單芯片MSTP系統(tǒng)

Single Chip MSTP System   曾烈光 

摘要：迅速發(fā)展的城域網(wǎng)多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSTP)依托于SDH技術(shù)，大量應(yīng)用需要經(jīng)濟(jì)的解決方案。方法是采用單芯片的MSTP系統(tǒng)將相關(guān)通信新技術(shù)、新協(xié)議進(jìn)行高度集成，開發(fā)成專用芯片。單芯片MXMSTP-8可在SDH STM-1等級上提供可擴(kuò)展的MSTP解決方案，從而實現(xiàn)完善的管理以及電信與計算機(jī)數(shù)據(jù)的融合傳輸。

關(guān)鍵詞：單芯片系統(tǒng)；下一代SDH；多業(yè)務(wù)傳送平臺

Abstract:The rapidly developing Multi-Service Transport Platform (MSTP) used in the metropolitan area network is based on the SDH technology, and its large-scale application demands some economical solutions. One way is to develop specific single-chips to integrate new standards and protocols for MSTP. Single chip MXMSTP-8 is a solution at the SDH STM-1 level. It can be used for easy expansion and upgrade of MSTP, and for the improvement of system management and the converged transmission of telecom data and computer data.

Key words:SoC; NG-SDH; MSTP

      以集成電路為標(biāo)志的微電子技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。巨大的信息處理、信息存儲與信息傳輸能力無一不是建筑在高超的集成電路技術(shù)基礎(chǔ)之上。任何一項通信新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)、新協(xié)議，如果不能最終開發(fā)出專用芯片，都不可能得到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

      20世紀(jì)末提出的單芯片系統(tǒng)(SoC)將專用集成電路提高到新的高度。把一個系統(tǒng)集成在一塊芯片中，無疑將大大降低設(shè)備制造商的產(chǎn)品開發(fā)難度、成本與能耗，提高設(shè)備的可靠性，成為芯片設(shè)計者、設(shè)備制造商甚至運(yùn)營商追求的目標(biāo)。但要實現(xiàn)SoC，除了對微電子工藝的更高要求外，在芯片設(shè)計上不僅要解決系統(tǒng)方面的理論與實現(xiàn)技術(shù)，還需要解決數(shù)字模擬兼容、嵌入式CPU、軟硬件協(xié)同設(shè)計與仿真、深亞微米設(shè)計的信號完整性分析、可重用IP核技術(shù)等一系列問題。

      本文介紹單芯片多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSTP)系統(tǒng)。限于篇幅，本文略去有關(guān)的SoC設(shè)計技術(shù)的論述，僅從MSTP技術(shù)的發(fā)展背景、技術(shù)特點談起，介紹當(dāng)前已有的幾種單芯片MSTP系統(tǒng)解決方案。

1 城域傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展
      城域網(wǎng)是城市區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，各種通信技術(shù)在城域網(wǎng)上展現(xiàn)與交替。數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展大大提高了城域網(wǎng)的傳輸與處理能力，為人類的生活提供了極大方便。從城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)信息傳輸平臺的發(fā)展來看，20世紀(jì)60年代推出了準(zhǔn)同步數(shù)字傳輸體系(PDH)，可以很好地服務(wù)于電話業(yè)務(wù)。其容量從8 448 kb/s二次群發(fā)展到139 264 kb/s四次群。

      由于PDH技術(shù)的管理與保護(hù)能力薄弱，20世紀(jì)90年代推出了同步數(shù)字傳輸體系(SDH)[1]，以更高的容量(可達(dá)40 Gb/s)和更完善的管理能力與自愈保護(hù)能力得到了廣泛的應(yīng)用，成為城域網(wǎng)的骨干技術(shù)。

      從20世紀(jì)末到今天，Internet神話般地得到了飛速發(fā)展，把一度被全球通信界看好的綜合寬帶網(wǎng)的主角：異步傳輸模式(ATM)擠到配角的位置。以計算機(jī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)為特征的業(yè)務(wù)量猛增，給以傳送電話業(yè)務(wù)為主的傳統(tǒng)城域網(wǎng)以巨大的沖擊，迫使城域網(wǎng)必須能高效地接納和傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。沖擊的結(jié)果是：在城域網(wǎng)中頑強(qiáng)生存了70年的PDH技術(shù)劃上了句號，SDH技術(shù)提升到下一代SDH或MSTP技術(shù)。

2 MSTP技術(shù)的特點
      MSTP要解決的主要問題是如何在現(xiàn)有電信城域網(wǎng)上高效率傳送以計算機(jī)以太網(wǎng)為代表的數(shù)據(jù)處理信息，實現(xiàn)電信網(wǎng)與計算機(jī)網(wǎng)的融合。這可以通過改造已有的城域網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)。PDH技術(shù)由于速率限制和管理能力的缺乏，已再沒有改造的潛力；通過綁定幾個E1接口來實現(xiàn)以太網(wǎng)傳送(網(wǎng)橋)的臨時解決方案遠(yuǎn)不能達(dá)到高效傳送數(shù)據(jù)的用戶需求；管理功能完善、有自愈能力、容量大、得到城域網(wǎng)廣泛應(yīng)用的SDH技術(shù)自然成為被改造的首選目標(biāo)，基于SDH的以太網(wǎng)傳送(EOS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以EOS技術(shù)為基礎(chǔ)的MSTP技術(shù)成為構(gòu)建新一代SDH或新一代城域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
MSTP的主要特點如下：

      (1)以SDH(或SONET)、光傳輸或密集(或粗)波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)做物理層。保持SDH的各種優(yōu)良特性。

      (2)多路10M/100M/1000M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包經(jīng)高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HDLC)[2]、通用成幀規(guī)程(GFP)[3]或基于SDH的鏈路接入規(guī)程(LAPS)[4]封裝后通過SDH的虛容器(VC)級聯(lián)在SDH網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

      (3)通過鏈路容量調(diào)整方案(LCAS)[5]，傳送以太網(wǎng)的VC數(shù)目可以根據(jù)帶寬需求變化無損地增加或減少(即無損帶寬調(diào)整)；參加虛級聯(lián)的VC若發(fā)生故障，可以自動被剔除而不影響以太網(wǎng)的完整傳輸。

      (4)能容忍虛級聯(lián)組(傳輸某路以太網(wǎng)的所有VC)中各VC有完全獨立的傳輸路徑，接受不同路徑之間足夠大的時延差。

      (5)綜合傳輸以E1/T1接口為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)。

3 MSTP芯片解決方案

3.1 TRANSWITCH、GALAZAR、AGERE公司的MSTP芯片解決方案

      TRANSWITCH、GALAZAR、AGERE公司的MSTP芯片解決方案如下：
      (1)在SDH網(wǎng)絡(luò)上加入EOS插板
      如果原建的SDH網(wǎng)元設(shè)備有總線擴(kuò)展插槽，可以用EOS功能插板，進(jìn)行以太網(wǎng)接入的功能擴(kuò)展。TRANSWITCH公司開發(fā)的EOS芯片TXC-04212、TXC-04226等可完成以太網(wǎng)到SDH總線的映射。前者適用同步轉(zhuǎn)移模式-4(STM-4)的總線，后者適用STM-1的總線。該芯片的不足之處是只支持單總線的映射，對雙向雙總線并發(fā)選收的SDH系統(tǒng)不是很適配。

      (2)開發(fā)新的MSTP設(shè)備
      更多的芯片公司立足開發(fā)單芯片的MSTP系統(tǒng)，設(shè)備制造商可以用這些芯片來方便地開發(fā)新的MSTP設(shè)備。這些芯片包括了從EOS、E1映射到高階物理層處理的功能。如GALAZAR公司的芯片MSF250和AGERE公司的芯片TMPRFE2G5等。這些芯片比較適合大容量(如622 Mb/s以上)高端應(yīng)用，用在STM-1的速率上或用來替代PDH產(chǎn)品不是很適合(或不是很經(jīng)濟(jì))。

3.2 中國的單芯片MSTP系統(tǒng)解決方案
      中國科研院所與企業(yè)近年在政府政策引導(dǎo)和積極支持下很重視自主芯片的設(shè)計開發(fā)。多家企業(yè)已經(jīng)或正在進(jìn)行SDH及MSTP的芯片開發(fā)。

      清華大學(xué)推出的單芯片MSTP系統(tǒng)解決方案：MXMSTP-8芯片是中國自主研發(fā)的方案之一。研發(fā)該片的目標(biāo)之一是為在SDH STM-1等級上提供可擴(kuò)展的、便捷的MSTP單芯片，目標(biāo)之二是為全面取代PDH系統(tǒng)提供管理完善的、電信與計算機(jī)數(shù)據(jù)高性能融合傳輸?shù)�、價格上與PDH可比的單芯片。

MXMSTP-8主要功能如下：

●支持4個10M/100M全雙工/半雙工以太網(wǎng)媒質(zhì)獨立接口(MII)到SONET/SDH的復(fù)用與解復(fù)用。
●支持一個1000M全雙工/半雙工以太網(wǎng)千兆位媒質(zhì)獨立接口(GMII)到SONET/SDH的復(fù)用與解復(fù)用。
●支持16路E1接口的處理，包括高密度雙極性(HDB3)編解碼、時鐘恢復(fù)、碼速調(diào)整與去調(diào)整，以及接收端的數(shù)字去抖動和漂移的解同步。
●支持自動動態(tài)帶寬管理LCAS。
●支持HDLC、LAPS及GFP協(xié)議封裝以太網(wǎng)幀。
●支持以太網(wǎng)的管理接口及支持基于暫停(Pause)幀的以太網(wǎng)的流量控制。
●每個10M/100M以太網(wǎng)接口可選1～48個VC-12的虛級聯(lián)。
●提供64 Mb/s、128 Mb/s的外部同步動態(tài)隨機(jī)存儲器(SDRAM)接口完成虛級聯(lián)延時差的補(bǔ)償及作為以太網(wǎng)接口的緩存。
●提供4個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包在SDH上傳輸?shù)牡燃?接口(POSL2)，8比特，可以實現(xiàn)RPR應(yīng)用[6]。
●支持63個支路單元12(TU12)的指針處理及VC-12的開銷處理。
●提供雙向STM-1幀同步、段開銷的完全處理，提供段開銷的串行輸出接口及雙向管理單元4(AU4)的高階指針處理、雙向VC-4的高階通道開銷的完全處理。
●完成雙向VC-4與STM-1的映射/去映射功能，可以通過指針調(diào)整操作容納發(fā)送VC-4數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參考時鐘之間的準(zhǔn)同步頻差或相差。
●提供兩方向的STM-1時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)。
●芯片內(nèi)含雙向STM-1的支路單元指針處理(TUPP)功能，便于多方向STM-1擴(kuò)展與交叉連接。
●提供標(biāo)準(zhǔn)Tlecom-bus VC-4總線。
●支持并發(fā)選收的雙向雙總線處理。
●采用PBGA756封裝。

      MXMSTP-8的框圖如圖1所示。

   
      MXMSTP-8的應(yīng)用有：
      (1)增加插板擴(kuò)展功能的應(yīng)用
      MXMSTP-8具有可擴(kuò)展的引出的VC-4雙向雙總線接口，利用該接口可以把EOS功能添加到原SDH系統(tǒng)中，并且單片可實現(xiàn)并發(fā)選收保護(hù)功能,其應(yīng)用如圖2所示。

    (2)單片并發(fā)選收STM-1 MSTP系統(tǒng)
      單片并發(fā)選收STM-1 MSTP系統(tǒng)框圖如圖3所示。芯片MXMSTP-8完成以太網(wǎng)與E1到SDH的映射，同時完成兩個方向的物理層處理與保護(hù)。

        (3)基于RPR的嵌入以太網(wǎng)傳輸
      被IEEE 802.17規(guī)范的RPR可以用虛級聯(lián)的VC通道做物理層，構(gòu)成環(huán)路，以公平方式實現(xiàn)環(huán)上各節(jié)點帶寬共享、保護(hù)倒換、業(yè)務(wù)分級(見圖4)。清華大學(xué)在國家“863”計劃項目支持下開發(fā)的RPR媒體訪問控制(MAC)芯片MXRPR01-7以及具有POS接口的環(huán)以太網(wǎng)芯片適合于此類應(yīng)用。

    (4)擴(kuò)展的多方向系統(tǒng)
      MXMSTP-8的高階開銷處理與TUPP處理、EOS處理都分別帶有擴(kuò)展的總線接口。利用這些擴(kuò)展總線，外加交叉連接芯片(如MXDC8X8-4)，可以構(gòu)成多方向的MSTP系統(tǒng)。

4 MSTP的測試
      市場上已有MSTP的測試儀器。如安捷倫公司的J7230，安立公司的MP1590等。這些儀器除具有SDH/SONET接口與測試功能外，還可測試在不同虛容器延遲的條件下的LCAS功能，包括增減虛容器的無損帶寬調(diào)節(jié)、故障虛容器的剔除等。GFP、LAPS及HDLC的封裝協(xié)議也是測試的基本內(nèi)容。

5 結(jié)束語
      新興的納米技術(shù)帶來集成電路技術(shù)的高速發(fā)展。以納米技術(shù)與量子理論為基礎(chǔ)的低于0.05 μm的CMOS工藝即將問世，含有生命要素碳的碳基芯片技術(shù)可能成為芯片工藝的新熱點。集成電路工藝與設(shè)計技術(shù)的高速發(fā)展為通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開啟了無限的想象空間。單芯片將可能實現(xiàn)更復(fù)雜的通信系統(tǒng)。相比未來真正的單片系統(tǒng)，單芯片的MSTP系統(tǒng)只能算是初級嘗試，在現(xiàn)階段為下一代SDH和替代PDH提供一種較為經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

6 參考文獻(xiàn)
[1] ITU-T G.709. Network Node Interface for the Optical Transport Network (OTN) [S].
[2] ITU-T X.86. Ethernet over SDH/SONET [S].
[3] ITU-T G.7041. Generic Framing Procedure [S].
[4] ITU-T X.87. Link Access Procedure for SDH [S].
[5] ITU-T G.7042. Link Capacity Adjustment Scheme [S].
[6] IEEE P802.17. Resilient Packet Ring (RPR) Access Method and Physical Layer Specifications [S].

作者簡介：
曾烈光，清華大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師，長期從事通信網(wǎng)絡(luò)與集成電路設(shè)計研究。1988年以來主持設(shè)計開發(fā)多種專用芯片并得到應(yīng)用。研究成果榮獲1987年度、1990年度、2002年度3項國家技術(shù)發(fā)明二等獎及多項省部級一、二等科技進(jìn)步獎。1992年榮獲首屆中國青年科學(xué)家獎。已發(fā)表論文150余篇。