善用FPGA與IP核心完整方案　CES網路延展性再升級

無論是哪一種CES應用，在鏈結遠端的時脈回復都象徵著重大的挑戰，像是互聯功能(Interworking Function, IWF)模組須要支援差分與自適應式的時脈回復。在一些更為嚴苛的應用中，像是無線基地台的同步化，營運商則可以採用複合式時序產生器(HTG)。本文將探討CES的通訊協定細節，包括CES解決方案的時脈回復、網路、節點與元件架構，同時也將涵蓋採用現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)架構來實作時所帶來的效益。  

由於應用數量增加所帶來的頻寬需求高過於頻寬的成長，網際網路的使用量持續擴展，電信營運商須要對其網路進行調整。現今電信營運商所使用的網路，大多數是採用TDM系統架構，這種架構在傳輸語音流量與支援專線租賃應用上相當理想，但是在最近幾年間，資料流量已經成為主流，迫使營運商必須將其網路轉移為封包架構的系統。事實上，一些營運商甚至規劃全封包或全網際網路通訊協定(IP)網路做為下一代解決方案。

為了平順地從TDM架構轉移到分封交換網路(PSN)，營運商必須在它們的核心骨幹、都會網路與存取網路中使用封包技術，以便建立一個同質性的網路。為了降低資本與營運費用，採用單一網路可以實質地獲得商業上的優勢。然而，就算是營運商計劃採用全IP網路，仍然須要透過PSN來進行TDM流量的傳輸，以往在商業界與政府中使用的TDM設備也不可能在同一時間內更換。此外，網路服務供應商在專線租賃服務上所產生的營業額，仍然高於從資料網路所獲得的營收。由於新進入者在資料服務市場上的強力競爭，迫使現有的公司必須將資料服務比重降低以保持既有優勢。此外，在歐洲與美國現有的法令之中，甚至規定當電信營運商轉移到全IP網路時，必須依法為第三方零售商與批發商提供TDM存取點。  

在TDM與專線租賃服務方面，價格壓力其實並不是最重要的議題。事實上，因為無線回程傳輸網路的成長，讓許多既有網路服務供應商在專線租賃營業額擁有可觀增長。因為資料與專線租賃服務之間的營業額差異，當既有營運商將其核心網路從原有TDM線路切換到封包架構基礎建設時，CES已經成為營運商意欲維持既有營利來源的普遍作法。這種作法想要有效，當然還必須讓終端使用者能夠確實地獲得他們所期望的品質與效能水準。  

資料使用量擴增無線網路壓力  

許多國家正經歷語音通話數量保持穩定，但是資料服務使用量卻呈現指數成長的現象，這個趨勢也同樣出現在無線回程網路應用中。隨著資料使用量的增加，在移動網路上進行高速資料存取的技術也正快速地發展，以便滿足市場的需求。  

然而，這樣的需求發展讓無線回程網路增加了可觀的壓力。一個典型的無線基地台(RBS)可以同時支援數百個語音通話連線，在回程傳輸鏈結到行動交換中心(MSC)時，每個RBS約預留四個E1或T1線路的頻寬，以當前合理行動資料連線約須提供384 kbit/s，而下一代網路則已提供範圍從1.8M～14.4 Mbit/s，即UMTS HSDPA第一階段的下行鏈結速度。在隨後所計畫的階段中，即HSPA與長程演進計畫(LTE)，下行鏈結的資料率最終將達到200 Mbit/s，上行鏈結則將可提供高達100Mbit/s的傳輸率。  

想要支援這種指數式成長的存取連線速度，無線回程網路則須要使用更大的傳輸線路來進行重建，像是使用乙太網路這類技術，想要繼續地搭配E1或T1 TDM傳輸線路來進行傳輸，將無法滿足由於資料流量增加所需的傳輸頻寬。  

雖然乙太網路架構的PSN是傳輸資料服務的理想選擇，但語音通話則仍是採用TDM架構，並且須要在PSN上進行特殊控管才能運作。此外，無線基地台需要高品質的時脈參考，以便能確保其無線電訊號不會干擾到鄰近的基地台，並能夠讓行進中的使用者在進行語音通話時，能夠無漏失地在基地台間進行轉接切換。  

目前大多數基地台都使用TDM網路介面傳輸語音與資料流量，並從集中式源頭同步分配網路到所有基地台，而目前乙太網路並不支援同步分配功能。  

CES掌握封包流量  

CES的IWF功能將可讓TDM流量平順地轉移到封包流量，反之亦然。想要替代使用固定頻寬的多路TDM線路，TDM流量將可進行封包化，並將其他的TDM或IP流量聚集到單一網路上。傳統的TDM網路隱含著雙重作用：傳輸資料與維持大範圍的訊號同步化。然而，現今的PSN並不支援網路同步化，想要解決這個問題，網路營運商必須建立重疊的網路來進行同步化，或是使用昂貴的GPS架構參考時脈。  

對於任何一種CES應用而言，在鏈結遠端的時脈回復都象徵重大挑戰，IWF模組支援差分與自適應時脈回復，但是在無線基地台同步化這類更嚴苛的應用中，設計工程師將可採用HTG。CES IWF可以支援數種獨立的E1/DS1 TDM-over-packet資料引擎，來自每個輸入埠的TDM資料都將被處理，並形成封包串流向前傳送。  

在遠端，封包則是會被重組為一個TDM資料串流。每個TDM埠將安排獨立進入的時序，搭配支援獨立時脈回復的重組功能，以便在TDM資料送出時重新定義時序。圖1描述了透過PSN將TDM資料進行封裝的模式，其中使用相當普遍與標準化的SAToP與CESoPSN轉化來實現這項功能，而這兩種標準都相容於城域乙太網路論壇(MEF-8)的定義。

圖1　CES讓TDM訊號可以透過PSN傳輸

‧

SAToP

在IETF RFC4553中定義的SAToP封裝模式，是用來傳輸完整的TDM串流，且毋須擔心訊框或64 kbit/s與DS0時間槽問題的理想方式，像是須考量到E1 TDM串流之類的問題。IWF將進來的資料串流以256位元的數量加以封包，再插入SAToP封包標題，然後才在網路上將產生的封包串流傳送出去。 這種封裝模式提供了一種簡易的模擬服務，因為處理SAToP鏈結的安裝與服務並不複雜，僅須提供很少的一般性連接項目即可，如目標系統與線路識別器，以便指定TDM通道。 封包的配置如圖2所示。乙太網路標題包含了一個特定的欄位，以便標示出該封包內含有TDM承載。CES標題包含一個模擬的線路識別器欄位，用來標示特定的TDM通道，之後的欄位則是包含傳送狀態位元與連續編號的控制字元，用以在接收器端偵測封包丟失或順序錯亂的現象。 圖2　CES封包格式 狀態位元會標示出區域的警報狀態給遠端，接收器則將會使用這些資訊來發出警報，或是在將要發出的TDM串流中插入一個警報標示訊號(AIS)。此外，有一種選擇性的即時通訊協定(RTP)是用於在資料封包中插入時間標記，且可用以確保TDM資料能夠以相同的速率傳輸，並且被另一端順利接收，不過這必須在接收與傳送的IWF中，都使用相同的時脈來處理這些時間標記，才能讓這個功能正確地執行。 在IWF鏈結的解封裝端中的抖動緩衝區是一個關鍵功能特性，能夠處理在PSN中所出現的延遲變化。在PSN中對每個封包進行交換時，都有內部緩衝區、佇列與排程功能，以便處理某種程度的延遲。當CES封包透過PSN傳送時，這種延遲現象會累積起來，且通常由於個別的封包都不同，這種狀況通常會被計算為封包延遲變異(PDV)，或是稱為PSN封包抖動，在解封裝端必須有夠大的抖動緩衝區來處理一定數量的PDV。 典型的IWF在實行時，通常會在每個通道約有10～50毫秒的抖動緩衝區，當資料透過CES鏈結開始傳輸時，接收器會在將緩衝區中的資料開始發送到TDM線路之前，先等待特定數量的時間，當緩衝區半滿時，便是展開發送動作的起始條件。如果沒有這種延遲，在PDV中的變動則將快速地導致緩衝區不足的現象。在理想的狀態之下，抖動緩衝區必須夠大，以便在PSN上察覺到全範圍的PDV。另一方面，它也有在端對端TDM線路上可接受的延遲時間上限，或是可接受的傳輸延遲。為了讓營運商擁有多種型態的網路，並且在PDV與網路延遲之間找到一個最佳的平衡點，抖動緩衝區的大小必須為可配置的參數。 除了抖動緩衝區的大小之外，TDM封包化的長度也會影響到網路延遲，SAToP封裝模式允許使用者決定多少TDM位元要被聚集到單一封包之中。針對一個E1 TDM鏈結，每個封包的內定值是256個位元組，或是1毫秒的TDM資料，在實行時必須允許在125微秒階段下配置封包化的數量。為了減少網路延遲，選擇125微秒配置是相當常見，不過每個封包的承載量則是固定的。為了要有較低網路延遲的封裝，封包承載便成為主要的因素，且可讓TDM到封包層之間擁有兩倍以上的資料傳輸率。SAToP封裝提供直接簡單的模擬服務，且因為僅須提供很少的一般性連接項目，如目標系統與線路識別器以便指定TDM通道，故設置SAToP鏈結的安裝與服務相當容易。

‧	CESoPSN
	另外一個相對的封裝模式則是CESoPSN，定義在IETF RFC5086中。其能提供比SAToP更佳的頻寬效率，並讓使用者選擇要透過PSN使用哪個時間槽，如64kbit/s通道或DS0通道來進行傳輸。在頻寬受限的存取網路中，效率便是經濟上的必要考量。為了讓IWF去識別這些DS0，TDM的訊框功能便須要去尋找訊框對齊訊號與個別的時間槽，封包化的資料在TDM框架下將被排列整齊，然後透過一個或多個完整的TDM訊框包成一個單一封包在網路上傳送。 遠端的IWF需要一個訊框產生器，以便能重新建立一個具有局部重新產生訊框的完整E1或T1訊框架構，並將之填入DS0以便從封包串流中接收。這個IWF的CESoPSN實行將可支援軟體配置的時間槽表，以決定要在PSN上透過哪一個DS0通道來進行傳輸。CESoPSN標準描述了數種選項，可允許進一步將頻寬的使用量與訊號位元的處理過程加以最佳化。

時脈回復確保位元正確率  

時脈回復功能可以確保TDM傳送器在解封裝端的時脈速率，能夠與在封裝端的TDM接收器盡量對齊，如果沒有準確的時脈回復功能，則將會產生TDM位元錯誤，或是產生過多的網路抖動與漂移。位元錯誤顯然是不能被接受的，但是漂移也必須被嚴密控制，ITU-T在G.823與G.824定義中為TDM介面建議了最大的漂移可接受值。  

舉例來說，E1介面的輸出漂移必須保持在18微秒以下，此外，新標準ITU-T G.8261中特別針對TDM介面透過CES在PSN上承載時的效能做了規範，依據這個標準，在特定狀況下，漂移值必須保持低於4.3微秒。當TDM線路被用於無線基地台的參考時脈輸入源時，這些要求更顯得殷切。  

時脈回復是任何一個CES傳輸系統在遠端所需的關鍵功能特性，在使用TDM線路的多數應用之中，像是E1、T1或是SONET/SDH，鏈結是用於透過網路來傳輸資訊位元與分發時脈資訊，雖然基本的CES能夠確保穩定地傳輸TDM資訊位元，但是在用於分發時脈的模擬線路上則無法做出保證，在檢視CES時脈回復方面的問題之前，正常的TDM線路與網路時脈分發問題，則是必須要優先考量的議題。  

在ITU-T G.813定義中，一般的TDM或SONET/ SDH系統中都有中央時脈產生器，且被視為SDH設備時脈(SEC)，以便用於所有輸出介面的參考時脈(圖3左)，在合成器、鎖相迴路(PLL)與濾波器的組合中，則是用於產生多種內部所需的時脈頻率，且用於減少累積在網路中的抖動與漂移。SEC可以在自由運轉模式下運作，但一般則鎖定在其中一個輸入介面之上，只要透過規範或透過通訊協定，系統軟體便可以決定哪一個介面將可做為參考時脈輸入。

圖3　在TDM多工器與乙太網路交換器中典型的系統時脈架構

一般來說，閒置的輸入會被指派去做像是鏈結失敗導致參考時脈切換等工作，搭配這些基本設定，便可建構出完整的時脈分發網路，其中必須有一個節點鏈結到一個主要的參考時脈(PRC)，且樹狀網路下的所有其他節點也會進行分配以同步化，每個終端系統都可以追溯到同一個PRC的時脈來源。  

想要搭配設計架構於E1/T1或SONET/SDH的時脈分發網路，在網路邊緣的可用參考時脈必須有較高的品質等級，為其他的外部網路做為參考時脈。舉例來說，一個典型的無線基地台(RBS或BTS)也可以使用E1/T1網路介面做為參考時脈，這個時脈隨後會再一次用於做為無線電或空中介面的參考時脈。當所有鄰近的無線電基地台從同一個同步網路取得它們的時脈參考之後，在無線電網路上所出現的干擾或位元錯誤的數量，便會因此而受到抑制。  

換言之，資料網路不會如同TDM網路一樣必須在節點間建立分散式網路的同步化，網際網路通訊協定/多重通訊協定標籤交換(IP/MPLS)路由器或乙太網路交換器的典型架構，便是在每個介面卡上有一個區域的時脈振盪器，用於做為局部電路板上傳輸線路介面的時脈參考(圖3右)，這個區域的時脈振盪器是在自由運轉模式下運作。

在乙太網路介面之中，唯一的要求是時脈必須在預設值的±100ppm之間，當傳送端與接收端之間的資料鏈結，位在管控增加或減少閒置時間或封包之間的包間間隔(IPG)時，便會因為時脈差異導致緩衝區溢出或不足，這個機制相當適合避免資料緩衝區溢出，但是並不能在PSN的節點之間進行分發同步化。每個鏈結都有自行運轉的時脈，並不能連接到其他的鏈結，以禁止任何企圖建立出時脈分發網路的行為。  

概括地說，當想要在PSN上部署CES時，有兩方面須要考量。首先，PSN無法提供穩定的時脈以供送出的TDM串流做為參考，PSN的PDV讓接收端想要正確重建時脈速率變得非常困難。其次，並沒有同步化的網路，因此在透過CES承載TDM線路時，在同步分發網路下並無法被節點的下游做為參考，因此需要非常特別的量測方法，才能在CES中驅動無線基地台的時脈。  

時脈回復有助控制串流頻率  

在CES上針對時脈回復有兩種主要的架構化網路狀況：自適應與差分模式。在兩種狀況之下，接收器須要執行鎖頻迴路(FLL)、PLL，或在某些狀況下須結合兩種功能，以精確地控制送出的TDM串流之頻率與相位。

‧

自適應時脈回復

自適應時脈回復的狀況如圖4所示，控制迴路僅可以使用抖動緩衝區的填滿層級做為輸入變數，當平均的緩衝區填滿層級增加時，TDM時脈速率也必須增加以避免緩衝區溢位。同樣地，當緩衝區過於空洞時，TDM時脈速率也會降低。這個控制迴路必須能夠控管當資料傳過PSN時所發生的多種損毀狀態。大多數的挑戰問題在於PDV與封包漏失，ITU-T的G.8261建議必須要提供這些網路損毀的完整描述，以及相對應的替代方案。 精確與穩定的區域時脈是必要的條件，因為PSN無法為TDM網路提供時脈分發網路，針對E1/T1傳輸網路，時脈的精確度比須較預設的時脈頻率的±50ppm偏向還要更好。整體時脈頻率偏向是決定影響時脈穩定的主要因素，且會隨著溫度改變，配合可受到溫度控制的晶體振盪器(TCXO)或溫控振盪器(OCXO)，將可以減少溫度所帶來的影響。 長期的時脈穩定度是自適應時脈回復的關鍵要素，當封包是透由PSN承載時，延遲可能會隨時有所變化，這個在PSN上的24小時取樣，將會符合工作時間--即在上班期間較高；而在非上班時間則會逐漸降低。這種變化必須在IWF中進行控制，因為須要穩定頻率的時脈，如果無法維持穩定時脈，則將造成效能上的漂移，無法符合ITU-T G.8261標準的要求。 圖4　自適應與差分時脈回復

‧

差分時脈回復

另一種時脈回復模式是差分時脈，在封裝與解封裝IWF時都會存取共用的參考時脈。在封裝端將會插入時間標記到每個傳送封包之中，在解封裝端則會重新取得時間標記，並使用它做為輸入到FLL或PLL的主要參數，用以控制所送出的TDM串流的頻率與相位。在差分的狀況下，想要控制在PSN網路上的網路損毀將更為容易，因為它並不直接仰賴於每個封包的到達時間，取而代之的時間標記則用於控制所送出封包的位元率。 已經有數種網路架構解決方案被推薦用於網路層級的同步化，也已經有一些方案用於現有營運商的網路，其中一個普遍的方案便是在CES鏈結的核心端使用PRC，以及在CES鏈結的存取端使用全球衛星導航(GPS)接收器。 雖然GPS接收器為CES IWF提供了良好品質的參考時脈，但在許多設備的安裝地點上，卻面臨著GPS衛星訊號的接收問題。成本則是另一個顧慮，因為網路基礎必須架構在高品質的時脈振盪器之上。此外，所仰賴的科技是電信網路營運商所無法控制的，像是如果GPS衛星網路暫時地關閉或停滯，都將影響網路效能，甚至導致系統失效。

新興網路同步化架構問世  

針對PSN有兩種新的網路同步化架構被提出，且目前正在進行標準化的過程。第一個是由ITU-T G.262所定義的同步乙太網路(Synchronous Ethernet)，另一個則是架構於IETF NTP或IEEE1588標準，通常被稱為Timing over Packet的架構。

‧

同步乙太網路

同步乙太網路預計將在2008年下半年完成部署，乙太網路鏈結的實體層將會在網路中沿著節點發送時脈訊號(圖5)。它非常近似於SONET/SDH，每個節點有區域時脈或是乙太網路設備時脈(EEC)，用於決定每個介面所要送出的時脈速率，並可取得來自其中一個輸入介面或是區域自行運轉振盪器所送進來的時脈。想要完成同步乙太網路須要小心地建構樹狀網路，包含所有節點都會發送取自PRC到每個CES IWF的共用時脈參考，並依據RTP用來進行差分時脈回復，以便為送出的TDM串流精確地產生時脈速率。 依據與SONET/SDH相同的結構式架構，同步乙太網路期望能夠與當今SONET/SDH網路所達到的效能成果相抗衡，然而，在同步乙太網路被廣泛使用之前，這個目標只適用於當所有在網路中的中介交換節點，都擁有硬體與軟體上的支援時，才能實現端對端網路的同步化。任何一種現今所製造的乙太網路交換器或路由器都會破壞網路同步化，因為每個輸出埠都是從自行運作的振盪器中取得時脈(圖3下半部)，也因為這個緣故，同步乙太網路目前只能在全新的場所或新建的網路中使用，像是小型的網域，或是經過長期發展之後，營運商可以透過設備升級來涵蓋整個網路。 圖5　具備RTP的CES與架構於同步乙太網路的差分時脈

‧

Timing over Packet

依據同步乙太網路在部署上的限制，業界也對Timing over Packet展現出極大的興趣，相對來說它對中介網路的仰賴程度較低。Timing over Packet可以提供短期的解決方案，用以替代以往所使用的實體層時脈，它是依靠時間標記訊息在網路的節點之間分發，在網路中的專用時間伺服器會按時地傳送時間標記到客戶端的系統，客戶端會使用時間標記來量測客戶端的使用狀態，以便同步它們的區域時脈頻率與相位。 此外，封包設備時脈(PEC)的概念已經被提出，將會用於封包架構的時間標記，以便為它的區域系統時脈產生參考訊號，如圖6所示。高品質的參考時脈將會被其中一個CES IWF做為參考，具備有時間標記的訊息將經過PEC處理，以便為第二個CES IWF重新產生參考時脈。專屬的HTG目前正在開發當中，以便讓同步乙太網路與Timing over Packet通訊協定能同時對CES IWF提供支援。 無論如何，現有的Timing over Packet通訊協定仍須被加強，以便建立電信營運商等級的網路同步化架構。所提出的增強功能中包括時脈效能參數，以便在無線網路對基地台進行同步化，且當網路的節點或一部分失效時，備援機制將可讓用戶端更易於控制時序，並讓多重的備援時序伺服器之間能夠無漏失地進行切換。 圖6　具備RTP的CES與架構在Timing Over Packet的差分時脈

彈性FPGA挑戰高匹配CES運作  

透過FPGA製造商與矽智財(IP)供應商的合作，目前已經有完整的IP核心，可以在FPGA架構平台上實行所有CES系統的關鍵項目，像是設計、系統開發者都可以輕易地客製化TDM介面所需的數量與型式，增加客製化邏輯或通訊協定以進行功能差異化，或是配合CES封包標題欄位，讓CES網路架構能夠持續地發展，具可重複編程能力的FPGA將能夠提供極大的助益。  

SAToP與CESoPSN封裝模式將可用IP核心來實現，使用標準的訊號介面便可以輕易地整合核心到已量產的系統之中。這將可搭配不同的兩種解決方案，CES1針對成本相當敏感與精簡型終端系統所設計，像是終端設備(CPE)或無線網路終端，在低成本的FPGA中便可以支援高達三十二個TDM通道。另一個CES2則是高通道數的閘道器或聚集節點的理想選擇，這個閘道器IP可為數百個E1/T1 TDM通道支援CES，並具有支援通道化OC-12或STM-4的能力。另一方面，這個IP可以被用於做為路由器或交換器中的高密度E1/DS1線路模擬卡的核心。  

由於CES1與CES2是採用相同的核心架構與實行方式，因此使用者可以選擇最適合其應用所需的模式。圖7描繪出結合在邊緣節點使用CES1，以及在聚集站點使用CES2的合併網路設計，擁有最理想的互通性可以確保建構在IP中的特殊增強功能，可以在模擬線路中用於端對端連線。此外，CES IWF可以延伸為具有可選購的晶片內的高密度E1/T1訊框器，以提供TDM監看與編框，或是另外為E1/T1訊號用於支援SONET/SDH映射器/解映射器。

圖7　在網路設計中結合CES1存取與CES2閘道器核心

針對CES的IP核心可提供完整的解決方案，結合硬體狀態機與濾波技術，將可減輕軟體與中央處理器(CPU)在效能上的瓶頸。舉例來說，CES核心並不需要外部的CPU進行持續性的運作，僅需要在規律讀出時提供配置與警報狀態或效能計算器。對於所有的通訊協定處理、FLL/PLL的控制迴路與時脈回復，都可透過IP核心進行內部控管。  

CES IP核心是以符合營運商等級網路運作的嚴格要求所開發，因此使用者可以放心地進行大規模的拓展。CES的通訊協定互通性或與市售產品或元件的同步性，都是評估測試的一部分。IP核心將會在真實的網路環境下廣泛地測試，以便在系統或網路上導入新科技時，能減少專案發生相關風險的可能性。這將可讓系統設計師能夠更專注在整合系統元件，而不用再去擔心模擬線路的網路效能。  

(作者Jan Venema為AimValley BV科技長；Sri Purisai為Altera通訊事業單位策略市場行銷經理)