Библиотека

Синхронизация цифровых сетей. Методы, терминология, аппаратура

Автор: Н.Слепов

Источник: http://www.electronics.ru/issue/2002/2/4

Синхронизация цифровых сетей – основа их нормальной работы. При восстановлении сигнала важна не только его форма, но и момент его детектирования приемником. Поэтому "часы" на любом из узлов транспортной сети должны показывать "одно и то же время" – т.е. работать синхронно, с точностью до пикосекунды. Как этого добиться без чрезмерно больших затрат, если узлы разнесены порой на тысячи километров?

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИНХРОНИЗАЦИИ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ПОНЯТИЯ

Проблемы синхронизации цифровых сетей – это часть общей задачи синхронизации цифровых последовательностей, однако они имеют и некоторые специфические особенности. Две сопоставляемые цифровые последовательности могут быть синхронизированы по трем параметрам:
  • по времени прихода на узел сети t – временная синхронизация;
  • по начальной фазе синхронизируемого блока – фазовая синхронизация;
  • по длительности интервала (t) или частоте следования импульсов f = 1/t – частотная синхронизация.
Задача временной синхронизации глобальна, но решается просто, если использовать службу единого скоординированного времени (UTC) или единый источник синхронизации, например навигационные системы Loran-C и GPS/ГЛОНАСС. Фазовая синхронизация актуальна только для конкретного физического устройства и достаточно просто обеспечивается системами фазовой автоподстройки, позволяющими привязывать начальную фазу сигнала к началу такта локального тактового генератора.
Проблема частотной синхронизации – наиболее сложная, поскольку она глобальна и локальна одновременно (она актуальна как для всей транспортной сети, так и для любого конкретного мультиплексора или коммутатора в точке восстановления). Подавляющее большинство проблем синхронизации относится именно к частотной синхронизации, поэтому далее будем рассматривать только ее.
В цифровых системах с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), использующих плезиохронную и синхронную цифровую иерархию (ПЦИ/PDH, СЦИ/SDH), основной вид синхронизации – тактовая, она определяет остальные (по фреймам и мультифреймам) виды синхронизации. Проблемы синхронизации возникают, когда несколько простых локальных сетей (узлы имеют топологию "звезды" и настолько близки друг к другу, что временем распространения сигналов между ними можно пренебречь), причем каждая со своим источником тактовой сетевой синхронизации (ТСС), объединяются в сложную сеть передачи.
Если на передающем и принимающем узлах частоты источников тактовой синхронизации (хронирующих источников, или таймеров) не совпадают, за определенное время накапливается ошибка временного интервала (ОВИ/TIE), равная разности момента прихода (tп) n-го импульса цифровой последовательности и момента генерации (tг) n-го импульса источником тактовой синхронизации принимающего узла. Частота местного источника ТСС может быть выше или ниже частоты принимаемой последовательности. В зависимости от этого, когда ОВИ становится соизмеримой с длиной тактового интервала, происходит либо пропадание одного импульса, либо формирование лишнего – что приводит к срыву синхронизации. Данное явление называют проскальзыванием или слипом (slip). При передаче аудиосигнала слипы воспринимаются как щелчки – до определенного уровня это терпимо. Однако при передаче данных они приводят к нарушению связи.
Качество синхронизации можно оценить периодом времени, за который накопленная ОВИ приводит к срыву тактовой синхронизации, или частотой проскальзываний в единицу времени. Учитывая, что отдельные участки сложной сети могут синхронизироваться от источников различной точности, важно определить предельно допустимые значения частоты слипов. В соответствии с руководящими техническими материалами Министерства связи (РТМ МС) РФ [1] все системы ТСС классифицируются по четырем типам: синхронный – слипов фактически нет; псевдосинхронный – допускается Ј1 слип/70 дней; плезиохронный – Ј1 слип/17 часов и асинхронный – Ј1 слип/7 с.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В СЕТЯХ ТСС

Общие вопросы синхронизации и основные определения описаны в рекомендации ITU-T G.810, они актуальны для сетей как с PDH, так и с SDH. Цель тактовой синхронизации – передать с требуемой точностью информацию о длине единичного тактового интервала t0 (или о тактовой частоте f0) всем устройствам/узлам одной сети или всем взаимодействующим сетям. Компактную региональную сеть можно синхронизировать одним высокоточным таймером (первичным) в центральном узле сети, транслируя его такты на другие узлы сети (как в службе времени большого города). Для этого необходим не только первичный таймер, но и надежная система распределения сигнала синхронизации (СРСС) на все узлы сети.
Если сеть глобальная, то для синхронизации ее можно разделить на несколько региональных сетей, каждая – со своим первичным таймером и СРСС. Существуют два основных метода тактовой синхронизации [1]: иерархический метод принудительной синхронизации с парами таймеров ведущий-ведомый, и неиерархический метод взаимной синхронизации. На практике распространен только первый метод. В качестве единственного он принят и на Взаимоувязанной сети связи (ВСС) РФ [2].
СРСС строится по трем альтернативным схемам:
  • одноуровневая звезда – все узлы сети питаются от одного первичного эталонного генератора тактовых импульсов (ПЭГ), расположенного в центре звезды (хабе);
  • распределенная одноуровневая схема – каждый (или каждый второй) узел сети снабжается ПЭГ или его эквивалентом – приемником сигналов единого первичного эталонного генератора;
  • иерархическая многоуровневая схема. Ее суть в том, что сигналы ПЭГ (первый уровень иерархии) распределяются по синхронизируемым элементам (СЭ) дерева сети синхронизации до второго уровня иерархии, где они управляют вторичными источниками – вторичными задающими генераторами (ВЗГ), которые через цепочки СЭ управляют локальными источниками синхронизации третьего уровня иерархии. Эта схема управления часто называется схемой типа ведущий-ведомый (или master-slave). В документах о ВСС РФ принята именно эта схема управления синхронизацией [1, 2].
ПЭГ строится на основе хронирующих атомных источников тактовых импульсов (водородный или цезиевый эталон) c точностью поддержания частоты не хуже 10-13–10-12. Калибруется вручную или автоматически по сигналам UTC. Сигналы ПЭГ (а также генераторов нижних уровней иерархии) распространяются аппаратурой распределения сигнала синхронизации (SDU/АРСС), обеспечивающей на практике от 16 до 520 интерфейсных выходов сигналов ТСС, которые по наземным линиям связи передаются для управления ВЗГ.
Стандарты предусматривают четыре режима работы хронирующих источников: – режим ПЭГ (мастер-узел); режим принудительной синхронизации (ведомый ВЗГ, транзитный и/или местный узлы); режим удержания (holdover) с точностью удержания 5•10-10 для транзитного узла и 10-8 для местного узла и с суточным дрейфом 10-9 и 2•10-8, соответственно [1]; свободный режим (free run) для транзитного и местного узлов с точностью удержания 10-8 и 10-6, соответственно.

ТОЧНОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ОШИБКИ ЭТАЛОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Эталонные источники разных уровней формируют следующие эталонные синхросигналы:
  • 2048 кГц – синхронный частотный сигнал в соответствии с ITU-T G.703/13 – для синхронизации АТС, УАК (узлов автоматической коммутации), систем ПЦИ/PDH и СЦИ/SDH;
  • 2048 Кбит/с – потоковый синхронный сигнал псевдослучайной последовательности в соответствии с ITU-T G.703/9, или сигнал, получаемый из входного сигнала Е1 (от АТС или УАК) с использованием функции ретайминга (retiming, ресинхронизация). Применяется для синхронизации систем PDH, SDH и мультиплексорного оборудования;
  • синхронный 64-кГц сигнал для синхронизации основных цифровых каналов (ОЦК) PDH;
  • дополнительные синхронные сигналы 8 кГц; 1; 5 и 10 МГц – для синхронизации цифрового оборудования.
При этом эталонные источники обладают определенной нестабильностью, отдельные параметры которой нормируются соответствующими стандартами для каждого класса оборудования. Основные из них:
  • дрожание фазы/джиттер (jitter) – кратковременные, с частотой выше 10 Гц, смещения фронтов сигнала тактовой синхронизации относительно их идеальных положений во времени. Для всех типов генераторов джиттер не должен превышать 5% от длительности единичного интервала в выходном сигнале 2048 кГц или 2048 Кбит/с;
  • дрейф фазы/вандер (wander) – медленные, с частотой не выше 10 Гц, смещения фронтов сигнала тактовой синхронизации относительно их идеальных положений во времени. Для всех типов генераторов вандер не должен превышать 12,5% от длительности единичного интервала в выходном сигнале 2048 кГц или 2048 Кбит/с;
  • полоса захвата (hold-in range) – максимальное расхождение между тактовыми частотами ведущего и ведомого генераторов, в пределах которого ведомый генератор обеспечивает автоподстройку частоты;
  • ошибка временного интервала ОВИ/TIE – разность между измеренными значениями временного интервала Т, необходимого тестируемому генератору для генерации n импульсов длительностью t0 (T = n•t0), и аналогичного временного интервала Tref для эталонного генератора (Tref = n•tref): TIE(t, n) = T(t, n) – Tref(t, n);
  • максимальная ошибка временного интервала МОВИ/MTIE – максимальное значение разброса временных отклонений сигналов тестируемого генератора от эталонного за некоторый период измерения Т;
  • девиация временного интервала ДВИ/TDEV – измеренное максимальное отклонение параметров временного интервала от их среднего значения;
  • тносительное отклонение частоты Df/fн = (fд – fн) / fн, где fд – действительная частота сигнала, fн – заданная номинальная частота сигнала.

КЛАССЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ХРОНИРУЮЩИХ ИСТОЧНИКОВ

Основных международных классификаций хронирующих источников две – на основе стандарта ANSI Т1.101 и на основе рекомендаций ITU-T G.811, G.812, G.813. Еще существуют национальные классификации, например предложенная в РТМ МФ РФ классификация на основе понятия "блок системы синхронизации" (БСС) [1]. Статистика возникновения проскальзываний при взаимодействии двух узлов, синхронизируемых таймерами различной точности [3], показывает, что при существующей точности таймеров синхронный режим вообще недостижим, псевдосинхронный обеспечивают только узлы с таймерами класса Stratum 1 или G.811, а плезиохронный режим можно поддержать, если точность таймеров взаимодействующих узлов не хуже 10-9. Из отечественных таймеров последний режим обеспечивают только генераторы на основе БСС-1. Существенно, что приведенная статистика характеризует только одно звено синхронизации. В многозвенной схеме ситуация ухудшается пропорционально числу звеньев.

ОБОРУДОВАНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ СЕТИ

Оборудование для синхронизации сетей можно условно разделить на две большие категории: автономные хронирующие источники и датчики точного времени. Первые основаны на прецизионных атомных (водородных, рубидиевых или цезиевых) эталонах времени. Достаточно дорогие и редкие до недавнего времени, они (из-за бурного развития синхронных систем связи) производятся серийно и вполне доступны для установки в сетях. Характерные примеры подобных устройств [4]: эталоны водородные – активный VCH-1003A (погрешность по частоте ±1,5•10-12) и пассивный VCH-1004 (погрешность ±3,0•10-12); цезиевый HP 5071A (погрешность ±1,5•10-12); рубидиевый ННИПИ Р-1050С (±2,0•10-11). Более широко (в первую очередь, в качестве БСС) распространены генераторы с кварцевым первичным источником, но они не используются в ПЭГ. Характерный пример – кварцевый таймер ONIIP M0075 с суточной нестабильностью по частоте ±1,0•10-9.
Однако сегодня наиболее простое решение – датчики точного времени, работающие со спутниковыми системами точного времени. Они обладают точностью синхронизации 10-11 и точностью удержания частоты 10-10. Наиболее доступна (из универсальных и точных) система мирового скоординированного времени UTC. Для его трансляции используются несколько спутниковых систем. Наиболее известные из них – международная спутниковая радионавигационная система LORAN-C, отечественная система позиционирования ГЛОНАСС и глобальная система позиционирования GPS (США ) [5]. Последняя, в силу дешевизны приемного оборудования, получила наибольшее распространение.


Список литературы

  1. РТМ по построению тактовой сетевой синхронизации (ТСС) на цифровой сети связи Российской Федерации. – М.: ЦНИИС, 1995.
  2. Концепция развития связи Российской федерации / Под ред. В.Б. Булгака и Л.Е. Варакина. – М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.
  3. MainStreet 3645. General Information. Release 5. Newbridge, 1994.
  4. Рыжков А.В., Кириллов В.П., Кадерлеев М.К. Основы системы ТСС магистральной цифровой сети. – Вестник связи, 2000, №10.
  5. Слепов Н.Н. Современные цифровые технологии оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000.