在IP網絡傳輸話音和數據的漸進方法

2019-11-03 09:07:11

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■ＲＡＤ數據通信公司首席科學家ＹａａｋｏｖＳｔｅｉｎ

■ＲＡＤ數據通信公司工程和商務發展部副總裁ＥｉｔａｎＳｃｈｗａｒｔｚ

序言

　　基于ＩＰ的高速網絡是通信領域最近一次革新。網絡容量以驚人的速度增長，這歸功于因特網的大規模應用和該技術帶來的成本下降。全球范圍的數據流量已經超過電話網絡的流量，對于許多應用，ＩＰ流量的費用已經低于傳統ＴＤＭ服務的價格了。正是基于此，人們正在ＶｏＩＰ技術上進行了大量的工作。

　　所有ＶｏＩＰ技術，本質上都具有革命性的變化；因此，許多現存的電話基礎設施將被基于ＩＰ的新機制取代。盡管呼聲很高，比預期也付出了更多的努力，而收效甚微。

　　還有另外一種利用ＩＰ網絡完成電話服務的方法，它是漸進性而非革命性的。這種方法把ＩＰ網絡作為原有ＴＤＭ網絡的一種插入式替換。它可以與所有的現有設備，如傳統ＰＢＸ和交換機，實現無縫接入，輕松自如地提供上百種電話功能和用戶熟悉的ＰＳＴＮ質量。這種方案就是使用ＴＤＭｏＩＰ技術在ＩＰ網絡上進行線路擴展。

ＶｏＩＰ的缺陷

　　從理論上講，在ＩＰ網絡上傳輸話音看起來并不難：數字化后的話音信號只是一種數據，可以和其它數據一樣由分組網絡傳輸。電話網絡的主要技術成就，如最低成本路由方法，在ＩＰ網絡中都可以找到與之相對應的部分。然而，如果想與ＴＤＭ網絡進行競爭，ＶｏＩＰ必須切實解決兩個主要問題：即ＱｏＳ和信令。

服務質量（ＱｏＳ）

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

信令

　　幾乎所有在ＶｏＩＰ領域的研發努力都集中在解決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，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，呼叫轉移，電話會議等復雜的功能；以及目前智能網絡新增的功能。這樣的功能包括幾千種，再加上幾十個國家和地區的細微差別，更增加了復雜程度。除非當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雜性。

　　當把ＩＰ網絡和標準的電話網相互連接時，要想實現在全球的標準電話互連，必須面對以下問題。

ＴＤＭｏＩＰ技術

概念、帶寬和端到端的延遲

　　一個Ｔ１幀由２４個單字節的時隙和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（２５６比特）組成，其中一個字節用來保持同步，一個字節傳統上為信令保留。在這兩種情形下，幀速率為８０００幀／秒。

　?。裕模停铮桑械淖詈唵蔚膶崿F方法如下：通過附加適當的報頭，用ＩＰ包封裝每個Ｔ１或Ｅ１幀。因為數據包提供分段，同步位／字節不必包括在內。因此對Ｔ１和Ｅ１的有效負載分別為２４和３１字節。對于可靠的面向連接的服務，有人考慮使用ＴＣＰ／ＩＰ協議，這需要２０字節的ＴＣＰ報頭，２０字節的ＩＰ報頭，每個數據分組共需４０字節。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議ＲＴＰ，它的報頭至少１２個字節，另加８字節的ＵＴＰ報頭和ＩＰ的報頭，這與上面的開銷一致。用４０字節的額外開銷傳送２４字節或３１字節的有效負載實在是浪費，解決這一問題有兩個方法。

　　第一種方法是報頭壓縮方案?，F在已經有ＲＦＣ文檔提出把ＴＣＰ和ＲＴＰ的平均報頭減到只有３個字節，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）字節的負載，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微秒的持續時間，與ＶｏＩＰ系統相比這一延遲是可以忽略的。例如由８個連續幀組成的一個超級幀引入１毫秒的單向延遲，是用在ＶｏＩＰ中標準的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ＴＤＭｏＩＰ方法之一。其它方法首先對ＴＤＭ數據在進行ＩＰ封裝前利用其它協議進行編碼。為什么要在ＴＤＭ和ＩＰ之間加入另外一層協議呢？其實是有很多好處的。當初始包含ＴＤＭ數據的幀的尺寸不合適時、使用中間編碼可提供錯誤校驗、與其它系統實現互操作、以及實現話音壓縮或增強。

　　不管細節如何，重要的是ＴＤＭｏＩＰ技術不做任何數據解釋地透明傳輸ＴＤＭ幀。這對時隙、信令通道等ＴＤＭ內部內容顯而易見。這樣一來，ＴＤＭｏＩＰ可以用來傳輸任意的Ｔ１／Ｅ１服務，即使有些通道是用來傳送數據的，或整個幀都是非結構化的數據流。類似地，ＴＤＭｏＩＰ的基本思想可以很容易地擴展到分檔Ｔ１或信道化的Ｅ１系統中。為了減少流量，在ＩＰ數據包中只包含載有信息的字節。

ＴＤＭｏＩＰ環境中的信令

　?。裕模停铮桑惺侨绾谓鉀QＩＰ網絡與電話網絡互連時隨之產生的信令問題的呢？為了回答這個問題，我們區分三種不同的信令：帶內信令、ＣＡＳ和ＣＣＳ。

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

　　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。Ｔ１通過保留位實現該信令，Ｅ１通過保留一個時隙為其余３０個通道每個通道承載４比特實現該信令。因為ＣＡＳ比特通過同樣的Ｔ１或Ｅ１數據流傳輸，它們仍可自動地被ＴＤＭｏＩＰ傳遞。ＶｏＩＰ系統需要發現ＣＡＳ比特，根據相關的協議對其進行解釋，使用某種信息協議在ＩＰ網絡中傳輸這些信令，并在遠端重新生成并組合成相應的信令。

　　ＳＳ７是一種ＣＣＳ（即通用通道信令）方法。ＳＳ７鏈路是５６或６４ｋｂｐｓ的數據鏈路，通常占據一個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信令網關得到所需的ＩＰ格式的信息，直接把它作為附加信息，不經過任何處理，通過網絡傳輸。

同步

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

　?。桑芯W絡中的數據包以一個隨機的延遲到達目的地，該延遲稱作抖動。當在ＩＰ網絡上模擬ＴＤＭ時，假設存在合適的時間參考，可通過使用緩沖區來平滑所接收的數據，克服這種隨機性。但大多數情況下，原始的時間參考信息就得不到了。

　　理論上在電話網絡中集成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勢，可以用比現有規定費用低的價格為用戶提供“收費旁路”服務。在這樣的應用中，兩端的ＴＤＭｏＩＰ設備可以從它們連接的中央局得到時間參考信號。

　　在整個網絡的情形下，大部分的基礎設施被ＴＤＭｏＩＰ替換，這就需要一個時間同步的方法。ＩＰ網絡通過ＮＴＰ協議發布時鐘信息；但除非ＩＰ網絡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設備提供時間標準，來減輕ＩＰ網絡發送同步信息的負擔。如果不能提供本地精確時間參考或其實現代價較大，只要目的地重新生成并同步時鐘，進行恢復是可能的。

競爭和互補的技術

ＴＤＭｏＩＰ和ＶｏＩＰ

　?。裕模停铮桑斜龋郑铮桑泻唵危驗樗鼘υ捯?、數據信令和協議是透明的，即使這些協議都是專用的。而ＶｏＩＰ則面臨新協議帶來的麻煩并且要實現信令格式的轉換。ＶｏＩＰ的確承諾支持新的協議，但ＴＤＭｏＩＰ自動使用了現存ＰＢＸ和ＣＴＩ功能所具備的優勢。至于帶寬優化，ＶｏＩＰ使用ＤＳＰ進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量和增加延遲為代價的。ＴＤＭｏＩＰ的簡單性轉化成為所有者最初的低投入和運行時的低成本利益。一些企業用戶對替換傳統ＴＤＭ設備和“ｆｏｒｋｌｉｆｔ式升級”有關的培訓和維護費用不感興趣，ＴＤＭｏＩＰ可以為他們節省大量開支。另一個重要的區別是因為ＴＤＭｏＩＰ是透明的，因此可以提供話音和數據混合的服務。

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

ＴＤＭｏＩＰ和ＡＴＭ

　?。裕模停铮桑刑峁┝嗽S多ＡＴＭ的優異性能，端到端的延遲小于２毫秒，結構化和非結構化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，在每個應用前提下有效負載百分比大。每幀的長度可以設置使其成為可能。在ＡＴＭ情形下，有效載荷始終為４８字節，開銷的百分比大。

ＴＤＭｏＩＰ和千兆以太網

　　千兆以太網（以及萬兆以太網）已被廣泛應用于城域網（ＭＡＮ）和廣域網（ＷＡＮ）中。尤其是應用于光纖介質的千兆以太網正在成為ＳＯＮＥＴ和ＡＴＭ的替代技術。然而以太網從根本上來說是數據網絡技術，只靠它自己不能處理話音流量。ＴＤＭｏＩＰ使千兆以太網具有話音處理和線路擴展能力，使其成為優勢互補的技術。結合這些技術，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、幀中繼等簡單便宜的技術往往在同ＦＤＤＩ、ＡＴＭ和令牌環等復雜、昂貴的技術的競爭中占據主導地位，即使后者更完善。

　　最初象千兆以太網這樣簡單的技術的關注往往被后來的技術增強沖淡了。例如，因為ＳＯＮＥＴ環拓撲結構可以快速從故障和光纖斷裂中恢復，所以被認為十分可靠的。千兆以太網并不是天生具有這種能力，但它可以在幾毫秒內實現備份主干的切換。即使兩個交換機之間只有一對光纖，如ＯＳＰＦ這樣的協議可以使路由表在幾毫秒內進行更新，實現ＩＰ數據流的快速重新連接。

　　另一個重要的例子是關于ＱｏＳ的，在該領域ＡＴＭ有其獨到的優勢。然而今天的千兆以太網和路由器實現了對數據包的優先級處理，為特定應用預留帶寬等高級機制。通過使用標記，ＴＤＭｏＩＰ數據包（使用８０２．１ｐ＆ｑ，ＴｏＳ和設置ＵＤＰ端口）可以容易地被識別并優先處理。

　?。裕模停铮桑信c千兆以太網和路由器的結合確保了它是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線路向千兆光纖網絡過渡。

ＲＡＤ對ＴＤＭｏＩＰ的實現

　　ＲＡＤ在其ＩＰｍｕｘ系列產品中實現ＴＤＭｏＩＰ技術。該家族產品有以下三個類：小尺寸、低價格的ＩＰｍｕｘ－１ＣＰＥ設備具有一個Ｔ１／Ｅ１端口和一個１０／１００ＢａｓｅＴ用戶數據端口。上聯端口可以是１０／１００ＢａｓｅＴ或１０／１００ＢａｓｅＦｘ方式，這樣就不必使用本地交換機了。它還具有一個可選的外置ＴＢ／４Ｗ模塊，可通過使用ＵＴＰ線纜把連接擴展到１２５０英尺。ＩＰｍｕｘ－４具有四個Ｅ１／Ｔ１端口和一個１０／１００ＢａｓｅＴ上聯端口。ＩＰｍｕｘ－１６提供可擴展的解決方案，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（Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｌｏｃａｌｅｘｃｈａｎｇｅｃａｒｒｉｅｒｓ－ＣＬＥＣｓ）可通過ＴＤＭｏＩＰ技術的優勢，利用更多的連接點（ＰＯＰｓ），迅速、簡易、低成本地擴展其市場份額?，F有的本地交換運營商（Ｉｎｃｕｍｂｅｎｔｌｏｃａｌｅｘｃｈａｎｇｅｃａｒｒｉｅｒｓ－ＩＬＥＣｓ）利用ＴＤＭｏＩＰ可以通過高性能價格比在光纖或無線鏈路上擴展Ｔ１或Ｅ１線路，直到ＣＬＥＣ的服務連接點，從而為ＣＬＥＣ批發提供基本的傳輸線路。

　　大廈、數據或其它競爭性的本地交換運營商以及公用事業公司可以利用其無線或光纖數據網絡，使用ＴＤＭｏＩＰ在位于不同地點的單位間擴展Ｔ１或Ｅ１線路，達到增加收入的目的。通過這種方法，服務提供商可以把專線服務捆綁到寬帶數據應用中。捆綁的服務包括：

·高速因特網接入、Ｗｅｂ托管和ＶＬＡＮ

·傳統的ＰＳＴＮ接入或集線服務，利用中心局到客戶端４／５類交換實現線路擴展

·通過使用ＩＰ網關或交換機提供新的話音服務和一致的消息服務，把線路擴展到遠程

·專線服務

·本地環路接入到ＡＴＭ、幀中繼、ＩＳＤＮ和Ｘ．２５網絡

　?。桑校恚酰鵀檫\營商提供了在ＩＰ或千兆以太網低成本擴展Ｔ１或Ｅ１服務空前的靈活性。

　?。裕模停铮桑袨椋茫蹋牛锰峁┝藶槠溆脩魯U展服務的又一選擇。通常ＣＬＥＣ需要從ＩＬＥＣ租用本地環路，但現在任何分組網絡都可以達到這一目的。所有從前運行在Ｔ１或Ｅ１線路上的話音和數據服務可以自動地在ＩＰ上運行。這不但包括簡單的ＰＳＴＮ接入，而且包括ＰＲＩ、集線、ＶｏＩＰ的話音服務和ＡＴＭ、幀中繼、ＰＰＰ ＩＳＤＮ ＳＮＡ Ｘ．２５等數據服務。可使用的分組網絡不在局限于同步的ＡＴＭ和ＳＯＮＥＴ，而且可以同樣運行于１０／１００ＢａｓｅＴ無線網、千兆以太網或任何其它網絡之上。

蜂窩電話運營商的ＩＰ主干網

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

　　ＴＤＭｏＩＰ解決方案可用在ＩＰ網絡作為蜂窩電話主干網的地方。將來，當前的和第三代蜂窩設備將在基于ＩＰ的主干網同時部署。

結論

　　使用ＴＤＭｏＩＰ技術在ＩＰ網絡上擴展線路提供了ＩＰ網絡的好處卻不具風險。它在毫無功能損失的情況下通過數據基礎設施支持傳統的電話交換機和ＰＢＸ。同時，它通過在租用線路的服務，使ＩＰ網絡可以運行話音、ＡＴＭ、幀中繼、ＳＮＡ等服務。最后因為其簡單、低價格和對所有信令和協議的透明性使得其成為下一代網絡中的千兆以太網技術的理想互補。

----《通信世界報》