在IP网络传输话音和数据的渐进方法

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■RAD数据通信公司首席科学家 Yaakov Stein

■RAD数据通信公司工程和商务发展部副总裁 Eitan Schwartz

序言

  基于IP的高速网络是通信领域最近一次革新。网络容量以惊人的速度增长,这归功于因特网的大规模应用和该技术带来的成本下降。全球范围的数据流量已经超过电话网络的流量,对于许多应用,IP流量的费用已经低于传统TDM服务的价格了。正是基于此,人们正在VoIP技术上进行了大量的工作。

  所有VoIP技术,本质上都具有革命性的变化;因此,许多现存的电话基础设施将被基于IP的新机制取代。尽管呼声很高,比预期也付出了更多的努力,而收效甚微。

  还有另外一种利用IP网络完成电话服务的方法,它是渐进性而非革命性的。这种方法把IP网络作为原有TDM网络的一种插入式替换。它可以与所有的现有设备,如传统PBX和交换机,实现无缝接入,轻松自如地提供上百种电话功能和用户熟悉的PSTN质量。这种方案就是使用TDMoIP技术在IP网络上进行线路扩展。

VoIP的缺陷

  从理论上讲,在IP网络上传输话音看起来并不难:数字化后的话音信号只是一种数据,可以和其它数据一样由分组网络传输。电话网络的主要技术成就,如最低成本路由方法,在IP网络中都可以找到与之相对应的部分。然而,如果想与TDM网络进行竞争,VoIP必须切实解决两个主要问题:即QoS和信令。

服务质量(QoS)

  服务质量对于数据和话音有着完全不同的含义。虽然大多数数据可以允许相当长的延迟,但对话音应用来说,低延迟和信号的正确传输顺序致关重要,而丢失几毫秒的信号通常并不会引起注意。这些要求与IP网络的基本原则完全相左(尽管对其他分组网络的原则并不必要)。为了克服这些限制,使用了如隧道、抖动缓冲等技术。有关话音质量的其它技术,如回声抑制、话音压缩,并不是数据网的固有功能,对VoIP技术需要添加到已有网络中。

信令

  几乎所有在VoIP领域的研发努力都集中在解决QoS问题上,而信令问题的解决几乎是空白。我们所说的信令问题是指打电话时除了话音之外所需的交换信息。信令包括如摘机,震铃等基本的功能;接通正确的号码和记帐所需的更高级的功能;来电显示,呼叫转移,电话会议等复杂的功能;以及目前智能网络新增的功能。这样的功能包括几千种,再加上几十个国家和地区的细微差别,更增加了复杂程度。除非当你减少了他们已熟悉的功能,终端用户往往没有意识到这种复杂性。

  当把IP网络和标准的电话网相互连接时,要想实现在全球的标准电话互连,必须面对以下问题。

TDMoIP技术

概念、带宽和端到端的延迟

  一个T1帧由24个单字节的时隙和1个单独比特的同步位共193比特组成。一个E1帧由完整的32个字节(256比特)组成,其中一个字节用来保持同步,一个字节传统上为信令保留。在这两种情形下,帧速率为8000帧/秒。

  TDMoIP的最简单的实现方法如下:通过附加适当的报头,用IP包封装每个T1或E1帧。因为数据包提供分段,同步位/字节不必包括在内。因此对T1和E1的有效负载分别为24和31字节。对于可靠的面向连接的服务,有人考虑使用TCP/IP协议,这需要20字节的TCP报头,20字节的IP报头,每个数据分组共需40字节。TCP提供了端到端的可靠连接,但这对话音分组用处不大,因为重传的话音分组到达接收端时次序已乱,将被丢弃。更合理的选择将是使用实时传输协议RTP,它的报头至少12个字节,另加8字节的UTP报头和IP的报头,这与上面的开销一致。用40字节的额外开销传送24字节或31字节的有效负载实在是浪费,解决这一问题有两个方法。

  第一种方法是报头压缩方案。现在已经有RFC文档提出把TCP和RTP的平均报头减到只有3个字节,把开销百分比降到8%-9%。

  第二种方法是把多个帧在封装前组成一个超级帧。例如,把8个T1(E1)帧合并成192(248)字节的负载,使得开销百分比降到17%(14%)的合理程度。合并确实增加了一定的缓冲延迟,但每帧只有125微秒的持续时间,与VoIP系统相比这一延迟是可以忽略的。例如由8个连续帧组成的一个超级帧引入1毫秒的单向延迟,是用在VoIP中标准的16kbps低延迟编码器的一半,大大低于具有15毫秒延迟的8kbps的编码器。

  对原始帧的简单封装只是实现TDMoIP方法之一。其它方法首先对TDM数据在进行IP封装前利用其它协议进行编码。为什么要在TDM和IP之间加入另外一层协议呢?其实是有很多好处的。当初始包含TDM数据的帧的尺寸不合适时、使用中间编码可提供错误校验、与其它系统实现互操作、以及实现话音压缩或增强。

  不管细节如何,重要的是TDMoIP技术不做任何数据解释地透明传输TDM帧。这对时隙、信令通道等TDM内部内容显而易见。这样一来,TDMoIP可以用来传输任意的T1/E1服务,即使有些通道是用来传送数据的,或整个帧都是非结构化的数据流。类似地,TDMoIP的基本思想可以很容易地扩展到分档T1或信道化的E1系统中。为了减少流量,在IP数据包中只包含载有信息的字节。

TDMoIP环境中的信令

  TDMoIP是如何解决IP网络与电话网络互连时随之产生的信令问题的呢?为了回答这个问题,我们区分三种不同的信令:带内信令、CAS和CCS。

  正如其字面意思,带内信令与话音在相同的声音频带内传送。它的形式有呼叫进程音,如拨号音或回铃,DTMF音、用于呼入确认的FSK,北美的MFR1或欧洲的MFCR2等。因为这些都是能听见的音调,它们被编码到TDM时隙中,自动被TDMoIP传输。VoIP系统使用的话音压缩算法通常不能很好传输这些信令。因此VoIP系统需要音频转发协议来确保带内信令正确工作。

  最常见的CAS,即随路信令,与话音信号在相同的T1或E1帧中传送,但不在话音频带内。T1通过保留位实现该信令,E1通过保留一个时隙为其余30个通道每个通道承载4比特实现该信令。因为CAS比特通过同样的T1或E1数据流传输,它们仍可自动地被TDMoIP传递。VoIP系统需要发现CAS比特,根据相关的协议对其进行解释,使用某种信息协议在IP网络中传输这些信令,并在远端重新生成并组合成相应的信令。

  SS7是一种CCS(即通用通道信令)方法。SS7链路是56或64kbps的数据链路,通常占据一个TDM时隙。在这种情况下,该信令自动被TDMoIP传送。如果不是这种情况,可以从SS7信令网关得到所需的IP格式的信息,直接把它作为附加信息,不经过任何处理,通过网络传输。

同步

  目前为止,我们忽略了通常TDM网络中存在的另一功能——时间同步。在公用交换电话网及SONET/SDH网络,主时钟的节点为从时钟的节点提供时间参考信号。在网络中通常至少存在一个非常准确的基准参考时钟,精确到1011的量级。该节点——其精确性被称为第一层——为第二精确层提供参考时钟,第二层为第三层节点提供参考时钟。这种分层的时间同步对整个网络正常工作致关重要。

  IP网络中的数据包以一个随机的延迟到达目的地,该延迟称作抖动。当在IP网络上模拟TDM时,假设存在合适的时间参考,可通过使用缓冲区来平滑所接收的数据,克服这种随机性。但大多数情况下,原始的时间参考信息就得不到了。

  理论上在电话网络中集成TDMoIP有两种不同的层次。在长途情形下,具有竞争力的运营商在中央交换局之间引入一个基于TDMoIP的替换链路。因为上述讨论的价格优势,可以用比现有规定费用低的价格为用户提供“收费旁路”服务。在这样的应用中,两端的TDMoIP设备可以从它们连接的中央局得到时间参考信号。

  在整个网络的情形下,大部分的基础设施被TDMoIP替换,这就需要一个时间同步的方法。IP网络通过NTP协议发布时钟信息;但除非IP网络全部是专有的并且全部供TDMoIP连接使用,否则在NTP时钟和所需的TDM时钟之间就不会有连接。这个问题的一种解决方法是使用如原子钟或GPS接收器等为所有的TDMoIP设备提供时间标准,来减轻IP网络发送同步信息的负担。如果不能提供本地精确时间参考或其实现代价较大,只要目的地重新生成并同步时钟,进行恢复是可能的。

竞争和互补的技术

TDMoIP和VoIP

  TDMoIP比VoIP简单,因为它对话音、数据信令和协议是透明的,即使这些协议都是专用的。而VoIP则面临新协议带来的麻烦并且要实现信令格式的转换。VoIP的确承诺支持新的协议,但TDMoIP自动使用了现存PBX和CTI功能所具备的优势。至于带宽优化,VoIP使用DSP进行话音压缩和静音抑制从而满足带宽要求。但这是以降低通信质量和增加延迟为代价的。TDMoIP的简单性转化成为所有者最初的低投入和运行时的低成本利益。一些企业用户对替换传统TDM设备和“forklift式升级”有关的培训和维护费用不感兴趣,TDMoIP可以为他们节省大量开支。另一个重要的区别是因为TDMoIP是透明的,因此可以提供话音和数据混合的服务。

  从服务提供商的角度看,TDMoIP和VoIP是互补的。从用户端到运营商POP之间通过IP网络透明扩展TDM主干,使运营商在有资源的POP开发更大的、可扩展的VoIP网关和软交换变得简单容易,并为用户在用户端提供简单的TDMoIP网络终端单元NTU。这些TDMoIP电路可提供比VoIP多的服务,如通常的PSTN接入,中央交换机、帧中继和ISDN。

TDMoIP和ATM

  TDMoIP提供了许多ATM的优异性能,端到端的延迟小于2毫秒,结构化和非结构化T1或E1的连接。TDMoIP比ATM简单得多,价格便宜,效率更高。更重要的是它可以在IP和以太网上运行。之所以TDMoIP比ATM效率高是因为它的有效载荷尺寸,在每个应用前提下有效负载百分比大。每帧的长度可以设置使其成为可能。在ATM情形下,有效载荷始终为48字节,开销的百分比大。

TDMoIP和千兆以太网

  千兆以太网(以及万兆以太网)已被广泛应用于城域网(MAN)和广域网(WAN)中。尤其是应用于光纤介质的千兆以太网正在成为SONET和ATM的替代技术。然而以太网从根本上来说是数据网络技术,只靠它自己不能处理话音流量。TDMoIP使千兆以太网具有话音处理和线路扩展能力,使其成为优势互补的技术。结合这些技术,可以通过提供对VoIP、ATM和SONET更简单的、更便宜的替换占有更大的市场份额。历史证明,以太网、帧中继等简单便宜的技术往往在同FDDI、ATM和令牌环等复杂、昂贵的技术的竞争中占据主导地位,即使后者更完善。

  最初象千兆以太网这样简单的技术的关注往往被后来的技术增强冲淡了。例如,因为SONET环拓扑结构可以快速从故障和光纤断裂中恢复,所以被认为十分可靠的。千兆以太网并不是天生具有这种能力,但它可以在几毫秒内实现备份主干的切换。即使两个交换机之间只有一对光纤,如OSPF这样的协议可以使路由表在几毫秒内进行更新,实现IP数据流的快速重新连接。

  另一个重要的例子是关于QoS的,在该领域ATM有其独到的优势。然而今天的千兆以太网和路由器实现了对数据包的优先级处理,为特定应用预留带宽等高级机制。通过使用标记,TDMoIP数据包(使用802.1p&q,ToS和设置UDP端口)可以容易地被识别并优先处理。

  TDMoIP与千兆以太网和路由器的结合确保了它是SONET和ATM有价值的替换,提供一个简单、更具性能价格比的解决方案,使T1或E1线路向千兆光纤网络过渡。

RAD对TDMoIP的实现

  RAD在其IPmux系列产品中实现TDMoIP技术。该家族产品有以下三个类:小尺寸、低价格的IPmux-1 CPE设备具有一个T1/E1端口和一个10/100BaseT用户数据端口。上联端口可以是10/100BaseT或10/100BaseFx方式,这样就不必使用本地交换机了。它还具有一个可选的外置TB/4W模块,可通过使用UTP线缆把连接扩展到1250英尺。IPmux-4具有四个E1/T1端口和一个10/100BaseT上联端口。IPmux-16提供可扩展的解决方案,在1.5U高的围栏中支持最多16个T1或E1端口,在7英尺19英寸的机架中支持480个E1或T1连接。

运营商市场中的TDMoIP

  具有竞争力的本地交换运营商(Competitive local exchange carriers-CLECs)可通过TDMoIP技术的优势,利用更多的连接点(POPs),迅速、简易、低成本地扩展其市场份额。现有的本地交换运营商(Incumbent local exchange carriers-ILECs)利用TDMoIP可以通过高性能价格比在光纤或无线链路上扩展T1或E1线路,直到CLEC的服务连接点,从而为CLEC批发提供基本的传输线路。

  大厦、数据或其它竞争性的本地交换运营商以及公用事业公司可以利用其无线或光纤数据网络,使用TDMoIP在位于不同地点的单位间扩展T1或E1线路,达到增加收入的目的。通过这种方法,服务提供商可以把专线服务捆绑到宽带数据应用中。捆绑的服务包括:

·高速因特网接入、Web托管和VLAN

·传统的PSTN接入或集线服务,利用中心局到客户端4/5类交换实现线路扩展

·通过使用IP网关或交换机提供新的话音服务和一致的消息服务,把线路扩展到远程

·专线服务

·本地环路接入到ATM、帧中继、ISDN和X.25网络

  IPmux为运营商提供了在IP或千兆以太网低成本扩展T1或E1服务空前的灵活性。

  TDMoIP为CLEC提供了为其用户扩展服务的又一选择。通常CLEC需要从ILEC租用本地环路,但现在任何分组网络都可以达到这一目的。所有从前运行在T1或E1线路上的话音和数据服务可以自动地在IP上运行。这不但包括简单的PSTN接入,而且包括PRI、集线、VoIP的话音服务和ATM、帧中继、PPP ISDN SNA X.25等数据服务。可使用的分组网络不在局限于同步的ATM和SONET,而且可以同样运行于10/100BaseT无线网、千兆以太网或任何其它网络之上。

蜂窝电话运营商的IP主干网

  蜂窝电话运营商的网络是基于TDM技术的。基站(Base Stations-BTSs)、基站控制器(Base Station Controllers-BSCs)和移动交换中心(Mobile Switching Center-MSC)之间的连接是通过使用TDM的微波链路和T1/E1租用线路实现的。到目前为止,ATM是最合逻辑的选择。由于来自环保组织的压力,蜂窝电话运营商正在寻找替代微波的技术,而租用线路价格昂贵。由于千兆以太网引入了QoS机制以及TDMoIP的可行性,人们正在认真考虑使用IP作为可选的解决方案。

  TDMoIP解决方案可用在IP网络作为蜂窝电话主干网的地方。将来,当前的和第三代蜂窝设备将在基于IP的主干网同时部署。

结论

  使用TDMoIP技术在IP网络上扩展线路提供了IP网络的好处却不具风险。它在毫无功能损失的情况下通过数据基础设施支持传统的电话交换机和PBX。同时,它通过在租用线路的服务,使IP网络可以运行话音、ATM、帧中继、SNA等服务。最后因为其简单、低价格和对所有信令和协议的透明性使得其成为下一代网络中的千兆以太网技术的理想互补。

----《通信世界报》


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