基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，包括電源模塊、接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊以及用戶業(yè)務(wù)處理模塊；其中，所述電源模塊分別與所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊電氣連接；所述光電轉(zhuǎn)換模塊通過所述高速物理層模塊與所述接入節(jié)點MAC層模塊通信連接。本發(fā)明還提供相應(yīng)的系統(tǒng)。本發(fā)明能夠使千兆以太網(wǎng)兼容性更好、光纖網(wǎng)絡(luò)帶寬更大以及增強抗外界電磁環(huán)境干擾；本發(fā)明采用了FPGA邏輯電路模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的邏輯鏈路層協(xié)議，通過光突發(fā)傳輸技術(shù)結(jié)合高速物理層串行芯片提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性；本發(fā)明整體架構(gòu)簡單，配合中心節(jié)點，可以在工業(yè)現(xiàn)場快速構(gòu)建一個光纖網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖網(wǎng)絡(luò)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在各種工業(yè)現(xiàn)場以及車載系統(tǒng)中，包含大量的圖像、信號傳輸，比如CXD圖像系統(tǒng)、雷達、GPS導(dǎo)航等，這些設(shè)備間的數(shù)據(jù)還要進行共享、交換和轉(zhuǎn)換，這就要求快速構(gòu)建一個基于以太網(wǎng)的無源光纖網(wǎng)絡(luò)。而現(xiàn)有應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和車載系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)都是借用于主干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)不僅帶寬窄，而且容易受外界信號干擾，在工業(yè)現(xiàn)場和車載系統(tǒng)中，工況惡劣，使現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)工作很不穩(wěn)定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置。本發(fā)明裝置為光纖網(wǎng)絡(luò)提供了完善的視頻、語音和控制信號的高速網(wǎng)絡(luò)接入。在車載組網(wǎng)以及工業(yè)現(xiàn)場，網(wǎng)絡(luò)通信要求具有較高的實時性，以此來滿足汽車傳感器和電控裝置的快速響應(yīng)要求，同時隨著車載信息系統(tǒng)的發(fā)展，對通信帶寬的需求也顯著提升，目前在現(xiàn)有技術(shù)中無法具備既滿足較高實時性又提供大容量帶寬的技術(shù)和產(chǎn)品，本發(fā)明千兆無源光纖網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點裝置解決了上述實際問題，具備較高實時性和大容量通信帶寬，具有創(chuàng)新性和前瞻性。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，包括電源模塊、接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊；
[0005]其中，所述電源模塊分別與所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊電氣連接；所述光電轉(zhuǎn)換模塊通過所述高速物理層模塊與所述接入節(jié)點MAC層模塊通信連接；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊連接所述接入節(jié)點MAC層模塊；
[0006]所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換處理；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊用于處理用戶需要通過千兆無源光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目刂菩盘?、語音信號和視頻信號；所述高速物理層模塊用于完成千兆無源光網(wǎng)絡(luò)中的物理層數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收處理；所述接入節(jié)點MAC層模塊用于讀取和寫入用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；所述電源模塊用于所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊的供電。
[0007]優(yōu)選地，用戶業(yè)務(wù)處理模塊包括相互連接的用戶業(yè)務(wù)模塊和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；所述用戶業(yè)務(wù)模塊通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊與接入節(jié)點MAC層模塊連接；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊用于語音、視頻和控制信號的采集和回放，并對經(jīng)過信號調(diào)理的三種信號完成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)段的打包和解析；所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊用于用戶處理模塊與接入節(jié)點MAC層模塊之間數(shù)據(jù)的暫存和讀寫。
[0008]優(yōu)選地，所述高速物理層模塊包括PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元和PHY數(shù)據(jù)接收單元；所述高速物理層模塊通過標準的GMII接口與所述接入節(jié)點MAC層模塊連接；所述PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于在接入節(jié)點的時隙窗口將從接收到的突發(fā)數(shù)據(jù)流完成信號編碼、并串轉(zhuǎn)換，并將串行數(shù)據(jù)流輸出至光電轉(zhuǎn)換模塊；所述PHY數(shù)據(jù)接收單元，用于接收光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的串行數(shù)據(jù)流，并進行串并轉(zhuǎn)換、信號解碼、將以字節(jié)形式的并行數(shù)據(jù)幀輸出給接入節(jié)點MAC層模塊；所述接入節(jié)點MAC層模塊分別通過PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元和PHY數(shù)據(jù)接收單元連接所述光電轉(zhuǎn)換模塊。
[0009]優(yōu)選地，所述接入節(jié)點MAC層模塊包括時隙控制單元、幀解析單元、數(shù)據(jù)封裝單元、用戶接入單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元和MAC數(shù)據(jù)接收單元；時隙控制單元用于接收網(wǎng)絡(luò)中的定時信息，計算得到每一個時隙窗口的時間，并實時通知MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元，控制開啟發(fā)送任務(wù)；幀解析單元用于從接收緩存中解析其中包含的源地址、目的地址、幀類型等信息，作出相應(yīng)的處理和輸出；數(shù)據(jù)封裝單元，用于封裝需要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的MAC層數(shù)據(jù)幀；用戶接入單元用于連接用戶業(yè)務(wù)處理模塊的數(shù)據(jù)緩存FIFO，執(zhí)行對用戶業(yè)務(wù)處理FIFO的讀取和寫入任務(wù)；MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于將MAC層數(shù)據(jù)幀發(fā)送至高速物理層模塊;MAC數(shù)據(jù)接收單元用于從高速物理層模塊接收MAC層數(shù)據(jù)幀；所述高速物理層模塊依次通過MAC數(shù)據(jù)接收單元、幀解析單元、用戶接入單元連接所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊依次通過用戶接入單元、數(shù)據(jù)封裝單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元連接所述高速物理層模塊；所述幀解析單元通過時隙控制單元分別連接所述數(shù)據(jù)封裝單元和所述MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元。
[0010]優(yōu)選地，所述用戶業(yè)務(wù)模塊包括控制信號處理單元、語音信號處理單元以及視頻信號處理單元；控制信號處理單元用于采集處理控制信號以及開關(guān)量信號，并將各自的有效數(shù)據(jù)存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；語音信號處理單元用于采集處理模擬語音信號，數(shù)字化處理，并將語音數(shù)字信號存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；視頻信號處理單元用于采集處理模擬視頻信號，數(shù)字化處理，并將圖像信號存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；控制信號處理單元、語音信號處理單元以及視頻信號處理單元均通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊連接所述接入節(jié)點MAC層模塊。
[0011]優(yōu)選地,所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括接入點光電轉(zhuǎn)換單元和輸出點電光轉(zhuǎn)換單元；所述接入點光電轉(zhuǎn)換單元用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過高速物理層模塊發(fā)送到接入節(jié)點MAC層模塊；所述輸出點電光轉(zhuǎn)換單元用于將通過高速物理層模塊從所述接入節(jié)點MAC層模塊發(fā)送過來的電信號轉(zhuǎn)換為光信號。
[0012]優(yōu)選地，所述光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號的模式是連續(xù)性接收，所述光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)射光信號模式是突發(fā)性發(fā)射。
[0013]優(yōu)選地，還包括輔助模塊，所述輔助模塊包括FPGA配置單元和時鐘源；FPGA配置單元用于將配置數(shù)據(jù)固化在一個FPGA配置單元中；時鐘源用于提供時鐘基準；所述FPGA配置單元和所述時鐘源均分別連接所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊以及用戶業(yè)務(wù)處理模塊。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點系統(tǒng)，包括若干個所述基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置、光分路由器以及中心節(jié)點；
[0015]其中，所述中心節(jié)點通過光分路由器與所述基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置相連。
[0016]優(yōu)選地，在上行數(shù)據(jù)傳輸時，采用時分復(fù)用的方式，即每個所述接入節(jié)點裝置在一輪通信周期中都會接收到中心節(jié)點分配的一個時隙窗口，每個所述接入節(jié)點裝置在這個時隙窗口內(nèi)開啟激光器進行數(shù)據(jù)的上傳。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018]1.本發(fā)明能夠使千兆以太網(wǎng)兼容性更好、光纖網(wǎng)絡(luò)帶寬更大以及增強抗外界電磁環(huán)境干擾；
[0019]2.本發(fā)明采用了 FPGA邏輯電路模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的邏輯鏈路層協(xié)議，通過光突發(fā)傳輸技術(shù)結(jié)合高速物理層串行芯片確保了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性在微妙級；
[0020]3.本發(fā)明整體架構(gòu)簡單，配合中心節(jié)點，可以在工業(yè)現(xiàn)場快速構(gòu)建一個光纖網(wǎng)絡(luò)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0022]圖1為本發(fā)明中接入節(jié)點裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中接入節(jié)點裝置的邏輯結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3為本發(fā)明中光纖網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖4為本發(fā)明中接入節(jié)點數(shù)據(jù)通信流程圖；
[0026]圖5為本發(fā)明中接入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)管理流程圖；
[0027]圖6為本發(fā)明中光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式示意圖；
[0028]圖7為本發(fā)明中光纖網(wǎng)絡(luò)控制幀格式示意圖；
[0029]圖8為本發(fā)明中用戶業(yè)務(wù)處理模塊業(yè)務(wù)的示意圖；
[0030]圖9為本發(fā)明中高速物理層模塊的連接示意圖；
[0031]圖10為本發(fā)明中接入節(jié)點MAC層模塊的示意圖；
[0032]圖11為本發(fā)明中光電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖；
[0033]圖12為本發(fā)明中輔助模塊與各功能模塊的連接關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0035]如圖1、圖8所示，本發(fā)明提供的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置包括電源模塊、接入節(jié)點MAC層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊、高速物理層模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊。電源模塊分別與接入節(jié)點MAC層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊、高速物理層模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊電氣連接，為其提供電能。用戶業(yè)務(wù)處理模塊包括相連的用戶業(yè)務(wù)接入模塊和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊。用戶業(yè)務(wù)接入模塊通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊與接入節(jié)點MAC層模塊連接。高速物理層模塊與接入節(jié)點MAC層模塊之間通信連接，光電轉(zhuǎn)換模塊與高速物理層模塊之間通信連接，光電轉(zhuǎn)換模塊通過光纖連接中心節(jié)點。
[0036]所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于千兆無源光纖網(wǎng)絡(luò)電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換處理，規(guī)定了光電轉(zhuǎn)換模塊的電信號接入采用LVPECL電氣標準，通信速率為1.25Gbps，光電轉(zhuǎn)換模塊規(guī)定了光信號的接口為單模光信號，發(fā)送光波長1310nm，接收光波長1490nm，光信號的速率為1.25Gbps。所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊用于處理用戶需要通過千兆無源光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目刂菩盘?、語音信號和視頻信號，用戶業(yè)務(wù)處理模塊內(nèi)部包含了前端信號采集和回傳、各類信號的緩存組幀和幀解析，在數(shù)據(jù)流向上發(fā)送端用戶業(yè)務(wù)處理模塊完成采集、緩存和組幀任務(wù)，接收端用戶業(yè)務(wù)處理模塊完成幀解析、緩存和回傳任務(wù)。
[0037]所述高速物理層模塊用于完成千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的物理層數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收處理，在發(fā)送處理中對光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進行物理層數(shù)據(jù)幀的組幀、物理層數(shù)據(jù)幀的并串轉(zhuǎn)換、光纖線路編碼和發(fā)送，并且控制所述光電轉(zhuǎn)換模塊的激光器的打開與關(guān)閉任務(wù)。在接收處理中進行物理層數(shù)據(jù)幀的接收、光纖線路解碼、串并轉(zhuǎn)換、物理層數(shù)據(jù)幀的解析最終把有效的數(shù)據(jù)幀提交給接入接點MAC層模塊繼續(xù)處理。所述接入節(jié)點MAC層模塊用于完成MAC層數(shù)據(jù)的接收和緩存、數(shù)據(jù)幀的解析、控制時隙通道的計算和調(diào)整、數(shù)據(jù)幀的組幀和發(fā)送。與用戶業(yè)務(wù)處理模塊相連接讀取和寫入用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。所述電源模塊用于提供所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊的供電，提供電壓包括5V，3.3V，2.5V和1.2V。所述用戶業(yè)務(wù)模塊用于語音、視頻和控制信號的采集和回放，并對經(jīng)過信號調(diào)理的三種信號完成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)段的打包和解析。所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊用于用戶處理模塊與接入節(jié)點MAC層模塊之間數(shù)據(jù)的暫存和讀寫。
[0038]如圖9所示，高速物理層模塊包括突發(fā)PHY數(shù)據(jù)發(fā)送單元、PHY數(shù)據(jù)接收單元。高速物理層模塊通過標準的GMII接口與接入節(jié)點MAC層模塊互聯(lián)。所述PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于在接入節(jié)點的時隙窗口將從接入節(jié)點MAC層模塊接收到的突發(fā)數(shù)據(jù)流完成信號編碼、并串轉(zhuǎn)換，并將串行數(shù)據(jù)流輸出至光電轉(zhuǎn)換模塊，同時控制光電轉(zhuǎn)換模塊開啟激光器，在時隙窗口結(jié)束的時候關(guān)閉激光器。所述PHY數(shù)據(jù)接收單元用于接收光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的串行數(shù)據(jù)流并在接收模塊內(nèi)完成接收時鐘恢復(fù)、串并轉(zhuǎn)換、信號解碼、將以字節(jié)形式的并行數(shù)據(jù)幀輸出給接入節(jié)點MAC層模塊。所述接入節(jié)點MAC層模塊分別通過PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元和PHY數(shù)據(jù)接收單元連接所述光電轉(zhuǎn)換模塊。
[0039]如圖10所示。接入節(jié)點MAC層模塊包括時隙控制單元、幀解析單元、數(shù)據(jù)封裝單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元、MAC數(shù)據(jù)接收單元以及用戶接入單元。時隙控制單元用于接收網(wǎng)絡(luò)中的定時信息，計算得到每一個時隙窗口的時間，并實時通知MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元，控制開啟發(fā)送任務(wù)。幀解析單元，用于從接收緩存中解析其中包含的源地址、目的地址、幀類型等信息，作出相應(yīng)的處理和輸出。數(shù)據(jù)封裝單元用于封裝需要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的MAC層數(shù)據(jù)，并根據(jù)接入節(jié)點不同階段選擇發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀或網(wǎng)絡(luò)管理幀，封裝對應(yīng)的幀類型信息。用戶接入單元用于連接用戶業(yè)務(wù)處理模塊的數(shù)據(jù)緩存FIFO，執(zhí)行對用戶業(yè)務(wù)處理FIFO的讀取和寫入任務(wù)。MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于將MAC層數(shù)據(jù)幀發(fā)送至高速物理層模塊。MAC數(shù)據(jù)接收單元用于從高速物理層模塊接收MAC層數(shù)據(jù)幀。
[0040]用戶業(yè)務(wù)接入模塊包括控制信號處理單元、語音信號處理單元、視頻信號處理單元以及數(shù)據(jù)緩存模塊?？刂菩盘柼幚韱卧糜诓杉幚鞷S422，RS232，CAN總線以及開關(guān)量信號，并將各自的有效數(shù)據(jù)存入緩存。語音信號處理單元，用于采集處理模擬語音信號，數(shù)字化處理，并將語音數(shù)字信號存入緩存。視頻信號處理單元，用于采集處理模擬視頻信號，數(shù)字化處理，并將圖像信號存入緩存。控制信號處理單元采用型號SN65HVD230的控制信號處理電路、語音信號處理單元采用型號為WM8731的語音信號處理電路、視頻信號處理單元采用型號為AD9280/AD9708的視頻信號處理電路。
[0041]如圖11所示，光電轉(zhuǎn)換模塊包括接入點光電轉(zhuǎn)換單元和輸出點電光轉(zhuǎn)換單元。接入點光電轉(zhuǎn)換單元和輸出點電光轉(zhuǎn)換單元均連接在中心節(jié)點和高速物理層模塊之間。光電轉(zhuǎn)換模塊將從中心節(jié)點接收下來的光信號通過接入點光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)為電信號，并通過高速物理層模塊發(fā)往接入節(jié)點MAC層模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊將通過高速物理層模塊從接入節(jié)點MAC層模塊接收過來的電信號通過輸出點電光轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為光信號，并發(fā)往光網(wǎng)的中心節(jié)點。光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號的方式是連續(xù)性接收，光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)射光信號是突發(fā)性發(fā)射。接入節(jié)點MAC層模塊采用EP3C40F324芯片的FPGA邏輯電路模塊。高速物理層模塊采用TLK2541電路模塊。光電轉(zhuǎn)換模塊采用LTB3421光電模塊。光電轉(zhuǎn)換模塊采用單纖雙向通信模式，能夠接收的波長為1490nm，能夠發(fā)送的波長為1310nm。如圖12所示，本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置還包括輔助模塊，輔助模塊包括FPGA配置單元和時鐘源。輔助模塊用于為各模塊的硬件芯片提供時鐘、提供FPGA處理芯片的核心電壓、IO端口電壓和內(nèi)部邏輯電路供電，提供固化的FPGA配置單元存儲所有的協(xié)議處理邏輯，在接入節(jié)點初始化過程中配置單元完成對FPGA處理芯片的配置。FPGA配置單元用于將配置數(shù)據(jù)固化在一個FPGA配置單元中，接入節(jié)點上電配置單元完成對FPGA的初始化配置。時鐘源用于為接入節(jié)點的各模塊提供時鐘基準，所有的處理模塊均在同步的時鐘節(jié)拍下完成各自的工作。
[0042]接入節(jié)點MAC層模塊的運行速度是125MHz，光電轉(zhuǎn)換模塊連接的高速差分信號運行速度是1.25GHz。接入節(jié)點MAC層模塊完成了時隙控制功能、幀解析功能、數(shù)據(jù)封裝功能、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，發(fā)送接收緩存、用戶數(shù)據(jù)接入轉(zhuǎn)換控制的功能。接入節(jié)點MAC層模塊采用EP3C40F324芯片。運行時鐘源為125MHz，支持LVDS差分電平和LVTTL電平。
[0043]用戶業(yè)務(wù)接入層模塊和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊用于采集視頻、語音和控制信號并對采集到的視頻、語音和控制信號進行預(yù)處理、數(shù)字化和數(shù)據(jù)封裝。用戶業(yè)務(wù)接入層模塊通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊將數(shù)據(jù)封裝后的視頻、語音和控制信號輸入到接入節(jié)點MAC層模塊。在讀出過程中通過讀取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)解封裝和信號格式轉(zhuǎn)換輸出給用戶。
[0044]高速物理層模塊主要分為:突發(fā)PHY數(shù)據(jù)發(fā)送單元、PHY數(shù)據(jù)接收單元。高速物理層模塊采用TLK2541電路模塊實現(xiàn)。在上行方向上，本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置在中心節(jié)點分配的授權(quán)時隙內(nèi)從FPGA輸出并行比特流，通過并串轉(zhuǎn)換和光纖線路邊編碼，經(jīng)LVPECL電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制到上行波長上，形成高速光信號數(shù)據(jù)流上傳中心節(jié)點。在下行方向上，本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置將從中心節(jié)點接收到的突發(fā)信號進行光電轉(zhuǎn)換和LVPECL電平轉(zhuǎn)換后，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換和光纖線路解碼輸出8bits數(shù)據(jù)信號和Ibits控制信號，送入FPGA邏輯電路模塊內(nèi)部的物理層數(shù)據(jù)接收模塊。FPGA去除物理層數(shù)據(jù)的幀頭幀尾提取MAC層有效信息。
[0045]光電轉(zhuǎn)換模塊負責(zé)將從中心節(jié)點接收上來的光信號轉(zhuǎn)為電信號，送往高速物理層模塊進行處理；將從高速物理層模塊發(fā)送過來的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，發(fā)往光網(wǎng)的中心節(jié)點。光電轉(zhuǎn)換模塊采用LTE3421光電模塊。LTE3421是一種高速的光收發(fā)器，光電轉(zhuǎn)換速率可達1250Mb/s，支持突發(fā)發(fā)送和連續(xù)接收，同時具備快速開關(guān)光信號發(fā)送功能，采用單纖雙向通信模式，接收波長1490nm,發(fā)送波長1310nm。
[0046]在一個更為優(yōu)選的實施例中，從車載環(huán)境出發(fā)，針對車輛內(nèi)部的各類傳感器控制信號為各類業(yè)務(wù)，主要業(yè)務(wù)接口是車載CAN接口，同時車內(nèi)會提供視頻語音多媒體業(yè)務(wù)，設(shè)計了具有實時交換功能的車載以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置是千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信的必備環(huán)節(jié)。本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置完成視頻、語音和控制信號的數(shù)據(jù)接入，并配合中心節(jié)點完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信任務(wù)。
[0047]本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置是整個網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)加載的必備環(huán)節(jié)，其主要功能是按照中心節(jié)點分配的授權(quán)時隙將用戶數(shù)據(jù)封裝成符合光纖網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀上傳給中心節(jié)點。同時連續(xù)接收中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的下行網(wǎng)絡(luò)幀，解析提取其中的目的地址，幀類型和用戶數(shù)據(jù)，完成選擇性的接收，并最終轉(zhuǎn)換為用戶數(shù)據(jù)提交給用戶。本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置包括:接入節(jié)點MAC層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊、高速物理層模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊。
[0048]如圖2所示，接入節(jié)點MAC層模塊在FPGA內(nèi)部邏輯電路實現(xiàn)，采用EP3C40F324芯片，負責(zé)實現(xiàn)接入節(jié)點的MAC和物理層數(shù)據(jù)的打包和解析功能，為本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置的MAC提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，支持連續(xù)數(shù)據(jù)接收和突發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送，并且為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)輸入輸出提供接口。接入節(jié)點MAC模塊包括GMII發(fā)送接收單元、MAC數(shù)據(jù)接收緩存單元、幀解析單元、時隙控制單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元和用戶數(shù)據(jù)接入單元。其中，GMII發(fā)送接收單元連接高速物理層模塊，用于輸入輸出有效MAC數(shù)據(jù)。幀解析單元用于提取每一個幀的節(jié)點ID信息、時間戳信息和幀類型信息，通過判斷生成對應(yīng)控制信號并輸入時隙控制單元。時隙控制單元讀取幀的地址信息，類型信息并根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)機完成時隙窗口的計算以及時隙窗口誤差的動態(tài)調(diào)整，確保每一輪通信中本發(fā)明提供的接入節(jié)點裝置的時隙時刻與中心節(jié)點時隙保持一致。MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元和MAC數(shù)據(jù)接收單元負責(zé)處理GMII接口輸出的網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)據(jù)段。用戶接入單元用于寫入和讀出語音、視頻和控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
[0049]高速物理層模塊需要完成接收時鐘快速同步、數(shù)據(jù)的串并/并串轉(zhuǎn)換以及8B10B光纖線路編解碼，并為MAC層的連接提供了 GMII接口。高速物理層模塊采用TLK2541模塊，內(nèi)部包含了 8B10B編碼，設(shè)置工作模式在1.25Gbps。在1.25Gbps模式和8B10B編解碼作用下，TLK2541提供8bits數(shù)據(jù)端口和Ibit控制端口的輸入，最終生成IObits高速串行碼流發(fā)送出去。在接收端通過8B10B解碼還原出原始的8bits數(shù)據(jù)和Ibits的狀態(tài)位，高速物理層模塊通過鎖相環(huán)快速同步接收數(shù)據(jù)。
[0050]光電轉(zhuǎn)換模塊采用LTE3421光電模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊通過光纖連接中心節(jié)點，負責(zé)將從中心節(jié)點接收下來的光信號轉(zhuǎn)為電信號，送往高速物理層進行處理，將從高速物理層發(fā)送過來的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，發(fā)往中心節(jié)點。正常通信時的工作方式:接收信號時，為連續(xù)的接收，即光電模塊時刻在接收數(shù)據(jù)，并完成光電的轉(zhuǎn)換；發(fā)送信號時，為突發(fā)的發(fā)送，即在正常工作狀態(tài)下，只有在授權(quán)時隙到來時激光器才為開啟狀態(tài)，在其余情況下激光器處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣達到了多個本發(fā)明提供的接入節(jié)點按照各自不同的授權(quán)時隙共享光纖信號的特點。光電轉(zhuǎn)換模塊采用單纖雙向通信模式，接收波長為1490nm，發(fā)送波長為1310nmo
[0051]電源模塊，提供其他各模塊正常工作的電壓和功率，向高速物理層模塊提供2.5V的電源，向光電轉(zhuǎn)化模塊提供3.3V的電源，向用戶處理單元提供3.3V的電源。
[0052]輔助模塊包括FPGA配置模塊和時鐘源等。FPGA配置模塊提供FPGA硬件配置和調(diào)試。時鐘源給FPGA提供工作時鐘。接入節(jié)點MAC層模塊的運行速度是125MHz，與光電轉(zhuǎn)換模塊連接的高速信號運行在1.25GHz。
[0053]如圖3所示，本發(fā)明提供的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)采用星型的形式搭建，主要包括中心節(jié)點、接入節(jié)點裝置以及光分路器。接入節(jié)點裝置通過光分路與中心節(jié)點連接。接入節(jié)點裝置是用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進入網(wǎng)路通信的重要環(huán)節(jié)，在整個網(wǎng)絡(luò)中起到數(shù)據(jù)終端的作用，負責(zé)將用戶數(shù)據(jù)封裝成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀在光纖網(wǎng)絡(luò)中完成傳輸交換，同時多個接入節(jié)點裝置之間按照中心節(jié)點分配的各自獨立的時隙無沖突競爭的完成每一中貞的傳輸。
[0054]在下行數(shù)據(jù)傳輸中，采用了廣播的方式，下行數(shù)據(jù)將通過共享的光纖信道達到每一個接入節(jié)點裝置，這些下行的數(shù)據(jù)包包括廣播包、組播包或者是單播接收包。接入節(jié)點裝置接收到下行的數(shù)據(jù)幀中包含了目的地址信息、時隙信息和用戶數(shù)據(jù)信息。每個接入節(jié)點裝置解析數(shù)據(jù)包的目的地址，濾除不相干的數(shù)據(jù)，接收自己需要的數(shù)據(jù)包。
[0055]在上行數(shù)據(jù)傳輸中，采用時分復(fù)用的方式，每個接入節(jié)點裝置在一輪通信周期中都會接收到中心節(jié)點分配的一個時隙窗口，在這個時隙窗口內(nèi)開啟激光器進行數(shù)據(jù)的上傳，這樣多個接入節(jié)點裝置就可以對上行的信道進行復(fù)用，同時避免各節(jié)點上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。
[0056]如圖4、圖5所示，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，接入節(jié)點裝置在通電后進入初始化流程。首先會等待中心節(jié)點的GATE幀到來，接入節(jié)點裝置會通過回復(fù)REPORT幀來請求加入網(wǎng)絡(luò)，同時通過GATE幀和REPORT幀，對接入節(jié)點裝置可以完成測距和同步。最后接入節(jié)點裝置在初始化階段接收中心節(jié)點發(fā)送而來的網(wǎng)絡(luò)啟動幀，即START幀，通過解析提取自身的時間窗口信息字段，至此網(wǎng)絡(luò)完成初始化進入數(shù)據(jù)通信階段。
[0057]在數(shù)據(jù)通信階段，分為兩大的部分，TDM時隙和OAM時隙。當時間處于TDM時隙的時候，接入節(jié)點裝置在進入中心節(jié)點分配的授權(quán)時隙情況下開啟激光器，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，并連續(xù)接收中心節(jié)點下行的網(wǎng)絡(luò)幀，通過解析提取符合自身目標地址的數(shù)據(jù)幀，提取其中的時間戳信息，完成下一輪授權(quán)時隙的計算和動態(tài)調(diào)整，提取有效用戶數(shù)據(jù)段，通過解封裝，將用戶數(shù)據(jù)提交給用戶。在OAM時隙段，如果接入節(jié)點裝置是新加入的節(jié)點，那么在該時隙段會響應(yīng)中心節(jié)點的查詢幀，即REG_0PEN幀，并回復(fù)請求加入幀，即REG_REQ幀，最終接收中心節(jié)點的回復(fù)確認幀，即REG_ACK幀完成注冊加入網(wǎng)絡(luò)；如果接入節(jié)點裝置已經(jīng)在線，那么在OAM時隙會響應(yīng)中心節(jié)點的統(tǒng)計管理幀和配置管理幀分別上報自身的數(shù)據(jù)收發(fā)情況以及響應(yīng)配置管理幀，完成對用戶業(yè)務(wù)速率，加入方式等一些列配置任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式，如圖6所示，網(wǎng)絡(luò)控制幀格式，如圖7所示。
[0058]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，包括電源模塊、接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊； 其中，所述電源模塊分別與所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊電氣連接；所述光電轉(zhuǎn)換模塊通過所述高速物理層模塊與所述接入節(jié)點MAC層模塊通信連接；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊連接所述接入節(jié)點MAC層模塊； 所述光電轉(zhuǎn)換模塊用于電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換處理；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊用于處理用戶需要通過千兆無源光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目刂菩盘?、語音信號和視頻信號；所述高速物理層模塊用于完成物理層數(shù)據(jù)幀的發(fā)送處理和接收處理；所述接入節(jié)點MAC層模塊用于讀取和寫入用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；所述電源模塊用于所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊、用戶業(yè)務(wù)處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換模塊的供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，用戶業(yè)務(wù)處理模塊包括相互連接的用戶業(yè)務(wù)模塊和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；所述用戶業(yè)務(wù)模塊通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊與接入節(jié)點MAC層模塊連接；所述用戶業(yè)務(wù)處理模塊用于語音、視頻和控制信號的采集和回放，并對經(jīng)過信號調(diào)理的三種信號完成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)段的打包和解析；所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊用于用戶處理模塊與接入節(jié)點MAC層模塊之間數(shù)據(jù)的暫存和讀寫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，所述高速物理層模塊包括PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元和PHY數(shù)據(jù)接收單元；所述高速物理層模塊通過標準的GMII接口與所述接入節(jié)點MAC層模塊連接；所述PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于在接入節(jié)點的時隙窗口將從接入節(jié)點MAC層模塊接收到的突發(fā)數(shù)據(jù)流完成信號編碼、并串轉(zhuǎn)換，并將串行數(shù)據(jù)流輸出至光電轉(zhuǎn)換模塊；所述PHY數(shù)據(jù)接收單元，用于接收光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的串行數(shù)據(jù)流，并進行串并轉(zhuǎn)換、信號解碼、將以字節(jié)形式的并行數(shù)據(jù)幀輸出給接入節(jié)點MAC層模塊；所述接入節(jié)點MAC層模塊分別通過PHY突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送單元和PHY數(shù)據(jù)接收單元連接所述光電轉(zhuǎn)換模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，所述接入節(jié)點MAC層模塊包括時隙控制單元、幀解析單元、數(shù)據(jù)封裝單元、用戶接入單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元和MAC數(shù)據(jù)接收單元；時隙控制單元用于接收網(wǎng)絡(luò)中的定時信息，計算得到每一個時隙窗口的時間，并實時通知MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元，控制開啟發(fā)送任務(wù)；幀解析單元用于從接收緩存中解析其中包含的源地址、目的地址、幀類型等信息，作出相應(yīng)的處理和輸出；數(shù)據(jù)封裝單元，用于封裝需要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的MAC層數(shù)據(jù)幀；用戶接入單元用于連接用戶業(yè)務(wù)處理模塊的數(shù)據(jù)緩存FIFO，執(zhí)行對用戶業(yè)務(wù)處理FIFO的讀取和寫入任務(wù)；MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于將MAC層數(shù)據(jù)幀發(fā)送至高速物理層模塊；MAC數(shù)據(jù)接收單元用于從高速物理層模塊接收MAC層數(shù)據(jù)幀；所述高速物理層模塊依次通過MAC數(shù)據(jù)接收單元、幀解析單元、用戶接入單元連接所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；所述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊依次通過用戶接入單元、數(shù)據(jù) 封裝單元、MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元連接所述高速物理層模塊；所述幀解析單元通過時隙控制單元分別連接所述數(shù)據(jù)封裝單元和所述MAC數(shù)據(jù)發(fā)送單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，所述用戶業(yè)務(wù)模塊包括控制信號處理單元、語音信號處理單元以及視頻信號處理單元；控制信號處理單元用于采集處理控制信號以及開關(guān)量信號，并將各自的有效數(shù)據(jù)存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；語音信號處理單元用于采集處理模擬語音信號，數(shù)字化處理，并將語音數(shù)字信號存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；視頻信號處理單元用于采集處理模擬視頻信號，數(shù)字化處理，并將圖像信號存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊；控制信號處理單元、語音信號處理單元以及視頻信號處理單元均通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存FIFO模塊連接所述接入節(jié)點MAC層模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括接入點光電轉(zhuǎn)換單元和輸出點電光轉(zhuǎn)換單元；所述接入點光電轉(zhuǎn)換單元用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過高速物理層模塊發(fā)送到接入節(jié)點MAC層模塊；所述輸出點電光轉(zhuǎn)換單元用于將通過高速物理層模塊從所述接入節(jié)點MAC層模塊發(fā)送過來的電信號轉(zhuǎn)換為光信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號的模式是連續(xù)性接收，所述光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)射光信號模式是突發(fā)性發(fā)射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置，其特征在于，還包括輔助模塊，所述輔助模塊包括FPGA配置單元和時鐘源；FPGA配置單元用于將配置數(shù)據(jù)固化在一個FPGA配置單元中；時鐘源用于提供時鐘基準；所述FPGA配置單元和所述時鐘源均分別連接所述接入節(jié)點MAC層模塊、高速物理層模塊以及用戶業(yè)務(wù)處理模塊。
9.一種基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個權(quán)利要求1至8中任一項所述基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置、光分路由器以及中心節(jié)點； 其中，所述中心節(jié)點通過光分路由器與所述基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點裝置相 連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于千兆無源光網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點系統(tǒng)，其特征在于，在上行數(shù)據(jù)傳輸時，采用時分復(fù)用的方式，即每個所述接入節(jié)點裝置在一輪通信周期中都會接收到中心節(jié)點分配的一個時隙窗口，每個所述接入節(jié)點裝置在這個時隙窗口內(nèi)開啟激光器進行數(shù)據(jù)的上傳。
【文檔編號】H04Q11/00GK103986984SQ201410155781
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】孫偲晟, 李戎, 陸赟 申請人:上海電控研究所