EPON系統(tǒng)中TDM業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)

1引言

　　近年來(lái)全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)流量的激增以及IP業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展給當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了諸多新課題。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電話業(yè)務(wù)和租用線業(yè)務(wù)等基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)仍然是現(xiàn)在電信運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)收入的主要來(lái)源，另一方面數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展迫使電信網(wǎng) IP化成為一個(gè)無(wú)法逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻業(yè)務(wù)的融合已成為下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何讓數(shù)據(jù)網(wǎng)承載TDM業(yè)務(wù)以及如何兼顧現(xiàn)有業(yè)務(wù)及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已成為各電信運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的焦點(diǎn)。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(nèi)部實(shí)現(xiàn)電話、視頻和數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的綜合接入。 EPON作為新一代的寬帶接入技術(shù)為了滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與融合的客觀要求，就必須要實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)包括TDM業(yè)務(wù)的綜合接入。

　　2EPON中如何實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)

　　Ethernet的封裝方式使得EPON技術(shù)非常適于承載IP業(yè)務(wù)的同時(shí)也使其面臨一個(gè)重大的難題――難以承載語(yǔ)音或電路方式數(shù)據(jù)等 TDM業(yè)務(wù)。EPON是基于以太網(wǎng)的異步傳送網(wǎng)絡(luò)，它沒(méi)有全網(wǎng)同步的高精度時(shí)鐘，無(wú)法滿足TDM業(yè)務(wù)的定時(shí)和同步要求。要解決TDM業(yè)務(wù)的定時(shí)同步問(wèn)題同時(shí)又要保證TDM業(yè)務(wù)的QoS等技術(shù)難題不僅要在EPON系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)上做改進(jìn)，同時(shí)也需要采用一些特定的技術(shù)。

　　目前，在EPON系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)傳輸最主要的一種方法是基于分組交換網(wǎng)絡(luò)的電路仿真技術(shù)（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(shù)是指在非TDM網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行電路仿真，實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)如E1/T1，E3/DS3或是STM-1等在分組交換網(wǎng)絡(luò)上的傳送。其基本原理就是在分組交換網(wǎng)絡(luò)上搭建一個(gè)“通道”，通過(guò)增加報(bào)頭，用IP包封裝每個(gè)T1或E1幀，通過(guò)分組交換網(wǎng)（PSN）透?jìng)鞯綄?duì)端。目的端收到數(shù)據(jù)包后重新生成同步時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)去掉數(shù)據(jù)包中的IP頭，把其它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成原始的TDM數(shù)據(jù)流，從而使網(wǎng)絡(luò)兩端的TDM設(shè)備不需關(guān)心其連接的網(wǎng)絡(luò)是否為T(mén)DM網(wǎng)絡(luò)。CESoP對(duì)E1來(lái)說(shuō)是透明傳輸，所以它對(duì)傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)兼容性非常好，所有傳統(tǒng)的協(xié)議、信令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖象等業(yè)務(wù)，都能夠原封不動(dòng)的使用該項(xiàng)新技術(shù)；而且相關(guān)的設(shè)備不需做任何改動(dòng)，可使電信運(yùn)營(yíng)商充分利用現(xiàn)有資源，把傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)應(yīng)用在IP網(wǎng)上。


圖1：通過(guò)分組交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的電路仿真業(yè)務(wù)

　　2.2電路仿真的實(shí)施

　　CESoP電路仿真要求在分組交換網(wǎng)絡(luò)的兩端都要有交互連接功能。在分組交換網(wǎng)絡(luò)入口處，交互連接功能將TDM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)化仿真和非結(jié)構(gòu)化仿真這兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種交互功能模塊。

　　結(jié)構(gòu)化仿真使用了TDM電路中所固有的時(shí)隙結(jié)構(gòu)。首先將幀結(jié)構(gòu)(如DS1中的F位)從數(shù)據(jù)流中提取出來(lái)，然后按順序?qū)⒚總€(gè)時(shí)隙加入到分組的有效載荷內(nèi)，后面再跟著下一幀的同一時(shí)隙，如此反復(fù)。有效載荷全部填滿后，再加上一個(gè)分組頭，該分組就被發(fā)送到分組交換網(wǎng)絡(luò)中。有效載荷一般包含大約八幀TDM數(shù)據(jù)(對(duì)于E1電路而言即有256個(gè)八位位元)。在分組網(wǎng)絡(luò)的出口處，TDM數(shù)據(jù)流被重新產(chǎn)生，并使用新的幀結(jié)構(gòu)。

　　非結(jié)構(gòu)化的傳輸方式則忽略TDM電路中可能存在的任何結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)看作給定數(shù)據(jù)速率的純位流。從TDM位流中按順序截取一系列八位位組來(lái)構(gòu)成分組的有效載荷。因此，構(gòu)成每個(gè)分組有效載荷的八位位組的數(shù)量是隨機(jī)的。一般選取有效載荷的長(zhǎng)度使分組構(gòu)成時(shí)間在1ms左右，對(duì)于T1電路，該長(zhǎng)度為193個(gè)八位位組(見(jiàn)圖2)。對(duì)于E1電路，該長(zhǎng)度為256個(gè)八位位元。這樣，TDM業(yè)務(wù)中的信令被透明傳輸，無(wú)須任何的信令協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)任何類型的TDM業(yè)務(wù)。


圖2：結(jié)構(gòu)化電路仿真業(yè)務(wù)和非結(jié)構(gòu)化電路仿真業(yè)務(wù)

　　2.3CESoP的標(biāo)準(zhǔn)化

　　有關(guān)CESoP技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已在有條不紊地展開(kāi)。目前有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織正在從事CESoP技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，分別是國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU,InternationalTelecommunicationsUnion）;互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF, Internet Engineering Task Force）; MPLS與幀中繼聯(lián)盟（MFA, MPLS and Frame Relay Alliance）; 城域以太論壇（MEF, Metro Ethernet Forum）。各組織正密切關(guān)注自己專長(zhǎng)的領(lǐng)域。

　　ITU-T建議Y.1413ITU是關(guān)于在MPLS網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)TDM的建議。定義了通過(guò)MPLS網(wǎng)絡(luò)承載電路業(yè)務(wù)的格式。該建議主要規(guī)定TDM-MPLS網(wǎng)絡(luò)互通的必要功能要求。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支持結(jié)構(gòu)化的TDM仿真和非結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)制定分組交換網(wǎng)（PSN）上仿真網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的機(jī)制。被仿真的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)包括數(shù)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(lián)盟(MFA)最近發(fā)布了TDM仿真的實(shí)現(xiàn)協(xié)議 MFA 8.0.0，該協(xié)議規(guī)定了通過(guò) MPLS 網(wǎng)絡(luò)承載 TDM 電路仿真的封裝格式、連接的建立與拆除等；還簡(jiǎn)化了通過(guò) MPLS 承載 TDM 傳輸?shù)膯?wèn)題，允許運(yùn)營(yíng)商向同時(shí)提供語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的單一、融合的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移。

　　MEF則批準(zhǔn)了新的電信級(jí)以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范MEFx（x=1,..,8）。其中，MEF8規(guī)范規(guī)定了基于城域以太網(wǎng)的準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)系列（PDH）電路仿真的實(shí)現(xiàn)方法。MEF 8將和針對(duì)以太網(wǎng)測(cè)試步驟與網(wǎng)絡(luò)管理的新規(guī)范一起促使城域以太網(wǎng)發(fā)展成為一種電信級(jí)傳輸技術(shù)。

　　隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，不同設(shè)備制造商之間的互聯(lián)互通問(wèn)題將會(huì)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(shù)。

　　3TDMoverEPON實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1時(shí)鐘恢復(fù)與抖動(dòng)平滑

　　時(shí)鐘恢復(fù)與抖動(dòng)平滑是TDM分組電路仿真實(shí)現(xiàn)中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1.1時(shí)鐘恢復(fù)

　　在任何通過(guò)分組實(shí)現(xiàn)電路交換的技術(shù)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題之一就是時(shí)鐘恢復(fù)。例如，在兩個(gè)客戶端之間使用專用租借線路通過(guò)運(yùn)營(yíng)商分組網(wǎng)絡(luò)上的仿真鏈路進(jìn)行連接，則客戶TDM業(yè)務(wù)的頻率fservice必須在分組網(wǎng)絡(luò)的出口處精確地重新生成。長(zhǎng)時(shí)間的頻率不匹配將導(dǎo)致分組網(wǎng)絡(luò)出口處形成等待隊(duì)列，如果重新生成的時(shí)鐘比原時(shí)鐘慢，則緩沖器被填滿，反之則會(huì)被清空。這兩種情況都會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失和服務(wù)質(zhì)量下降。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)TDM業(yè)務(wù)的支持，ONU側(cè)的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)是首先要解決的問(wèn)題。就電路仿真技術(shù)本身而言，目前主要有基于SDH的指針調(diào)整方式、差異方式和自適應(yīng)等3種時(shí)鐘恢復(fù)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(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)中的定時(shí)同步。同時(shí)還定義了顯式指針調(diào)整中繼（EPAR：ExplicitPointerAdjustmentRelay）和自適應(yīng)指針管理（APM：Adaptive Pointer Management）這兩種指針管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步操作： EPAR方式通過(guò)重復(fù)發(fā)送端的指針調(diào)整事件來(lái)保證TDM數(shù)據(jù)以與發(fā)送端相同的速率被接收端讀取，通常應(yīng)用于發(fā)送端和接收端存在公共參考時(shí)鐘的情況下；而APM則通過(guò)保持TDM數(shù)據(jù)以接收時(shí)相同的速率被接收端讀取以維持抖動(dòng)緩存的利用率在一定范圍，此時(shí)通常發(fā)送端和接收端無(wú)公共的時(shí)鐘參考。由于EPAR和APM方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)本質(zhì)上都是基于傳統(tǒng)SDH技術(shù)的指針調(diào)整，盡管能保證系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，但實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，成本很高，不適合在EPON系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)用。

　　差異方式是在發(fā)送端和接收端均采用高精度的時(shí)鐘參考源，通過(guò)比較包的到達(dá)頻率與主參考源的頻率之差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)的同步。此方法具有很好的抖動(dòng)和漂移特性，

　　在很大程度上不受網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)變化和包丟失的影響，但是需要在兩端均提供公共參考時(shí)鐘。該實(shí)現(xiàn)方式主要適用于發(fā)送端和接收端均位于電信機(jī)房或其他存在高精度電信時(shí)鐘的場(chǎng)合，

　　自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方式則不需要發(fā)送端和接收端具有公共的參考時(shí)鐘。在接收端根據(jù)到達(dá)包所攜帶的信息就可以恢復(fù)出需要的時(shí)鐘信息。定時(shí)信息既可以是通過(guò)比較本地和遠(yuǎn)端的時(shí)標(biāo)（Timestamp）值來(lái)獲取，也可以根據(jù)包的間隔到達(dá)速率或抖動(dòng)緩存的填充水平來(lái)獲取。由于EPON本身主要用于用戶接入網(wǎng)，加上EPON可以給特定的數(shù)據(jù)包提供很高的服務(wù)質(zhì)量，所以自適應(yīng)的時(shí)鐘恢復(fù)方式應(yīng)用于EPON系統(tǒng)將會(huì)獲得很好的時(shí)鐘特性。

　　3.1.2抖動(dòng)平滑

　　由于以太網(wǎng)采用共享信道，支持存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)無(wú)法控制，具有很大的隨機(jī)性，造成包與包之間的傳輸時(shí)延差，即使所有分組都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的同一路徑進(jìn)行傳送，當(dāng)它們到達(dá)網(wǎng)絡(luò)出口處的交互功能模塊時(shí)仍然會(huì)有一些時(shí)間偏差。這種隨機(jī)性反映在TDM數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程中，實(shí)際引入的瞬時(shí)抖動(dòng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常TDM線路抖動(dòng)容限，我們把它稱之為“分組抖動(dòng)”。由于TDM電路具有恒定不變的位速率，因此我們可通過(guò)使用緩沖區(qū)來(lái)克服抖動(dòng)，將較快到達(dá)的分組在輸出之前進(jìn)行緩存和排序，這樣就可以補(bǔ)償與其它較慢分組之間的延時(shí)差。但由于語(yǔ)音通信的實(shí)時(shí)性要求比較高，緩沖區(qū)對(duì)丟失的包按空包處理。如果緩沖區(qū)過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，導(dǎo)致丟包嚴(yán)重，從而不能很好實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)的平滑，而如果緩沖區(qū)過(guò)大，閘門(mén)打開(kāi)的門(mén)限值就會(huì)加大，就會(huì)使延時(shí)加大，而語(yǔ)音等TDM業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)又有較高的要求，所以緩沖區(qū)大小的設(shè)計(jì)成為抖動(dòng)平滑的關(guān)鍵。

　　3.2如何在多業(yè)務(wù)分組網(wǎng)絡(luò)中給TDM業(yè)務(wù)提供更好的QoS服務(wù)

　　如何在多業(yè)務(wù)分組網(wǎng)絡(luò)中給TDM業(yè)務(wù)提供更好的QoS服務(wù)，這是TDMoverEPON實(shí)現(xiàn)的又一關(guān)鍵問(wèn)題。EPON上的不同業(yè)務(wù)對(duì)QoS的要求不盡相同。TDM業(yè)務(wù)占用帶寬雖小，但對(duì)延時(shí)、抖動(dòng)、漂移、誤碼率等指標(biāo)有很高的要求；而視頻業(yè)務(wù)則需占用較大的帶寬，對(duì)延時(shí)也有一定要求，但可容忍一定程度的丟包；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則需要占用更大的帶寬，并且具有很強(qiáng)的突發(fā)性，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性有較高要求，但對(duì)延時(shí)要求又較低。要滿足不同業(yè)務(wù)的QoS,同時(shí)又要給TDM業(yè)務(wù)提供更好的QoS服務(wù), 這就要求在實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)時(shí)充分考慮TDM業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)和抖動(dòng)的嚴(yán)格要求。解決這一技術(shù)難題不僅需要解決電路仿真中涉及的時(shí)鐘恢復(fù)問(wèn)題，而且還要在EPON系統(tǒng)上進(jìn)行一定的功能改進(jìn)。目前烽火通信提出的解決方案是在EPON系統(tǒng)上為T(mén)DM業(yè)務(wù)指定了更高優(yōu)先級(jí)的邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID），從而保證TDM數(shù)據(jù)無(wú)丟失并且始終得到更高的服務(wù)質(zhì)量；再者采用基于每個(gè)LLID的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，根據(jù)不同時(shí)刻的流量特性結(jié)合用戶服務(wù)水平協(xié)議（SLA）通過(guò)REPORT－GATE機(jī)制實(shí)現(xiàn)帶寬的有效利用。實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)采用這些措施不僅確保了TDM業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)抖動(dòng)等指標(biāo)的嚴(yán)格要求，而且保證了TDM業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

　　4烽火通信率先實(shí)現(xiàn)EPON系統(tǒng)上的TDM業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

　　烽火通信基于EPON的FTTH全業(yè)務(wù)解決方案是以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)，利用單一平臺(tái)為客戶提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻以及TDM專線業(yè)務(wù)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(duì)EPON標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，突破性實(shí)現(xiàn)了在EPON系統(tǒng)上承載語(yǔ)音和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是當(dāng)前為數(shù)不多的能在EPON系統(tǒng)中能提供TDM業(yè)務(wù)的公司之一。其自主研制的AN5000系列采用領(lǐng)先的PWE3方式提供TDM業(yè)務(wù)封裝，該系列中AN5116局端設(shè)備不僅提供大容量的TDM業(yè)務(wù)接口，同時(shí)內(nèi)置64K級(jí)別的交叉連接功能，使得TDM業(yè)務(wù)的開(kāi)展更加靈活，帶寬利用效率更高。

　　作為FTTH研究領(lǐng)域的佼佼者，目前烽火通信在國(guó)內(nèi)已經(jīng)承建了武漢長(zhǎng)飛公寓、四川綿陽(yáng)電信、湖北網(wǎng)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(shù)測(cè)試中名列前矛，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。以浦東信息大樓為例，該工程是中國(guó)電信FTTH試點(diǎn)工程之一，同時(shí)也是國(guó)家863項(xiàng)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(yǔ)音、數(shù)據(jù)、IPTV、TDM等多種業(yè)務(wù)。該工程不僅在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)辟了在一個(gè)工程中開(kāi)通業(yè)務(wù)種類最齊全的記錄，同時(shí)也是TDMoverEPON技術(shù)在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　在電信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，運(yùn)營(yíng)商希望能找到一個(gè)在已建成的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上既可提供可靠的實(shí)時(shí)語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),又可提供等同于已有網(wǎng)絡(luò)一樣的可靠性及品質(zhì)保證的優(yōu)秀解決方案。EPON作為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力地寬帶接入技術(shù)，必須同時(shí)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)地綜合接入服務(wù)。這既是通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和發(fā)展的需要，也是EPON能否在即將到來(lái)FTTX建設(shè)大潮中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位地決定因素之一。