zhuān)用算法進(jìn)行設計才能確保最大限度的發(fā)揮光帶寬優(yōu)勢。由于其優(yōu)異的架構性能，StratixIVFPGA能夠處理EFEC功能，是OTN系統算法實(shí)現和測試的理想平臺。圖6顯示了客戶(hù)在設計100GbEOTN設備時(shí)怎樣使用StratixIVGTFPGA來(lái)實(shí)現上面介紹的所有功能。

圖6 100GOTN應用：LAN到WAN

OTN以及對通用客戶(hù)端口的需求

OTN含有各種光網(wǎng)絡(luò )單元，是高效傳送業(yè)務(wù)的基礎。獨立的語(yǔ)音、視頻、數據和存儲網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)構成公共骨干網(wǎng)，由OTN為其提供服務(wù)。OTN設備必須能夠將很多不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)(以太網(wǎng)、SONET/SDH、ESCON、光纖通道和視頻)映射到這一公共骨干網(wǎng)中。

光設備生產(chǎn)商不斷降低成本，采用跨平臺元器件，因此，靈活映射各種客戶(hù)側端口的解決方案得到了應用。FPGA是實(shí)現“通用客戶(hù)側端口”的主要元件，可以配置支持各種客戶(hù)側接口。這樣，單片器件能夠高效用于多種應用中。

為OTN提供靈活的支持

Altera提供適用于OTN體系結構的全系列產(chǎn)品，如表2所示。

表2 Altera器件系列產(chǎn)品

隨著(zhù)應用的推廣，OTN1和OTN2對成本和功耗越來(lái)越敏感。如表3所示，含有嵌入式收發(fā)器的AlteraArria®IIGXFPGA提供實(shí)現OTN1和OTN2波長(cháng)轉換器和交叉連接所需要的功能，具有很高的性?xún)r(jià)比和功效。

表3 為OTN應用提供的AlteraArriaIIGX收發(fā)器協(xié)議

相對于固定標準產(chǎn)品解決方案，靈活的ArriaIIGXFPGA具有以下優(yōu)點(diǎn)：

■支持新出現的映射技術(shù)，例如，用于將GE映射到OTN所需要的ODU0等。
■可以配置支持各種客戶(hù)側接口，采用同一器件實(shí)現多種應用。
■只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多種FEC和EFEC技術(shù)。

在單片FPGA中實(shí)現40G波長(cháng)轉換器設計

波長(cháng)轉換器(復用轉發(fā)器)主要用于將多路低速客戶(hù)側信號匯集到高速波長(cháng)上。它避免了為每一路客戶(hù)側低速信號分配獨立的波長(cháng)，因此，大大提高了WDM頻譜效率。

業(yè)界分析師預測，到2013年，40G光端口應用會(huì )急劇增長(cháng)。40GOTN設備越來(lái)越大的吞吐量迫切要求進(jìn)一步改進(jìn)FEC技術(shù)，以便能夠將信號傳送得更遠。由于實(shí)現這些EFEC標準需要很大的邏輯容量，因此，在40Gbps速率時(shí)將通用客戶(hù)端口、映射器、成幀器和EFEC集成到單片器件中難度很大。

然而，AlteraStratixIVGX系列經(jīng)過(guò)規劃，能夠在單片器件中支持40G波長(cháng)轉換器功能，如圖7所示。StratixIVGXFPGA支持各種數據、存儲、TDM和視頻協(xié)議的高效實(shí)現，包括GbE、光纖通道(1G、2G、4G)、SONET(OC-N)和SDH(STM-N)等，為這些需求提供所需要的邏輯密度和架構性能。所有列出的協(xié)議由Altera直接提供支持或者通過(guò)合作伙伴提供支持。

圖7 使用StratixIVFPGA實(shí)現波長(cháng)轉換器

StratixIVGX系列提供32個(gè)具有時(shí)鐘數據恢復(CDR)電路的收發(fā)器，數據速率從600Mbps到8.5Gbps，以及帶有CDR的另外16個(gè)收發(fā)器，支持從600Mbps到6.5Gbps的數據速率。StratixIVGXFPGA具有530K邏輯單元(LE)，能夠支持40G全波長(cháng)轉換器應用。表4列出了為OTN數據速率提供的StratixIVGX收發(fā)器支持。

表4 為OTN應用提供的StratixIVGX收發(fā)器協(xié)議數據速率

采用StratixIVGTFPGA進(jìn)行100GOTN設計

最近制定標準的活動(dòng)圍繞100G光傳送網(wǎng)OTN-4而進(jìn)行。這些應用需要結合高速收發(fā)器和10G收發(fā)器來(lái)支持所需的吞吐量以及內核性能和邏輯密度，以便實(shí)現管理100G數據流量所需要的復雜處理功能。StratixIVGTFPGA支持客戶(hù)側10G光接口的直接連接，還可以直接連接至網(wǎng)絡(luò )側的100GCFP或者QSFP模塊。這是非常重要的優(yōu)點(diǎn)，因為它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系統復雜度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的協(xié)議。

表5 為OTN應用提供的StratixIVGT收發(fā)器協(xié)議

而且，器件支持綁定接口，例如芯片至模塊和芯片至芯片連接的MLD和SFI-S。因為ITU和OIF的標準還在不斷發(fā)展，因此，設備生產(chǎn)商可以先開(kāi)發(fā)早期版本的OTN-4波長(cháng)轉換器、轉發(fā)器和再生器。圖8顯示了怎樣采用StratixIVGT和GX器件實(shí)現LANOTN承載100GWAN系統。

圖8 采用StratixIVFPGA實(shí)現LANOTN承載100GWAN系統

結論

Altera目前的40-nmFPGA系列產(chǎn)品結合其合作伙伴支撐系統，非常適合實(shí)現新出現的100GOTU4標準以及線(xiàn)路速率從2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的傳統OTN解決方案。Altera®FPGA涵蓋了光傳送網(wǎng)的所有應用，例如MSPP、P-OTN和運營(yíng)商級以太網(wǎng)傳送等。