在IP网上实现TDM业务的传输

摘要　随着数据业务的快速增长，以IP技术构建新的传输网正在被电信运营商们所采用。如何实现传统的TDM业务在IP网络上的传输是摆在电信运营商和设备制造商面前的一个迫切的问题。本文论述了TDMoverIP技术出现的背景及其在实现过程中所需注意的几个问题以及解决方案。

关键词　电路仿真　TDMoverIP　接入网　VoIP

1、引言

　　传统电信城域网采用SDH系统以TDM方式提供传输服务，主要向用户提供语音服务，这种方式虽然可以提供高可靠的服务，但其成本高、价格昂贵、带宽有限、敷设周期长。目前，数据业务已远远超过语音业务成为网络上传送的主要业务，数据和语音业务的传送几乎都是通过TDM电路交换网实现的，这种以SDH为主的网络架构已远远不能满足当前城域网建设的需求。随着全球范围内数据流量的激增以及未来网络中IP技术的无处不在，IP技术在新的网络建设中的主导地位已越来越清晰。而以太网技术由于其具有高带宽、低成本的特点，能够融合语音、视频及数据通信，特别是采用吉位以太网和万兆以太网直接在裸光纤或波分复用(CWDM)光纤网上架构成宽带IP城域网已成为当前电信城域网的主流建设思路。

　　IP业务的飞速发展给当前城域网的建设提出了诸多新课题，一方面电信运营商目前的主要收入还是来源于语音和租用线路等基础电信业务，另一方面必须应对数据业务的高速增长。数据业务的高速发展迫使电信运营商们开始在原有的网络基础结构之上构筑IP网络，但这只能是权宜之计。最终，运营商不可能同时维护语音和数据通信这两种完全不同的网络，因为每个网络都需要完全不同的硬件设备、各自的运行支撑人员和不同的网管系统，无论从建网成本还是从运营成本而言均是运营商无法承受的。很显然，前进之路就是融合成一个单一的PSN网络。

　　由于TDM业务已有很长的应用历史，众多的基于E1的语音交换设备、DDN传输设备的存在要求设备开发商在开发高速数据传输设备的同时要兼顾原来的TDM设备，城域以太网不可能覆盖到TDM技术所能延伸到的所有区域。分组网是为了传输数据业务而设计的，如果城域网采用分组网络的建设方案，就必须考虑TDM业务在分组网上的传输问题，以太城域网提供商要想成为一个全业务的服务提供商就必须在考虑新业务需求的同时也要考虑那些觉得还没有理由要放弃高质量、可靠的TDM业务的用户。所以，如何通过分组网络传送TDM业务成为城域网设备开发商和接入网设备开发商关注的焦点。

　　TDMoverIP正是在这种背景下出现的一种新技术，解决了TDM业务在PSN网络上的传输问题。为原有的TDM网络向全业务IP网络的演进提供了一种可行的技术支持。

2、TDMoverIP的概念

　　TDMoverIP的基本原理就是在分组交换网络上建立一个“隧道”，通过这种通道将成帧或非成帧的TDM数据不做任何解释和翻译，封装成IP数据包，通过PSN网络透传到对端，实现TDM业务(如E1或T11在包交换网络中的透明传送，在目的端将收到的数据包打开并恢复出原始的TDM数据流，从而使网络另一端的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(CES)”。CES指的主要也是TDM业务如E1/T1，E3/DS3或是STM-1等在非TDM网络上的传送，所以为了更清楚表达其含义，我们用TDMoverIP来代替CESOP。

　　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(IWF)设备。在分组交换网络入口处，交互连接设备将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。

　　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位或E1中的TS0时隙)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(对于E1电路而言即有256个八位位元)。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元来构成分组的有效载荷，而不考虑帧定位比特的位置和数据流中的通道。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E1电路，该长度为256个八位位元。这样，TDM业务中的信令被透明传输，无须任何的信令协议转换设备就可以实现与任何类型的TDM业务的互联。

3、分组网络需要考虑的特性

　　TDM电路采用时分复用技术，有严格的系统同步和时钟要求，传送恒定比特率同步业务，而包交换网络是基于统计复用的分组交换技术，接收与发送端没有严格的同步要求，链路中不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简单的码速时钟恢复方式在接收端重建TDM码流定时信息，二者之间具有完全不同的特性。所以，当我们采用分组网络来传输TDM业务时，分组网络必须考虑的基本特性有分组化、分组丢失、重新排序、时延及包与包之间的时延差异以及时钟恢复和同步。

　　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，TDMoverIP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。

　　对包交换网络，有时分组需要在网络接收端进行重新排序。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。TDMoverIP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。对于一些性能较好的网络，网络传输质量好，负载轻，这样的网络可以根据包到达的顺序进行重组，这样可以减小包处理的时延，发送端就无须为所发送的数据包加上一个序列号。而对于负载较重或是有多条传送路径的网络，为防止接收端收到的数据包因网络传输时延的不同而打乱原发送次序，就需要在必送端为每一个相关数据包加上一个序列号，同时在接收端要有较大的数据包缓冲能力，允许一定量的数据包的暂存和排序。

　　即使所有分组都通过网络的同一路径进行传送，由于包交换网络如以太网采用共享信道，支持存储转发，数据包的传输延时无法控制，具有很大的随机性，造成包与包之间的传输时延差(PDV)，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。这种随机性反映在TDM数据的发送过程中，实际引入的瞬时抖动会远远超过正常TDM线路抖动容限，称之为“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存，这样就可以补偿与其它较慢分组之间的延时差。

　　如果作为IP包传输平台的物理层链路是无线等带宽资源相对短缺的链路或是负载较重的链路，就需要通过对信道上其它数据业务进行流量控制以保证TDM业务带宽，可以通过建立带宽动态分配机制，在优先保证TDM数据通过的前提下，通过相关算法动态地将剩余带宽分配给其它数据业务。如果包交换网络支持数据包的QoS功能，就可以保证TDM业务在包交换网络上的传输。

4、TDMoverIP与VoIP的区别

　　提到TDM业务在IP网络上的传送，大家不约而同会想到VoIP技术。目前，VoIP是在包交换网络上传送语音业务的一种比较流行的方案，在完成数据通信的同时，能够以相对较为低廉的价格传送语音业务。VoIP使用网关来终结PSTN信令和语音业务，网关对单一话音连接通道进行处理，并由远端的网关将语音和信令数据包转换为TDM电路每时隙的数据。VoIP适合通过IP网络实现语音业务的传输，而TDMoverIP则可用于不同的服务，而不仅是语音业务。如果要通过PSN网络实现多种服务的接入，TDMoverIP会有更大的吸引力。

　　从二者实现的可行性上比较可以得知，相比VoIP，TDMoverIP更简单。VoIP在每一个IWF处终结了PSTN的信令，需要在两个IWF之间实现相应的呼叫建立，信令部分和呼叫处理功能如H.323和SIP这样的信令的处理是必不可少的。而对于TDMoverIP而言，无须在它的IWF处终结PSTN信令，而是使用“隧道”透明传输CAS或CCS等信令，PSTN的呼叫控制仍由原有的TDM设备完成，无须复杂的协议栈。同时，VoIP必须实现对语音的压缩和处理、AEC(回波抵消)、信号音的检测和产生、VAD(语音活动检测)、CNG(舒适音产生)和静音检测等相应功能，实现的复杂度远大于TDMoverIP技术。

　　TDMoverIP是VoIP最具竞争力的替代方案。通过分析可以得出，TDMoverIP成本低、复杂度低、易于实现，有效保护运营商和用户的已有投资，支持在更多分组网络上的更广泛的应用，不仅可以提供语音业务，同时还可提供其它的TDM接入，能够向最终用户提供高QoS的业务。而VoIP与传统的TDM电话网络比较，IP网络传输的低廉成本是它的最大优势，但添置或改造专用终端以及各种网络和网关设备，使得建设前期需要较大的固定投资。在现阶段，大部分用户均已安装了运行可靠的传统PBX系统，如果要求现有用户安装全新的系统以迁移到综合网络上会带来较高的投资风险。在短期内，用户不可能，也无必要将长期以来基于TDM技术发展起来的各种终端全部改造成基于IP的新型终端。但如果用户同时想利用IP网络替换原有的TDM传输网，此时TDMoverIP技术将是它们不二的选择。

5、TDMoverIP在宽带网建设中的作用

　　TDMoverIP技术的主要优点是它能够通过一个分组网络将多条TDM中继从一个位置传送到另一个位置。继续支持客户的TDM业务。TDM作为一种应用历史悠久的一项技术，至今在网络中仍占有极其重要的地位，特别是建设周期最长、投资最大、设备数量及种类最多的接入网层，是不可能短时间内改变这种局面的。而同时由于以太网技术的迅速发展和数据业务的高速发展。有必要将两种技术有机地结合起来。

　　TDMoverIP技术的最简单的应用是为现有的TDM设备提供分组互联，从而在IP/MPLS/以太网上实现传统通信业务，使得运营商能够延长已有设备的生命周期，从中多赚几年利润；对原有设备进行改进，使其支持新业务，而不是推倒重来，重建新网络，这正是电信运营商们如今努力寻找的东西。

　　无线数据网，如WiFi和WiMAX，将会在宽带网络建设中占有重要的一席之地，与TDMoverIP技术相结合，可以为用户提供一种低成本、近距离的无线E1/T1传输方案，WiMAX则可用于更长的距离。以太网无源光纤网络(EPON)系统把以太网作为传输网络融合以太网和TDMoverIP两种技术，从而通过EPON高效地传送E1/T1等电信业务。

　　旧有的电信业务运营商在新建网络时要在兼顾原有的TDM业务的同时，重点考虑数据业务的高速接入。通过采用TDMoverIP技术，可以使之能够将TDM网络与分组交换网络有机融合，降低基础设施的投入。新兴的运营商在为客户提供宽带数据业务接入的同时，利用TDMoverIP技术可同时向原有的TDM业务用户提供E1/T1或是E3/T3等传统的租用线路业务，从而有效扩展其市场的占有份额。从目前电信业的发展趋势可以看出，拥有窄带接入网绝对优势的中国电信和中国网通传统资源优势日趋弱化，国内电信业进入重新洗牌格局，宽带接入网市场份额意味着未来电信市场的占有率。所以，当前各运营公司重点都是要建设一个集语音和数据、视像为一体的宽带信息传输网，在此背景下TDMoverIP技术将在宽带网络的建设过程中占有重要的一席之地。

6、结束语

　　TDMoverIP作为一种新兴的传输技术，使我们在建设高速城域数据网接入的同时，可以充分利用旧有的TDM设备和现有的电路交换资源。向用户提供更好的语音和数据业务，解决了现有TDM终端设备与数据网络的无缝连接问题。有关TDMoverIP技术的标准化工作已在有条不紊地展开。ITU Y.1413是ITU关于在MPLS网络上实现TDM的建议。IETF(Internet工程任务组)、MPLS(多协议标记交换)和帧中继联盟以及城域以太网论坛(MEF Forum)也都在积极开展TDMoverIP标准化工作，标准的制定解决了不同设备制造商之间的互联互通问题。随着相关技术和接入网络的建设，TDMoverIP方案会被越来越多的运营商采用。

作者：俞道法　李喜民　李世东等 来源：泰尔网