CompactPCI架构在3G通讯中的RNC应用

　　[摘要] CompactPCI技术是在一个系统内通过背板实现高速互连的一种非常实用的开放标准。本文简要介绍了CompactPCI技术的发展趋势，并结合在第三代移动通讯系统中的一个RNC应用例子，来说明CompactPCI在不断更新的技术浪潮中仍然保持了稳健的市场应用。

　　[关键词] PICMG 2.16, 带宽，单点故障，无线网络控制器(RNC), 网络接口控制器，网络处理器

　　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

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