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CompactPCI架構在3G通訊系統(tǒng)中的RNC應用

2004/02/12

　　[摘要] CompactPCI技術是在一個系統(tǒng)內通過背板實現高速互連的一種非常實用的開放標準。本文簡要介紹了CompactPCI技術的發(fā)展趨勢，并結合在第三代移動通訊系統(tǒng)中的一個RNC應用例子，來說明CompactPCI在不斷更新的技術浪潮中仍然保持了穩(wěn)健的市場應用。
　　[關鍵詞] PICMG 2.16, 帶寬，單點故障，無線網絡控制器(RNC), 網絡接口控制器，網絡處理器

CompactPCI技術的發(fā)展

　　自從1994年提出了CompactPCI的技術規(guī)范PICMG2.0，許多原先基于用戶自定義的，彼此無法兼容的平臺系統(tǒng)已經逐漸被這種開放式的，有著良好兼容性的，高可靠性的技術所取代，在工業(yè)控制，醫(yī)療，航空航天和通信等領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(tǒng)在保持5個9（即每年5.26分鐘的總停機時間）的高可用性的同時，給系統(tǒng)帶來良好的易維護性，使得CompactPCI在通信領域的應用一直呈現穩(wěn)步增長。現在，在諸如媒體網關（VoIP，VoATM,7號信令網關等），Internet 路由器，軟交換，下一代網絡（NGN）無線網絡控制器(RNC)，業(yè)務服務器(Feature Server)等設備中都隨處可見CompactPCI的應用。

　　在技術和產品演進的歷程中，隨著用戶對總線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系統(tǒng)的瓶頸。為了適應這個帶寬需求，2001年9月，PICMG協(xié)會發(fā)布PICMG 2.16 封包交換背板規(guī)格，該規(guī)格對于在一個CompactPCI架構里業(yè)務插槽與交換插槽之間進行10/100/1000M以太網互聯(lián)做了詳細定義，每個業(yè)務插槽都可以通過PICMG 2.16背板與另外一個業(yè)務插槽實現點到點1Gb/s的高速互連，而且這個連接是冗余備份的，這樣，對于一個有著18個業(yè)務槽位的系統(tǒng)，其最高吞吐量就可以高達18Gb/s。IP互連帶來的另一個好處是：在數據平面已經轉移到以太網上之后，PCI總線只用作相對簡單的，完全沒有帶寬壓力的控制平面，或者干脆舍棄，用更加簡潔的PICMG 2.9的串行總線（IPMI）來取而代之，這樣系統(tǒng)插槽的存在就變得沒有必要了，消除了PCI總線可能導致的單點故障之后，應用程序利用現今系統(tǒng)的IP互連，和IPMI協(xié)同工作就可以構成可靠性更高的系統(tǒng)，下一個目標是6個9（即每年30秒的總停機時間）。

　　按照這個設計理念，各個平臺產品廠家都分別推出了各具特色的基于PICMG 2.16的系統(tǒng)，其中摩托羅拉計算機部的多業(yè)務平臺（MXP, Muti-Service Platform）就是其中之一，它最大的特點是舍棄了PCI總線，改由PICMG 2.9串行總線和以太網負責系統(tǒng)管理，不再區(qū)分系統(tǒng)插槽和業(yè)務插槽，同時，為了滿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(tǒng)上的30W提高到50W。以下，結合一個在第三代移動通訊系統(tǒng)中用于RNC的方案，來說明不斷更新的CompactPCI技術對應用需求的適配。

第三代移動通訊(3G)系統(tǒng)中的一個RNC應用例子

　　隨著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)都已經進入到實質性階段。為了加速產品研發(fā)進度，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(tǒng)一平臺來構建3G系統(tǒng)。其中，采用基于CompactPCI平臺的占大多數。以下選取一個典型應用，就是用作無線網絡控制器（RNC）節(jié)點。在3G架構中，我們通常劃分成用戶設備（UE）,無線接入網（UTRAN） 和核心網（CN）三部分，如圖1。

圖1 3G架構示意圖

　　UTRAN為用戶端的移動電話、其它無線設備（如PDA, 便攜計算機等）提供到有線網絡的連接，它包括B節(jié)點（Node B）和RNC。核心網則包括傳統(tǒng)電路交換連接和IP網絡服務。

　　從Node B到RNC的接口稱為IuB,它包含語音，數據和控制信號，RNC負責控制和管理Node B,相當于2G網絡中的基站控制器（BSC）。RNC的另一側有三種類型的接口，分別是：　
●RNC 到RNC之間的接口，稱為IuR；
●RNC到核心網媒體網關電路交換側，稱為IuCS；
●RNC到核心網IP交換側，稱為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的時候綜合考慮，取好平衡點，最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的效能。通常我們衡量一個RNC性能的重要指標是它能支持的用戶密度。比如一個實際RNC的工程規(guī)范：
在線用戶：2000－20，000 數據速率： 每個用戶200Kb/s
網絡接口控制器：STM-1 (OC3光口)－ATM 覆蓋率：1.5 －2個蜂窩小區(qū)

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

　　這個示例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板型的網絡處理器板卡，它的核心為一個摩托羅拉公司的C5網絡處理器，加上一個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網絡接口用于連接Iu 和IuB，每個接口都會收到三種類型的封包，AAL2格式的語音包，AAL5格式的數據包，AAL5格式的控制信息包。
· 12塊 PPRB 用作選擇器，負責用戶平面的處理。
· 2塊 IP 交換板提供背板PICMG 2.16 以太網的點到點互連。
· 2塊通用CPU板負責系統(tǒng)管理和高可靠性應用。

　　在這個系統(tǒng)中，對于RNC的需求都可以得到滿足。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。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，每個單板可以支持到450愛爾蘭的用戶平面，這樣集成在一個機框中就可實現高達4500愛爾蘭容量的RNC。

結束語

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


PICMG 3.1 1-10 Gigabit 基于以太網
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

　　技術的進步就是這樣不斷推陳出新，我們期待更加先進和適用的技術能為生活帶來更大的便利和樂趣。

參考文獻
[1] 電子工業(yè)出版社，"第三代移動通信：歐洲的先進技術（上下卷）"，【美】Ramjee Prasad 編著，楊曉春，何建吾等譯 2002年3月。
[2] 北京郵電大學出版社，"第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)－WCDMA", 張平/等編著
[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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