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處理器/DSP  

開發下一代融合網路中MoP網路閘道的設計考慮

上網時間: 2002年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:packet switch  分組交換機  multimedia  多媒體  mediation switch 

全球通訊網路在多媒體應用需求的推動下出現了融合的趨勢,開發媒體交換機是邁向下一代網路的必經之路,在融合網路中,MoP網路閘道必須具備對現有語音、視頻和數據傳輸流進行大規模匯聚的能力,本文就從多協議和多業務支援、高埠密度、QoS、MoP系統架構以及線路卡等方面闡述MoP網路閘道的設計考慮。

基於封包骨幹網路(PBN)與傳統的PSTN網路相比,在運轉和維護上更具成本效益。PBN還能更靈活簡便的升級,這有利於通訊公司提供利潤更為可觀的先進業務。基於封包的媒體傳輸方法(MoP)的快速成長得益於電路交換電話網路和封包交換數據網路的融合。為獲得更佳的成本效益並提供新業務而形成的融合網路(converged networks)其實與基於PBN的新交換架構並無兩樣。

下一代網路的分散網路閘道架構,使局端的功能轉移到網路邊緣。這種轉移意味著從專用交換和集中控制轉向更為標準化的開放式架構;而這種新興的架構還有利於服務供應商提升經營效率,從而提高競爭力並獲取更多利潤。

圖1:擁有MoP網路閘道的下一代網路。

來自設備供應商和服務供應商的市場壓力影響著下一代MoP解決方案的設計。為整合各種需求,設計人員了解載波類MoP網路閘道的主要需求就顯得尤為重要。

網路發展歷程回顧

典型的高級網路模型如圖1所示,其中客戶可以語音、撥號和寬頻接取公共網路和服務供應商網路。在下一代光接取和載波邊緣設備中,MoP網路閘道是網路架構的核心元件。這些網路閘道旨在匯聚(aggregation)、調整、封包和轉換時分多路再使用(TDM)傳輸流,並在PSTN中取代昂貴的專用第4類交換機(級聯交換機)和第5類交換機(局端數位交換機)。

理論上講,像ATM和IP這樣的封包交換技術適合於在第4類交換機中取代長途線路中的交換處理。第5類交換機的功能則隨時間的推移將變得更具分佈特性,由此形成的分散網路架構有助於推動網路邊緣的服務產生和控制。

MoP網路閘道對基於寬頻的語音(VoB)技術也相當重要,在此網路閘道通過GR-303鏈路形成VoB和第5類交換機之間的介面。這種情形下,經過封包處理的語音傳輸流穿越ATM網路在DSL架構中傳輸,或從IP網路藉由混合光纖-同軸電纜(HFC)架構傳輸。

在行動架構領域中,MoP網路閘道將對基地台系統從空中介面接收的輸入傳輸流進行譯碼,再傳輸至行動交換機,或者MoP網路閘道直接與封包網路介面以進行長途通話,而不藉由PSTN網路。上述設置無疑獲得了廣泛的支援。

過渡到MoP設備意味著通過將任意媒體,如語音或視頻或數據負荷高效而智慧地封包至單數據流光輸出(SONET/SDH或乙太網路)而實現的真正融合。這些網路閘道連同基於封包的邊緣路由器和交換機,有利於語音、視頻和數據傳輸流的大規模匯聚。隨著時間的推移,這些設備還將支援帶有QoS保障的服務終端、多協議標記切換(MPLS)、DiffServ和VPN通道。

MoP平台在由TDM傳輸設備演化的過程中,還必須滿足特定要求。首先從設計的角度考慮以下基本需求。

支援多協議

不像TDM設備,下一代MoP網路閘道平台需要在TDM、IP和ATM協議間進行交互工作,並將設備用作TDM和封包網路之間的媒體交換機。在大規模傳輸流匯聚中,同步多協議功能必須在通道或DS0級提供,並對每個DS0進行獨立的控制和動態光路參數定義。

嚴格的多協議支援本身就是一種複雜設計,包括通道關聯信號(CAS)或通用通道信號(CCS)的動態光路參數定義、PCM信號、IP/封包信號的Megaco/MGCP/H.323支援、基於ATM的語音傳輸(VToA)功能的ATM信號以及寬頻環路模擬服務(BLES)。

對於承載流,多協議支援需要即時協議、用戶數據報協議和進行IP封包處理的網際網路協議(RTP/UDP/IP)功能,以及ATM自適應層1和2(AAL1和AAL2),並支援基於ATM自適應層5的IP(IPoAAL5)。

多服務支援

圖2:MoP網路閘道的架構。

MoP網路閘道必須支援語音、傳真和撥號數據傳輸流的通道處理。這樣,通用架構能在任何時候將任何服務應用在任意埠上,而對於信號和封包處理功能則需要完全可程式的架構。

上述規定中,語音服務包括基本的音頻電話回波消除處理(高達128ms的尾隨脈衝)、音頻檢測和產生、撥號音多頻(DTMF)數位檢測和產生、語音檢測(VAD)和柔和噪音產生(CNG)。常規局域接取服務支援(CLASS)特性也是必需的,CLASS包括SS7回送音、呼叫ID、呼叫等待和呼叫進程音等。

通過IP媒體網路閘道、媒體伺服器和應用伺服器實現的PSTN網路的傳輸流匯聚消除需要支援增強服務,這些增強服務包括多路IP會議橋、語音VPN支援以及提供媒體流和其他應用於傳輸服務的語音控制入口。

傳真數據流需要數據泵終端(如V.17/V.34和T.38)來實現鏈路層功能,而遠程接取伺服器(RAS)和遠程接取集中器(RAC)中的撥號數據則需要數據機數據泵終端(如V.34/V.90/V.92)以及新興的應用於鏈路層、PPP協議和第2層隧道的基於IP的數據機(MoIP)協議。

高埠密度

在大規模配置中,為使MoP網路閘道更經濟,需要進行高度匯聚和集中處理。高密度匯聚能使服務供應商替代TDM設備中的多機架,從而在密集網路接取點中釋放有用的空間。

未來的2至3年中,這些系統的密度將從當前的OC-3至OC-12(2,016至8,064個通道)提升至OC-48至OC-192(32,256至129,064個通道)。這樣的密度要求媒體處理卡為當前的OC-3密度提供DS3,並可升級至OC-12/OC-48通道處理功能。此處的核心驅動力來自信號和封包匯聚中高密度矽片解決方案的可用性。

QoS和長途語音

終端用戶希望獲得良好的語音品質,通常指長途電話中的語音品質。在用融合網路大規模取代PSTN過程中,任何替代設備都必須提供同等的語音品質。影響整合PSTN封包網路語音品質的因素包括:

1. 端對端延遲


語音通話中為了避免明顯的品質下降,語音信號傳輸的端對端延遲必須介於150和200ms之間。該延遲由端點和封包延遲及網路或傳輸延遲組成。封包延遲的降低可直接採用較小的封包尺寸(5和2.5ms)以及可將訊框匯聚延遲降至最小的採樣積累。傳輸延遲則可通過對服務等級(CoS)或QoS保障以及核心網路由器中的MPLS(或GMPLS)協議的支援來降至最小。

2. 封包抖動


突發性數據網路不提供即時媒體(甚至在可管理網路中)所需的規則間隔數據,因此封包網路中的抖動緩衝管理相當重要。在諸多通道中支援抖動消除功能要求媒體子系統具有很大的可用數據記憶體。次最優功能性分區可能導致由記憶體引發的難以調整和克服的密度限制。在大規模採用MoP的公共網路中,需要支援大範圍網路抖動並採取有效的解決方法。

3. 封包丟失


當封包網路擁塞時,經常會出現數據丟失,從而導致語音品質下降。甚至可管理網路也有5%至10%的丟包率。該問題可採用丟包恢復和隱藏措施加以解決。有效的解決方案包括從簡單的複製技術到基於採樣的分組級插入技術。進一步的解決方案包括精確恢復以及可補償丟包的前向糾錯(FEC)技術。

4. 回波控制和消除


將PSTN四線介面轉換為封包網路雙線介面時,混合電路中的信號反射將產生回波。當端對端延遲大於50ms時,這些回波將對信號的品質產生負面影響,因此必須在連接PSTN和封包網路的網路閘道中消除回波。第4類替代系統通常需要支援尾波長度最高達128ms的回波消除器。

5. 語音壓縮


壓縮技術可實現最大的有效通道頻寬,但將影響語音品質,特別是在代碼轉換應用中(如將GSM轉換為PCM,再轉換為G.729a)。低延遲編碼技術(如G.728)不僅能解決封包延遲問題,還可改善語音品質,但其實現需以犧牲通道密度為代價。

圖3:典型的線路卡架構。

MoP網路閘道係統概述

在任何系統中,載波需要靈活、易編程的解決方案,以便在不添加新設備的條件下迅速提供服務和增添新特性,並能支援新標準。該設備需要支援高可靠性和高可用性。MoP網路閘道必須帶有內建於硬體和軟體層的冗餘支援。硬體設計需在晶片、超薄和系統級上提供備用處理,而不產生單點故障。此外,還需要高可用的RTOS、診斷功能和除錯功能。

圖2顯示了標準MoP系統的基本元件,圖中模組中的內容描述了下一代MoP網路閘道係統的各零件塊的功能。系統的基本零件包括負責網路閘道監控和管理的系統控制卡,監控和管理作業包括子系統卡的初始化和配置、系統管理、性能監控、信號和呼叫控制。

線路卡通過多個物理介面連接用戶傳輸流,並將DS0時隙匯聚至底板匯流排,以將數據流傳輸至語音處理卡。線路卡速率的範圍從T1/E1和T3/E3直至OC-3和OC-48。該線路卡通常是1+1冗餘的,並帶有線路保護和交換功能。

媒體處理卡從線路卡中接收通道化的DS0傳輸流,並將該傳輸流轉換為封包或信號。處理卡包含信號處理器、封包處理器和匯聚器(aggregator),以產生可在底板或交換架構上傳送至網路幹線卡或出口卡的高速流。

網路幹線卡可用於匯聚來自多個媒體處理卡的封包語音、傳真和數據傳輸流,並將封包映射至物理介面(如千兆位元乙太網路或SONET/SDH)。此外,幹線卡還對離開封包網路連接的傳輸流執行地址查詢、轉發和數據流路由功能。

線路卡架構

線路卡通常包含3個主要元件(如圖3所示)。線路介面單元(LIU)終止類比信號(通常指多個T1/E1/J1或T3/E3和OC介面)並完成時脈和數據恢復及線路譯碼?編碼。

LIU還對輸入信號進行抖動衰減處理,支援線路卡冗餘以及不帶延遲的無損傷保護交換。線路卡的第2個元件是訊框器。訊框器提供語音通道接取以及嵌入至訊框中的其他通訊通道接取。訊框器還提取和插入信令資訊,並進行性能監控和報告。最後,線路卡還要具備TDM底板介面和時隙交換,以將訊框器與TDM底板相連,進行局部時隙交換。

出於對可擴展性、可靠性和可交換性的考慮,線路卡設計人員需要選擇最優的設計。設計人員必須確保設計支援線路卡上的冗餘保護,即損壞的線路卡能自動由備用線路卡取代。由於存在不同的介面標準,線路卡必須支援能根據不同標準進行軟體配置的設計。

媒體處理卡架構

高密度通道媒體處理卡(OC-3容量或更高)的設計考慮必須包括DSP元件的性能和可擴展性、通用處理器以及網路處理器的潛在應用,以實現容量、成本和功率目標。數據層功能是任何架構設計的一個關鍵環節。設計人員可選擇將DSP和封包處理器整合至同一元件,也可選擇在不同的元件上最佳化DSP和封包處理功能。

第1種設計方法在相同的裸片上將數學處理DSP與用於記憶體處理的封包處理器功能相結合。這些功能需要不同的處理架構,因此它們的結合需要裸片具有極大的記憶體,或者每個DSP均帶外部儲存設備。上述兩種功能的整合還將大大增加處理卡的規格和功率。該方法適用於較低密度的設備,而無法提供適用於較高密度的可擴展解決方案。

第2種方法通過使處理引擎和分級儲存體系與應用要求相匹配,得到最佳化的DSP功能和封包處理功能的元件。該方法可明顯提高特定處理卡規格的密度,或者降低特定通道密度的功耗(通過以更高的效率整合系統記憶體)。

圖4:媒體處理卡架構。

媒體處理卡設計包含以下組成部份:

1. 藉由最佳化,能使DSP資源利用率達到最佳並適用於向量化和多路處理的信號處理器元件。晶片上控制處理器對各語音流進行控制和管理,並為底板控制器提供高級設備控制介面。
2. 藉由最佳化,完成記憶體密集型封包處理和匯聚功能的封包匯聚引擎。該設備執行層2處理功能並通過卸載和分配多種封包功能,在網路幹線卡中進一步完善高性能網路處理器。
3. 從TDM底板中,為資源引擎處理選擇適當DS0時隙的時隙交換(TSI)設備。
4. 在線路卡上完成多種管理和監控功能的控制處理器。
5. 為傳送封包傳輸流而與適當的封包和訊號底板介面的出口邏輯電路。
6. 媒體處理卡上的封包匯聚引擎非常重要,因為該設備與一組DSP元件無縫連接,理論上可產生不受系統主機處理器影響的封包流。該設備必須支援可將IP封包和ATM信元傳送至交換結構或乙太網路底板鏈接的介面,此外還必須與通用外部儲存庫介面,以將封包或信元儲存並轉發至底板或DSP元件。
7. 封包匯聚引擎還可為DSP元件管理封包的抖動和優先級陣列(或封包單元[PDU]),這顯著降低了對DSP陣列(DSP farm)的記憶體需求。該引擎還支援各種最佳化的可程式封包引擎,執行數據封包和報頭處理功能。此外,該引擎還需要管理控制層與系統主處理器之間的交互作用。

本文小結

圖4顯示了MoP網路閘道中帶有DSP子系統和封包處理系統的媒體處理卡。帶有最佳化信號和封包匯聚平台的分區方法有助於產生可擴展的系統架構,以滿足下一代多服務交換機的需求。

MoP網路閘道是開發下一代綜合網路的中心環節。通過理解網路的發展歷程及其關鍵的設計考慮,產品設計人員就能開發出獲得廣泛應用的既靈活又具成本效益的通訊系統。

作者:Kumar Ganapathy


英特爾通訊項目組


邊緣和接取部首席結構設計師


Email: kumar.ganapathy@intel.com





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