Přenos E1 přes sítě IP (TDMoIP)

Autor: J. Vodrážka <vodrazka(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Aplikace a služby, Vydáno dne: 09. 11. 2006

Také v sítích nové generace se vyskytují požadavky na realizaci klasických okruhů E1. Řešením je metoda označovaná TDM over IP představená v článku včetně možného praktického provedení.




PDH E1 transmission over IP
Abstract
Also in new generation networks requirements for realization of classical PDH E1 can be found. Solution to this problem can be a method called TDM over IP described in this paper along with possible practical use.


S nástupem sítí nové generace (NGN) založených na přenosu buněk ATM a zejména paketů IP je spojena snaha zajistit i přenos mezi existujícími rozhraními sítí s přepojováním okruhů. Pro tento způsob přenosu se používá poněkud nepřesně zkratka TDM (Time Division Multiplex) a vzniklo tak označení TDM over ATM, zkráceně TDMoATM, a TDM over IP, zkráceně TDMoIP.

Princip přenosu TDM over IP

Signálem TDM se má obvykle na mysli v Evropě tok E1, méně často i E3. Velice častý bývá stále ještě požadavek na přenos signálu E1, např. pro propojení klasických telefonních ústředen, což může být výhodnější než konverze hovorového signálu na formát VoIP (Voice over IP) pomocí bran na hranici sítě IP.

TDMoIPsit

Obr. 1 Přenos signálu E1 pomocí sítě IP

Při přenosu signálů TDM s konstantní přenosovou rychlostí je třeba zajistit jednak požadovanou propustnost sítě, dále prioritní odbavování v uzlech IP sítě a obnovu taktu na přijímací straně s potlačením fázového chvění (jitter). Přenos TDM over IP se obvykle zajišťuje přes rozhraní Ethernet při použití protokolu UDP na 4. vrstvě komunikace tak, jak ukazuje následující obrázek struktury rámce.

TDMoIPramec

Obr. 2 Přenos signálu TDM pomocí paketu IP a rámce Ethernet

Je zřejmé, že každá komunikační vrstva přidá své záhlaví a naroste tím režie přenosu. Lze tedy očekávat vyšší požadavek na propustnost sítě, než je čistá přenosová rychlost 2,048 Mbit/s v případě přenosu E1.

Zpoždění versus efektivita přenosu

Následující tabulka ukazuje, jakou přenosovou rychlost je nutné vyhradit na vrstvě Ethernet při přenosu jednoho toku E1 v závislosti na počtu kanálových intervalů TDM umístěných do informačního pole IP paketu (kanály TDM). Na tom je závislá efektivita přenosu v %, tj. poměrné navýšení toku v důsledku přidaných záhlaví UDP (8 byte), IP (20 byte) a Ethernet (18 byte) i zpoždění při přenosu. Hodnoty zpoždění od jednoho konce ke druhému uvedené v tabulce nezapočítávají případné zpoždění v síťových prvcích IP sítě, je však započítáno zpoždění nutné pro vyrovnání kolísání zpoždění pomocí potlačovače fázového chvění (jitter buffer) – zde použita hodnota 1 ms. Tato hodnota by měla být nastavitelná v dostatečně širokých mezích, aby bylo možné kompenzovat kolísání zpoždění v různě koncipovaných a zatížených sítích.

Potřebná rychlost

Zpoždění

Kanály TDM

Informační pole

Délka rámce

Záhlaví

[Mbit/s]

[paket/s]

[ms]

[Byte]

[Byte]

[Byte]

[% rámce]

4,1

5447

1,7

47

48

94

49

3,09

2724

2,1

94

96

142

32

2,76

1816

2,5

141

144

190

24

2,59

1362

2,9

188

192

238

19

2,49

1089

3,3

235

240

286

16

2,43

908

3,7

282

288

334

14

2,38

778

4,1

329

336

382

12

2,34

681

4,5

376

384

430

11

Tab. 1 Potřebná rychlost a efektivita přenosu v závislosti na počtu přenášených kanálů TDM

Pro přenos toku E1 pomocí IP se užívá způsob převzatý z ATM. Nabízí se adaptační vrstva AAL1, která byla zavedena pro přenos v reálném čase s konstantní přenosovou rychlostí a používá se pro přenos TDM over ATM. Vytváří se informační pole buňky s délkou 48 bajtů, přičemž 1 bajt z informačního pole zabere pořadové číslo a jeho zabezpečení kódem CRC. Pro vlastní kanálové intervaly E1 lze tedy použít 47 bajtů (první řádek následující za záhlavím tabulky), případně násobky 47 (další řádky), pokud je snaha zefektivnit přenos, ovšem na úkor zpoždění.

I pro největší délku informačního pole 8x48 bajtů v posledním řádku tabulky vychází zpoždění pod 5 ms, což je vynikající hodnota v porovnání s hodnotami dosahovanými při přenosu Voice over IP, se kterým se TDM over IP někdy porovnává. Problém VoIP je v tom, že zajišťuje individuálně přenos jednoho hovorového kanálu oproti 30, příp. 31 kanálům u E1. Jen aby se u jediného kanálu nashromáždil dostatečný počet vzorků PCM (dle ITU-T G.711), které se uloží do paketu IP, uběhne dosti dlouhá doba (47 vzorkům odpovídá cca 6 ms, 376 vzorkům pak už 47 ms). Při použití kompresních metod se sice zdánlivě snižuje potřebná přenosová rychlost, přidává se však procesní zpoždění a musí se déle čekat na odbavení paketu, protože shromažďovaná data přibývají pomaleji (u ADPCM s rychlostí 32 kbit/s je třeba 12 ms do naplnění 47 bajtů). Zpoždění může být kritické již od několika málo desítek ms, protože se začínají výrazně projevovat ozvěny v hovoru, zcela nepřijatelná bývá hodnota v řádu stovek ms, počítáno od jednoho koncového zařízení ke druhému.

Realizace TDMoIP

Přenos toku E1 je tak možno zajistit přes libovolný spoj a síť podporující Ethernet a IP za pomoci externího zařízení (brány TDMoIP). Příkladem takové brány může být zařízení Vmux-110 od firmy RAD Data Communications [2], která jako první v historii uvedla tento typ technologie na trh. Zařízení plní funkci Ethernet přepínače, IP směrovače a brány TDM over IP pro signál E1.

Také lze využít některý ze sériově vyráběných integrovaných obvodů pro realizaci vlastního zařízení. Např. obvod PacketTrunk-4 Plus firmy TranSwitch Corporation [3] disponuje čtyřmi rozhraními E1 a zajišťuje všechny potřebné funkce včetně adaptace E1 do informačního pole paketu, zajištění priority při přenosu, vyrovnávání kolísání zpoždění a obnovu taktu.

TDMoIPchip

Obr. 3 Blokové schéma obvodu PacketTrunk-4 Plus [3]

Závěr

V dnešních sítích se často vyskytuje požadavek současného přenosu různých typů signálů, zejména toku E1 s rychlostí 2,048 Mbit/s a Ethernet s rychlostmi od 10 do 100 Mbit/s i vyššími. Jedno z možných řešení, jak přenášet toky E1 prostřednictvím IP a Ethernetu je technologie TDM over IP. Je ovšem nutno zajistit dostatečnou propustnost, nízké zpoždění a nízké kolísání zpoždění při přenosu skrze síť IP. Efektivita přenosu je závislá na požadovaném zpoždění, v případě minimálního zpoždění kolem 1 ms je režie téměř 50%. Popsané řešení je výhodné v případě, že požadavek na přenos E1 nebude příliš častý a nebudou kladeny příliš přísné požadavky na zpoždění a fázové chvění.

Článek vznikl za podpory ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu č. FI-IM/145 - Výzkum a vývoj vysokorychlostních mikrovlnných spojů.

Literatura

[1] Vodrážka, J.: Přenosové systémy v přístupové síti. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. 180 s. ISBN 80-01-02660-4.
[2] Schwarz, E.: TDMoIP Technologies. RAD Data Communications. 2003.
[3] TranSwitch Corporation - PacketTrunk-4 Plus – on-line (3.11.2006): http://www.transwitch.com/products/product/page.jsp?product=163