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AdvancedTCA与MicroTCA打造电信市场的COTS平台-图文

AdvancedTCA 与MicroTCA 打造电信市场的COTS 平台
——3G 网络获利最丰
By Stephan Rupp, Kontron AG
3G 网络中占主要地位的三个无线接入标准是WCDMA 、TD-SCDMA 与CDMA2000。
3GPP 与业界厂商对网络结构的标准化做出的杰出努力，为在世界范围内成功布署3G 网络业务起到了至关重要的作用。不过，3G 网络是复杂的系统，包含有多种多样的网元设备，
AdvancedTCA 与MicroTCA 技术的出现把它的实现方式引向了标准化的道路，即通过商用组件快速、低成本地布署3G 网络，减少了各种独立的实现方式的复杂性，提高了互操作性。
3GPP 与业界相关厂商付出了巨大努力，对3G 体系结构进行标准化、提高互操作性、统一了网络结构与业务，使其得到了全球范围内的广泛接受。目前3G 网络主流的无线技术是TD-SCDMA (亚洲, WCDMA (欧洲 和 CDMA2000 (北美 ，它们都拥有很大的用户群。相比于种类繁多的2G 与2G 前的无线技术，大大降低了无线接入技术的复杂性，在第三代移动网络通用结构中得到了广泛的支持。
令人头痛的多样性
移动用户通过特定的无线接口访问3G 网络，三频或四频接收器对于目前2G 终端来说已经很平常了，3G 用户将能够无缝地漫游于一定数量的无线频段中，因为3G 的基本结构是建立在经过实际应用考验的2G 系统设计基础上的。

图 1: 3G 网络结构
如图 1所示，3G 网络中包含两个主要的网域：无线接入网（RAN ）与核心网（CN ）。无线接入网（RAN ）提供移动用户的无线覆盖，根据用户密度与话务密度建立蜂窝状网络，其主要网元是移动基站（Node B）、基站控制器（RNC ）和用于汇聚流量、接入控制的边缘网关：SGSN (Serving General Packet Radio Service Support Node是3G 网络接入服务器，GGSN (Gateway General Packet Radio Service Support Node是3G 无线接入网域与IP 网域的网关，如3G 核心网与因特网之间。
核心网是基于IP 网络，并拥有以下网元：
• 会话控制器，例如IMS 业务的CSCF （Call Session Control Function），用于封装用户与
多媒体的会话；又如呼叫服务器与应用服务器，以及信令网关，用于处理TDM 类型的
PSTN 或PLMN 业务。
• AAA 服务器，用于用户会话的鉴权，授权和计费。具体的例子如HLR/HSS，是保存用户
基本信息、信用记录及业务信息等内容的设备。
• 媒体服务器，对音频、视呼媒体（含传统语音业务）媒体进行处理与分发的设备，可用于
网络中分发电视、电影等视频资料。中继网关是一种特殊的媒体服务器，用于传送3G 核心网与传统TDM 网络间的语音。
3G 核心网是一个多媒体网络，它并不仅限于处理语音业务，还可承载音频与电视（IPTV ）业务。同样，3G 核心网不特定服务于移动用户，可向有线网络如DSL 或CableTV 提供相同的业务，稍作扩展，它支持所有数字化广播电视网络形式。
ATCA 与µTCA 适用于任何的网元
尽管3G 网络的基本结构是简单而直接的，但仍然含有大量的不同来源的网元设备，它们有着复杂的接口与形态，不同的设备供应商需要匹配各种版本的接口协议。互操作性问题在这样的系统绝非小事，有大量的规划、测试与集成工作要做。实际布署中，需要考虑分布在网络中各个角落的众多网元，由于其事务处理能力、用户容量与传输能力的不同，对扩展性造成很大的困扰，也对向既有网络中添加新业务、新部件造成困难。通信系统对可用性的要求很高，这显著增加了软硬件设计成本，而且这些问题很难在网络结构设计中定位。
随着ATCA 与µTCA 的诞生，有了广泛接受的标准来应对日益增长的网元实现方式多样性。ATCA 与µTCA 提供了标准化解决方案，它们适用于3G 网元，无论是无线接入网还是核心网域，都可以采用相同的技术来实现绝大多数的网元。
实现层面的标准化
重用广泛认可的商用组件，提供了一个独一无二的降低软硬件设计成本的机会。这些组件由许多不同的供应商提供，并产生了一定的经济规模，有利于成本敏感、竞争激烈的应用方案。ATCA 是第一个积木式的标准，由PICMG(PCI Industrial Computer Manufactures Group，一个由主要硬件组件制造商组成的工业组织 组织制定，用于实现高性能核心网元。µTCA 脱胎于ATCA ，适用于接入网中的紧凑型系统，其应用领域不仅限于通信网络，还可用于其它任何需要紧凑型、高性能处理的领域，如传输、工业自动化与医疗。

图 2:无线网络中的 ATCA 与 MicroTCA
图2展示了ATCA 与 MicroTCA在无线网络中的典型应用领域。µTCA 明确地带有紧凑型系统的特点，而网络边缘设备的选择往往取决于其尺寸，即安装空间。在接入层，µTCA 可用于实现TD-SCDMA 、WCDMA 与固网中的接入单元，如Node B、RNC 、SGSN ，以及各种基站、基站控制器、基于诸如WiMAX 标准的接入服务器。对于大型系统，ATCA 更适合，并与ATCA 的先驱—CPCI 解决方案一道，以其高性能的处理器、IP 交换能力应用于诸如VoIP 服务器和其它边缘设备。
在汇聚层与核心网，对高可用性、传输容量与事务处理能力要求很高。ATCA 通常是高性能的最佳选择。µTCA 与ATCA 可对电信网中要求的操作性与高可用性提供与生俱来的支撑，而其它IT 技术却做不到。ATCA 与µTCA 作为一种系统技术，是电信级业务与商用组件之间自然而然的选择。
低成本、广泛布署的积木
AdvancedTCA 适用于通信核心网络，因其为达到电信级可靠性（99,999%）要求而做的特别设计，拥有广泛的应用空间。ATCA 含有内建的机箱管理系统，进行错误、告警与配置管理。为了做到这一点，ATCA 板卡也都实现IPMI （Intelligent Peripheral Management Interface）接口。
为了实现高密度计算与存储，ATCA 板卡可以加载夹层卡，即高级夹层卡（AMC ，
Advanced Mezzanine Card，一种PICMG 定义的夹层卡标准）。AMC 支持热插拔，并被集成入机箱管理体系，它可用于ATCA 载板，也可用于专有板卡。
MicroTCA 技术源于ATCA 与AMC ，把AMC 模块直接插入相应的背板，是一种特别紧凑且高性能的设计。MircoTCA 系统也是PICMG 的标准规范，其规范刚刚于2006年7月份获得通过。µTCA 的目的是在一个紧凑系统中重用AMC 模块。µTCA 的灵活性与其两个重要组件的杰出设计是分不开的，一是背板，二是MicroTCA 控制交换模块（MCH ），用于管理机箱内的板卡与交换互连。
ATCA 与 µTCA 一览

ATCA 与 µTCA 含有以下部件：
• 硬件模块：ATCA 板卡包括计算、互连、AMC 载板；AMC 模块包括计算、存储、输入输出
以及信号处理；以及ATCA 机箱、µTCA 机箱。
• 软件模块：机箱管理软件、BIOS 、操作系统、HA （high-availability ）中间件及可视化中间
件
•
图3所示的是ATCA 系统中ATCA 板卡与AMC 模块的样品。机箱遵循ATCA 标准制，提供基本接口与交换接口用于控制平面与用户平面的连接；ATCA 交换结点位于特定槽位，提供物理连接的接口。 集成与认证：提供评估与开发系统，工程与设计支持，系统预集成与应用级平台。

图3 ATCA系统
控创是µTCA 的重要推动者
控创是新发布的µTCA Release 1标准的重要推动者。µTCA 的设计目标包括：与ATCA 兼容，低启动成本，支持所有AMC 规格，容量与可靠性可伸缩，支持电信环境要求支持机箱管理、热插拔特性。因此，µTCA 把ATCA 的应用领域扩展到接入网及所有对紧凑设计与高性能有要求的领域，使成本敏感的系统可以转移到商用组件的平台上。
第一套遵循新颁布的标准，并可用于演示与评估的µTCA 系统已经诞生了，图4所示是其样机 。µTCA 依赖于AMC 模块，并反过来促进这种紧凑、灵活的模块得以应用。今天，业界主要厂商已经在为µTCA 系统评估提供相应的AMC 模块。

图4 µTCA 评估系统
控创的ATCA 板卡与AMC 模块
ATCA 板卡可以分成以下类别：
• 处理板： ATCA系统的计算核心。高端解决方案允许通过基本接口与交换接口对外提供大
容量互连，并支持两个AMC 模块，如可插存储模块以扩展存储容量。处理板可提供从单核处理器到两个双核处理器的配置，以满足对计算能力的不同需要。
• 交换板：用于结点板的互连，可支持拥有基本接口与交换接口的14-16槽ATCA 系统。为
了提高设计的紧凑性，它们同样采用两个AMC 槽来扩展多种灵活用途，如实现机箱互连。 • AMC 模块载板：AMC 载板最多提供4个AMC 槽，可根据应用需要配置不同功能的模块，
如信号处理卡与处理专有协议的接口卡。AMC 载板是紧凑与灵活两全的方案，可与其它专用的ATCA 板卡相媲美，并拥有众多商用AMC 组件的支持。
AMC 模块有ATCA 许多丰富的特性，包括：
• 处理器模块（CPU 模块）：用于增强计算能力。CPU 模块不仅可以与其它AMC 模块一样
通过基本接口的GbE 与外界互连，并在交换接口上支持PCI-Express 。
• 存储模块：支持SATA 或可靠性更高的SAS 硬盘。
• 接口模块：提供连接其它外部系统的接口。边缘网络与核心网络的主要接口是具有端口汇
聚与VLAN 功能的千兆以太网，一个AMC 模块提供4个千兆以太网接口，可连接基本接口与交换接口，承载基于IP 的3G 控制协议。在接入网域，可采用AMC 模块提供其它接口，如面向ISDN 或CS7的E1/T1、面向ATM 或 POS 的STM-1/OC3 与 STM-4/OC12.接口。 • 数字信号处理模块（DSP 模块）：数字信号处理模块在3G 网络是必不可少的，广泛用于
语音、视频转码、视频流、录音录像处理、电话会议及信号音处理中。AMC 模块提供可达8个DSP 的处理能力，DSP 之间以10Gbits/s的速率交换数据。同时，通过GbE 、 PCI -Express 、 Serial Rapid IO 或Fibre Channel等互连技术， ATCA 与AMC 的架构保证了DSP 与机箱内其它板卡及外界系统间的连接通道能达到10Gbits/s。
通信服务器模块
控创提供丰富的ATCA 与µTCA 的产品以支持各种各样的应用。尽管不同网络的网元功能可能不同，但是仍可以在设计内容与模式上进行复用。作为ATCA 与µTCA 的重要提供商，控创不仅向客户提供单元模块，并可辅助客户进行面向ATCA 与µTCA 架构的系统设计，具体包括提供评估系统、开发系统及指导客户定制化的设计工作。

图5 ATCA样机配置示意图
图5所示的是一个紧凑型ATCA 系统，标准机箱可支持多达16槽的完整系统，而这个精简系统缩减了槽位，但可提供更高的ATCA 载板间互连能力，这是因为紧凑型的ATCA 系统可以将更多的背板空间用于板间互连。
图中ATCA 系统适用于高性能呼叫服务器、IMS 服务器及应用服务器。除了紧凑的机箱结构，它还可以使用AMC 模块，如用存储模块扩展存储能力，用DSP 模块处理媒体流。
µTCA 延袭了ATCA 的设计原则。大量的AMC 组件给紧凑的µTCA 系统带来了许多灵活性，但是在系统设计时也需注意一些个性化的需求，并与背板与MCH 保持一致。图6是一个支持全冗余的µTCA 系统。
MCH 是µTCA 中的交换模块，但是由于µTCA 对紧凑性的要求，在MCH 上集成更多的功能，如系统管理与对其它AMC 模块的维护功能。MCH 可向每个AMC 模块提供1GbE 的基本互连，并可采用其它互连技术实现高容量的AMC 互连与系统上连。

图6 µTCA 配置示意图
µTCA 的互连技术包括GbE, 、PCI-Express 、SATA/SAS, Fibre Channel 与Serial Rapid IO ，这些技术的实现都需要MCH 与背板的配合。同时，µTCA 支持全冗余配置，其冗余、大容量互连与高吞吐能力是其它技术不能匹敌的。µTCA 是满足电信级需求的紧凑型设计。
图中样机的配置是一个具有高互连容量的全冗余系统，支持多种不同的传输机制，实现了与外部系统高性能上连及通过双星拓扑结构连接AMC 模块；SAS/SATA接口连接存储设备；PCI-Express 连接I/O设备与CPU 板。同时，还可以通过串行快速I/O提供DSP 模块间高速互连。
紧凑型设计带来了操作有效性与低成本的好处。一旦被市场接受，µTCA 的市场容量将会很大，客户将从庞大的市场规模中得到很高的成本效益。由于ATCA 做的前期努力，已经有很多种AMC 产品面市了，随着MicroTCA Release 1.0标准的发布，µTCA 这种新兴技术立即展现出了极大的潜力。最终，ATCA 与µTCA 将成为基于标准化硬件平台的通信网络设备的重要选择，它们定位于解决互操作性瓶颈，已经成为一种工业标准，AMC 模块更易于布署，且不仅限于通信网络领域。控创将一如既往地致力于为业界提供关键部件、系统、解决方案的开发、设计、评估、工程支持。