基于FPGA的100G光传送网设计

　　采用40G/100G以太网体系结构来支持OTN

　　IEEE802.3ba是正在为40Gbps和100Gbps开发的标准。现阶段的目标是：

　　只支持全双工工作

　　保留使用802.3MAC标准的802.3/以太网帧格式

　　保留当前802.3标准的最小和最大帧长度

　　MAC/PLS业务接口支持优于10-12的BER

　　为OTN提供相应的支持

　　支持40Gbps的MAC数据速率

　　提供支持40-Gbps工作的物理层规范，包括：

　　在SMF上大于10km

　　在OM3MMF上大于100m

　　在铜缆上大于10m

　　在背板上大于1m

　　支持100Gbps的MAC数据速率

　　提供支持100-Gbps工作的物理层规范，包括：

　　在SMF上大于40km

　　在SMF上大于10km

　　在OM3MMF上大于100m

　　在铜缆上大于10m

　　如图4所示，该工程要在2010年中完成。业界对于100G的实施工作主要集中在传送网和以太网上。传送网和以太网标准在100Gbps速率等级上达成一致，这一过程从10G就开始了。

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　　图4 以太网和光传送网从10Gbps就开始了融合

　　StratixIVFPGA为100GbE OTN设计铺平了道路

　　目前的业界发展趋势是使用WDM承载以太网进行数据包传送，通过IP/MPLS/以太网传送数据。Altera40-nmStratixIVFPGA系列的定位非常适合满足100G以太网和传送系统设计的性能和系统带宽要求。StratixIVGTFPGA密度非常高，集成了在单片器件中实现100GbE/光纤通道/RPRMAC功能使用的11.3-Gbps收发器，以及OTN数据包前向纠错(FEC)、映射和成帧等关键处理功能。

　　100GbE的OTU-4标准使用增强FEC(EFEC)，必须采用专用算法进行设计才能确保最大限度的发挥光带宽优势。由于其优异的架构性能，StratixIVFPGA能够处理EFEC功能，是OTN系统算法实现和测试的理想平台。图5显示了客户在设计100GbEOTN设备时怎样使用StratixIVGTFPGA来实现上面介绍的所有功能。

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　　图5 100G OTN应用：LAN到WAN

　　OTN以及对通用客户端口的需求

　　OTN含有各种光网络单元，是高效传送业务的基础。独立的语音、视频、数据和存储网络演进构成公共骨干网，由OTN为其提供服务。OTN设备必须能够将很多不同类型的业务(以太网、SONET/SDH、ESCON、光纤通道和视频)映射到这一公共骨干网中。

　　光设备生产商不断降低成本，采用跨平台元器件，因此，灵活映射各种客户侧端口的解决方案得到了应用。FPGA是实现"通用客户侧端口"的主要元件，可以配置支持各种客户侧接口。这样，单片器件能够高效用于多种应用中。

　　为OTN提供灵活的支持

　　Altera提供适用于OTN体系结构的全系列产品，如表2所示。

　　表2 Altera器件系列产品

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　　随着应用的推广，OTN1和OTN2对成本和功耗越来越敏感。如表3所示，含有嵌入式收发器的Altera ArriaIIGXFPGA提供实现OTN1和OTN2波长转换器和交叉连接所需要的功能，具有很高的性价比和功效。

　　表3 为OTN应用提供的AlteraArriaIIGX收发器协议

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　　相对于固定标准产品解决方案，灵活的ArriaIIGXFPGA具有以下优点：

　　（1）支持新出现的映射技术，例如，用于将GE映射到OTN所需要的ODU0等。

　　（2）可以配置支持各种客户侧接口，采用同一器件实现多种应用。

　　（3）只需要重新配置FPGA就可以在同一器件中支持多种FEC和EFEC技术。

　　在单片FPGA中实现40G波长转换器设计

　　波长转换器(复用转发器)主要用于将多路低速客户侧信号汇集到高速波长上。它避免了为每一路客户侧低速信号分配独立的波长，因此，大大提高了WDM频谱效率。

　　业界分析师预测，到2013年，40G光端口应用会急剧增长。40G OTN设备越来越大的吞吐量迫切要求进一步改进FEC技术，以便能够将信号传送得更远。由于实现这些EFEC标准需要很大的逻辑容量，因此，在40Gbps速率时将通用客户端口、映射器、成帧器和EFEC集成到单片器件中难度很大。

　　然而，AlteraStratixIVGX系列经过规划，能够在单片器件中支持40G波长转换器功能，如图6所示。StratixIVGXFPGA支持各种数据、存储、TDM和视频协议的高效实现，包括GbE、光纤通道(1G、2G、4G)、SONET(OC-N)和SDH(STM-N)等，为这些需求提供所需要的逻辑密度和架构性能。所有列出的协议由Altera直接提供支持或者通过合作伙伴提供支持。

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　　图6 使用StratixIVFPGA实现波长转换器

　　StratixIVGX系列提供32个具有时钟数据恢复(CDR)电路的收发器，数据速率从600Mbps到8.5Gbps，以及带有CDR的另外16个收发器，支持从600Mbps到6.5Gbps的数据速率。StratixIVGXFPGA具有530K逻辑单元(LE)，能够支持40G全波长转换器应用。表4列出了为OTN数据速率提供的StratixIVGX收发器支持。

表4 为OTN应用提供的StratixIVGX收发器协议数据速率

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　　采用StratixIVGTFPGA进行100G OTN设计

　　最近制定标准的活动围绕100G光传送网OTN-4而进行。这些应用需要结合高速收发器和10G收发器来支持所需的吞吐量以及内核性能和逻辑密度，以便实现管理100G数据流量所需要的复杂处理功能。StratixIVGTFPGA支持客户侧10G光接口的直接连接，还可以直接连接至网络侧的100GCFP或者QSFP模块。这是非常重要的优点，因为它避免了使用外部PHY器件，大大降低了系统复杂度。表5列出了StratixIVGTFPGA支持的协议。

表5 为OTN应用提供的StratixIVGT收发器协议

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　　而且，器件支持绑定接口，例如芯片至模块和芯片至芯片连接的MLD和SFI-S。因为ITU和OIF的标准还在不断发展，因此，设备生产商可以先开发早期版本的OTN-4波长转换器、转发器和再生器。图7显示了怎样采用StratixIVGT和GX器件实现LANOTN承载100GWAN系统。

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　　图7 采用StratixIVFPGA实现LANOTN承载100GWAN系统

　　结论

　　Altera目前的40-nmFPGA系列产品结合其合作伙伴支撑系统，非常适合实现新出现的100GOTU4标准以及线路速率从2.5Gbps(OTU1)到10Gbps(OTU4)的传统OTN解决方案。Altera?FPGA涵盖了光传送网的所有应用，例如MSPP、P-OTN和运营商级以太网传送等。

　　在这一标准不断发展，出现OTU4等各种新协议的领域，需要10G数据速率以及高密度器件来实现完整的100G解决方案，AlteraStratixIV器件是目前能够满足100G系统需求的唯一FPGA。