EPON系统中TDM业务的实现

1引言

　　近年来全球范围内数据流量的激增以及IP业务的飞速发展给当前网络建设提出了诸多新课题。一方面传统的电话业务和租用线业务等基础电信业务仍然是现在电信运营商业务收入的主要来源，另一方面数据业务的高速发展迫使电信网 IP化成为一个无法逆转的趋势。数据、语音和视频业务的融合已成为下一代网络（NGN）发展的必然趋势。如何让数据网承载TDM业务以及如何兼顾现有业务及未来网络发展已成为各电信运营商关注的焦点。而最终用户则总是希望以尽可能低的成本在企业或家庭内部实现电话、视频和数据等多种业务的综合接入。 EPON作为新一代的宽带接入技术为了满足网络发展与融合的客观要求，就必须要实现多种业务包括TDM业务的综合接入。

　　2EPON中如何实现TDM业务

　　Ethernet的封装方式使得EPON技术非常适于承载IP业务的同时也使其面临一个重大的难题——难以承载语音或电路方式数据等 TDM业务。EPON是基于以太网的异步传送网络，它没有全网同步的高精度时钟，无法满足TDM业务的定时和同步要求。要解决TDM业务的定时同步问题同时又要保证TDM业务的QoS等技术难题不仅要在EPON系统自身设计上做改进，同时也需要采用一些特定的技术。

　　目前，在EPON系统上实现TDM业务传输最主要的一种方法是基于分组交换网络的电路仿真技术（CESoP,CircuitEmulation over Packet Switched Net）。

　　2.1从电路交换到分组交换的基本思想

　　CESoP技术是指在非TDM网络上进行电路仿真，实现TDM业务如E1/T1，E3/DS3或是STM-1等在分组交换网络上的传送。其基本原理就是在分组交换网络上搭建一个“通道”，通过增加报头，用IP包封装每个T1或E1帧，通过分组交换网（PSN）透传到对端。目的端收到数据包后重新生成同步时钟信号，同时去掉数据包中的IP头，把其它数据转化成原始的TDM数据流，从而使网络两端的TDM设备不需关心其连接的网络是否为TDM网络。CESoP对E1来说是透明传输，所以它对传统的电信网络兼容性非常好，所有传统的协议、信令、数据、语音、图象等业务，都能够原封不动的使用该项新技术；而且相关的设备不需做任何改动，可使电信运营商充分利用现有资源，把传统TDM业务应用在IP网上。


图1：通过分组交换网络实现的电路仿真业务

　　2.2电路仿真的实施

　　CESoP电路仿真要求在分组交换网络的两端都要有交互连接功能。在分组交换网络入口处，交互连接功能将TDM数据转换成一系列分组，而在出口处则利用这一系列分组再重新生成TDM电路。目前有结构化仿真和非结构化仿真这两种方法来实现这种交互功能模块。

　　结构化仿真使用了TDM电路中所固有的时隙结构。首先将帧结构(如DS1中的F位)从数据流中提取出来，然后按顺序将每个时隙加入到分组的有效载荷内，后面再跟着下一帧的同一时隙，如此反复。有效载荷全部填满后，再加上一个分组头，该分组就被发送到分组交换网络中。有效载荷一般包含大约八帧TDM数据(对于E1电路而言即有256个八位位元)。在分组网络的出口处，TDM数据流被重新产生，并使用新的帧结构。

　　非结构化的传输方式则忽略TDM电路中可能存在的任何结构，将数据看作给定数据速率的纯位流。从TDM位流中按顺序截取一系列八位位组来构成分组的有效载荷。因此，构成每个分组有效载荷的八位位组的数量是随机的。一般选取有效载荷的长度使分组构成时间在1ms左右，对于T1电路，该长度为193个八位位组(见图2)。对于E1电路，该长度为256个八位位元。这样，TDM业务中的信令被透明传输，无须任何的信令协议转换设备就可以实现任何类型的TDM业务。


图2：结构化电路仿真业务和非结构化电路仿真业务

　　2.3CESoP的标准化

　　有关CESoP技术的标准化工作已在有条不紊地展开。目前有4个标准化组织正在从事CESoP技术的标准化工作，分别是国际电信联盟（ITU,InternationalTelecommunicationsUnion）;互联网工程任务组（IETF, Internet Engineering Task Force）; MPLS与帧中继联盟（MFA, MPLS and Frame Relay Alliance）; 城域以太论坛（MEF, Metro Ethernet Forum）。各组织正密切关注自己专长的领域。

　　ITU-T建议Y.1413ITU是关于在MPLS网络上实现TDM的建议。定义了通过MPLS网络承载电路业务的格式。该建议主要规定TDM-MPLS网络互通的必要功能要求。这个标准支持结构化的TDM仿真和非结构化的TDM仿真。

　　IETF下属的边缘到边缘的伪线仿真（PWE3，PseudoWireEmulation Edge-to-Edge）工作组负责制定分组交换网（PSN）上仿真网络业务的机制。被仿真的网络业务包括数字TDM专线、帧中继（FR）、ATM信元和ATM适配（AAL）、Ethernet和Ethernet VLAN、HDLC、PPP等。

　　MPLS与帧中继联盟(MFA)最近发布了TDM仿真的实现协议 MFA 8.0.0，该协议规定了通过 MPLS 网络承载 TDM 电路仿真的封装格式、连接的建立与拆除等；还简化了通过 MPLS 承载 TDM 传输的问题，允许运营商向同时提供语音、视频和数据业务的单一、融合的网络转移。

　　MEF则批准了新的电信级以太网技术规范MEFx（x=1,..,8）。其中，MEF8规范规定了基于城域以太网的准同步数据系列（PDH）电路仿真的实现方法。MEF 8将和针对以太网测试步骤与网络管理的新规范一起促使城域以太网发展成为一种电信级传输技术。

　　随着这些标准的制定，不同设备制造商之间的互联互通问题将会逐步得到解决。目前EPON厂商采用的TDM仿真芯片主要采用的还是IETF的PEW3工作组的边缘到边缘的伪线仿真（PEW3）技术。

　　3TDMoverEPON实现的关键技术

　　3.1时钟恢复与抖动平滑

　　时钟恢复与抖动平滑是TDM分组电路仿真实现中的两个关键技术

　　3.1.1时钟恢复

　　在任何通过分组实现电路交换的技术中，最关键的问题之一就是时钟恢复。例如，在两个客户端之间使用专用租借线路通过运营商分组网络上的仿真链路进行连接，则客户TDM业务的频率fservice必须在分组网络的出口处精确地重新生成。长时间的频率不匹配将导致分组网络出口处形成等待队列，如果重新生成的时钟比原时钟慢，则缓冲器被填满，反之则会被清空。这两种情况都会造成数据丢失和服务质量下降。而要实现对TDM业务的支持，ONU侧的时钟恢复技术是首先要解决的问题。就电路仿真技术本身而言，目前主要有基于SDH的指针调整方式、差异方式和自适应等3种时钟恢复方式。

　　在IETF制定的文档draft-ietf-pwe3-sonet-09.txt中，定义了利用SDH指针调整技术实现分组网络中的定时同步。同时还定义了显式指针调整中继（EPAR：ExplicitPointerAdjustmentRelay）和自适应指针管理（APM：Adaptive Pointer Management）这两种指针管理方式来实现网络同步操作： EPAR方式通过重复发送端的指针调整事件来保证TDM数据以与发送端相同的速率被接收端读取，通常应用于发送端和接收端存在公共参考时钟的情况下；而APM则通过保持TDM数据以接收时相同的速率被接收端读取以维持抖动缓存的利用率在一定范围，此时通常发送端和接收端无公共的时钟参考。由于EPAR和APM方式实现时钟恢复本质上都是基于传统SDH技术的指针调整，尽管能保证系统的时钟同步，但实现很复杂，成本很高，不适合在EPON系统规模应用。

　　差异方式是在发送端和接收端均采用高精度的时钟参考源，通过比较包的到达频率与主参考源的频率之差进行补偿，实现TDM业务的同步。此方法具有很好的抖动和漂移特性，

　　在很大程度上不受网络延时、网络延时变化和包丢失的影响，但是需要在两端均提供公共参考时钟。该实现方式主要适用于发送端和接收端均位于电信机房或其他存在高精度电信时钟的场合，

　　自适应时钟恢复方式则不需要发送端和接收端具有公共的参考时钟。在接收端根据到达包所携带的信息就可以恢复出需要的时钟信息。定时信息既可以是通过比较本地和远端的时标（Timestamp）值来获取，也可以根据包的间隔到达速率或抖动缓存的填充水平来获取。由于EPON本身主要用于用户接入网，加上EPON可以给特定的数据包提供很高的服务质量，所以自适应的时钟恢复方式应用于EPON系统将会获得很好的时钟特性。

　　3.1.2抖动平滑

　　由于以太网采用共享信道，支持存储转发，数据包的传输延时无法控制，具有很大的随机性，造成包与包之间的传输时延差，即使所有分组都通过网络的同一路径进行传送，当它们到达网络出口处的交互功能模块时仍然会有一些时间偏差。这种随机性反映在TDM数据的发送过程中，实际引入的瞬时抖动会远远超过正常TDM线路抖动容限，我们把它称之为“分组抖动”。由于TDM电路具有恒定不变的位速率，因此我们可通过使用缓冲区来克服抖动，将较快到达的分组在输出之前进行缓存和排序，这样就可以补偿与其它较慢分组之间的延时差。但由于语音通信的实时性要求比较高，缓冲区对丢失的包按空包处理。如果缓冲区过小，就会出现溢出现象，导致丢包严重，从而不能很好实现抖动的平滑，而如果缓冲区过大，闸门打开的门限值就会加大，就会使延时加大，而语音等TDM业务对延时又有较高的要求，所以缓冲区大小的设计成为抖动平滑的关键。

　　3.2如何在多业务分组网络中给TDM业务提供更好的QoS服务

　　如何在多业务分组网络中给TDM业务提供更好的QoS服务，这是TDMoverEPON实现的又一关键问题。EPON上的不同业务对QoS的要求不尽相同。TDM业务占用带宽虽小，但对延时、抖动、漂移、误码率等指标有很高的要求；而视频业务则需占用较大的带宽，对延时也有一定要求，但可容忍一定程度的丢包；数据业务则需要占用更大的带宽，并且具有很强的突发性，对数据的完整性和准确性有较高要求，但对延时要求又较低。要满足不同业务的QoS,同时又要给TDM业务提供更好的QoS服务, 这就要求在实现TDM业务时充分考虑TDM业务对延时和抖动的严格要求。解决这一技术难题不仅需要解决电路仿真中涉及的时钟恢复问题，而且还要在EPON系统上进行一定的功能改进。目前烽火通信提出的解决方案是在EPON系统上为TDM业务指定了更高优先级的逻辑链路标识（LLID），从而保证TDM数据无丢失并且始终得到更高的服务质量；再者采用基于每个LLID的动态带宽分配算法，根据不同时刻的流量特性结合用户服务水平协议（SLA）通过REPORT－GATE机制实现带宽的有效利用。实验证明通过采用这些措施不仅确保了TDM业务对延时抖动等指标的严格要求，而且保证了TDM业务的服务质量。

　　4烽火通信率先实现EPON系统上的TDM业务实现

　　烽火通信基于EPON的FTTH全业务解决方案是以EPON技术为基础，利用单一平台为客户提供数据、语音、视频以及TDM专线业务的综合可靠接入。在这里值得一提的是，烽火通信率先突破了IEEE对EPON标准的规定，突破性实现了在EPON系统上承载语音和电路型数据业务，是当前为数不多的能在EPON系统中能提供TDM业务的公司之一。其自主研制的AN5000系列采用领先的PWE3方式提供TDM业务封装，该系列中AN5116局端设备不仅提供大容量的TDM业务接口，同时内置64K级别的交叉连接功能，使得TDM业务的开展更加灵活，带宽利用效率更高。

　　作为FTTH研究领域的佼佼者，目前烽火通信在国内已经承建了武汉长飞公寓、四川绵阳电信、湖北网通南湖都市桃源小区、武汉电信紫菘小区、北京通信宽HOUSE、浦东信息大楼等众多FTTH工程，并且在历次的技术测试中名列前矛，积累了丰富的工程应用经验。以浦东信息大楼为例，该工程是中国电信FTTH试点工程之一，同时也是国家863项目——3Tnet的组成部分，由上海电信承建。为了满足各类商业用户的要求，烽火通信在该工程里综合提供了语音、数据、IPTV、TDM等多种业务。该工程不仅在国内率先开辟了在一个工程中开通业务种类最齐全的记录，同时也是TDMoverEPON技术在国内的首次应用。

　　5结束语

　　在电信市场竞争日趋激烈的今天，运营商希望能找到一个在已建成的网络基础上既可提供可靠的实时语音、视频和数据业务,又可提供等同于已有网络一样的可靠性及品质保证的优秀解决方案。EPON作为一种极具竞争力地宽带接入技术，必须同时提供语音、数据和视频业务地综合接入服务。这既是通信网络演进和发展的需要，也是EPON能否在即将到来FTTX建设大潮中占据优势地位地决定因素之一。