Построение системы синхронизации.

В мировой практике имеется несколько важных технологических подходов к построению системы синхронизации. Первый из них заключается в разделении всей системы синхронизации на межузловую и внутриузловую системы. В результате возникла концепция интегрированных систем синхронизации BITS. Концепция BITS, представленная на рис. 3.6, охватывает три основных подсистемы: систему межузловой синхронизации (Interoffice Timing), систему внутриузловой синхронизации (Intraoffice Timing) и подсистему контроля и управления качеством синхронизации (QoS).

Использование единого единой системы

оборудования

Интеграция в TMN

Рис. 3.6. Концепция построения интегрированных систем синхронизации BITS.

Система межузловой синхронизации предусматривает размещение в ключевых узлах сети генераторов синхронизации и построение ситемы распределения синхрочастот по сети с использованием трафиковых или выделенных каналов связи. Эта система является основой любой системы синхронизации, поэтому она наиболее важна при проектировании. Система межузловой синхронизации имеет собственную топологию, часто отличную от топологии сети, и тесно связана со структурой, как первичной, так и вторичной

телекоммуникационной сети. При расширении и реконфигурации сети связи система межузловой синхронизации также должна изменяться и модернизироваться.

Система внутриузловой синхронизации имеет более локальное значение, поскольку она определяет порядок синхронизации различных цифровых устройств в пределах одного узла сети. В систему внутриузловой синхронизации могут входить специальные генераторы, однако в большей степени эта система строится на основе объединения генераторов, входящих в состав цифровых устройств связи, размещенных на узле. В отличие от системы межузловой синхронизации, которая должна проектироваться, строиться и обслуживаться системно, с учетом топологии и процессов, проходящих во всей сети, система внутриузловой синхронизации создается локально, привязываясь к конкретному узлу связи. Модернизация сети связи может требовать модификации системы только в случае, если первая модернизирует конкретный узел либо приводит к изменению параметров синхросигнала, от которого синхронизируется данный узел.

Учитывая, что в настоящее время значительно повысились требования к надежности и качеству систем синхронизации, в состав современной системы включается дополнительно подсистема, которая непосредственно связана с обслуживанием системы синхронизации – подсистема контроля и управления качеством системы синхронизации (QoS). Основным назначением этой системы являются управление, диагностика и тестирование системы синхронизации.

Обеспечение высоких параметров качества и надежности системы связи требуют от оператора постоянного контроля за состоянием системы синхронизации. Для осуществления управления системой синхронизации создается система управления, интегрированная в общую платформу TMN, так что оператор имеет возможность контролировать состояние системы синхронизации и осуществлять ее реконфигурацию из единого центра в режиме реального времени. Особенно важные функции выполняет система управления в процессах реконфигурации системы синхронизации. Для этого используются сигналы о параметрах качества системы синхронизации (SSM).

Разделение в концепции BITS всех генераторов сети на межузловую и внутриузловую систему синхронизации значительно уменьшает рассматриваемое количество устройств. Есть узлы сети, которые рассматриваются как отдельные генераторы, и так строится система межузловой синхронизации. На узлах сети имеется большое количество разных цифровых устройств (иногда сотни или тысячи). Синхронизация этих устройств в пределах узла – задача отдельная. Таким образом, в системе межузловой синхронизации мы видим только узлы, а цифровые устройства мы видим в системе внутриузловой синхронизации.

Основная проблема – система межузловой синхронизации, именно она является территориально-распределенной. Для синхронизации отдельных устройств внутри узла модно в конце концов проложить специальный кабель. Но этого нельзя сделать в системе межузловой синхронизации, где используются только существующие каналы связи.

Синхронизация в сетях SDH.Международные органы стандартизации и, в частности, МСЭ работают над определением характеристик генераторного оборудования СЦИ – SEC (SDH Equipment Clock). Характеристики SEC содержаться в нескольких Рекомендациях ETSI и МСЭ-Т, предоставляющих полную спецификацию параметров точности и стабильности, а также подробное функциональное описание. Здесь SEC представлен функциональным блоком источника синхросигнала синхронного оборудования SETS (Synchronous Equipment Timing Sourse).

Источник синхронизации может выбираться блоком SETS среди трех опорных точек:

- Т1 – опорный сигнал, выделенный из входного сигнала STM-N;

- Т2 – опорный сигнал, выделенный из входнго сигнала ПЦИ;

- Т3 – опорный сигнал, полученный из внешнего устройства синхронизации через физический интерфейс синхронизации.

Кроме того, SETS может синхронизироваться от входящего в его состав внутреннего генератора. В сторону передачи SETS обеспечивает синхронизацию:

- всех функциональных блоков в составе оборудования СЦИ через опорную точку Т0;

- внешний порт синхронизации через опорную точку Т4.

Блок тактового генератора синхронного оборудования может работать в следующих режимах:

- режим захвата синхронизации от входного опорного сигнала(точки Т1, Т2 или Т3), выбранного переключателем;

- режим удержания;

- режим свободных колебаний с точностью частоты .

В зависимости от структуры распределения сигналов сетевой синхронизации существует несколько вариантов или режимов синхронизации блока SETS и распределения его синхросигнала:

- Синхронизация от линейного сигнала. Опорный синхросигнал выделяется из линейного сигнала направления «Восток» или «Запад» (Т1). Это обычный режим синхронизации в сетях типа цепочки или кольца.

- Синхронизация от компонентного сигнала. Опорный синхросигнал выделяется из компонентного сигнала, который может быть либо сигналом STM-N (Т1), либо сигналом ПЦИ (Т2).

- Внешняя синхронизация. Сетевой элемент синхронизируется от выделенного внешнего опорного синхросигнала (Т3). Этот режим синхронизации применяется, например, когда сетевой элемент получает синхросигнал от генераторного оборудования сети синхронизации.

- Внутренняя синхронизация. Генераторное оборудование сетевого элемента не получает никакого опорного синхросигнала (режим свободных колебаний или режим удержания.

Общеизвестно, что технология SDH/SONET может реализовать все свои преимущества, лишь опираясь на распределение по сети надежного синхросигнала надлежащего качества. В противном случае операции с указателями могут привести к избыточному значению джиттера и, следовательно, к снижению достоверности передачи информации в транспортируемых компонентных сигналах, особенно при большом числе переприемов.

В настоящее время средства сетевой синхронизации повсеместно признаны прибыльным сетевым ресурсом, позволяющим помимо удовлетворения потребностей СЦИ/СОНЕТ осуществить цифровую коммутацию без проскальзываний, улучшить рабочие характеристики транспортных услуг на основе АТМ и повысить качество множества различных услуг (например, цифровых сетей связи с интеграцией услуг, мобильной сотовой связи и т. д.).

По этой причине большинство ведущих операторов связи организовали национальные сети синхронизации, чтобы доставить общий эталонный (опорный) сигнал синхронизации к каждому узлу сети электросвязи. МСЭ-Т и ETSI выпустили новые стандарты по синхронизации, пригодные для работы современных (включая те, которые базируются на СЦИ/СОНЕТ) цифровых сетей электросвязи. Эти стандарты содержат более строгие и более определенные требования к джиттеру и вандеру на интерфейсах синхронизации, требования к точности и стабильности устройств синхронизации, а также к архитектуре сетей синхронизации.

Синхронизация и цифровая передачав сетях SDH/SONET. В сетях СЦИ используются преимущества сетевой синхронизации для снижения джиттера и вандера в выходных компонентных потоках. Дело в том, что в сложных сетях с несколькими переприемами (загрузкой/выгрузкой) ПЦИ-СЦИ и СЦИ-ПЦИ и при использовании оборудования различных поставщиков, удовлетворить требованиям к фазовым дрожаниям на границах ПЦИ/СЦИ можно только при точной синхронизации всех сетевых элементов СЭ (NE), избегая каких-либо операций с указателями. Поэтому в сетях SDH необходимо синхронизировать не только первичные мультиплексоры и цифровое коммутационное оборудование, но и узлы транспортных сетей.

В сетях СЦИ не рекомендуется передавать синхронизацию в сигналах, размещенных в циклах STM-N (например, 2,048 Мбит/с), так как компонентные сигналы полезной нагрузки синхронного транспортного модуля не могут эффективно передавать тактовые сигналы из-за избыточного джиттера, наблюдаемого при коррекции указателей. Наилучшим и прямым способом передачи синхросигнала в сети СЦИ служит его передача непосредственно в групповых сигналах STM-N. Тактовый сигнал, выделенный из сигналов STM-N, имеет лучшее качество, которое можно достичь в настоящее время. На него воздействует только джиттер, вносимый линией (например, джиттер, обусловленный тепловым шумом и условиями окружающей среды в оптической линии), а не выравнивание по битам или какие-либо другие преобразования.

Схема синхронизации двух цифровых коммутационных станций в сетях СЦИ показана на рис. 3.7. Внешнее генераторное оборудование SASE (Stand Alone Synchronization Equipment) первой станции (узла) синхронизирует не только генераторное оборудование цифровой коммутационной станции, но и задающий генератор оборудования СЦИ SEC. Таким образом, здесь выходной групповой сигнал является синхронным с ведущим генератором сети. На приемном конце SEC не синхронизируется непосредственно от входящего сигнала STM-N. Специальная функция тактового генератора оборудования СЦИ (переключатель) позволяет выделить тактовый сигнал из входного сигнала STM-N и непосредственно направить его через интерфейс синхронизации 2,048 МГц к генераторному оборудованию SASE на этой станции. Это оборудование SASE распределяет свои сигналы синхронизации по всему оборудованию узла, включая цифровую коммутационную станцию и демультиплексор СЦИ.

2,048 Мбит/с 2,048 Мбмт/с

Сеть СЦИ

STM-N

2,048 МГц 2,048 МГц

2,048 МГц

Задающий

генератор

Рис. 3.7. Схема синхронизации двух станций.

Казалось бы, этот способ синхронизации генераторного оборудодования второй станции слишком сложен, но он дает наилучшее решение. Действительно, генераторное оборудование SASE имеет более высокую стабильность и лучшие возможности фильтрации синхросигнала, чем простые генераторы SEC. При использовании этой схемы генераторное оборудование цифровой коммутационной станции и демультиплексора СЦИ во второй станции синхронизируется по более стабильному сигналу синхронизации. Более того, если сигнал STM-N пропадет, SASE обеспечивает достаточно долго выходную частоту в режиме свбодных колебаний генератора с намного большей точностью, чем точность соответствующей частоты генератора SEC.

В мировой практике существует несколько режимов работы генераторов, определяющие топологию системы межузловой синхронизации. Схемы синхронизации сети могут быть разделены на схемы независимой, принудительной и взаимной работы. На рис. 3.8 показана схема независимой синхронизации, которая используется для плезиохронной работы телекоммуникационных узлов, например при взаимодействии национальных систем связи, каждая из которых имеет свою систему синхронизации.

Передача данных

Рис. 3.8. Схема независимой синхронизации.

Согласно схеме цифровое оборудование в сети синхронизируется независимо и взаимодействует друг с другом только через каналы передачи данных (каналы трафика). Различие тактовых частот, неизбежное для такой схемы, будет приводить к появлению в ней проскальзываний. Исключить проскальзывание в такой схеме нельзя, но их частота будет связана с относительной нестабильностью двух генераторов ПЭГ. Например, если взаимная нестабильность генераторов будет находиться в пределе , то проскальзывания будут происходить не чаще одного раза в полгода. Этого никто не заметит, так что такая схема в данном случае может вполне использоваться.

Другим вариантом построения системы межузловой синхронизации является использование принципа принудительной синхронизации, когда один узел сети синхронизируется от другого. Такая схема принята в международной практике как схема построения систем межузловой синхронизации выделенных сетей или их участков, поскольку обеспечивает наибольшую стабильность работы системы. Принцип принудительной синхронизации предусматривает построение иерархической структуры синхронизации с одним или несколькими первичными генераторами синхросигнала (рис. 3.9). Наличие нескольких графов синхронизации дает возможность резервирования цепей синхронизации. Так, например, на рис. 3.9 показаны как основные пути синхронизации (P – primary), так и резервные (S – secondary). Каждое устройство в сети может переходить от основного источника синхронизации к резервному в случае потери канала взаимодействия с основным источником. Такая система обладает повышенной надежностью и реализована на всех современных сетях связи. Кроме того, иерархическая топология системы синхронизации соответствует топологии самой системы связи, чем легко достигается взаимодействие обеих сетей.

S

P P

S

Р S P

P

Рис. 3.9. Схема принудительной синхронизации.

Рис. 3.10. Схема взаимной синхронизации.

Взаимная синхронизация, принцип которой представлен на рис. 3.10, предусматривает синхронизацию равноправных устройств путем усреднения тактовых частот. Например, в схеме рис. 3.10 любое цифровое устройство схемы получает синхросигналы от трех соседних и синхронизирует свой тактовый генератор с усредненным значением частоты соседних устройств. Вариант взаимной синхронизации устройств обеспечивает теоретически максимально точную синхронизацию цифровых устройств. Но в практике построения распределенных систем синхронизации сетей связи этот вариант не нашел большого распространения. Самое главное преимущество – высокая точность – в случае распределенной системы реализуется сложно. Кроме того сбой любого устройства в этой схеме приводит к значительной деградации всей системы синхронизации, а именно сбои и нарушения связи между генераторами очень вероятны в распределенной системе. Поэтому принцип взаимной синхронизации не нашел применения в системах связи и используется только в современной схемотехнике.

Таким образом, все возможные графы синхронизации современных систем связи строятся либо по принципу независимой, либо по принципу принудительной синхронизации. Рассмотрим теперь, каким образом используются в этом случае генераторы. Поскольку основной задачей системы синхронизации является обеспечение равных частот всех генераторов в системе, ясно, что для этой сети должен существовать один задающий генератор, являющийся для нее эталоном. Такой генератор называется первичным эталонным генератором ПЭГ (Primary Reference Source – PRS). Первичный эталонный генератор работает в независимом режиме и формирует эталонный синхросигнал наивысшей стабильности. Обычно в качестве PRS используются цезиевые стандарты, реже – комбинированный источник Rb+GPS (рубидиевый генератор с приемником GPS). Стабильность PRS выбирается максимально возможной и составляет порядка , иногда даже выше.

От PRC синхросигналы распределяются по каналам передачи по всем генераторам системы синхронизации. С точки зрения системы синхронизации все остальные генераторы будут вторичными задающими генераторами ВЗГ. Все они работают в режиме принудительной синхронизации и образуют многоуровневую иерархию источников синхронизации (рис. 3.9). В зависимости от уровня источник в системе синхронизации должен иметь определенные параметры.

Источники более низкого уровня иерархии берут синхросигнал от источников более высокого уровня, хотя и допускаются связи между источниками внутри одного уровня. В результате каждый источник синхронизации в систем связи синхронизирован по цепи от первичного эталонного генератора. По мере распределения синхросигнала по сети его параметры ухудшаются, так что до низких уровней синхросигнал доходит с параметрами стабильности на 4 – 5, а иногда и больше порядков хуже синхросигнала, генерируемого PRC. Чем длиннее цепочка, тем больше ухудшение параметров синхросигнала. Поэтому при построении системы синхронизации и ее модернизации одним из основных требований является минимальное количество переприемов синхросигнала для каждого направления.

Чтобы добиться этого иногда требуется разбить систему связи на несколько регионов и разместить в каждом регионе PRS. Тогда для каждого региона строится своя иерархия под управлением PRS, а регионы взаимодействуют друг с другом по схеме независимой (плезиохронной) иерархии. Для повышения надежности внутри каждого региона плезиохронной работы обеспечивают резервирование системы синхронизации, часто регионы взаимно резервируют друг друга на различных уровнях (см. рис. 3.11).

Плезиохронная работа

PRS PRS

Резервирование

Резервирование

Рис. 3.11. Структура иерархии ITU-T системы межузловой синхронизации.

Так, например, система межузловой системы синхронизации ВСС РФ состоит из 7 регионов плезиохронной работы. Образование жтих регионов может происходить как по причинам технического плана, так и по административно-политическим причинам. В первом случае разделение системы синхронизации на регионы связано с необходимостью сократить цепочки распределения синхросигналов. Для системы синхронизации в России это связано с большой территорией, хотя дробление системы синхронизации на региональные системы лишь косвенно связано с пространственным удалением генераторов друг от друга. Как правило система синхронизации начинает развиваться как единая иерархия с одним PRS. С ростом количества цифровых устройств происходит удлинение цепочек распределения синхросигналов, так что оконечное оборудование пользователя начинает получать синхросигналы неприемлемого качества. Тогда производят разделение системы синхронизации на два или более региона плезиохронной работы, что дает уменьшение длины цепочек. Затем каждый регион начинает развиваться по тем же законам, что в конечном итоге приводит к дроблению региона и т. д. Происходит процесс территориального дробления системы синхронизации.

Разделение системы синхронизации по регионам плезиохронной работы может происходить и по административно-политическим причинам. Обычно это связано с желанием оператора иметь свою независимую систему синхронизации со своим PRS. Примерами такого разделения являются национальные системы синхронизации, которые взаимодействуют друг с другом по принципу плезиохронной работы. Вторым примером является размещение PRS на территории сетей ведомственных операторов и создание систем синхронизации, совершенно независимых от операторов сети общего пользования.

Из всех предложенных стратегий синхронизации иерархическая структура «ведущий – ведомый» получила наиболее широкое распространение при синхронизации современных цифровых сетей электросвязи. Более того, МСЭ-Т и ETSI определили стандартные архитектуры сетевой синхронизации в соответствии с этой стратегией. Эти стандартные архитектуры организованы иерархически в уровнях:

- На уровне 0 одно ведущее устройство синхронизации (или для надежности несколько устройств) генерируют эталонный сетевой сигнал, работая в автономном режиме.

- На нижних уровнях (1, 2, и т. д.) находятся ведомые устройства синхронизации, которые а) синхронизируются по сигналам, поступающим из верхнего уровня и б) синхронизируют устройства синхронизации на нижних уровнях.

Поэтому при нормальной работе все устройства синхронизации сети отслеживаются ведущим устройством синхронизации, а синхронизация передается из одного устройства синхронизации в другое.

Международными стандартами определены следующие логические функции, представляющие устройства синхронизации на различных уровнях сетей синхронизации:

• Первичный эталонный генератор ПЭГ(PRC – Primary Reference Clock) определяется как функция, которая представляет либо автономное устройство синхронизации, либо устройство синхронизации, которое принимает эталонный сигнал синхронизации от определенного радио или спутникового (например, GPS) сигнала и выполняет его фильтрацию. Таким образом, ПЭГ представляет собой ведущее устройство сетевой синхронизации. Сокращение ПЭГ обозначает также физическое воплощение логической функции (т. е. выделенное устройство синхронизации.
• Вторичный задающий генератор ВЗГ (SRC – Secondary Reference Clock)определяется как функция, которая в сетевом узле:

- принимает входные сигналы синхронизации от внешних источников, выбирая один из них;

- фильтрует сигнал синхронизации, выделенный из этого отобранного источника;

- распределяет отфильтрованный сигнал синхронизации по другим элементам в пределах узла;

- может использовать внутренний источник синхронизации, если все внешние эталонные сигналы синхронизации исчезли или ухудшились.

Физическое воплощение логической функции ВЗГ может быть интегрировано в элементе сети СЦИ или на цифровой коммутационной станции ТФОП, но наиболее часто в выделенном оборудовании синхронизации (SASE).

• Устройство синхронизации оборудования СЦИ (SEC)определяется как функция, которая в элементе сети СЦИ:

- принимает сигналы синхронизации от внешних источников, выбирая один из них;

- фильтрует сигнал синхронизации, выделенный из этого выбранного источника;

- может использовать внутренний источник синхронизации, если все эталонные сигналы синхронизации исчезли или ухудшились.

Сокращение SEC означает также физическое воплощение логической функции (внутреннее устройство синхронизации элемента сети СЦИ).

Эталонная цепь сети синхронизации. В стандартной архитектуре сети синхронизации «ведущий – ведомый» сигнал синхронизации распределяется от ПЭГ по другим узлам вдоль цепи последовательно соединенных ведомых устройств синхронизации. Для лучшего понимания цепей сети синхронизации важно отметить особенности, которыми отличаются друг от друга ПЭГ, ВЗГ/SASE и SEC:

• ПЭГ – главное устройство синхронизации – работает автономно и должно иметь наивысшую точность и стабильность частоты (не хуже ); он соответствует Рек. МСЭ-Т G.811 и ETSI EN 300 462 Часть 6-1;
• ВЗГ/SASE – ведомое устройство синхронизации – распределяет свои сигналы синхронизации в узле и другим узлам –«сыновьям» в архитектуре иерархии «ведущий-ведомый». Его основная функция заключается в фильтрации сигнала синхронизации в сети и выдаче сигнала синхронизации высокой стабильности, если все эталонные сигналы исчезли. Постоянная времени системы ФАПЧ выбирается большой (обычно 1000 с), чтобы отфильтровать как можно больше фазовых помех, Это соответствует Рек. МСЭ-Т G.812 и ETSI EN 300 462 Часть 4-1;
• SEC представляет собой ведомое устройство синхронизации сетевого элемента с низкими требованиями к долговременной стабильности и относительно малой постоянной времени системы ФАПЧ (обычно не более 1 с). Это соответствует Рек. МСЭ-Т G.813 и ETSI EN 300 462 часть 5-1.

Стандарты ETSI и МСЭ-Т определяют таким образом эталонную цепь,показанную на рис. 3.12. Первым устройством синхронизации в цепи является ПЭГ. Цепь узловых устройств синхронизации ВЗГ выстраивается следующим образом: промежуточные ВЗГ от 1 до К – 1 являются транзитными узлами. ВЗГ под номером К может быть транзитным или локальным узлом. ВЗГ взаимно соединены линиями передачи с помощью разного числа устройств синхронизации сетевых элементов СЦИ (SEC).

N SEC N SEC N SEC

1 K

Транзитный узел Транзитный или

местный узел

Рис. 3.12. Эталонная цепь синхронизации.

В общем случае характеристики синхронизации будут ухудшаться по мере увеличения числа синхронизированных устройств в последовательном соединении. Чтобы удовлетворить требованиям по качеству синхронизации, самая длинная цепь должна содержать не более К ВЗГ и не более N SEC между любыми двумя ВЗГ, где допустимые значения для эталонной цепи синхронизации составляют: К = 10 и N = 20 ( при общем числе SEC в цепи, не более 60). Эти значения были получены путем вычислений и моделирования. Однако на практике в сети синхронизации число элементов сети в тандеме должно быть сведенок минимуму исходя из соображений надежности и качества работы.