9.2.1. Принципы (признаки) разделения цифровой сети на регионы тактовой сетевой синхронизации

9.2.2. Иерархическое построение сети по древовидной схеме

9.2.3. Обеспечение высокой точности установки наминала тактовой частоты в условиях длительной эксплуатации

9.2.4. Восстановление синхронизации в сетях синхронно цифровой иерархии

9.2.1. Принципы (признаки) разделения цифровой сети на регионы тактовой сетевой синхронизации

Разбиение территории России на регионы по синхронизации должно происходить, исходя из следующих основных положений:

• регион синхронизации по возможности должен совпадать с регионом управления взаимоувязанной сети связи;

• каждый регион должен в перспективе иметь разветвленную сеть цифровой связи и взаимодействовать с другими регионами по нескольким магистральным линиям связи;

• регион должен иметь определенный центр, который поддерживает прямые связи с основными узлами данного региона;

• в качестве центра региона целесообразно выбирать или узел автоматической коммутации или международный центр коммутации. В условиях разделения цифровой сети на первичную и вторичную сеть, устанавливаемый в центре региона первичный эталонный генератор является принадлежностью первичной сети;

• в пределах одного региона на магистральной и внутризоновой сетях должно быть более трех – четырех последовательно подключенных узлов переприема сигналов синхронизации второго уровня иерархии.

Увеличение количества регионов на цифровой сети ограничивается высокой стоимостью первичных эталонных генераторов и относительной сложностью его обслуживания.

В каждом регионе устанавливается свой первичный эталонный генератор. От этого генератора должны синхронизироваться, непосредственно или через промежуточные пункты, все входящие в цифровую сеть узлы и станции, которые расположены на территории данного региона.

Каждый первичный эталонный генератор должен удовлетворять рекомендации G.811. При этом каждый регион может самостоятельно и полноценно работать на псевдосинхронном режиме с международной цифровой сетью. Точно также обеспечивается псевдосинхронное взаимодействие регионов между собой.

В настоящее время на территории России базовую сеть синхронизации образует сеть ОАО Ростелеком. Базовая сеть представлена различными регионами синхронизации: Дальневосточный (Хабаровск), Сибирский (Новосибирск), Центральный (Москва), Южный (Ростов), Северо-западный (С.-Петербург)[8]. Каждый регион оснащается ПЭГ. Доставка синхросигналов от ПЭГ по основным и резервным линиям ко всей аппаратуре систем передачи и коммутации, передающейся в синхронизации, осуществляется с помощью аппаратуры по физическим линиям.

9.2.2. Иерархическое построение сети по древовидной схеме

Внутри каждого региона сеть принудительной синхронизации должна строиться по иерархическому принципу по древовидной (радиально-узловой) схеме, исключающей возможность образования замкнутых петель в любой ситуации. Система синхронизации не накладывает никаких ограничений на количество ветвей, исходящих из каждого узла. В основании такого дерева должен стоять первичный эталонный генератор, стабильность которого выбирается максимально возможной и составляет порядка десяти в минус двенадцатой - тринадцатой степени. От первичного эталонного генератора синхросигналы распределяются по каналам передачи ко всем генераторам сети. С точки зрения сети все остальные генераторы будут вторичными задающими генераторами. Все они работают в режиме принудительной синхронизации и образуют многоуровневую иерархию источников синхронизации (смотри рисунок 9.5).

Рисунок 9.5. Структура иерархии системы межузловой синхронизации.

Источники более низкого уровня иерархии берут синхросигнал от источников более высокого уровня, хотя допускаются связи между источниками внутри одного уровня. В результате каждый источник синхронизации в системе связи синхронизирован по цепи от первичного эталонного генератора. По мере распределения синхросигнала по сети его параметры ухудшаются, так что до самых низких уровней он доходит с параметрами стабильности на 4 – 5, а то иногда и больше порядков хуже, чем синхросигнал, генерируемый эталонным задающим генератором. Чем длиннее цепочка, тем больше ухудшение параметров синхросигнала[3]. Поэтому при построении сети синхронизации и ее модернизации одним из основных законов является: проектировать сеть синхронизации таким образом, чтобы количество переприемов синхросигнала было минимальным для каждого направления.

Чтобы добиться этого, иногда требуется разделить систему связи на несколько регионов и разместить в каждом регионе первичный эталонный генератор. В этом случае для каждого региона строится своя иерархия под управлением первичного эталонного генератора, а регионы взаимодействуют друг с другом по схеме независимой синхронизации. Для повышения надежности сети связи внутри каждого региона обеспечивается резервирование сети синхронизации, часто регионы взаимно резервируют друг друга на различных уровнях.

На узлах сети синхронно цифровой иерархии согласно рекомендации G.803 для фильтрации фазовых дрожаний через n (n < 20) промежуточных генераторов сетевых элементов должны устанавливаться ведомые задающие генераторы, удовлетворяющие рекомендации G.812.

На первых этапах развития цифровой сети, пока ее разветвленность еще недостаточна и когда сравнительно просто избегать образования замкнутых петель при переключениях в сети синхронизации, переключение на резервные пути синхронизации должно производиться по заранее составленной для каждого узла и станции программе. В дальнейшем установка приоритетов приема синхросигнала будем постепенно переходить в ведение системы управления тактовой сетевой синхронизации.

Основной тракт синхронизации от данного узла или станции до ведущего узла своего региона должен проходить по кратчайшему пути через минимальное число промежуточных пунктов с возможно более высоким иерархическим уровнем систем передачи, отдавая предпочтение линиям связи, использующим оптические и коаксиальные кабели перед радиорелейными линиями и симметричными кабелями.

Маршруты прохождения первичных групп, которые наряду с передачей информации используются для передачи резервных синхросигналов, должны проходить, по возможности. По разным трассам и в том числе к первичного эталонного генератора соседних регионов.

В случае отказа всех входных синхросигналов ведомый генератор донного узла или станции должен переходить в режим удержания частоты. При этом переходе у транзитных узлов относительная неточность первоначального запоминания частоты сети не должна превышать пяти на десять в минус десятой степени, а суточный дрейф частоты соответственно единица на десять в минус девятой степени. Должны приниматься срочные меры для восстановления принудительной синхронизации, с тем чтобы длительность работы в режиме удержания не превышала одних суток в течение года.

9.2.3. Обеспечение высокой точности установки наминала тактовой частоты в условиях длительной эксплуатации

Для обеспечения псевдосинхронной работы между регионами каждый регион должен быть оснащен первичным эталонным генератором.

Генераторы разделяются на два основных типа: кварцевые и атомные. К первой группе относятся три типа источников: обычные кварцевые, кварцевые с температурной компенсацией TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) и охлаждаемые кварцевые источники OCXO (Oven Compensated Crystal Oscillator). Атомные источники разделяются на три типа: водородные мазеры, цезиевые стандарты и рубидиевые источники. Кварцевые источники частоты в той или иной степени используют пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как атомные источники частоты работают на принципе резонансного лазерного излучения.

Рисунок 9.6. Иерархия источников синхронизации

Все шесть основных типов источников синхронизации (ИС) различаются своими принципами и параметрами точности, имеют свои особенности построения. Следует отметить, что наибольшую точность и стабильность генерируемого сигнала дают водородные мазеры, затем идут цезиевые стандарты, рубидиевые источники частоты, TCXO, OCXO и обычные кварцевые источники. Высокая стоимость водородных мазеров приводит к тому, что их практически не используют в телекоммуникационных приложениях, а только для лабораторных комплексов, в авиации и космонавтике.

Таблица 9.2. Сравнительные характеристики различных источников синхронизации

Атомные генераторы используют три атомных эталона: рубидий, цезий и водород. Рубидий поглощает микроволновые колебания на частоте 6 834 682 608 Гц, цезий – на частоте 9 192 631 770 Гц, водород – 1 420 405 751,768 Гц.

Они используются в качестве ПГ.

Эталон рубидия представляет собой стеклянную колбу, заполненную рубидиевыми парами. Ее нагревают и помешают в микроволновую камеру со стеклянными окошками на торцах. Камера просвечивается рубидиевой лампой. Свет, прошедший через камеру, фиксирует фотоэлемент. Одновременно на камеру подается модулированный микроволновый сигнал, полученный с помощью стабильного кварцевого генератора. Таким образом, можно точно совместить микроволновый сигнал с резонансной частотой рубидия, так как оптическое поглощение газа рубидия изменяется на резонансной частоте. Стабильность частоты генератора на интервале времени одна секунда от 10 ^–11 – 10 ^-12 степени, одни сутки от 10 ^–12 – 10 ^-13 степени, один месяц до 10 ^-11 степени. Эталон рубидия требует коррекции, так как им присущ недостаток, обусловленный старением.

Цезиевые генераторы эталонной частоты не отличаются миниатюрностью и дешевизной. Они представляют собой атомную лабораторию в миниатюре, в которой атомы цезий запускаются из нагреваемой камеры в вакуумную.

Эти генераторы представляют собой первичные стандартные эталоны. В соответствии с международными соглашениями цезиевый генератор частоты определяет продолжительность времени в одну секунду. Это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу атома цезия -133. Стабильность частоты генератора на интервале времени от 1 секунды до 10 ^-13, в одни сутки от 10 ^–13 до 10 ^–14, за год до 10 ^–13 .

Водородные эталон – водородный лазер, обладает очень высокой стабильностью на коротких промежутках времени (несколько часов), стабильность оценивается минус пятнадцатой степенью.

Кварцевые генераторы подразделяются на три вида: обычные кварцевые, кварцевые с температурной компенсацией ТСХО и охлаждаемые кварцевые источники ОСХС. Они используются в качестве ГСЭ, и ВЗГ.

Обычные кварцевые генераторы имеют стабильность в интервале времени от 1 секунды до 10 ^-9, в сутки от 10 ^–7, в год до 10 ^–6. Генераторы ТСХО имеют стабильность в интервале времени 1 секунда от 10 ^–9 до 10 ^–10, в сутки от 10 ^–7 до 10 ^–9, в год от 10 ^–9 до 10 ^–11.

Кварцевые генераторы обеспечивают достаточно высокий уровень кратковременной стабильности, но их параметры долговременной стабильности довольно низкие. Атомные генераторы характеризуются более высокими, на несколько порядков, параметрами стабильности. Наиболее мощными источниками являются цезиевые стандарты, которые обеспечивают высокие параметры как долговременной, так и кратковременной стабильности. В отличие от них рубидиевые генераторы обеспечивают высокие параметры кратковременной стабильности, но их параметры долговременной стабильности довольно низкие в сравнении с цезиевыми стандартами.

Следует так же отметить, что стоимость генераторов прямо пропорциональна их стабильность. Самыми дорогими являются цезиевые стандарты, затем идут рубидиевые генераторы, кварцевые генераторы ТСХО, ОСХО и, наконец, наиболее дешевыми являются обычные кварцевые генераторы.

Источники тактового синхронизма на основе GPS (Global Position System) –глобальной системы позиционирования. Данная система изначально создавалась для целей навигации и определения местоположения объекта на поверхности. В основе системы лежит использование низкоорбитальных спутников системы NAVSTAR. Одновременно над горизонтом в любой точке земного шара наблюдаются минимум три спутника. На спутниках размещаются генераторы высокой стабильности (цезиевые стандарты), которые обеспечивают генерацию сигналов заданного вида. В сигнале содержится точное время (UTC) и частота для синхронизации приемников. Приемники GPS на основе триангуляции осуществляют расчет координат объекта на земной поверхности. В качестве побочных данных приемники GPS может восстанавливать из принимаемого сигнала частоту с достаточно высокой стабильностью.

Особенностью синхросигнала, генерируемого приемником GPS, является его высокая долговременная стабильность, поскольку система GPS в целом работает стабильно и низкая кратковременная стабильность, которая зависит от количества спутников над горизонтом в каждый конкретный промежуток времени и может варьироваться по времени достаточно широко.

В качестве первичного эталонного генератора обычно используется оборудование синхронизации, оснащенные цезиевыми стандартами частоты или управляемое сигналами от источника Всемирного координированного времени. При этом обеспечивается точность установки и поддержания частоты не хуже, чем 1 * 10 ^–11.

Высокая точность установки и поддержания номинала тактовой частоты обеспечивается использованием в первичных эталонных генераторах не менее трех эталонных источников этой частоты и проведением их непрерывного сличения между собой.

Сличение частот сигналов, формируемых источниками эталонной частоты между собой, должно обеспечиваться средствами аппаратуры первичного эталонного генератора с помощью измерительных устройств или программного обеспечения. Проверка цезиевых стандартов по Всемирному координированному времени должна быть возложена на Институт мер времени и пространства, который отвечает за точность установки частоты всех вторичных и рабочих стандартов частоты на территории Российской Федерации.

Если частота одного из эталонных источников существенно отличается от номинального значения, то это должно быть быстро обнаружено и обеспечено переключение на исправный источник эталонной частоты. Кроме этого должна проводиться периодическая проверка цезиевых стандартов частоты по Всемирному координированному времени. При соблюдении этих условий может гарантироваться надежная и качественная связь между регионами.

9.2.4. Восстановление синхронизации в сетях синхронной цифровой иерархии

Для выбора источника синхронизации необходим определенный алгоритм. Так как распределение сигнала синхронизации по сети является комплексной задачей, реализуемой на сетевом уровне, а изменение источника синхронизации в одном из узлов может поменять весь характер этого распределения, следует использовать такой алгоритм восстановления синхронизации, который не приведет к нарушениям работоспособности сети в целом. В его основе должны лежать следующие принципы:

• при восстановлении синхронизации в сети необходимо избегать формирования замкнутых петель, то есть ни один из хронирующих источников не должен синхронизироваться своим собственным сигналом (такие петли нестабильны и приводят к уходу частоты тактового генератора от номинального значения);

• если тактовый генератор работает в режиме удержания, он не должен служить эталоном для хронирующего источника более высокого уровня качества;

• каждый сетевой элемент должен синхронизироваться от хронирующего источника более высокого уровня качества, чем уровень собственного внутреннего тактового генератора;

• наличие небольшого числа альтернативных источников.

Существует несколько методов восстановления синхронизации сети, каждый из которых при определенных технических и эксплуатационных характеристиках имеет свои достоинства и недостатки.

Ручное переключение источников синхронизации применяется только для сетевых элементов, имеющих собственные высокостабильные тактовые генераторы. Оно сопровождается длительным процессом принятия решения. Сначала в центральном офисе собирается вся информация об отказах на сети, связанных с системой синхронизации. При получении сообщения об отказе вызывается ответственное должностное лицо для принятия решения – на какой из резервных эталонных хронирующих источников следует переключиться и как будет организована схема распределения этого сигнала. Процесс может занимать несколько дней.

Преимущество этого метода заключается в том, что оператор легко разбирается с общей топологией сети и принимает решение без использования сложного и дорогостоящего программного обеспечения. Недостаток – необходимо постоянно иметь возможность связаться с одним или группой экспертов. Уровень доступности эксперта определяет требования к стабильности тактового генератора, поэтому число переключаемых вручную хронирующих источников не должно быть большим.

Восстановление синхронизации сети при помощи программы сетевого менеджера – шаг к автоматизации процедуры ручного переключения и исключения оператора из процесса принятия решения оператора из процесса принятия решения. Это сокращает эксплуатационные расходы, ускоряет время переключения (минуты вместо часов) и позволяет обслуживать большее число хронирующих источников. Недостаток – более высокие затраты на решение целого ряда технических и организационных задач по разработке соответствующих алгоритмов управления большой сетью из единого центра. На практике этот метод используется только в сетях с распределенными первичными эталонными генераторами, в которых несколько хронирующих источников располагаются в различных сетевых узлах и любой из них может взять на себя функции основного.

Другой подход к восстановлению синхронизации основан на использовании информации, доступной в конкретном узле. В первую очередь это входящие сигналы индикации аварийного состояния, генерируемые оборудованием данного узла. В этом случае переключение на резервный хронирующий источник происходит быстрее (менее одной секунды). Быстрое переключение предполагает, что у тактового генератора с невысокой стабильностью в режиме удержания уход фазы не превышает одной микросекунды. К таким методам переключения относятся методы, основанные на приоритетных таблицах (priority tabbies) и на сообщениях о статусе синхронизации (synchronization status messages).

Рассмотрим метод приоритетных таблиц. Этот метод имеет простой алгоритм. Пользователь ставит в соответствие любому входящему сигналу, используемому в целях синхронизации, определенный уровень приоритета. Сигнал с наивысшим приоритетом выбирается в качестве основного, а остальные находятся в режиме ожидания. Переключение происходит после исчезновения основного сигнала синхронизации из-за пропадания сигнала на линейном интерфейсе, потери цикла передачи, при сигнале аварийного состояния или других отказах на сети. Переключить на резервный сигнал синхронизации можно и в случае, если обнаружится значительный уход фазы или частоты опорного сигнала. Это реализуется путем сравнения основного сигнала синхронизации с сигналами внутреннего тактового генератора и резервных источников и применением мажоритарного алгоритма для подтверждения его более высокого уровня качества.

Преимущество метода приоритетных таблиц состоит в том, что он прост, обеспечивает быстрый переход на основе информации, собранной в конкретном узле сети, не требует наличия системы управления сетью. Недостаток – недостаточная гибкость в поддержке разнообразных сетевых топологий, в первую очередь это относится к сетям кольцевой и линейной топологии с большим числом промежуточных узлов.

Метод приоритетных таблиц часто применяется для переключения источников синхронизации в отдельных коммутаторах и кросс-коннекторах, расположенных в крупных узлах ячеистых сетей. Такие узлы имеют большое число входящих и исходящих направлений, поэтому всегда существует несколько вариантов для формирования полноценной таблицы приоритетов, обеспечивающей отсутствие замкнутых петель синхронизации. Это наиболее традиционный метод выбора источников синхронизации в PDH сетях, работающих внутри SDH сетей.

Часто в оконечных узлах линии находятся эталонные хронирующие источники с высоким уровнем качества, а в промежуточных – мультиплексоры ввода/вывода, содержащие собственные тактовые генераторы более низкого уровня качества. В этом случае может применяться метод сообщений о статусе синхронизации. При отказе на линии ведомый тактовый генератор одного из оконечных узлов не должен синхронизироваться генератором, работающим в режиме удержания, для передачи сообщения, что источником входящего сигнала синхронизации является тактовых генератор с более низким уровнем качества, чем собственный тактовый генератор оконечного узла, необходимо использовать один из байтов заголовка сигнала STM-N.

Этот алгоритм реализуется в стандартизированном протоколе передачи сообщений о статусе синхронизации, несущих в кодированном виде информацию об уровне качества сигнала синхронизации потока STM-N, которое определяется качеством тактового генератора, находящегося в начале цепочки синхронизации. Если в начале цепочки находится тактовый генератор высокого качества, работающий в режиме удержания, то исходящий сигнал STM-N любого узла также будет иметь качество эталонного первичного генератора. Под качеством понимается долговременная стабильность генератора.

Преимущество этого метода по сравнению с методом приоритетных таблиц заключается в том, что он может применяться в сетях с любой топологией. Метод, основанный на сообщениях а статусе синхронизации, может рассматриваться как дополнение к предыдущему, поскольку обеспечивает в каждом узле сети дополнительную информацию, которая поступает в форме сообщений в заголовках сигналов STM-N или Е1. Эти сообщения позволяют сетевым элементам по-разному реагировать на различные ситуации, на при этом по-прежнему не требуется система централизованного управления сетью. Эти два механизма, таблицы приоритетов и сообщения о статусе синхронизации являются точным средством для автоматического восстановления синхронизации в сети, предотвращения создания замкнутых петель синхронизации и нарушения иерархии уровней качества хронирующих источников.

Один метод позволяет выбрать сигнал с наивысшим уровнем качества. Но так как в обычных условиях эксплуатации все цепочки синхронизации начинаются от хронирующих источников уровня качества первичного задающего генератора, то это требует дополнительных критериев для выбора резерва. Для этого могут использоваться таблицы приоритетов. Приоритеты источников синхронизации определяются оператором сети с помощью системы сетевого менеджмента.

Согласно рекомендации МСЭ-Т G.707 сообщения о статусе синхронизации располагаются в пяти – восьми битах байта Z1 (переименованный S1) заголовка сигнала STM-N. Значения которые может принимать данный байт приведены в таблице 9.3.

Таблица 9.3. Показатели качества синхросигнала

Уровень качества	Содержимое байта	Число	Показатель стабильности	Источник Сигнала
Q1	xxxx0010	2	1 * 10 -11	ПЭГ(G.811)
Q2	xxxx0100	4	1 * 10 –9 в сутки	ВЗГ(G.812)
Q3	xxxx1000	8	2 * 10 –8 в сутки	ВЗГ(G.812)
Q4	xxxx1011	В	4.6 * 10 -6	ГСЭ(holdover или free run)
Q5	xxxx0000	0	-	Качество неизвестно
Q6	xxxx1111	F	-	Не использовать

Учитывая, что ГСЭ и ВЗГ имеют несколько входов для внешних синхросигналов, качество которых может быть независимым и одинаковым, вводится система приоритетов. Уровень приоритета определяется его номером. Чем меньше номер, тем выше приоритет. Число приоритетов может быть от нуля до двухсот пятидесяти четырех. Приоритет отмечается в таблице приоритетов, размещаемой в памяти контроллера ГЭС.

Первым приоритетом обычно устанавливается сигнал синхронизации, поступающий от первичного эталонного генератора по самому короткому и качественному маршруту, где по пути следования синхросигнала установлено как можно меньше промежуточных ВЗГ.

Вторым приоритетом для основного оборудования узла или станции может служить сигнал синхронизации, поступающий от ПЭГ по другому маршруту, чем сигнал первого приоритета.

ВЗГ и ГСЭ могут принимать синхросигналы 3-го и 4-ого приоритетов и так далее. Последним из приоритетов в любом оборудовании синхронизации является собственный генератор, работающий в режиме запоминания частоты синхросигнала (holdover) и свободных колебаний (free run). Приоритетом можно запретить использование входа синхронизации.

Система приоритетов и качества направлена на повышение надежности сетей ТСС.

Все выше рассмотренные проблемы и вопросы позволяют решить задачу синхронизации магистрального и внутризонового участка в первичной сети. Синхронизация местного участка сети имеет особенности которые рассмотрены далее.

Выводы по главе:

Для организации тактовой сетевой синхронизации большую территорию разбивают на регионы. В каждом регионе устанавливается свой первичный эталонный генератор, который должен удовлетворять рекомендации G.811. Поэтому увеличение количества регионов на цифровой сети ограничивается высокой стоимостью первичных эталонных генераторов и относительной сложностью его обслуживания.

В настоящее время на территории России базовую сеть синхронизации образует сеть ОАО Ростелеком. Базовая сеть представлена различными регионами синхронизации: Дальневосточный (Хабаровск), Сибирский (Новосибирск), Центральный (Москва), Южный (Ростов), Северо-западный (С.-Петербург).

Внутри каждого региона сеть принудительной синхронизации строиться по иерархическому принципу по древовидной (радиально-узловой) схеме, исключающей возможность образования замкнутых петель в любой ситуации. В основании такого дерева должен стоять первичный эталонный генератор. От первичного эталонного генератора синхросигналы распределяются по каналам передачи ко всем генераторам сети.

Источники более низкого уровня иерархии берут синхросигнал от источников более высокого уровня

Основной тракт синхронизации от данного узла или станции до ведущего узла своего региона должен проходить по кратчайшему пути через минимальное число промежуточных пунктов с возможно более высоким иерархическим уровнем систем передачи. В случае отказа всех входных синхросигналов ведомый генератор донного узла или станции должен переходить в режим удержания частоты.

Для выбора источника синхронизации необходим определенный алгоритм. Существует несколько методов восстановления синхронизации сети: ручной метод, программа сетевого менеджера, метод приоритетных таблиц, сообщение о статусе синхронизации.

Все выше рассмотренные проблемы и вопросы позволяют решить задачу синхронизации магистрального и внутризонового участка в первичной сети. Синхронизация местного участка сети имеет особенности которые рассмотрены далее.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные положения, которыми следует руководствоваться при разделении цифровой сети на регионы.
2. Чем ограничивается увеличение количества регионов?
3. По какому принципу должна строиться ТСС внутри каждого региона?
4. Перечистите типы генераторов.
5. Какое оборудование обычно используется в качестве первичного эталонного генератора?
6. Чем обеспечивается высокая точность установки и поддержания номинала тактовой частоты?
7. Перечислите принципы лежащие в основе алгоритма выбора источника синхронизации.
8. Перечислите методы восстановления синхронизации сети.