Wi—Fi技术在光网络单元中应用方案设计

摘要：提出一种将Wi—Fi技术与EPON技术融合的接入网络应用方案，使得EPON系统在原有的有线接入的基础上增加了无线接入的服务。在此基础上，简要描述了EPON和Wi—Fi各自的技术特点，并着重描述了本方案中各模块的功能和工作流程。
关键词：Wi—Fi；EPON；融合

引言
    随着互联网业务的快速发展，现有的以铜缆为传输媒质、基于不对称数字用户线(ADSL)技术为基础的接入模式已不能适应高清视频等高速率高带宽业务的需求。以太网无源光网络(EPON)是一种点到多点拓扑结构的光接入网技术，能在同一EPON网络体系中实现高速数据、语音、视频等多业务的接入，实现以太网业务的透明传输。
    Wi—Fi(Wireless Fidelity)技术是基于IEEE 802．11协议的。无线接入和高速传输是Wi—Fi的主要技术优点。其中IEEE 802．11b最高速度为11 Mbps，IEEE 802．11a与IEEE 802．11g的最高速度为54 Mbps。因此Wi—Fi技术可以在其覆盖范围内实现远程教育、远程医疗、视频会议、网络游戏等无线接入服务，并且可以实现移动化办公。
    将Wi—Fi无线接入与EPON系统有线接入融合起来，这极大丰富了EPON的应用范围，而且可以弥补各自技术上的不足，充分发挥光纤接入技术的高带宽与无线技术的灵活性，使得家庭和办公用户在享受高效、优质、低成本的宽带接入服务外，还能随时随地轻松实现移动办公和娱乐。但是Wi—Fi的缺点和成本等原因决定了它无法取代有线接入网而独立存在，因此将Wi—Fi无线与EPON有线融合，将是未来接入网的合理趋势。

1 系统总体结构
    系统的总体结构如图1所示。它与传统的EPON系统的主要区别在于本系统在普通ONU中融合了Wi—Fi无线组网方式，同时为终端用户提供有线和无线两种方式的服务。这里将本系统命名为融合型ONU。

1．1 EPON各部分功能
    一个典型的EPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN(光分配网)、ONU(光网络单元)三部分组成，采用树形拓扑结构。上行使用1310nm，下行使用1 490 nm的波长传送数据和语音，CATV业务则使用1 550 nm波长传送。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，起到汇聚数据(TDM)和下发数据(广播)的作用；ODN是无源分光器，它将一个OLT和多个ONU连接起来，一般分光比为1：16、1：32、1：64。ONU是EPON系统的用户端接入设备，其主要的功能有：
    ①选择接收OLT发送的广播数据；
    ②响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整；
    ③对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送；
    ④根据OLT发出的OAM帧，执行相应的OAM功能；
    ⑤其他相关的以太网功能。
1．2 融合型ONU的应用场景
    融合型ONU被设计应用在FTTX中，FTTX根据光纤到用户的距离来分类，如图1所示，可分成光纤到交换箱(FTTCab)、光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)和光纤到户(FTTH)4种应用方式。这里简要介绍融合型ONU在FTTH和FTTB中的应用方式。
    对于FTTH住宅用户，将融合型ONU设备放置于用户家中或商业用户办公室，在光纤入户后由融合型ONU将光信号终结，将光接口转换为多种电接口，为电接口终端(电话机、综合接入设备(IAD)、计算机和IPTV机顶盒)提供有线接入，同时搭配Wi—Fi无线接入，将使得宽带与移动结合，则可以达到未来宽带数字家庭的愿景。
    对FTTB住宅用户，将融合型ONU设备放置于楼道，一般4个用户共用一个融合型ONU，利用用户新建或原有的5类线和Wi—Fi无线入户，利用用户家中配置的综合接入设备(IAD)所提供的RJ11接口和RJ45接口分别连接电话机、计算机和IPTV机顶盒等终端设备，同样也搭配Wi—Fi无线接入，将使得宽带与移动结合。

2 Wi-Fi技术特点
    Wi—Fi技术具有如下优点：
    ①覆盖范围广。Wi—Fi的半径可达100 m，很适合在家庭、办公室及单位楼层内部使用；而Bluetooth技术只能覆盖15 m范围内。
    ②带宽大。802．1lg和802．11n的设备，前者的理论带宽是54Mbps，后者的理论带宽是300 Mbps，都远高于传输CD级信号需要的1．411 2 Mbps。
    ③速度快，可靠性高。在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为11 Mbps、5．5 Mbps、2 Mbps等，带宽的自动调整，有效地保障了网络的可靠性。
    ④无需布线。Wi—Fi可以在覆盖范围的任何地方使用带有Wi—Fi功能的设备进行宽带业务。
    ⑤绿色健康。IEEE 802．11规定的发射功率不可超过100 mW，实际发射功率约60～70 mW，手机的发射功率约200 mW～1 W，手持式对讲机高达5 W，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，是绝对安全的。
    但同样Wi—Fi相对于有线接入也存在缺点：
    ①系统开销和频率干扰等使传输速率大大减小。
    ②同频段无线电波的相互影响和障碍物使得稳定性不如有线接入方式。
    ③安全性和数据的保密性都不如有线接入方式。

3 融合型ONU的硬件结构设计
    融合型ONU的硬件结构图如图2所示。

    主控芯片S3C2440是三星公司近年来开发的一款基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器，其高性能、低功耗、小体积、接口丰富的特点能满足嵌入式系统的要求。其核心RISC处理器实现了MMU、AMBABUS、Haryard高速缓冲。CPU内部集成了数据分开的16 KB Cache、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C总线、I2S总线、SD接口、触摸屏接口、8通道10位A／D控制器等，非常方便系统开发，因此十分广泛地应用于PDA、便携媒体播放器、卫星导航仪以及嵌入式控制器等设备。
    光收发模块作为上下行网络侧接口，其作用是进行光电／电光转换并实现融合型ONU上行数据的发送和下行数据的接收。SerDes作用是进行串并／并串转换。交换处理模块负责处理数据包的交换转发。Wi—Fi控制芯片用来控制RF射频模块。Flash用来存放Bootloader引导程序和应用程序。SDRAM作为内存。UART作为调试接口对融合型ONU进行调试。电源电路提供融合型ONU系统内部所需要的电源。FPGA(现场可编程门阵列)独立完成信息加密的大量运算，相比软件可以提高速度、节省时间。

4 融合型ONU的工作流程
4．1 光收发模块的工作流程
    光收发模块的核心部分采用的是Delta公司的一款EPON ONU收发器——OPEP-33-A4K1RH，该收发器主要包括1 310 nm的激光器、InGaAs PIN二极管、前置放大器等，可以接收1 490 nm的连续数据和传送1 310 nm的突发数据，它所需的工作电压是+3．3 V。
    光收发模块的功能连接图如图3所示。其中3．SD是光收发模块的第3个引脚，它的功能可以描述为有光输入时为逻辑高，否则为逻辑低；4．RD(n)是第4个引脚，反向接收数据的输出；5．RD(p)是第5个引脚，正向接收数据的输出；8．BiasCNT(n)是第8个引脚，控制ONU突发模式操作的负脉冲；9．TD(p)是第9个引脚，正向发送数据的输入；10．TD(n)是第10个引脚，反向发送数据的输入。

4．2 以太网模块的工作流程
    本系统配有4个10／100M Base-TX以太网业务接口，支持10 Mbps和100 Mbps自适应的网络连接速度；以太网模块的工作电压为5 V。以太网业务接口可以根据需要扩展成8个、16个或者24个，充分满足不同业务量的需要。
    以太网模块的功能连接图如图4所示，进出以太网接口的信号都需要经过网络滤波器，网络滤波器实质上是一个选频电路，它的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制。与网络滤波器相连的是交换处理模块中的Port's MAC(M-edia Access Controllers)，用来解决在共用信道中产生竞争时分配信道的使用权问题。

4．3 VOIP模块的工作流程
    本系统配有两个POTS电话机接口，可以连接两部电话机。普通电话拨打和接收网络话音，必须通过POTS接口才能进行，POTS接口是能够连接普通电话与ISDN的接口设备，它能使两部电话同时上网并与其他电话通信。
    VOIP模块的功能连接图如图5所示。Dual SMD PTC叫做双重热敏电阻，可对过热和过流双重作用导致的电路故障进行保护；Tip and Ring(正极线和负极线)表示组成电话配线电路的两条电线，Tip是正极线的别称，Ring是负极电线的别称。

4．4 Wi—Fi模块的工作流程
    Wi—Fi模块的功能连接图如图6所示。本系统的天线是外置天线，这样能尽量稳定信号。天线与RF射频模块相连，RF射频模块大致可分为放大模块、变频模块、调制解调模块等有源部件，然后通过A／D、D／A转换与Wi—Fi控制芯片相连。Wi—Fi控制芯片控制整个无线模块的运行。

结语
    ONU是EPON技术的关键组成部分，融合型的ONU所具有的高宽带和无线灵活性是完全能满足今后市场所需的。随着EPON技术的改进和建设成本的降低，融合型ONU将具有广阔的市场前景，因此Wi—Fi技术在光网络单元中的应用研究是非常有实际意义的。