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CompactPCI架構在3G通訊系統中的RNC應用

2004/02/12

　　[摘要] CompactPCI技術(shù)是在一個(gè)系統內通過(guò)背板實(shí)現高速互連的一種非常實(shí)用的開(kāi)放標準。本文簡(jiǎn)要介紹了CompactPCI技術(shù)的發(fā)展趨勢，并結合在第三代移動(dòng)通訊系統中的一個(gè)RNC應用例子，來(lái)說(shuō)明CompactPCI在不斷更新的技術(shù)浪潮中仍然保持了穩健的市場(chǎng)應用。
　　[關(guān)鍵詞] PICMG 2.16, 帶寬，單點(diǎn)故障，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(RNC), 網(wǎng)絡(luò )接口控制器，網(wǎng)絡(luò )處理器

CompactPCI技術(shù)的發(fā)展

　　自從1994年提出了CompactPCI的技術(shù)規范PICMG2.0，許多原先基于用戶(hù)自定義的，彼此無(wú)法兼容的平臺系統已經(jīng)逐漸被這種開(kāi)放式的，有著(zhù)良好兼容性的，高可靠性的技術(shù)所取代，在工業(yè)控制，醫療，航空航天和通信等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。

　　尤其是由于CompactPCI的熱插拔特性以及現場(chǎng)可替換部件(FRU)的設計，并結合軟硬件的冗余備份機制，可以使系統在保持5個(gè)9（即每年5.26分鐘的總停機時(shí)間）的高可用性的同時(shí)，給系統帶來(lái)良好的易維護性，使得CompactPCI在通信領(lǐng)域的應用一直呈現穩步增長(cháng)。現在，在諸如媒體網(wǎng)關(guān)（VoIP，VoATM,7號信令網(wǎng)關(guān)等），Internet 路由器，軟交換，下一代網(wǎng)絡(luò )（NGN）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(RNC)，業(yè)務(wù)服務(wù)器(Feature Server)等設備中都隨處可見(jiàn)CompactPCI的應用。

　　在技術(shù)和產(chǎn)品演進(jìn)的歷程中，隨著(zhù)用戶(hù)對總線(xiàn)帶寬的要求不斷提高，廣泛應用的32bit,33MHz的CompactPCI的極限帶寬133MB/s在某些應用上就成為整個(gè)系統的瓶頸。為了適應這個(gè)帶寬需求，2001年9月，PICMG協(xié)會(huì )發(fā)布PICMG 2.16 封包交換背板規格，該規格對于在一個(gè)CompactPCI架構里業(yè)務(wù)插槽與交換插槽之間進(jìn)行10/100/1000M以太網(wǎng)互聯(lián)做了詳細定義，每個(gè)業(yè)務(wù)插槽都可以通過(guò)PICMG 2.16背板與另外一個(gè)業(yè)務(wù)插槽實(shí)現點(diǎn)到點(diǎn)1Gb/s的高速互連，而且這個(gè)連接是冗余備份的，這樣，對于一個(gè)有著(zhù)18個(gè)業(yè)務(wù)槽位的系統，其最高吞吐量就可以高達18Gb/s。IP互連帶來(lái)的另一個(gè)好處是：在數據平面已經(jīng)轉移到以太網(wǎng)上之后，PCI總線(xiàn)只用作相對簡(jiǎn)單的，完全沒(méi)有帶寬壓力的控制平面，或者干脆舍棄，用更加簡(jiǎn)潔的PICMG 2.9的串行總線(xiàn)（IPMI）來(lái)取而代之，這樣系統插槽的存在就變得沒(méi)有必要了，消除了PCI總線(xiàn)可能導致的單點(diǎn)故障之后，應用程序利用現今系統的IP互連，和IPMI協(xié)同工作就可以構成可靠性更高的系統，下一個(gè)目標是6個(gè)9（即每年30秒的總停機時(shí)間）。

　　按照這個(gè)設計理念，各個(gè)平臺產(chǎn)品廠(chǎng)家都分別推出了各具特色的基于PICMG 2.16的系統，其中摩托羅拉計算機部的多業(yè)務(wù)平臺（MXP, Muti-Service Platform）就是其中之一，它最大的特點(diǎn)是舍棄了PCI總線(xiàn)，改由PICMG 2.9串行總線(xiàn)和以太網(wǎng)負責系統管理，不再區分系統插槽和業(yè)務(wù)插槽，同時(shí)，為了滿(mǎn)足更高性能的處理器對供電的需求，單槽位的供電能力也從傳統上的30W提高到50W。以下，結合一個(gè)在第三代移動(dòng)通訊系統中用于RNC的方案，來(lái)說(shuō)明不斷更新的CompactPCI技術(shù)對應用需求的適配。

第三代移動(dòng)通訊(3G)系統中的一個(gè)RNC應用例子

　　隨著(zhù)3G牌照即將在2004年發(fā)放的呼聲此起彼伏，3G的標準完善和研發(fā)都已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性階段。為了加速產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，保持資源的重復利用和軟件投資，各大設備制造商都傾向于采用通用的統一平臺來(lái)構建3G系統。其中，采用基于CompactPCI平臺的占大多數。以下選取一個(gè)典型應用，就是用作無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器（RNC）節點(diǎn)。在3G架構中，我們通常劃分成用戶(hù)設備（UE）,無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（UTRAN） 和核心網(wǎng)（CN）三部分，如圖1。

圖1 3G架構示意圖

　　UTRAN為用戶(hù)端的移動(dòng)電話(huà)、其它無(wú)線(xiàn)設備（如PDA, 便攜計算機等）提供到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接，它包括B節點(diǎn)（Node B）和RNC。核心網(wǎng)則包括傳統電路交換連接和IP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　　從Node B到RNC的接口稱(chēng)為IuB,它包含語(yǔ)音，數據和控制信號，RNC負責控制和管理Node B,相當于2G網(wǎng)絡(luò )中的基站控制器（BSC）。RNC的另一側有三種類(lèi)型的接口，分別是：　
●RNC 到RNC之間的接口，稱(chēng)為IuR；
●RNC到核心網(wǎng)媒體網(wǎng)關(guān)電路交換側，稱(chēng)為IuCS；
●RNC到核心網(wǎng)IP交換側，稱(chēng)為IuPS．

　　這些接口的數據特性和處理要求各不相同，這就要求在設計RNC的時(shí)候綜合考慮，取好平衡點(diǎn)，最大限度發(fā)揮系統的效能。通常我們衡量一個(gè)RNC性能的重要指標是它能支持的用戶(hù)密度。比如一個(gè)實(shí)際RNC的工程規范：
在線(xiàn)用戶(hù)：2000－20，000 數據速率： 每個(gè)用戶(hù)200Kb/s
網(wǎng)絡(luò )接口控制器：STM-1 (OC3光口)－ATM 覆蓋率：1.5 －2個(gè)蜂窩小區

　　當然，可支持的用戶(hù)密度會(huì )因用戶(hù)的業(yè)務(wù)類(lèi)型而變化，例如，因特網(wǎng)瀏覽和短消息業(yè)務(wù)會(huì )使得可支持的用戶(hù)數減少。為了有一個(gè)通用的具有同比性的指標作參考，大家都習慣用"愛(ài)爾蘭"（Erlangs）作單位來(lái)表征RNC的容量。利用摩托羅拉計算機部的多業(yè)務(wù)平臺（MXP），加上封包處理資源板（PPRB,Packet Process Resource Board）,系統管理板和內置的PICMG 2.16 IP交換板,在這個(gè)21槽位，總高12U的機框中就構成了一個(gè)完整的RNC,其最大容量可以達到4500愛(ài)爾蘭。

　　這個(gè)示例RNC的結構圖如圖2。

圖2 基于21槽MXP平臺的RNC示意圖

· 6塊 PPRB 用作Iu接口控制器
· PPRB是一塊6U CPCI板型的網(wǎng)絡(luò )處理器板卡，它的核心為一個(gè)摩托羅拉公司的C5網(wǎng)絡(luò )處理器，加上一個(gè)Broadcom公司的BCM1250作為協(xié)處理器，用于上層協(xié)議和控制平面的處理。在這里，PPRB提供雙STM1網(wǎng)絡(luò )接口用于連接Iu 和IuB，每個(gè)接口都會(huì )收到三種類(lèi)型的封包，AAL2格式的語(yǔ)音包，AAL5格式的數據包，AAL5格式的控制信息包。
· 12塊 PPRB 用作選擇器，負責用戶(hù)平面的處理。
· 2塊 IP 交換板提供背板PICMG 2.16 以太網(wǎng)的點(diǎn)到點(diǎn)互連。
· 2塊通用CPU板負責系統管理和高可靠性應用。

　　在這個(gè)系統中，對于RNC的需求都可以得到滿(mǎn)足。例如：提供到WAN的 STM-1接口，提供到NodeB/Base Stations 的STM-1接口，終結/處理ATM AAL2,和ATM AAL5, 幀中繼, 千兆以太網(wǎng)。具體的信號流程在此限于篇幅，不作詳細敘述。由于PPRB單板提供了高達7400MIPS的處理能力，加上高度優(yōu)化的包處理資源，并且結合PICMG 2.16背板作為高速通道，每個(gè)單板可以支持到450愛(ài)爾蘭的用戶(hù)平面，這樣集成在一個(gè)機框中就可實(shí)現高達4500愛(ài)爾蘭容量的RNC。

結束語(yǔ)

　　技術(shù)的發(fā)展日新月異，當基于PICMG 2.16千兆以太網(wǎng)的應用正如火如荼時(shí)，一些用戶(hù)又已經(jīng)碰到了新的挑戰，應用對速度和帶寬的需求仿佛沒(méi)有止境。更大的機箱，更強的供電能力，更高的帶寬，更靈活的用戶(hù)自定義接口，這是AdvancedTCA為用戶(hù)描繪的下一代平臺，這相信對大多數用戶(hù)來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是什么嶄新概念了，雖然AdvancedTCA離真正實(shí)用可能還有較長(cháng)的一個(gè)時(shí)期，但PICMG協(xié)會(huì )也積極參與制定和完善用于下一代平臺的板間互連標準，目前已經(jīng)訂立草案的有：


PICMG 3.1 1-10 Gigabit 基于以太網(wǎng)
PICMG 3.2 1-10 Gigabit 基于Infiniband
PICMG 3.3 1-10 Gigabit 基于Star Fabric
PICMG 3.? 1-10 Gigabit 基于RapidIO

　　技術(shù)的進(jìn)步就是這樣不斷推陳出新，我們期待更加先進(jìn)和適用的技術(shù)能為生活帶來(lái)更大的便利和樂(lè )趣。

參考文獻
[1] 電子工業(yè)出版社，"第三代移動(dòng)通信：歐洲的先進(jìn)技術(shù)（上下卷）"，【美】Ramjee Prasad 編著(zhù)，楊曉春，何建吾等譯 2002年3月。
[2] 北京郵電大學(xué)出版社，"第三代蜂窩移動(dòng)通信系統－WCDMA", 張平/等編著(zhù)
[3] CompactPCI Specification Revision 2.1,PICMG authorized copy, September 2,1997
[4] White Paper, "Using the MXP Platform for an R99 3G Radio Network Controller", Chuck Hill, System Architect of Motorola Computer Group, Feb 2002
[5] PCI System Architecture (Fourth Edition), Mindshare Inc, Tom Shanley/Don Anderson,Feb 2000

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