Автор Stefano Bregni, Cefriel
Источник: http://home.dei.polimi.it/bregni/papers/histsync.pdf
Перевод с английского языка Аллилуйкиной А.Д.
Аннотация
Сетевая синхронизация, которая поначалу была неизвестна и считалась не относящейся к эксплуатации и работоспособности телекоммуникационных сетей, играет очень важную роль на всем протяжении эволюции телекоммуникаций, особенно с тех пор как передача и коммутация стали цифровыми. Этот обзор имеет дело с синхронизацией телекоммуникационных сетей с исторической точки зрения, имея свое целью показать, как задачи сетевой синхронизации эволюционировали вместе с телефонными сетями за последние 30 лет, начиная со старых FDM сетей и до последних технологий, таких как PDH, SDH/SONET и ATM. Для каждого случая обращено внимание на разные потребности синхронизации и специфические методы времени транспортировки и распространения, таким образом давая всесторонний обзор эволюционных шагов синхронизации телекоммуникационных сетей.
Современные телекоммуникационные сети, являющиеся результатом долгого эволюционного процесса, берут свое начало в конце 19 века.Передача и коммутация являются двумя основополагающими функциями любой телекоммуникационной сети, особенно телефонных сетей. Передача имеет дело с распространением информации от одной точки сети к другой. Коммутация, с другой стороны, имеет дело с динамическим назначением на основании пользовательского запроса на соединение на соединение через доступные каналы передачи в сети. Передача и коммутация являются взаимодополняющими основами, на которых базируются все телекоммуникационные сервисы. И передача, и коммутация были аналоговыми вначале; потом одна за другой перешли в цифровые технологии.
Эволюция цифровой технологии передачи и коммутации для телефонных сетей общего пользования началась с изолированных цифровых каналов передачи между аналоговыми коммутаторами или радиопередающими системами. Факт использования цифровой технологии был прозрачен для интерфейсов. Таким образом, не было необходимости устанавливать соотношение между внутренней тактовой частотой одной системы и внутренней тактовой частотой другой системы.
Даже когда высокоуровневые мультиплексирующие системы получили развитие, не было необходимых средств для соотнесения тактовых частот высокоскоростных сигналов мультиплексирования с таковыми же низкоскоростными вспомогательными сигналами. На самом деле, оборудование передачи, которое основывается на технологии плезиохронной цифровой иерархии PDH не нуждается в синхронизации, позже метод согласования битовой скорости передачи (вставка импульсов согласования скорости передачи) позволил мультиплексировать асинхронный сигналы со значительным частотным сдвигом.
Проблемы начали возникать с такой асинхронной архитектурой, когда цифровая технология была перенята для коммутаторов. Цифровое коммутационное оборудование нуждается в синхронизации для того, чтобы избежать проскальзываний во входной гибкой памяти. В то время, как проскальзывания не оказывают значительного воздействия на телефонный разговор , они могут вызывать проблемы на некоторых сервисах передачи данных. Введение сетей передачи данных с коммутацией каналов и цифровых сетей с интегрированным обслуживанием (ISDN) впервые потребовало более строгих условий синхронизации.
Фактически, однако, продолжающееся распространение технологии синхронной цифровой иерархии ( SDH) и синхронных оптических сетей (SONET) в сетях передачи сделало синхронизацию горячей темой в комитете стандартов в последние несколько лет, по мере необходимости соответствующие требования к аппаратуре сетевой синхронизации становились все более и более строгими для того, чтобы полностью использовать возможности SDH/SONET.
Более того, кроме нужд SDH/SONET в наши дни оборудование сетевой синхронизации является единогласно обоснованным прибыльным сетевым ресурсом, обеспечивающим цифровую коммутацию без проскальзываний; увеличивающее производительность транспортных сервисов, которые основаны на асинхронном режиме передачи данных (ATM) и пригодно для улучшения качества других многочисленных служб – ISDN,глобальной системы мобильной связи (GSM) и так далее.
По этой причине все большинство сетевых провайдеров основало или сейчас планирует национальные сети синхронизации для того, чтобы распространять общие марки времени для каждого узла их телекоммуникационных сетей. Со стороны стандартизации, международный союз по телекоммуникациям – секция стандартизации телекоммуникаций (ITU-T) и Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI) теперь разрабатывают полностью новые стандарты синхронизации, конкретизируя более строго и более комплексно требования к диттеру и вандеру интерфейсов синхронизации, точность и стабильность тактовой частоты и архитектуре сети синхронизации.
В.С Линдси предоставил одну из главных учебных пособий по сетевой синхронизации. Эта статья имеет дело, с теоретической точки зрения, с распространением синхросигнала и частоты по сети с расположенными отдельно источниками тактовых импульсов, даже с коррекцией задержек, и предоставляет математические модели для описания сетей синхронизации, их стабильности и их поведения в установившемся режиме, тем не менее в приложениях, которые обсуждаются в данной статье ( а именно, в основном синхронизация оборудования цифровых телекоммуникационных сетей), требование к коррекции задержек не определено, так как фиксированный фазовый сдвиг не является проблемой.
С другой стороны, П.Карташов, написавший на несколько лет позже, предоставляет довольно общий обзор различных аспектов тактирования и синхронизации в цифровых телекоммуникационных сетях, пропуская все математические детали. Отмечаются основные концепции, такие как проскальзывание, архитектура сетей и оборудование.
Третья учебная статья по цифровым сетям синхронизации была написана недавно Дж. Беллами в IEE Communication Magazine. Эта статья сфокусирована, с одной стороны, на измерении джиттера и вандера и обзоре их причин возникновения. С другой стороны, статья имеет дело с синхронным и асинхронным цифровым мультиплексированием и некоторыми источниками тактирования в таких сетях.
Эта озорная статья, наоборот имеет дело с синхронизацией телекоммуникационных сетей с исторической точки зрения. После короткого введения в основные принципы синхронизации, которые получили широчайшее применение, показывается как задачи сетевой синхронизации эволюционировали вместе с телефонными сетями за последние 30 лет, начиная со старой технологии частотного уплотнения (FDM) до последних технологий таких, как PDH, SDH/SONET и ATM. Для каждого случая , обращено внимание а различные требования по синхронизации и конкретные методы времени транспортировки и распространения сигнала между узлами сетей. Таким образом предоставляя всесторонний обзор шагов эволюции сетевой синхронизации телекоммуникационных сетей.
Принципы сетевой синхронизации
Сетевая синхронизация имеет дело с распространением сигналов тактовой частоты и частоты синхронизации по сети, распространяющимися между сетями и даже широкими географическими регионами. Целью является выровнять тактовую частоту и частотный масштаб путем использования основных коммутационных характеристик линий связи, соединяющих их ( медные кабели, оптоволокно, радиоканалы).
Как продвижение по введению, сетевая синхронизация играет центральную роль в современных цифровых телекоммуникационных технологиях, определяя качество большинства сервисов, предлагаемы сетевыми провайдерами своим потребителям. С этой целью множество различных принципов сетевой синхронизации были представлены. Среди них следующие три нашли широкое применение в последние десятилетия: полностью плезиохронная, иерархия ведущий-ведомый и взаимная синхронизация. Основные черты этих принципов сейчас будут коротко рассмотрены, обращая внимание на их социо-политическую аналогию для помощи в немедленном понимании их отрицательных и положительных сторон.
Полностью плезиохронный принцип (анархия)
Плезиохронный принцип на самом деле несинхронизациооный принцип (т.к. он не включает канального синхронного распространения). Каждый узел сети оборудован независимым генератором таковых импульсов, отсюда и выражение анархия синхронизации. Анархия является самой простой формой правления, но она основывается на хорошем поведении отдельных элементов. Благодаря отсутствию какого- либо распространения сигнала тактовой частоты, синхронизация работы различных узлов возлагается на точность сетевых генераторов тактовых импульсов, которые вследствие этого должны иметь превосходные показатели производительности.
Иерархия синхронизации ведущий- ведомый
Принцип метода ведущий-ведомый основан на распространении тактового сигнала от генератора тактовых импульсов (ведущий) ко всем другим генераторам в сети (ведомым) напрямую или нет.
Принцип ведущий-ведомый в настоящее время широко применяется для синхронизации современных цифровых телекоммуникационных сетей, благодаря великолепным характеристикам тактирования и надежности, которые могут быть при использовании ограниченных средств.
Взаимная синхронизация (демократия)
Взаимная синхронизация основывается на прямом взаимном контроле между генераторами тактовых импульсов таким образом, что выходная частота каждого является результатом воздействия других генераторов. Такая чистая демократия выглядит привлекательно: нет ведущих и ведомых, а есть взаимное сотрудничество. Однако трудно управлять поведением взаимно контролируемых элементов.
Синхронизация в аналоговых FDM сетях
До введения цифровых принципов любое технологическое изменение имело отдельное влияние на передачу и коммутацию, две очень отличные друг от друга функции, выполняемые в различных частях оборудовани я и претерпевшие различные эволюционные процессы. Введение методов FDM мультиплексирования невероятно увеличило пропускную способность линий передачи без внесения значимых изменений в принципы работы, применяемые методы или управляющие или контролирующие системы коммутаторов.
FDM метод является аналоговым стандартом, позволяющим увеличить число каналов, которые делят одну и ту же физическую среду распространения. С 30-х годов это название стало принадлежать истории телефонных сетей. FDM состоит, как говорит само название, из передвижения каждого канала потока данных по частотной области в различные положения в спектре мультиплексированного сигнала, таким образом, что там не возникает канальной интерференции и таким образом, что все еще можно выделить отдельные каналы из мультиплексированного сигнала с помощью полосовой фильтрации.
Частотное изменение каждого канала производится с помощью модуляции сигнала с одной боковой полосой синусоидального сигнала ( несущей частоты) и производится с помощью последующих ступеней мультиплексирования, в соответствии с иерархией мультиплексирования рекомендованной ССIT сейчас (ITU-T) Рекомендация G.211. Демодуляции сигнала с одной боковой полосой должна быть когерентной. Это заключается в умножении модулированного сигнала на синусоидальный сигнал с такой же частотой и фазой как и у несущей и далее низкочастотная фильтрация. Когерентная демодуляция, таким образом основывается на восстановлении несущей (синхронизация несущей, т.е. восстановление сигнала с частотой и фазой когерентными несущей). Более бесценным является частотный сдвиг между истинной несущей и восстановленным сигналом с искаженными фазой и амплитудой каждой составляющей демодулированного группового сигнала, с другой стороны, фазовый сдвиг вызывает только фазовые искажения.
Синхронизация несущей была выполнена в первых FDM системах с помощью простого метода точка-точка, ограниченного для каждой отдельной системы передачи ( мультиплексор, линия, демультиплексор). Далее, когда FDM образовали большие сети, включающие в себя линии связи на различных уровнях иерархии мультиплексирования, пришлось столкнуться с проблемами методов синхронизации FDM сетей. Пока некоторые сетевые провайдеры полагались на полностью плезиохронный принцип, AT&Т в 70-х запустила первую сеть синхронизации с иерархией синхронизации ведущий-ведомый
Принцип, который был введен базируется на использование поддержка несущей, такое оборудование вырабатывает все необходимые несущие, которые используются на всех уровнях мультиплексирования, и их синхронизации посредством контрольной частоты( обычно кратной 4 кГц), получаемой от ведущего генератора тактовых импульсов сети. Принцип поддержки несущей использует ФАПЧ для сентизирования синхронных частот согласованных с контрольной частотой.
Синхронизация и цифровая PDH передача
Как было отмечено ранее, когда цифровая передача в самом начале была ограничена для изолированных линий связи меду аналоговыми коммутаторами или радиопередающими системами, не было надобности выверять уровни внутренних генераторов одной системы с уровнями другой системы. Потребность в наилучшей эксплуатации физической среды далее привела к развитию принципа мультиплексирования с временным уплотнение (TDM), позволяющего мультиплексировать тысячи телефонных каналов. Две опции для цифрового мультиплексирования ( т.е мультиплексирования цифровых сигналов потоков данных) доступны: синхронная и асинхронная. Обе могут быть с побитовым или побайтовым перемежением.
Синхронизация и цифровая передача SDH/SONET
В 1988 году новый стандарт принципа передачи был определен ITU-T, основанный на стандарте ANSI SONET, но с несколькими добавлениями. В наши дни SDH стремительно заменяет PDH в магистральных сетях передачи по всему миру. Кадры и сигналы иерархических уровней SDH имеют название синхронный транспортный модуль уровня N (STM-N)для N=1,4,16,64. С другой стороны, такие же в SONET имеют название синхронный сигнал передачи уровня N, где N=1,3,12,48,192.Далее, для краткости, мы будем ссылаться на стандарт ITU-T SDH, понимая, что все суждения также касаются и SONET.
Выходной джиттер и сетевая синхронизация в SDH системах
SDH системы определенным образом прозрачны для временного контента потока данных передаваемого в виртуальных контейнерах. Цифровой сигнал, заключенный в виртуальный контейнер и распространяемый по цепи передачи SDH имеет такую же среднию частоту в конце цепи как и до его помещения в виртуальный контейнер.
Тем не менее, нечто обратное тому, что происходит в PDH системах, здесь джиттер может оказать на самом деле сильное влияние на выходной поток данных. Кроме джиттера, возникающего из за линии передачи и джиттера времени ожидания из-за процесса включения сигнала в виртуальный контейнер, выравнивание указателя производит дополнительный джиттер из за больших дискретных шагов перемещения указателя.
Фактическая величина джиттера на выходных портах потоков данных SDH зависит и от скорости выравнивания указателя вдоль цепи передачи и от специфической конструкции оборудования. Также некоторые характеристики современного оборудования улучшенной конструкции имеют возможности для уменьшения джиттера выходного потока данных даже при сильном воздействии указателя, цель обеспечения требований по джиттеру на границах PDH/SDH сложных сетей, где несколько переходов SDH-PDH и PDH-SDH существуют и применяется оборудование различных производителей, может быть достигнута только точностью синхронизации всех сетевых элементов для избежания любого дейстаия указателя.
Тем не менее, обратно PDH, в SDH передачи применяются достоинства сетевой синхронизации и может рассчитывать на них, в зависимости от реализации оборудования. Сфокусировавшись на потребностях SDH, международные органы по стандартизации определили стандартную архитектуру сети синхронизации, основанную на автономных генераторах и иерархии ведущий-ведомый. Такая архитектура сети синхронизации была задумана и разработана для потребностей SDH, но считалась применимой для цифровых сетей любого вида.
Синхронизации сегодня и в будущем
Подчеркнутая причина роста интереса к сетевой синхронизации большинства мировых сетевых провайдеров в последние несколько лет является осведомленность того, что возможности сетевой синхронизации на самом деле являются прибыльным ресурсом, которые могут быть использованы для обеспечения различного оборудования и сервисов.
Контроль проскальзываний в цифровых коммутационных сетях через подходящий план сетевой синхронизации стал стратегической задачей с тех пор как телефонная сеть общего пользования перестала быть единственным предоставляемым сервисом, и более продвинутые сервисы передачи данных таких как, круговая коммутация выделенных ISDN линий были введены. Со стороны цифровой передачи, распространение SDH/SONET технологии сделало сетевую синхронизацию горячей темой, с тех пор как SDH передача возобладала. Более того, продолжающееся введение ATM и в географических и в локальных районах сейчас создает дальнейшее потребности в сетевой синхронизации. Другой пример современных цифровых служб который может принять преимущество возможности сетевой синхронизации это GSMобильных телефонов и персональных коммуникаторов, которые основаны на TDM технологии для сообщения между мобильными терминалами и базовыми станциями.
Более того и другие примеры показывают, что сеть синхронизации сегодня считается прибыльным универсальным сетевым ресурсом. Более коротко, распространение SDH потребность в синхронизации в 90-ые, но сетевая синхронизация является прибыльной не только для SDH.
Использование современной сети синхронизации на основе SSU/BIT концепции сделало доступным в каждом отделе телекоммуникационной сети использование стольких синхросигналов сколько требуется, с большой точностью и видимостью общего ведущего генератора сети, готовое для обслуживания оборудования, сервисов и даже условий потребителей. Сегодня это обычная политика национальных провайдеров предоставлять потребителю выделенные сети, которые использую некоторые цифровые сервисы новые для всего мира, с видимостью синхросигналов для национальных соотношений для того чтобы достичь безошибочного соединения коммутационного интерфейса между провайдером и потребителем. В будущем сценарии, на самом деле, даже синхросигнал может продаваться как продвинутый сервис частным сетевым провайдерам.