分组网络电路仿真设备应用研究

　　摘 要：TDMoP是基于时分复用和IP技术发展起来的一项新技术，该技术可以将现有在TDM电路上运行的各类业务直接适配到IP网中，无需更换任何终端设备，具有广阔的应用前景。

　　关键词：TDMoP 回程设计 GEPON WiMAX RPR

　　1 引言

　　伴随着Internet的迅速发展，IP网络以其无所不在的天性和成本优势，在传送语音和视频等实时业务方面显示出巨大的潜在优势。

　　TDMoP(TDM over Packet Network)也称为分组网络电路仿真设备，正是基于TMD和IP技术发展起来的一项新技术，该技术可将现有在TDM电路上运行的各类业务直接适配到IP网络中，在发挥数据网低成本优势的同时，与现有的TDM终端设备实现完全的无缝连接，将二者有机地结合起来。TDMoP设备可使运营商在销售话音业务的同时最大程度地利用他们的包交换基础设施创收，因而具有广阔的应用前景。本文在介绍TDMoP原理及技术特点的基础上，重点讨论分组网络电路仿真设备在各种通信环境中的典型应用。

　　2 TDMoP的原理及技术特点

　　TDMoP是一种使语音和租用电路服务(如视频、数据等)在IP网上廉价传输的技术，它同时可以保持公共电话网(PSTN)的可靠性和服务质量。

　　TDMoP采用“隧道”原理在IP上实现TDM电路的透明传输：E1同步比特流在源端被打包后再加上IP头，封装成IP数据包，通过IP网络把这些数据包传输到目的地，在目的地重新生成同步时钟信号，然后去掉IP头，把其它数据转化成E1同步比特流发送出去。对于在包交换网络上传输Ｅ１业务，抖动平滑和时钟同步是必须要解决的问题。

　　IP网络中数据包以一个随机的延迟到达目的地，该延迟称作抖动。E1包的抖动主要取决于在交换机中存储转发所造成的延时。TDMoP采用定长发包的方式。以太网包中E1数据的长度定为N×32Bytes，正好是N个E1帧。N值要适当选取，因为包太长则延时太大，太短则开销所占比重过大。通过使用缓冲区可以克服抖动。由于TDM电路具有恒定不变的位速率，因此必须将较快到达的分组在输出之前进行缓冲，这样就可以补偿与其它较慢分组之间的延时差。缓存是为吸收包抖动而设置，容量越大就能容纳更大的抖动。但是缓存的增大会线性地增大语音延时，所以应该在能够容纳包抖动的情况下尽量减小缓存。

　　在缓冲过程中，原始的时钟参考信息是不能提取出来的，因此，TDMoP技术中采取了必要的时钟同步技术。时钟恢复算法直接关系到产品的稳定性。业界普遍采用分组统计法来恢复时钟，该算法因为受丢包影响而产生时钟震荡问题；另外统计需要时间，所以存在时钟收敛问题。木青科技的TDMoP设备采用远端测量近端恢复的算法来实现同步，该算法无须统计，远端对本地时钟进行采样检测，提取出精确的TDM信号时钟，加上时钟标记和TDM信号一起封装进数据包中，在接收端只要接收到数据包就可以读取到时钟标记信息立即恢复出时钟，实现网络同步。远端测量是利用差分时钟恢复的方式实现的，使在目的节点处保证TDM电路保持同步，不出现任何缓冲器滑动。实践证明此算法在性能方面明显优于同类算法。下面重点讨论TDMoP在各种通信环境下的典型应用。

　　3 TDMoP的典型应用研究

　　3.1 TDMoP在移动通信系统中的应用

　　在移动通信系统中，基站(BTS)与基站控制器(BSC)以及移动业务交换中心(MSC)之间的通信连接称为回程(Backhaul)。在未来3G网络的规划中，有人提出蜂窝回程网络的设计关系着能否有效削减3G网络的整体构建成本的问题。

　　回程是移动网络运行成本的主要部分，业界普遍同意的一个观点是：在传输部分总成本中的40%～75%都可能是回程成本。特别需要指出的是，移动网络运营商必须对所选择的接入平台的成本、适用性和可用性做出权衡，以满足预期的带宽容量增加要求，并降低语音和数据融合网络的复杂程度。

　　BTS与BSC之间以及BSC与MSC之间的通信一般存在三种方式：

　　第一种是传统的电缆传输方式，即租用电信的E1线路或者自行铺设；

　　第二种是光缆传输，需铺设专门的光缆传输从BTS到BSC的数据，且需配置光端机；

　　第三种是无线传输，采用微波技术或本文将介绍的“TDMoP+无线网桥”的方式来实现。

　　前两种方法都属于有线传输，就第一种方式而言，租用线路从长远来看成本会比较高，而自行铺设线路也同样存在成本偏高的问题；就第二种方式而言，地理环境对网络建设造成一定的影响，特别是某些条件恶劣的地方，比如基站处于山顶或者有河道阻隔等，有线方式实现起来会有一些困难或者经济上的浪费。就无线传输方式而言，在实际中大多采用微波设备来传输，但由于其传输方式、传送业务、组网模式以及价格等原因较难大面积推广。

　　本文所要讨论的“TDMoP+无线网桥”的方式可以让无线方式的成本得到有效的控制，也使蜂窝网络的回程设计更加灵活、高效。从传输方式来看，无线网桥采用IP包传输方式，因此在无线受干扰丢包时可重传，微波则会产生误码；从传送业务来看，“TDMoP+无线网桥”模式既可以传送E1,也可以同时传送IP业务，而目前微波设备大部分只能传送E1业务；从组网模式来看，“TDMoP+无线网桥”模式可以实现点对多点，方便组网，而微波一般只能点对点组网；成本上看，“TDMoP+无线网桥”相对微波设备而言有着明显的优势；此外，该方案还有信息安全上的优势，因为时钟信息是从网络上恢复出来的，即使其他设备窃取了传输中的IP数据包，由于无法得到时钟信息所以也就无法恢复出E1信号。

　　TDMoP设备与无线网桥组合在移动通信系统(GSM、CDMA、SCDMA以及WCDMA网络)中的应用如图1所示。木青科技的TDMoP设备在目前的实际测试中已经取得了令人满意的结果。

图1 TDMoP+无线网桥在移动通信系统中的应用

　　总而言之，通过采用“TDMoP+无线网桥”模式，移动网络运营商可以汇集来自GSM基站的流量，并将其通过分组交换网络与BSC连接，运营商以以太网/IP传输的低成本，从而有效地降低移动通信网络的回程成本。

　　3.2 TDMoP在GEPON中的应用

　　互联网的兴起、多媒体业务的发展，导致人们对网络容量需求的爆炸性增长。当前，光纤建设在“核心网”部分已基本完成，正在向接入网推进，最终将实现FTTH的全网光纤化。随着光纤成本的下降，“有源无源一体化”的光纤接入网已成为一种趋势。

　　以太网以其使用方便、价格低、速度高等优点，已被广泛应用于局域网、城域网和广域网。如果接入网也采用以太技术则将形成全以太网结构，可实现各网之间无缝连接，将大大提高网络运行效率并降低成本。PON（无源光网络）采用无源光功率分配器/耦合器，支持点到多点的用户网络拓扑，可提供高带宽，具有良好的可靠性、经济性，易于扩容和拓展新业务，是光纤接入技术的发展方向。

　　作为光纤接入网的重要解决方案，EPON（以太网+无源光网络）得到国内外运营商和厂商的支持和认可，以其远远高于现有接入技术的带宽向终端用户提供可靠的数据、话音和视频通信，可以更彻底地解决宽带接入的问题。一个典型的EPON系统由OLT（光线路终端）、ODN（光分配网络）、ONU/ONT（光网络单元）和EMS（网元管理系统）组成。EPON采用无源光纤传输方式，上、下行速率目前可达到1Gbit/s，因此也称GEPON。

　　OLT通常具有L2交换或L3路由功能，下行方向提供面向无源光网络的光纤接口，以广播方式向各ONU发送数据，在上行方向提供GE(Gigabit Ethernet)接口、SDH/SONET接口及E1接口。OLT是EPON系统的控制中心，提供网络集中和接入的功能，针对用户QoS的不同要求进行带宽分配、网络安全控制和管理配置。

　　ONU采用以太网络协议，实现对用户数据的透明传送。ONU支持传统的TDM协议，通过支持E1接口来实现传统话音业务的接入。

　　ODN主要由一个或数个无源光纤分支器POS来连接OLT和ONU，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。由于是无源操作，环境适应能力强，维护简单，并可进行多级级联。

　　尽管数据业务的带宽需求正快速增长，但现有的电路业务还有很大的市场，在今后几年内仍是业务运营商的主要收入来源。在EPON系统中对固定比特率的实时业务进行良好的支持，将分组交换业务与电路交换业务结合，将有利于EPON的市场应用和满足不同业务的需要。EPON系统最初只提供以太数据传输业务，采用以太帧结构。要实现E1数据传输及保证实时业务的服务质量，必须进行特殊处理。接入网用户对电路业务的需求主要是提供E1电路接口，由TDMoP的原理可知，将TDMoP的板卡内嵌在GEPON系统的OLT和ONU中可以实现E1接入，且在与其他公司的联合测试中，该方案的实际应用效果也令人满意。TDMoP在GEPON系统中的应用示意图如图2所示。

图2 GEPON系统中的E1电路仿真

　　GEPON接入网络是链路层的以太网和物理层的PON技术的完美结合，具备无源光网络结构的独特优势以及以太网的低成本优势。随着IPTV、网络各类互动业务的市场驱动以及FTTH时代的来临，与TDMoP技术相结合的GEPON技术必将迎来巨大的市场发展空间。

　　3.3 TDMoP在WiMAX中的应用

　　WiMAX的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是一种基于IEEE802.16标准的无线城域网技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可以替代现有的有线和DSL连接方式，来提供最后一英里的无线宽带接入。WiMAX将提供固定、移动、便携形式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线宽带连接。在典型的3到10英里半径单元部署中，获得WiMAX论坛认证的系统有望为固定和便携接入应用提供高达每信道40Mbps的容量，可以为同时支持数百使用T1连接速度的商业用户或数千使用DSL连接速度的家庭用户的需求，并提供足够的带宽。移动网络部署将能够在典型的（最高）3公里半径单元部署中提供高达15Mbps的容量。WiMAX技术预期将于2006年用于笔记本电脑和PDA，从而使城区以及城市之间形成“城域地带(MetroZones)”，为用户提供便携的室外宽带无线接入。据报道，WiMAX的无线数据传输速度将达到70Mbps，而传输距离可达到了50公里，相比而言，最先进的WLAN也只能达到54Mbps和数百米，而尚在艰难度日的3G只能达到2Mbps和数十公里。

　　WiMAX固定应用模式针对以下用户及场景：企业用户、小区E1/IP的承载线路；WLAN公共接入网络上联到城域网的线路；移动通信网络中基站和基站控制器互连的线路；在有上网需求、用户分布分散的地方如农村及边远地区，作为DSL的替代者进行无线宽带接入网络覆盖；没有有线网络资源的地方；有线网络无法进入的地方，如地形地貌限制或历史文化古迹区；链路备份；应急通信。

　　WiMAX固定应用模式的网络拓扑结构如图3所示。

图3 内嵌TDMoP板卡的wimax的典型应用

　　网络中无线部分包括一个BS和若干个SS。BS与城域网、PSTN相连，SS汇聚多个用户的IP数据、语音业务流量，通过空中接口传送到BS。在典型的宽带无线接入网络中，WiMAX 基站通过点对多点无线以太网连接，与位于客户端的所有用户单元进行通信。基站还可以将通信回送到位于中心局的另一个WiMAX基站。在中心局，TDM通信被汇集到PSTN(公共交换电话网络)。为了将电路交换业务及其相关的时序和信令信息转换成以太网分组，通过分组网络无缝传输，我们提出在基站和WiMAX终端设备中采用分组电路仿真技术，集成TDMoP板卡。这样运营商可以在WiMAX IP网络上传送电路交换语音和T1/E1业务，从而避免昂贵的传统业务接入线。TDMoP板卡支持个人住户对基本POTS(普通老式电话业务)接入的要求，以及商业客户对T1/E1和非整帧T1/E1业务的要求。

　　3.4 TDMoP在RPR中的应用

　　RPR是面向数据(特别是以太网)的一种光环新技术。与同为双环配置的SONET/SDH将其中一个环作为备用环不同，RPR在任何时间双环都是同时使用，并作反向传输。为了防止可能出现的拥塞，RPR引入QoS参数，使优先级最高的业务先获得它所需的带宽，并且不受断开的影响。优先级低的业务可能会有时延，但由于城域网业务现在主要是数据而不是话音，网络时延小的要求已经不是非常关键。处理业务的速度上，RPR八倍于SONET/SDH，一是因为时隙可以重复使用，同一时隙在不同网段上可以用来传送不同的数据；二是因为无论在哪个方向传送的分组都能以最快速度到达目的地。由于RPR与媒体无关，可扩展，采用分布式的管理、拥塞控制与保护机制，具备分服务等级的能力，因此比SONET/SDH能更有效地分配带宽和处理数据，能降低运营商及其企业客户的成本，它已成为新技术中最令人瞩目的焦点之一。

　　为了解决在RPR上有效地传输TDM业务，我们提出先用TDM分组电路仿真（TDMoP）来封装TDM业务，然后再用RPR来承载封装后的TDM业务。从RPR的产生来看，是为了满足数据业务指数增长的需要（城域网成为瓶颈），而未来的趋势是数据业务占80％，语音业务占据20％，我们正是为了适应这种需要而提出此模型。这种模型既能有效的发挥RPR高效传输数据业务的优点，同时也能在RPR上有效地承载TDM业务，所以尤其适合数据业务为主，语音业务为辅的场合。

　　使用分组电路仿真来实现TDM业务的传输有几大优点，一是简单，简单意味着成本低，由于TDMoP是一种隧道技术，故不需要专门的指令功能，而只使用分组网络已有的那些功能就可以了，TDM的控制信令和数据一起通过隧道传输。二是更粗粒度，本质上，TDMoP不是在单个通道级上进行交换，而是在电路级进行交换，这些交换的电路可以是T1/E1、T3/E3，甚至是OC3/STM-1或更高，这使网络管理和控制效率得以提高。三是较短延迟和较窄带宽。仿真电路的延迟时间通常较短，这是因为仿真电路可以在很短的时间内组建一个大的分组。例如，一个T1连接包括24个通道，于是构造包含192个字节的有效载荷需要占用八帧(1毫秒)。较窄带宽的占用以为着可以给数据业务分配更多的带宽，以适应未来高速率数据业务传输的需要。

图4 内嵌TDMoP板卡的RPR的典型应用

　　4 结束语

　　综上所述，TDMoP实现了传统的电路业务在分组网络上的透明传输，充分发挥了数据网低成本的优势，从而有效地降低了成本，提高了网络利用率。随着TDMoP在各种通信环境中的广泛应用，TDMoP必将迎来更大的市场发展空间。

作者：

胡继超1 刘卫东1，2 聂君1，2 吴光斌3

（1 深圳市木青科技实业有限公司 518057；2 重庆邮电学院 400065；3 深圳职业技术学院 518055）

参考文献：

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来源：光纤新闻网