单芯片MSTP系统

Single Chip MSTP System   曾烈光 

摘要：迅速发展的城域网多业务传送平台(MSTP)依托于SDH技术，大量应用需要经济的解决方案。方法是采用单芯片的MSTP系统将相关通信新技术、新协议进行高度集成，开发成专用芯片。单芯片MXMSTP-8可在SDH STM-1等级上提供可扩展的MSTP解决方案，从而实现完善的管理以及电信与计算机数据的融合传输。

关键词：单芯片系统；下一代SDH；多业务传送平台

Abstract:The rapidly developing Multi-Service Transport Platform (MSTP) used in the metropolitan area network is based on the SDH technology, and its large-scale application demands some economical solutions. One way is to develop specific single-chips to integrate new standards and protocols for MSTP. Single chip MXMSTP-8 is a solution at the SDH STM-1 level. It can be used for easy expansion and upgrade of MSTP, and for the improvement of system management and the converged transmission of telecom data and computer data.

Key words:SoC; NG-SDH; MSTP

      以集成电路为标志的微电子技术是现代信息技术的基础。巨大的信息处理、信息存储与信息传输能力无一不是建筑在高超的集成电路技术基础之上。任何一项通信新技术、新标准、新协议，如果不能最终开发出专用芯片，都不可能得到大规模生产应用。

      20世纪末提出的单芯片系统(SoC)将专用集成电路提高到新的高度。把一个系统集成在一块芯片中，无疑将大大降低设备制造商的产品开发难度、成本与能耗，提高设备的可靠性，成为芯片设计者、设备制造商甚至运营商追求的目标。但要实现SoC，除了对微电子工艺的更高要求外，在芯片设计上不仅要解决系统方面的理论与实现技术，还需要解决数字模拟兼容、嵌入式CPU、软硬件协同设计与仿真、深亚微米设计的信号完整性分析、可重用IP核技术等一系列问题。

      本文介绍单芯片多业务传送平台(MSTP)系统。限于篇幅，本文略去有关的SoC设计技术的论述，仅从MSTP技术的发展背景、技术特点谈起，介绍当前已有的几种单芯片MSTP系统解决方案。

1 城域传送网技术的发展
      城域网是城市区域内的通信网络，各种通信技术在城域网上展现与交替。数字通信技术的发展大大提高了城域网的传输与处理能力，为人类的生活提供了极大方便。从城域网的业务信息传输平台的发展来看，20世纪60年代推出了准同步数字传输体系(PDH)，可以很好地服务于电话业务。其容量从8 448 kb/s二次群发展到139 264 kb/s四次群。

      由于PDH技术的管理与保护能力薄弱，20世纪90年代推出了同步数字传输体系(SDH)[1]，以更高的容量(可达40 Gb/s)和更完善的管理能力与自愈保护能力得到了广泛的应用，成为城域网的骨干技术。

      从20世纪末到今天，Internet神话般地得到了飞速发展，把一度被全球通信界看好的综合宽带网的主角：异步传输模式(ATM)挤到配角的位置。以计算机以太网数据为特征的业务量猛增，给以传送电话业务为主的传统城域网以巨大的冲击，迫使城域网必须能高效地接纳和传送数据业务。冲击的结果是：在城域网中顽强生存了70年的PDH技术划上了句号，SDH技术提升到下一代SDH或MSTP技术。

2 MSTP技术的特点
      MSTP要解决的主要问题是如何在现有电信城域网上高效率传送以计算机以太网为代表的数据处理信息，实现电信网与计算机网的融合。这可以通过改造已有的城域网技术来实现。PDH技术由于速率限制和管理能力的缺乏，已再没有改造的潜力；通过绑定几个E1接口来实现以太网传送(网桥)的临时解决方案远不能达到高效传送数据的用户需求；管理功能完善、有自愈能力、容量大、得到城域网广泛应用的SDH技术自然成为被改造的首选目标，基于SDH的以太网传送(EOS)技术应运而生，以EOS技术为基础的MSTP技术成为构建新一代SDH或新一代城域网的关键技术之一。
MSTP的主要特点如下：

      (1)以SDH(或SONET)、光传输或密集(或粗)波分复用光传输系统做物理层。保持SDH的各种优良特性。

      (2)多路10M/100M/1000M以太网数据包经高级数据链路控制协议(HDLC)[2]、通用成帧规程(GFP)[3]或基于SDH的链路接入规程(LAPS)[4]封装后通过SDH的虚容器(VC)级联在SDH网络上传输。

      (3)通过链路容量调整方案(LCAS)[5]，传送以太网的VC数目可以根据带宽需求变化无损地增加或减少(即无损带宽调整)；参加虚级联的VC若发生故障，可以自动被剔除而不影响以太网的完整传输。

      (4)能容忍虚级联组(传输某路以太网的所有VC)中各VC有完全独立的传输路径，接受不同路径之间足够大的时延差。

      (5)综合传输以E1/T1接口为基础的传统电信业务。

3 MSTP芯片解决方案

3.1 TRANSWITCH、GALAZAR、AGERE公司的MSTP芯片解决方案

      TRANSWITCH、GALAZAR、AGERE公司的MSTP芯片解决方案如下：
      (1)在SDH网络上加入EOS插板
      如果原建的SDH网元设备有总线扩展插槽，可以用EOS功能插板，进行以太网接入的功能扩展。TRANSWITCH公司开发的EOS芯片TXC-04212、TXC-04226等可完成以太网到SDH总线的映射。前者适用同步转移模式-4(STM-4)的总线，后者适用STM-1的总线。该芯片的不足之处是只支持单总线的映射，对双向双总线并发选收的SDH系统不是很适配。

      (2)开发新的MSTP设备
      更多的芯片公司立足开发单芯片的MSTP系统，设备制造商可以用这些芯片来方便地开发新的MSTP设备。这些芯片包括了从EOS、E1映射到高阶物理层处理的功能。如GALAZAR公司的芯片MSF250和AGERE公司的芯片TMPRFE2G5等。这些芯片比较适合大容量(如622 Mb/s以上)高端应用，用在STM-1的速率上或用来替代PDH产品不是很适合(或不是很经济)。

3.2 中国的单芯片MSTP系统解决方案
      中国科研院所与企业近年在政府政策引导和积极支持下很重视自主芯片的设计开发。多家企业已经或正在进行SDH及MSTP的芯片开发。

      清华大学推出的单芯片MSTP系统解决方案：MXMSTP-8芯片是中国自主研发的方案之一。研发该片的目标之一是为在SDH STM-1等级上提供可扩展的、便捷的MSTP单芯片，目标之二是为全面取代PDH系统提供管理完善的、电信与计算机数据高性能融合传输的、价格上与PDH可比的单芯片。

MXMSTP-8主要功能如下：

●支持4个10M/100M全双工/半双工以太网媒质独立接口(MII)到SONET/SDH的复用与解复用。
●支持一个1000M全双工/半双工以太网千兆位媒质独立接口(GMII)到SONET/SDH的复用与解复用。
●支持16路E1接口的处理，包括高密度双极性(HDB3)编解码、时钟恢复、码速调整与去调整，以及接收端的数字去抖动和漂移的解同步。
●支持自动动态带宽管理LCAS。
●支持HDLC、LAPS及GFP协议封装以太网帧。
●支持以太网的管理接口及支持基于暂停(Pause)帧的以太网的流量控制。
●每个10M/100M以太网接口可选1～48个VC-12的虚级联。
●提供64 Mb/s、128 Mb/s的外部同步动态随机存储器(SDRAM)接口完成虚级联延时差的补偿及作为以太网接口的缓存。
●提供4个标准数据包在SDH上传输的等级2接口(POSL2)，8比特，可以实现RPR应用[6]。
●支持63个支路单元12(TU12)的指针处理及VC-12的开销处理。
●提供双向STM-1帧同步、段开销的完全处理，提供段开销的串行输出接口及双向管理单元4(AU4)的高阶指针处理、双向VC-4的高阶通道开销的完全处理。
●完成双向VC-4与STM-1的映射/去映射功能，可以通过指针调整操作容纳发送VC-4数据与系统参考时钟之间的准同步频差或相差。
●提供两方向的STM-1时钟数据恢复(CDR)。
●芯片内含双向STM-1的支路单元指针处理(TUPP)功能，便于多方向STM-1扩展与交叉连接。
●提供标准Tlecom-bus VC-4总线。
●支持并发选收的双向双总线处理。
●采用PBGA756封装。

      MXMSTP-8的框图如图1所示。

   
      MXMSTP-8的应用有：
      (1)增加插板扩展功能的应用
      MXMSTP-8具有可扩展的引出的VC-4双向双总线接口，利用该接口可以把EOS功能添加到原SDH系统中，并且单片可实现并发选收保护功能,其应用如图2所示。

    (2)单片并发选收STM-1 MSTP系统
      单片并发选收STM-1 MSTP系统框图如图3所示。芯片MXMSTP-8完成以太网与E1到SDH的映射，同时完成两个方向的物理层处理与保护。

        (3)基于RPR的嵌入以太网传输
      被IEEE 802.17规范的RPR可以用虚级联的VC通道做物理层，构成环路，以公平方式实现环上各节点带宽共享、保护倒换、业务分级(见图4)。清华大学在国家"863"计划项目支持下开发的RPR媒体访问控制(MAC)芯片MXRPR01-7以及具有POS接口的环以太网芯片适合于此类应用。

    (4)扩展的多方向系统
      MXMSTP-8的高阶开销处理与TUPP处理、EOS处理都分别带有扩展的总线接口。利用这些扩展总线，外加交叉连接芯片(如MXDC8X8-4)，可以构成多方向的MSTP系统。

4 MSTP的测试
      市场上已有MSTP的测试仪器。如安捷伦公司的J7230，安立公司的MP1590等。这些仪器除具有SDH/SONET接口与测试功能外，还可测试在不同虚容器延迟的条件下的LCAS功能，包括增减虚容器的无损带宽调节、故障虚容器的剔除等。GFP、LAPS及HDLC的封装协议也是测试的基本内容。

5 结束语
      新兴的纳米技术带来集成电路技术的高速发展。以纳米技术与量子理论为基础的低于0.05 μm的CMOS工艺即将问世，含有生命要素碳的碳基芯片技术可能成为芯片工艺的新热点。集成电路工艺与设计技术的高速发展为通信技术与产业的发展开启了无限的想象空间。单芯片将可能实现更复杂的通信系统。相比未来真正的单片系统，单芯片的MSTP系统只能算是初级尝试，在现阶段为下一代SDH和替代PDH提供一种较为经济高效的解决方案。

6 参考文献
[1] ITU-T G.709. Network Node Interface for the Optical Transport Network (OTN) [S].
[2] ITU-T X.86. Ethernet over SDH/SONET [S].
[3] ITU-T G.7041. Generic Framing Procedure [S].
[4] ITU-T X.87. Link Access Procedure for SDH [S].
[5] ITU-T G.7042. Link Capacity Adjustment Scheme [S].
[6] IEEE P802.17. Resilient Packet Ring (RPR) Access Method and Physical Layer Specifications [S].

作者简介：
曾烈光，清华大学电子工程系教授、博士生导师，长期从事通信网络与集成电路设计研究。1988年以来主持设计开发多种专用芯片并得到应用。研究成果荣获1987年度、1990年度、2002年度3项国家技术发明二等奖及多项省部级一、二等科技进步奖。1992年荣获首届中国青年科学家奖。已发表论文150余篇。