Общие положения

Любая процедура дискретизации, передачи и приема данных в виде двоичного сигнала требует согласованности частот передачи и приема, в противном случае передаваемая информация будет принята с искажениями. Проблемы синхронизации не ограничиваются только цифровой первичной сетью, но имеют важное значение и при эксплуатации вторичных сетей передачи данных (СПД, ISDN, цифровой телефонии, и других). Поскольку в системе электросвязи первичная сеть представляет собой ядро сети и создает каналы для вторичных сетей, то и сеть синхронизации (СС) наиболее корректно строится в следующем порядке: сначала создается СС первичной сети, а затем вторичная сеть синхронизируется от первичной сети.

В технологии современной связи существует три основных понятия синхронизации: частотная, фазовая и временная. Наиболее важным типом синхронизации для первичной сети является частотная синхронизация (ЧС), которая предполагает согласованность генераторов различных цифровых устройств в сети по частоте. В этом случае, в идеале, все генераторы сети работают с одинаковой частотой, скорость передачи цифровой информации с высокой степенью точности равна скорости приема, в результате в системе связи нет ошибок, связанных с нарушениями синхронизации. Именно ЧС представляет главный интерес операторов для связи.

Для достижения синхронизации в сети необходимо передать информацию о тактовой частоте всем устройствам в сети. Для этой цели часто используются синхросигналы. В процессе передачи синхросигналов по сети они подвергаются различным воздействиям, в результате качество сигнала ухудшается, что приводит к нарушениям параметров синхронизации в сети.

Выделим общие вопросы синхронизации, связанные с взаимодействием различного оборудования цифровой передачи и коммутации. В основном син­хронизация сети представляет собой синхронизацию коммутационных станций. В этом случае линии передачи могут быть синхронизированы автоматически путем получения хронирующих тактовых колебаний из узла коммутации. Проектируя синхронизацию сети в целом, следует, очевидно, тактовую частоту в исходящих из станции трактах передачи определять генератором данной станции, а тактовая частота в трактах приема должна зависеть от частоты генератора соседней передающей станции.

Прежде чем изучать вопросы влияния системы синхронизации на основ­ные параметры качества услуг в современных телекоммуникациях, рассмотрим природу возникновения нестабильности сигналов синхронизации. Из самого понятия частотной синхронизации следует, что под нестабильностью сигналов синхронизации понимается различные нестабильности частоты сигнала.

В практике современных телекоммуникаций нестабильности сигналов синхронизации или хронирующих сигналов возникают как по физическим причинам (из-за внешних электрических помех и изменения физических параметров линии передачи в сигнале на приеме), так и по алгоритмическим причинам (например, джиттер стаффинга и смещения указателей (pointers) в формате кадра SDH). Результирующую нестабильность тактовой частоты называют фазовым дрожанием хронирующего сигнала или джиттером. В зависимости от частоты фазового дрожания сигнала различают высокочастотное фазовое дрожание – собственно джиттер – с частотой выше 10 Гц и низкочастотное фазовое дрожание, иногда называемое дрейфом фазы, – вандер – с частотой ниже 10 Гц [42]. Параметры собственно джиттера наиболее сильно влияют на параметры фазовой синхронизации, в частности, на работу петлей ФАПЧ. В отличие от джиттера, который преобразуется различными цепями и устройствами, вандер легко проходит без изменений через цепи фазовой синхронизации, может значительно накапливаться в сети и воздействует на систему синхронизации. Поэтому вандер представляется для систем синхронизации одним из наиболее важных параметров.

Основной алгоритмической причиной нестабильности частоты является режим выравнивания скоростей объединяемых потоков с использованием битового или байтового стаффинга, например, смещения указателей.

Основными физическими причинами нестабильности частоты являются электромагнитная интерференция; шум и помехи, воздействующие на цепь синхронизации в приемнике; изменения длины тракта; изменения скорости распространения; доплеровские сдвиги от подвижных оконечных устройств; нерегулярное поступление хронирующей информации.

Помехи и шумы в первую очередь влияют на фазовую синхронизацию и обычно не приводят к появлению вандера.

Изменения длины тракта в результате температурного расширения (сжатия) среды передачи или изгиба радиотракта в атмосфере влияют на систему частотной синхронизации, поскольку изменение скорости передачи экви­валентно вандеру – основному параметру нестабильности систем частотной синхронизации. Наиболее значительны изменения длины тракта при связи через спутники. Для современных спутников на геостационарной орбите изменения длины тракта составляют примерно 300 км, что соответствует изменениям времени прохождения примерно на 1 мс.

Изменение скорости распространения сигналов также приводит к вандеру.

Значительным источником потенциальной нестабильности тактовой частоты на приеме являются доплеровские сдвиги, возникающие при движении самолетов, спутников и других подвижных объектов. Например, доплеровский сдвиг при движении самолета со скоростью 500 км/ч эквивалентен нестабильности тактовой частоты, равной 5∙10^-7. По существу оказывается, что доплеровские сдвиги являются результатом изменения длины тракта.

Фазовые дрожания в восстановленных колебаниях тактовой частоты уве­личиваются в течение периодов времени с относительно низкими плотностями «единиц» в цифровом потоке, вызывая нерегулярное поступление хронирующей информации, что также приводит к нестабильности тактовой частоты. Именно требование повышения плотности хронирующей информации привело к необходимости замены линейного кода AMI на линейный код HDB3 в системах ИКМ.

Для того чтобы цифровая сеть с несколькими участками передачи и ком­мутационными станциями могла работать синхронно по битам и по циклам, необходимо обеспечить достаточное соответствие (синхронизм) между такто­выми частотами в трактах приема и передачи. Различия в тактовых частотах приводят к появлению проскальзываний (Slip), вследствие чего в групповом сигнале теряются один или несколько бит либо появляются один или несколько лишних. Для минимизации нежелательных явлений, связанных с проскальзываниями, используют эластичные буферы размером в один или несколько циклов. В этом случае реализуется механизм управляемых проскальзываний: в момент переполнения буфера вся информация в нем полностью стирается, буфер опустошается, что приводит к потере одного цикла информации, однако не приводит к потере цикловой синхронизации. Управляемые проскальзывания в настоящее время являются единственно допустимыми в цифровых сетях связи. В дальнейшем под проскальзыванием будем понимать управляемое проскальзывание. Различают три случая соответствия тактовых частот станции и сигнала в линии.

Тактовая частота в линии больше тактовой частоты станции. Буферные запоминающие устройства в коммутационной станции заполняются с большей скоростью, чем освобождаются; переполнение памяти приводит время от времени к потере информационных бит – скольжения первого типа, или положительное проскальзывание. При передаче речи это приводит к появлению коротких щелчков.

Тактовая частота в линии совпадает с тактовой частотой станции. Скорости записи и считывания для буферного запоминающего устройства, одинаковы – имеет место синхронная работа.

Тактовая частота в линии меньше тактовой частоты станции. Буферные запоминающие устройства в коммутационной станции считываются с большей скоростью, чем заполняются; в результате этого время от времени за счет повторного считывания появляются лишние информационные биты – скольжения второго типа, или отрицательное проскальзывание. При передаче данных и сигнальной информации это приводит иногда к значительному ухудшению качества передачи.

В зависимости от среднего уровня рассинхронизации будут возникать битовые проскальзывания, т.е. ошибки в считывании бита. Битовые проскаль­зывания будут нарушать цикловую синхронизацию. В этой связи наиболее желательным являются цикловые проскальзывания, которые приводят к потере цикла информации, однако не приводят к нарушению цикловой синхронизации. Например, если битовое проскальзывание происходит внутри цикла, то для восстановления цикловой синхронизации требуется не менее трех циклов. Такие проскальзывания называются неуправляемыми.

В практике эксплуатации проскальзывания приводят к появлению параметра секунд неготовности канала UAS (Unavailability Seconds), отсчитываемого с момента потери цикловой синхронизации или после 10 последовательных секунд, пораженных ошибками SES (Severly Errored Seconds). Один SES – период времени длиной 1 с, в течение которого коэффициент ошибок по битам превышал 10^-3. Ошибки, возникающие в первичной сети из-за нарушений в СС, редко касаются одного узла. Обычно нарушения в СС распространяются ниже по иерархии синхронизации и приводят к каскаду узлов с ошибками.

Влияние часто встречающихся случаев проскальзываний на различные услуги связи и параметры каналов первичной сети перечислены в табл. 6.1 [43]

Таблица 6.1

Влияние проскальзываний