關于DSL應用中DSP與NPU集成的優(yōu)劣分析

全球范圍內的數字用戶線(DSL)技術部署導致了復雜的硅集成問題。這些問題集中在如何將數字信號處理器(DSP)調制解調器(Modem)及網絡處理器(NPU)芯片集成在數字用戶線接入復用器(DSLAM)設備上。

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的器件上在短期內不大可能獲得經濟效益。本文分析了產生這個問題的技術背景，并從系統(tǒng)的功能組成、實現以及標準發(fā)展的角度探討集成需要考慮的主要因素。

在當今不斷發(fā)展的電信環(huán)境中，像IP語音及音視頻內容等存儲器、處理器及帶寬密集型實時多媒體服務，正通過IP連接(或網絡)傳輸。但用于多媒體內容的標準以及以足夠服務質量(QoS)來可靠提交這些內容的方法目前仍處于過渡階段。

這意味著當即使只有一項標準改變，就必須更換掉集成了NPU及DSP的芯片---即使所改變的標準只是針對兩者之一。一種更為經濟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(例如IP語音業(yè)務、IPTV及在線游戲等)的質量及傳輸可靠性。

技術背景

在過去幾年，曾采用兩種方法來降低DSLAM設備的成本。第一種方法是增加每塊芯片上DSL的通道數(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功能進行更多的功能性集成。

今天典型的DSLAM設備包含兩種架構。第一種是分布式架構，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。這種架構允許運營商“隨著規(guī)模的增長來投資”，因為一塊線卡在功能上就是一個獨立的DSLAM。第二種是集中式架構，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線卡現在越來越靠近用戶，因為DSL的線路速率隨著距離的縮短而增加，故分布式架構長期來說具有可維持的成本優(yōu)勢。這是因為密度較小的DSLAM可在一個電路板上實現，從而可安裝在一個小型的、類似比薩餅包裝盒的機箱或小型機架上。而集中式架構則需要一個機架、一塊公共線卡以及一塊DSL modem卡。當然，更多的設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其DSL modem DSP，以使其區(qū)別于那些不具備這些功能的競爭產品。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)了一些重要的經濟與性能問題。首先，這種將DSL modem與NPU合并在一起的產品實際上會減少通道密度并增加DSLAM的成本，因為存儲器芯片及相關軟件將被要求與每塊單獨的DSP工作，而不是在所有調制解調器DSP間共享其功能。其結果是，與NPU仍單獨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絡路徑傳輸數據的網絡系統(tǒng)結構圖

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的且具有更多功能(例如精細流量管理及靈活協(xié)議處理等)的全功能NPU。

標準發(fā)展問題

增加DSP/NPU集成復雜性的另一個問題是，在新興多媒體密集型網絡環(huán)境中，內容及內容發(fā)送的標準仍在不斷發(fā)展。通過保持這兩種功能分離，設計者不必只因為必須將NPU或DSP中的一些功能升級以滿足媒體內容或媒體發(fā)送的當前要求而重新設計芯片。這種情況又意味著可降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

就媒體內容而言，全球的電信公司都在準備通過接入用戶的電纜或DSL在有線互聯網骨干網上推出付費視頻服務，而且他們正在內部使用有線和無線網絡來訪問或發(fā)送媒體內容。電纜/DSL接入及無線網絡等，都要求在家用調制解調器、服務器及網關中采用高級壓縮技術及高性能媒體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一項由國際電聯(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產業(yè)正顯露出將在全球范圍內迅速增長的跡象，并正在快速向遵循WMV9及H.264兩項標準的高級聯網機頂盒轉換。

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

重新考慮媒體發(fā)送的服務質量與彈性

更為復雜的問題是如何提交這些媒體內容，無論其怎樣被壓縮，都要求在非實時并基于“盡力而為”機制的互聯網上保持毫秒到微秒級的實時延遲時間。這些延遲時間包括網絡路由器上可變排隊時延、包丟棄以及秒級至數十秒級的冗長再路由(re-routing)恢復機制等。

因此，服務提供商正在轉向采用新的網絡拓撲與網絡恢復機制來保護服務數據流而不是網絡連接或設備節(jié)點。例如，以太網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自動保護切換、FDDI切換、PRP智能切換及鏈路匯集等。在第4層，下一代網絡(NGN)工作組及ITU正在考慮用于流優(yōu)化以及工作于網絡連接端點上的應用服務彈性規(guī)范的提案。

這些網絡恢復及彈性機制的共同之處在于它們大多采用了服務流冗余，而不是網絡設備與節(jié)點冗余。其他共同點是它們采用了基于網絡處理器的設計，這些設計的重點集中在控制層面上的監(jiān)管功能上，例如數據包識別、分類與優(yōu)先級處理以及數據流層面上的高效及快速數據包處理等。

利用DSLAM的優(yōu)勢

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

在數據流的源端(發(fā)起端)，數據進入一塊線卡中，在此初始化NPU負責處理數據路徑操作，如協(xié)議封裝與轉發(fā)以及控制通路上的相應功能等。在這一點，NPU檢查數據包頭中用于唯一標識一個數據包流的數據位，并將輸入用戶數據分類以確定該數據流是否被保護。

一旦識別出一個受保護的數據包或流，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的數據包比未受保護的數據包更高的優(yōu)先級。在受保護流兩條路徑的終端，另一個NPU負責識別及分類受保護流，且只保存主路經的數據流。但如果NPU檢測到主路經數據流出現錯誤，即會自動切換到備用路徑上，保存此路徑上到達的所有數據并丟棄主路徑上的數據。

具有最低或不具備快速恢復能力的現有系統(tǒng)，可通過增加額外的外部組件來進行升級，以便根據需要“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絡環(huán)境中執(zhí)行分類、緩存、調度、流復制及組播任務而設計的功能更為有效。

本文小結

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