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【摘 要】本文介绍了一个以DSP为核心的业务资源子系统硬件平台,用以提供媒体网关所需的各种资源通道,使得资源通道主要功能由软件实现而不是依赖专门定制的硬件,通过加载不同的DSP算法实现交换机所需的不同资源通道功能。
【关键词】主处理器 DSP SRIO PCIE 以太网
【中图分类号】N945.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009—9646(2008)06-0195-02
1 引言
在GSM、WCDMA和CDMA2000网络的核心网设备中,媒体网关(MGW)提供业务承载转换、互通和业务流格式处理的功能,其中,业务资源子系统是媒体网关设备的重要模块之一,完成媒体流格式的转换功能和业务承载适配功能,以满足不同网络之间、不同终端设备之间的互通功能,此外,业务资源子系统提供放音、DTMF检测、DTMF生成、DTMF收号、MFC、会议电话、FSK、传真和Modem音检测等功能。
为了实现业务资源子系统的不同功能,我们可以通过选用不同的专用芯片,通过不同的物理单板(PCB)来实现相应的功能。因此就造成实现不同资源通道的硬件设计很难做到重用,导致了硬件设计的周期长、可靠性无法在短期得到保障。另外由于软件开发是基于特定硬件平台的,故此常常要等硬件完成之后,才能够进行在线测试,使得开发工作无法做到有效并行;软件中有相当的部分要考虑特定平台的特征,软件的可扩展性和维护性非常低。
基于上述情况,我们考虑设计一个通用的硬件开发平台,通过一套共用的硬件体系架构来实现业务资源子系统不同的功能。随着数字信号处理技术和微电子技术的迅速发展,数字信号处理器(DSP)等通用可编程器件的运算能力成倍提高,而价格却显著下降,现代无线电系统越来越多的功能可以由软件实现,即软件无线电,其基本思想是使所有功能都基于同一个硬件平台,通过安装不同的软件来完成不同性质的功能。因此,具有软件可编程能力。所以我们的业务资源子系统的具体功能均可以借助于一定的DSP算法来进行实现。
2 业务资源子系统整体架构
业务资源子系统的整体架构如图1所示。
本文设计的资源提供平台充分考虑了媒体网关的应用背景,媒体网关中资源通道的提供通常是各自独立进行的,具有SPMD(单程序多数据流)的特点。因此很容易引入多DSP的并行处理架构。采用并行架构,系统具有更强的处理能力,可以在一块母板上支持更多的资源通道,从而可以平摊设计费用,使得设计具有良好的性能价格比,也为软件的功能扩充提供了物质基础,通过开发新的软件支持未来不断出现的业务需求。
整个平台的结构主要分为分下面几个部分:主控单元、电路交换单元、媒体面对外接口、控制面对外接口、逻辑控制器、DSP阵列。
下面我们将详细介绍每一个基本部分的功能和设计上的考虑。
2.1 主控单元.主控单元负责整个业务资源子系统的控制功能,它完成与MGW系统其他部分的信息交互,它可以对多个DSP进行控制和驱动,完成DSP业务程序的下载,以及进行电路交换网络的时隙分配,配合核心网的网管系统进行资源平台的本系维护、测试、软件在线升级等方面的工作,从而使得资源平台对上层系统是透明的。在资源平台的结构和资源通道功能发生变化时,上层软件不需要进行大的变动。
主控单元主处理器的选择主要从CPU的处理能力、主处理器支持的接口、程序开发平台及所支持的操作系统、资源平台的配置、资源通道的系统需求、资源平台的设计成本等方面考虑。
对于要求处理的接口协议复杂,与DSP的通信数据吞吐量大,如语音编解码(QCEL-P8K、QCELP13K、AMR、EVRC、SMV等)通道,可以采用MPC8541等处理能力强大的协议处理器,对于接口协议简单,通信量比较小的应用,如DTMF检测、MFC、会议电话等可以选用一般的单片机如MCS51,或者选择一些性价比高、处理能力相对较低的POWER PC处理器,如:MPC852等。
2.2 电路交换单元.电路域的资源通道通常是基于时隙的,因此需要一个电路交换网络,来完成时隙的分配和交换。交换网络又称为接续网络,它可由一个或多个交换器组成。通过交换器,用户入线除能与中继线相通或经过绳路互通外,还可与信令的收、发装置连接。交换器可看作是一个有M条入线和N条出线的网络,它有M x N交点都可在控制系统的控制下连通或断开。
在实际中,尤其当出、入线数目很大时,出于实现技术和经济上的考虑,常常需要用多个交换器组成一个交换网络。但无论交换网络如何组成,从外部看,它们的作用都是相同的,即可随意的选择使一条入线与一条出线连通。
高次群的PCM数据,经过交换网络的分配,送入DSP处理单元中,而经过DSP处理的数据,则可以通过交换网络进行合群。交换网络的能力由DSP的处理能力、DSP的数目、主处理器的处理能力、主处理器与系统的通信带宽来决定。
2.3 媒体面对外接口、控制面对外接口.在媒体网关中,需要完成用户和网络接入,实现传统TDM交换网络到IP分组网络之间的互通。现代网络的发展趋势是ALL IP 架构和FMC。电信网络将发生端到端的变化,所以业务资源子系统和媒体网关其他部分设备的接口可以选择:以太网、SRIO、PCIE。SRIO是基于包交换的互连技术,SRIO包由包头、可选的载荷数据和16位CRC校验组成。包头的长度因为包类型不同可能是十几到二十几字节。每包的载荷数据长度不超过256字节,这有利于减少传输时延,简化硬件实现。可选的1.25G/ 2.5G/3.125G三种速度能满足多种不同应用的需求。PCIE的连接是建立在一个双向的序列的(1-bit)点对点连接基础之上,与PCI连接形成鲜明对比的是PCI是基于总线控制,PCIE是一个多层协议,由一个对话层,一个数据交换层和一个物理层构成。目前PCIE的最高速率可达5G。千兆以太网是建立在标准以太网基础之上的一种带宽扩容解决方案,它和标准以太网以及快速以太网技术一样,都使用以太网所定义的技术规范,可支持10M/100M/1000M自适应。
媒体面接口、控制面接口可以采用专用芯片实现,也可以采用ASIC芯片定制,具体选用哪种接口方式主要决定于系统架构和背板的速率。
2.4 逻辑控制器。在业务资源子系统各个系统级单板上,各种不同的硬件设备,存在不同设备间的时序调整、地址空间的扩展、存储速率的匹配、访问方式的控制等方面的工作,为了使整个系统协调工作,就需要外加逻辑控制器来统一协调分配。
逻辑控制器可以使用CPLD来实现,也可以选择FPGA来达到我们的目的。FPGA的逻辑单元容量远远大于相同规模的CPLD的逻辑单元容量。到底选用哪一款芯片来实现,主要取决于相关逻辑功能所要求的访问速率和逻辑规模。
2.5 DSP阵列.DSP在业务资源子系统中处于非常重要的地位,它作为计算引擎,对交换网络送来的语音或者信令进行处理,完成实际的资源需求功能。
DSP的选择主要基于软件代码的大小、资源平台支持的资源通道数目、主处理器的处理能力和与系统的通信带宽、DSP芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、开发工具、功耗、还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。有些DSP系统可能最终要求的是工业级或军用级标准,在选择时就需要注意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的DSP系统不仅仅是一个实验系统,而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期,那么需要考虑所选的DSP芯片供货情况如何,是否也有同样甚至更长的生命周期等。
DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片,从而可以降低系统成本。相反,运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片。
3 结语
本文探讨了一种业务资源子系统平台,分析了它的系统结构,在今后的研究和开发过程中,我们将考虑是否可以对当前平台的结构进行完善,支持多核的DSP、多核主处理器、更高速度的背板接口,构建一个大型的DSP分布式处理环境,以适应下一代网络对平台的要求。
参考文献
[1] TMS320C6000系列DSPs原理与应用.
[2] 软件无线电技术.
【关键词】主处理器 DSP SRIO PCIE 以太网
【中图分类号】N945.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009—9646(2008)06-0195-02
1 引言
在GSM、WCDMA和CDMA2000网络的核心网设备中,媒体网关(MGW)提供业务承载转换、互通和业务流格式处理的功能,其中,业务资源子系统是媒体网关设备的重要模块之一,完成媒体流格式的转换功能和业务承载适配功能,以满足不同网络之间、不同终端设备之间的互通功能,此外,业务资源子系统提供放音、DTMF检测、DTMF生成、DTMF收号、MFC、会议电话、FSK、传真和Modem音检测等功能。
为了实现业务资源子系统的不同功能,我们可以通过选用不同的专用芯片,通过不同的物理单板(PCB)来实现相应的功能。因此就造成实现不同资源通道的硬件设计很难做到重用,导致了硬件设计的周期长、可靠性无法在短期得到保障。另外由于软件开发是基于特定硬件平台的,故此常常要等硬件完成之后,才能够进行在线测试,使得开发工作无法做到有效并行;软件中有相当的部分要考虑特定平台的特征,软件的可扩展性和维护性非常低。
基于上述情况,我们考虑设计一个通用的硬件开发平台,通过一套共用的硬件体系架构来实现业务资源子系统不同的功能。随着数字信号处理技术和微电子技术的迅速发展,数字信号处理器(DSP)等通用可编程器件的运算能力成倍提高,而价格却显著下降,现代无线电系统越来越多的功能可以由软件实现,即软件无线电,其基本思想是使所有功能都基于同一个硬件平台,通过安装不同的软件来完成不同性质的功能。因此,具有软件可编程能力。所以我们的业务资源子系统的具体功能均可以借助于一定的DSP算法来进行实现。
2 业务资源子系统整体架构
业务资源子系统的整体架构如图1所示。
本文设计的资源提供平台充分考虑了媒体网关的应用背景,媒体网关中资源通道的提供通常是各自独立进行的,具有SPMD(单程序多数据流)的特点。因此很容易引入多DSP的并行处理架构。采用并行架构,系统具有更强的处理能力,可以在一块母板上支持更多的资源通道,从而可以平摊设计费用,使得设计具有良好的性能价格比,也为软件的功能扩充提供了物质基础,通过开发新的软件支持未来不断出现的业务需求。
整个平台的结构主要分为分下面几个部分:主控单元、电路交换单元、媒体面对外接口、控制面对外接口、逻辑控制器、DSP阵列。
下面我们将详细介绍每一个基本部分的功能和设计上的考虑。
2.1 主控单元.主控单元负责整个业务资源子系统的控制功能,它完成与MGW系统其他部分的信息交互,它可以对多个DSP进行控制和驱动,完成DSP业务程序的下载,以及进行电路交换网络的时隙分配,配合核心网的网管系统进行资源平台的本系维护、测试、软件在线升级等方面的工作,从而使得资源平台对上层系统是透明的。在资源平台的结构和资源通道功能发生变化时,上层软件不需要进行大的变动。
主控单元主处理器的选择主要从CPU的处理能力、主处理器支持的接口、程序开发平台及所支持的操作系统、资源平台的配置、资源通道的系统需求、资源平台的设计成本等方面考虑。
对于要求处理的接口协议复杂,与DSP的通信数据吞吐量大,如语音编解码(QCEL-P8K、QCELP13K、AMR、EVRC、SMV等)通道,可以采用MPC8541等处理能力强大的协议处理器,对于接口协议简单,通信量比较小的应用,如DTMF检测、MFC、会议电话等可以选用一般的单片机如MCS51,或者选择一些性价比高、处理能力相对较低的POWER PC处理器,如:MPC852等。
2.2 电路交换单元.电路域的资源通道通常是基于时隙的,因此需要一个电路交换网络,来完成时隙的分配和交换。交换网络又称为接续网络,它可由一个或多个交换器组成。通过交换器,用户入线除能与中继线相通或经过绳路互通外,还可与信令的收、发装置连接。交换器可看作是一个有M条入线和N条出线的网络,它有M x N交点都可在控制系统的控制下连通或断开。
在实际中,尤其当出、入线数目很大时,出于实现技术和经济上的考虑,常常需要用多个交换器组成一个交换网络。但无论交换网络如何组成,从外部看,它们的作用都是相同的,即可随意的选择使一条入线与一条出线连通。
高次群的PCM数据,经过交换网络的分配,送入DSP处理单元中,而经过DSP处理的数据,则可以通过交换网络进行合群。交换网络的能力由DSP的处理能力、DSP的数目、主处理器的处理能力、主处理器与系统的通信带宽来决定。
2.3 媒体面对外接口、控制面对外接口.在媒体网关中,需要完成用户和网络接入,实现传统TDM交换网络到IP分组网络之间的互通。现代网络的发展趋势是ALL IP 架构和FMC。电信网络将发生端到端的变化,所以业务资源子系统和媒体网关其他部分设备的接口可以选择:以太网、SRIO、PCIE。SRIO是基于包交换的互连技术,SRIO包由包头、可选的载荷数据和16位CRC校验组成。包头的长度因为包类型不同可能是十几到二十几字节。每包的载荷数据长度不超过256字节,这有利于减少传输时延,简化硬件实现。可选的1.25G/ 2.5G/3.125G三种速度能满足多种不同应用的需求。PCIE的连接是建立在一个双向的序列的(1-bit)点对点连接基础之上,与PCI连接形成鲜明对比的是PCI是基于总线控制,PCIE是一个多层协议,由一个对话层,一个数据交换层和一个物理层构成。目前PCIE的最高速率可达5G。千兆以太网是建立在标准以太网基础之上的一种带宽扩容解决方案,它和标准以太网以及快速以太网技术一样,都使用以太网所定义的技术规范,可支持10M/100M/1000M自适应。
媒体面接口、控制面接口可以采用专用芯片实现,也可以采用ASIC芯片定制,具体选用哪种接口方式主要决定于系统架构和背板的速率。
2.4 逻辑控制器。在业务资源子系统各个系统级单板上,各种不同的硬件设备,存在不同设备间的时序调整、地址空间的扩展、存储速率的匹配、访问方式的控制等方面的工作,为了使整个系统协调工作,就需要外加逻辑控制器来统一协调分配。
逻辑控制器可以使用CPLD来实现,也可以选择FPGA来达到我们的目的。FPGA的逻辑单元容量远远大于相同规模的CPLD的逻辑单元容量。到底选用哪一款芯片来实现,主要取决于相关逻辑功能所要求的访问速率和逻辑规模。
2.5 DSP阵列.DSP在业务资源子系统中处于非常重要的地位,它作为计算引擎,对交换网络送来的语音或者信令进行处理,完成实际的资源需求功能。
DSP的选择主要基于软件代码的大小、资源平台支持的资源通道数目、主处理器的处理能力和与系统的通信带宽、DSP芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、开发工具、功耗、还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。有些DSP系统可能最终要求的是工业级或军用级标准,在选择时就需要注意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的DSP系统不仅仅是一个实验系统,而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期,那么需要考虑所选的DSP芯片供货情况如何,是否也有同样甚至更长的生命周期等。
DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片,从而可以降低系统成本。相反,运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片。
3 结语
本文探讨了一种业务资源子系统平台,分析了它的系统结构,在今后的研究和开发过程中,我们将考虑是否可以对当前平台的结构进行完善,支持多核的DSP、多核主处理器、更高速度的背板接口,构建一个大型的DSP分布式处理环境,以适应下一代网络对平台的要求。
参考文献
[1] TMS320C6000系列DSPs原理与应用.
[2] 软件无线电技术.