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TDM over Ethernet技術及應用

2019-11-03 09:09:47
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來源:轉載
供稿:網友
范亞希 王一超
北京清華華環電子股份有限公司
  摘要:作為數據傳輸技術,以太網并不直接支持時分信道的傳輸。隨著基礎傳輸網絡逐漸采用以太網技術,需要在以太網上有效地傳送傳統的時分復用信號,使現有的基于時分復用傳輸的各種終端設備得以繼續使用,從而保護客戶的投資。TDM over Ethernet為以太網成為多業務提供平臺提供了技術基礎。

  關鍵詞:時分復用,以太網,ip,定時,時鐘恢復,服務質量,隧道,E1信道仿真

  長期以來,電信業務和數據業務在兩種不同網絡上實現傳輸。近年,隨著用戶需求的多樣化、網絡管理的復雜化以及市場競爭所帶來的巨大成本壓力,在同一傳輸平臺上融合實時業務和數據業務已成為大勢所趨。而IP網絡憑借其技術成本優勢,將成為未來網絡主體架構的首選。

  目前,在SDH、PDH等傳統的時分復用系統(TDM)上提供數據通道,例如傳輸以太網信號等,已經有了許多成熟的技術。但在以太網上傳送實時業務方面,較多的努力都集中在終端方面,產生了各種將語音、圖像等信息直接裝入以太網(或IP)數據包中的特殊終端設備。例如VoIP技術,將PCM語音編碼壓縮后封裝成IP包傳輸。與傳統的TDM電話網絡比較,IP網絡傳輸的低廉成本是VoIP技術的最大優勢。但添置或改造專用終端以及各種網絡和網關設備,使建設前期需要較大的固定投資。在現階段,大部分用戶均已安裝了運行可靠的傳統PBX系統,安裝全新的系統以遷移到綜合網絡上有較高的投資風險。在短期內,用戶不可能,也無必要將長期以來基于TDM技術發展起來的各種終端全部改造成基于IP的新型終端。為了解決這種矛盾,我們提出了一種新的基于以太網的時分復用通道仿真技術--TDM over Ethernet技術。

  采用TDM over Ethernet技術可以在以太網絡中仿真實現透明TDM通道,例如E1、T1等,在發揮數據網低成本等優勢的同時,與現有的TDM終端設備實現完全無縫連接。通過該技術,可以使現有在TDM電路上運行的各類業務直接適配到以太網中,例如傳統的PSTN接入、ATM幀中繼、ISDN、集中式用戶交換等等。用戶在不升級終端設備的前提下,通過充分利用以太網的剩余帶寬,達到降低運營成本的目的。與VoIP比較,TDM over Ethernet技術應用更加廣泛,通話質量更高,同時由于提供了仿真TDM通道,不再需要對PCM語音編碼進行壓縮,及重構電話信令。

技術要點

  TDM over Ethernet技術的基本原理是將成幀或非成幀的TDM數據不作任何翻譯和解釋,封裝為以太網數據包,通過基于包交換的以太網絡透傳到對端,再將數據包打開,恢復出完整的TDM數據流。對于用戶而言,不考慮中間傳輸介質,相當于提供了一條透明的TDM通路。相近的技術有TDM over IP,與之相比比較,TDM over Ethernet的數據包只封裝到MAC層上,具有更高的帶寬效率和TDM仿真性能。隨著以太網交換與傳輸技術的進步,以太網的覆蓋范圍越來越大,過去許多由路由器構成的IP網絡,逐漸被以太網所代替。TDM over Ethernet 技術必將獲得日益廣泛的應用。  眾所周知,TDM是一種時分復用技術;而以太網則采用統計復用技術,傳輸和交換基于數據包。時分復用技術具有帶寬固定,傳輸時延小而穩定,信號定時透明度高,抖動、漂移小等優點,適合于話音、圖像等對傳輸實時性和定時穩定性要求高的應用。其缺點是靈活性差,復用效率低。基于數據包的統計復用技術具有較高的復用效率和可擴展性,但沒有有效的定時傳送機制,延時和抖動很難控制。包傳輸更適合于對時延要求不嚴格、通常不需要準確恢復定時信息,但對傳輸誤碼敏感(因而允許出錯重傳)的數據傳輸場合。  利用以太網提供仿真TDM通道,在設計中主要面臨兩個技術要點。

1. 帶寬問題

  以太網采用統計復用共享帶寬的工作模式,無法保證實時業務需要的固定獨享帶寬。所以帶寬的利用和分配問題就比較突出。必須考慮盡可能的減少數據包中冗余信息,而冗余信息的最主要部分是以太網的報頭。以以太網中比較常用的實時信號(音視頻流等)封裝格式為例,采用RTP(Real-Time Transport PRotocol) over UDP over IP的實時協議,報頭部分超過60個字節,如果TDM碼流是E1信號,幾乎相當于兩個E1幀長。雖然這種封裝協議在大型路由器中可以獲得較高的優先級,但對于點到點應用和大多數不需要經過路由器的專網用戶而言,顯然是過于復雜。為了獲得更高的傳輸效率,可以只在MAC層上進行封裝,以減少報頭開銷,這也是TDM over IP與TDM over Ethernet的根本區別。

  如果在同一對站點間需要多路TDM數據通信,可以通過將各站的多路TDM打包為一個以太網包,減少多路報頭的開銷,進一步提高傳輸效率。在TDM碼流速率遠低于以太網速率的情況下,這種打包方式還可以降低TDM存儲轉發的延時。

  在一些比較特殊的應用中,如果作為傳輸平臺的以太網鏈路十分緊張(如無線信道等),也可以通過對信道上其它數據業務進行流量控制以保證TDM業務帶寬。實現方式是在TDM over Ethernet系統中建立帶寬動態分配機制,在優先保證TDM數據通過的前提下,通過漏斗算法動態地將剩余帶寬分配給其它數據業務。

2. 定時恢復問題

  以太網自身的一些缺陷會對TDM over Ethernet系統的TDM信號出口時鐘恢復造成不利影響。首先以太網的傳輸和交換基于統計復用技術,物理鏈路中不具備有效的定時傳送機制,無法直接通過簡單的碼速時鐘恢復方式在接收端重建TDM碼流定時信息。

  其次由于以太網采用共享信道,支持存儲轉發,數據包的傳輸延時無法控制,具有很大的隨機性,包到達的先后順序也可能發生隨機改變。這種隨機性反映在TDM數據的發送過程中,實際引入的瞬時抖動會遠遠超過正常TDM線路抖動容限。

  最后因為以太網借以消除錯誤的出錯重傳機制,不能應用在TDM實時業務的傳送中,所以線路傳輸誤碼和碰撞必然會引入丟包(以太網包長為64~1518字節)。這種長時間的數據丟失進一步增加了定時恢復的難度,并有可能導致接收端設備同步丟失。

  正是由于以太網自身的特點,在TDM over Ethernet系統中,網絡出口TDM碼流定時信息的重建必須通過一些新的途徑完成。比較簡單的情況是,在信道兩端的設備工作在同一個同步時鐘網下。此時雙向TDM數據具有相同的時鐘頻率。系統可以通過本地定時模式直接重建TDM輸出碼流,以獲得較高的抖動及漂移特性。但在大多數情況下,數據網不提供全網同步機制,要求接收端直接從接收的數據包中重建高質量的TDM輸出碼流定時信息。這時,由于抖動、丟包等影響,無法采用一般的時鐘恢復方式。為了解決這一難題,清華華環電子股份有限公司利用自身的技術優勢,開發出了基于統計預測的全數字時鐘恢復技術。

實際產品

  目前,E1信號是在接入網中應用最廣泛的TDM模式,基于TDM over Ethernet技術,清華華環公司在國內外率先推出EthMux系列產品。EthMux-2產品提供兩路E1通道和一個附加的用戶數據通道。圖一給出了EthMux-2實現的簡單框架。



圖1 Ethmux-2基本框架

  為了提高傳輸效率,采用MAC幀封裝E1數據,兩路E1打為一個包。用戶有多個數據包長度選擇,一般比較長的包會降低報頭比例,從而提高傳輸效率,比較短的包可以降低傳輸包間隔,改善時延特性。在鏈路帶寬比較緊張的情況下,用戶可以通過附加的數據業務通道限制其它數據業務流量。具體流量可以16Kb的步長精確調整,以保證E1業務帶寬。

  對于支持802.1p(QoS)協議的以太網絡,EthMux-2設備還可以通過配置基于IEEE802.1p的優先級控制字段,保證在網絡負荷超過最大限度時,封裝E1實時業務的數據包能夠順暢傳輸,減少擁塞的影響,提高運行可靠性。

  在EthMux-2設備通過以太網鏈路背靠背連接的情況下,當封裝長度設為256Bytes時,實際測得設備延時及E1碼流恢復時鐘指標為:

轉發延時        ≤ 5.9 ms

時鐘抖動(P-P)     ≤ 0.12UI

頻率漂移        ≤ 3.3 ppm

  EthMux-2設備提供的附加數據通道,通常用于帶寬較窄的以太網連接場合,例如在10M半雙工網絡上提供2路E1信道。在保證E1帶寬的前提下,將剩余帶寬用于數據通信。而這一特性也可以用在寬帶以太網平臺上,為一對EthMux-2所處的兩個端點間提供一條帶寬可設定的,保密性非常高的私有以太網通道。運營商可以利用這一特點,在向用戶提供E1通道的同時,方便地提供虛擬專網,而無需對各種網絡設備進行VLAN設置。

結束語

  目前,基于SDH、TDM、ATM等的傳統業務仍然占有大部分市場,同時,基于IP的新業務正在蓬勃發展,在眾多領域內兩種服務已經展開了激烈的競爭。但從長遠發展看,在新一代信息網絡中,IP網必然成為基礎網絡架構的首選。這就導致在向新一代網絡的過渡中,不可避免地存在兩個發展趨勢,一方面,各種傳統業務模式向基于IP的模式轉換,例如VoIP等。另一方面,要在IP網絡上提供TDM業務仿真通道,即所謂的"Everything over IP"概念。TDM over Ethernet技術的產生正是符合了這種概念。

  作為一種過渡技術,TDM over Ethernet以最簡單的方式,解決了現有終端設備于以太網鏈路無縫連接的問題。在繼承TDM業務服務質量的同時,完成向新一代信息網絡的過渡。為傳統網絡的改造和專網建設提供了一套低成本的解決方案。

由CHINA通信網組稿
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