关于DSL应用中DSP与NPU集成的优劣分析

全球范围内的数字用户线(DSL)技术部署导致了复杂的硅集成问题。这些问题集中在如何将数字信号处理器(DSP)调制解调器(Modem)及网络处理器(NPU)芯片集成在数字用户线接入复用器(DSLAM)设备上。

迄今为止，通常还不会在同一块芯片上集成这两种功能，并且将这两种功能集成在一个单独的器件上在短期内不大可能获得经济效益。本文分析了产生这个问题的技术背景，并从系统的功能组成、实现以及标准发展的角度探讨集成需要考虑的主要因素。

在当今不断发展的电信环境中，像IP语音及音视频内容等存储器、处理器及带宽密集型实时多媒体服务，正通过IP连接(或网络)传输。但用于多媒体内容的标准以及以足够服务质量(QoS)来可靠提交这些内容的方法目前仍处于过渡阶段。

这意味着当即使只有一项标准改变，就必须更换掉集成了NPU及DSP的芯片---即使所改变的标准只是针对两者之一。一种更为经济高效的解决方案不是考虑将DSP功能与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业务(例如IP语音业务、IPTV及在线游戏等)的质量及传输可靠性。

技术背景

在过去几年，曾采用两种方法来降低DSLAM设备的成本。第一种方法是增加每块芯片上DSL的通道数(密度)以便将更多的处理能力集中在一块芯片上。更高的密度同时也意味着公用芯片(例如控制处理器及存储器芯片等)的功能被分配到更多的通道上，从而降低每通道的成本。第二种节省成本的方法则是对DSP modem芯片与NPU功能进行更多的功能性集成。

今天典型的DSLAM设备包含两种架构。第一种是分布式架构，由每块电路板线卡上多个使用DSP芯片的DSL modem及一个NPU或通信处理器芯片组成。这种架构允许运营商“随着规模的增长来投资”，因为一块线卡在功能上就是一个独立的DSLAM。第二种是集中式架构，它在一个公共线卡上采用一个高性能NPU，该线卡使用一个简单的背板接口器件来连接多个DSL线卡。

DSL线卡现在越来越靠近用户，因为DSL的线路速率随着距离的缩短而增加，故分布式架构长期来说具有可维持的成本优势。这是因为密度较小的DSLAM可在一个电路板上实现，从而可安装在一个小型的、类似比萨饼包装盒的机箱或小型机架上。而集中式架构则需要一个机架、一块公共线卡以及一块DSL modem卡。当然，更多的设备意味着更高的成本。

DSLAM制造商正在用基本的处理能力来增强其DSL modem DSP，以使其区别于那些不具备这些功能的竞争产品。例如，他们正在将分段及重组(SAR)功能与流量管理和NPU功能集成在DSP芯片上。

这种趋势引发了一些重要的经济与性能问题。首先，这种将DSL modem与NPU合并在一起的产品实际上会减少通道密度并增加DSLAM的成本，因为存储器芯片及相关软件将被要求与每块单独的DSP工作，而不是在所有调制解调器DSP间共享其功能。其结果是，与NPU仍单独位于线卡上的情况相比，这种方法需要更多的存储器芯片来支持DSP DSL modem与NPU功能的组合，更多的芯片则意味着更高的成本。

图1：利用在两条分离的网络路径传输数据的网络系统结构图

许多DSLAM都需要处理异步传输模式(ATM)上的可编程及基于IP的处理功能。将SAR与NPU功能集成在DSL modem DSP上并不一定意味着将处理这些功能。额外的处理能力要求很可能将存储器芯片与软件资源摊薄，从而降低通道密度。故仍需要有一个单独的且具有更多功能(例如精细流量管理及灵活协议处理等)的全功能NPU。

标准发展问题

增加DSP/NPU集成复杂性的另一个问题是，在新兴多媒体密集型网络环境中，内容及内容发送的标准仍在不断发展。通过保持这两种功能分离，设计者不必只因为必须将NPU或DSP中的一些功能升级以满足媒体内容或媒体发送的当前要求而重新设计芯片。这种情况又意味着可降低系统开发成本。

就媒体内容而言，全球的电信公司都在准备通过接入用户的电缆或DSL在有线互联网骨干网上推出付费视频服务，而且他们正在内部使用有线和无线网络来访问或发送媒体内容。电缆/DSL接入及无线网络等，都要求在家用调制解调器、服务器及网关中采用高级压缩技术及高性能媒体DSP引擎。

将这种趋势推向更能盈利的媒体服务是从MPEG-2及MPEG-4过渡到新兴、可提供两倍以上压缩效率并基于DSP的视频编码：VC-1D基于微软Windows Media Video 9(WMV9)的SMPTE规范，以及H.264D一项由国际电联(ITU)及MPEG协会共同采用的规范，亦称为AVC及MPEG-4第10部分。IPTV产业正显露出将在全球范围内迅速增长的迹象，并正在快速向遵循WMV9及H.264两项标准的高级联网机顶盒转换。

对于电信运营商而言，这些高级编解码器解决方案允许在带宽受限的宽带网络上提交高质量视频服务，如实况广播及视频点播(VOD)等。针对激烈的竞争，一些北美和亚洲服务商正指望用增加压缩来提供高清频道。

重新考虑媒体发送的服务质量与弹性

更为复杂的问题是如何提交这些媒体内容，无论其怎样被压缩，都要求在非实时并基于“尽力而为”机制的互联网上保持毫秒到微秒级的实时延迟时间。这些延迟时间包括网络路由器上可变排队时延、包丢弃以及秒级至数十秒级的冗长再路由(re-routing)恢复机制等。

因此，服务提供商正在转向采用新的网络拓扑与网络恢复机制来保护服务数据流而不是网络连接或设备节点。例如，以太网提供商正在考虑用生成树协议(STP)或快速STP来绕开有故障的路径。其他第2层及第3层解决方案包括SONET自动保护切换、FDDI切换、PRP智能切换及链路汇集等。在第4层，下一代网络(NGN)工作组及ITU正在考虑用于流优化以及工作于网络连接端点上的应用服务弹性规范的提案。

这些网络恢复及弹性机制的共同之处在于它们大多采用了服务流冗余，而不是网络设备与节点冗余。其他共同点是它们采用了基于网络处理器的设计，这些设计的重点集中在控制层面上的监管功能上，例如数据包识别、分类与优先级处理以及数据流层面上的高效及快速数据包处理等。

利用DSLAM的优势

例如，流优化应用服务弹性(图1)利用了以下的事实，即： DSLAM等网络设备通常拥有一种在两条分离的网络路径上传输数据的选项，且可以使用每条路径的一部分来传输冗余及受保护的数据。尽管在概念上非常简单，但这种方法将使NPU承担正确执行识别、分类及优先级处理等功能。

在数据流的源端(发起端)，数据进入一块线卡中，在此初始化NPU负责处理数据路径操作，如协议封装与转发以及控制通路上的相应功能等。在这一点，NPU检查数据包头中用于唯一标识一个数据包流的数据位，并将输入用户数据分类以确定该数据流是否被保护。

一旦识别出一个受保护的数据包或流，NPU即为它分配一个优先级，并将其缓存以便在主路径及辅路径上发送。优先级处理赋予受保护的数据包比未受保护的数据包更高的优先级。在受保护流两条路径的终端，另一个NPU负责识别及分类受保护流，且只保存主路经的数据流。但如果NPU检测到主路经数据流出现错误，即会自动切换到备用路径上，保存此路径上到达的所有数据并丢弃主路径上的数据。

具有最低或不具备快速恢复能力的现有系统，可通过增加额外的外部组件来进行升级，以便根据需要“量入为出地”执行必要的操作。与集成DSP功能相比，集成那些用于在新型媒体密集型网络环境中执行分类、缓存、调度、流复制及组播任务而设计的功能更为有效。

本文小结

总之，在NPU中集成那些可支持必要服务操作的功能及服务更有意义。DSP可定制以便集成及增加通道的密度与速度，但它们不是设计用来增加DSL服务能力，如更好的网络弹性、更精细的网络流量管理、更完善服务保证以及用于处理新服务机会的更多灵活性等。NPU在这些功能上更具有优势。