重庆邮电学院 辜光辉
深圳市木青科技实业有限公司 胡继超
摘要：在数据业务膨胀的今天，话音通信业务仍然处于很重要的地位。TDM电路仿真使得话音业务在RPR网络上很好的保持下来了，本文主要讲述TDMoP的实现和同步机制。
关键字：RPR, TDM电路仿真, TDMoP,同步
RPR Based TDM Circuit Emulation and Synchronizing Mechanism
Abstract:With the expanding of data servers, the service of voice telecommunication still plays an important role. The adoption of TDM circuit emulation makes the service of voice telecommunication in a good condition over RPR network. This paper mainly concerns the realization TDMoP and its synchronizing mechanism.
Keywords: RPR, TDM Circuit Emulation, TDMoP, synchronization
一、RPR的基本介绍
随着数据业务的迅速膨胀，城域传送网的数据处理能力成为大家关注的焦点。而无论是IP over ATM,IP over SDH，还是城域Ethernet，都有各自的不足之处。一种为优化IP数据包传输的新的MAC层协议弹性分组环RPR（Resilient Packet Transport）被提上议程，该技术以其技术的先进性、投资的有效性、性能的优越性、支持业务的多样性，显现出了其独特的优势。RPR技术一方面吸收了以太网技术的优点，如经济、灵活和可扩展性；另一方面吸收了SDH的优点，如对延时和抖动性能严格保障、可靠的时钟以及SDH环网50ms快速保护；同时提供与ATM等同的QoS。随着IEEE 802.17标准的日益完善，RPR技术逐步走向成熟。基于RPR技术的产品已经问世，它是城域光网组网中许多商家优先选择的技术。
虽然数据业务的需求在不断扩大，现在对于电信运营商来说语音通话仍然是很重要的一部分。由于RPR是一种融合多业务平台的优秀技术，它不需要人们将现有网络铲除。通过RPR网络的TDM服务电路仿真，电信运营商在提供新的可盈利的数据服务时，保证他们原有的语音通话服务，使电信公司可以保持现有TDM服务的高收入。TDM可以融合在RPR系统当中，也可以单独的设备的形式面向用户。
二、TDM电路仿真（TDM Circuit Emulation）
TDM电路仿真是电路交换业务在网络上透明传输所采纳的机制。它用特殊的电路仿真头来封装TDM业务，并通过一定的机制来实现时钟在包交换网上的传输。实现这种封装功能的物理层器件一般称为成帧器或映射器，它能直接和原有的TDM网络连接。
在“非结构化”的仿真中整个业务带宽是仿真的，帧的结构或者叫比特数在入口处是不用计算的。比特流在目的端口进行封装和解封装，其仿真结构如下图所示：
“结构化”仿真业务则设计为仿真点到点的E1/T1连接。帧结构维持不变，各自的流是可见的而且是按字节分配的，这样的话就允许E1/T1流融入DS-0信道而发向不同的目的地。其电路仿真结构如下图所示：
对于不同的系统而言，在设计电路仿真系统时还有一定的区别。对于RPR包交换网络上的电路仿真（TDMoP）设计介绍如下：
在RPR网络中每个节点都可以有一个或多个TDM电路仿真支节点。TDM电路仿真是端到端的，它可以是半双工点对点模式、全双工点对点模式或者是半双工点对多点模式。
TDM-over-Packet(TDMoP)是一种使语音和租用电路服务（如：视频、数据）在IP网上廉价传输的技术，它同时可以保持公共电话网（PSTN）的可靠性和服务质量。当包进入网络的时候都要竞争带宽和端口，这样的话肯定会产生不确定的时延和丢包，发包源可能会周期性的把包发到网络上，但是接收方就不能确保以同样的周期从网上获得这些包，甚至说，这些包可能不会全部达到接收方。那么这种情况下TDM所需要的信号就不能得到保证。
一般来说要在IP网上传输TDM有两种解决方法，一种是把TDM网络和用户终端设备完全替换为支持语音信令全新机制的架构。另外一种方法是保持用户终端和协议不变，TDM数据从“隧道”传过包交换网络。很显然，第二种方法无论对承载商还是设备制造商都比较容易做到。对于RPR网络，TDMoP网关的IPmux系列从TDM端口获取数据流，然后把它们转换封装成IP包在网络上传输。远端的TDMoP网关负责将这些IP包解封装回TDM业务流。
三、封装的实现。
（1）TDMoP的实现
TDMoP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。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。
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，如果使用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UDP报头和IP的报头，这与上面的开销一致。其原理如图1所示。
如果用40字节的额外开销传送24字节或31字节的有效负载的话是很浪费的，解决这一问题有两个方法。
第一种方法是报头压缩方案。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%。虽然包头开销降低了，重组的报文去掉了TCP/IP和IP报头的许多重要信息，一般很少采用这种方法。
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。这是在实际设计中比较常用的一种方法。
（2）TDMoP技术的同步问题
TDMoP技术应用时所考虑的一个比较重要的问题就是时钟同步。如果长时间的频率不同步，就会造成网络出口队列要么为空要么溢出。
在公用交换电话网及SONET/SDH网络中，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1/1011的量级。该节点按其精确性被称为第一层，它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。
在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，可通过使用缓冲区来克服抖动，缓冲区中对接收到的包排序，由于语音通信的实时性要求比较高，对丢失的包直接按空包处理。在这个缓冲过程中大多数情况下，原始的时间参考信息是不能提取出来的。因此需要采取必要的时钟同步措施。
一般采用的同步方法有四种：A、环上设有一个中心节点，这个节点周期性的广播同步信令；B、环上的所有节点都由一个外部设备（比如GPS）提供时钟信息;C 、在A和B都不易实现的时候，本地产生时钟来进行调整恢复。D、还有一种，是通过计算平均包到达率推断时钟信息的，无论是数据包还是特殊的定时包都可以用于同步。
对整个网络来说当IP网络不是全部采用专有的并且全部供TDMoP连接使用时，NTP时钟和所需的TDM时钟之间不会有连接。这个情况下时钟同步解决方法是采用第二种，即使用如原子钟或GPS接收器等为所有的TDMoP设备提供时间标准，来减轻IP网络发送同步信息的负担，如图2所示。如果不能提供本地精确时间参考或其实现代价较大，也可以采用目的地重新生成同步本地时钟进行恢复，如图3所示。
在采用本地同步的实现时，网路中传输的时钟是动态变化的，也就是说会在一定的范围内浮动，不会是固定的一个值（2.048MHZ）。那么还应该有一个动态跟踪这个时钟变化的机制，以达到动态调整本地时钟的目的。比较简单的方法是用闭环电路来实现的，通过比较缓冲区接收和发送出去的数据包的数目来调整电压控制振荡器的振荡频率，再根据这个频率来调整发送包的速率，这样不断的比较就可以实现时钟的动态跟踪。这种方法在目前的设计中已经成功的实现了。
四、结束语
RPR技术从一出现以来就倍受大家的关注，伴随着802.17标准的敲定，基于该技术的产品不断问世，解决了以前SDH和Ethernet 不能解决的问题，从而推动了城域光网的快速发展。TDMoP由于解决了VoIP的抖动时延等问题，在电信、移动都得到了大幅度应用。 它将是语音传输中采用的主流技术。
参考资料：
<1>www.rpraliance.org
<2>www.tmcnet.com
<3>IETF Draft draft-riegel-pwe3-tdm-requirements-01.txt,Requirements for Edge-toEdge Emulation of TDM Circuits over Packet switch networks(PSN)
<4>IETF Draft draft-vainshtein-cesopsn-03.txt, TDM Circuit Emulation Service over Packet Switched Network (CESoPSN)
<5> Unstructured Circuit Emulation Using the MT90880, Applications note, Zarlin
Semiconductor Performing Clock
作者简介：
辜光辉，女，重庆邮电学院通信与信息系统专业研究生，2002年毕业于兰州交通大学通信与信息工程专业。现从事电信增值业务及嵌入式系统在光网络上的应用研究。
胡继超，男，华中理工大学毕业，学士学位。现任深圳市木青科技实业有限公司研发部总经理，主持过多项重大项目开发工作，在国内学术刊物上发表多篇论文，并拥有多项光通讯领域技术专利。
摘自 光纤新闻网
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