9.1.2. Режим работы сети тактовой сетевой синхронизации
9.1.1. Необходимость синхронизации и основные рекомендации МСЭ-Т в части построения сети синхронизации
Все операции по обработке сигналов в цифровых системах передачи (будь то передающая или приемная аппаратура) и системах коммутации должны выполняться в строгой последовательности во времени и синхронно. Во всех системах передачи с временным разделением каналов (и в том числе работающих по принципу ИКМ) приемное оборудование всегда должно работать синхронно с передающим. Только в этом случае переданные сигналы попадут на приемной стороне на отведенные им временные позиции и в свои каналы. На каждой цифровой коммутационной станции скорость обработки сигналов задается одним станционным генератором. Все эти функции выполняются с помощью устройств внутри аппаратной синхронизации, входящих в состав устройств передачи и коммутации.
Проблема тактовой сетевой синхронизации возникает, когда цифровые системы передачи интегрируются с электронными цифровыми системами коммутации в единую цифровую сеть, обеспечивающую передачу и коммутацию сигналов в цифровой форме.
Современный опыт, а также ряд исследований указывают, что нарушения в сети синхронизации могут приводить к значительному ухудшению услуг связи в цифровой сети. В зависимости от типа услуг это влияние разное: одни услуги более устойчивы к нарушениям синхронизации в сети, другие – менее. В любом случае нарушения синхронизации приводит к деградации качества услуг и значительным сбоям в работе сети.
Для выравнивания скоростей передачи на стыках включаются устройства буферной памяти так, что запись входной информации в буфер памяти происходит на скорости приходящего сигнала, а списывание – на скорости местного генератора (рисунок 9.1)
Рисунок 9.1. Механизм возникновения проскальзываний
Цифровое устройство 1 генерирует цифровой сигнал с частотой f1, этот сигнал с частотой f1 записывается в оперативную память эластичного буфера, из которого считывается приемным цифровым устройством 2 с частотой f2. Частоты передачи и считывания определяются частотой задающих тактовых генераторов (ТГ1 и ТГ2 соответственно). При работе данной схемы случаются проскальзования. Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в двоичной последовательности в результате различая между скоростями считывания и записи в буферной памяти. В случае, если f1>f2 буфер постепенно переполняется, что приводит к потере информации в размере емкости буфера, возникает положительное проскальзывание. Если же f1<f2, то цифровое устройство 2 рано или поздно начнет считывать информацию с дублированием битов (повторное считывание), что приведет к ошибке – отрицательному проскальзыванию.
В отсутствие эластичного буфера проскальзывания возникают по мере накопления фазового сдвига сигналов передачи и приема, будут возникать битовые проскальзывания, то есть ошибки. Битовые проскальзывания будут нарушать цикловую синхронизацию в то время как с точки зрения алгоритмов взаимодействия цифровых устройств наиболее желательным являются цикловые проскальзывания, которые приводят к потере цикла информации, но не приводят к нарушению цикловой синхронизации.
Для минимизации нежелательных явлений, связанных с проскальзываниями, используют эластичные буферы размером в один или несколько циклов.
- Для услуги телефонии одно проскальзывание приводит к появлению щелчка в трубке. Этот щелчок не всегда слышен, таким образом, единичные проскальзывания незначительно влияют на параметры качества телефонной связи. Обычно несколько щелчков в минуту дает вполне приемлемое качество телефонной связи.
- Изучение вопроса о влиянии проскальзываний на передачу факсимильных сообщений показало, что единичное проскальзываний приводит к нарушению качества или потерям строк сообщения факса. Проскальзывание может приводить к нарушениям в передаче до восьми строк сообщения, что соответствует двух миллиметрам по вертикали. В случае нескольких проскальзываний, передаваемую страницу необходимо повторно переслать.
- Воздействие проскальзываний не передачу данных в разговорном канале приводит к появлению последовательностей ошибок, длительностью от десяти микросекунд до полутора секунд в зависимости от модемного протокола и скорости передачи.
- В случае соединения по видеотелефону проскальзывание обычно приводит к потере видеоканала и необходимости восстановления соединения.
- Воздействие проскальзываний на каналы передачи данных зависит от используемого для передачи данных протокола. Обычно проскальзывания приводят к потере части информации и необходимости ее передачи заново, что в современных протоколах передачи данных делается автоматически. Таким образом, проскальзывания приводят к увеличению времени передачи данных за счет дополнительного времени на повторную передачу.
- При передачи цифровой видеоинформации (например: видеоконференцсвязь) проскальзывания вызывают деградацию качества видеоизображения в виде пропадания кадра или его замирания на период до шести секунд. Длительность деградации видеосигнала зависит от типов кодирования и технологии компрессии.
- Наиболее существенное ухудшение проскальзывания вносят в кодированные данные. В результате проскальзывания теряется ключ кодирования. В этом случае принимаемые данные не могут быть расшифрованы до тех пор, пока ключ не будет передан заново. Таким образом, все данные будут потеряны. В ряде систем с защитой информации повторная передача ключа не опускается, поскольку в этом случае нарушается уровень защиты данных. По этой причине для таких специальных сетей норма "одно проскальзывание в сутки" считается неприемлемой.
Требования к частоте проскальзываний при соединении от абонента до абонента по каналу шестьдесят четыре кило бит в секунду нормируются согласно рекомендации МСЭ-Т G.822 с помощью стандартного цифрового условного эталонного соединения длиной 27500 километра (рисунок 9.2).
Рисунок 9.2. Правило распределение проскальзываний по участкам международных соединений, соответствующие рекомендации G.822.
Для оценки качества синхронизации сети используются следующие три категории качества: "а", "b", "c".
Категория качества "а" – высшая категория – соответствует нормальному режиму работы сети синхронизации в условиях, когда в цепях синхронизации отсутствуют неисправности. Работа по категории качества "а" за длительный промежуток времени (например год) должна составлять не менее девяносто восьми целых девяти десятых процента от времени эксплуатации, несмотря не то, что в этом случае сохраняется синхронизация, категория "а" допускает появление проскальзываний из-за наличия псевдосинхронных участков и сбоев в работе в результате воздействия шумов и помех.
Категория качества "b" – категория ухудшенного качества – соответствует появлению неисправности в цепях синхронизации. За время работы с этой категорией качества проводится диагностика и устранение повреждениях. В расчетах предлагается учитывать одиночную неисправность. Работа по категории "b" за длительный промежуток времени не должна превышать одного процента от времени эксплуатации.
Категория качества "с" – категория, зарезервированная для работ по монтажу и перестройке цепей синхронизации. Работа по категории качества "с" за длительный промежуток времени не должна превышать одной десятой процента от времени эксплуатации.
Значение для интенсивности проскальзываний с учетом временных критериев категорий качества приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1. Интенсивность проскальзываний с учетом временных критериев категорий качества
Категория качества | Интенсивность проскальзываний | Доля времени (примечание) |
"a" | Не более 5 проскальзываний за 24 часа | Не менее 98,9% |
"b" | Более 5 проскальзываний за 24 часа, но менее 30 проскальзываний за 1 час | Не более 0,1% |
"c" | более 30 проскальзываний за 1 час | Не более 0,1% |
Примечание: общее время не менее одного года.
В идеально работающей синхронной цифровой сети возможность возникновения проскальзываний исключена. Нормирование проскальзываний в рекомендации G.822 означает, что МСЭ-Т в принципе допускает в известных пределах нарушения в работе синхронизации и использование на синхронных цифровых сетях несинхронных режимов работы.
9.1.2. Режим работы сети тактовой сетевой синхронизации
Рекомендацией МСЭ-Т G.803 определены четыре режима работы сети синхронизации:
- синхронный;
- псевдосинхронный;
- плезиохронный;
- асинхронный.
Рисунок 9.3. Режимы синхронизации.
Синхронный режим является нормальным режимом работы цифровой сети, при котором проскальзывания носят только случайный характер. Этот режим обычно используется в пределах достаточно обширных географических регионов, границы которых во многих случаях совпадают с границами национальных цифровых сетей государств средних размеров.
Псевдосинхронный режим имеет место, когда на цифровой сети независимо друг от друга работают два (или несколько) генераторов, точность установки частоты которых не хуже единицы на десять в минус одиннадцатой степени в соответствии с рекомендацией G.811. Такой режим работы возникает, на например, при соединении двух независимых синхронных национальных сетей или регионов синхронизации одной национальной сети.
Согласно рекомендации G.802, когда национальные сети с независимой синхронизацией соединяются через международный тракт, который не синхронизирован ни с одной из двух национальных сетей (например, проходит через третью цифровую национальную сеть), то этот тракт должен быть синхронизирован от источника, удовлетворяющего рекомендации G.811 а в случае, когда национальные сети с независимой синхронизацией соединяются через международный цифровой тракт, который синхронизирован со страной передачи, то стык псевдосинхронных серей должен осуществляться в стране приема.
По рекомендации G.810 национальные цифровые сети могут состоять не из одного, образующих в странах с обширных территорией национальную псевдосинхронную сеть. Если два синхронных региона работают от двух не зависимых первичных эталонных генераторов и соединяются через цикловые или октетные выравниватели, то в цифровых каналах шестьдесят четыре килобит в секунду управляемые проскальзываний будут происходить не чаще одного раза в течение интервала времени Т:
, (9.1)
где: 2 * 10 –11 – максимально допустимое относительное расхождение частот первичного эталонного генератора; n = 256 и n = 8 – число выравнивающих бит соответственно при цикловом или октетном выравнивании.
Из проведенной выше оценки возникновения проскальзываний следует, что на псевдосинхронной сети, которая оборудована высокостабильными генераторами, обеспечивающими точность частот до одиннадцатого знака, ухудшение качества для всех видов связи за счет расхождения частот будет практически неощутимо малым по сравнению со всеми другими нарушениями в передаче сигналов, которые могут произойти в течение промежутка времени между проскальзываниями вследствие других, часто трудно предсказуемых причин.
Рассмотренный псевдосинхронный режим работы, хотя принципиально и относится к асинхронным, является полноценным режимом. Преимущество псевдосинхронного режима перед синхронным состоит в том, что при его использовании, вследствии переприема входного сигнала в выравнивающих устройствах буфера памяти, происходит практически полное подавление накопленных перед этим фазовых дрожаний и блужданий входного сигнала.
Плезиохронный режим работы возникает на цифровой сети, когда генератор ведомого узла полностью теряет возможность внешней принудительной синхронизации вследствие отказов как основного, так и всех резервных путем синхронизации. В этом случае генератор ведомого узла полностью теряет возможность внешней принудительной синхронизации вследствие отказов как основного, так и всех резервных путей синхронизации. В этом случае генератор переходит в так называемый режим удержания (holdover mode), при котором запоминается частота сети принудительной синхронизации. Далее по мере ухода с течением времени частоты вследствие дрейфа от величины, зафиксированной в начальный момент в памяти, генератор переходит в так называемый свободный режим (free- run mode).
На ведомых узлах и станциях, начиная со второго иерархического уровня, используются кварцевые генераторы, стабильность частоты которых на два – три порядка ниже, чем у цезиевых стандартов, относящихся к первому иерархическому уровню. При переходе какого-либо ведомого генератора в режим удержания та часть цифровой сети, которая синхронизируется от этого генератора, начинает работать на частоте, все более отличающейся с течением времени от частоты остальной сети. Поэтому для соблюдения рекомендации G.822 по частности проскальзываний длительность работы в режиме удержания, в отличие от псевдосинхронного режима, должна быть жестко ограничена во времени.
Асинхронный режим характеризуется значительно большим расхождением частот генераторов, при котором, однако, еще не нарушается траффик. Необходимые для этого пределы МЧЭ-Т еще не установлены. Вместе с тем известно, что для передачи общего сигнала индикации аварийного состояния расхождение частот не должно превышать 2 * 10 –5.
Комплексное использование различных режимов работы на цифровой сети обеспечивает высокую надежность и живучесть системы сетевой синхронизации.
9.1.3. Сигналы синхронизации. Факторы влияющие на них
Одним из главных требований при организации системы синхронизации является наличие альтернативных хронирующих источников для каждого сетевого элемента. В качестве них обычно используются сигналы:
- сетевого таймера (внешний эталонный генератор синхросигнала две тысячи сорок восемь кило герц);
- внутреннего таймера (внутренний генератор синхросигнала две тысячи сорок восемь кило герц);
- канального интерфейсного блока или сигнал две тысячи сорок восемь кило герц, выделяемый из канала два мега бит в секунду. Этот источник синхронизации не рекомендуется использовать, так как мультиплексирование канальных блоков TU-12 по умолчанию происходит в плавающем режиме. Фиксированное синхронное отображение структурированной информации канальных блоков на поле полезной нагрузки контейнеров верхних уровней не используется, что подразумевает определенную асинхронность в транспортировке контейнеров VC-12 и не позволяет применять канал два мега бит в секунду в качестве хронирующего источника;
- линейного таймера или сигнал две тысячи сорок восемь кило герц, выделяемый из линейного сигнала сто пятьдесят пять целых пятьсот двадцать тысячных мега бит в секунду или сигнала более высокого уровня иерархии.
Для достижения синхронизации в сети необходимо передать информацию о тактовой частоте всем устройствам в сети. Для этой цели используются синхросигналы или сигналы синхронизации. Такие сигналы могут передаваться в линейных сигналах или отдельно в виде специальных сигналов. В результате качество сигнала ухудшается, что приводит к нарушениям параметров синхронизации в сети.
Нестабильности сигналов синхронизации возникают как по физическим параметрам линии передачи в сигнале на приеме, так и по алгоритмическим причинам (например, джиттер стаффинга и смещения указателей).Джиттер – фазовое дрожание с частотой выше 10 Гц, вандер – с частотой ниже 10 Гц. Вандер представляется для систем синхронизации одним из наиболее важных параметров. Он легко проходит без изменений через цепи фазовой синхронизации, может значительно накапливаться в сети и воздействует на систему синхронизации.
Основными физическими причинами нестабильности частоты являются: электромагнитная интерференция; шум и помехи, воздействующие на цепь синхронизации в приемнике; изменения длины тракта; изменение скорости распространения; доплеровские сдвиги от подвижных оконечных устройств; нерегулярное поступление хронирующей информации.
Шумы и помехи, возникающие на входе приемных устройств, имеют, как правило, широкий спектр и перекрывают спектр принимаемого сигнала. При этом они складываются аддитивно и могут воздействовать на тактовый генератор приема. Чаще всего генератор приема содержит цепь фазовой автородстройки частоты (рисунок 9.4).
Рисунок 9.4. Схема восстановления тактовой частоты в приемнике цифрового сигнала.
Фазовый детектор непрерывно измеряет разность фаз между колебаниями тактовых генераторов передатчика и приемника. Сигнал с выхода фазового детектора подается на фильтр нижних частот, что уменьшает неточность измерения фаз в некоторых известных пределах, Однако шум остается и после фильтра и вызывает неточную подстройку частоты генератора приемника под частоту генератора передатчика. Эта схема надежно отрабатывает изменение фазы сигнала с некоторой погрешностью. Таким способом в приемнике поддерживается средняя частота тактов и сохраняется неточность настройки, относительная величина которой может составить плюс минус пять на десять в минус пятой степени за год.
Изменение длины тракта происходят в результате температурного расширения или сжатия среды передачи или в результате изгиба радиотракта в атмосфере. При удлинении тракта эффективная скорость передачи на входе приемника уменьшается, поскольку все больше и больше битов "накапливается" в среде передачи. Аналогично, при укорочении тракта скорость передачи на входе приемника увеличивается, поскольку число битов, "накапливаемых" в линии передачи, уменьшается. После того как длина тракта стабилизируется, восстанавливается номинальная скорость передачи цифрового сигнала. Наиболее значительны изменения длины тракта при связи через спутники. Для современных спутников на геостационарной орбите изменения длины тракта составляют примерно 300 километров, что соответствует изменениям времени прохождения примерно на 1мс. Из сказанного выше следует, что изменение длины тракта влияет на систему частотной синхронизации, поскольку изменение скорости передачи эквивалентно вандеру – основному параметру нестабильности систем частотной синхронизации.
Изменение скорости распространения сигнала. Обычно связано с изменением характеристик среды передачи и наиболее характерно для радиочастотных систем. Механизм воздействия этого параметра приблизительно такой же как изменения длины тракта. Точно так же изменение скорости распространения сигналов приводит к вандеру.
Доплеровские сдвиги. Наиболее 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 пятьсот километров в час эквивалентен нестабильности тактовой частоты, равной 0.000005. По существу оказывается, что доплеровские сдвиги являются результатом изменения длины тракта.
Нерегулярное поступление хронирующей информации. Основное требование к коду в цифровой системе передачи состоит в том, чтобы он обеспечивал получение достаточной хронирующей информации для установления и поддержания колебаний тактовой частоты в приемнике на конце линии. Если уровень хронирующей информации зависит от цифрового сигнала, то фазовые дрожания в восстановленных колебаниях тактовой частоты увеличиваются в течение периодов времени с относительно низкими плотностями импульсов, от которых зависит хронирование. Амплитуда фазовых дрожаний зависит не только от плотности импульсов, но также и от структуры цифрового сигнала (в смысле содержания хронирующей информации).
9.1.4. Общая концепция построения тактовой сетевой синхронизации на взаимоувязанной сети связи России
Тактовая сетевая синхронизация должна соответствовать рекомендации МСЭ-Т и быть единой для всех сетей, нуждающихся в ней и входящих в взаимоувязанной сети связи. Администрации магистральной и внутризоновых сетей наряду со схемой организации связи должны иметь схему тактовой сетевой синхронизации своего участка сети и план их совместного развития.
Система синхронизации должна обеспечивать синхронную передачу по цифровой сети сигналов первичных групп две тысячи сорок восемь кило бит в секунду и, следовательно, всех компонентных сигналов с более низкими скоростями передачи.
Для этого на каждой станции или узле должны синхронизироваться цифровые устройства коммутации телефонных каналов, аппаратура кроссовых соединений (cross connections), каналообразующая аппаратура и мультиплексоры синхронно цифровой иерархии.
В качестве переносчиков синхронной информации в системах синхронно цифровой иерархии должны использоваться линейные сигналы STM-N (155520 * N кбит, N = 1, 4, 16, 64), неподверженные согласованию указателей (pointer justification).
В оборудовании, расположенном на узлах и станциях взаимоувязанной сети связи России, непосредственно для синхронизации должно предусматриваться возможность использования сигналов 2048 кГц и сигналов 2048 кбит/с.
Цифровая сеть ВСС России разбивается по синхронизации на регионы. В каждом регионе синхронизация тактовых частот должна происходить от первичного эталонного генератора или непосредственно, или с помощью ведомых задающих генераторов, управляемых от первичного эталонного генератора.
В каждом регионе синхронизации организуется синхронная работа по принципу иерархической принудительной синхронизации (Master-Slave).
Регионы между собой должны работать в псевдосинхронном режиме, так как у каждого первичного эталонного генератора точность установки и поддержания частоты лучше, чем десять в минус одиннадцатой степени.
Количество последовательно включаемых вторичных задающих генераторов в цепочке от первичного эталонного генератора до последней станции местной сети ограничено и не может превышать десяти.
Для синхронизации всего оборудования, установленного на узле или станции, должен использоваться один источник сигналов синхронизации (последовательный переприем сигналов синхронизации недопустим). Схема соединений должна иметь вид "звезды" с расходящимися лучами.
Схема синхронизации в регионе должно иметь древовидную форму без замкнутых колец. Разветвление происходит в каждом узле, где установлен вторичный задающий генератор. К каждому вторичному задающему генератору синхронизирующие сигналы должны поступать минимум по двум пространственно разнесенным направлениям. Кроме возможности приема резервного синхросигнала каждый вторичный задающий генератор должен иметь возможности переходить в режим удержания частоты. Переключение на резервное направление приема синхросигнала не должно создавать на сети синхронизации замкнутых петель.
При последовательном включении в цепь синхронизации нескольких вторичных задающих генераторов каждый последующий вторичный задающий генератор в цепочке должен иметь полосу захвата не меньшую, чем возможные пределы ухода частоты предыдущего вторичного задающего генератора в автономном режиме. По своим характеристикам вторичного задающего генератора делятся на транзитные и местные. У транзитных вторичных задающих генераторов стабильность собственной частоты выше, а полоса захвата меньше.
В восстановлении сигналов синхронизации, проходящих по сети синхронной цифровой иерархии, кроме вторичных задающих генераторов принимают участие генераторы сетевых элементов синхронно цифровой иерархи. Генератор сетевых элементов должен синхронизироваться от первичного эталонного генератора, вторичного задающего генератора или от предыдущего генератора сетевых элементов, включенного в цепочку.
В системе синхронизации должна соблюдаться определенная иерархия в распространении сигналов синхронизации. Так от первичного эталонного генератора синхронизируется в основном магистральная сеть, от магистральной сети синхронизируются внутризоновых, а от внутризоновых или магистральной – местные сети.
Для обеспечения живучести сети синхронизации должны быть предусмотрены резервные пути передачи сигналов синхронизации, в том числе и от первичных эталонных генераторов соседних регионов.
Выводы по главе:
Проблема тактовой сетевой синхронизации возникает, когда цифровые системы передачи интегрируются с электронными цифровыми системами коммутации в единую цифровую сеть, обеспечивающую передачу и коммутацию сигналов в цифровой форме. Нарушения в сети синхронизации приводит к деградации качества услуг и значительным сбоям в работе сети.
Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в двоичной последовательности в результате различая между скоростями считывания и записи в буферной памяти. Буфер памяти используется для выравнивания скоростей передачи на стыках. В отсутствие эластичного буфера проскальзывания возникают по мере накопления фазового сдвига сигналов передачи и приема, будут возникать битовые проскальзывания, которые будут нарушать цикловую синхронизацию. Наиболее желательным являются цикловые проскальзывания, которые приводят к потере цикла информации, но не приводят к нарушению цикловой синхронизации.
Для оценки качества синхронизации сети используются следующие три категории качества: "а", "b", "c". Категория качества "а" – высшая категория – соответствует нормальному режиму работы сети синхронизации в условиях, когда в цепях синхронизации отсутствуют неисправности. Категория качества "b" – категория ухудшенного качества – соответствует появлению неисправности в цепях синхронизации. Категория качества "с" – категория, зарезервированная для работ по монтажу и перестройке цепей синхронизации.
Синхронный режим является нормальным режимом работы цифровой сети, при котором проскальзывания носят только случайный характер. Псевдосинхронный режим имеет место, когда на цифровой сети независимо друг от друга работают два (или несколько) генераторов. Плезиохронный режим работы возникает на цифровой сети, когда генератор ведомого узла полностью теряет возможность внешней принудительной синхронизации вследствие отказов, как основного, так и всех резервных путем синхронизации. Асинхронный режим характеризуется значительно большим расхождением частот генераторов, при котором, однако, еще не нарушается траффик.
Основными физическими причинами нестабильности частоты являются: электромагнитная интерференция; шум и помехи, воздействующие на цепь синхронизации в приемнике; изменения длины тракта; изменение скорости распространения; доплеровские сдвиги от подвижных оконечных устройств; нерегулярное поступление хронирующей информации.
Тактовая сетевая синхронизация должна соответствовать рекомендации МСЭ-Т и быть единой для всех сетей, нуждающихся в ней и входящих в взаимоувязанной сети связи. Администрации магистральной и внутризоновых сетей наряду со схемой организации связи должны иметь схему тактовой сетевой синхронизации своего участка сети и план их совместного развития.
Система синхронизации должна обеспечивать синхронную передачу по цифровой сети сигналов первичных групп две тысячи сорок восемь кило бит в секунду и, следовательно, всех компонентных сигналов с более низкими скоростями передачи.
Контрольные вопросы:
- Почему все операции по обработке сигналов в цифровых сетях передачи и системах коммутации должны выполняться в строгой последовательности во времени и синхронно?
- Дать определение проскальзываниям (положительное, отрицательное)?
- Назначение и устройство буфера памяти?
- К чему могут привести проскальзыввания?
- Как влияют проскальзывания на различные виды услуг связи?
- Дайте определения категориям качества?
- Дайте определения режимам:
-
- синхронный;
- псевдосинхронный;
- плезиохронный;
- асинхронный.
-
- Перечислите альтернативные хронирующие источники.
- Дайте определение джиттеру и вандеру?
- Перечислите основные физические причины нестабильности частоты.
- Расскажите о том, как должна быть организованна синхронизация в регионе.