宽带通信技术解决方案

宽带通信技术解决方案

今天的宽带解决方案非常复杂，半导体制造商必须整合各种创新技术，才能提供低功率且低成本的系统解决方案，满足OEM厂商、服务供货商和使用者的要求。这篇文章对各种宽带基础设施、接取方式和家庭网络技术做综合性介绍，同时深入探讨在基础设施和终端装置之间提供端对端宽带联机所须的关键技术建构方块；最后，这篇文章还会说明为什么TI最有资格提供完整的端对端宽带解决方案。

宽带服务的演变
宽带通信包含提供封包数字语音、视讯和数据服务给使用者的必要技术和设备；宽带不但为使用者带来高速且永远畅通的因特网联机，也让服务业者能够提供各种加值服务，增加自己的营运收入。由于因特网的快速成长，厂商正大规模建置跨城市高速通信干线，把全世界人口集中地区和网络服务业者的PoPs（Points of Presence）机房据点连接在一起，而干线基础设施或核心网络的建置主要则是透过光传输技术。

从家庭或中小企业办公室到干线基础设施是网络建设的最后一段线路，宽带联机技术虽已被用来解决这段线路的频宽不足问题，但此项技术目前仍正处于应用阶段初期；举例来说，根据美国洋基集团（Yankee Group）最近一份研究报告，全美住宅因特网联机用户当中，拥有宽带联机的家庭还不到14%。

随着家庭使用者开始拥有宽带线路，人们的生活和工作方式也有了真正转变，过去透过拨接调制解调器上网的使用者必须耐着性子，等待从网络下载网页数据，现在这些使用者纷纷转向宽带联机服务；他们发现使用宽带线路后，由于传输速率大幅提升，不但网页浏灠速度变得更快，还可以提供多项其它优点。举例来说，更高联机速率使得各种多媒体应用得以实现，例如实时网络音讯分流、显示数字相片或将它传送给朋友亲人、观看新闻事件报导和电影预告片、以及订房前先透过虚拟实境技术了解旅馆饭店和旅游景点的情形。另一方面，由于宽带线路采用固接技术，使用者随时都可以上网，这与传统拨接方式完全不同。也因为如此，宽带线路用户通常都会让计算机保持在开机状态，并利用因特网做一些日常工作，例如查询电视节目表或电话号码；相形之下，传统拨接线路不但速度慢，还必须先将线路接通才开始工作。宽带线路的出现也表示用户上网时，电话线路仍可正常使用；消费者不必安装第二条线路，还可以一边上网查询信息，一边利用电话与他人交谈。

家庭宽带线路还有另一项重要影响，它为使用者带来一个环境，彷佛身处办公室内，可同时使用电话线路和计算机联机、高速上网和企业网络的电子邮件存取、档案分享和连接至企业服务器，实现电子通勤（telecommute）的愿望。

拥有家庭宽带线路后，你会发现家中若拥有多部个人计算机，就必须与家庭其它成员分享线路。在此因素考虑下，人们开始在家中安装局域网络，当局域网络建置完成后，人们又想利用它来分享档案、或扫描仪。事实上，人们早就可在远方透过因特网执行许多功能，例如监控家里情形、看看在托儿所的小孩、了解目前交通状况以及透过网络广播欣赏高质量音乐。

图一列出了宽带成长的主要推动力量和影响冲击。TI认为在未来的宽带家庭里，各种多媒体信息将会透过宽带线路送至宽带家庭的个人终端装置，也会在各个终端装置之间相互传送多媒体内容，包括视讯、音讯、声音和数据。

推动力量
 高速联机、分流视讯和音讯的需求
家庭网络：家中有多部个人计算机和网络家电
个人化：针对个人需求而规划的服务内容
从个人计算机世界逐渐转变至网络装置世界
主干线基础设施将会提供更高传输容量（和QoS）

影响冲击
每个家庭和办公司会使用更多频宽
基础设施必须提供更高传输容量
端至端联机必须提供QoS
成熟共存的家庭网络标准
声音／视讯／音讯遍及家庭和办公室各个地点
分散于家庭网络的网络家电、末端装置（End Points）和服务
保护消费者、供货商和内容的安全机制

图1：宽带成长的推动力量和影响冲击

宽带联机
图二显示宽带线路从核心基础设施向外延伸至最终使用者装置，例如个人计算机、个人数字助理、电话、电视机和数字相机。基础设施网关器把宽带接取能力提供给封包化基础设施，客户端设备接取网关器则透过一种或多种家庭网络技术，把宽带接取线路扩及最终使用者装置。 
 

宽带接取技术
为解决最后一段线路的连接问题，厂商已推出多种宽带接取技术，包括：
• 缆线调制解调器
• 数字用户回路（DSL）
• 光纤
• 2.5G和3G行动电话
• 无线以太网络
有线电视缆线
有线电视业者正在更新他们的线路，使其除了传统视讯服务之外，还能支持数据和语音服务，提供宽带接取能力，进而取代既有电话线路。缆线调制解调器终端系统（Cable Modem Terminal System）会连接至客户端缆线调制解调器，并提供宽带接取服务。缆线调制解调器大都提供一个以太网络界面，可连接至一部个人计算机或透过小型路由器与多部个人计算机连接，今天的有线电视线路通常提供500 kbps至2 mbps数据下载速率和128 kbps上传速率，新一代缆线调制解调器技术还会大幅增加可用频宽，支持各种互动应用，例如视讯会议和高阶在线视讯。

IP电话是同轴缆线可以提供的多种服务之一。对于有线电视业者而言，IP电话使他们也能支持语音服务，这种服务目前仍只有电话公司才能提供。

数字用户回路（DSL）
DSL是一种铜线回路传输技术，只要在客户端和局端都安装一部DSL调制解调器，即可透过普通电话线高速传送数据。DSL线路可以分成许多种，分别满足不同环境和应用的不同技术需求，例如客户端与局端距离（称为联机距离）以及数据速率就是很重要的技术取舍项目。非对称数字用户回路ADSL主要用于住宅服务，这项技术利用一项事实：进入局端机房的缆线非常多，因此铜线路在局端的串讯干扰会比客户端严重。ADLS最高可以提供8 Mbps的局端至客户端下行速率和1 Mbps的客户端至局端上传速率，这已能充份满足今日家庭应用的需求，因为在这类应用中，大部份频宽都是用于将资料从局端送至客户端。

对称数字用户回路SDSL是中小企业的低成本解决方案，可做为T1和E1线路的竞争替代方案。ITU-T标准G.991.2又称为g.shdsl，是国际电信联盟新推出的一项标准，用来取代厂商专属的SDSL标准；G.shdsl的数据速率可从192 Kbps至2.3 Mbps，联机距离则比SDSL多出30%。

VDSL（Very-high-bit-rate DSL）可同时支持对称或非对称服务，其中非对称VDSL最高可将52 Mbps数据速率提供给使用者，因此非常适合高数据速率应用，例如实时视讯分流传送。但为了提供这么高数据速率，非对称VDSL的联机距离也受到限制，客户位置必须很靠近局端机房，或是将基础设施接取网关器安装至靠近客户的远距终端装置。

光纤
建置新基础设施时，若无任何现成铜线路可用，厂商就会选择架设光纤线路；透过各种区域接取网络架构，例如FTTH/B（光纤到家庭／大楼）、FTTCab（光纤到机柜）以及FTTC（光纤到小区），光纤技术为网络带来充份频宽，支持各种新服务和应用。厂商会从局端连接一条光缆至用户附近，然后利用被动式分光器（passive optical splitters）提供点对多点的宽带联机能力，这种方法又称为被动式光网络（Passive Optical Network）；若厂商采用FTTCab或FTTC架构，信号还会经过转换处理，再透过铜线路连接至用户。由于这些机柜位于用户附近，铜线路长度大都不会超过三千英呎，故可提供高数据速率的xDSL接取能力。

2.5和3G行动电话
除了传统语音功能之外，新世代行动电话也开始提供高速数据能力。目前的2G行动电话只能达到9.6 kbps数据传输速率，新的2.5G服务不但为使用者带来更高频宽，还可以提供固接式资料服务。2.5G网络目前主要采用两种技术，分别是GPRS（General Packet Radio Service）以及EDGE（Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution），第三代无线通信技术则能支持更高数据速率。封包交换过程是以IP为基础，让因特网数据以更高效率通过电信厂商网关器，更大的频宽则能提供更好的语音、数据和视讯信号整合。透过行动电话提供数据服务，那么无论使用者在任何地点，例如坐在行驶中的汽车内，他们都可以享受高速数据接取服务。

无线以太网络
除了透过行动电话提供无线数据服务外，业者也开始利用无线以太网络，在公共场所提供宽带接取服务，例如机场、旅馆、运动场、会议中心和咖啡馆，这让使用者得以利用随身携带的携上型计算机或个人数字助理，然后透过一种通用接取技术享受各种高速上网服务，无论是在办公室、家中或路上。

家庭和企业网络技术
今天，虽然绝大多数企业为满足他们的网络需求，已经开始采用某种形式的有线以太局域网络，但大多数家庭尚未安装任何网络基础设施。目前主要的家庭网络技术包括：
• 以太网络
• HPNA
• HomePlug
• 蓝芽
• 无线以太网络
以太网络是应用最广泛的局域网络技术，因此市场上已有许多成本极低的以太网络配接卡，可用于个人计算机或其它装置。但目前在家中架设以太网络联机仍然非常昂贵，安装步骤相当繁琐，例如将电缆穿过墙壁内部的管线、安装连接座和干墙修复等工作。因此，以太网络缆线架设通常会等到新建筑时才进行，但业者也另外发展其它替代技术，以便利用既有电话线路同时传送局域网络数据和声音讯号，家庭电话网络联盟（HPNA；Home Phone Networking Alliance）还为这种技术定义操作互通性标准；但是，大多数家庭中，可用来连接以太网络的电话插座有限，因此架设新线路的成本问题也必须解决。目前业者已发展出新技术，可利用家里的交流电源线路来传送局域网络数据，因此使用者几乎可从任何房间连至局域网络；另一方面，应用装置连接至局域网络时，仍必须插在电源插座，使它仍然受到电线的牵绊。

为取代有线网络，业界已制定数种无线连接标准，包括蓝芽和无线以太网络（无线局域网络）。蓝芽主要用来取代短距离低数据速率装置之间的连接缆线，无线以太网络则是由IEEE 802.11发展的一项标准，它保持了以太网络的兼容性和数据速率，并已应用于家庭、企业和公众接取网络。

802.11b是目前的无线以太网络标准，它采用直接序列展频技术（Direct Sequence Spread Spectrum），最高可以提供11 Mbps数据速率。这项标准又称为Wi-Fi?，使用2.4 GHz频带传送数据，目前已广泛用于办公室、园区和家庭。802.11a则是此项标准的另一种版本，它采用正交分频多任务技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），应用装置可选择一组彼此互不干扰的频率，对这些频率进行多任务存取，然后同时使用这些频率以提供更高频宽；802.11a是透过5 GHz频带传送数据，速率最高54 Mbps。802.11g是最近加入802.11系列的新标准，它将直接序列展频技术的数据速率增为22 Mbps，并支持2.4 GHz频带的正交分频多任务作业。

无线标准必须解决传输过程中其它装置的可能干扰，包括微波、无线电话和使用相同频带的其它无线标准；此外，由于数据是透过无线方式传送，为了安全考虑，还需要强健可靠的加密技术。

网络标准  说明  种类  建置需求  最大数据速率Mbps
802.3以太网络  容量太大；硬设备已经商品化  有线  新线路  10/100
802.11以太网络  无线以太网络  无线  不必接线  11/22/54
HPNA  使用现有电话线路的家庭网络  有线  部份新线路  1/10/32
蓝芽  取代短距离缆线  无线  不必接线  1
HomePlug  使用现有交流电源线路的家庭网络  交流电源线路  无须新线路  10

图2：家庭网络技术
宽带建构方块
本节将讨论发展宽带解决方案所须的技术建构方块。半导体制造商需要从完整解决方案的角度来设计芯片和软件，而不仅是芯片或芯片组；如同图4所示，半导体制造商必须拥有多种核心竞争力，才能满足客户的许多要求。首先，客户需要弹性解决方案，它必须有能力支持不同规模的应用需求，范围从末端装置向上延展至客户端设备，再向上延展至电信厂商设备。可程序架构就是为了满足弹性应用要求，这种架构可简单快速完成软件升级，以便提供新功能特色、解决操作互通性问题、增加工作效能和支持新标准。
客户需求  竞争力
弹性、速度、延展性以便容纳未来新技术、快速的新产品上市时间  可程序DSP
效能最高
功率消耗最低
软件工具
完整垂直解决方案  系统层级设计：DSP、RISC、模拟混合信号、网络、软件
软件重复使用  软件兼容性
最低功率消耗、最小使用面积、最低成本  最高系统整合度
迅速进入量产、合于成本效益、库存控制  生产制造能力
新产品上市时间  参考设计
更短时间内开始获利  技术支持
智能财的使用（专利）  担保（Indemnification）庞大的专利数目

图3：客户需求和所须的核心竞争力
为执行调变、语音压缩和视讯处理等功能，宽带技术需要高效能DSP来实作各种信号处理算法，业者目前已跨出通用DSP的局限，开始采用为特定垂直应用而最佳化的芯片与软件解决方案，包括：
• DSP核心
• RISC处理器核心
• 网络界面，包括以太网络、Utopia、PCI、USB、1394¼等
• 应用程序界面定义完整良好的软件，包括信号处理算法、协议堆栈（Protocol Stack）、装置驱动程序、实时操作系统的预先移植版本（pre-ports）、网络管理和应用软件
• 高效能模拟零件，包括数据转换器和放大器电源管理解决方案，包括电源控制和电池管
• 宽带通信的数字调制解调器技术
• 无线装置的射频无线技术
• VoP（Voice over Packet）技术，包括语音压缩，回音消除、拨号音处理、拨接式调制解调器、Group 3传真和电话信令
• 网络技术，包括路由、交换、封包过滤、加密和QoS网络服务质量
这些解决方案的功率消耗必须很低，让末端装置可以使用电池或交流电源，或是让设备具有更佳延展性，满足基础设施环境对电力消耗和散热能力的限制。
成本向来都是重要考虑因素，客户希望半导体厂商提供最低成本的解决方案，这是指整个客户解决方案，而不仅是半导体制造商的部份。因此半导体制造商必须了解设备的总零件成本，例如把更多功能整合至芯片解决方案，让解决方案不再需要「黏接」逻辑。厂商也可以简化解决方案的制造过程，以降低生产成本，例如把印刷电路板层数减至最少，选择适当的组件封装，让芯片在电路板上更容易安装，信号的绕线也更简单。
为让产品进入大众消费市场，客户必须不断降低成本，因此他们希望制造商规划组件发展蓝图时，也能让客户后续产品的更新成本大幅降低。要让成本不断下降，关键之一是拥有量产制造能力的设施、先进的制程技术和强大的系统整合能力。
为加快客户新产品上市时间，半导体制造商必须提供客户硬件参考平台与整合软件、整套系统必须通过业界标准兼容性测试、与其它厂商产品的操作互通性以及通过实际工作条件考验的产品。
下面各小节会讨论如何把这些建构方块组合在一起，提供基础设施设备、局端接取网关器设备（premise access gateway equipment）和宽带末端装置。

基础设施设备
如同图5所示，宽带基础设施网关器设备负责把宽带接取服务连接至光核心网络基础设施（optical core network infrastructure；对于提供多种服务的网关器，多核心DSP平台可以协助支持多种宽带接取技术和传统的语音等级服务，包含高速处理引擎和网络界面的通信处理器将负责执行通讯协议处理与网络管理功能，另外它还需要高速的汇集逻辑电路（aggregation logic），以便在提供QoS功能时执行封包处理作业。
厂商希望在有限空间（局端机房或小区的远距终端设备）架设大量最终用户线路，同时把总功率或总热量散逸限制在一定水平以下，这项需求带动了提供宽带接取能力的基础设施网关器设备。
为协助服务供货商和OEM厂商更了解高密度产品实作的技术需求，TI率先提出「解决方案密度」（solution density）的概念。从系统工程角度来看，评估解决方案时，必须了解它如何把系统零件组合在一起，提供功率消耗最低且使用面积最小的解决方案，而又不会影响系统质量与功能。解决方案密度是指整体系统架构的最佳化，但须把下列重要因素列入考虑：
• 解决方案的功率消耗，以每个最终用户信道所消耗的毫瓦数（mW）来表示
• 解决方案密度，以每平方英吋的最终用户信道数目来表示
• 解决方案成本，包括芯片、硬件、软件和任何智能财授权费用
• 系统分割，包括封包的汇集和路由（aggregation and routing）
• 软件特色，产品功能就由它们定义
• 网络管理能力，提供更高的可用性和可靠性（availability and accountability）
要发展一套最佳解决方案，成本、功率消耗和使用空间的评估必须以全系统为基础，而且必须是系统特色和支持功能的函数。举例来说，设计工程师必须将外部逻辑的需求列入考虑，例如外部内存、汇集逻辑（ aggregation logic）、布局和绕线问题等等。在许多系统中，功率消耗（热量散逸）是关键考虑因素，这在高密度解决方案更明显；换言之，绝大多数解决方案在用尽电路板面积之前，就会先将机架的电源用尽。要避免整个系统的运算以及／或是频宽瓶颈，同时提供良好的延展扩充能力，以支持数目庞大的最终用户连接端口，适当的功能分割也是关键要素。
局端接取网关器设备（Premise Access Gateway Equipment）
如图6所示，来自服务供货商的宽带线路会连接至局端接取网关器设备，由它担任这组线路的终端点，同时将这组线路转而提供给家庭或办公室家庭网络。包含高速处理引擎和网络界面的通信处理器会执行通信协议运算，例如桥接、路由、封包过滤和防火墙作业。一般说来，一部局端接取网关器可以连接至一种宽带线路，例如有线电视缆线或数字用户回路，或是固定宽带无线，但也可以支持多个局域网络界面，例如有线以太网络、无线以太网络和蓝芽。

宽带末端装置（Broadband End-Points）
如图7所示，宽带末端装置可分成许多种，例如个人数字助理、数字相机、MP3播放机、数字电视和IP电话；DSP负责执行各种多媒体运算，例如MP3音讯、MPEG4以及JPEG影像处理；高质量模拟零件则对数字模拟转换和模拟数字转换非常重要。消费性装置的成本必须非常低，可携式掌上型装置的功率消耗也必须很少，确保电池拥有足够长的供电时间。此外，对于使用外部电源的装置，例如电源来自基础设施、以太网络或是USB界面，它们也必须遵守该界面的功率消耗限制，因此低功率装置和低电源管理技术的搭配就非常重要。
TI宽带解决方案
TI是最有资格的厂商，因为我们已掌握所有必要技术和系统知识，可将完整创新的解决方案提供给OEM制造商。如图8所示，TI提供下列的宽带和家庭网络解决方案：
• ADSL：基础设施、住宅网关器和客户端设备（个人计算机和嵌入式）
• 有线电视缆线：基础设施（缆线调制解调器终端系统）和客户端设备（缆线调制解调器）
• 支持POTS服务的通用连接埠远距存取服务器（RAS）：拨接调制解调器（V.90、V.92、V.34…）、Group 3传真和VoP
• VoP解决方案：基础设施（高连接端口密度）、客户端设备（整合接取装置）和末端装置（IP电话）
• 家庭网络：以太网络、802.11a/b/g无线以太网络、蓝芽
• 整合数字音讯与视讯：MP3、MPEG4和其它

只有TI提供端对端解决方案的所有建构方块。因为TI可以支持从末端装置到基础设施的每一种系统组件，因此非常了解如何以及在何处解决端对端问题，例如安全性、服务质量、网络管理和远距维修能力。

DSP和模拟技术是量产市场的推动力量，例如数字无线电话和宽带网络设备。TI正利用它在这些市场的优势积极进入新产品应用领域，包括网络音讯、VoP、数字相机、生物医疗装置、电子邮件终端装置、因特网终端机、具有上网能力的电视机、影像电话和其它掌上型信息家电及更多产品。根据爱迪西公司（IDC）今年初的分析，个人计算机以外的信息家电产品销售量在1999年约为1,100万部或24亿美元，预估2004年将成长为9,000万部左右或180亿美元。随然这些产品间的差异会很大，但它们仍有些重要的共同特色：使用简单、可移植性和高度个人化；此外，其中许多产品还会透过固接式宽带线路连接在一起。

TI宽带解决方案充份利用公司的所有优势，为客户带来高功能整合度的技术创新解决方案，包括：
• 可程序DSP平台的领导者－最少成本、最低功率消耗和最高效能
• 模拟技术的领导者－功率信号调节和混合信号
• 系统、软件和模拟整合能力－最好的系统层级整合
• 世界水平的软件工具和DSP加值网络－开放式系统为客户减少新产品上市时间与发展成本
• 芯片／SLI／ASIC技术－客户规格系统解决方案
• 世界水平生产设施－支持量产和快速冲量（ramp up）
• 智慧财（专利）－创新技术，可提供担保（indemnification）
结论
我们已掌握所有必要技术和系统知识，可将完整创新的解决方案提供给OEM厂商，范围从基础设施设备到末端装置。