挑战VoIP--基于电路仿真的分组语音业务

　　与VoIP相比，分组网络电路仿真业务具有更大灵活性、更短延迟和简单特性，是VoIP技术最具竞争力的替代方案。本文详细阐述了分组网络电路仿真业务的特性，并分析怎样最好地利用这些特性以及对运营商和企业的可能应用。

　　尽管VoIP倍受业界关注，但该技术并不是通过分组交换网络传送语音的惟一途径,在某些应用中它甚至并不是最佳的方法。除VoIP以外还有另外一种选择，即分组网络电路仿真业务(CESoP)。CESoP最初应用于ATM网络，要将该技术应用于分组网络必须进行很大的改动。ATM网络电路仿真业务现在已经广泛使用，但最初该技术并未在业界引起足够的重视，这主要是因为要在ATM网络上仿真一个TDM电路需要额外开销，而现在采用电路仿真业务通过分组来传送语音则可以获得成本和效率上的优势。

　图1：通过分组交换网络实现的电路仿真业务。

　　目前，以太网已经应用到城域网中，具有高带宽、低成本的特点，能够融合语音、视频及数据通信。但是，城域以太网却不大可能覆盖到TDM技术所能延伸到的区域，毕竟TDM技术的应用已经有很长历史。在通信产业中，“最后一里”仍旧是最漫长的道路。城域以太网提供商要想成为一个完整的服务提供商就必须将其业务扩展到那些仍处于其网络之外的客户，或那些觉得还没有理由要放弃高质量、可靠且经济的TDM业务的人们。

　　CESoP的概念

　　CESoP的基本思想就是在分组交换网络上搭建一个“通道”，在其中实现TDM电路(如T1或E1)，从而使网络任一端的TDM设备不必关心其所连接的网络是否是一个TDM网络。分组交换网络被用来仿真TDM电路的行为，故而称为“电路仿真”(图1)。

　　电路仿真要求在分组交换网络的两端都要有交互连接功能。在分组交换网络入口处，交互连接功能将TDM数据转换成一系列分组，而在分组交换网络出口处则利用这一系列分组再重新生成TDM电路。有两种基本方法来实现这种交互功能模块，包括结构化仿真和非结构化仿真或结构不可知(Structure-Agnostic)。

　　结构化方法使用了TDM电路中所固有的时隙结构。首先将帧结构(如DS1中的F位)从数据流中提取出来，然后按顺序将每个时隙加入到分组的有效载荷内，后面跟着下一帧的同一时隙，如此反复。有效载荷全部填满后，再加上一个分组头，该分组就被发送到分组交换网络中。有效载荷一般包含大约八帧TDM数据(一个DS1包含192个八位位组)。在分组网络的出口处，TDM数据流被重新产生，并使用新的帧结构。

　　非结构化的传输方式忽略TDM电路中可能存在的任何结构，将数据看作给定数据速率的纯位流。从TDM位流中按顺序截取一系列八位位组来构成分组的有效载荷。因此，构成每个分组有效载荷的八位位组的数量是随机的。一般选取有效载荷的长度使分组构成时间在1ms左右，对于T1电路，该长度为193个八位位组(见图2)。

　　分组网络需要考虑的特性

图2：结构化电路仿真业务和非结构化电路仿真业务

　　分组网络具有和TDM网络不相同的特性，这些不同会影响所有电路仿真系统的性能。分组网络必须考虑的基本特性有分组丢失、分组重新排序和分组延迟偏差。

　　分组丢失会在TDM数据流中造成一个短时间的中断，因此必须采取一定弥补措施，否则仿真系统的端到端延迟将会改变。正常情况下，CESoP交互连接功能会在输出的TDM流中插入与丢失数据长度相等的数据。这种插入数据的内容是随机的，且为适应不同应用而有所不同。例如，如果仿真电路传送的是语音业务，就会使用插值方法来预测该时隙的内容。但是，如果电路传送的是数据，那么插值方法无效，此时使用一个固定数值即可。

　　分组还可在网络内进行重新排序。例如，如果一些分组在网络中通过一条较快的路径，它们就会比那些先传送的分组先到达目标设备。CESoP交互功能必须能够在重新生成TDM数据流之前，将分组按正确顺序进行排序。

　　最后，即使所有分组都通过网络的同一路径进行传送，在它们到达网络出口处的交互功能模块时仍然可能会有一些时间偏差，这就是“分组延迟偏差”或“分组抖动”。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。这种缓冲器称为“抖动缓冲器”。

　　时钟恢复

　　在任何通过分组实现电路交换的技术中，最关键的问题之一就是时钟恢复(见图3)。例如，在两个客户端之间使用专用租借线路通过运营商分组网络上的仿真链路进行连接，则客户TDM业务的频率fservice必须在分组网络的出口处精确地重新生成。长时间的频率不匹配将导致分组网络出口处形成等待队列，如果重新生成的时钟比原时钟慢，则缓冲器被填满，反之则会被清空。这两种情况都会造成数据丢失和服务质量下降。

　　在分组网络中，分组在时间上是不连续的，故其入口和出口频率之间的连接将被中断。因此，除非存在外部方法实现时钟分配，否则分组网络出口处的网络互联功能必须通过某种方法恢复原TDM业务时钟频率。

图3：具有时钟恢复功能的仿真TDM业务

　　时钟恢复是从变化的分组到达速率来推断原时钟频率fservice的过程。但是，如ITU-T的G.823和G.824标准中所定义的那样，TDM网络对时钟稳定性具有非常严格的要求。因此，需要对到达速率进行过滤处理，以除去由分组延迟变化造成的影响。这种做法是必要的，因为分组延迟变化可能包含有频率极低的成分。例如，分组网络在白天比晚上的使用率要高，结果造成白天拥塞和产生较长的传输延迟。这在分组延迟中造成了一种周期为24小时的起伏变化，并可能馈送到恢复时钟的频率中。

　　CESoP是VoIP的替代方案

　　CESoP是VoIP最具竞争力的替代方案。分析显示，CESoP成本低、复杂度低、易于实现，并支持在更多分组网络上的更广泛的应用，能够向最终用户保证业务质量。CESoP相比于VoIP具有一下特点：

　　1. 简单性

　　由于CESoP是一种隧道技术，故不需要专门信令功能，而只使用分组交换网络已有的那些功能就可以了。TDM控制信令和控制与数据一起通过隧道传输到远端的TDM设备。与此相反，VoIP则需要基于H.284(Megaco，媒体网关控制协议)或会话启动协议(SIP)的完备信令栈和网守(gatekeeper)功能。

　　2. 更粗粒度

　　CESoP是一种比VoIP粒度更粗的技术。本质上，CESoP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。

　　与此相比，VoIP则提供了对单个通道目的端的更多控制。这些通道均单独进行交换，即每一通道可以在分组网络内路由到一个不同的目的节点。当在同一对端点之间存在多个通道需要一起进行交换时，最适合使用电路仿真。

　　3. 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)。而在传统的VoIP上构造同样大小的有效载荷则需要占用192帧，或24毫秒。这种对信息进行分组化所带来的延迟必须加到端到端的等待时间中，这意味着VoIP连接几乎肯定需要回声消除。

　　然而，虽然CESoP带宽开销低，但考虑到与分组头开销相比，VoIP分组较大，故而VoIP带宽效率可能更高。这是因为在单个语音通道级上工作使它可以利用带宽节省技术，如静音抑制或其它压缩方法，如ADPCM和CS-ACELP。相比之下，CESoP仍是恒定位速率，未能利用分组网络统计上的多路复用能力(即不同分组流的活动高峰不会同时出现这一统计特性)。

　　4. 电路仿真灵活性更高

图4：电路仿真接入网络组成示意图

　　电路仿真不关心网络上传输的通信业务是何种类型，语音、视频或分组数据都可以传输。电路仿真透明地传输各数据位，TDM链路远端重新生成的数据尽可能忠实地再现原始数据。这使CESoP成为一种非常灵活的数据处理技术。

　　VoIP假定所传输的数据是由语音采样组成，可能会使用语音回声消除及专门用于语音的压缩技术来减少带宽占用，这就破坏了其它类型数据业务，而使提供给最终用户的业务质量降低。

　　5. CESoP需要时钟恢复或时钟分配机制

　　如前所述，时钟和同步是制约任何通过分组实现电路交换的主要技术障碍。传输的每一位都必须按其进入分组网络的同样速率从分组网络输出，否则目的节点的抖动缓冲器就会被填满或被清空。除非存在一种方法来向两端分配共同时钟，否则必须要有时钟恢复功能，否则将破坏数据完整性。

　　通过电路仿真方法，同步“内置”于网络中。TDM电路携带时钟，自适应或差分时钟恢复用来在目的节点处保证TDM电路保持同步，不出现任何缓冲器滑动。

　　VoIP也是恒定速率业务，因此可以使用相似的时钟和同步机制。但在实际应用中，VoIP会偶尔丢掉或插入一个语音数据采样。如果时钟足够接近，则这种处理对语音质量的影响微不足道。如果对数据业务也使用同样技术则会产生严重的影响，会导致分组重传，从而使有效数据速率降低。

　　总之，与VoIP相比，CESoP是一种在实现上更简单的技术，主要适用于需要向同一地点传送多个通道数据的情况。CESoP不需要信令网关和回声消除，在传输数据的类型上更为灵活。其面临的主要技术困难是需要外部时钟分配机制，或者要有精确而稳定的时钟恢复功能来从接收的分组流中提取时钟。

　　CESoP应用

　　CESoP的主要应用是继续支持客户的TDM业务(见图4)。例如，基于以太网络的城域接入网业务提供商仍想支持TDM连接的客户，通过采用ESoP，客户不必为实现基于分组的业务而更新他们的设备。同样，运营商也避免了更新其与客户之间最后一英里的连接网络。这些业务采用直接连接两个客户端的专用租借线路和用于将客户端连接到中心局的接入线。

　　对于拥有众多用户的楼宇或校园业务，运营商可能需要在靠近客户的地方装设远端集中器。远端集中器集中提供给该楼宇内客户的TDM和/或分组业务，使用电路仿真并通过点到点连接将业务传回最近的城域网络接入点。

　　电路仿真还可用于企业内部以降低运营成本。当一个企业具有一个总部以及通过分组网络连接起来的多个远程分部时，可以将之间的电话链路更换为“电路仿真”，通过分组网络连接来传送语音业务。这种免费长话应用的缺点是语音质量降低，除非分组网络上有充分的业务质量保证。当由外部业务提供商运营分组网络时，可能需要重新拟定更高品质的业务级别协议。

　　CESoP在无线领域也拥有一席之地。对于无线电话运营商租用T1/E1电路来连接基站和无线网络控制器的情况而言，更为经济的方案则是从另一家业务提供商处通过分组网络进行CESoP连接。

　　促进网络融合

　　正如运营商和企业寻求从TDM向分组网络升级，电路仿真技术允许网络不断进化发展，而不必更换整个网络。对于通过分组传输语音而言，CESoP比VoIP具有明显优势。它是一种十分有用的技术，将有助于整个产业向统一和经济的融合网络转移。

作者：Tim Frost

系统架构及分组处理组

卓联半导体公司

作者：Tim Frost 来源：赛迪网