Проблемы тактовой синхронизации

Любая цифровая система в своей основе требует тактовый задающий генератор, который должен синхронизировать все внутренние и внешние операции по обработке цифровых данных. Наибольшие сложности в цифровых системах возникают, когда необходимо наладить взаимодействие различных в своей основе цифровых систем, т. е. систем с различными тактовыми генераторами и функциональными реализациями (системы передачи и коммутации). Даже внутри одной системы, например системы передачи, требуется синхронизировать приемник сигнала с передатчиком (тактовый синхронизм, цикловой синхронизм, сверхцикловой синхронизм). Применение разных тактовых генераторов может повлечь за собой сбои передачи, если не произвести принудительной синхронизации генератора приемника генератором передатчика. При этом на стабильность частот генераторов на обоих концах линии цифровой передачи будут влиять различные физические факторы, которые вызывают дрожание фазы хронирующих импульсов. Этими факторами являются: шум и помехи, действующие на цепь синхронизации в приемнике; изменение длины пути передачи сигнала обусловлены температурными перепадами, рефракцией в атмосфере и т. д.; изменение скорости распространения сигналов в физической среде (в проводных и беспроводных линиях); нарушение регулярности поступления хронирующей информации; доплеровские сдвиги от подвижных оконечных устройств; переключения в линиях (срабатывание автоматического резервирования); систематические дрожания фазы цифрового сигнала, возникающие в регенераторах (повторителях) и т.д.

Определения тактовой сетевой синхронизации

Термины и определения ТСС первоначально приведены в рекомендации МСЭ-Т G.810. Ряд терминов и определений, которые необходимы для дальнейшего изложения материала, приведены ниже.

Тактовая сетевая синхронизация представляет собой один из видов синхронизации, необходимой для обеспечения функционирования цифровых систем передачи и коммутации. Тактовая синхронизация это процесс точного временного соответствия между принимаемым сигналом и последовательностью тактовых импульсов [22].

В цифровых системах понятие "синхронизм" тесно связано с понятием "проскальзывания" (slips).

Проскальзывание – исключение или повторение в цифровом сигнале одного или нескольких бит, происходящее вследствие различия в скоростях записи и считывания двоичных данных в буферных устройствах.

Проскальзывание может быть управляемым или неуправляемым.

Проскальзывание, которое не приводит к сбою цикловой синхронизации, называют управляемым. При этом сигнал с потерями восстанавливает синхронизм.

При неуправляемом проскальзывании моменты потери и повторения позиций в цифровом сигнале невосполнимы.

 Количество проскальзываний является предметом нормирования и служит основой определения требований к тактовым генераторам сети синхронизации.

Нормирование проскальзываний введено с рекомендации МСЭ-Т G.822 для стандартного цифрового условного эталонного соединения длиной 27 500 км основного цифрового канала 64 кбит/с между абонентскими окончаниями. Это соединение представляет собой соединение двух национальных сетей через несколько международных транзитов и насчитывает в общей сложности до 13 узлов и станций (из них пять центров международной коммутации и на каждой национальной сети по третичному, вторичному и первичному центру коммутации).

В таком соединении может происходить:

а) не более пяти проскальзываний за 24 часа в течение 98,9% времени работы;

б) более пяти проскальзываний за 24 часа, но менее 30 за один час в течение 1% времени работы;

в) более 30 проскальзываний за один час в течение 0,1% времени работы.

Время работы – не менее одного года. Качество, обозначенное а), соответствует псевдосинхронному режиму сети. Качество, обозначенное б), оценивается как пониженное качество, при котором сохраняется трафик. Качество, обозначенное в), считается неудовлетворительным и соответствует нарушению соединения.

Фазовые дрожания – кратковременные отклонения значащих моментов цифрового сигнала от их идеальных положений во времени. Если частота отклонений превышает 10 Гц, то их называют джиттером (Jitter). Если частота отклонений не превышает 10 Гц, то их называют блужданиями или вандером (Wander). На рис.5.1 представлены характеристики импульсного сигнала с изменением значащих моментов.

В современной технологии контроля получила распространение практика измерения амплитуды дрожания цифрового сигнала в единицах времени: абсолютных (микросекунды) или приведенных – единичных интервалах (Unit Interval). Одним единичным интервалом называется время, необходимое для передачи одного бита информации с заданной скоростью передачи.

Источниками тактовых сигналов в цифровых системах и сетях являются тактовые генераторы, которые подразделяются на первичный эталонный (ПЭГ), ведомый/вторичный задающий (ВЗГ), генератор сетевого элемента (ГСЭ).

Число проскальзываний, которые возникают из-за ухудшения качества синхронизации, определяется следующей формулой [22]:

Число проскальзываний за 24 часа =

= (число секунд за сутки) х (число циклов в секунду) х (Df / fo), (5.1)
где (Df / fo) – точность синхронизации.

Если длительность цикла 125 мкс, цикловая частота равна 8 кГц, число секунд в сутках – 86 400, то число проскальзываний определяется:

              N_проск = 6,9 х 10 ⁸ х (Df / fo) .               (5.2)

Соотношение (5.2) позволяет определить связь норматива на проскальзывания и требуемую точность синхронизации. При стабильности тактового генератора 2 х 10 ^{– 11} число проскальзываний в сутки составит:

    N_проск = 13,8 ×10 ^{– 3} ,
т. е., возникнет одно проскальзывание за 72,5 суток, что соответствует требованию рекомендации G.822.

Первичный эталонный генератор (ПЭГ) – высокостабильный генератор, долговременное относительное отклонение частоты которого от номинального значения поддерживается не превышающим 1х10 ^{– 11} при контроле по универсальному координированному времени.

Ведомый или вторичный задающий генератор (ВЗГ) – генератор, фаза которого подстраивается по входному сигналу, полученному от генератора более высокого или того же качества. ВЗГ обеспечивает, как правило, высокую кратковременную относительную стабильность частоты (около 10 ^{– 9}...
...10 ^{– 11}) и существенно более низкую относительно ПЭГ долговременную относительную стабильность (около 10 ^{– 8}).

Рис. 5.1. Временные диаграммы цифрового сигнала

Генератор сетевого элемента (ГСЭ) – синхронизируемый внешним синхросигналом генератор (обычный кварцевый), помещаемый в мультиплексоры PDH, SDH, АТМ, кроссовых коммутаторов и т. д. Такты ГСЭ так же подстраиваются под внешние такты, как и в ВЗГ, однако их собственная относительная долговременная стабильность не превышает 10 ^{– 6}.

Указанные генераторы имеют следующие иерархические положения по значимости в сети синхронизации (ТСС).

1-й или высший уровень иерархии ТСС – ПЭГ (называемый нулевым).

1-й уровень иерархии ТСС-ПЭИ (первичный эталонный источник), не являющийся составной частью ТСС, например, навигационный спутник GPS или ПЭГ другой сети.

2-й уровень иерархии ТСС – ВЗГ, который представляют как транзитный или оконечный и совмещаемый с узлами автоматической коммутации (УАК) и автоматическими междугородными телефонными станциями (АМТС) или цифровыми АТС.

3-й уровень иерархии ТСС – ГСЭ, к которым относятся мультиплексоры SDH, кроссовые коммутаторы SDH, оконечные цифровые АТС.

Источники тактового синхронизма могут быть включены в определенные сетевые конфигурации и различные сети ТСС.

Централизованная сеть распределения синхросигналов от единственного ПЭГ. Это синхронная сеть, в которой значащие моменты сигналов подстраиваются таким образом, чтобы установить синхронизм, при котором значащие моменты повторяются с некоторой средней точностью. Это принудительная синхронизированная сеть.

Совокупность централизованных подсетей, каждая из которых содержит ПЭГ. При отсутствии взаимосвязи между ПЭГ такая сеть синхронизации обеспечивает псевдосинхронный режим работы соответствующих цифровых подсетей.

Плезиохронный режим сети ТСС может возникнуть в цифровой сети, когда генератор ведомого узла (ВЗГ или ГСЭ) полностью теряет возможность внешней принудительной синхронизации из-за нарушения как основного, так и всех резервных путей синхронизации. В этом случае генератор переходит в режим удержания (в англоязычной литературе – holdover), при котором запоминается частота сети принудительной синхронизации. По мере ухода с течением времени частоты генератора из-за дрейфа от величины, зафиксированной в начальный момент в памяти, он переходит в так называемый свободный режим (в англоязычной литературе – free-run mode). Этот режим синхронизации уже называется асинхронным и характеризуется большим расхождением частот генераторов, при котором, однако, еще не нарушается процесс передачи информационной нагрузки в сети связи.

Сеть синхронизации ТСС образуется совокупностью генераторов (ПЭГ, ВЗГ, ГСЭ), системой распределения синхросигналов в узлах связи SASE (Stand Alone Synchronization Equipment – отдельное оборудование синхронизации или блоки сетевой синхронизации, БСС) и связью между ними и самими синхросигналами, которые транслируются в определенном порядке.

В качестве синхросигналов в сети ТСС могут применяться следующие сигналы: цифровой сигнал 2048 кбит/с с кодированием в троичном коде HDB-3; гармонический одночастотный сигнал с частотой 2048 кГц; гармонический одночастотный сигнал с частотой 10 МГц или 5 МГц и некоторые другие [22].

Блоки сетевой синхронизации (БСС) или SASE выполняются в соответствии с концепцией построения интегрированных сетей синхронизации BITS (Building Integrated Timing Supply). Интеграция при построении ТСС предполагает объединение транспортных сетей, сетей доступа, вторичных сетей для поддержки синхронизма. При этом сеть синхронизации должна проектироваться и создаваться как наложенная сеть.

Синхронизация и управление в оптических транспортных сетях

Составной частью транспортных сетей связи являются сети синхронизации и сети управления, которые строятся в соответствии с международными стандартами: ISO/OSI, IEEE, ITU-T (МСЭ-Т) и т.д.

Основными стандартами, определяющими построение сетей тактовой синхронизации (ТСС), признаны стандарты МСЭ-T:

- G.781, Synchronization layer functions – функции уровня синхронизации;

- G.810, Definitions and terminology for synchronization networks – определения и терминология для сетей синхронизации;

- G.811, Timing characteristics of primary reference clocks – характеристики тактов первичного эталонного генератора;

- G.812, Timing requirements of slave clocks suitable for useas node clocks in synchronization networks – требования по выбору узла тактовой сетевой синхронизации;

- G.813, Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC) – характеристики тактов оборудования синхронизации SDH.

Для построения сети синхронизации в каждой из транспортных технологий разработаны специальные стандарты, которые согласованы с выше перечисленными. К ним относятся:

- по синхронизации сети SDH - G.803, Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH) – архитектуры транспортных сетей, основанных на синхронной цифровой иерархии;

- по синхронизации сети АТМ – I.361, B-ISDN ATM adaptation layer specification type 1 – спецификация первого типа адаптационного уровня АТМ; I.432, B-ISDN user-network interface – physical layer specification – спецификация физического уровня широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг Ш-ЦСИС на интерфейсе «пользователь-сеть»;

- по синхронизации сети OTN-OTH - G.8251, The control of jitter and wander within the optical transport network (OTN) – контроль джиттера и вандера в оптической транспортной сети; G.798, Characteristics of optical transport network

hierarchy equipment functional blocks – характеристики функциональных блоков оборудования оптической транспортной иерархии;

- по синхронизации сети Ethernet - G.8261, Timing and synchronization aspects in packet networks – аспекты тактирования и синхронизации в пакетных сетях; G.8262, Timing characteristics of synchronous ethernet equipment slave clock (EEC) – характеристики тактов генератора оборудования Ethernet.

Наиболее доступное и понятное изложение основных аспектов синхронизации транспортных сетей приведено в [21, 22]. Однако это изложение не полностью охватывает проблемы синхронизации транспортных сетей. Поэтому необходимо внимательное изучение разделов этого учебного пособия.

 Основными стандартами, определяющими построение сетей управления, также признаны стандарты МСЭ-T серии М, из которых фундаментальным считают M.3010, Principles for a telecommunications management network – принципы сетей управления телекоммуникациями и M.3060, Принципы управления сетями последующих поколений.

Для построения сети управления в каждой из транспортных технологий разработаны специальные стандарты, которые являются продолжением фундаментальных. К ним относятся:

- по управлению сетью SDH - G.784, Synchronous Digital Hierarchy Management, G.773 – Protocol Suites for Q-Interfaces for Management of Transmission Systems, G.774, Synchronous digital hierarchy (SDH) Management information model for the network element view;

- по управлению сетью АТМ - I.371, Traffic control and congestion control in B-ISDN, I.751, ATM Management of the Network Element View;

- по управлению сетью OTN-OTH - G.874, Management aspects of the optical transport network element, G.874.1 Optical transport network (OTN): Protocol-neutral management information model for the network element view;

- по управлению сетью Ethernet - G.8011/Y.1307, Ethernet over Transport – Ethernet services framework, G.8012/Y.1308, Ethernet UNI and Ethernet NNI;

- по управлению сетью T-MPLS – G.8151, Management aspects of the T-MPLS network element.