带宽优化

带宽优化（通用9篇）

带宽优化 篇1

AdHoc网络是由一组自主的无线节点相互合作形成的移动通信网络。由于AdHoc网络可以广泛地应用于军事无线通信、移动会议、家庭联网、紧急服务、传感器网络、个人域网以及其他商业应用中, 军事上的实际和潜在的应用前景使得其成为Ad Hoc网络的基础, 所以研究AdHoc网络特别是Ad Hoc网络具有非常重要的意义[1]。随着军队现代化程度和信息化程度的提高, 对通信能力要求越来越高, 不可避免地出现带宽与需求之间的矛盾。因此, 针对AdHoc网络带宽供给将一直不能满足其需求, 需要专门对带宽构筑技术进行研究。

AdHoc网络的容量取决于很多因素, 例如, 网络架构、干扰、功率消耗、MAC协议和路由策略等。目前关于AdHoc网络研究中的主要难点问题为Ad Hoc网络的无线接入 (MAC) 技术、无线路由协议算法、体系结构和聚类算法、网络安全及网络管理等。因此怎样运用对网络容量分析的结果来指导MAC协议、功率控制、路由发现和维护等基础问题研究从而提高网络的整体性能值得进一步研究。此外, AdHoc网络必须引入一些新的技术和新的设计方法来解决面临的各种技术问题。通过与有向天线、MIMO技术、认知无线电技术、协同通信技术等新技术的有效结合, 可以大大改善其网络容量和性能[2]。为了加快新技术的引入, 应该对AdHoc网络各层技术进行改进或者重新设计, 使得AdHoc网络具有高效的使用网络资源、合理决定网络的规模以及较高的网络通信能力、较低的数据传输时延等。目前很多研究机构已经开始着手研究新技术下的AdHoc网络关键技术。

目前虽然有许多对优化带宽和提高频谱利用率相关技术的研究, 但是还没有明确提出针对Ad hoc网络带宽优化技术的相关研究成果。本文指出Adhoc网络带宽优化的关键技术, 以实现物理层频谱利用率大幅度提高以及无线网络资源的高效利用。建立一种基于AdHoc网络的无线资源调配机制与规划理论框架, 提出新的带宽扩展无线资源的调配方式。

1 AdHoc网络体系结构

通过上述对Adhoc网络的分析可以看出, 其体系结构上增加了新的技术框架, 各种技术或实体与OSI层次对应关系见图1。

Adhoc网络引入新的技术是解决目前网络所面临带宽瓶颈的有效途径, 采用新技术的网络特点包括:

(1) 物理层带宽提高:在时域、频域、码域资源被充分挖掘之后, 进一步提升得空间已受到较大的限制, 空域的开发自然进入人们的视线, 智能天线、多天线等天线技术应运而生成为各类新颖通信系统的关键技术之一。智能天线技术可以从空间上分割信号, 有效减少接入协议的多址干扰, 提高信道空间复用度, 同时, 在特定方向的增益获得较大提高, 从而增加节点的传输距离, 增加了网络的连通性。智能天线可在期望的方向形成窄波束, 而其他方向产生零陷, 在空间上将干扰信号滤除, 起到很好的抗干扰和抗截获能力。MIMO技术能够充分利用空间资源, 在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下, 有效对抗无线信道衰落的影响, 大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量。此外, 寻找一种最好或者次好的空时频编码, 研究对信道状态依赖较小的空时调制技术结合高效的信号检测技术提高战术通信的可靠性。

(2) MAC层和网络层的带宽控制:包括自适应带宽控制机制、对用户数据速率的自动化管理、带宽的自动切换技术。研究新的传输技术 (如基于MIMO链路和有向天线) 接入机制和路由机制, 使得接入和路由机制能够适应其物理层技术的特点, 能够充分发挥其潜在的性能优势。

(3) 跨层的无线资源调配与优化方法:包括带宽管理与优化、对无线网络的拓扑、无线链路的最优配置及传输载荷的优化技术等[3]。

2 无线移动传输关键技术

为了满足Adhoc网络新的应用和更高通信需求, 需要采用更为先进的无线传输技术。能够提供更大带宽的物理层传输技术层出不穷, 它们的出现为Adhoc网络进一步发展带来新的契机。

2.1 MIMO-OFDM技术综合提高传输能力

在战术通信中, 由于战区地形环境复杂, 通讯装备的机动性和周围物体的散射传播导致严重的多径效应、多径效应、频率选择性衰落和宽带效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。MI-MO系统可以很容易获得无线信道的空间分集增益和实现无线信道的容量增益, 但只适用于窄带无线通信的准平坦衰落信道, 对于宽带无线通信的频率选择性衰落信道, 则不能直接采用MIMO技术。OFDM通过串并转换将高速信息流分配到众多子载波上并行传输, 每个子载波信道都是准平坦衰落信道, 在未来提高短波、超短波通信速率方面, OFDM将是一个研究的主要方向。无线MIMO-OFDM系统充分利用了MIMO技术和OFDM技术的优势, 一方面, 利用MIMO的空间复用技术和分集技术, 在最大限度上获取MIMO信道所能提供的各种分集增益和空间复用增益。另一方面, OFDM技术和自适应技术的结合, 使其多载波调制下不同子载波可以实现子载波数、比特、功率和调制方式等的自适应, 并同空间复用和分集的选择权衡结合起来, 实现更多自由度下MIMO-OFDM自适应传输。

2.2 智能天线技术提高空间复用能力

智能天线是未来移动通信的关键技术之一。方向性天线可以从空间上分隔信号, 有效减少接入协议的多址干扰, 提高信道的空间复用度, 使得同一时刻进行通信的节点数目增多, 从而提高网络容量。方向性天线在特定方向的增益获得较大提高, 从而增加节点的传输距离, 增加了网络连通性。对于多跳AdHoc网络来说, 降低了分组转发跳数, 节约了网络开销。方向性天线可以在期望的方向形成窄波束, 而在其它方向上增益很小, 从而有效增强信号抗截获能力。因此, 方向性天线在战术环境下对增强网络的抗截获能力具有独特的优势。当方向性天线作为接收机时, 可以将主波束对准有用信号方向, 将零陷对准干扰信号, 从而在空间上将干扰信号滤除, 起到很好的抗干扰效果。方向性天线的高抗干扰能力不仅增强了网络的可靠性, 也等效地提高了网络容量。

2.3 自适应无线传输技术提高频谱利用率和高效调

随着无线通信技术的高速发展, 无线频谱资源正变得越来越紧缺, 高频谱利用率的通信技术成为研究热点, 自适应技术走进人们的视野。自适应传输技术是指移动通信设备能够根据无线网络的不同情况选取不同的传输方式来获得最佳的无线传输效果。它是无线通信系统中有效提高频谱利用率的重要手段之一。未来移动通信中, 这种自适应无线传输技术将得到广泛的采用。其中信源信道联合编码技术、OFDM子载波自适应调制技术是自适应技术的体现。

3 基于新传输技术的AdHoc网络

新的传输技术提供的高空间复用能力、高传输能力, 高抗干扰能力能够满足未来Adhoc网络对于这些方面的性能的要求。因此, 在Adhoc网络, 尤其是军用Adhoc网络中采用新的传输技术十分必要。由于MAC协议和路由协议是AdHoc网络组网最核心的部分。在AdHoc网络应用新的传输技术条件下, 现有的MAC协议和路由协议无法充分发挥其作用, 不能体现新技术带来的优越性。为了加快新技术的引用, 充分发挥其显著特点, 必须对现有的协议进行改进或者重新设计。

3.1 基于新技术的Adhoc网络多址接入

物理层应用新的无线传输技术可以有效地提高系统性能和系统容量。如果MAC层研究独立于物理层特性, 并且只考虑到“最差情况”的分配无线资源, 那么将会降低协议效益, 浪费系统资源。重新设计MAC协议, 不仅解决原有的技术问题如隐藏终端和暴露终端问题、公平性问题、QoS保证等, 还应考虑到特定的物理层特性和自适应地适配业务需求以更加有效的利用系统资源

(1) MAC协议的速率自适应控制。速率自适应MAC协议的基本思想就是对信道进行动态估计, 并根据估计值选择当前信道条件下最佳的传输速率, 以达到最优的系统吞吐量。在正确地预测信道质量外, 还有一个重要的问题是, 信道质量被估计出来之后, 考虑时效的问题, 因为信道是在不断变化的, 尽量缩短信道估计与选择合适的速率传输数据之间的时间间隔。此外, 尽量减少不必要的控制开销以及使算法与标准较好地兼容也是速度自适应算法需要努力的方向。

(2) 基于天线技术的MAC协议。目前基于MI-MO和方向性天线的MAC协议研究处于试验阶段[4,5]。采用天线技术的MAC协议中, 当前对于MAC协议的研究大多是对传统采用全向天线的IEEE 802.11DCF进行局部改进, 没有针对采用天线技术的随机接入协议进行系统地设计、分析与仿真, 没有对决定MAC协议性能的退避算法进行研究。因此, 采用天线技术的AdHoc网络随机接入协议仍需要进一步系统深入地研究。

(3) 多用户OFDM系统频率时间二维资源调度充分利用了宽带系统频率域、时域、用户域的特性, 对资源进行了有效的利用, 极大提高系统的吞吐量。多用户OFDM系统频率时间二维无线资源调度比一维调度取得更大的容量。具体的系统参数配置应当根据无线信道环境、系统处理的复杂度能力、调度的粒度来综合取定。

(4) MIMO的空时接入技术是支持高数据速率的关键因素。在未来空时接入调度中, 系统可用资源分别在空、时、频、用户四维进行划分, 充分利用无线信道的衰落特性和多用户分集增益, 通过无线资源接入技术, 提高系统容量, 满足用户QoS需求。

3.2 基于新传输技术的AdHoc网络路由

新传输技术已经在物理层被广泛的研究, 然而, 它们的有效性和性能加强只有通过合理的设计高层, 不仅包括MAC层, 还有路由层, 才能有效地得到加强。目前, 在这方面的研究, 大多集中于MAC协议, 而针对某种传输技术路由的研究仍然较少。

(1) 认知无线电技术的特点使得节点间的链路可能经常发生变化, 因此这样的路有协议首先应该是鲁棒的, 这种鲁棒性是基于多路径分析的。多一条备选的路由可以大大降低一条路径失效对网络造成的影响。

(2) 基于协同技术的路由可分为两类, 分别是基于能量的路由策略和基于带宽的路由策略。一种是在选择好一条由源节点到目的节点路由的基础上, 通过在每一跳节点间根据对带宽的改善程度有选择地进行协同, 达到提升路由传输能力的目的。另一种方式是在路由选择的同时就考虑到协同技术对每跳传输带宽的影响, 从而决定每跳传输是否采用协同通信技术, 并选择该情况下带宽最大的路由进行数据传输。

(3) 基于天线技术的路由协议。目前基于MI-MO和方向性天线的路由协议并不多见[6]。如何利用MIMO系统的空间复用和空间分集来实现路由的自适应选择是基于MIMO路由研究重点。如何解决方向性天线的“听不见”、有向路由时延长、链路容易断开等问题是研究基于方向性路由协议的重要内容[7]。目前对基于MIMO的路由和方向性天线的路由都处于起步研究阶段。MIMO系统和方向性天线系统对路由的影响, 如何设计效率更高的路由协议以及联合设计是研究的重要内容。

3.3 跨层设计

分层的体系结构, 如七层的开放式系统互联模型, 定义了一个每层所提供的服务的层次。在每层的业务是通过为每层设计协议来实现的, 它能够在目标平台上实现以得到一个完全的系统。在协议设计阶段, 设计者有两种选择。协议可以通过遵从原来的体系结构的规则来设计。在分层的OSI参考模型下, 这可能意味着设计协议仅仅是利用低层的服务, 没有必要关心这些服务是如何提供的细节。这也意味着协议在参考体系结构中不需要任何新的接口。另外, 协议也可以通过违反原来的体系结构来设计。为了满足AdHoc网络的特定要求, 需要分析各层协议相互影响, 相互制约关系, 提出一种可在协议栈的多个层面上支持自适应和实施性能优先的跨层体系结构。

假设参考体系结构有应用层、传输层、网络层、链路层 (它包括数据链路控制 (DLC) 和媒体接入控制 (MAC) 子层) 和物理层, 所有这些层完成它们的功能。跨层反馈意味着协议栈内的每个层都能够与其他层进行信息交互。一个层既能够与上层交互信息, 也能够与下层交互信息。进行信息交互的层包括:应用层、传输层、网络层、链路层及物理层。下面对每层所能与其它各层进行交互的参数及其交互机制进行说明。

当采用新的无线传输技术, 物理层的特性对上层协议的设计影响较大, 例如天线的增益、功率、波束特性等都对MAC和路由协议性能产生较大影响, 需要联合考虑。MAC协议与路由协议之间存在邻居信息、天线指向等共用信息, 而且QoS保障需要MAC和路由协议的综合考虑。因此希望协议能在本层来响应其它层的变化。如果本层的调节机制不能胜任, 那么上层的性能指标也将受到影响, 并会调用上层的自适应机制来克服或减少下层协议不能解决的性能降低。如MIMO系统中, 如果MAC层算法独立于物理层特性, 并且只考虑到“最差情况”, 那么将会浪费系统资源。

跨层设计将跨越通信、网络、体系结构和实现等几个领域的问题紧密联系在一起, 目前还没有一致的解决方案, 而且仍然有一些公开的问题, 其中一些问题仅仅从性能的观点出发无法解决, 需要考虑体系结构。潜在的性能增益总是促使设计者不遵从分层的体系结构而进行跨层设计。跨层设计的方案表明在协议设计阶段它就对分层的体系结构有违反。因此就自然地提出一个问题, “有无足够通用的体系结构, 在为无线网络设计协议时而不用违反它们?”。事实上, 这是一个棘手且值得进一步研究的问题。

4 小结

随着战场需求的不断提高, 应用新无线传输技术是Adhoc网络发展的一个必然趋势。带宽是一个需要管理的有限资源, 传统的带宽问题只局限于物理层的传输信道上分析, 本文将带宽优化问题研究扩展至MAC层的带宽控制和跨层次的带宽管理范畴, 增加了解决带宽问题的选择途径, 提高了带宽资源的利用率。利用新技术增加单条链路的容量, 如多输入多输出天线 (MIMO) 、有向天线、使用更高的频段等。综合了多种带宽的产生和共享方式, 在增强、扩展信道带宽度基础上可以最大限度地提高网络容量, 可解决Adhoc网络信息量“突发性”的变化和信息阻塞问题。新技术将极大地提高容量, 但是不受限制的用户需求将可能同步或者超过所获得的容量, 但没有一项单一的技术可以解决此问题。如何在新的无线传输技术网络中提出更符合实际应用的组网协议是今后Adhoc网络技术研究的重要方向。

参考文献

[1]Ricardo S, Joseph E, Gart M.Networking on the battlefield:challen-ges in highly dynamic multi-hop wireless network.MILCOM1999’.Atlantic City, New Jersey:IEEE Inc, 1999;751—755

[2]张继东, 肖海勇.新一代移动通信系统及其无线传输关键技术.移动通信, 2008;32 (2) , :36—40

[3]俞一帆, 纪红, 乐光新.4G无线系统协议栈的跨层设计.现代电信科技, 2004;12:17—20

[4]赵海, 袁韶谦, 张昕, 等.Ad hoc网络MAC层协议模拟研究.东北大学学报 (自然科学版) , 2008;2:197—200

[5]Sundaresan K.Sivakumar R.Routing in Ad-hoc networks with MIMO Links.ICNP, 2005

[6]盛敏, 田野, 李建东.Ad Hoc网络路由技术.中兴通讯技术, 2007;13 (4) :8—10

[7]Gossain H, Joshi T.DRP:an efficient directional routing protocol for mobile Ad Hoc networks.IEEE Transations on Parallel and Distribu-ted System, 2006;17 (12) :1438—1450

带宽优化 篇2

尊敬的学校领导:

现在学校上网用的是电信宽带ADSL（8M）及联通（6M）共享光纤，所需上网费用为电信7800元/年加联通3000元/年。目前学校连接网络的电脑150多台（包括：高中部、国际部和电脑室（1）合计80多台，初中部30多台，小学部40多台）。以现有的网络带宽只能带动80多台电脑正常上网（电信宽带8M正常能带30多台，联通（6M）光纤正常能带50多台）。随着学校的发展，上网电脑不断增加，目前学校的网络已经及不稳定，已不能满足集团、老师办公和教学正常需求。特向学校申请对现在的网络带宽进行扩容，扩容方案和预算如下：

方案一：在目前电信8M ADSL和联通的6M共享光纤的前提下，再添加一条联通10M共享光纤（6200元/年,可带动90至100台电脑）。添加10M共享光纤后具体分配为：小学部现使用电脑46台，使用联通的6M共享光纤，到2012年扩班时电脑使用量增加可适当限定流量也可正常上网；初中部现使用电脑27台，可使用电信8M ADSL；高中（国际）部和电脑房现共使用电脑85台，可使用新添加的联通10M共享光纤，到电脑室（2）配置好及扩班时可适当控制流量。此方案方便快捷，学校迅速发展时每条线均可视情况适当追加流量，但需添置2个多功能路由器（大概500元），且有些网上工具在联通网络是运行不了的，只有电信网能登录。合计费用为17000元/年。

方案二：停用电信8M ADSL，保留联通的6M共享光纤供小学部使用，添加电信20M共享光纤（600元/月）供初中部及高中（国际）部使用，控制流量可勉强使用，但扩班时不易追加流量。合计费用为10200元/年。

方案三：电信10M独立光纤，可无忧后期发展使用，现有的网络线路到期取消或提前停用。合计费用为62000元/年。

鉴于学校目前的网络运行情况（已无法正常运行），特向学校领导申请，请领导批示！

申请人：曾祥昭

互联网出口带宽分析控制与优化 篇3

宽带业务的日益丰富, 过去那种互联网的浏览、查询、电子邮件等常规功能已然不能满足时下用户们的要求, 针对出口带宽压力这一问题, 通过对互联网带宽出口的控制以及优化, 采用组合模式、按照应用协议进行出口调度、建设P2P应用缓存系统等方式, 既有助于提高铁通用户访问的质量, 又为改善用户体验提供了坚实的保障。

二、互联网出口带宽现状分析

当下, 伴随着宽带业务的日益丰富, 以及运营商客户规模的快速发展, 作为网络的使用者对互联网出口的带宽以及速度都赋予了更高的期望值。过去那种互联网的浏览、查询、电子邮件等常规功能已然不能满足时下用户们的要求, 因此, 可以给用户带来高速体验的P2P业务, 诸如网络视、BT下载和迅雷下载, 逐渐开始普及。凡是各有利弊, 应用P2P的缺点是通过使用大量在线用户的客户端设备资源, 达到优化文件传输能力的目的, 但是在最大限度获取网络出口宽带的同时, 也会给铁通的运营成本控制以及服务的稳定性造成很大压力。

目前, 针对出口带宽压力这一问题, 作为运营商主要通过对传统的P2P封杀方案, 以缓解这一压力, 在一定程度上, 这个方案实现了缓解出口带宽压力的目的, 对闲时和忙时的出口宽带利用率实现了均衡;与此同时, 这一方案在实现过程中, P2P流量仍然会给出口带宽带来不小的压力, 并且造成许多用户不能随时使用P2P的业务, 随之带来用户体验下降的后果。

三、互联网出口带宽分析控制与优化

在这样的一个现状下, 铁通基于多样化的方式分析控制优化出口带宽, 目的是用相对较少的成本形成一个相对利用率高的出口带宽和高质量用户体验的组合方案。

3.1带宽的分析与控制

(1) 将带宽分析控制设备放在出口位置使用, 全面分析互联网所有出口带宽的协议, 掌握目前网内应用排名较为靠前的协议类型以及带宽使用量, 及时限制诸如BT和迅雷等应用的分时段恶意占有带宽; (2) 对部分协议按照不同的时段进行控制, 一方面可以分上午、下午和晚间三个时段进行控制, 另一方面也可以分为平常和周末两个时段控制; (3) 统计网内占用带宽多的用户, 并对这些用户进行排名, 可以通过分时段限制带宽的方式对这些占用带宽多的用户进行管理, 在晚间流量使用高峰时间内可以适当出让部分流量, 尽可能的将这部分出口带宽资源向网内回报率高的高品质用户提供使用。

3.2采用组合模式

过去互联网出口协议进行带宽限制仅仅通过单一模式, 或者使用其他的单一模式对互联网带宽进行缓存, 目前, 铁通采用组合模式———比如通过引进多出口达到对出口带宽进行优化的目的, 通过使用带宽分析控制设备达到对带宽协议进行控制的目的, 通过采用P2P缓存对出口带宽进行缓存, 与此同时加大力度建设内部网站资源, 目的是降低用户对互联网资源的需求。

铁通通过集优化、控制、缓存及引导相统筹的组合方式, 不仅节约了成本, 大幅度降低了出口带宽需求, 同时达到了用户对质量的需求。

3.3按照应用协议进行出口调度

通过利用带宽分析控制设备创新功能, 可以根据应用协议对出口带宽进行合理的调度。

由于当前在我国的互联网市场上, 可租用的出口带宽的价格是由各个运营商自行提供的, 所以有一定额度的差异, 出口质量与价格成正比, 价格高那么出口质量也相对较好。

但是各种类型的应用对出口带宽的需求也是不一样的, 游戏类应用需要较好的出口带宽, 那么就可以为其设置出口质量较好的协议;而对于浏览网页以及出口中所有的BT、迅雷等协议要求的出口质量相对比较低, 因此, 我们可以根据应用的不同, 按照应用协议进行出口调度, 以达到整个出口带宽成本的控制的目的。

3.4建设P2P应用缓存系统

目前的互联网应用中, BT、迅雷和视频应用占用着较多的出口带宽协议, 从长远来看, 如果放任这些应用无限制地占用出口带宽, 并不能很好的控制其发展, 那么就会对大部分用户的正常应用产生不利影响。我们不能只通过限制出口带宽的方式, 这样只会造成用户的使用质量的下降, 不能做到从源头上解决这一问题。

那么, 究竟将怎么在最大的程度上用最为合理的方式解决这一问题呢?

可以利用建设P2P应用缓存系统的方式, 对BT、迅雷和视频应用进行本地缓存, 当以上内容被第一个用户访问过后, 这些内容就会被保留在本地缓存中, 那么, 当其后有需要相同资源的用户就不需要到互联网中重复获取资源, 而可以直接在本地缓存服务器获取这一资源, 因为之后的访问用户是直接在城域网内取得的资源, 这样速度就被大大提升了。因此, 通过建设P2P应用缓存系统这一方式可达到双重效果, 一方面可以降低出口资源需求, 另一方面又可以提高用户的体验。

四、小结

申请网络增加带宽报告 篇4

一、目前公司使用的是联通楼宇专线(北楼)和紫金专线（南楼）上网，楼宇专线14M/每月3750元、紫金专线10M/每月3650元。

随着企业的发展，及西三旗工厂部，门店搬迁。目前总公司已分配IP电脑数达到50多台，同时在线连外网的电脑也增加了，对带宽的要求也增加了。当使用者同时对外网需求增加时，各电脑分配的KBps数也就相应的减少，直接表现的结果是打开网页慢，收发邮件慢。

目前公司对于网速的需求很强烈,财务NC、网银,银行出入账查询，社保费用申报，采购拍卖，办公OA、ERP、门店开票接收订单，工商证照年检以及交通违法查询等都要通过网络才能实现。

二、TP_link路由器的加入，已经屏蔽了不良网页、网络游戏和优化了流量优先级别，保障了网速的合理分配。

但企业在发展，电脑数也不断在增加，同时使用带宽的使用者也会增多，平均下来每台使用者的带宽也会相应减少，直接表现的结果是打开网页慢，收发邮件慢。若保持目前网速，限制部分电脑连外网，就会产生以下影响；正常的工作需求不能保证，工作效率降低。

三、方案：将紫金专线变更为楼宇专线增加带宽至50M光纤，6600元/每月。并且绑定路由器使每台电脑固定网速，后台监控，有效防止上班期间非办公使用占用网速资源等问题。

说明：

1、如门店搬迁过来办公楼一层，需增加网口一个，如搬入平房改地址，需要刨槽网线入内。

2、如不更改楼宇专线为紫金专线，其费用较高紫金专线为13000/每月。

恳请公司批准。

办公室（法务部）

带宽优化 篇5

关键词：HEVC,运动补偿,带宽减少,插值计算,高速缓存

HEVC是由JCT-VC组织研发的最新一代视频压缩标准[1], 和上一代H.264/AVC标准[2]相比, HEVC在保证视频质量的同时可以带来两倍的视频编码压缩量。现在电视广播以及家庭影音中的主流视频格式是1 080p和720p, 新一代高端影音产品将目标锁定在更高分辨率的视频格式, 比如QFHD (4K×2K) 。HEVC的高视频压缩率将会更好地满足超高清分辨率视频对于海量数据吞吐的需求, 也被业界公认为下一代最为普遍应用的标准。新标准中采用了很多先进视频压缩技术, 比如说在运动补偿模块亮度插值中使用8抽头滤波器来预测1/4分数精度像素值, 同时在色度差值中使用4抽头滤波器来预测1/8分数精度像素值。与之前的视频压缩标准相比, 更高精度的插值预测能够带来更好的视频压缩效果, 与此同时视频编解码的过程对于带宽的需求就更高。

运动补偿插值模块是视频解码器中计算需求最大的模块之一, 插值预测的过程中需要大量读取外设存储器中的参考帧信息, 占用了约70%的解码带宽。实时解码3 840×2 160@60 f/s (帧/秒) 格式视频, 数据吞吐量会达到500 Mpixel/s[3]。假如使用H.264/AVC解码, 带宽的需求将会是1 080p的4.3倍, 即7 Gbit/s。HEVC标准的插值部分因为应用了抽头数更多的8抽头滤波器, 相比H.264标准需要更多的参考帧信息, 因此会带来更大的带宽消耗。所以, 运动补偿模块会是HEVC标准进行超高清视频实时解码过程中的瓶颈。

通过利用2D Cache结构和插值顺序重排, 本文提出了一种有效合理的运动补偿带宽优化设计。首先, 并行化插值结构设计可以保证3 840×2 160@60 f/s的视频实时解码时的数据吞吐量需求。其次, 利用在插值计算处理器与主存储器中间使用2D Cache结构进行高速缓冲存储, 从而达到数据快速读取以及大量减少带宽的目的。然后, 在保证Cache读取命中率的前提下, 利用插值顺序重排方案提高每次所读取参考帧数据之间的时/空相关性, 从而减少Cache面积, 减少片内硬件开销。

1 HEVC运动补偿系统框架

图1为所设计的运动补偿模块系统框架, 主要由亮度插值计算模块、色度插值计算模块、Cache高速缓冲存储模块以及外设主存储器组成。

1.1 运动补偿插值模块

在许多基于H.264/AVC标准所设计的运动补偿结构中, 一个宏块往往被拆分成16个4×4模块然后进行插值计算, 一个4×4亮度模块需要最多读取9×9参考帧像素信息[4,5]。在HEVC中, 3种不同系数的8抽头滤波器的应用使得插值一个4×4亮度模块需要读取最多11×11参考帧像素信息。

本文运动补偿模块基于作者先前的研究成果[6], 利用亮度插值中3种系数结构中的相同项, 将3种不同系数的滤波器整合设计成为一个具有复用结构的8抽头滤波器, 减少了计算模块的硬件开销。插值计算模块采用流水线设计, 1/4精度亮度插值首先由8抽头滤波器进行水平方向插值, 得到半像素值或者1/4像素精度中间值。在8个时钟周期之后, 寄存器阵列中的8个中间值被传送至垂直方向8抽头滤波器进行插值计算, 最后得到所求像素预测值。对于N个像素并行插值计算, 整个HEVC亮度插值模块需要由2N个8抽头滤波器 (N个水平方向, N个垂直方向) 和N×8个15 bit寄存器组成。而在H.264/AVC中, 亮度插值模需要 (3N+1) 个6抽头滤波器 (N个水平方向, 2N+1个垂直方向) , (2N+1) ×6个8 bit寄存器和N个2抽头滤波器[7,8]。和H.264/AVC相比, HEVC所需的滤波器数量和寄存器队列减少了, 但是滤波器的面积、寄存器的位宽以及寄存器队列的长度增加了。同时因为插值所需参考帧像素信息的增加, HEVC运动补偿对于带宽需求也更大了。本文中的亮度插值结构为8个像素并行预测。色度模块与亮度模块结构相似。

1.2 Cache模块

运动补偿插值模块计算时所用到的参考帧信息由于数据量巨大, 存储在片外的主存储器中。为了减少从数据片内外数据交互带宽, 计算模块与片外主存储器之间引入Cache[9]。首先, 用来描述插值位置和参考块大小的插值指令会被发送到判断模块中, 判断模块通过访问标志存储器判断得出所需数据是否命中。若命中, 则将插值指令发送至任务队列;若没有命中, 则将数据读取请求发送给片外主存储器, 主存储器确认请求后会将被请求数据传送写入片内数据存储器中。当所有所需参考帧数据都已经被写入数据存储器中并且插值模块已经准备就绪时, 参考帧数据和插值指令随后被发送至插值模块中进行插值计算。

2 Cache优化设计

Cache设计中的三个主要问题为高速缓存映射机制, 内部存储器结构以及Cache缓存区面积优化。高速缓存映射机制[10,11]在许多研究者的文章中都被讨论过, 而内部存储器结构和缓存区面积优化问题却很少被研究。

2.1 内部存储结构设计

本文的内部存储器结构设计主要为了优化存储器面积和功耗问题。首先, 和标清视频图像解码相比, 在超高清视频图像解码的过程中, 插值模块往往采用并行化流水线结构来增加数据吞吐量, 导致内部存储器的宽度也会成比例增加。其次, 内存访问过程中的数据对齐问题也会导致存储器宽度的增加。如图2a所示, RAM中数据通常是一列中多个像素在一起存储和读取, 被称为存储单元。图2a中以4个像素为基本存储单元, 假设内存输出宽度为2个存储单元即8个像素, 以读取8个像素值为例说明RAM数据访问对齐问题。图2a (1) 中所示情况为数据对齐访问, 即所需8个数据正好完全包含2个存储单元内数据, 因此只要一个时钟周期便可以读取所需数据。图2a (2) 中所示情况为数据未对齐访问, 即只需要3个存储单元内的部分数据, 因为RAM一次只能输出2个存储单元的数据, 因此需要2个时钟周期来读取所需数据。为了保证数据读取速度满足一个时钟周期内读取所有所需值, 就需要增加RAM宽度。内存输出宽度的增加虽然不会影响内存缓存区的大小, 但是会导致功耗增加。

一个解码单元通常会被拆分成多个4×4或者8×4小模块来进行插值计算。插值一个8×4模块, 在H.264中需要参考帧模块大小为12×9, 而在HEVC中需要大小为15×11的参考帧模块。文献[3]使用4片宽度为32 bit (4个像素) 的RAM结构来输出数据, 称之为4S×4结构。这种4S×4结构保证了12个参考帧像素值能在1个时钟周期内从RAM中被读取出来, 但是无法满足HEVC亮度插值时一个时钟周期读取15个像素值的需求。有两种方法可以增加RAM输出, 保证HEVC的快速数据读取需求。第一种方法是增加1片宽度为32 bit的RAM, 即4S×5结构如图2c所示。但是这种结构虽然保证了数据输出速度, 却也增加了RAM宽度, 为原先的1.25倍。本文提出了另一种2S×8结构, 即使用8片RAM, 每片RAM宽度为16 bit (2个像素) 。这种2S×8结构使得15个参考帧像素能在1个时钟周期内被全部读取, 从而有效地保证了亮度插值模块的并行计算速度, 并且没有增加内存宽度。

2.2 Cache缓存区面积优化

运动补偿插值计算过程中所需要的参考帧模块数据之间事实上是有相关性的[9]。图3展示了当前帧解码单元P0, P1, P2, P3在进行运动补偿时所需参考帧模块大小的例子。从图3可以发现, 参考帧模块之间互相有重叠。即在当前插值模块Pk所需的参考帧模块中, 有部分信息有很大概率仍然会被下一个插值模块Pk+1所需要, 此为数据的时域相关性。另一种数据相关性是由存储器中数据的存放格式所引起的。在外部存储器中, 多个像素通常被组合在一起当作一个访问单元来存放和读取。比如在本文设计的Cache中, 一个访问单元由8 byte (64 bit) 组成。当这个访问单元中的部分数据需要被读取时, 整个访问单元都会从存储器中读取出来, 包括单元中剩下的不需要数据。而那些当前模块插值过程中所不需要的数据信息有很大概率在下一个模块插值的过程中被请求读取。因此, 同一个访问单元可能被连续多次地反复读取, 此为数据的空域相关性。在2D Cache结构中, 这些数据相关性直接影响了Cache高速缓冲区的大小。合理高效地运用这些数据相关性来进行数据读取, 可以在保证带宽减少的同时, 优化Cache缓冲区的大小和减少硬件开销。

文献[12]使用了4×64×64大小的Cache缓冲区来减少带宽, 是H.264中32×32大小的Cache设计[10]的16倍。虽然带宽减少了, 但是也为解码芯片带来了巨大的片内硬件开销。图4a为HEVC中最大解码单元 (64×64) 的原始运动补偿插值顺序, 基于HM 9.0。由图可知, 各个模块的原始插值计算顺序与预测单元的存放结构有关。但是, 按照这种树状存放结构读取的参考帧模块, 其数据相关性的利用率很低。因此, 本文提出3种插值顺序重排方法, 目的是为了提高参考帧数据相关性的利用率来减少Cache大小, 从而减少片内硬件开销。如图4b~4d所示, 分别为垂直读取、水平读取和混合读取 (将解码单元分成上下两块进行垂直读取) 。

3 实验结果及分析

图5为部分插值顺序重排实验结果, 所使用的视频来自HEVC标准测试序列集, 为IPPPP编码模式, 测试工具为HM 9.0。

以图5a为例, 测试了3种插值顺序重排在不同的缓冲区大小情况下的带宽优化结果, 其中横坐标表示Cache缓冲区大小 (高×宽字节) , 纵坐标表示带宽减少率。从此图中可以看出, 在原始插值顺序的情况下, 带宽优化曲线 (此处称之为Rc曲线) 在128×128处收敛, 即在这个缓冲区大小下带宽优化效果最佳。另外三种插值顺序使得曲线提前收敛, 其中混合顺序重排使得带宽优化效果在Cache缓冲区大小为32×64时就已经接近于最佳。其他视频序列的测试结果也均表明利用混合插值顺序重排, 在保证带宽优化效果的同时, 可以将片内Cache硬件开销减少为原来的 (32×64) / (128×128) =1/8。使用插值顺序重排的方法也会带来一些额外的硬件开销, 那就是需要在外部存储器中利用一块64×64 byte大小的存储空间来存储整个最大解码单元内的参考帧数据信息。片外存储器原先存储空间远大于64×64 byte, 而且流水线设计有效地解决了数据等待时间问题, 因此这点额外的硬件开销是可接受的。图5d为混合插值顺序重排下的带宽减少率, 从图中可以看出带宽优化率达到80%~90%, 合理有效地优化了超高清视频编解码过程中带宽过大的问题。

4 结论

本文提出了一种基于Cache的HEVC运动补偿带宽优化设计。主要贡献有:1) 提出了内部存储器低功耗结构设计, 保证HEVC标准下超高清视频解码数据吞吐量需求, 同时降低RAM功耗。2) 提出了Cache大小优化设计, 通过插值顺序重排的方法高效地利用了参考帧数据间的相关性, 将片内Cache硬件开销减少了87.5%。

HEVC视频测试集的实验结果表明, 本文Cache设计用与H.264有可比性的32×64 byte内存就可以减少HEVC运动补偿插值计算过程中的80%以上的带宽。本文为HEVC解码器芯片的实际生产和未来针对超高清视频实时解码应用提出了合理的解决方案, 同时比较了HEVC和H.264运动补偿模块在硬件实现和开销上的异同。

参考文献

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带宽优化 篇6

H.264的编码是目前最流行、压缩效率最高的视频标准之一, 但H.264编码算法较为复杂, 通常采用软硬件协同设计, 宏块级及以下级别的编码运算量和数据量很大而且有序, 所以适用于用硬件实现;而宏块级以上的编码运算量较小, 且要求有较高的应用灵活度, 所以适合于软件实现。目前, 绝大部分嵌入式SOC的H264编码器都采取该设计思路。尽管硬件解决了大部分的运算问题, 但视频数据仍然非常庞大, 比如, 存储一帧1280x720的视频画面, 需要1.4MByte的缓存, 加上H.2644编码过程中的其他缓冲, 最终需要读写的数据量可能几倍于单帧视频的大小, 所以通过SDRAM/DDR等片外DRAM来做数据交换是最直接的选择, 然而, 因为DRAM是SOC的数据中枢, 数据通过DRAM交换, 就可能会产生带宽不足或者延迟过大等问题, 最终表现为系统性能不足或者时序错乱。

2 典型的H.264编码过程

典型的H.264编码过程, 包括场景评价, 帧/宏块类型决策, 运动估计, 帧内/帧间编码, , 去方块滤波, 墒编码, 参考帧回写, 码流输出等模块;笔者用一款商用H.264编码器进行带宽评估, 统计编码器需要与DDR交换的数据总量, 得到如图1所示的比例关系。

可以看到, 几乎每一个编码步骤都会与DRAM作数据交换, 其中以运动估计最甚, 对于每个运动预测块, 需要在参考帧某个邻域中做最优匹配, 而且, 对于H.264标准, 存在多参考帧的情况, 带宽需求将更加巨大。所以, , 针对带宽的优化必不可少。

3 常用的带宽优化手段

3.1 简化编码过程

省去对应的DRAM访问操作, 达到减少带宽占用的目的。对于嵌入式h.264编码器, 多参考帧技术、二次扫描编码、扫描画面纹理确认帧类型等技术都可以考虑简化, 毕竟这些技术对于资源有限的嵌入式环境, 不仅仅是带宽, 成本/面积/性能这些指标都会大幅度下降。在编码器设计的时候, 可以优先对这些功能做剪裁。另外, 当带宽紧张的时候, 可以强制取消帧间编码的功能, 也是一种补救的方法。总之, 简化编码过程是最直接的节省带宽的方式, 但该方法最终影响到了编码器的压缩效率, 所以需要谨慎使用。

3.2 利用较小的片内RAM做缓存, 适当调整编码模块的顺序

使得多个编码步骤可以在片内RAM上完成, 而不需要通过DRAM做数据交换。如:

(1) 缓存已编码宏块行的最后一行像素值, 作为下一个宏块行帧内预测时使用。

(2) 缓存已编码宏块行的运动矢量、块类型信息, 作为下一个宏块行运动估计时使用。

(3) 调整子块去方块滤波的执行顺序, 在做完去方块后, 再统一将数据回写到DRAM中;这些方法是最常用的带宽优化方法, 但仍然无法优化如运动估计这种带宽占用大户。

3.3 减少参考帧的存储数据量

该方法要求从根本上减少实际的数据需求量, 同时保证了编码器的压缩效率。参考帧的大小是由分辨率和数据格式直接决定的, 如YUV420的1280x720的画面, 其数据即为1280x720x1.5Bytes (这里不考虑色深超过8b的特殊情况) 。所以, 必须对参考帧做压缩, 即在帧数据进入DRAM之前做一次压缩, 使得存放在DRAM的数据量变小, 做运动估计或者运动预测时再读取出来, 在片上RAM上做一次解压缩, 该方法目前被广泛使用于GPU, 同样可以在VPU上应用, 如图2。

通过选择合适的无损压缩算法, 增加对应编解码逻辑, 可以大幅度降低参考帧读取的产生的带宽。由于运动估计时, 访问的邻域是随机的, 所以该无损算法必须是在图像某些位置可重入的, 即允许选择参考帧的一部分数据进行解压缩, 如果无损算法压缩率达到50%, 那么对于整个编码器来说, 也是非常可观的。由于自然图象的纹理具有很大的局部相似性, 所以对纹理进行压缩的可能性很大, 产生的代价是逻辑面积增大。

3.4 减少访问参考帧的次数或者数据

这需要采用更加高效的运动搜索技术, 如: (1) 更精确的运动搜索, 如1/4像素运动搜索、全搜索技术, 那么在较小邻域中就容易搜索到较优的匹配值。

(2) 通过分析当前宏块周围的运动矢量的分布, 预测出最优匹配块的位置, 如划动窗口技术;可以减少因为搜索范围过大导致的带宽浪费;

3.5 利用DRAM的特性做相应的优化

由于DRAM的存储方式有其固定的规律, 编码器在与DRAM做数据交换时, 如果能否依据DRAM的特性做出相应的调整, 是可以大幅度提升DRAM的访问效率。打个比方, 同样在一个周期中, 位宽为16比特的DRAM可以搬运16个有效比特, 也可以只搬运8个有效比特, 如果要尽可能高的发挥DRAM的效率, 就必须以DRAM友好的方式组织和访问数据。比如:

(1) 按照DRAM的最大突发访问数据长度作为编码器与DRAM数据交换最小单元, 减少DRAM重整数据的可能;位宽为16b的DRAM, 那么访问时最小的单元不应小于16b, 若DRAM的最大突发访问数据长度为8, 则最好每次访问的数据大小是16bx8.这样可以最大效率的利用DRAM.

(2) 优化DRAM的访问优先级, 尽量避免在传输大块数据的时候, 被小而碎的数据打断;

(3) 尽量使得操作频繁的数据在DRAM的存放顺序与访问顺序一致, 比如将参考帧按照宏块的顺序进行存储, 而不是光栅的方式进行存储, 符合编码器的访问规律, 是可以大幅度提高DRAM访问效率。

3.6 系统级优化

H.264编码器在运行时, 很可能有多个模块在同时访问DRAM, 如显示模块, 视频信号采集模块, 图像信号处理模块等等。为了减少整体的带宽, SOC设计师必须对应用场景作深入的分析, 协调各模块访问DRAM的优先级以及模块间的数据依赖关系, 在保证最终效果的同时, 尽可能避免DRAM时而空闲, 时而紧张, 最终造成理论带宽足够, 但实际带宽不足的情况。

DRAM是整个SOC数据通信中枢, 而视频编解码一般是SOC较苛刻的应用场景, 所以, DRAM带宽有着巨大的应用价值。在DRAM数据吞吐量固定的情况下, 优化带宽不仅仅可以提升产品的性能, 还可以降低功耗;另一个维度, 终端产品也可以因为DRAM运行频率降低而选择更可靠的工艺和布线, 最终提升产品的良率。本文提到的技术, 即便是在非视频应用场景下, 也有很高的参考价值。

摘要：本文分析了H.264编码过程中的DRAM带宽占用情况;针对目前嵌入式设备的特点, 同时介绍了若干种DRAM带宽优化的手段, 其中每一种优化技术都具备有非常高的实用价值, 对H.264编码器设计人员, 尤其是移动消费类SOC设计师有很好的参考意义。

带宽优化 篇7

根据傅里叶变换原理, 任意一个信号均可以分解为多个正弦波, 其中偶次倍频信号能量为零, 奇次谐波的功率谱能量随着谐波次数的增加而逐渐下降。

如图1所示为一高速信号的功率谱密度示意图。其中纵轴表示信号的功率, 水平轴表示比特率 (1/2为一次谐波位置, 3/2为3次谐波位置等等) 。图中的0, 10, 20, ……100对应的曲线, 表示信号的速率一定, 但是信号的上升时间分别占信号位宽 (Unit Inter val) 的不同比例时 (0%, 10%, 20%, ……100%) 的功率谱密度趋势图。可见信号的边沿越陡上升时间越小, 信号的能量下降得就越慢, 此时就需要使用更高带宽的示波器来测量信号的更高次谐波, 才能够保证信号的真实性, 图中红色虚线即表示信号上升沿很陡时候的功率谱曲线, 而蓝色虚线表示信号上升沿时间约为信号位宽100%时的功率谱曲线。而对于标准的高速串行信号来说, 信号的上升时间一般为信号位宽的30%, 其主要能量集中在5次谐波以内。通常来说选择示波器带宽一般有如下两个经验:一是对于非标准信号, 如时钟信号, 一定要看其上升时间的长短, 根据F=0.35/Tr来估算信号的能量分布范围, 然后选择3～5倍于该值的示波器带宽来测量信号;二是对于标准的串行数据信号, 则选择示波器带宽能够测量到其速率的5次谐波即可。

比如说要测量一个12Gbps的标准串行信号, 需要多高的示波器带宽算是比较理想的呢?12Gbps的信号其1次谐波为6GHz, 3次谐波为18GHz, 5次谐波为30GHz, 而由于信号的能量是围绕谐波频点位置的两侧进行分布的, 因此20GHz带宽的示波器不能够捕获到3次谐波的所有能量, 如图1中垂直红线所示, 25GHz带宽的示波器能够捕获到所有的3次谐波能量, 如图1中垂直黄线所示, 30GHz能够捕获到所有的3次谐波以及5次谐波的一半, 如图1中的垂直绿线所示, 45GHz则能够捕获到完整的7次谐波成分。

30GHz以上高带宽示波器的应用前景

SAS 12Gbps

SAS 12Gbps的标准还没有正式推出, 但是随着高速信号发展的趋势以及存储等领域的需求, 相信会很快推出正式的标准。根据前文分析, 如果要完全捕获到5次谐波的所有成分, 则至少需要36GHz的示波器带宽。

FC 16Gbps

如果需要完全捕获到5次谐波的所有成分, 则至少需要48GHz的示波器带宽。

应用于相干光通信领域的CEI25Gbps及CEI 28Gbps的串行信号

CEI-25规范定义了芯片间28Gbps信号速率的应用以及背板上25Gbps信号速率的应用。鉴于行业的需求, 整个元器件级的基础结构将进一步升级以支持更高的系统容量, OIF组织授权PLL工作组开始25Gbps即CEI-25项目的研究。该项目定义了芯片间28Gbps信号速率的应用以及背板上25Gbps信号速率的应用;此类信号速率将使得在更窄的接口上 (四路) 传输100Gbps带宽的信号, 比如100Gbps以太网;此类接口将允许更小的接口尺寸, 更低的器件引脚数量, 连接器以及光模块数量, 更低的功率浪费, 以及无需时钟的接口。

对于25Gbps的信号, 如果要捕获完整的5次谐波, 则需要75GHz的示波器带宽, 如果要捕获完整的3次谐波的信号, 则需要50GHz带宽的示波器。

在相干光通信信号测量中, 未来还将有速率高达56Gbps的串行信号, 目前正处于实验室级的研发过程中, 如图2所示。

Ka波段 (35GHz-94GHz) 雷达信号的测量

通过高带宽示波器直接检测射频信号, 可以避免因使用检波器等带来的失真和噪声, 而且雷达信号的测试通常还会需要测量多通道之间的相位关系, 因此不仅需要高带宽示波器, 而且还需要多通道示波器。

业内实现高带宽示波器的方法

示波器的核心有三个部分:一是前端模拟放大器, 二是高速采样芯片, 三是采集存储器;这三个部分决定了示波器的三大最重要的指标:带宽, 采样率, 采集存储深度。示波器的最高带宽最主要的决定因素是前端模拟芯片的工艺, 也就是说芯片的工艺决定了示波器带宽的提升。目前高带宽示波器厂家为了获得高带宽示波器, 主要采用两种工艺, 一种是磷化铟 (InP) , 一种是锗化硅 (SiGe) , 前者一直处于实验室级的应用, 没有得到广泛的商业应用, 而后者则有非常广泛的商业应用, 是相当成熟的工艺技术。目前IBM的8HP锗化硅工艺是第四代锗化硅工艺, 速率接近上一代的两倍, 可实现晶体管最高速率为200GHz。当前基于磷化铟工艺技术实现的前端放大器芯片最高带宽为32GHz, 基于8HP锗化硅工艺有两家, 一家可实现36GHz, 另外一家为33GHz。因此当前业内完全基于芯片的示波器最高带宽为36GHz, 这是美国力科公司 (LeCroy) 刚刚发布的芯片组及最新LabMaster 10Zi系列示波器产品。

由于工艺水平的限制, 芯片带宽很难达到非常高, 从而也满足不了当前一些高速信号测试的需要。如前文所述, 36GHz的示波器带宽也只能测量到12Gbps信号的全部5次谐波。而要测量更高速率如28Gbps、56Gbps的信号则无能为力。

因此示波器厂家也发明了一些专利技术以进一步提升示波器的带宽。

一种是基于软件DSP的方法, 通过拉伸示波器的前端频响曲线实现示波器带宽的提升, 此方法在20GHz带宽以下示波器中有使用, 高于20GHz带宽的示波器目前还未见有使用。此方法由于通过软件对信号输入的后期进行处理, 所以在拉伸带宽的同时, 噪声也被放大。而且信号可能会产生明显的失真现象。如图4 (左) 所示为将一个16GHz模拟带宽通过DSP拉伸的方法达到20GHz带宽, 图中红色滚降曲线为初始的16GHz示波器的前端频响曲线, 蓝色滚降曲线为通过DSP算法将原始的16GHz频响曲线拉伸后的结果, 从图中可见, 带宽被拉伸的同时, 示波器的底噪 (Noise Level) 也被明显的增强了, 如图中绿色曲线所示, 此时如果测试10GHz的正弦波, 那么在20GHz位置会有明显的二次倍频及20GHz的频点。也就是说, 如果测试10GHz的正弦波, 则会产生失真, 如图4 (右) 所示, 红色为正确的10GHz正弦波信号, 蓝色的为使用DSP拉伸得到的20GHz带宽示波器测量得到的正弦波。

另外一种方法是通过通道资源复用的方法, 即力科公司的DBI专利技术 (数字带宽交叉复用技术) , 该技术通过硬件射频模拟的方法可实现将芯片级模拟带宽提升至少一倍。力科公司最早在2005年就发明了该项专利技术, 使用在当前的最新产品上的DBI技术已经是第七代成熟的技术。其大致原理如下图5所示, 图中的放大器 (Ampli er) 的模拟带宽为36GHz, 当增加一个DBI射频模块后, 可以将图中的两个放大器的数字带宽复用, 从而使模拟带宽达到60GHz, DBI射频模块的主要作用是将输入的高频信号通过特制的低通滤波器和高通滤波器分成两部分, 一部分为0～36GHz的信号成分, 一部分为高于36GHz的成分, 高于36GHz的信号成分在通过本振混频到0～36GHz频率区间, 这样两部分信号就可以分别送入具有36GHz模拟带宽的通道进行测试, 最终再将处理后的信号合并组合到一起得到一个完整的高速信号。

力科公司的LabMaster 10Zi特点及主要应用领域

基于8HP锗化硅工艺的芯片组的突破以及DBI专利技术, 力科公司最新推出的新款示波器LabMaster 10Zi具有一系列行业领先的技术和指标, 不仅适合于超高速信号如相干光通信应用中的高速信号的测量, 也适合多通道信号的时序、相位差等的测量。主要特点如下:

1、最高硬件模拟带宽可达60GHz;

2、最高采样率可达160GS/s;

3、最高可分析存储深度1024MS;

4、前端芯片组模拟带宽可达36GHz;

5、36GHz或以下芯片级模拟带宽使用时, 采样率可达80GS/s;

6、36GHz或以下芯片级模拟带宽使用时, 最大通道数为20通道;

7、60GHz或者50GHz带宽使用时, 最大通道数为10通道;

8、配置成传统的四通道实时示波器时, 每个通道的芯片级模拟带宽均可达到36GHz, 采样率可达80GS/s;

9、30GHz触发带宽;

10、100fs (RMS) 抖动噪底;

11、最大通道数范围以内, 通道数量可以自由组合配置;

12、集成力科的传统优势:强大的分析与调试能力, 快速的分析处理和响应速度, 全面的异常捕获能力, 完善的串行数据测试解决方案等。

参考文献

[1]Peter J, Pupalaikis.Digital Bandwidth Interleaving[M].LeCroy, 2010-04

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[5]SAS3Spec[DB].Working Draft American National Standard, 2011-11

安永:释放带宽的力量 篇8

罗奕智认为, 目前市场条件仍极具挑战性, 但具备实力的仍是大型运营商。在经济不确定的时期, 电信业被视为一个波动平缓的防守型行业, 但近年来电信业已经发生了重大转变。

过去语音市场发生了很多不同的变化, 现在已经变得比较稳定。但不管在固网还是在移动方面, 宽带领域的在位运营商实力仍然很强, 这些电信业的转变并没有对他们没有形成很大的冲击。

罗奕智对2006年至2009年的电信业发展状况进行了分析, 以欧洲运营商为例, 英国电信2006～2009年宽带市场份额由原来的33%增长到35%, 荷兰皇家电信也从41%增长到44%。可以看出, 整个电信业稳中有升。他表示, 从在位运营商和新兴运营商波动情况来看, 在位运营商波动明显比较低, 原因可能是市场环境有问题或者不太稳定时, 通信行业永远都会被看成历史公用事业。

在2006年, 电信运营商关心更多的是如何拥有和掌控一个客户, 而现在的运营商则意识到提供客户更多的选择和自主权是更好的手段。因此, 当前在位运营商重点关心的有两个问题, 一个是客户, 他们认为客户是最重要的, 从客户得到最多的价值是在位运营商战略目标里排名最高的一项。另一个是业务创新, 新业务成为在位运营商的一个手段, 他们希望可以为客户提供更好的产品和服务。移动互联网、移动支付等都已经成为在位运营商挖掘客户价值的重要手段。

对未来电信运营业的格局, 罗奕智表示, “2006年大家都比较关心一些新技术, 到了2009年大家可能关心的是合作、联盟、提高市场份额的做法。我们估计三年之后的2012年会有更多的改变, 这些改变很多都是一些业务模式的创新, 通过改变原来收入来源的方向而实现的。”

罗奕智表示, 在改变过程中, 我们发现整合具有周期性。在欧美不同的国家里, 同一个地区的固移整合是他们实现整合的第一步, 之后他们会有另外一个新的方向, 跨地区, 跨地域, 跨行业整合, 特别是发展中的国家很多都关心并购活动, 这增加了运营商在临近地区的并购活动。运营商对其它领域, 比如IT软件、媒体等领域也寻求一些新的产品领域, 从而促进跨行业的整合。

罗奕智认为, 融合的道路是循序渐进的, 运营商都是基于自己主打的产品, 再往外延伸, 比如, 他们都会把重点放在家庭固话和个人移动电话, 延伸到其他家庭成员的移动电话上, 又或者是移动宽带基础上加入固网宽带的能力, 作为一个补充。

为带宽的井喷做好准备 篇9

不同网络环境对数据通信的需求增长可解读为对带宽的需求。首先，在城域网中，“最初的规划者”对带宽的要求日益增加，这些领域会是第一批实现100G网络通信的。高性能电脑(HPC)应用显示在各行各业内，对100G网络的需求早已存在。而在数据中心中，服务器和存储设备推动了10G以及更高网络的需求。网络以及交换机主干可能在四年内彰显其对40G和100G网络应用需求。

1 无损耗的以太网

一个修正后的以太网协议，被称作数据中心桥接(Data Centre Bridging)，已经被电力学工程师协会IEEE定义，这将会是一个无损耗的以太网，设计成不会丢包和超时的协议。它通过光纤以太网FCo E定义了一个在数据中心中光网络传输的以太网构造。整个ICT系统的维护和管理费用，将因此得以降低，因为网管人员不再需要管理以太网、光纤链路和Infiniband三个完全独立的网络架构。

协议的标准统称为数据中心桥接(Data Centre Bridging)，包括流量优先权控制、拥塞通知、最短路径桥接、链路层路由和加强的传输路径选择。这创造了较低的延时，排除了信息拥塞，同时增加了网络的效率。另一个IEEE工作组已经建立了支持40G和100G网速标准化的HSE协议(高速以太网)，同时，符合这些标准的产品也能够在市场上找到。这些符合新标准的产品包括twinax，支持40G的多模和单模光缆及支持100G的单模光缆。

对40G网络标准来说，采用铜缆双绞线传输的方式还有提升的空间，因为目前twinax的传输距离只有7m。这就是说，设备的热负荷能得到更好的拓展，从而达到更有效的线缆管理。与光缆相比，采用铜缆的优势主要表现在节约电缆敷设和设备使用上。双绞线同时能实现与老旧设备的“自动接口”，对于老旧系统，铜缆可以满足各代以太网速率的需求。

2 10GBase-T的问题

10GBase-T的发展道路并不是很顺利。最初，人们的设想是用6类非屏蔽线缆来支撑10G网络。这个想法太过有挑战性，因此，新的增强型6类线缆标准被定义。而线缆对相邻线缆产生的外部串扰所造成的影响过于敏感，导致了第一代的10GBase-T设备耗能极大，延时也很大，使得设备费用极高。直到现在，随着第三代设备的推出，这个问题看来已经得到了解决并且在发展上有所突破。

3 高速的双绞线

从这个经验中我们了解到，通过使用屏蔽线来节约能耗，降低延时及电子设备费用的呼声在不断增加。在佩恩州大学的独立研究表明，标准化的超7类铜缆布线因为其信号损耗极低，且在大部分频段内对环境噪音的免疫，因此能支持40G网络。由于90%服务器之间的连接距离都在50m之内，需要一个协议能够桥接这些距离。增强型6类被设计成支持10G传输的最大距离为100m，但是对于长度在40～50m之内的连接，可以通过其他的线缆来节省交换设备中的电子元器件费用。

4 范例替换

在结构化布线的历史上，我们第一次意识到升级更高性能的网络需要一种完全不同的线缆介质，40G以太网或100G以太网的连接需要8芯多模光缆的支持，每芯光缆传输10G甚至是25G的信号。这同样意味着，一种新型的连接器类型MPO被开发出来。

对于双绞线的连接，RJ45标准接口极有可能会被标准化的GG45接口所取代。GG45模块完全兼容RJ45模块在老旧设备上的使用，并且能支持带宽达到40G或者更高的网络。

各公司组织将会在他们的提案中提出一种新型的最优化的网络基础布线方案，从而在升级网络带宽时无需再更换所有的服务器或者其他设备。

改进数据中心的基础架构，以满足日益增加的更高的需求，是一个巨大的挑战。大部分公司要求数据中心实行不间断运行，对于重新布线和增补而言，施工时间短。一个布线系统的寿命大概在10～15年，也就是说，数据中心管理者需要确保基础架构适应未来科技发展的要求，并且能支持今后的网络带宽融合战略。最需要考量的是支持40G和100G的电缆是不同的，必须先考虑今后系统的更新策略。