VoIP--基于電路仿真分組語(yǔ)音業(yè)務(wù)

Tim Frost 2005/03/25

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

　　目前，以太網(wǎng)已經(jīng)應用到城域網(wǎng)中，具有高帶寬、低成本的特點(diǎn)，能夠融合語(yǔ)音、視頻及數據通信。但是，城域以太網(wǎng)卻不大可能覆蓋到TDM技術(shù)所能延伸到的區域，畢竟TDM技術(shù)的應用已經(jīng)有很長(cháng)歷史。在通信產(chǎn)業(yè)中，“最后一里”仍舊是最漫長(cháng)的道路。城域以太網(wǎng)提供商要想成為一個(gè)完整的服務(wù)提供商就必須將其業(yè)務(wù)擴展到那些仍處于其網(wǎng)絡(luò )之外的客戶(hù)，或那些覺(jué)得還沒(méi)有理由要放棄高質(zhì)量、可靠且經(jīng)濟的TDM業(yè)務(wù)的人們。

　　CESoP的概念

　　CESoP的基本思想就是在分組交換網(wǎng)絡(luò )上搭建一個(gè)“通道”，在其中實(shí)現TDM電路(如T1或E1)，從而使網(wǎng)絡(luò )任一端的TDM設備不必關(guān)心其所連接的網(wǎng)絡(luò )是否是一個(gè)TDM網(wǎng)絡(luò )。分組交換網(wǎng)絡(luò )被用來(lái)仿真TDM電路的行為，故而稱(chēng)為“電路仿真”(圖1)。

　　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數據轉換成一系列分組，而在分組交換網(wǎng)絡(luò )出口處則利用這一系列分組再重新生成TDM電路。有兩種基本方法來(lái)實(shí)現這種交互功能模塊，包括結構化仿真和非結構化仿真或結構不可知(Structure-Agnostic)。

　　結構化方法使用了TDM電路中所固有的時(shí)隙結構。首先將幀結構(如DS1中的F位)從數據流中提取出來(lái)，然后按順序將每個(gè)時(shí)隙加入到分組的有效載荷內，后面跟著(zhù)下一幀的同一時(shí)隙，如此反復。有效載荷全部填滿(mǎn)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數據(一個(gè)DS1包含192個(gè)八位位組)。在分組網(wǎng)絡(luò )的出口處，TDM數據流被重新產(chǎn)生，并使用新的幀結構。

　　非結構化的傳輸方式忽略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(lái)構成分組的有效載荷。因此，構成每個(gè)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(cháng)度使分組構成時(shí)間在1ms左右，對于T1電路，該長(cháng)度為193個(gè)八位位組(見(jiàn)圖2)。

　　分組網(wǎng)絡(luò )需要考慮的特性

圖2：結構化電路仿真業(yè)務(wù)和非結構化電路仿真業(yè)務(wù)

　　分組網(wǎng)絡(luò )具有和TDM網(wǎng)絡(luò )不相同的特性，這些不同會(huì )影響所有電路仿真系統的性能。分組網(wǎng)絡(luò )必須考慮的基本特性有分組丟失、分組重新排序和分組延遲偏差。

　　分組丟失會(huì )在TDM數據流中造成一個(gè)短時(shí)間的中斷，因此必須采取一定彌補措施，否則仿真系統的端到端延遲將會(huì )改變。正常情況下，CESoP交互連接功能會(huì )在輸出的TDM流中插入與丟失數據長(cháng)度相等的數據。這種插入數據的內容是隨機的，且為適應不同應用而有所不同。例如，如果仿真電路傳送的是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，就會(huì )使用插值方法來(lái)預測該時(shí)隙的內容。但是，如果電路傳送的是數據，那么插值方法無(wú)效，此時(shí)使用一個(gè)固定數值即可。

　　分組還可在網(wǎng)絡(luò )內進(jìn)行重新排序。例如，如果一些分組在網(wǎng)絡(luò )中通過(guò)一條較快的路徑，它們就會(huì )比那些先傳送的分組先到達目標設備。CESoP交互功能必須能夠在重新生成TDM數據流之前，將分組按正確順序進(jìn)行排序。

　　最后，即使所有分組都通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的同一路徑進(jìn)行傳送，在它們到達網(wǎng)絡(luò )出口處的交互功能模塊時(shí)仍然可能會(huì )有一些時(shí)間偏差，這就是“分組延遲偏差”或“分組抖動(dòng)”。由于TDM電路具有恒定不變的位速率，因此必須將較快到達的分組在輸出之前進(jìn)行緩沖，這樣就可以補償與其它較慢分組之間的延時(shí)差。這種緩沖器稱(chēng)為“抖動(dòng)緩沖器”。

　　時(shí)鐘恢復

　　在任何通過(guò)分組實(shí)現電路交換的技術(shù)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題之一就是時(shí)鐘恢復(見(jiàn)圖3)。例如，在兩個(gè)客戶(hù)端之間使用專(zhuān)用租借線(xiàn)路通過(guò)運營(yíng)商分組網(wǎng)絡(luò )上的仿真鏈路進(jìn)行連接，則客戶(hù)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(cháng)時(shí)間的頻率不匹配將導致分組網(wǎng)絡(luò )出口處形成等待隊列，如果重新生成的時(shí)鐘比原時(shí)鐘慢，則緩沖器被填滿(mǎn)，反之則會(huì )被清空。這兩種情況都會(huì )造成數據丟失和服務(wù)質(zhì)量下降。

　　在分組網(wǎng)絡(luò )中，分組在時(shí)間上是不連續的，故其入口和出口頻率之間的連接將被中斷。因此，除非存在外部方法實(shí)現時(shí)鐘分配，否則分組網(wǎng)絡(luò )出口處的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)功能必須通過(guò)某種方法恢復原TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘頻率。

圖4：電路仿真接入網(wǎng)絡(luò )組成示意圖

　　電路仿真不關(guān)心網(wǎng)絡(luò )上傳輸的通信業(yè)務(wù)是何種類(lèi)型，語(yǔ)音、視頻或分組數據都可以傳輸。電路仿真透明地傳輸各數據位，TDM鏈路遠端重新生成的數據盡可能忠實(shí)地再現原始數據。這使CESoP成為一種非常靈活的數據處理技術(shù)。

　　VoIP假定所傳輸的數據是由語(yǔ)音采樣組成，可能會(huì )使用語(yǔ)音回聲消除及專(zhuān)門(mén)用于語(yǔ)音的壓縮技術(shù)來(lái)減少帶寬占用，這就破壞了其它類(lèi)型數據業(yè)務(wù)，而使提供給最終用戶(hù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量降低。

　　5. CESoP需要時(shí)鐘恢復或時(shí)鐘分配機制

　　如前所述，時(shí)鐘和同步是制約任何通過(guò)分組實(shí)現電路交換的主要技術(shù)障礙。傳輸的每一位都必須按其進(jìn)入分組網(wǎng)絡(luò )的同樣速率從分組網(wǎng)絡(luò )輸出，否則目的節點(diǎn)的抖動(dòng)緩沖器就會(huì )被填滿(mǎn)或被清空。除非存在一種方法來(lái)向兩端分配共同時(shí)鐘，否則必須要有時(shí)鐘恢復功能，否則將破壞數據完整性。

　　通過(guò)電路仿真方法，同步“內置”于網(wǎng)絡(luò )中。TDM電路攜帶時(shí)鐘，自適應或差分時(shí)鐘恢復用來(lái)在目的節點(diǎn)處保證TDM電路保持同步，不出現任何緩沖器滑動(dòng)。

　　VoIP也是恒定速率業(yè)務(wù)，因此可以使用相似的時(shí)鐘和同步機制。但在實(shí)際應用中，VoIP會(huì )偶爾丟掉或插入一個(gè)語(yǔ)音數據采樣。如果時(shí)鐘足夠接近，則這種處理對語(yǔ)音質(zhì)量的影響微不足道。如果對數據業(yè)務(wù)也使用同樣技術(shù)則會(huì )產(chǎn)生嚴重的影響，會(huì )導致分組重傳，從而使有效數據速率降低。

　　總之，與VoIP相比，CESoP是一種在實(shí)現上更簡(jiǎn)單的技術(shù)，主要適用于需要向同一地點(diǎn)傳送多個(gè)通道數據的情況。CESoP不需要信令網(wǎng)關(guān)和回聲消除，在傳輸數據的類(lèi)型上更為靈活。其面臨的主要技術(shù)困難是需要外部時(shí)鐘分配機制，或者要有精確而穩定的時(shí)鐘恢復功能來(lái)從接收的分組流中提取時(shí)鐘。

　　CESoP應用

　　CESoP的主要應用是繼續支持客戶(hù)的TDM業(yè)務(wù)(見(jiàn)圖4)。例如，基于以太網(wǎng)絡(luò )的城域接入網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商仍想支持TDM連接的客戶(hù)，通過(guò)采用ESoP，客戶(hù)不必為實(shí)現基于分組的業(yè)務(wù)而更新他們的設備。同樣，運營(yíng)商也避免了更新其與客戶(hù)之間最后一英里的連接網(wǎng)絡(luò )。這些業(yè)務(wù)采用直接連接兩個(gè)客戶(hù)端的專(zhuān)用租借線(xiàn)路和用于將客戶(hù)端連接到中心局的接入線(xiàn)。

　　對于擁有眾多用戶(hù)的樓宇或校園業(yè)務(wù)，運營(yíng)商可能需要在靠近客戶(hù)的地方裝設遠端集中器。遠端集中器集中提供給該樓宇內客戶(hù)的TDM和/或分組業(yè)務(wù)，使用電路仿真并通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)連接將業(yè)務(wù)傳回最近的城域網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)。

　　電路仿真還可用于企業(yè)內部以降低運營(yíng)成本。當一個(gè)企業(yè)具有一個(gè)總部以及通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)的多個(gè)遠程分部時(shí)，可以將之間的電話(huà)鏈路更換為“電路仿真”，通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )連接來(lái)傳送語(yǔ)音業(yè)務(wù)。這種免費長(cháng)話(huà)應用的缺點(diǎn)是語(yǔ)音質(zhì)量降低，除非分組網(wǎng)絡(luò )上有充分的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證。當由外部業(yè)務(wù)提供商運營(yíng)分組網(wǎng)絡(luò )時(shí)，可能需要重新擬定更高品質(zhì)的業(yè)務(wù)級別協(xié)議。

　　CESoP在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域也擁有一席之地。對于無(wú)線(xiàn)電話(huà)運營(yíng)商租用T1/E1電路來(lái)連接基站和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器的情況而言，更為經(jīng)濟的方案則是從另一家業(yè)務(wù)提供商處通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行CESoP連接。

　　促進(jìn)網(wǎng)絡(luò )融合

　　正如運營(yíng)商和企業(yè)尋求從TDM向分組網(wǎng)絡(luò )升級，電路仿真技術(shù)允許網(wǎng)絡(luò )不斷進(jìn)化發(fā)展，而不必更換整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。對于通過(guò)分組傳輸語(yǔ)音而言，CESoP比VoIP具有明顯優(yōu)勢。它是一種十分有用的技術(shù)，將有助于整個(gè)產(chǎn)業(yè)向統一和經(jīng)濟的融合網(wǎng)絡(luò )轉移。

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