CESoP芯片實現方案及其專用集成電路設計

摘  要：基于分組網絡的電路仿真服務在分組網絡上提供了一種傳輸傳統(tǒng)電路交換業(yè)務的方法，對于現代網絡融合具有重要意義。為了實現分組網絡中的E1信號傳送，提出一種分組電路仿真處理芯片的實現方案，并完成了芯片設計及應用試驗。芯片實施協議符合IETF(internet engineeringtask force)PWE3(pseudo wire emulation edge-to-edge)工作組的相關建議草案，芯片內部集成全數字自適應時鐘提取算法和服務恢復策略。目前基于該芯片方案的驗證系統(tǒng)已經通過了10～100Mb以太網和802．11a無線網絡的環(huán)境測試。結果表明：該實現方案能夠有效抑制分組網絡傳輸抖動和傳輸誤碼導致的服務失效，可以應用于多種網絡環(huán)境。
關鍵詞：電路仿真；芯片設計；定時恢復

    當前數據業(yè)務已經逐漸超過了傳統(tǒng)的時分復用(time division multiplexing，TDM)業(yè)務，在網絡中占據了主導地位；數據分組傳送技術也已經取代電路交換技術成為建設下一代網絡的主要技術方案。分組電路仿真提供了一種可行的網絡融合和過渡方案，它可以在分組交換網上透明傳輸具有恒定速率的TDM數據流，利用分組交換網來提供傳統(tǒng)的時分復用業(yè)務。
    CESoP技術的標準化工作已經在多個標準化組織中進行。其中，IETF制定的邊緣到邊緣的偽線仿真技術得到了較為廣泛的應用。目前，RAD公司已經開發(fā)出IPmux系列電路仿真設備；Zarlink公司已經開發(fā)出了分組電路仿真業(yè)務處理器芯片。
    本文提出一種CESoP芯片實現方案，其處理協議符合IETF PWE3工作組關于CESoPSN(circuitemulation setvice overpacket：switched networks)的建議草案，相比其他芯片具有以下優(yōu)點：內部集成自適應定時恢復算法，無須外部處理器干預；采用全數字的恢復算法，可以方便地實現系統(tǒng)集成；片內實現基于差錯掩蔽的服務恢復策略，可以有效地抑制由于數據分組丟失造成的TDM設備故障;采用片外SDRAM(synchrono-us dynamic randomaccess memory)存儲器可以實現最多256 ms的抖動抑制時間。

1 芯片方案結構
    芯片主要由以太網媒體訪問控制單元、協議處理單元、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成，如圖1所示。

    芯片內部包括4條數據處理流。
    1)上行TDM數據流。
    由E1接口至MII(media independentinterface)接口，來自E1接口的TDM數據進行線路解碼，通過E1處理單元完成數據定幀和時鐘提取，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的E1數據并將其發(fā)送到協議處理單元，其根據設定的協議格式將TDM數據封裝到以太網數據幀中，數據幀通過以太網媒體訪問控制(media access control，MAC)處理單元最終被發(fā)送到以太網MII接口。
    2)下行TDM數據流。
    由MII接口至E1接口，到達目的地的以太網數據幀經過MAC處理單元和協議處理單元處理，提取出有效的E1數據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數據分組進行緩存管理、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的E1數據，重新生成E1數據幀，然后發(fā)送到E1處理單元進行時鐘恢復和編碼處理，最后形成標準格式的E1數據幀發(fā)送到E1接口。
    3)上行MCU數據流。
    由MCU接口至MII接口，外部微處理器通過MCU接口將控制數據分組寫入芯片外部的存儲器，當上行TDM數據流發(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據分組從外部存儲器讀入，控制分組經過協議處理單元和MAC單元進行封裝，最后發(fā)送到MII接口。
    4)下行MCU數據流。
    由MII接口至MCU接口，首先到達目的地的以太網數據幀經過MAC處理單元和協議處理單元處理，根據設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的時候將控制分組讀出。

2 芯片實現關鍵技術

2．1 定時恢復技術
    目前針對時鐘恢復問題，已經提出了多種算法。在芯片設計中，實現了一種基于統(tǒng)計預測的全數字定時恢復方案，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過程分為3個子過程：定時預測、緩沖區(qū)調整和時鐘合成。
    定時預測過程通過觀測TDM數據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個數據分組和第k-1個數據分組之間的到達間隔；發(fā)送端數據分組間隔具有固定值Tp;令J(k)為接收到的第k和k-1個數據分組之間的噪聲間隔。那么

可以通過觀測Tr(k)得到關于Tp的無偏估計。
    數據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)送定時將導致很大的誤差。觀測到的間隔值首先通過預濾波處理，去除噪聲間隔的高頻分量。采用移動平均窗口算法完成預濾波處理，令Trf(k)表示通過濾波的間隔預測值。