寬帶通信技術解決方案
今天的寬帶解決方案非常復雜,半導體制造商必須整合各種創新技術,才能提供低功率且低成本的系統解決方案,滿足OEM廠商、服務供貨商和使用者的要求。這篇文章對各種寬帶基礎設施、接取方式和家庭網絡技術做綜合性介紹,同時深入探討在基礎設施和終端裝置之間提供端對端寬帶聯機所須的關鍵技術建構方塊;最后,這篇文章還會說明為什么TI最有資格提供完整的端對端寬帶解決方案。
寬帶服務的演變
寬帶通信包含提供封包數字語音、視訊和數據服務給使用者的必要技術和設備;寬帶不但為使用者帶來高速且永遠暢通的因特網聯機,也讓服務業者能夠提供各種加值服務,增加自己的營運收入。由于因特網的快速成長,廠商正大規模建置跨城市高速通信干線,把全世界人口集中地區和網絡服務業者的PoPs(Points of Presence)機房據點連接在一起,而干線基礎設施或核心網絡的建置主要則是透過光傳輸技術。
從家庭或中小企業辦公室到干線基礎設施是網絡建設的最后一段線路,寬帶聯機技術雖已被用來解決這段線路的頻寬不足問題,但此項技術目前仍正處于應用階段初期;舉例來說,根據美國洋基集團(Yankee Group)最近一份研究報告,全美住宅因特網聯機用戶當中,擁有寬帶聯機的家庭還不到14%。
隨著家庭使用者開始擁有寬帶線路,人們的生活和工作方式也有了真正轉變,過去透過撥接調制解調器上網的使用者必須耐著性子,等待從網絡下載網頁數據,現在這些使用者紛紛轉向寬帶聯機服務;他們發現使用寬帶線路后,由于傳輸速率大幅提升,不但網頁瀏灠速度變得更快,還可以提供多項其它優點。舉例來說,更高聯機速率使得各種多媒體應用得以實現,例如實時網絡音訊分流、顯示數字相片或將它傳送給朋友親人、觀看新聞事件報導和電影預告片、以及訂房前先透過虛擬實境技術了解旅館飯店和旅游景點的情形。另一方面,由于寬帶線路采用固接技術,使用者隨時都可以上網,這與傳統撥接方式完全不同。也因為如此,寬帶線路用戶通常都會讓計算機保持在開機狀態,并利用因特網做一些日常工作,例如查詢電視節目表或電話號碼;相形之下,傳統撥接線路不但速度慢,還必須先將線路接通才開始工作。寬帶線路的出現也表示用戶上網時,電話線路仍可正常使用;消費者不必安裝第二條線路,還可以一邊上網查詢信息,一邊利用電話與他人交談。
家庭寬帶線路還有另一項重要影響,它為使用者帶來一個環境,彷佛身處辦公室內,可同時使用電話線路和計算機聯機、高速上網和企業網絡的電子郵件存取、檔案分享和連接至企業服務器,實現電子通勤(telecommute)的愿望。
擁有家庭寬帶線路后,你會發現家中若擁有多部個人計算機,就必須與家庭其它成員分享線路。在此因素考慮下,人們開始在家中安裝局域網絡,當局域網絡建置完成后,人們又想利用它來分享檔案、或掃描儀。事實上,人們早就可在遠方透過因特網執行許多功能,例如監控家里情形、看看在托兒所的小孩、了解目前交通狀況以及透過網絡廣播欣賞高質量音樂。
圖一列出了寬帶成長的主要推動力量和影響沖擊。TI認為在未來的寬帶家庭里,各種多媒體信息將會透過寬帶線路送至寬帶家庭的個人終端裝置,也會在各個終端裝置之間相互傳送多媒體內容,包括視訊、音訊、聲音和數據。
推動力量
? 高速聯機、分流視訊和音訊的需求
?家庭網絡:家中有多部個人計算機和網絡家電
?個人化:針對個人需求而規劃的服務內容
?從個人計算機世界逐漸轉變至網絡裝置世界
?主干線基礎設施將會提供更高傳輸容量(和QoS)
影響沖擊
?每個家庭和辦公司會使用更多頻寬
?基礎設施必須提供更高傳輸容量
?端至端聯機必須提供QoS
?成熟共存的家庭網絡標準
?聲音/視訊/音訊遍及家庭和辦公室各個地點
?分散于家庭網絡的網絡家電、末端裝置(End Points)和服務
?保護消費者、供貨商和內容的安全機制
圖1:寬帶成長的推動力量和影響沖擊
寬帶聯機
圖二顯示寬帶線路從核心基礎設施向外延伸至最終使用者裝置,例如個人計算機、個人數字助理、電話、電視機和數字相機。基礎設施網關器把寬帶接取能力提供給封包化基礎設施,客戶端設備接取網關器則透過一種或多種家庭網絡技術,把寬帶接取線路擴及最終使用者裝置。?
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寬帶接取技術
為解決最后一段線路的連接問題,廠商已推出多種寬帶接取技術,包括:
??纜線調制解調器
??數字用戶回路(DSL)
??光纖
??2.5G和3G行動電話
??無線以太網絡
有線電視纜線
有線電視業者正在更新他們的線路,使其除了傳統視訊服務之外,還能支持數據和語音服務,提供寬帶接取能力,進而取代既有電話線路。纜線調制解調器終端系統(Cable Modem Terminal System)會連接至客戶端纜線調制解調器,并提供寬帶接取服務。纜線調制解調器大都提供一個以太網絡界面,可連接至一部個人計算機或透過小型路由器與多部個人計算機連接,今天的有線電視線路通常提供500 kbps至2 mbps數據下載速率和128 kbps上傳速率,新一代纜線調制解調器技術還會大幅增加可用頻寬,支持各種互動應用,例如視訊會議和高階在線視訊。
IP電話是同軸纜線可以提供的多種服務之一。對于有線電視業者而言,IP電話使他們也能支持語音服務,這種服務目前仍只有電話公司才能提供。
數字用戶回路(DSL)
DSL是一種銅線回路傳輸技術,只要在客戶端和局端都安裝一部DSL調制解調器,即可透過普通電話線高速傳送數據。DSL線路可以分成許多種,分別滿足不同環境和應用的不同技術需求,例如客戶端與局端距離(稱為聯機距離)以及數據速率就是很重要的技術取舍項目。非對稱數字用戶回路ADSL主要用于住宅服務,這項技術利用一項事實:進入局端機房的纜線非常多,因此銅線路在局端的串訊干擾會比客戶端嚴重。ADLS最高可以提供8 Mbps的局端至客戶端下行速率和1 Mbps的客戶端至局端上傳速率,這已能充份滿足今日家庭應用的需求,因為在這類應用中,大部份頻寬都是用于將資料從局端送至客戶端。
對稱數字用戶回路SDSL是中小企業的低成本解決方案,可做為T1和E1線路的競爭替代方案。ITU-T標準G.991.2又稱為g.shdsl,是國際電信聯盟新推出的一項標準,用來取代廠商專屬的SDSL標準;G.shdsl的數據速率可從192 Kbps至2.3 Mbps,聯機距離則比SDSL多出30%。
VDSL(Very-high-bit-rate DSL)可同時支持對稱或非對稱服務,其中非對稱VDSL最高可將52 Mbps數據速率提供給使用者,因此非常適合高數據速率應用,例如實時視訊分流傳送。但為了提供這么高數據速率,非對稱VDSL的聯機距離也受到限制,客戶位置必須很靠近局端機房,或是將基礎設施接取網關器安裝至靠近客戶的遠距終端裝置。
光纖
建置新基礎設施時,若無任何現成銅線路可用,廠商就會選擇架設光纖線路;透過各種區域接取網絡架構,例如FTTH/B(光纖到家庭/大樓)、FTTCab(光纖到機柜)以及FTTC(光纖到小區),光纖技術為網絡帶來充份頻寬,支持各種新服務和應用。廠商會從局端連接一條光纜至用戶附近,然后利用被動式分光器(passive optical splitters)提供點對多點的寬帶聯機能力,這種方法又稱為被動式光網絡(Passive Optical Network);若廠商采用FTTCab或FTTC架構,信號還會經過轉換處理,再透過銅線路連接至用戶。由于這些機柜位于用戶附近,銅線路長度大都不會超過三千英呎,故可提供高數據速率的xDSL接取能力。
2.5和3G行動電話
除了傳統語音功能之外,新世代行動電話也開始提供高速數據能力。目前的2G行動電話只能達到9.6 kbps數據傳輸速率,新的2.5G服務不但為使用者帶來更高頻寬,還可以提供固接式資料服務。2.5G網絡目前主要采用兩種技術,分別是GPRS(General Packet Radio Service)以及EDGE(Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution),第三代無線通信技術則能支持更高數據速率。封包交換過程是以IP為基礎,讓因特網數據以更高效率通過電信廠商網關器,更大的頻寬則能提供更好的語音、數據和視訊信號整合。透過行動電話提供數據服務,那么無論使用者在任何地點,例如坐在行駛中的汽車內,他們都可以享受高速數據接取服務。
無線以太網絡
除了透過行動電話提供無線數據服務外,業者也開始利用無線以太網絡,在公共場所提供寬帶接取服務,例如機場、旅館、運動場、會議中心和咖啡館,這讓使用者得以利用隨身攜帶的攜上型計算機或個人數字助理,然后透過一種通用接取技術享受各種高速上網服務,無論是在辦公室、家中或路上。
家庭和企業網絡技術
今天,雖然絕大多數企業為滿足他們的網絡需求,已經開始采用某種形式的有線以太局域網絡,但大多數家庭尚未安裝任何網絡基礎設施。目前主要的家庭網絡技術包括:
??以太網絡
??HPNA
??HomePlug
??藍芽
??無線以太網絡
以太網絡是應用最廣泛的局域網絡技術,因此市場上已有許多成本極低的以太網絡配接卡,可用于個人計算機或其它裝置。但目前在家中架設以太網絡聯機仍然非常昂貴,安裝步驟相當繁瑣,例如將電纜穿過墻壁內部的管線、安裝連接座和干墻修復等工作。因此,以太網絡纜線架設通常會等到新建筑時才進行,但業者也另外發展其它替代技術,以便利用既有電話線路同時傳送局域網絡數據和聲音訊號,家庭電話網絡聯盟(HPNA;Home Phone Networking Alliance)還為這種技術定義操作互通性標準;但是,大多數家庭中,可用來連接以太網絡的電話插座有限,因此架設新線路的成本問題也必須解決。目前業者已發展出新技術,可利用家里的交流電源線路來傳送局域網絡數據,因此使用者幾乎可從任何房間連至局域網絡;另一方面,應用裝置連接至局域網絡時,仍必須插在電源插座,使它仍然受到電線的牽絆。
為取代有線網絡,業界已制定數種無線連接標準,包括藍芽和無線以太網絡(無線局域網絡)。藍芽主要用來取代短距離低數據速率裝置之間的連接纜線,無線以太網絡則是由IEEE 802.11發展的一項標準,它保持了以太網絡的兼容性和數據速率,并已應用于家庭、企業和公眾接取網絡。
802.11b是目前的無線以太網絡標準,它采用直接序列展頻技術(Direct Sequence Spread Spectrum),最高可以提供11 Mbps數據速率。這項標準又稱為Wi-Fi?,使用2.4 GHz頻帶傳送數據,目前已廣泛用于辦公室、園區和家庭。802.11a則是此項標準的另一種版本,它采用正交分頻多任務技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),應用裝置可選擇一組彼此互不干擾的頻率,對這些頻率進行多任務存取,然后同時使用這些頻率以提供更高頻寬;802.11a是透過5 GHz頻帶傳送數據,速率最高54 Mbps。802.11g是最近加入802.11系列的新標準,它將直接序列展頻技術的數據速率增為22 Mbps,并支持2.4 GHz頻帶的正交分頻多任務作業。
無線標準必須解決傳輸過程中其它裝置的可能干擾,包括微波、無線電話和使用相同頻帶的其它無線標準;此外,由于數據是透過無線方式傳送,為了安全考慮,還需要強健可靠的加密技術。
網絡標準 ?說明 ?種類 ?建置需求 ?最大數據速率Mbps
802.3以太網絡 ?容量太大;硬設備已經商品化 ?有線 ?新線路 ?10/100
802.11以太網絡 ?無線以太網絡 ?無線 ?不必接線 ?11/22/54
HPNA ?使用現有電話線路的家庭網絡 ?有線 ?部份新線路 ?1/10/32
藍芽 ?取代短距離纜線 ?無線 ?不必接線 ?1
HomePlug ?使用現有交流電源線路的家庭網絡 ?交流電源線路 ?無須新線路 ?10
圖2:家庭網絡技術
寬帶建構方塊
本節將討論發展寬帶解決方案所須的技術建構方塊。半導體制造商需要從完整解決方案的角度來設計芯片和軟件,而不僅是芯片或芯片組;如同圖4所示,半導體制造商必須擁有多種核心競爭力,才能滿足客戶的許多要求。首先,客戶需要彈性解決方案,它必須有能力支持不同規模的應用需求,范圍從末端裝置向上延展至客戶端設備,再向上延展至電信廠商設備??沙绦蚣軜嬀褪菫榱藵M足彈性應用要求,這種架構可簡單快速完成軟件升級,以便提供新功能特色、解決操作互通性問題、增加工作效能和支持新標準。
客戶需求 ?競爭力
彈性、速度、延展性以便容納未來新技術、快速的新產品上市時間 ?可程序DSP
效能最高
功率消耗最低
軟件工具
完整垂直解決方案 ?系統層級設計:DSP、RISC、模擬混合信號、網絡、軟件
軟件重復使用 ?軟件兼容性
最低功率消耗、最小使用面積、最低成本 ?最高系統整合度
迅速進入量產、合于成本效益、庫存控制 ?生產制造能力
新產品上市時間 ?參考設計
更短時間內開始獲利 ?技術支持
智能財的使用(專利) ?擔保(Indemnification)龐大的專利數目
圖3:客戶需求和所須的核心競爭力
為執行調變、語音壓縮和視訊處理等功能,寬帶技術需要高效能DSP來實作各種信號處理算法,業者目前已跨出通用DSP的局限,開始采用為特定垂直應用而最佳化的芯片與軟件解決方案,包括:
??DSP核心
??RISC處理器核心
??網絡界面,包括以太網絡、Utopia、PCI、USB、1394?等
??應用程序界面定義完整良好的軟件,包括信號處理算法、協議堆棧(Protocol Stack)、裝置驅動程序、實時操作系統的預先移植版本(pre-ports)、網絡管理和應用軟件
??高效能模擬零件,包括數據轉換器和放大器電源管理解決方案,包括電源控制和電池管
??寬帶通信的數字調制解調器技術
??無線裝置的射頻無線技術
??VoP(Voice over Packet)技術,包括語音壓縮,回音消除、撥號音處理、撥接式調制解調器、Group 3傳真和電話信令
??網絡技術,包括路由、交換、封包過濾、加密和QoS網絡服務質量
這些解決方案的功率消耗必須很低,讓末端裝置可以使用電池或交流電源,或是讓設備具有更佳延展性,滿足基礎設施環境對電力消耗和散熱能力的限制。
成本向來都是重要考慮因素,客戶希望半導體廠商提供最低成本的解決方案,這是指整個客戶解決方案,而不僅是半導體制造商的部份。因此半導體制造商必須了解設備的總零件成本,例如把更多功能整合至芯片解決方案,讓解決方案不再需要「黏接」邏輯。廠商也可以簡化解決方案的制造過程,以降低生產成本,例如把印刷電路板層數減至最少,選擇適當的組件封裝,讓芯片在電路板上更容易安裝,信號的繞線也更簡單。
為讓產品進入大眾消費市場,客戶必須不斷降低成本,因此他們希望制造商規劃組件發展藍圖時,也能讓客戶后續產品的更新成本大幅降低。要讓成本不斷下降,關鍵之一是擁有量產制造能力的設施、先進的制程技術和強大的系統整合能力。
為加快客戶新產品上市時間,半導體制造商必須提供客戶硬件參考平臺與整合軟件、整套系統必須通過業界標準兼容性測試、與其它廠商產品的操作互通性以及通過實際工作條件考驗的產品。
下面各小節會討論如何把這些建構方塊組合在一起,提供基礎設施設備、局端接取網關器設備(premise access gateway equipment)和寬帶末端裝置。
基礎設施設備
如同圖5所示,寬帶基礎設施網關器設備負責把寬帶接取服務連接至光核心網絡基礎設施(optical core network infrastructure;對于提供多種服務的網關器,多核心DSP平臺可以協助支持多種寬帶接取技術和傳統的語音等級服務,包含高速處理引擎和網絡界面的通信處理器將負責執行通訊協議處理與網絡管理功能,另外它還需要高速的匯集邏輯電路(aggregation logic),以便在提供QoS功能時執行封包處理作業。
廠商希望在有限空間(局端機房或小區的遠距終端設備)架設大量最終用戶線路,同時把總功率或總熱量散逸限制在一定水平以下,這項需求帶動了提供寬帶接取能力的基礎設施網關器設備。
為協助服務供貨商和OEM廠商更了解高密度產品實作的技術需求,TI率先提出「解決方案密度」(solution density)的概念。從系統工程角度來看,評估解決方案時,必須了解它如何把系統零件組合在一起,提供功率消耗最低且使用面積最小的解決方案,而又不會影響系統質量與功能。解決方案密度是指整體系統架構的最佳化,但須把下列重要因素列入考慮:
??解決方案的功率消耗,以每個最終用戶信道所消耗的毫瓦數(mW)來表示
??解決方案密度,以每平方英吋的最終用戶信道數目來表示
??解決方案成本,包括芯片、硬件、軟件和任何智能財授權費用
??系統分割,包括封包的匯集和路由(aggregation and routing)
??軟件特色,產品功能就由它們定義
??網絡管理能力,提供更高的可用性和可靠性(availability and accountability)
要發展一套最佳解決方案,成本、功率消耗和使用空間的評估必須以全系統為基礎,而且必須是系統特色和支持功能的函數。舉例來說,設計工程師必須將外部邏輯的需求列入考慮,例如外部內存、匯集邏輯( aggregation logic)、布局和繞線問題等等。在許多系統中,功率消耗(熱量散逸)是關鍵考慮因素,這在高密度解決方案更明顯;換言之,絕大多數解決方案在用盡電路板面積之前,就會先將機架的電源用盡。要避免整個系統的運算以及/或是頻寬瓶頸,同時提供良好的延展擴充能力,以支持數目龐大的最終用戶連接端口,適當的功能分割也是關鍵要素。
局端接取網關器設備(Premise Access Gateway Equipment)
如圖6所示,來自服務供貨商的寬帶線路會連接至局端接取網關器設備,由它擔任這組線路的終端點,同時將這組線路轉而提供給家庭或辦公室家庭網絡。包含高速處理引擎和網絡界面的通信處理器會執行通信協議運算,例如橋接、路由、封包過濾和防火墻作業。一般說來,一部局端接取網關器可以連接至一種寬帶線路,例如有線電視纜線或數字用戶回路,或是固定寬帶無線,但也可以支持多個局域網絡界面,例如有線以太網絡、無線以太網絡和藍芽。
寬帶末端裝置(Broadband End-Points)
如圖7所示,寬帶末端裝置可分成許多種,例如個人數字助理、數字相機、MP3播放機、數字電視和IP電話;DSP負責執行各種多媒體運算,例如MP3音訊、MPEG4以及JPEG影像處理;高質量模擬零件則對數字模擬轉換和模擬數字轉換非常重要。消費性裝置的成本必須非常低,可攜式掌上型裝置的功率消耗也必須很少,確保電池擁有足夠長的供電時間。此外,對于使用外部電源的裝置,例如電源來自基礎設施、以太網絡或是USB界面,它們也必須遵守該界面的功率消耗限制,因此低功率裝置和低電源管理技術的搭配就非常重要。
TI寬帶解決方案
TI是最有資格的廠商,因為我們已掌握所有必要技術和系統知識,可將完整創新的解決方案提供給OEM制造商。如圖8所示,TI提供下列的寬帶和家庭網絡解決方案:
??ADSL:基礎設施、住宅網關器和客戶端設備(個人計算機和嵌入式)
??有線電視纜線:基礎設施(纜線調制解調器終端系統)和客戶端設備(纜線調制解調器)
??支持POTS服務的通用連接埠遠距存取服務器(RAS):撥接調制解調器(V.90、V.92、V.34…)、Group 3傳真和VoP
??VoP解決方案:基礎設施(高連接端口密度)、客戶端設備(整合接取裝置)和末端裝置(IP電話)
??家庭網絡:以太網絡、802.11a/b/g無線以太網絡、藍芽
??整合數字音訊與視訊:MP3、MPEG4和其它
只有TI提供端對端解決方案的所有建構方塊。因為TI可以支持從末端裝置到基礎設施的每一種系統組件,因此非常了解如何以及在何處解決端對端問題,例如安全性、服務質量、網絡管理和遠距維修能力。
DSP和模擬技術是量產市場的推動力量,例如數字無線電話和寬帶網絡設備。TI正利用它在這些市場的優勢積極進入新產品應用領域,包括網絡音訊、VoP、數字相機、生物醫療裝置、電子郵件終端裝置、因特網終端機、具有上網能力的電視機、影像電話和其它掌上型信息家電及更多產品。根據愛迪西公司(IDC)今年初的分析,個人計算機以外的信息家電產品銷售量在1999年約為1,100萬部或24億美元,預估2004年將成長為9,000萬部左右或180億美元。隨然這些產品間的差異會很大,但它們仍有些重要的共同特色:使用簡單、可移植性和高度個人化;此外,其中許多產品還會透過固接式寬帶線路連接在一起。
TI寬帶解決方案充份利用公司的所有優勢,為客戶帶來高功能整合度的技術創新解決方案,包括:
??可程序DSP平臺的領導者-最少成本、最低功率消耗和最高效能
??模擬技術的領導者-功率信號調節和混合信號
??系統、軟件和模擬整合能力-最好的系統層級整合
??世界水平的軟件工具和DSP加值網絡-開放式系統為客戶減少新產品上市時間與發展成本
??芯片/SLI/ASIC技術-客戶規格系統解決方案
??世界水平生產設施-支持量產和快速沖量(ramp up)
??智慧財(專利)-創新技術,可提供擔保(indemnification)
結論
我們已掌握所有必要技術和系統知識,可將完整創新的解決方案提供給OEM廠商,范圍從基礎設施設備到末端裝置。??
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