IP 経由の TDM

コンピュータ ネットワークと電気通信において、TDM over IP (TDMoIP) は、パケット交換ネットワーク(PSN)上の時分割多重(TDM) のエミュレーションです。TDM はT1、E1、T3、またはE3信号を指し、PSN はIPまたはMPLSまたは生のイーサネットに基づいています。関連技術として回線エミュレーションがあり、これによりセルベース ( ATM ) ネットワーク 上で TDM トラフィックを転送できます。

TDMoIP は、擬似回線(PW)の一種です。ただし、擬似回線で伝送できる他のトラフィック タイプ (ATM、フレーム リレー、イーサネットなど) とは異なり、TDM はリアルタイム ビット ストリームであるため、TDMoIP には独自の特性があります。さらに、従来の TDM ネットワークには、特に音声グレードのテレフォニー チャネルを伝送するために必要な機能を中心に、多数の特別な機能があります。これらの機能には、幅広いテレフォニー機能をサポートするシグナリング システム、豊富な標準化文献、十分に開発された運用管理 (OAM) メカニズムが含まれます。PSN で TDM をエミュレートする場合は、これらすべての要素を考慮する必要があります。

TDM PW を実装する際の重要な問題の 1 つは、クロック回復です。ネイティブ TDM ネットワークでは、物理層は TDM データとともに非常に正確なタイミング情報を伝送しますが、PSN 上で TDM をエミュレートする場合、この同期は存在しません。TDM タイミング標準は厳密な場合があり、これに準拠するには、TDM タイミングを適応的に再現するための革新的なメカニズムが必要になる場合があります。

対処しなければならないもう 1 つの問題は、TDMoIPパケット損失隠蔽(PLC) です。TDM データは専用チャネルを介して一定速度で配信されるため、ネイティブ サービスにビット エラーが発生する可能性がありますが、転送中にデータが失われることはありません。すべての PSN はある程度パケット損失の影響を受けており、PSN を介して TDM を配信する場合はこれを補正する必要があります。

2007 年 12 月、TDMoIP は、 RAD Data Communicationsの Yaakov Stein 博士、Ronen Shashua 氏、Ron Insler 氏、および Motti Anavi 氏が執筆した IETF RFC 5087 として承認されました。

通信サービス プロバイダーと企業顧客は、効率的なイーサネット、IP、および MPLS インフラストラクチャを介した音声および専用回線サービスの導入に関心を持っています。Voice over IP (VoIP) は成熟しつつありますが、導入には新しいネットワーク インフラストラクチャと顧客宅内機器 (CPE) への投資が必要です。TDMoIP は、エンド ユーザーの機器をすぐに交換せずに、最新のパケット交換ネットワークを転送に使用できる移行パスを提供します。

TDMoIP は、1998 年にRAD Data Communications 社によって初めて開発され(米国特許番号 6,731,649 を参照)、1999 年に Utfors 社 (後にTelenor 社が買収) によってスウェーデンで初めて導入されました。Utfors 社は、第 1 世代の TDMoIP 製品 (IPmux-4 として知られる) を採用して、TDM 専用回線、TDM リース回線、さまざまな IP サービスおよびイーサネット サービスを含むバンドル サービスを提供しました。2001 年に、IETF は、エッジツーエッジ疑似回線のアーキテクチャを開発し、TDM を含むさまざまなサービスの仕様を作成することを目的としたPWE3 ワーキング グループを設立しました。ITU や MPLS - Frame Relay Alliance などの他の標準化フォーラムも、疑似回線の標準および実装契約の作成に積極的に取り組んでいます。

TDM は G.702 で定義されたレートで任意のビット ストリームを伝送するために使用できますが、フレームと呼ばれる同じ数のビットを含むより大きな単位でビット ストリームを伝送する標準化された方法があります。TDM フレーミングは、フレーム レートを音声トラフィックのサンプリング周波数に固定するため、常に 1 秒あたり 8000 フレームになります。T1 フレームは 193 ビットで構成され、E1 フレームは 256 ビットで構成されます。

すべてのビットがペイロードに使用できる非フレーム TDM とは異なり、フレーム TDM では、同期やその他のさまざまな機能のためにフレームごとに一定数のビットを割り当てる必要があります (例: T1 フレームごとに 1 ビット、E1 フレームごとに 8 ビット)。フレーム TDM は、各フレームで繰り返される一連のタイムスロットで、1 秒あたり 8000 個の 8 ビット サンプルで構成される複数の音声チャネルを多重化するためによく使用されます。これが完了すると、「チャネル化された TDM」となり、追加の構造を導入する必要があります。

ゆっくりと変化するチャネル関連シグナリング ビットを効率的に転送するために、マルチフレームまたはスーパーフレームと呼ばれる 2 次構造が定義されています。たとえば、E1 トランクの場合、CAS シグナリング ビットは 16 フレームのマルチフレームごとに 1 回更新されます (2 ミリ秒ごと)。一方、T1 ESF トランクの場合、スーパーフレームは 24 フレーム (3 ミリ秒) です。その他のタイプの 2 次構造も一般的に使用されています。GSM セルラー ネットワークでは、ベース トランシーバ ステーション (BTS) とベース ステーション コントローラ (BSC) を接続する Abis チャネルは、いくつかのフレーミング オプションを備えた E1 リンクであり、そのすべてで基本的なスーパーフレーム期間が 20 ミリ秒です。

「構造化 TDM」という用語は、「フレーム化 TDM」や「チャネル化 TDM」など、あらゆるレベルの構造を持つ TDM を指すために使用されます。

TDMoIP トランスポートは、TDM がフレーム化されていない場合、またはフレーム化またはチャネル化されていても、フレーミングとチャネル化の構造がトランスポート メカニズムによって完全に無視される場合に、「構造化非依存」と呼ばれます。このような場合、すべての構造オーバーヘッドはペイロード データとともに透過的にトランスポートされる必要があり、使用されるカプセル化方法では、その場所や使用方法のメカニズムは提供されません。構造認識 TDM トランスポートは、概念的に異なる 3 つの方法で TDM 構造を明示的に保護できます。これらの方法は、構造ロック、構造表示、構造再アセンブリと呼ばれます。

構造ロックにより、パケットが TDM 構造全体またはその倍数/分数で構成されていることが保証されます。構造表示により、パケットに基本構造の任意のフラグメントを含めることができますが、次の構造がどこから始まるかを示すためにポインタが使用されます。構造再構成では、TDM 構造のコンポーネントが入力時に抽出および再構成され、出力時に受信した構成要素から元の構造が再構成されます。

TDMoIP は、PSN 入力で TDM トラフィックをセグメント化、適応、カプセル化し、PSN 出力で逆の操作を実行することによって動作します。適応とは、PSN 出力でペイロードを適切に復元できるようにペイロードを変更するメカニズムを意味します。適切な適応を使用することで、TDM シグナリングとタイミングを回復でき、ある程度のパケット損失に対応できます。カプセル化とは、適応されたペイロードを、基盤となる PSN テクノロジで必要な形式のパケットに配置することを意味します。MPLS の場合、ITU-T 勧告 Y.1413 にパケット形式の完全な説明が含まれています。

いずれの場合も、TDMoIP パケットは PSN ヘッダーで始まります。これらは PSN テクノロジで使用される標準ヘッダーで、たとえば UDP/IP の 20 バイト ヘッダーや MPLS のラベル スタックなどがあります。これらのヘッダーの後には「PW ラベル」が続きます。これは、異なる TDM PW を多重分離するために使用される 4 バイトの MPLS のようなラベルです。PSN ヘッダーの後には 4 バイトの TDMoIP「制御ワード」が続きます。制御ワードには、16 ビットのパケット シーケンス番号 (パケットの並べ替えとパケット損失を検出するために必要)、ペイロードの長さ、および欠陥状態を示すフラグが含まれます。

制御ワードの後に​​は TDMoIP ペイロードが続きます。構造に依存しないトランスポート (SAToP) の場合、これは単に TDM オクテットの所定の数ですが、構造ロック形式の場合、ペイロードは TDM フレームの整数です。構造表示および構造再アセンブリの場合、TDMoIP は、もともと ATM 用に開発された実績のある適応メカニズムを利用します。このペイロード タイプの選択による副次的な利点は、ATM ネットワーク上で伝送される回線エミュレーション サービスとの相互運用が簡素化されることです。静的に割り当てられた固定ビット レート (CBR) TDM リンクの場合、TDMoIP は ATM 適応層 1 (AAL1) を使用します。ITU-T 標準 I.363.1 および ATM フォーラム仕様 atm-vtoa-0078 で定義されているこのメカニズムは、ATM 上で CBR サービスを伝送するために開発されました。AAL1 は、TDM データの連続ストリームを 48 バイトの小さなセルに分割し、シーケンス、タイミング、エラー回復、および同期情報を挿入することによって動作します。 TDMoIP では、任意の数の AAL1 セルを 1 つのパケットに連結できます (これらは AAL1 セルであり、ATM セルではないことに注意してください。つまり、5 バイトの「セル タックス」は含まれません)。パケットごとに複数のセルを許可することで、TDMoIP はバッファリング遅延 (パケットあたりのセル数が少ないほど減少) と帯域幅効率 (パケットあたりのオーバーヘッドにより、パケットあたりのセル数が多いほど増加) の柔軟なトレードオフを容易にします。動的に割り当てられた TDM リンクの場合、タイム スロットのアクティブ化によって情報レートが変化するか、音声アクティビティ検出によって変化するかに関係なく、TDMoIP は ATM アダプテーション レイヤー 2 (AAL2) を使用します。ITU-T 標準 I.363.2 で定義されているこのメカニズムは、ATM を介して可変ビット レート (VBR) サービスを伝送するために開発されました。AAL2 は、各 TDM タイム スロットを短いミニセルにバッファリングし、タイム スロット識別子と長さの指示を挿入し、順序付けを行い、有効な情報が含まれている場合にのみこのミニセルを送信することで動作します。TDMoIP は、すべてのアクティブなタイム スロットのミニセルを 1 つのパケットに連結します。共通チャネル信号 (CCS) のデータなどの高レベル データ リンク制御 (HDLC) データを伝送するタイム スロットの場合、TDMoIP には、アイドル状態ではないデータのストレッチをカプセル化する特別な適応機能があります。

電話ネットワークは、エンドツーエンドの遅延を厳しく制限します。ITU-T G.114/G.131 では、適切なエコー制御が提供されていると仮定すると、片道の伝送時間は最大 150 ミリ秒であれば一般的に許容されると規定されています。これらの制約は、エンドツーエンドの遅延の主な要素が電気伝搬時間 (「光速遅延」) である TDM ネットワークでは問題になりません。対照的に、IP ベースのシステムでは通常、さまざまな形式の遅延が追加されます。その 1 つは、パケットを形成するのにかかる時間 (パケット化遅延) に基づくもので、パケット サイズをデータ レートで割った値に比例します。パケット サイズを小さくしすぎると、パケット ヘッダーのオーバーヘッドが大きくなりすぎます。IP システムによって導入されるもう 1 つの形式の遅延は、再生遅延です。これは、パケット遅延の変動をバッファリングしてスムーズな再生を保証するために、受信側で追加する必要があります。帯域幅を非常に効率的に使用しようとする VoIP システムでは、音声コーデックに数十ミリ秒のアルゴリズム遅延が追加されることもあります。歴史的に、不適切な実装では、オペレーティング システムによって誘発される追加の遅延が追加され、他の遅延と合わせて、伝播遅延を考慮に入れなくても 100 ミリ秒に近づくことがあります。

対照的に、TDMoIP は音声圧縮アルゴリズムを使用せず、アルゴリズムによる遅延も発生せずに、TDM オクテットをペイロードに直接マッピングします。TDMoIP によって追加されるパケット化の遅延は、パケットあたりのセルの数によって異なりますが、単一の VoIP フローと比較して完全なマルチプレックスのデータ レートが高いため、通常は 1 ミリ秒の範囲になります。ただし、プレイアウト遅延の考慮事項は TDMoIP と VoIP で実質的に違いはありません。そのため、どちらもパケット遅延の変動が制御されたパス (強力なオーバープロビジョニングまたは「QoS」) で最も効果的に機能します。

ネイティブ TDM ネットワークは、タイミングの階層的分散に依存しています。ネットワークのどこかに、長期精度が 1 x 10^-11 の極めて正確なプライマリ リファレンス クロックが少なくとも 1 つあります。Stratum 1 の精度を提供するこのノードは、Stratum 2 の精度を持つセカンダリ ノードにリファレンス クロックを提供します。次に、セカンダリ ノードは Stratum 3 ノードに時間リファレンスを提供します。この時間同期の階層は、ネットワーク全体が適切に機能するために不可欠です。

PSN 内のパケットは、ランダムな要素を持つ遅延を伴って宛先に到達します。この遅延は、パケット遅延変動 (PDV) と呼ばれます。このようなネットワークで TDM トランスポートをエミュレートする場合、このランダム性は、TDM パケットをジッター バッファーに配置し、そこからデータを一定の速度で読み取って TDM エンド ユーザー機器に配信することで克服できます。問題は、TDM ソース時間参照が利用できなくなり、データがジッター バッファーから「クロック アウト」される正確な速度が不明になることです。

場合によっては、タイミングは PW の両端の TDM 機器から取得されることがあります。これらのクロックはそれぞれ非常に正確なので、必然的に高次の順序で一致します。問題は、TDMoIP トンネルの片側だけが高精度の時間標準を持つ場合に発生します。タイミングを伝送する物理層を定義する ATM ネットワークの場合、同期残差タイムスタンプ (SRTS) 方式を使用できます。ただし、IP/MPLS ネットワークは物理層を定義しないため、クロックの精度を指定できません。

したがって、多くの場合、唯一の代替手段は、TDMoIP トラフィックのみに基づいてクロックを回復することです。これは、「アダプティブ クロック回復」と呼ばれるテクノロジです。これは、ソース TDM デバイスがクロックによって決定される一定のレートでビットを生成しているため可能ですが、このレートは PDV によって隠されています。したがって、クロック回復のタスクは、ランダム PDV の影響を打ち消し、元のビット ストリームの平均伝送レートを取得する「平均化」プロセスです。

トラフィックエンジニアリングとサービス品質(QoS) を適切に適用するとパケット損失を最小限に抑えられると期待されますが、パケットが順序どおりに出力に到着しないことがあります。また、PSN 内でパケットが完全にドロップされることもあります。上記の TDMoIP 制御ワードには、失われたパケットや順序が誤っているパケットを検出して処理するための 16 ビットのシーケンス番号が含まれています。パケットが失われた場合、TDMoIP はTDM タイミングを維持するために補間パケットを挿入する必要があります。順序が誤っているパケットは、並べ替えられるか、ドロップされて補間されます。

任意のパケットを挿入するだけで TDM タイミングを維持できる場合もありますが、音声アプリケーションではパケット損失によってギャップやエラーが発生し、途切れ途切れになったり、不快になったり、さらには理解不能な音声になったりすることがあります。パケット損失が音声品質に及ぼす正確な影響とパケット損失隠蔽アルゴリズムの開発は、VoIP コミュニティで詳細に研究されてきましたが、その結果は TDMoIP のケースに直接適用できません。これは、VoIP パケットには通常 80 サンプル (10 ms) から 240 サンプル (30 ms) の音声信号が含まれるのに対し、TDMoIP パケットには少数のサンプルしか含まれない可能性があるためです。TDMoIP パケットは非常に小さいため、失われた音声サンプルの代わりに定数値を挿入するだけで十分です。入力信号がゼロ平均 (つまりDC 成分を含まない) であると仮定すると、この定数をゼロに設定すると歪みが最小限に抑えられます。あるいは、より洗練されたアプローチでは、欠落したサンプルの値を最適に予測する必要があります。

• TDMoIP
• ウェイバックマシンの擬似ワイヤエミュレーション Edge to Edge (pwe3) (2004-12-04 アーカイブ)