EPON系統(tǒng)中TDM業(yè)務的實現

1引言

　　近年來全球范圍內數據流量的激增以及IP業(yè)務的飛速發(fā)展給當前網絡建設提出了諸多新課題。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電話業(yè)務和租用線業(yè)務等基礎電信業(yè)務仍然是現在電信運營商業(yè)務收入的主要來源，另一方面數據業(yè)務的高速發(fā)展迫使電信網 IP化成為一個無法逆轉的趨勢。數據、語音和視頻業(yè)務的融合已成為下一代網絡（NGN）發(fā)展的必然趨勢。如何讓數據網承載TDM業(yè)務以及如何兼顧現有業(yè)務及未來網絡發(fā)展已成為各電信運營商關注的焦點。而最終用戶則總是希望以盡可能低的成本在企業(yè)或家庭內部實現電話、視頻和數據等多種業(yè)務的綜合接入。 EPON作為新一代的寬帶接入技術為了滿足網絡發(fā)展與融合的客觀要求，就必須要實現多種業(yè)務包括TDM業(yè)務的綜合接入。

　　2EPON中如何實現TDM業(yè)務

　　Ethernet的封裝方式使得EPON技術非常適于承載IP業(yè)務的同時也使其面臨一個重大的難題――難以承載語音或電路方式數據等 TDM業(yè)務。EPON是基于以太網的異步傳送網絡，它沒有全網同步的高精度時鐘，無法滿足TDM業(yè)務的定時和同步要求。要解決TDM業(yè)務的定時同步問題同時又要保證TDM業(yè)務的QoS等技術難題不僅要在EPON系統(tǒng)自身設計上做改進，同時也需要采用一些特定的技術。

　　目前，在EPON系統(tǒng)上實現TDM業(yè)務傳輸最主要的一種方法是基于分組交換網絡的電路仿真技術（CESoP,CircuitEmulation over Packet Switched Net）。

　　2.1從電路交換到分組交換的基本思想

　　CESoP技術是指在非TDM網絡上進行電路仿真，實現TDM業(yè)務如E1/T1，E3/DS3或是STM-1等在分組交換網絡上的傳送。其基本原理就是在分組交換網絡上搭建一個“通道”，通過增加報頭，用IP包封裝每個T1或E1幀，通過分組交換網（PSN）透傳到對端。目的端收到數據包后重新生成同步時鐘信號，同時去掉數據包中的IP頭，把其它數據轉化成原始的TDM數據流，從而使網絡兩端的TDM設備不需關心其連接的網絡是否為TDM網絡。CESoP對E1來說是透明傳輸，所以它對傳統(tǒng)的電信網絡兼容性非常好，所有傳統(tǒng)的協議、信令、數據、語音、圖象等業(yè)務，都能夠原封不動的使用該項新技術；而且相關的設備不需做任何改動，可使電信運營商充分利用現有資源，把傳統(tǒng)TDM業(yè)務應用在IP網上。


圖1：通過分組交換網絡實現的電路仿真業(yè)務

　　2.2電路仿真的實施

　　CESoP電路仿真要求在分組交換網絡的兩端都要有交互連接功能。在分組交換網絡入口處，交互連接功能將TDM數據轉換成一系列分組，而在出口處則利用這一系列分組再重新生成TDM電路。目前有結構化仿真和非結構化仿真這兩種方法來實現這種交互功能模塊。

　　結構化仿真使用了TDM電路中所固有的時隙結構。首先將幀結構(如DS1中的F位)從數據流中提取出來，然后按順序將每個時隙加入到分組的有效載荷內，后面再跟著下一幀的同一時隙，如此反復。有效載荷全部填滿后，再加上一個分組頭，該分組就被發(fā)送到分組交換網絡中。有效載荷一般包含大約八幀TDM數據(對于E1電路而言即有256個八位位元)。在分組網絡的出口處，TDM數據流被重新產生，并使用新的幀結構。

　　非結構化的傳輸方式則忽略TDM電路中可能存在的任何結構，將數據看作給定數據速率的純位流。從TDM位流中按順序截取一系列八位位組來構成分組的有效載荷。因此，構成每個分組有效載荷的八位位組的數量是隨機的。一般選取有效載荷的長度使分組構成時間在1ms左右，對于T1電路，該長度為193個八位位組(見圖2)。對于E1電路，該長度為256個八位位元。這樣，TDM業(yè)務中的信令被透明傳輸，無須任何的信令協議轉換設備就可以實現任何類型的TDM業(yè)務。


圖2：結構化電路仿真業(yè)務和非結構化電路仿真業(yè)務

　　2.3CESoP的標準化

　　有關CESoP技術的標準化工作已在有條不紊地展開。目前有4個標準化組織正在從事CESoP技術的標準化工作，分別是國際電信聯盟（ITU,InternationalTelecommunicationsUnion）;互聯網工程任務組（IETF, Internet Engineering Task Force）; MPLS與幀中繼聯盟（MFA, MPLS and Frame Relay Alliance）; 城域以太論壇（MEF, Metro Ethernet Forum）。各組織正密切關注自己專長的領域。

　　ITU-T建議Y.1413ITU是關于在MPLS網絡上實現TDM的建議。定義了通過MPLS網絡承載電路業(yè)務的格式。該建議主要規(guī)定TDM-MPLS網絡互通的必要功能要求。這個標準支持結構化的TDM仿真和非結構化的TDM仿真。

　　IETF下屬的邊緣到邊緣的偽線仿真（PWE3，PseudoWireEmulation Edge-to-Edge）工作組負責制定分組交換網（PSN）上仿真網絡業(yè)務的機制。被仿真的網絡業(yè)務包括數字TDM專線、幀中繼（FR）、ATM信元和ATM適配（AAL）、Ethernet和Ethernet VLAN、HDLC、PPP等。

　　MPLS與幀中繼聯盟(MFA)最近發(fā)布了TDM仿真的實現協議 MFA 8.0.0，該協議規(guī)定了通過 MPLS 網絡承載 TDM 電路仿真的封裝格式、連接的建立與拆除等；還簡化了通過 MPLS 承載 TDM 傳輸的問題，允許運營商向同時提供語音、視頻和數據業(yè)務的單一、融合的網絡轉移。

　　MEF則批準了新的電信級以太網技術規(guī)范MEFx（x=1,..,8）。其中，MEF8規(guī)范規(guī)定了基于城域以太網的準同步數據系列（PDH）電路仿真的實現方法。MEF 8將和針對以太網測試步驟與網絡管理的新規(guī)范一起促使城域以太網發(fā)展成為一種電信級傳輸技術。

　　隨著這些標準的制定，不同設備制造商之間的互聯互通問題將會逐步得到解決。目前EPON廠商采用的TDM仿真芯片主要采用的還是IETF的PEW3工作組的邊緣到邊緣的偽線仿真（PEW3）技術。

　　3TDMoverEPON實現的關鍵技術

　　3.1時鐘恢復與抖動平滑

　　時鐘恢復與抖動平滑是TDM分組電路仿真實現中的兩個關鍵技術

　　3.1.1時鐘恢復

　　在任何通過分組實現電路交換的技術中，最關鍵的問題之一就是時鐘恢復。例如，在兩個客戶端之間使用專用租借線路通過運營商分組網絡上的仿真鏈路進行連接，則客戶TDM業(yè)務的頻率fservice必須在分組網絡的出口處精確地重新生成。長時間的頻率不匹配將導致分組網絡出口處形成等待隊列，如果重新生成的時鐘比原時鐘慢，則緩沖器被填滿，反之則會被清空。這兩種情況都會造成數據丟失和服務質量下降。而要實現對TDM業(yè)務的支持，ONU側的時鐘恢復技術是首先要解決的問題。就電路仿真技術本身而言，目前主要有基于SDH的指針調整方式、差異方式和自適應等3種時鐘恢復方式。

　　在IETF制定的文檔draft-ietf-pwe3-sonet-09.txt中，定義了利用SDH指針調整技術實現分組網絡中的定時同步。同時還定義了顯式指針調整中繼（EPAR：ExplicitPointerAdjustmentRelay）和自適應指針管理（APM：Adaptive Pointer Management）這兩種指針管理方式來實現網絡同步操作： EPAR方式通過重復發(fā)送端的指針調整事件來保證TDM數據以與發(fā)送端相同的速率被接收端讀取，通常應用于發(fā)送端和接收端存在公共參考時鐘的情況下；而APM則通過保持TDM數據以接收時相同的速率被接收端讀取以維持抖動緩存的利用率在一定范圍，此時通常發(fā)送端和接收端無公共的時鐘參考。由于EPAR和APM方式實現時鐘恢復本質上都是基于傳統(tǒng)SDH技術的指針調整，盡管能保證系統(tǒng)的時鐘同步，但實現很復雜，成本很高，不適合在EPON系統(tǒng)規(guī)模應用。

　　差異方式是在發(fā)送端和接收端均采用高精度的時鐘參考源，通過比較包的到達頻率與主參考源的頻率之差進行補償，實現TDM業(yè)務的同步。此方法具有很好的抖動和漂移特性，

　　在很大程度上不受網絡延時、網絡延時變化和包丟失的影響，但是需要在兩端均提供公共參考時鐘。該實現方式主要適用于發(fā)送端和接收端均位于電信機房或其他存在高精度電信時鐘的場合，

　　自適應時鐘恢復方式則不需要發(fā)送端和接收端具有公共的參考時鐘。在接收端根據到達包所攜帶的信息就可以恢復出需要的時鐘信息。定時信息既可以是通過比較本地和遠端的時標（Timestamp）值來獲取，也可以根據包的間隔到達速率或抖動緩存的填充水平來獲取。由于EPON本身主要用于用戶接入網，加上EPON可以給特定的數據包提供很高的服務質量，所以自適應的時鐘恢復方式應用于EPON系統(tǒng)將會獲得很好的時鐘特性。

　　3.1.2抖動平滑

　　由于以太網采用共享信道，支持存儲轉發(fā)，數據包的傳輸延時無法控制，具有很大的隨機性，造成包與包之間的傳輸時延差，即使所有分組都通過網絡的同一路徑進行傳送，當它們到達網絡出口處的交互功能模塊時仍然會有一些時間偏差。這種隨機性反映在TDM數據的發(fā)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，我們把它稱之為“分組抖動”。由于TDM電路具有恒定不變的位速率，因此我們可通過使用緩沖區(qū)來克服抖動，將較快到達的分組在輸出之前進行緩存和排序，這樣就可以補償與其它較慢分組之間的延時差。但由于語音通信的實時性要求比較高，緩沖區(qū)對丟失的包按空包處理。如果緩沖區(qū)過小，就會出現溢出現象，導致丟包嚴重，從而不能很好實現抖動的平滑，而如果緩沖區(qū)過大，閘門打開的門限值就會加大，就會使延時加大，而語音等TDM業(yè)務對延時又有較高的要求，所以緩沖區(qū)大小的設計成為抖動平滑的關鍵。

　　3.2如何在多業(yè)務分組網絡中給TDM業(yè)務提供更好的QoS服務

　　如何在多業(yè)務分組網絡中給TDM業(yè)務提供更好的QoS服務，這是TDMoverEPON實現的又一關鍵問題。EPON上的不同業(yè)務對QoS的要求不盡相同。TDM業(yè)務占用帶寬雖小，但對延時、抖動、漂移、誤碼率等指標有很高的要求；而視頻業(yè)務則需占用較大的帶寬，對延時也有一定要求，但可容忍一定程度的丟包；數據業(yè)務則需要占用更大的帶寬，并且具有很強的突發(fā)性，對數據的完整性和準確性有較高要求，但對延時要求又較低。要滿足不同業(yè)務的QoS,同時又要給TDM業(yè)務提供更好的QoS服務, 這就要求在實現TDM業(yè)務時充分考慮TDM業(yè)務對延時和抖動的嚴格要求。解決這一技術難題不僅需要解決電路仿真中涉及的時鐘恢復問題，而且還要在EPON系統(tǒng)上進行一定的功能改進。目前烽火通信提出的解決方案是在EPON系統(tǒng)上為TDM業(yè)務指定了更高優(yōu)先級的邏輯鏈路標識（LLID），從而保證TDM數據無丟失并且始終得到更高的服務質量；再者采用基于每個LLID的動態(tài)帶寬分配算法，根據不同時刻的流量特性結合用戶服務水平協議（SLA）通過REPORT－GATE機制實現帶寬的有效利用。實驗證明通過采用這些措施不僅確保了TDM業(yè)務對延時抖動等指標的嚴格要求，而且保證了TDM業(yè)務的服務質量。

　　4烽火通信率先實現EPON系統(tǒng)上的TDM業(yè)務實現

　　烽火通信基于EPON的FTTH全業(yè)務解決方案是以EPON技術為基礎，利用單一平臺為客戶提供數據、語音、視頻以及TDM專線業(yè)務的綜合可靠接入。在這里值得一提的是，烽火通信率先突破了IEEE對EPON標準的規(guī)定，突破性實現了在EPON系統(tǒng)上承載語音和電路型數據業(yè)務，是當前為數不多的能在EPON系統(tǒng)中能提供TDM業(yè)務的公司之一。其自主研制的AN5000系列采用領先的PWE3方式提供TDM業(yè)務封裝，該系列中AN5116局端設備不僅提供大容量的TDM業(yè)務接口，同時內置64K級別的交叉連接功能，使得TDM業(yè)務的開展更加靈活，帶寬利用效率更高。

　　作為FTTH研究領域的佼佼者，目前烽火通信在國內已經承建了武漢長飛公寓、四川綿陽電信、湖北網通南湖都市桃源小區(qū)、武漢電信紫菘小區(qū)、北京通信寬HOUSE、浦東信息大樓等眾多FTTH工程，并且在歷次的技術測試中名列前矛，積累了豐富的工程應用經驗。以浦東信息大樓為例，該工程是中國電信FTTH試點工程之一，同時也是國家863項目――3Tnet的組成部分，由上海電信承建。為了滿足各類商業(yè)用戶的要求，烽火通信在該工程里綜合提供了語音、數據、IPTV、TDM等多種業(yè)務。該工程不僅在國內率先開辟了在一個工程中開通業(yè)務種類最齊全的記錄，同時也是TDMoverEPON技術在國內的首次應用。

　　5結束語

　　在電信市場競爭日趨激烈的今天，運營商希望能找到一個在已建成的網絡基礎上既可提供可靠的實時語音、視頻和數據業(yè)務,又可提供等同于已有網絡一樣的可靠性及品質保證的優(yōu)秀解決方案。EPON作為一種極具競爭力地寬帶接入技術，必須同時提供語音、數據和視頻業(yè)務地綜合接入服務。這既是通信網絡演進和發(fā)展的需要，也是EPON能否在即將到來FTTX建設大潮中占據優(yōu)勢地位地決定因素之一。