xi Vandaag ligt de voornaamste hinderpaal voor residentiële toegang tot breedband Internet en andere diensten in het toegangsnetwerk, het laatste eindje bekabeling of draadloze infrastructuur dat de individuele abonnees verbindt met het netwerk. Er is een sterke vraag naar meer bandbreedte in het toegangsnetwerk, en weldra zal deze vraag de mogelijkheden overtreffen van de oude koperen bekabeling, die voor telefoon of kabeltelevisie werd aangelegd, en die we hergebruiken voor breedbandverkeer. Een veelbelovende nieuwe breedband toegangstechnologie, die vandaag wereldwijd ontplooid wordt, is het Passieve Optische Netwerk of PON. PONs steunen op glasvezelbekabeling die zich uitstrekt tot aan de Optische Netwerk Units (ONUs), en deze worden geplaatst bij de abonnee thuis, in de kelder van een appartementsgebouw, of op de hoek van de straat. Naast de hoge datacapaciteit, en de immuniteit voor elektronische interferentie eigen aan optische vezel, is een belangrijk voordeel van een PON dat er zich geen actieve componenten bevinden tussen het netwerktoegangspunt, waar de PON is afgesloten op een Optische LijnTerminator of OLT, en de ONUs. Zo wordt een transparant, vertakt glasvezelnetwerk gebouwd met een lange levensduur en een enorme datacapaciteit, waarop meerdere ONUs worden aangesloten die een deel van de glasvezels gemeenschappelijk gebruiken, zodat de kosten worden gedrukt. Er bestaan reeds verschillende PON systemen vandaag. Gigabit PON of GPON is het meest krachtige PON protocol, en ondersteunt een waaier aan breedbanddiensten met de meest uitgebreide set aan voorzieningen voor netwerkexploitatie en onderhoud (Operation Administration and Maintenance, OAM). Vergeleken met gelijkaardige ATM of Ethernet PON technologie, biedt een FSAN GPON veruit de hoogste datacapaciteit en efficiëntie. Het hoofdthema van deze thesis is het bepalen van de performantie van het stroomopwaartse transmissiepad in een GPON, van abonnee naar netwerk. Dit is geen eenvoudige opdracht omwille van de hoge bitsnelheid, 1,25 gigabit per seconde, en vanwege het feit dat meervoudige toegang in het tijdsdomein snelle, intermitterende transmissie vraagt: elke ONU stuurt korte datapakketten of bursts uit, die zich, tijdens de propagatie in het vezelnetwerk, op nanosecondenschaal
xii invoegen tussen de pakketten van andere abonnees, op weg naar de OLT. Betrouwbare PON bursttransmissie aan gigabit snelheden vereist een zeer nauwkeurige timing (o.m. lage jitter) en een zeer ruim dynamisch bereik. Met dit doel werd een controleplatform ontworpen, gebouwd en gevalideerd, dat uit hardware en software bestaat, en een gigabit datadebiet kan verwerken. Dergelijke systemen, die een groot deel van hun functionaliteit halen uit intelligente modules die erin zijn ingebed, worden vaak ingebedde systemen genoemd naar het engelse embedded systems. Het ingebedde systeem dat we hierbij beschrijven heeft bewezen dat het oorspronkelijke doel werd gehaald. Het liet toe de complexe hogesnelheidschips aan te sturen en te testen, die gaandeweg binnen INTEC_design voor Gigabit PON netwerken werden ontworpen. Dit zijn de voornaamste taken ervan: Een snelle opeenvolging van databursts genereren en uitzenden aan 1,25Gbps in ware tijd, via een of twee laseraanstuurcircuits gebouwd voor bursttransmissie. Deze databursts ontvangen na propagatie over het vezelnetwerk, ondanks grote niveauverschillen van burst tot burst, en korte intervaltijden tussen de bursts. De datainhoud van de ontvangen bursts uitlezen ondanks het feit dat de bitfaze van elke ontvangen burst onvoorspelbaar is. Transmissie-experimenten opzetten over langere tijd, en de bitfoutprobabiliteit berekenen bij bursttransmissie. Functioneren als een test platform voor de evaluatie van kanaalcodering.. De hardwarekern van dit systeem is zo soepel opgebouwd, dat verschillende chipsop-maat en optische zend- en ontvangmodules (Optische Front-Ends, OFEs) kunnen worden ondersteund. Deze soepelheid werd mogelijk door een ruim gebruik van programmeerbare componenten: componenten met een vaste architectuur zoals microprocessoren, en componenten met een programmeerbare logische architectuur zoals FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Ook was een doordachte plaatsing nodig van componenten en interfaces, en een oordeelkundige verdeling van taken over de verschillende programmeerbare bouwstenen. Het digitale deel van het hogesnelheidsdatapad, en taken die moeten worden uitgevoerd in harde ware tijd, werden in FPGA geplaatst. Digitale signaalprocessoren (DSPs) staan in voor het beheer van dit LaboratoriumTestBed (LTB), voor zijn communicatie met de buitenwereld over Ethernet, en voor de implementatie van de configuratie-op-afstand van de FPGAs, die toelaat de taken en de signaalverwerking aan te passen tot op bitniveau. Na studie van de gewenste functionaliteit, efficiëntie en kost, werd een architectuur gebruikt waarin twee identieke DSP processoren met elkaar zijn verbonden door een brug-fpga, zodat elke DSP bijna onafhankelijk tijdkritische taken kan uitvoeren, maar toch breedbandtoegang heeft tot de andere DSP.
xiii Door specifieke programmatuur wordt dit bord met twee DSP processoren het controleplatform dat het ingebedde systeem bestuurt, en dat samenwerkt met het dataplatform, dat de datastroom aan hoge snelheid afhandelt. Het controleplatform beheert het LTB, en is verantwoordelijk voor Ethernet communicatie, FPGA configuratie, FPGA communicatie, minder tijdkritische signaalverwerkingstaken en systeembeheer. Elk van de twee DSPs heeft een specifieke opdracht, die ook blijkt uit de verschillende componenten die deze DSP processor op de kaart omringen. De slaaf-dsp staat in voor programmatuur van en communicatie met de FPGAs die het dataplatform vormen, en heeft rechtstreekse toegang nodig tot voldoend ruime geheugenbouwstenen om de FPGA configuratiedata in op te slaan. De meester-dsp zet, via een Ethernet bouwsteen op de kaart, een netwerkverbinding op met een PC over het netwerk, en verzorgt beheerstaken. Deze aanpak met twee processoren garandeert dat interrupts afkomstig van de netwerkcommunicatie correct en tijdig kunnen worden afgehandeld, ondanks het feit dat op dat ogenblik hardware-kritische taken worden uitgevoerd, zoals FPGA configuratie. Om dit mogelijk te maken is de brug-fpga uitgevoerd als een ontkoppelde geheugenbus, op een manier die bidirectionele communicatie toelaat aan hoge snelheid, en maar een minimum aan software vraagt. De software voor dit controleplatform werd in drie lagen opgebouwd, een hardware aanstuurlaag, een besturingssysteem (OS), en een toepassingslaag. Het besturingssysteem schermt de gebruiker en de toepassingssoftware af van de complexe hardware, het vereenvoudigt de programmeeropdracht, en maakt het controleplatform meer generiek en bruikbaarder voor andere toepassingen. Bij de applicatiemodules, die zich bevinden in de toepassingslaag en specifiek zijn voor GPON, horen FPGA configuratie, FPGA communicatie en onderhoud van het systeem. Om het gedrag van het systeem-in-werking te kunnen aanpassen, en om autonome werking mogelijk te maken, werd de mogelijkheid ingebouwd om de FPGAs van op aftand te (her)configureren. De zorg waarmee dit moest worden geïmplementeerd weegt ruim op tegen de flexibiliteit en efficiëntie die hiermee wordt behaald. Een andere belangrijke taak van dit controleplatform is de uitwisseling van data met de buitenwereld, van waaruit het LTB wordt aangestuurd en opgevolgd. Op basis van zgn. sockets werd een grafische gebruikersinterface ontwikkeld, die met het LTB communiceert via Internet. Zo heeft de gebruiker een generische, robuuste en vriendelijke toegang tot het LTB. Het dataplatform is in ruime bewoordingen verantwoordelijk voor de configuratie van de GPON chipset, de datacommunicatie aan hoge snelheid, en de taken die, op nanosecondenschaal, in harde ware tijd verlopen. De functionaliteit ervan kan in twee luiken worden opgedeeld:
xiv Een aantal basisbouwblokken zoals de klokboom, het hogesnelheidsdatapad, de logica voor chipsetconfiguratie, en de SDRAM controller. Toepassingsbouwblokken zoals nodig voor meting van de burstbitfoutprobabiliteit (BBER), en voor kanaalcodering en decodering. De klokboom bevat drie klokdomeinen, een 155MHz domein voor bytecommunicatie met de laseraanstuurschakeling, een 77,5MHz domein voor de SDRAM controller, en een 30MHz domein voor DSP communicatie. Dat dit ingebedde systeem toeliet van verder te gaan dan zijn oorspronkelijke specificaties, werd duidelijk toen we volgend probleem aanpakten, nadat de BBER metingen een feit waren. Tot nogtoe was de enige manier om een klasse B GPON systeem te bouwen, dat 20km kan overbruggen aan 1,25Gbps, het gebruik van lasers met verdeelde feedback (Distributed Feedback, DFB) in de ONU zenders. Een GPON kan echter tot 64 ONUs bevatten, en de hoge kostprijs van DFB lasers maakt dit een dure oplossing. De meer gangbare, goedkopere Fabry Perot (FP) laser, waarin de caviteit wordt begrensd door gekliefde spiegels, is een mogelijk alternatief, maar genereert een breder optisch spectrum met meerdere longitudinale modi. En dit veroorzaakt modepartitieruis (MPN) bij propagatie in een vezel met chromatische dispersie. Wanneer men FP lasers gebruikt aan bitsnelheden boven de 1Gbps, beperkt MPN de afstand die kan worden overbrugd. Dit probleem vormde de aanzet tot een tweede onderzoeksthema van deze thesis, nml. de speurtocht naar kanaalcoderingstechnieken die de impact van MPN kunnen tegengaan, en de BBER performantie kunnen verbeteren. Klassieke lijncodering zoals lengtebeperking, dispariteitcontrole, scrambling en 8B10B zijn uitstekend om een gebalanceerde datastroom aan te maken met goede statistische eigenschappen. De gebruikelijke scrambling, die geen spectrumtoename veroorzaakt, is een goede aanpak voor PONs met DFB lasers, maar niet voor gigabit PONs met FP lasers, die lijden aan MPN. Studies laten vermoeden dat een mogelijke oplossing om de impact van MPN te verminderen bestaat uit een reductie van de gemiddelde aan-tijd van de zendlaser. Dit kan door het gemiddelde aantal logische nullen, corresponderend met laser uit, in de datastroom te verhogen. Gezien de GPON BMLD gelijkspanningsgekoppeld is, is een gebalanceerde datastroom niet strikt vereist. Ook de BM-RX is gelijkspanningsgekoppeld, en kan datastromen verwerken waarin tot 72 opeenvolgende enen of nullen optreden. Dit maakt het mogelijk van een ongebalanceerde datastroom te verwerken met meer nullen dan enen, en met relatief lange sequenties van opeenvolgende nullen. Met dit doel voor ogen werd een gestuurd scrambling algoritme ontworpen. Resultaten van simulaties en hardware emulaties bevestigen dat zo de BBER kan worden verlaagd. Maar dit verschuift enkel de BBER curve, en heeft weinig of geen invloed op de helling ervan. Door deze gestuurde scrambling te combineren met voorwaartse foutcorrectie (Forward Error Correction, FEC), haalden we een bitfoutprobabiliteit
xv 10 beneden 10 bij transmissie met een FP laser over 7km dispersieverschoven vezel (DSF) van het type G653. Omdat gestuurde scrambling foutextensie veroorzaakt, werd een nieuw burstfoutcorrectie-algoritme ontwikkeld en toegepast, dat tot bijna 2t continue fouten kan herstellen. Bovendien veroorzaakt de aaneenschakeling van twee FEC decoders geen bijkomende spectrumverbreding. Nadat het oorspronkelijke doel van het LTB was gehaald, heeft de studie van dit MPN probleem geleid tot een uitbreiding van de haalbaarheidsgrenzen voor recente PON netwerken. Hoewel de voorgestelde gestuurde scrambling nog niet is opgenomen in de GPON standaard, zijn we van oordeel dat dit een goed voorstel is om de performantie te verhogen aan een zeer beperkte kost.