分組網(wǎng)絡電路仿真設備應用研究

　　摘 要：TDMoP是基于時分復用和IP技術(shù)發(fā)展起來的一項新技術(shù)，該技術(shù)可以將現(xiàn)有在TDM電路上運行的各類業(yè)務直接適配到IP網(wǎng)中，無需更換任何終端設備，具有廣闊的應用前景。

　　關(guān)鍵詞：TDMoP 回程設計 GEPON WiMAX RPR

　　1 引言

　　伴隨著Internet的迅速發(fā)展，IP網(wǎng)絡以其無所不在的天性和成本優(yōu)勢，在傳送語音和視頻等實時業(yè)務方面顯示出巨大的潛在優(yōu)勢。

　　TDMoP(TDM over Packet Network)也稱為分組網(wǎng)絡電路仿真設備，正是基于TMD和IP技術(shù)發(fā)展起來的一項新技術(shù)，該技術(shù)可將現(xiàn)有在TDM電路上運行的各類業(yè)務直接適配到IP網(wǎng)絡中，在發(fā)揮數(shù)據(jù)網(wǎng)低成本優(yōu)勢的同時，與現(xiàn)有的TDM終端設備實現(xiàn)完全的無縫連接，將二者有機地結(jié)合起來。TDMoP設備可使運營商在銷售話音業(yè)務的同時最大程度地利用他們的包交換基礎(chǔ)設施創(chuàng)收，因而具有廣闊的應用前景。本文在介紹TDMoP原理及技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，重點討論分組網(wǎng)絡電路仿真設備在各種通信環(huán)境中的典型應用。

　　2 TDMoP的原理及技術(shù)特點

　　TDMoP是一種使語音和租用電路服務(如視頻、數(shù)據(jù)等)在IP網(wǎng)上廉價傳輸?shù)募夹g(shù)，它同時可以保持公共電話網(wǎng)(PSTN)的可靠性和服務質(zhì)量。

　　TDMoP采用“隧道”原理在IP上實現(xiàn)TDM電路的透明傳輸：E1同步比特流在源端被打包后再加上IP頭，封裝成IP數(shù)據(jù)包，通過IP網(wǎng)絡把這些數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡兀�在目的地重新生成同步時鐘信號，然后去掉IP頭，把其它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成E1同步比特流發(fā)送出去。對于在包交換網(wǎng)絡上傳輸Ｅ１業(yè)務，抖動平滑和時鐘同步是必須要解決的問題。

　　IP網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包以一個隨機的延遲到達目的地，該延遲稱作抖動。E1包的抖動主要取決于在交換機中存儲轉(zhuǎn)發(fā)所造成的延時。TDMoP采用定長發(fā)包的方式。以太網(wǎng)包中E1數(shù)據(jù)的長度定為N×32Bytes，正好是N個E1幀。N值要適當選取，因為包太長則延時太大，太短則開銷所占比重過大。通過使用緩沖區(qū)可以克服抖動。由于TDM電路具有恒定不變的位速率，因此必須將較快到達的分組在輸出之前進行緩沖，這樣就可以補償與其它較慢分組之間的延時差。緩存是為吸收包抖動而設置，容量越大就能容納更大的抖動。但是緩存的增大會線性地增大語音延時，所以應該在能夠容納包抖動的情況下盡量減小緩存。

　　在緩沖過程中，原始的時鐘參考信息是不能提取出來的，因此，TDMoP技術(shù)中采取了必要的時鐘同步技術(shù)。時鐘恢復算法直接關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性。業(yè)界普遍采用分組統(tǒng)計法來恢復時鐘，該算法因為受丟包影響而產(chǎn)生時鐘震蕩問題；另外統(tǒng)計需要時間，所以存在時鐘收斂問題。木青科技的TDMoP設備采用遠端測量近端恢復的算法來實現(xiàn)同步，該算法無須統(tǒng)計，遠端對本地時鐘進行采樣檢測，提取出精確的TDM信號時鐘，加上時鐘標記和TDM信號一起封裝進數(shù)據(jù)包中，在接收端只要接收到數(shù)據(jù)包就可以讀取到時鐘標記信息立即恢復出時鐘，實現(xiàn)網(wǎng)絡同步。遠端測量是利用差分時鐘恢復的方式實現(xiàn)的，使在目的節(jié)點處保證TDM電路保持同步，不出現(xiàn)任何緩沖器滑動。實踐證明此算法在性能方面明顯優(yōu)于同類算法。下面重點討論TDMoP在各種通信環(huán)境下的典型應用。

　　3 TDMoP的典型應用研究

　　3.1 TDMoP在移動通信系統(tǒng)中的應用

　　在移動通信系統(tǒng)中，基站(BTS)與基站控制器(BSC)以及移動業(yè)務交換中心(MSC)之間的通信連接稱為回程(Backhaul)。在未來3G網(wǎng)絡的規(guī)劃中，有人提出蜂窩回程網(wǎng)絡的設計關(guān)系著能否有效削減3G網(wǎng)絡的整體構(gòu)建成本的問題。

　　回程是移動網(wǎng)絡運行成本的主要部分，業(yè)界普遍同意的一個觀點是：在傳輸部分總成本中的40%～75%都可能是回程成本。特別需要指出的是，移動網(wǎng)絡運營商必須對所選擇的接入平臺的成本、適用性和可用性做出權(quán)衡，以滿足預期的帶寬容量增加要求，并降低語音和數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡的復雜程度。

　　BTS與BSC之間以及BSC與MSC之間的通信一般存在三種方式：

　　第一種是傳統(tǒng)的電纜傳輸方式，即租用電信的E1線路或者自行鋪設；

　　第二種是光纜傳輸，需鋪設專門的光纜傳輸從BTS到BSC的數(shù)據(jù)，且需配置光端機；

　　第三種是無線傳輸，采用微波技術(shù)或本文將介紹的“TDMoP+無線網(wǎng)橋”的方式來實現(xiàn)。

　　前兩種方法都屬于有線傳輸，就第一種方式而言，租用線路從長遠來看成本會比較高，而自行鋪設線路也同樣存在成本偏高的問題；就第二種方式而言，地理環(huán)境對網(wǎng)絡建設造成一定的影響，特別是某些條件惡劣的地方，比如基站處于山頂或者有河道阻隔等，有線方式實現(xiàn)起來會有一些困難或者經(jīng)濟上的浪費。就無線傳輸方式而言，在實際中大多采用微波設備來傳輸，但由于其傳輸方式、傳送業(yè)務、組網(wǎng)模式以及價格等原因較難大面積推廣。

　　本文所要討論的“TDMoP+無線網(wǎng)橋”的方式可以讓無線方式的成本得到有效的控制，也使蜂窩網(wǎng)絡的回程設計更加靈活、高效。從傳輸方式來看，無線網(wǎng)橋采用IP包傳輸方式，因此在無線受干擾丟包時可重傳，微波則會產(chǎn)生誤碼；從傳送業(yè)務來看，“TDMoP+無線網(wǎng)橋”模式既可以傳送E1,也可以同時傳送IP業(yè)務，而目前微波設備大部分只能傳送E1業(yè)務；從組網(wǎng)模式來看，“TDMoP+無線網(wǎng)橋”模式可以實現(xiàn)點對多點，方便組網(wǎng)，而微波一般只能點對點組網(wǎng)；成本上看，“TDMoP+無線網(wǎng)橋”相對微波設備而言有著明顯的優(yōu)勢；此外，該方案還有信息安全上的優(yōu)勢，因為時鐘信息是從網(wǎng)絡上恢復出來的，即使其他設備竊取了傳輸中的IP數(shù)據(jù)包，由于無法得到時鐘信息所以也就無法恢復出E1信號。

　　TDMoP設備與無線網(wǎng)橋組合在移動通信系統(tǒng)(GSM、CDMA、SCDMA以及WCDMA網(wǎng)絡)中的應用如圖1所示。木青科技的TDMoP設備在目前的實際測試中已經(jīng)取得了令人滿意的結(jié)果。

圖1 TDMoP+無線網(wǎng)橋在移動通信系統(tǒng)中的應用

　　總而言之，通過采用“TDMoP+無線網(wǎng)橋”模式，移動網(wǎng)絡運營商可以匯集來自GSM基站的流量，并將其通過分組交換網(wǎng)絡與BSC連接，運營商以以太網(wǎng)/IP傳輸?shù)牡统杀荆瑥亩�有效地降低移動通信網(wǎng)絡的回程成本。

　　3.2 TDMoP在GEPON中的應用

　　互聯(lián)網(wǎng)的興起、多媒體業(yè)務的發(fā)展，導致人們對網(wǎng)絡容量需求的爆炸性增長。當前，光纖建設在“核心網(wǎng)”部分已基本完成，正在向接入網(wǎng)推進，最終將實現(xiàn)FTTH的全網(wǎng)光纖化。隨著光纖成本的下降，“有源無源一體化”的光纖接入網(wǎng)已成為一種趨勢。

　　以太網(wǎng)以其使用方便、價格低、速度高等優(yōu)點，已被廣泛應用于局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。如果接入網(wǎng)也采用以太技術(shù)則將形成全以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)各網(wǎng)之間無縫連接，將大大提高網(wǎng)絡運行效率并降低成本。PON（無源光網(wǎng)絡）采用無源光功率分配器/耦合器，支持點到多點的用戶網(wǎng)絡拓撲，可提供高帶寬，具有良好的可靠性、經(jīng)濟性，易于擴容和拓展新業(yè)務，是光纖接入技術(shù)的發(fā)展方向。

　　作為光纖接入網(wǎng)的重要解決方案，EPON（以太網(wǎng)+無源光網(wǎng)絡）得到國內(nèi)外運營商和廠商的支持和認可，以其遠遠高于現(xiàn)有接入技術(shù)的帶寬向終端用戶提供可靠的數(shù)據(jù)、話音和視頻通信，可以更徹底地解決寬帶接入的問題。一個典型的EPON系統(tǒng)由OLT（光線路終端）、ODN（光分配網(wǎng)絡）、ONU/ONT（光網(wǎng)絡單元）和EMS（網(wǎng)元管理系統(tǒng)）組成。EPON采用無源光纖傳輸方式，上、下行速率目前可達到1Gbit/s，因此也稱GEPON。

　　OLT通常具有L2交換或L3路由功能，下行方向提供面向無源光網(wǎng)絡的光纖接口，以廣播方式向各ONU發(fā)送數(shù)據(jù)，在上行方向提供GE(Gigabit Ethernet)接口、SDH/SONET接口及E1接口。OLT是EPON系統(tǒng)的控制中心，提供網(wǎng)絡集中和接入的功能，針對用戶QoS的不同要求進行帶寬分配、網(wǎng)絡安全控制和管理配置。

　　ONU采用以太網(wǎng)絡協(xié)議，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的透明傳送。ONU支持傳統(tǒng)的TDM協(xié)議，通過支持E1接口來實現(xiàn)傳統(tǒng)話音業(yè)務的接入。

　　ODN主要由一個或數(shù)個無源光纖分支器POS來連接OLT和ONU，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)。由于是無源操作，環(huán)境適應能力強，維護簡單，并可進行多級級聯(lián)。

　　盡管數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬需求正快速增長，但現(xiàn)有的電路業(yè)務還有很大的市場，在今后幾年內(nèi)仍是業(yè)務運營商的主要收入來源。在EPON系統(tǒng)中對固定比特率的實時業(yè)務進行良好的支持，將分組交換業(yè)務與電路交換業(yè)務結(jié)合，將有利于EPON的市場應用和滿足不同業(yè)務的需要。EPON系統(tǒng)最初只提供以太數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，采用以太幀結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)E1數(shù)據(jù)傳輸及保證實時業(yè)務的服務質(zhì)量，必須進行特殊處理。接入網(wǎng)用戶對電路業(yè)務的需求主要是提供E1電路接口，由TDMoP的原理可知，將TDMoP的板卡內(nèi)嵌在GEPON系統(tǒng)的OLT和ONU中可以實現(xiàn)E1接入，且在與其他公司的聯(lián)合測試中，該方案的實際應用效果也令人滿意。TDMoP在GEPON系統(tǒng)中的應用示意圖如圖2所示。

圖2 GEPON系統(tǒng)中的E1電路仿真

　　GEPON接入網(wǎng)絡是鏈路層的以太網(wǎng)和物理層的PON技術(shù)的完美結(jié)合，具備無源光網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢以及以太網(wǎng)的低成本優(yōu)勢。隨著IPTV、網(wǎng)絡各類互動業(yè)務的市場驅(qū)動以及FTTH時代的來臨，與TDMoP技術(shù)相結(jié)合的GEPON技術(shù)必將迎來巨大的市場發(fā)展空間。

　　3.3 TDMoP在WiMAX中的應用

　　WiMAX的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是一種基于IEEE802.16標準的無線城域網(wǎng)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。它用于將802.11a無線接入熱點連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可連接公司與家庭等環(huán)境至有線骨干線路。它可以替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，來提供最后一英里的無線寬帶接入。WiMAX將提供固定、移動、便攜形式的無線寬帶連接，并最終能夠在不需要直接視距基站的情況下提供移動無線寬帶連接。在典型的3到10英里半徑單元部署中，獲得WiMAX論壇認證的系統(tǒng)有望為固定和便攜接入應用提供高達每信道40Mbps的容量，可以為同時支持數(shù)百使用T1連接速度的商業(yè)用戶或數(shù)千使用DSL連接速度的家庭用戶的需求，并提供足夠的帶寬。移動網(wǎng)絡部署將能夠在典型的（最高）3公里半徑單元部署中提供高達15Mbps的容量。WiMAX技術(shù)預期將于2006年用于筆記本電腦和PDA，從而使城區(qū)以及城市之間形成“城域地帶(MetroZones)”，為用戶提供便攜的室外寬帶無線接入。據(jù)報道，WiMAX的無線數(shù)據(jù)傳輸速度將達到70Mbps，而傳輸距離可達到了50公里，相比而言，最先進的WLAN也只能達到54Mbps和數(shù)百米，而尚在艱難度日的3G只能達到2Mbps和數(shù)十公里。

　　WiMAX固定應用模式針對以下用戶及場景：企業(yè)用戶、小區(qū)E1/IP的承載線路；WLAN公共接入網(wǎng)絡上聯(lián)到城域網(wǎng)的線路；移動通信網(wǎng)絡中基站和基站控制器互連的線路；在有上網(wǎng)需求、用戶分布分散的地方如農(nóng)村及邊遠地區(qū)，作為DSL的替代者進行無線寬帶接入網(wǎng)絡覆蓋；沒有有線網(wǎng)絡資源的地方；有線網(wǎng)絡無法進入的地方，如地形地貌限制或歷史文化古跡區(qū)；鏈路備份；應急通信。

　　WiMAX固定應用模式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)嵌TDMoP板卡的wimax的典型應用

　　網(wǎng)絡中無線部分包括一個BS和若干個SS。BS與城域網(wǎng)、PSTN相連，SS匯聚多個用戶的IP數(shù)據(jù)、語音業(yè)務流量，通過空中接口傳送到BS。在典型的寬帶無線接入網(wǎng)絡中，WiMAX 基站通過點對多點無線以太網(wǎng)連接，與位于客戶端的所有用戶單元進行通信�；�站還可以將通信回送到位于中心局的另一個WiMAX基站。在中心局，TDM通信被匯集到PSTN(公共交換電話網(wǎng)絡)。為了將電路交換業(yè)務及其相關(guān)的時序和信令信息轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)分組，通過分組網(wǎng)絡無縫傳輸，我們提出在基站和WiMAX終端設備中采用分組電路仿真技術(shù)，集成TDMoP板卡。這樣運營商可以在WiMAX IP網(wǎng)絡上傳送電路交換語音和T1/E1業(yè)務，從而避免昂貴的傳統(tǒng)業(yè)務接入線。TDMoP板卡支持個人住戶對基本POTS(普通老式電話業(yè)務)接入的要求，以及商業(yè)客戶對T1/E1和非整幀T1/E1業(yè)務的要求。

　　3.4 TDMoP在RPR中的應用

　　RPR是面向數(shù)據(jù)(特別是以太網(wǎng))的一種光環(huán)新技術(shù)。與同為雙環(huán)配置的SONET/SDH將其中一個環(huán)作為備用環(huán)不同，RPR在任何時間雙環(huán)都是同時使用，并作反向傳輸。為了防止可能出現(xiàn)的擁塞，RPR引入QoS參數(shù)，使優(yōu)先級最高的業(yè)務先獲得它所需的帶寬，并且不受斷開的影響。優(yōu)先級低的業(yè)務可能會有時延，但由于城域網(wǎng)業(yè)務現(xiàn)在主要是數(shù)據(jù)而不是話音，網(wǎng)絡時延小的要求已經(jīng)不是非常關(guān)鍵。處理業(yè)務的速度上，RPR八倍于SONET/SDH，一是因為時隙可以重復使用，同一時隙在不同網(wǎng)段上可以用來傳送不同的數(shù)據(jù)；二是因為無論在哪個方向傳送的分組都能以最快速度到達目的地。由于RPR與媒體無關(guān)，可擴展，采用分布式的管理、擁塞控制與保護機制，具備分服務等級的能力，因此比SONET/SDH能更有效地分配帶寬和處理數(shù)據(jù)，能降低運營商及其企業(yè)客戶的成本，它已成為新技術(shù)中最令人矚目的焦點之一。

　　為了解決在RPR上有效地傳輸TDM業(yè)務，我們提出先用TDM分組電路仿真（TDMoP）來封裝TDM業(yè)務，然后再用RPR來承載封裝后的TDM業(yè)務。從RPR的產(chǎn)生來看，是為了滿足數(shù)據(jù)業(yè)務指數(shù)增長的需要（城域網(wǎng)成為瓶頸），而未來的趨勢是數(shù)據(jù)業(yè)務占80％，語音業(yè)務占據(jù)20％，我們正是為了適應這種需要而提出此模型。這種模型既能有效的發(fā)揮RPR高效傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)點，同時也能在RPR上有效地承載TDM業(yè)務，所以尤其適合數(shù)據(jù)業(yè)務為主，語音業(yè)務為輔的場合。

　　使用分組電路仿真來實現(xiàn)TDM業(yè)務的傳輸有幾大優(yōu)點，一是簡單，簡單意味著成本低，由于TDMoP是一種隧道技術(shù)，故不需要專門的指令功能，而只使用分組網(wǎng)絡已有的那些功能就可以了，TDM的控制信令和數(shù)據(jù)一起通過隧道傳輸。二是更粗粒度，本質(zhì)上，TDMoP不是在單個通道級上進行交換，而是在電路級進行交換，這些交換的電路可以是T1/E1、T3/E3，甚至是OC3/STM-1或更高，這使網(wǎng)絡管理和控制效率得以提高。三是較短延遲和較窄帶寬。仿真電路的延遲時間通常較短，這是因為仿真電路可以在很短的時間內(nèi)組建一個大的分組。例如，一個T1連接包括24個通道，于是構(gòu)造包含192個字節(jié)的有效載荷需要占用八幀(1毫秒)。較窄帶寬的占用以為著可以給數(shù)據(jù)業(yè)務分配更多的帶寬，以適應未來高速率數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸?shù)男枰��?/p>

圖4 內(nèi)嵌TDMoP板卡的RPR的典型應用

　　4 結(jié)束語

　　綜上所述，TDMoP實現(xiàn)了傳統(tǒng)的電路業(yè)務在分組網(wǎng)絡上的透明傳輸，充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)網(wǎng)低成本的優(yōu)勢，從而有效地降低了成本，提高了網(wǎng)絡利用率。隨著TDMoP在各種通信環(huán)境中的廣泛應用，TDMoP必將迎來更大的市場發(fā)展空間。

作者：

胡繼超1 劉衛(wèi)東1，2 聶君1，2 吳光斌3

（1 深圳市木青科技實業(yè)有限公司 518057；2 重慶郵電學院 400065；3 深圳職業(yè)技術(shù)學院 518055）

參考文獻：

1 辜光輝，胡繼超.RPR技術(shù)與TDMoP同步機制[J].通信世界，2004，(08).

2 辜光輝，胡繼超.TDMOP在大靈通系統(tǒng)中的應用[J].通信世界，2004,(10).

3.Stefano Bregni, Synchronization of Digital Telecom networks John Wiley & Sons UK 2002.

4.IETF Draft draft-riegel-pwe3-tdm-requirements-01.txt,Requirements for Edge-to-Edge Emulation of TDM Circuits over Packet Switch networks(PSN)

5.IETF Draft draft-ietf-pwe3-requirements-03.txt,Requirement for Pseudo-Wire Emulation Edge-to-Edge(PWE3).

6.IETF Draft draft-vainshtein-cesopsn-03.txt, TDM Circuit Emulation Service over Packet Switched Network (CESoPSN).

7.IETF Draft draft-stein-pwe3-tdm-packetloss-00.txt, The Effect of Packet Loss on Voice Quality for TDM over Pseudowires.

8.Metro Ethernet Networks-A Technical Overview, A Metro Ethernet Forum White Paper,Metro Ethernet Forum 2002.

9.Metro Ethernet Services,A Metro Ethernet Forum White Paper, Metro Ethernet Forum 2002.

10.An Introduction to Circuit Emulation Services, While paper, Cisco systems.

11. Circuit Emulation over Packet Networks ,White paper. Zarlink Ullas Kumar, Applications Manager

12. BWCS Ltd. WiFi,WiMAX and 802.20, The Disruptive Potential of Wireless Broadband, 2004.

13.Pyramid Research. Wi-Fi and WiMAX: Unwiring the World, Sizing the Opportunity, Analyzing the Players,Demystifying the Hype, 2003.

14. Intel. Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions, 2004.

15. Intel. Understanding WiMAX and 3G for Portable/Mobile Broadband and Wireless, 2004.

16. IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning. Intel Technology Journal, 2004, 8(3).

17. IEEE P802.16-REVd-2004 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.

18. IEEE 802.16a IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz.

19.G. Kramer, B. Mukherjee, and A. Maislos, Ethernet Passive Optical Networks, In S. Dixit, editor, IP over WDM: Building the Next Generation Optical Internet, John Wiley & Sons, Inc., February 2003.

20.ITU-T Recommendation G.114, One-Way Transmission Time, in Series G: Transmission Systems and Media, Digital Systems and Networks, Telecommunication Standartization Sector of ITU, May 2000.

21. G. Kramer, B. Mukherjee, S. Dixit, Y. Ye, and R. Hirth, “Supporting Differentiated Classes of Service in Ethernet Passive Optical Networks”, Journal of Optical Networking, vol. 1, no. 8/9, pp. 280-298, August 2002.

22. G. Kramer, “How efficient is GEPON?”, white paper, available at www.ieeecommunities.org/GEPON

來源：光纖新聞網(wǎng)