CESoP芯片實現(xiàn)方案及其專用集成電路設(shè)計

摘  要：基于分組網(wǎng)絡(luò)的電路仿真服務(wù)在分組網(wǎng)絡(luò)上提供了一種傳輸傳統(tǒng)電路交換業(yè)務(wù)的方法，對于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)融合具有重要意義。為了實現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)中的E1信號傳送，提出一種分組電路仿真處理芯片的實現(xiàn)方案，并完成了芯片設(shè)計及應(yīng)用試驗。芯片實施協(xié)議符合IETF(internet engineeringtask force)PWE3(pseudo wire emulation edge-to-edge)工作組的相關(guān)建議草案，芯片內(nèi)部集成全數(shù)字自適應(yīng)時鐘提取算法和服務(wù)恢復(fù)策略。目前基于該芯片方案的驗證系統(tǒng)已經(jīng)通過了10～100Mb以太網(wǎng)和802．11a無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境測試。結(jié)果表明：該實現(xiàn)方案能夠有效抑制分組網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動和傳輸誤碼導(dǎo)致的服務(wù)失效，可以應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
關(guān)鍵詞：電路仿真；芯片設(shè)計；定時恢復(fù)

    當(dāng)前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)逐漸超過了傳統(tǒng)的時分復(fù)用(time division multiplexing，TDM)業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了主導(dǎo)地位；數(shù)據(jù)分組傳送技術(shù)也已經(jīng)取代電路交換技術(shù)成為建設(shè)下一代網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)方案。分組電路仿真提供了一種可行的網(wǎng)絡(luò)融合和過渡方案，它可以在分組交換網(wǎng)上透明傳輸具有恒定速率的TDM數(shù)據(jù)流，利用分組交換網(wǎng)來提供傳統(tǒng)的時分復(fù)用業(yè)務(wù)。
    CESoP技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)在多個標(biāo)準(zhǔn)化組織中進行。其中，IETF制定的邊緣到邊緣的偽線仿真技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前，RAD公司已經(jīng)開發(fā)出IPmux系列電路仿真設(shè)備；Zarlink公司已經(jīng)開發(fā)出了分組電路仿真業(yè)務(wù)處理器芯片。
    本文提出一種CESoP芯片實現(xiàn)方案，其處理協(xié)議符合IETF PWE3工作組關(guān)于CESoPSN(circuitemulation setvice overpacket：switched networks)的建議草案，相比其他芯片具有以下優(yōu)點：內(nèi)部集成自適應(yīng)定時恢復(fù)算法，無須外部處理器干預(yù)；采用全數(shù)字的恢復(fù)算法，可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)集成；片內(nèi)實現(xiàn)基于差錯掩蔽的服務(wù)恢復(fù)策略，可以有效地抑制由于數(shù)據(jù)分組丟失造成的TDM設(shè)備故障;采用片外SDRAM(synchrono-us dynamic randomaccess memory)存儲器可以實現(xiàn)最多256 ms的抖動抑制時間。

1 芯片方案結(jié)構(gòu)
    芯片主要由以太網(wǎng)媒體訪問控制單元、協(xié)議處理單元、隊列管理單元、隊列仲裁單元、時隙分配單元、時隙提取單元、共享存儲管理單元、SDRAM控制單元、E1處理單元、E1接口單元以及微處理器接口單元等構(gòu)成，如圖1所示。

    芯片內(nèi)部包括4條數(shù)據(jù)處理流。
    1)上行TDM數(shù)據(jù)流。
    由E1接口至MII(media independentinterface)接口，來自E1接口的TDM數(shù)據(jù)進行線路解碼，通過E1處理單元完成數(shù)據(jù)定幀和時鐘提取，再通過時隙提取單元取出需要傳送的有效時隙和信令，并通過共享存儲管理單元保存到外部存儲器中，隊列仲裁單元根據(jù)E1隊列優(yōu)先級通過共享存儲管理單元從外部存儲器中讀出相應(yīng)的E1數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到協(xié)議處理單元，其根據(jù)設(shè)定的協(xié)議格式將TDM數(shù)據(jù)封裝到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，數(shù)據(jù)幀通過以太網(wǎng)媒體訪問控制(media access control，MAC)處理單元最終被發(fā)送到以太網(wǎng)MII接口。
    2)下行TDM數(shù)據(jù)流。
    由MII接口至E1接口，到達目的地的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過MAC處理單元和協(xié)議處理單元處理，提取出有效的E1數(shù)據(jù)分組并將其通過共享存儲管理單元保存到外部存儲器中，隊列管理單元對接收到的El數(shù)據(jù)分組進行緩存管理、重排序、抖動平滑、差錯掩蔽等處理，時隙分配單元根據(jù)輸出E1接口的情況，通過共享存儲管理單元從外部存儲器中讀出相應(yīng)的E1數(shù)據(jù)，重新生成E1數(shù)據(jù)幀，然后發(fā)送到E1處理單元進行時鐘恢復(fù)和編碼處理，最后形成標(biāo)準(zhǔn)格式的E1數(shù)據(jù)幀發(fā)送到E1接口。
    3)上行MCU數(shù)據(jù)流。
    由MCU接口至MII接口，外部微處理器通過MCU接口將控制數(shù)據(jù)分組寫入芯片外部的存儲器，當(dāng)上行TDM數(shù)據(jù)流發(fā)送空閑時，隊列仲裁單元通過共享存儲管理單元將控制數(shù)據(jù)分組從外部存儲器讀入，控制分組經(jīng)過協(xié)議處理單元和MAC單元進行封裝，最后發(fā)送到MII接口。
    4)下行MCU數(shù)據(jù)流。
    由MII接口至MCU接口，首先到達目的地的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過MAC處理單元和協(xié)議處理單元處理，根據(jù)設(shè)定的過濾條件提取出控制分組并將其通過共享存儲管理單元保存到外部存儲器中，外部微處理器在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⒖刂品纸M讀出。

2 芯片實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2．1 定時恢復(fù)技術(shù)
    目前針對時鐘恢復(fù)問題，已經(jīng)提出了多種算法。在芯片設(shè)計中，實現(xiàn)了一種基于統(tǒng)計預(yù)測的全數(shù)字定時恢復(fù)方案，并在實際測試中取得了良好的性能。該方案將整個定時恢復(fù)過程分為3個子過程：定時預(yù)測、緩沖區(qū)調(diào)整和時鐘合成。
    定時預(yù)測過程通過觀測TDM數(shù)據(jù)分組的到達間隔信息，估算發(fā)送定時。令Tr(k)為接收到的第k個數(shù)據(jù)分組和第k-1個數(shù)據(jù)分組之間的到達間隔；發(fā)送端數(shù)據(jù)分組間隔具有固定值Tp;令J(k)為接收到的第k和k-1個數(shù)據(jù)分組之間的噪聲間隔。那么

可以通過觀測Tr(k)得到關(guān)于Tp的無偏估計。
    數(shù)據(jù)分組的傳輸抖動具有隨機性，如果直接采用觀測值估算發(fā)送定時將導(dǎo)致很大的誤差。觀測到的間隔值首先通過預(yù)濾波處理，去除噪聲間隔的高頻分量。采用移動平均窗口算法完成預(yù)濾波處理，令Trf(k)表示通過濾波的間隔預(yù)測值。