湿温度表ws2020:电路仿真技术及应用

1引言
　　传统上，话音等实时性业务是通过时分复用(TDM)网络传送的。TDM网络是基于电路交换技术的，虽然可以提供可靠的服务质量，但带宽利用率低、价格昂贵。如今基于IP/Ethernet的分组网络无处不在，分组网络的价格优势使得TDM业务正向分组网络汇聚。分组网络起初设计仅仅是为了传送数据业务，现在正面临着传送实时性业务的挑战，比如传送话音、视频等。而IP/Ethernet网络凭借其技术成本优势，将成为未来网络主体架构的首选。以太网电路仿真技术可以在以太网中提供E1、T1等TDM电路仿真通道，实现以太网和PBX等TDM终端的无缝连接。与现有的电路交换网络相比，以太网的电路仿真能够支持TDM网络所支持的各种业务到以太网的适配，例如PSTN接入、基站互连、帧中继等等。同时由于采用了以太网的物理链路，从而降低了服务成本、充分利用了以太网的资源。
　　早在2001年城域以太网论坛MEF就开始了有关运营商级（Carrier-grade）以太网架构的研究，并达成了共识。随着以太网业务的不断发展，以太网正在向城域网甚至广域网迈进。另外由于E1/T1以及SDH/SONET等专线业务现在很普遍，为了使以太网也能够提供这些基于电路交换的业务，以太网论坛在2002年开始定义在城域以太网上提供电路仿真业务的需求。电路仿真(Circuit Emulation service：CES)也就是传送同步电路如E1/T1通过异步网络，最初发展是用于在ATM上仿真E1/T1, 现在可以将CES扩展到IP/Ethernet。这里为了方便，将以太网电路仿真技术统称为TDMoE，即：TDM over Ethernet。
2 TDMoE技术的概念及与相关技术的比较
2．1 TDMoE技术的概念
　　TDMoE技术的出现是和以太网的飞速发展分不开的。在数据链路级，以太网是最流行的网络技术，它可以用来传送IP分组。超过百分之八十的局域网采用以太网技术。以太网之所以如此流行，是因为它的传输数率高、成本低、容易布署、技术相对简单等等。以太网可以支持各种虚拟的网络协议，这一点使得以太网成为大多数计算机用户首选的理想网络技术。专家认为，基于IP的以太网，将是未来宽带网络的主要架构，而且传统的电信业务也将向这一网络迁移。正是由于以上原因使得TDM over Ethernet技术应运而生。推动这一技术发展的主要驱动因素是成本和利润。这是因为业务提供商希望通过无处不在的、廉价的以太网来向用户提供TDM业务，从而降低成本最大限度的实现利润。

 
　　所谓TDM over Ethernet技术，就是通过Ethernet透明的传送TDM业务（比如话音、图像和数据业务）。 其基本原理就是将TDM数据不做任何翻译和解释，封装为以太网数据包，然后通过基于分组交换的以太网传送到目的端，目的端需要将收到的数据包打开并恢复出原始的TDM数据流。对于用户而言，不需要考虑中间的传输媒介，相当于为用户提供了一条透明的TDM通道。正是基于这个原因，分组网络上的电路仿真又称之为通道仿真。
2．2 TDMoE与TDMoIP的比较
　　与TDMoE技术相近的是TDMoIP技术，即：TDM over IP。二者的主要不同之处在于封装格式上，TDMoE的数据包只需封装到二层（数据链路层），而TDMoIP的数据包需要封装到三层（网络层），因此TDMoE包的封装效率更高。从传输效率上来看，由于TDMoIP分组的报头开销比较大，故传输效率低于前者，所占用的带宽也较大。比如采用IP/UDP/RTP/TDM的封装格式，需要大概40字节的开销（20字节的IP报头，12字节的RTP报头和8字节的UDP报头）。如果一个IP分组只用来传送一个E1帧（32个字节）或T1帧（24字节），40字节的报头开销就太浪费了。可以通过对报头开销的压缩或把多个E1/T1帧组装成一个“超帧”的办法来提高TDMoIP的传输效率。从应用的角度看，二者的应用范围不同，TDMoIP可以和以太网相结合，因此TDMoIP的应用范围更广，但技术也更复杂一些。目前的以太网局域网的应用广泛程度远高于经过路由器的复杂IP网络。因此，随着以太网的普及和发展，TDMoE技术将会得到更广泛的应用。
2．3 TDMoE和VoIP、ATM的比较
　　TDMoE相对于VoIP更简单、廉价。这是因为TDMoE对话音、数据、信令及协议是透明的，不做任何的翻译和修改。而VoIP需要在信令格式间采用新的协议和翻译，相对于TDMoE，VoIP的这种改变是“革命”性的。VoIP支持某些新的应用，但它不能直接利用现有的电路交换设备。TDMoE则不同，可以直接利用已有的PBX和计算机通信集成（CTI）的一些优点。另外，TDMoE可以提供话音、数据的混合业务，而VoIP只能提供IP网络上的话音业务。VoIP允许话音压缩和静默期抑制，这样虽然减少了带宽需求，但却牺牲了话音质量。TDMoE技术可充分利用现有的TDM设备，为用户提供更好的话音和数据业务。
　　ATM的电路仿真技术相对来说比较成熟，制约其发展的主要还是价格因素。TDMoE技术相对于ATM而言，更简单、成本更低、效率更高。ATM的净荷大小是固定的48个字节，而以太网的净荷大小不是固定的，因此TDMoE的传输效率更高。在ATM网络中传送话音业务，服务质量（QoS）可以得到保证，而TDMoE技术要想得到很好服务质量还需解决一系列的技术难题，比如TDM业务带宽保证、同步等等。
3 TDMoE面临的主要技术挑战
　　TDM技术是一种时分复用技术，而以太网采用的是基于统计复用的分组交换技术。时分复用和统计复用技术的不同特点决定了要实现TDM over Ethernet将面临很多的技术挑战。TDMoE面临的主要技术挑战在于如何复制恒定比特率的业务通过可变比特率的城域以太网络。MEN的性能比如帧时延、时延变化以及帧丢失等对于TDMoE有很大的影响。尤其是如何实现收发两端的CBR业务的同步。
3.1分组化
　　分组化是指将同步的PDH/SDH比特流转换（封装）为以太网帧的过程。当然分组化时延要尽可能的小，最好是一个恒定的值。为了减小因分组化而引入的时延，分组大小的设置要适中。为了提高传输效率，可以将多个同步比特流封装进一个以太网帧，比如可以将多个E1/T1数据流封装进一个以太网帧。
　　分组化过程支持结构化和非结构化的TDM操作模式。对于非结构化的操作，TDM业务是被当作纯粹的比特流，不管数据在电路中的结构如何。例如在非结构化的模式中，E1电路只是被看作是一个2.048M的比特流，而不考虑帧定位比特的位置以及电路中的数据通道。非结构化模式的一个有利之处就是，TDM业务中的信令可以被透明的传输。这就意味着TDMOE可以和任何类型的TDM业务对接，同时不需要信令协议的转换，这在一定程度上使这一技术的应用变得简单了。
3.2时延（帧时延）
　　当传送TDM业务通过一个异步的分组交换网络的时候，分组/帧时延是一个要考虑的关键因素，这是因为运行在TDM网络中的话音业务对时延非常敏感。例如在电话网络中，时延过大可能会引起串音、回声，这会使话音质量严重恶化。端到端的时延主要由三部分组成：分组化时延、网络传输时延和解分组时延。分组化时延（封装时延）和分组中的TDM净荷大小有关，因为每个E1或T1帧持续时间只有125 ，所以封装时延很小可以忽略不计。解分组时延相对来说也比较小，因此这里所说的时延主要还是分组在网络中的传输时延。网络时延主要包括发送终端和接收终端的缓冲时延、每个交换节点或路由节点的分组处理时延、节点的队列（排队）时延等。
　　为了使一个TDMoE系统能够很好的工作，全程时延必须被很好的控制，而且要足够的小。针对传统的以太网服务质量的不足，现在已经提出了许多协议来改善以太网的QOS特性。比如IEEE802.1Q/p和IETF的RSVP(资源预留协议：Resource Reservation Protocol)等协议用于实现以太网的QoS功能。ＩＥＥＥ的８０２．１Ｑ协议定义了ＶＬＡＮ和包转发的优先级，可以为优先级高的包提供优先转发以保证ＱｏＳ。RSVP是一种端到端的信令协议，可以让某个端站点在网络中作出保证带宽的预约请求。对于以太网上的电路仿真来说，可以采用ＩＥＥＥ的８０２．１Ｑ协议来为TDM包设定较高的转发优先级同时采用RSVP协议来保证TDM业务所需的带宽，这样就可以保证仿真业务的服务质量。
3.3帧抖动（时延变化）
　　帧抖动是指由网络引入的帧的时延变化，也就是说每一个帧经网络传输后的时延不是固定的而是变化的。帧时延变化主要是因为承载TDM业务的网络（以太网）是异步的，每个包在网络中经过的路径可能会不同，另外就是以太网的帧的长度也不同。帧抖动对于仿真业务的性能影响很大，必须要采取一些补偿措施。可以通过目的端的抖动缓冲器来减小帧时延变化的影响。抖动缓冲器用来容纳迟到或早到的帧。抖动缓冲器的存储容量的分配有一定的要求，容量过大可以防止缓冲上溢，但会引入更多的时延，同时缓冲器的资源利用率也低；容量过小又容易引起上溢，因此对于缓冲器的存储容量的选择要适中。理想的抖动缓冲器的存储容量分配方案应该是动态的按需分配，这样既可以提高缓冲器的利用率，又可以保证任意时刻缓冲器的存储容量都是相对最小的，可以进一步减小业务的时延。帧抖动也会影响接收端时钟的恢复。
3.4帧丢失和重定序
　　任何分组网络都会遇到这样的情况：有时帧/分组不能按顺序到达目的地，或者到达目的地的时间太晚了而被抛弃，这时就不可避免的要出现帧丢失。对于不按顺序到达的帧要进行重新定序，重定序功能通过使用帧头部的序列号来实现。TDM和SDH/SONET网络没有帧重传机制，因此对于不按时到达的帧要被抛弃。抛弃部分帧可能会对仿真电路的质量以及接收端的定时同步有影响，需要采取一定的措施对帧丢失的影响进行补偿。一般采用替代法，也就是说用收到的前一个帧来替代丢失的帧。更好的方法是采用统计插值算法对丢失的帧进行估计。
3.5时钟恢复和同步
　　时钟同步是实现TDM业务在以太网中传输的关键技术。
　　同步的意思就是要保持一个通信操作环境中的所有数字设备在一个共同的时钟速率下。网络节点如果不同步，接收节点要么会丢弃收到的信息，要么可能会重读收到的信息。这也被称之为时钟滑动，时钟滑动会导致周期性地丢失一些数据，从而降低服务质量。
　　作为一种时分复用技术，TDM信号占用恒定的带宽，在传输时延、频偏、抖动、漂移等方面都有严格的要求。而以太网的传输是基于统计复用的技术，虽然具有较高的复用效率，扩展性比较强，但没有有效的定时传送机制，因而延时和抖动很难控制，也就没有稳定的时延。上述技术特点决定了在以太网上传输的TDM信号将不能有效携带定时信息，因此接收端恢复出符合TDM标准的高质量的定时信息就变得很困难。时钟同步是实现TDM over Ethernet的重点和难点。
　　一般来说有4种时钟同步方式。第一种是网络两端具有共同的参考网络时钟；第二种是，网络两端具有各自的高质量的振荡器，两侧的时钟独立；第三种是传送定时信号通过分组网络；第四种是利用基于信息的分组去调整收发两端之间的振荡器的频率。不论哪种时钟同步方式，恢复出来的时钟特性必须符合ITU-T的相关标准。
4 TDMoE的应用
   TDMoE技术可以在以太网中提供透明的TDM仿真通道，比如在以太网中仿真E1/T1业务。该技术在继承了以太网简单、廉价的优点的同时，可以和现有的TDM终端设备实现无缝的连接。TDM作为一种传统技术，在本地环路中仍占有很大的比重。与此同时，IP接入的廉价以及高速的带宽又对用户具有绝对的吸引力。传统的运营商可以利用该技术和现有的IP核心网络进行TDM传输，从而降低基础设施成本。对于新兴的本地运营商来说，可以通过TDMoE技术为用户提供E1/T1和E3/T3等传统租用线路和专用线路业务，从而迅速、简洁、低成本的扩展其市场份额，利用IP或以太接入网络创造新的收入来源。企业用户则可以利用该技术在以太局域网上传输TDM话音，降低网络开支，节省电话费。图2出示了TDMoE技术应用的一个例子，在城域以太网中通过电路仿真的方式连接远端设备（Remote Terminal）到本地中心局(Local Co)的E1/T1电路。

 

                           图2：TDMoE技术应用       

   
　　TDMoE技术还可以用于无线接入领域。在无线接入网络中，基站（BTS）、基站控制器（BSC）之间传统上是通过E1/T1租用线路连接的，基站控制器再通过核心网络连接到以太局域网或公用电话交换网，如图3所示。E1/T1租用线路价格昂贵而且需要时钟同步，如果采用了TDMoE技术，就可以用包交换网络（以太网）来代替连接基站、基站控制器和移动交换中心的租用线路，从而进一步降低成本同时又不必更换原有的TDM设备。如图4所示。对于第3代移动通信系统（3G），可以通过采用TDMoIP/Ethernet技术来实现3G网络的全IP化。

 
                        图3：传统的无线接入网络结构 
     
图4：采用TDMoE技术后的无线接入网络结构
5 结束语
　　作为一种新的传输技术，TDMoE以最简单的方式，解决了现有终端设备与以太网链路无缝连接的问题。和TDMoIP技术一样，TDMoE对话音、数据、信令和协议的传送是透明的。正是由于这一特点使得TDMoE可充分利用现有的电路交换资源，提供质量更好的话音和数据业务。本文介绍了TDMoE(TDM over Ethernet)技术的基本概念及技术要点，重点分析了实现该技术所面临的技术挑战，最后给出了TDMoE技术的一个应用实例。总的来说，TDMoE技术相对比较新，有关的技术标准还没有出来。ITU-T、IETF、MEF等国际标准化组织正在努力制定该技术的标准。随着技术的进步以及以太网的发展，TDMoE技术的应用会越来越广泛。