凌华CompactPCI架构在3G通讯系统中的RNC应用

CompactPCI技术的发展 自从1994年提出了CompactPCI的技术规范PICMG2.0，许多原先基于用户自定义的，彼此无法兼容的平台系统已经逐渐被这种开放式的，有着良好兼容性的，高可靠性的技术所取代，在工业控制，医疗，航空航天和通信等领域都得到了广泛的应用。 尤其是由于CompactPCI的热插拔特性以及现场可替换部件(FRU)的设计，并结合软硬件的冗余备份机制，可以使系统在保持5个9（即每年5.26分钟的总停机时间）的高可用性的同时，给系统带来良好的易维护性，使得CompactPCI在通信领域的应用一直呈现稳步增长。现在，在诸如媒体网关（VoIP，VoATM,7号信令网关等），Internet 路由器，软交换，下一代网络（NGN）无线网络控制器(RNC)，业务服务器(Feature Server)等设备中都随处可见CompactPCI的应用。 在技术和产品演进的历程中，随着用户对总线带宽的要求不断提高，广泛应用的32bit,33MHz的CompactPCI的极限带宽133MB/s在某些应用上就成为整个系统的瓶颈。为了适应这个带宽需求，2001年9月，PICMG协会发布PICMG 2.16 封包交换背板规格，该规格对于在一个CompactPCI架构里业务插槽与交换插槽之间进行10/100/1000M以太网互联做了详细定义，每个业务插槽都可以通过PICMG 2.16背板与另外一个业务插槽实现点到点1Gb/s的高速互连，而且这个连接是冗余备份的，这样，对于一个有着18个业务槽位的系统，其最高吞吐量就可以高达18Gb/s。IP互连带来的另一个好处是：在数据平面已经转移到以太网上之后，PCI总线只用作相对简单的，完全没有带宽压力的控制平面，或者干脆舍弃，用更加简洁的PICMG 2.9的串行总线（IPMI）来取而代之，这样系统插槽的存在就变得没有必要了，消除了PCI总线可能导致的单点故障之后，应用程序利用现今系统的IP互连，和IPMI协同工作就可以构成可靠性更高的系统，下一个目标是6个9（即每年30秒的总停机时间）。 按照这个设计理念，各个平台产品厂家都分别推出了各具特色的基于PICMG 2.16的系统，其中摩托罗拉计算机部的多业务平台（MXP, Muti-Service Platform）就是其中之一，它最大的特点是舍弃了PCI总线，改由PICMG 2.9串行总线和以太网负责系统管理，不再区分系统插槽和业务插槽，同时，为了满足更高性能的处理器对供电的需求，单槽位的供电能力也从传统上的30W提高到50W。以下，结合一个在第三代移动通讯系统中用于RNC的方案，来说明不断更新的CompactPCI技术对应用需求的适配。 第三代移动通讯(3G)系统中的一个RNC应用例子 随着3G牌照即将在2004年发放的呼声此起彼伏，3G的标准完善和研发都已经进入到实质性阶段。为了加速产品研发进度，保持资源的重复利用和软件投资，各大设备制造商都倾向于采用通用的统一平台来构建3G系统。其中，采用基于CompactPCI平台的占大多数。以下选取一个典型应用，就是用作无线网络控制器（RNC）节点。在3G架构中，我们通常划分成用户设备（UE）,无线接入网（UTRAN） 和核心网（CN）三部分，如图1。 图1 3G架构示意图 UTRAN为用户端的移动电话、其它无线设备（如PDA, 便携计算机等）提供到有线网络的连接，它包括B节点（Node B）和RNC。核心网则包括传统电路交换连接和IP网络服务。 从Node B到RNC的接口称为IuB,它包含语音，数据和控制信号，RNC负责控制和管理Node B,相当于2G网络中的基站控制器（BSC）。RNC的另一侧有三种类型的接口，分别是：　 ●RNC 到RNC之间的接口，称为IuR； ●RNC到核心网媒体网关电路交换侧，称为IuCS； ●RNC到核心网IP交换侧，称为IuPS． 这些接口的数据特性和处理要求各不相同，这就要求在设计RNC的时候综合考虑，取好平衡点，最大限度发挥系统的效能。通常我们衡量一个RNC性能的重要指标是它能支持的用户密度。比如一个实际RNC的工程规范： 在线用户：2000－20，000 数据速率： 每个用户200Kb/s 网络接口控制器：STM-1 (OC3光口)－ATM 覆盖率：1.5 －2个蜂窝小区 当然，可支持的用户密度会因用户的业务类型而变化，例如，因特网浏览和短消息业务会使得可支持的用户数减少。为了有一个通用的具有同比性的指标作参考，大家都习惯用"爱尔兰"（Erlangs）作单位来表征RNC的容量。利用摩托罗拉计算机部的多业务平台（MXP），加上封包处理资源板（PPRB,Packet Process Resource Board）,系统管理板和内置的PICMG 2.16 IP交换板,在这个21槽位，总高12U的机框中就构成了一个完整的RNC,其最大容量可以达到4500爱尔兰。 这个示例RNC的结构图如图2。 图2 基于21槽MXP平台的RNC示意图 · 6块 PPRB 用作Iu接口控制器 · PPRB是一块6U CPCI板型的网络处理器板卡，它的核心为一个摩托罗拉公司的C5网络处理器，加上一个Broadcom公司的BCM1250作为协处理器，用于上层协议和控制平面的处理。在这里，PPRB提供双STM1网络接口用于连接Iu 和IuB，每个接口都会收到三种类型的封包，AAL2格式的语音包，AAL5格式的数据包，AAL5格式的控制信息包。 · 12块 PPRB 用作选择器，负责用户平面的处理。 · 2块 IP 交换板提供背板PICMG 2.16 以太网的点到点互连。 · 2块通用CPU板负责系统管理和高可靠性应用。 在这个系统中，对于RNC的需求都可以得到满足。例如：提供到WAN的 STM-1接口，提供到NodeB/Base Stations 的STM-1接口，终结/处理ATM AAL2,和ATM AAL5, 帧中继, 千兆以太网。具体的信号流程在此限于篇幅，不作详细叙述。由于PPRB单板提供了高达7400MIPS的处理能力，加上高度优化的包处理资源，并且结合PICMG 2.16背板作为高速通道，每个单板可以支持到450爱尔兰的用户平面，这样集成在一个机框中就可实现高达4500爱尔兰容量的RNC。 结束语 技术的发展日新月异，当基于PICMG 2.16千兆以太网的应用正如火如荼时，一些用户又已经碰到了新的挑战，应用对速度和带宽的需求仿佛没有止境。更大的机箱，更强的供电能力，更高的带宽，更灵活的用户自定义接口，这是AdvancedTCA为用户描绘的下一代平台，这相信对大多数用户来说已经不是什么崭新概念了，虽然AdvancedTCA离真正实用可能还有较长的一个时期，但PICMG协会也积极参与制定和完善用于下一代平台的板间互连标准，目前已经订立草案的有： PICMG 3.1 1-10 Gigabit 基于以太网 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 技术的进步就是这样不断推陈出新，我们期待更加先进和适用的技术能为生活带来更大的便利和乐趣。 参考文献 [1] 电子工业出版社，"第三代移动通信：欧洲的先进技术（上下卷）"，【美】Ramjee Prasad 编著，杨晓春，何建吾等译 2002年3月。 [2] 北京邮电大学出版社，"第三代蜂窝移动通信系统－WCDMA", 张平/等编著 [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