开发下一代综合网络中MoP网关的设计考虑

全球通信网络在多媒体应用需求的推动下出现了融合的趋势,构造媒体交换机是迈向下一代网络的必由之路,在综合网络中MoP网关必须具备对现有语音、视频和数据传输流进行大规模汇聚的能力,本文就从多协议和多业务支持、高端口密度、QoS、MoP系统架构以及线路卡等方面阐述MoP网关的设计考虑。

基于分组数据的网络(PBN)与传统的PSTN网络相比,在运转和维护上更具成本效益。PBN还能更灵活简便的升级,这有利于通信公司提供利润更为可观的先进业务。基于分组数据的媒体传输方法(MoP)的快速增长得益于电路交换电话网和分组交换数据网的综合。为获得更佳的成本效益并提供新业务而形成的综合网络(converged networks)其实与基于PBN的新交换架构并无两样。

下一代网络的分散网关架构使得中心局的职能转移到网络边缘。这种转移意味着从专用交换和集中控制转向更为标准化的开放式架构；而这种新兴的架构还有利于业务提供商提升经营效率,从而提高竞争力并获取更多利润。

来自设备供应商和业务提供商的市场压力影响着下一代MoP解决方案的设计。为综合各种需求,设计人员了解载波类MoP网关的主要需求就显得尤为重要。

网络发展历程回顾

典型的高级网络模型如图1所示,其中客户可以语音、拨号和宽带接入公共网络和业务提供商网络。在下一代光接入和载波边缘设备中,MoP网关是网络架构的核心器件。这些网关旨在汇聚(aggregation)、调整、分包和转换时分多路复用(TDM)传输流,并在PSTN中取代昂贵的专用第4类交换机(级联交换机)和第5类交换机(局端数字交换机)。

理论上讲,像ATM和IP这样的分组交换技术适合于在第4类交换机中取代长途线路中的交换处理。第5类交换机的功能则随时间的推移将变得更具分布特性,由此形成的分散网络架构有助于推动网络边缘的业务生成和控制。

MoP网关对基于宽带的语音(VoB)技术也相当重要,在此网关通过GR-303链路形成VoB和第5类交换机之间的接口。这种情形下,经过分包处理的语音传输流穿越ATM网络在DSL架构中传输,或从IP网络经过混合光纤-同轴电缆(HFC)架构传输。

在移动架构领域中,MoP网关将对基站系统从空中接口接收的输入传输流进行译码,再传输至移动交换机,或者MoP网关直接与分组网接口以进行长途通话,而不经过PSTN网络。上述设置无疑获得了广泛的支持。

过渡到MoP设备意味着通过将任意媒体(如语音或视频)或数据负荷高效而智能地分包至单数据流光输出(SONET/SDH或以太网)而实现的真正综合。这些网关连同基于分组数据的边缘路由器和交换机,有利于语音、视频和数据传输流的大规模汇聚。随着时间的推移,这些设备还将支持带有QoS保障的业务终端、多协议标记切换(MPLS)、DiffServ和VPN隧道。

MoP平台在由TDM传输设备演化的过程中,还必须满足特定要求。首先从设计的角度考虑以下基本需求。

支持多协议

不像TDM设备,下一代MoP网关平台需要在TDM、IP和ATM协议间进行交互工作,并将设备用作TDM和分组网之间的媒体交换机。在大规模传输流汇聚中,同步多协议功能必须在信道或DS0级提供,并对每个DS0进行独立的控制和动态光路参数定义。

严格的多协议支持本身就是一种复杂设计,包括信道关联信令(CAS)或通用信道信令(CCS)的动态光路参数定义、PCM信令、IP/分组信令的Megaco/MGCP/H.323支持、基于ATM的语音传输(VToA)功能的ATM信令以及宽带环路仿真业务(BLES)。

对于承载流,多协议支持需要实时协议、用户数据报协议和进行IP分包处理的互联网协议(RTP/UDP/IP)功能,以及ATM自适应层1和2(AAL1和AAL2),并支持基于ATM自适应层5的IP(IPoAAL5)。

多业务支持

MoP网关必须支持语音、传真和拨号数据传输流的信道处理。这样,通用架构能在任何时候将任何业务应用在任意端口上,而对于信号和分组数据处理功能则需要完全可编程的架构。

上述规定中,语音业务包括基本的音频电话回波消除处理(高达128ms的尾随脉冲)、音频检测和生成、拨号音多频(DTMF)数字检测和生成、语音检测(VAD)和柔和噪音生成(CNG)。常规局域接入业务支持(CLASS)特性也是必需的,CLASS包括SS7回送音、呼叫ID、呼叫等待和呼叫进程音等。

通过IP媒体网关、媒体服务器和应用服务器实现的PSTN网络的传输流汇聚消除需要支持增强业务,这些增强业务包括多路IP会议桥、语音VPN支持以及提供媒体流和其他面向传输业务的语音控制入口。

传真数据流需要数据泵终端(如V.17/V.34和T.38)来实现链路层功能,而远程接入服务器(RAS)和远程接入集中器(RAC)中的拨号数据则需要调制解调器数据泵终端(如V.34/V.90/V.92)以及新兴的应用于链路层、PPP协议和第2层隧道的基于IP的调制解调器(MoIP)协议。

高端口密度

在大规模配置中,为使MoP网关更经济,需要进行高度汇聚和集中处理。高密度汇聚能使业务提供商替代TDM设备中的多机架,从而在密集网络接入点中释放有用的空间。

未来的2至3年中,这些系统的密度将从当前的OC-3至OC-12(2,016至8,064个信道)提升至OC-48至OC-192(32,256至129,064个信道)。这样的密度要求媒体处理卡为当前的OC-3密度提供DS3,并可升级至OC-12/OC-48信道处理功能。此处的核心驱动力来自信号和分组数据汇聚中高密度硅片解决方案的可用性。

QoS和长途语音

终端用户希望获得良好的语音质量,通常指长途电话中的语音质量。在用综合网络大规模取代PSTN过程中,任何替代设备都必须提供同等的语音质量。影响综合PSTN分组网语音质量的因素包括:

1. 端对端延迟

语音通话中为了避免明显的质量下降,语音信号传输的端对端延迟必须介于150和200ms之间。该延迟由端点和分包延迟及网络或传输延迟组成。分包延迟的降低可直接采用较小的分包尺寸(5和2.5ms)以及可将帧汇聚延迟降至最小的采样积累。传输延迟则可通过对服务等级(CoS)或QoS保障以及核心网路由器中的MPLS(或GMPLS)协议的支持来降至最小。

2. 分组数据抖动

突发性数据网络不提供实时媒体(甚至在可管理网络中)所需的规则间隔数据,因此分组网中的抖动缓冲管理相当重要。在诸多信道中支持抖动消除功能要求媒体子系统具有很大的可用数据内存。次最优功能性分区可能导致由内存引发的难以调整和克服的密度限制。在大规模采用MoP的公共网络中,需要支持大范围网络抖动并采取有效的解决方法。

3. 分组数据丢失

当分组网拥塞时,经常会出现数据丢失,从而导致语音质量下降。甚至可管理网络也有5%至10%的丢包率。该问题可采用丢包恢复和隐藏措施加以解决。有效的解决方案包括从简单的复制技术到基于采样的分组级插入技术。进一步的解决方案包括精确恢复以及可补偿丢包的前向纠错(FEC)技术。

4. 回波控制和消除

将PSTN四线接口转换为分组网双线接口时,混合电路中的信号反射将产生回波。当端对端延迟大于50ms时,这些回波将对信号的质量产生负面影响,因此必须在连接PSTN和分组网的网关中消除回波。第4类替代系统通常需要支持尾波长度最高达128ms的回波消除器。

5. 语音压缩

压缩技术可实现最大的有效信道带宽,但将影响语音质量,特别是在代码转换应用中(如将GSM转换为PCM,再转换为G.729a)。低延迟编码技术(如G.728)不仅能解决分包延迟问题,还可改善语音质量,但其实现需以牺牲信道密度为代价。

MoP网关系统概述

在任何系统中,载波需要灵活、易编程的解决方案,以便在不添加新设备的条件下迅速提供业务和增添新特性,并能支持新标准。该设备需要支持高可靠性和高可用性。MoP网关必须带有内置于硬件和软件层的冗余支持。硬件设计需在芯片、超薄和系统级上提供备用处理,而不产生单点故障。此外,还需要高可用的RTOS、诊断功能和除错功能。

图2显示了标准MoP系统的基本部件,图中模块中的内容描述了下一代MoP网关系统的各部件块的功能。系统的基本部件包括负责网关监控和管理的系统控制卡,监控和管理操作包括子系统卡的初始化和配置、系统管理、性能监控、信令和呼叫控制。

线路卡通过多个物理接口连接用户传输流,并将DS0时隙汇聚至底板总线,以将数据流传输至语音处理卡。线路卡速率的范围从T1/E1和T3/E3直至OC-3和OC-48。该线路卡通常是1 + 1冗余的,并带有线路保护和交换功能。

媒体处理卡从线路卡中接收信道化的DS0传输流,并将该传输流转换为分组数据或信元。处理卡包含信号处理器、分组数据处理器和汇聚器(aggregator),以生成可在底板或交换架构上传送至网络干线卡或出口卡的高速流。

网络干线卡可用于汇聚来自多个媒体处理卡的分包语音、传真和数据传输流,并将分组数据映射至物理接口(如千兆位以太网或SONET/SDH)。此外,干线卡还对离开分组网连接的传输流执行地址查询、转发和数据流路由功能。

线路卡架构

线路卡通常包含3个主要部件(如图3所示)。线路接口单元(LIU)终止模拟信号(通常指多个T1/E1/J1或T3/E3和OC接口)并完成时钟和数据恢复及线路译码/编码。

LIU还对输入信号进行抖动衰减处理,支持线路卡冗余以及不带延迟的无损伤保护交换。线路卡的第2个部件是成帧器。成帧器提供语音信道接入以及嵌入至帧中的其他通信信道接入。成帧器还提取和插入信令信息,并进行性能监控和报告。最后,线路卡还要具备TDM底板接口和时隙交换,以将成帧器与TDM底板相连,进行局部时隙交换。

出于对可扩展性、可靠性和可交换性的考虑,线路卡设计人员需要选择最优的设计。设计人员必须确保设计支持线路卡上的冗余保护,即损坏的线路卡能自动由备用线路卡取代。由于存在不同的接口标准,线路卡必须支持能根据不同标准进行软件配置的设计。

媒体处理卡架构

高密度信道媒体处理卡(OC-3容量或更高)的设计考虑必须包括DSP器件的性能和可扩展性、通用处理器以及网络处理器的潜在应用,以实现容量、成本和功率目标。数据层功能是任何架构设计的一个关键环节。设计人员可选择将DSP和分组数据处理器集成至同一器件,也可选择在不同的器件上优化DSP和分组数据处理功能。

第1种设计方法在相同的裸片上将数学处理DSP与用于内存处理的分组数据处理器功能相结合。这些功能需要不同的处理架构,因此它们的结合需要裸片具有极大的内存,或者每个DSP均带外部存储设备。上述两种功能的集成还将大大增加处理卡的规格和功率。该方法适用于较低密度的设备,而无法提供适用于较高密度的可扩展解决方案。

第2种方法通过使处理引擎和分级存储体系与应用要求相匹配,得到优化了DSP功能和分组数据处理功能的器件。该方法可明显提高给定处理卡规格的密度,或者降低给定信道密度的功耗(通过以更高的效率集成系统内存)。

媒体处理卡设计包含以下组成部分:

1. 经过优化,能使DSP资源利用率达到最佳并适用于向量化和多路处理的信号处理器器件。片上控制处理器对各语音流进行控制和管理,并为底板控制器提供高级设备控制接口。
2. 经过优化,完成内存密集型分组数据处理和汇聚功能的分组数据汇聚引擎。该设备执行层2处理功能并通过卸载和分配多种分组数据功能,在网络干线卡中进一步完善高性能网络处理器。
3. 从TDM底板中,为资源引擎处理选择适当DS0时隙的时隙交换(TSI)设备。
4. 在线路卡上完成多种管理和监控功能的控制处理器。
5. 为传送分包传输流而与适当的分组数据和信元底板接口的出口逻辑电路。
6. 媒体处理卡上的分组数据汇聚引擎非常重要,因为该设备与一组DSP器件无缝连接,理论上可生成不受系统主机处理器影响的分组数据流。该设备必须支持可将IP分组数据和ATM信元传送至交换结构或以太网底板链接的接口,此外还必须与通用外部存储库接口,以将分组数据或信元存储并转发至底板或DSP器件。
7. 分组数据汇聚引擎还可为DSP器件管理分组数据的抖动和优先级队列(或分组数据单元[PDU]),这显著降低了对DSP阵列(DSP farm)的内存需求。该引擎还支持各种优化的可编程分组数据引擎,执行数据分包和报头处理功能。此外,该引擎还需要管理控制层与系统主处理器之间的交互作用。

本文小结

图4显示了MoP网关中带有DSP子系统和分组数据处理系统的媒体处理卡。带有优化信号和分组数据汇聚平台的分区方法有助于生成可扩展的系统架构,以满足下一代多业务交换机的需求。

MoP网关是开发下一代综合网络的中心环节。通过理解网络的发展历程及其关键的设计考虑,产品设计人员就能开发出获得广泛应用的既灵活又具成本效益的通信系统。

作者:

Kumar Ganapathy

英特尔通信项目组

边缘和接入部首席结构设计师

Email: thy@