DSL應用中DSP與NPU集成的對比

全球范圍內的數字用戶(hù)線(xiàn)（DSL）技術(shù)部署導致了復雜的硅集成問(wèn)題。這些問(wèn)題集中在如何將數字信號處理器（DSP）調制解調器（Modem）及網(wǎng)絡(luò )處理器（NPU）芯片集成在數字用戶(hù)線(xiàn)接入復用器（DSLAM）設備上。
　　迄今為止，通常還不會(huì )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(gè)單獨的器件上在短期內不大可能獲得經(jīng)濟效益。本文分析了產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)背景，并從系統的功能組成、實(shí)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(yǔ)音及音視頻內容等存儲器、處理器及帶寬密集型實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)，正通過(guò)IP連接（或網(wǎng)絡(luò )）傳輸。但用于多媒體內容的標準以及以足夠服務(wù)質(zhì)量（QoS）來(lái)可靠提交這些內容的方法目前仍處于過(guò)渡階段。
　　這意味著(zhù)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(jīng)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(wù)（例如IP語(yǔ)音業(yè)務(wù)、IPTV及在線(xiàn)游戲等）的質(zhì)量及傳輸可靠性。
　　技術(shù)背景
　　在過(guò)去幾年，曾采用兩種方法來(lái)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(shí)也意味著(zhù)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設備包含兩種架構。第一種是分布式架構，由每塊電路板線(xiàn)卡上多個(gè)使用DSP芯片的DSL modem及一個(gè)NPU或通信處理器芯片組成。這種架構允許運營(yíng)商“隨著(zhù)規模的增長(cháng)來(lái)投資”，因為一塊線(xiàn)卡在功能上就是一個(gè)獨立的DSLAM。第二種是集中式架構，它在一個(gè)公共線(xiàn)卡上采用一個(gè)高性能NPU，該線(xiàn)卡使用一個(gè)簡(jiǎn)單的背板接口器件來(lái)連接多個(gè)DSL線(xiàn)卡。
　　DSL線(xiàn)卡現在越來(lái)越靠近用戶(hù)，因為DSL的線(xiàn)路速率隨著(zhù)距離的縮短而增加，故分布式架構長(cháng)期來(lái)說(shuō)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(gè)電路板上實(shí)現，從而可安裝在一個(gè)小型的、類(lèi)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(gè)機架、一塊公共線(xiàn)卡以及一塊DSL modem卡。當然，更多的設備意味著(zhù)更高的成本。
　　DSLAM制造商正在用基本的處理能力來(lái)增強其DSL modem DSP，以使其區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)濟與性能問(wèn)題。首先，這種將DSL modem與NPU合并在一起的產(chǎn)品實(shí)際上會(huì )減少通道密度并增加DSLAM的成本，因為存儲器芯片及相關(guān)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(xiàn)卡上的情況相比，這種方法需要更多的存儲器芯片來(lái)支持DSP DSL modem與NPU功能的組合，更多的芯片則意味著(zhù)更高的成本。
　　
　　圖1：利用在兩條分離的網(wǎng)絡(luò )路徑傳輸數據的網(wǎng)絡(luò )系統結構圖
　　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(zhù)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(gè)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(wèn)題
　　增加DSP/NPU集成復雜性的另一個(gè)問(wèn)題是，在新興多媒體密集型網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，內容及內容發(fā)送的標準仍在不斷發(fā)展。通過(guò)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(mǎn)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(zhù)可降低系統開(kāi)發(fā)成本。
　　就媒體內容而言，全球的電信公司都在準備通過(guò)接入用戶(hù)的電纜或DSL在有線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)上推出付費視頻服務(wù)，而且他們正在內部使用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)或發(fā)送媒體內容。電纜/DSL接入及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等，都要求在家用調制解調器、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(guò)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-1―基于微軟Windows Media Video 9（WMV9）的SMPTE規范，以及H.264―一項由國際電聯(lián)（ITU）及MPEG協(xié)會(huì )共同采用的規范，亦稱(chēng)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迅速增長(cháng)的跡象，并正在快速向遵循WMV9及H.264兩項標準的高級聯(lián)網(wǎng)機頂盒轉換。
　　對于電信運營(yíng)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(lái)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
　　更為復雜的問(wèn)題是如何提交這些媒體內容，無(wú)論其怎樣被壓縮，都要求在非實(shí)時(shí)并基于“盡力而為”機制的互聯(lián)網(wǎng)上保持毫秒到微秒級的實(shí)時(shí)延遲時(shí)間。這些延遲時(shí)間包括網(wǎng)絡(luò )路由器上可變排隊時(shí)延、包丟棄以及秒級至數十秒級的冗長(cháng)再路由（re-routing）恢復機制等。
　　因此，服務(wù)提供商正在轉向采用新的網(wǎng)絡(luò )拓撲與網(wǎng)絡(luò )恢復機制來(lái)保護服務(wù)數據流而不是網(wǎng)絡(luò )連接或設備節點(diǎn)。例如，以太網(wǎng)提供商正在考慮用生成樹(shù)協(xié)議（STP）或快速STP來(lái)繞開(kāi)有故障的路徑。其他第2層及第3層解決方案包括SONET自動(dòng)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(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)上的應用服務(wù)彈性規范的提案。
　　這些網(wǎng)絡(luò )恢復及彈性機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 )設備與節點(diǎn)冗余。其他共同點(diǎn)是它們采用了基于網(wǎng)絡(luò )處理器的設計，這些設計的重點(diǎn)集中在控制層面上的監管功能上，例如數據包識別、分類(lèi)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(wù)彈性（圖1）利用了以下的事實(shí)，即： DSLAM等網(wǎng)絡(luò )設備通常擁有一種在兩條分離的網(wǎng)絡(luò )路徑上傳輸數據的選項，且可以使用每條路徑的一部分來(lái)傳輸冗余及受保護的數據。盡管在概念上非常簡(jiǎn)單，但這種方法將使NPU承擔正確執行識別、分類(lèi)及優(yōu)先級處理等功能。
　　在數據流的源端（發(fā)起端），數據進(jìn)入一塊線(xiàn)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(diǎn)，NPU檢查數據包頭中用于唯一標識一個(gè)數據包流的數據位，并將輸入用戶(hù)數據分類(lèi)以確定該數據流是否被保護。
　　一旦識別出一個(gè)受保護的數據包或流，NPU即為它分配一個(gè)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(gè)NPU負責識別及分類(lèi)受保護流，且只保存主路經(jīng)的數據流。但如果NPU檢測到主路經(jīng)數據流出現錯誤，即會(huì )自動(dòng)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，可通過(guò)增加額外的外部組件來(lái)進(jìn)行升級，以便根據需要“量入為出地”執行必要的操作。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)境中執行分類(lèi)、緩存、調度、流復制及組播任務(wù)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(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，但它們不是設計用來(lái)增加DSL服務(wù)能力，如更好的網(wǎng)絡(luò )彈性、更精細的網(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)機會(huì )的更多靈活性等。NPU在這些功能上更具有優(yōu)勢。
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