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在IP網(wǎng)絡(luò)傳輸話音和數(shù)據(jù)的漸進(jìn)方法

2019-11-03 09:07:11
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供稿:網(wǎng)友
■RAD數(shù)據(jù)通信公司首席科學(xué)家 Yaakov Stein

■RAD數(shù)據(jù)通信公司工程和商務(wù)發(fā)展部副總裁 Eitan Schwartz


序言

  基于IP的高速網(wǎng)絡(luò)是通信領(lǐng)域最近一次革新。網(wǎng)絡(luò)容量以驚人的速度增長,這歸功于因特網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用和該技術(shù)帶來的成本下降。全球范圍的數(shù)據(jù)流量已經(jīng)超過電話網(wǎng)絡(luò)的流量,對于許多應(yīng)用,IP流量的費用已經(jīng)低于傳統(tǒng)TDM服務(wù)的價格了。正是基于此,人們正在VoIP技術(shù)上進(jìn)行了大量的工作。

  所有VoIP技術(shù),本質(zhì)上都具有革命性的變化;因此,許多現(xiàn)存的電話基礎(chǔ)設(shè)施將被基于IP的新機(jī)制取代。盡管呼聲很高,比預(yù)期也付出了更多的努力,而收效甚微。

  還有另外一種利用IP網(wǎng)絡(luò)完成電話服務(wù)的方法,它是漸進(jìn)性而非革命性的。這種方法把IP網(wǎng)絡(luò)作為原有TDM網(wǎng)絡(luò)的一種插入式替換。它可以與所有的現(xiàn)有設(shè)備,如傳統(tǒng)PBX和交換機(jī),實現(xiàn)無縫接入,輕松自如地提供上百種電話功能和用戶熟悉的PSTN質(zhì)量。這種方案就是使用TDMoIP技術(shù)在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行線路擴(kuò)展。

VoIP的缺陷

  從理論上講,在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸話音看起來并不難:數(shù)字化后的話音信號只是一種數(shù)據(jù),可以和其它數(shù)據(jù)一樣由分組網(wǎng)絡(luò)傳輸。電話網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)成就,如最低成本路由方法,在IP網(wǎng)絡(luò)中都可以找到與之相對應(yīng)的部分。然而,如果想與TDM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行競爭,VoIP必須切實解決兩個主要問題:即QoS和信令。

服務(wù)質(zhì)量(QoS)

  服務(wù)質(zhì)量對于數(shù)據(jù)和話音有著完全不同的含義。雖然大多數(shù)數(shù)據(jù)可以允許相當(dāng)長的延遲,但對話音應(yīng)用來說,低延遲和信號的正確傳輸順序致關(guān)重要,而丟失幾毫秒的信號通常并不會引起注意。這些要求與IP網(wǎng)絡(luò)的基本原則完全相左(盡管對其他分組網(wǎng)絡(luò)的原則并不必要)。為了克服這些限制,使用了如隧道、抖動緩沖等技術(shù)。有關(guān)話音質(zhì)量的其它技術(shù),如回聲抑制、話音壓縮,并不是數(shù)據(jù)網(wǎng)的固有功能,對VoIP技術(shù)需要添加到已有網(wǎng)絡(luò)中。

信令

  幾乎所有在VoIP領(lǐng)域的研發(fā)努力都集中在解決QoS問題上,而信令問題的解決幾乎是空白。我們所說的信令問題是指打電話時除了話音之外所需的交換信息。信令包括如摘機(jī),震鈴等基本的功能;接通正確的號碼和記帳所需的更高級的功能;來電顯示,呼叫轉(zhuǎn)移,電話會議等復(fù)雜的功能;以及目前智能網(wǎng)絡(luò)新增的功能。這樣的功能包括幾千種,再加上幾十個國家和地區(qū)的細(xì)微差別,更增加了復(fù)雜程度。除非當(dāng)你減少了他們已熟悉的功能,終端用戶往往沒有意識到這種復(fù)雜性。

  當(dāng)把IP網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)的電話網(wǎng)相互連接時,要想實現(xiàn)在全球的標(biāo)準(zhǔn)電話互連,必須面對以下問題。

TDMoIP技術(shù)

概念、帶寬和端到端的延遲

  一個T1幀由24個單字節(jié)的時隙和1個單獨比特的同步位共193比特組成。一個E1幀由完整的32個字節(jié)(256比特)組成,其中一個字節(jié)用來保持同步,一個字節(jié)傳統(tǒng)上為信令保留。在這兩種情形下,幀速率為8000幀/秒。

  TDMoIP的最簡單的實現(xiàn)方法如下:通過附加適當(dāng)?shù)膱箢^,用IP包封裝每個T1或E1幀。因為數(shù)據(jù)包提供分段,同步位/字節(jié)不必包括在內(nèi)。因此對T1和E1的有效負(fù)載分別為24和31字節(jié)。對于可靠的面向連接的服務(wù),有人考慮使用TCP/IP協(xié)議,這需要20字節(jié)的TCP報頭,20字節(jié)的IP報頭,每個數(shù)據(jù)分組共需40字節(jié)。TCP提供了端到端的可靠連接,但這對話音分組用處不大,因為重傳的話音分組到達(dá)接收端時次序已亂,將被丟棄。更合理的選擇將是使用實時傳輸協(xié)議RTP,它的報頭至少12個字節(jié),另加8字節(jié)的UTP報頭和IP的報頭,這與上面的開銷一致。用40字節(jié)的額外開銷傳送24字節(jié)或31字節(jié)的有效負(fù)載實在是浪費,解決這一問題有兩個方法。

  第一種方法是報頭壓縮方案?,F(xiàn)在已經(jīng)有RFC文檔提出把TCP和RTP的平均報頭減到只有3個字節(jié),把開銷百分比降到8%-9%。

  第二種方法是把多個幀在封裝前組成一個超級幀。例如,把8個T1(E1)幀合并成192(248)字節(jié)的負(fù)載,使得開銷百分比降到17%(14%)的合理程度。合并確實增加了一定的緩沖延遲,但每幀只有125微秒的持續(xù)時間,與VoIP系統(tǒng)相比這一延遲是可以忽略的。例如由8個連續(xù)幀組成的一個超級幀引入1毫秒的單向延遲,是用在VoIP中標(biāo)準(zhǔn)的16kbps低延遲編碼器的一半,大大低于具有15毫秒延遲的8kbps的編碼器。

  對原始幀的簡單封裝只是實現(xiàn)TDMoIP方法之一。其它方法首先對TDM數(shù)據(jù)在進(jìn)行IP封裝前利用其它協(xié)議進(jìn)行編碼。為什么要在TDM和IP之間加入另外一層協(xié)議呢?其實是有很多好處的。當(dāng)初始包含TDM數(shù)據(jù)的幀的尺寸不合適時、使用中間編碼可提供錯誤校驗、與其它系統(tǒng)實現(xiàn)互操作、以及實現(xiàn)話音壓縮或增強。

  不管細(xì)節(jié)如何,重要的是TDMoIP技術(shù)不做任何數(shù)據(jù)解釋地透明傳輸TDM幀。這對時隙、信令通道等TDM內(nèi)部內(nèi)容顯而易見。這樣一來,TDMoIP可以用來傳輸任意的T1/E1服務(wù),即使有些通道是用來傳送數(shù)據(jù)的,或整個幀都是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流。類似地,TDMoIP的基本思想可以很容易地擴(kuò)展到分檔T1或信道化的E1系統(tǒng)中。為了減少流量,在IP數(shù)據(jù)包中只包含載有信息的字節(jié)。

TDMoIP環(huán)境中的信令

 ?。裕模停铮桑惺侨绾谓鉀QIP網(wǎng)絡(luò)與電話網(wǎng)絡(luò)互連時隨之產(chǎn)生的信令問題的呢?為了回答這個問題,我們區(qū)分三種不同的信令:帶內(nèi)信令、CAS和CCS。

  正如其字面意思,帶內(nèi)信令與話音在相同的聲音頻帶內(nèi)傳送。它的形式有呼叫進(jìn)程音,如撥號音或回鈴,DTMF音、用于呼入確認(rèn)的FSK,北美的MFR1或歐洲的MFCR2等。因為這些都是能聽見的音調(diào),它們被編碼到TDM時隙中,自動被TDMoIP傳輸。VoIP系統(tǒng)使用的話音壓縮算法通常不能很好傳輸這些信令。因此VoIP系統(tǒng)需要音頻轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議來確保帶內(nèi)信令正確工作。

  最常見的CAS,即隨路信令,與話音信號在相同的T1或E1幀中傳送,但不在話音頻帶內(nèi)。T1通過保留位實現(xiàn)該信令,E1通過保留一個時隙為其余30個通道每個通道承載4比特實現(xiàn)該信令。因為CAS比特通過同樣的T1或E1數(shù)據(jù)流傳輸,它們?nèi)钥勺詣拥乇唬裕模停铮桑袀鬟f。VoIP系統(tǒng)需要發(fā)現(xiàn)CAS比特,根據(jù)相關(guān)的協(xié)議對其進(jìn)行解釋,使用某種信息協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸這些信令,并在遠(yuǎn)端重新生成并組合成相應(yīng)的信令。

  SS7是一種CCS(即通用通道信令)方法。SS7鏈路是56或64kbps的數(shù)據(jù)鏈路,通常占據(jù)一個TDM時隙。在這種情況下,該信令自動被TDMoIP傳送。如果不是這種情況,可以從SS7信令網(wǎng)關(guān)得到所需的IP格式的信息,直接把它作為附加信息,不經(jīng)過任何處理,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。

同步

  目前為止,我們忽略了通常TDM網(wǎng)絡(luò)中存在的另一功能——時間同步。在公用交換電話網(wǎng)及SONET/SDH網(wǎng)絡(luò),主時鐘的節(jié)點為從時鐘的節(jié)點提供時間參考信號。在網(wǎng)絡(luò)中通常至少存在一個非常準(zhǔn)確的基準(zhǔn)參考時鐘,精確到1011的量級。該節(jié)點——其精確性被稱為第一層——為第二精確層提供參考時鐘,第二層為第三層節(jié)點提供參考時鐘。這種分層的時間同步對整個網(wǎng)絡(luò)正常工作致關(guān)重要。

 ?。桑芯W(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包以一個隨機(jī)的延遲到達(dá)目的地,該延遲稱作抖動。當(dāng)在IP網(wǎng)絡(luò)上模擬TDM時,假設(shè)存在合適的時間參考,可通過使用緩沖區(qū)來平滑所接收的數(shù)據(jù),克服這種隨機(jī)性。但大多數(shù)情況下,原始的時間參考信息就得不到了。

  理論上在電話網(wǎng)絡(luò)中集成TDMoIP有兩種不同的層次。在長途情形下,具有競爭力的運營商在中央交換局之間引入一個基于TDMoIP的替換鏈路。因為上述討論的價格優(yōu)勢,可以用比現(xiàn)有規(guī)定費用低的價格為用戶提供“收費旁路”服務(wù)。在這樣的應(yīng)用中,兩端的TDMoIP設(shè)備可以從它們連接的中央局得到時間參考信號。

  在整個網(wǎng)絡(luò)的情形下,大部分的基礎(chǔ)設(shè)施被TDMoIP替換,這就需要一個時間同步的方法。IP網(wǎng)絡(luò)通過NTP協(xié)議發(fā)布時鐘信息;但除非IP網(wǎng)絡(luò)全部是專有的并且全部供TDMoIP連接使用,否則在NTP時鐘和所需的TDM時鐘之間就不會有連接。這個問題的一種解決方法是使用如原子鐘或GPS接收器等為所有的TDMoIP設(shè)備提供時間標(biāo)準(zhǔn),來減輕IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送同步信息的負(fù)擔(dān)。如果不能提供本地精確時間參考或其實現(xiàn)代價較大,只要目的地重新生成并同步時鐘,進(jìn)行恢復(fù)是可能的。

競爭和互補的技術(shù)

TDMoIP和VoIP

 ?。裕模停铮桑斜龋郑铮桑泻唵?,因為它對話音、數(shù)據(jù)信令和協(xié)議是透明的,即使這些協(xié)議都是專用的。而VoIP則面臨新協(xié)議帶來的麻煩并且要實現(xiàn)信令格式的轉(zhuǎn)換。VoIP的確承諾支持新的協(xié)議,但TDMoIP自動使用了現(xiàn)存PBX和CTI功能所具備的優(yōu)勢。至于帶寬優(yōu)化,VoIP使用DSP進(jìn)行話音壓縮和靜音抑制從而滿足帶寬要求。但這是以降低通信質(zhì)量和增加延遲為代價的。TDMoIP的簡單性轉(zhuǎn)化成為所有者最初的低投入和運行時的低成本利益。一些企業(yè)用戶對替換傳統(tǒng)TDM設(shè)備和“forklift式升級”有關(guān)的培訓(xùn)和維護(hù)費用不感興趣,TDMoIP可以為他們節(jié)省大量開支。另一個重要的區(qū)別是因為TDMoIP是透明的,因此可以提供話音和數(shù)據(jù)混合的服務(wù)。

  從服務(wù)提供商的角度看,TDMoIP和VoIP是互補的。從用戶端到運營商POP之間通過IP網(wǎng)絡(luò)透明擴(kuò)展TDM主干,使運營商在有資源的POP開發(fā)更大的、可擴(kuò)展的VoIP網(wǎng)關(guān)和軟交換變得簡單容易,并為用戶在用戶端提供簡單的TDMoIP網(wǎng)絡(luò)終端單元NTU。這些TDMoIP電路可提供比VoIP多的服務(wù),如通常的PSTN接入,中央交換機(jī)、幀中繼和ISDN。

TDMoIP和ATM

 ?。裕模停铮桑刑峁┝嗽S多ATM的優(yōu)異性能,端到端的延遲小于2毫秒,結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化T1或E1的連接。TDMoIP比ATM簡單得多,價格便宜,效率更高。更重要的是它可以在IP和以太網(wǎng)上運行。之所以TDMoIP比ATM效率高是因為它的有效載荷尺寸,在每個應(yīng)用前提下有效負(fù)載百分比大。每幀的長度可以設(shè)置使其成為可能。在ATM情形下,有效載荷始終為48字節(jié),開銷的百分比大。

TDMoIP和千兆以太網(wǎng)

  千兆以太網(wǎng)(以及萬兆以太網(wǎng))已被廣泛應(yīng)用于城域網(wǎng)(MAN)和廣域網(wǎng)(WAN)中。尤其是應(yīng)用于光纖介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)正在成為SONET和ATM的替代技術(shù)。然而以太網(wǎng)從根本上來說是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),只靠它自己不能處理話音流量。TDMoIP使千兆以太網(wǎng)具有話音處理和線路擴(kuò)展能力,使其成為優(yōu)勢互補的技術(shù)。結(jié)合這些技術(shù),可以通過提供對VoIP、ATM和SONET更簡單的、更便宜的替換占有更大的市場份額。歷史證明,以太網(wǎng)、幀中繼等簡單便宜的技術(shù)往往在同FDDI、ATM和令牌環(huán)等復(fù)雜、昂貴的技術(shù)的競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位,即使后者更完善。

  最初象千兆以太網(wǎng)這樣簡單的技術(shù)的關(guān)注往往被后來的技術(shù)增強沖淡了。例如,因為SONET環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以快速從故障和光纖斷裂中恢復(fù),所以被認(rèn)為十分可靠的。千兆以太網(wǎng)并不是天生具有這種能力,但它可以在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)備份主干的切換。即使兩個交換機(jī)之間只有一對光纖,如OSPF這樣的協(xié)議可以使路由表在幾毫秒內(nèi)進(jìn)行更新,實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)流的快速重新連接。

  另一個重要的例子是關(guān)于QoS的,在該領(lǐng)域ATM有其獨到的優(yōu)勢。然而今天的千兆以太網(wǎng)和路由器實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級處理,為特定應(yīng)用預(yù)留帶寬等高級機(jī)制。通過使用標(biāo)記,TDMoIP數(shù)據(jù)包(使用802.1p&q,ToS和設(shè)置UDP端口)可以容易地被識別并優(yōu)先處理。

 ?。裕模停铮桑信c千兆以太網(wǎng)和路由器的結(jié)合確保了它是SONET和ATM有價值的替換,提供一個簡單、更具性能價格比的解決方案,使T1或E1線路向千兆光纖網(wǎng)絡(luò)過渡。

RAD對TDMoIP的實現(xiàn)

 ?。遥粒脑谄洌桑校恚酰盗挟a(chǎn)品中實現(xiàn)TDMoIP技術(shù)。該家族產(chǎn)品有以下三個類:小尺寸、低價格的IPmux-1 CPE設(shè)備具有一個T1/E1端口和一個10/100BaseT用戶數(shù)據(jù)端口。上聯(lián)端口可以是10/100BaseT或10/100BaseFx方式,這樣就不必使用本地交換機(jī)了。它還具有一個可選的外置TB/4W模塊,可通過使用UTP線纜把連接擴(kuò)展到1250英尺。IPmux-4具有四個E1/T1端口和一個10/100BaseT上聯(lián)端口。IPmux-16提供可擴(kuò)展的解決方案,在1.5U高的圍欄中支持最多16個T1或E1端口,在7英尺19英寸的機(jī)架中支持480個E1或T1連接。

運營商市場中的TDMoIP

  具有競爭力的本地交換運營商(Competitive local exchange carriers-CLECs)可通過TDMoIP技術(shù)的優(yōu)勢,利用更多的連接點(POPs),迅速、簡易、低成本地擴(kuò)展其市場份額。現(xiàn)有的本地交換運營商(Incumbent local exchange carriers-ILECs)利用TDMoIP可以通過高性能價格比在光纖或無線鏈路上擴(kuò)展T1或E1線路,直到CLEC的服務(wù)連接點,從而為CLEC批發(fā)提供基本的傳輸線路。

  大廈、數(shù)據(jù)或其它競爭性的本地交換運營商以及公用事業(yè)公司可以利用其無線或光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),使用TDMoIP在位于不同地點的單位間擴(kuò)展T1或E1線路,達(dá)到增加收入的目的。通過這種方法,服務(wù)提供商可以把專線服務(wù)捆綁到寬帶數(shù)據(jù)應(yīng)用中。捆綁的服務(wù)包括:

·高速因特網(wǎng)接入、Web托管和VLAN

·傳統(tǒng)的PSTN接入或集線服務(wù),利用中心局到客戶端4/5類交換實現(xiàn)線路擴(kuò)展

·通過使用IP網(wǎng)關(guān)或交換機(jī)提供新的話音服務(wù)和一致的消息服務(wù),把線路擴(kuò)展到遠(yuǎn)程

·專線服務(wù)

·本地環(huán)路接入到ATM、幀中繼、ISDN和X.25網(wǎng)絡(luò)

 ?。桑校恚酰鵀檫\營商提供了在IP或千兆以太網(wǎng)低成本擴(kuò)展T1或E1服務(wù)空前的靈活性。

  TDMoIP為CLEC提供了為其用戶擴(kuò)展服務(wù)的又一選擇。通常CLEC需要從ILEC租用本地環(huán)路,但現(xiàn)在任何分組網(wǎng)絡(luò)都可以達(dá)到這一目的。所有從前運行在T1或E1線路上的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)可以自動地在IP上運行。這不但包括簡單的PSTN接入,而且包括PRI、集線、VoIP的話音服務(wù)和ATM、幀中繼、PPP ISDN SNA X.25等數(shù)據(jù)服務(wù)??墒褂玫姆纸M網(wǎng)絡(luò)不在局限于同步的ATM和SONET,而且可以同樣運行于10/100BaseT無線網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)或任何其它網(wǎng)絡(luò)之上。

蜂窩電話運營商的IP主干網(wǎng)

  蜂窩電話運營商的網(wǎng)絡(luò)是基于TDM技術(shù)的?;荆ǎ拢幔螅?Stations-BTSs)、基站控制器(Base Station Controllers-BSCs)和移動交換中心(Mobile Switching Center-MSC)之間的連接是通過使用TDM的微波鏈路和T1/E1租用線路實現(xiàn)的。到目前為止,ATM是最合邏輯的選擇。由于來自環(huán)保組織的壓力,蜂窩電話運營商正在尋找替代微波的技術(shù),而租用線路價格昂貴。由于千兆以太網(wǎng)引入了QoS機(jī)制以及TDMoIP的可行性,人們正在認(rèn)真考慮使用IP作為可選的解決方案。

 ?。裕模停铮桑薪鉀Q方案可用在IP網(wǎng)絡(luò)作為蜂窩電話主干網(wǎng)的地方。將來,當(dāng)前的和第三代蜂窩設(shè)備將在基于IP的主干網(wǎng)同時部署。

結(jié)論

  使用TDMoIP技術(shù)在IP網(wǎng)絡(luò)上擴(kuò)展線路提供了IP網(wǎng)絡(luò)的好處卻不具風(fēng)險。它在毫無功能損失的情況下通過數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施支持傳統(tǒng)的電話交換機(jī)和PBX。同時,它通過在租用線路的服務(wù),使IP網(wǎng)絡(luò)可以運行話音、ATM、幀中繼、SNA等服務(wù)。最后因為其簡單、低價格和對所有信令和協(xié)議的透明性使得其成為下一代網(wǎng)絡(luò)中的千兆以太網(wǎng)技術(shù)的理想互補。


----《通信世界報》

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