關(guān)于DSL應(yīng)用中DSP與NPU集成的優(yōu)劣分析

全球范圍內(nèi)的數(shù)字用戶線(DSL)技術(shù)部署導(dǎo)致了復(fù)雜的硅集成問題。這些問題集中在如何將數(shù)字信號處理器(DSP)調(diào)制解調(diào)器(Modem)及網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)芯片集成在數(shù)字用戶線接入復(fù)用器(DSLAM)設(shè)備上。

迄今為止，通常還不會在同一塊芯片上集成這兩種功能，并且將這兩種功能集成在一個單獨(dú)的器件上在短期內(nèi)不大可能獲得經(jīng)濟(jì)效益。本文分析了產(chǎn)生這個問題的技術(shù)背景，并從系統(tǒng)的功能組成、實(shí)現(xiàn)以及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的角度探討集成需要考慮的主要因素。

在當(dāng)今不斷發(fā)展的電信環(huán)境中，像IP語音及音視頻內(nèi)容等存儲器、處理器及帶寬密集型實(shí)時多媒體服務(wù)，正通過IP連接(或網(wǎng)絡(luò))傳輸。但用于多媒體內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)以及以足夠服務(wù)質(zhì)量(QoS)來可靠提交這些內(nèi)容的方法目前仍處于過渡階段。

這意味著當(dāng)即使只有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)改變，就必須更換掉集成了NPU及DSP的芯片---即使所改變的標(biāo)準(zhǔn)只是針對兩者之一。一種更為經(jīng)濟(jì)高效的解決方案不是考慮將DSP功能與NPU集成在同一片IC上，而是向NPU添加功能以便改善那些日益普及的業(yè)務(wù)(例如IP語音業(yè)務(wù)、IPTV及在線游戲等)的質(zhì)量及傳輸可靠性。

技術(shù)背景

在過去幾年，曾采用兩種方法來降低DSLAM設(shè)備的成本。第一種方法是增加每塊芯片上DSL的通道數(shù)(密度)以便將更多的處理能力集中在一塊芯片上。更高的密度同時也意味著公用芯片(例如控制處理器及存儲器芯片等)的功能被分配到更多的通道上，從而降低每通道的成本。第二種節(jié)省成本的方法則是對DSP modem芯片與NPU功能進(jìn)行更多的功能性集成。

今天典型的DSLAM設(shè)備包含兩種架構(gòu)。第一種是分布式架構(gòu)，由每塊電路板線卡上多個使用DSP芯片的DSL modem及一個NPU或通信處理器芯片組成。這種架構(gòu)允許運(yùn)營商“隨著規(guī)模的增長來投資”，因?yàn)橐粔K線卡在功能上就是一個獨(dú)立的DSLAM。第二種是集中式架構(gòu)，它在一個公共線卡上采用一個高性能NPU，該線卡使用一個簡單的背板接口器件來連接多個DSL線卡。

DSL線卡現(xiàn)在越來越靠近用戶，因?yàn)镈SL的線路速率隨著距離的縮短而增加，故分布式架構(gòu)長期來說具有可維持的成本優(yōu)勢。這是因?yàn)槊芏容^小的DSLAM可在一個電路板上實(shí)現(xiàn)，從而可安裝在一個小型的、類似比薩餅包裝盒的機(jī)箱或小型機(jī)架上。而集中式架構(gòu)則需要一個機(jī)架、一塊公共線卡以及一塊DSL modem卡。當(dāng)然，更多的設(shè)備意味著更高的成本。

DSLAM制造商正在用基本的處理能力來增強(qiáng)其DSL modem DSP，以使其區(qū)別于那些不具備這些功能的競爭產(chǎn)品。例如，他們正在將分段及重組(SAR)功能與流量管理和NPU功能集成在DSP芯片上。

這種趨勢引發(fā)了一些重要的經(jīng)濟(jì)與性能問題。首先，這種將DSL modem與NPU合并在一起的產(chǎn)品實(shí)際上會減少通道密度并增加DSLAM的成本，因?yàn)榇鎯ζ餍酒跋嚓P(guān)軟件將被要求與每塊單獨(dú)的DSP工作，而不是在所有調(diào)制解調(diào)器DSP間共享其功能。其結(jié)果是，與NPU仍單獨(dú)位于線卡上的情況相比，這種方法需要更多的存儲器芯片來支持DSP DSL modem與NPU功能的組合，更多的芯片則意味著更高的成本。

圖1：利用在兩條分離的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

許多DSLAM都需要處理異步傳輸模式(ATM)上的可編程及基于IP的處理功能。將SAR與NPU功能集成在DSL modem DSP上并不一定意味著將處理這些功能。額外的處理能力要求很可能將存儲器芯片與軟件資源攤薄，從而降低通道密度。故仍需要有一個單獨(dú)的且具有更多功能(例如精細(xì)流量管理及靈活協(xié)議處理等)的全功能NPU。

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展問題

增加DSP/NPU集成復(fù)雜性的另一個問題是，在新興多媒體密集型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，內(nèi)容及內(nèi)容發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展。通過保持這兩種功能分離，設(shè)計者不必只因?yàn)楸仨殞PU或DSP中的一些功能升級以滿足媒體內(nèi)容或媒體發(fā)送的當(dāng)前要求而重新設(shè)計芯片。這種情況又意味著可降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

就媒體內(nèi)容而言，全球的電信公司都在準(zhǔn)備通過接入用戶的電纜或DSL在有線互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)上推出付費(fèi)視頻服務(wù)，而且他們正在內(nèi)部使用有線和無線網(wǎng)絡(luò)來訪問或發(fā)送媒體內(nèi)容。電纜/DSL接入及無線網(wǎng)絡(luò)等，都要求在家用調(diào)制解調(diào)器、服務(wù)器及網(wǎng)關(guān)中采用高級壓縮技術(shù)及高性能媒體DSP引擎。

將這種趨勢推向更能盈利的媒體服務(wù)是從MPEG-2及MPEG-4過渡到新興、可提供兩倍以上壓縮效率并基于DSP的視頻編碼：VC-1D基于微軟Windows Media Video 9(WMV9)的SMPTE規(guī)范，以及H.264D一項(xiàng)由國際電聯(lián)(ITU)及MPEG協(xié)會共同采用的規(guī)范，亦稱為AVC及MPEG-4第10部分。IPTV產(chǎn)業(yè)正顯露出將在全球范圍內(nèi)迅速增長的跡象，并正在快速向遵循WMV9及H.264兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的高級聯(lián)網(wǎng)機(jī)頂盒轉(zhuǎn)換。

對于電信運(yùn)營商而言，這些高級編解碼器解決方案允許在帶寬受限的寬帶網(wǎng)絡(luò)上提交高質(zhì)量視頻服務(wù)，如實(shí)況廣播及視頻點(diǎn)播(VOD)等。針對激烈的競爭，一些北美和亞洲服務(wù)商正指望用增加壓縮來提供高清頻道。

重新考慮媒體發(fā)送的服務(wù)質(zhì)量與彈性

更為復(fù)雜的問題是如何提交這些媒體內(nèi)容，無論其怎樣被壓縮，都要求在非實(shí)時并基于“盡力而為”機(jī)制的互聯(lián)網(wǎng)上保持毫秒到微秒級的實(shí)時延遲時間。這些延遲時間包括網(wǎng)絡(luò)路由器上可變排隊(duì)時延、包丟棄以及秒級至數(shù)十秒級的冗長再路由(re-routing)恢復(fù)機(jī)制等。

因此，服務(wù)提供商正在轉(zhuǎn)向采用新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)機(jī)制來保護(hù)服務(wù)數(shù)據(jù)流而不是網(wǎng)絡(luò)連接或設(shè)備節(jié)點(diǎn)。例如，以太網(wǎng)提供商正在考慮用生成樹協(xié)議(STP)或快速STP來繞開有故障的路徑。其他第2層及第3層解決方案包括SONET自動保護(hù)切換、FDDI切換、PRP智能切換及鏈路匯集等。在第4層，下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)工作組及ITU正在考慮用于流優(yōu)化以及工作于網(wǎng)絡(luò)連接端點(diǎn)上的應(yīng)用服務(wù)彈性規(guī)范的提案。

這些網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)及彈性機(jī)制的共同之處在于它們大多采用了服務(wù)流冗余，而不是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與節(jié)點(diǎn)冗余。其他共同點(diǎn)是它們采用了基于網(wǎng)絡(luò)處理器的設(shè)計，這些設(shè)計的重點(diǎn)集中在控制層面上的監(jiān)管功能上，例如數(shù)據(jù)包識別、分類與優(yōu)先級處理以及數(shù)據(jù)流層面上的高效及快速數(shù)據(jù)包處理等。

利用DSLAM的優(yōu)勢

例如，流優(yōu)化應(yīng)用服務(wù)彈性(圖1)利用了以下的事實(shí)，即： DSLAM等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常擁有一種在兩條分離的網(wǎng)絡(luò)路徑上傳輸數(shù)據(jù)的選項(xiàng)，且可以使用每條路徑的一部分來傳輸冗余及受保護(hù)的數(shù)據(jù)。盡管在概念上非常簡單，但這種方法將使NPU承擔(dān)正確執(zhí)行識別、分類及優(yōu)先級處理等功能。

在數(shù)據(jù)流的源端(發(fā)起端)，數(shù)據(jù)進(jìn)入一塊線卡中，在此初始化NPU負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)路徑操作，如協(xié)議封裝與轉(zhuǎn)發(fā)以及控制通路上的相應(yīng)功能等。在這一點(diǎn)，NPU檢查數(shù)據(jù)包頭中用于唯一標(biāo)識一個數(shù)據(jù)包流的數(shù)據(jù)位，并將輸入用戶數(shù)據(jù)分類以確定該數(shù)據(jù)流是否被保護(hù)。

一旦識別出一個受保護(hù)的數(shù)據(jù)包或流，NPU即為它分配一個優(yōu)先級，并將其緩存以便在主路徑及輔路徑上發(fā)送。優(yōu)先級處理賦予受保護(hù)的數(shù)據(jù)包比未受保護(hù)的數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先級。在受保護(hù)流兩條路徑的終端，另一個NPU負(fù)責(zé)識別及分類受保護(hù)流，且只保存主路經(jīng)的數(shù)據(jù)流。但如果NPU檢測到主路經(jīng)數(shù)據(jù)流出現(xiàn)錯誤，即會自動切換到備用路徑上，保存此路徑上到達(dá)的所有數(shù)據(jù)并丟棄主路徑上的數(shù)據(jù)。

具有最低或不具備快速恢復(fù)能力的現(xiàn)有系統(tǒng)，可通過增加額外的外部組件來進(jìn)行升級，以便根據(jù)需要“量入為出地”執(zhí)行必要的操作。與集成DSP功能相比，集成那些用于在新型媒體密集型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中執(zhí)行分類、緩存、調(diào)度、流復(fù)制及組播任務(wù)而設(shè)計的功能更為有效。

本文小結(jié)

總之，在NPU中集成那些可支持必要服務(wù)操作的功能及服務(wù)更有意義。DSP可定制以便集成及增加通道的密度與速度，但它們不是設(shè)計用來增加DSL服務(wù)能力，如更好的網(wǎng)絡(luò)彈性、更精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)流量管理、更完善服務(wù)保證以及用于處理新服務(wù)機(jī)會的更多靈活性等。NPU在這些功能上更具有優(yōu)勢。