Реферат: Синхронизация SDH сетей

Необходимость синхронизации SDH.

С появлением SDH  к сетям синхронизации предъявляются новые требования. SDH являются высокоскоростными синхронными транспортными системами. Элементы сетей SDH  требуют синхронизации, так как передаваемый ими оптический сигнал является синхронным. Однако потеря синхронизации сетевыми элементами SDH не приводят к возникновению проскальзываний. Это обусловлено тем фактом, что рабочая нагрузка в SDH  передается асинхронно. Для идентификации начала кадра SDH используют указатели. Несовпадение скоростей передачи и приема вызовет изменения в указателе (см. Рис.2).

Рис. 2 -  Выравнивание указателя.

Однако, выравнивание указателя может привести к возникновению джиттера и вандера в передаваемом сигнале. Джиттер это быстрое (>10 Гц) изменение фазы сигнала («дрожание фазы»). Вандер - это медленное (<10 Гц) изменение фазы сигнала («дрейф фазы»). Избыточный джиттер SDH может привести к потере кадровой синхронизации. Избыточный вандер может вызвать проскальзывание на оконечном оборудовании. Поэтому целью синхронизации сетей SDH является, ограничение числа выравниваний указателя, осуществляемых сетевыми элементами SDH. Это достигается ограничением кратковременных шумов (<100 секунд) в сети синхронизации путем использования более стабильных тактовых генераторов на всей сети.

Пакеты (паучки) ошибок, вызванные синхронизацией.

В частных сетях синхронизация может вызвать дополнительные сбои (ухудшения) в форме пакетов ошибок. Рассмотрим частную сеть, в которой тактовые генераторы оборудования, размещенного на территории пользователя (СРЕ), соединены в цепь. Кратковременному ухудшение опорной частоты первого СРЕ повлияет на работу всего оборудования в цепи (см. Рис.3). В ответ на кратковременную ошибку большинство генераторов CPE выработает пакеты ошибок на всех выходных линиях. Второй генератор в цепи определит наличие ухудшения, вызванного первым генератором, и будет реагировать подобным образом, вырабатывая ухудшения (сбои) на всех своих выходах. Таким образом, пучок ошибок распространяется (и произвольно увеличивается) по всей сети СРЕ.

Пучки ошибок, вызванные синхронизацией, по своей природе являются кратковременными переходными процессами и обычно мало отличаются от избыточно ошибочных линий передачи. Поэтому проблемы синхронизации могут быть ошибочно приняты за высокий коэффициент ошибок линий передачи. Таких трудностей можно избежать при использовании правильно разработанных генераторов СРЕ и при тщательном планировании распределения синхронизации в частной сети. Необходимо отметить, что такие проблемы пучков ошибок обычно не возникают в сетях общего пользования.

Рис. 3 – Ошибки каскадирования в частных сетях.

Требования к рабочим характеристикам синхронизации - Сети общего пользования.

Для управления частотой проскальзываний, событиями выравнивания указателей и пучками ошибок, вызванных синхронизацией, ITU и ANSI установили несколько требований к рабочим характеристикам синхронизации.

Для международных соединений порог скорости проскальзываний для "приемлемого" соединения установлен ITU на уровне одного проскальзывания за каждые пять часов. Для достижения удовлетворительной скорости проскальзываний при сквозной передаче долговременная максимальная нестабильность частоты на выходе цифровой системы синхронизации составляет 1х10-11.  Это требование было установлено как ANSI, так и ITU. Требования к кратковременной нестабильности допускают от 1 до 10 микросекунд с ошибками в день на выходе каждого сетевого тактового генератора.

В настоящее время принимаются новые кратковременные требования. Это преследует две цели. Во-первых, это гарантирует, что случайные изменения синхронизации не приведут к появлению проскальзываний. Во- вторых, это ограничивает период кратковременной нестабильности сигнала синхронизации, что, в свою очередь, ограничивает число выравниваний указателя и результирующий джиттер в сетях SDH. ANSI требует, чтобы длительность кратковременного шума с ограниченной полосой пропускания на выходе генератора не превышала 100 наносекунд.

Требования к рабочим характеристикам синхронизации - Корпоративная (частная сеть)

В настоящее время в стадии разработки находятся спецификации ETSI выдвигающие требования к джиттеру и вандеру в сетях синхронизации, подходящих для SDH и PDH. Устанавливаются пределы для различных уровней (layers) сетевой синхронизации, а также рабочие характеристики генераторов оборудования SDH. В данном документе приводятся стандарты для тех администраторов сетей, которые придерживаются ETSI.

Для частных сетей существует несколько требований к рабочим характеристикам синхронизации. Рабочие характеристики синхронизации для частной цифровой сети могут быть в 1000 раз хуже, чем для сети общего пользования. В соответствии с требованиями ANSI первый СРЕ в цепи синхронизации частной сети должен обеспечивать 4,8 миллисекунд времени с ошибками в день. Это соответствует приблизительно 40 проскальзываниям в день на один СРЕ. Кроме того, ANSI в настоящее время не имеет требований, ограничивающих число пучков ошибок, вызванных синхронизацией в частных сетях. Однако, это временное требование. Ожидается, что в ближайшие несколько лет эти требования изменятся до 18 микросекунд ежедневных ошибок синхронизации и отсутствия пучков ошибок, вызванных синхронизацией.

Основной причиной плохих рабочих характеристик частных сетей является использование в СРЕ генераторов низкого качества Stratum 4. Кроме того, частные сети могут иметь сложные неограниченные архитектуры с большим количеством каскадно-соединенных эталонных источников синхронизации. При использовании генераторов 4 уровня проскальзывания вызываются не только ошибками передачи, но и сбоями, вызванными оборудованием. Кроме того, синхронизация СРЕ может стать серьезным источником ошибок на передающих устройствах частных сетей. Более подробно эта проблема обсуждается в разделе IV «Влияние генератора приемника, работа в условиях стресса - генераторы СРЕ».

Основы передачи сигналов в сетях SDH

В этом разделе рассмотрены основные принципы передачи сигналов в сетях SDH необходимые для понимания вопросов синхронизации. В обеих сетях осуществляется синхронное мультиплексирование сигналов. Это дает два основных преимущества: одноступенчатое мультиплексирование и возможность кросс-коммутации и мультиплексирования ввода- вывода.

В существующих асинхронных системах для достижения более высокой скорости передачи сигналов необходимо мультиплексировать сигнал на каждом уровне иерархии передачи. Например, сигналы DS1 мультиплексируются в DS2, затем в DS2 в DS3, затем в высокоскоростные сигналы оптической линии. В SDH мультиплексирование выполняется за один шаг, так как сигнал синхронный.

Второе основное преимущество заключается в возможности кросс коммутации и мультиплексировании ввода-вывода. Для получения сигнала DS1 или E1 в существующих асинхронных системах должен быть демультиплексирован полный сигнал. Высокоскоростной сигнал оптической линии должен быть демультиплексирован в DS3, DS3 в DS2, DS2 в DS1 или E1. Необходимо иметь все сигналы DS1 или E1, чтобы получить один из них. В SDH DS1 или E1 могут быть получены без демультиплексирования полного сигнала.

Мультиплексирование в сети SDH

Синхронный транспортный модуль уровня 1 (STM-1), имеющий скорость передачи 155,520 Мбит/с, обеспечивает базовую скорость потока для SDH. Все менее скоростные полезные нагрузки, такие как DS1, E1 или DSЗ упаковываются в STM-1. Более скоростные сигналы формируются путем мультиплексирования N транспортных модулей SТМ-1 в STM-N. Никаких дополнительных заголовков или дополнительной обработки при этом не требуется. Сигнал STM-1 состоит либо из сигналов трех административных блоков уровня З (AU-З),  либо из сигнала одного блока AU-4.

Полезные нагрузки могут быть упакованы в SDH несколькими способами, как показано на рисунке 4. Сигналы DS1 или E1 сначала упаковываются в виртуальный контейнер (VC-11, VC-12, соответственно). Этот виртуальный контейнер УС содержит полезную нагрузку и информацию заголовка. VC-11 или VC-12 затем упаковываются в более скоростной виртуальный контейнер VC, такой как VC-З, который может быть также использован для переноса сигналов DSЗ. Сигнал VC-З имеет дополнительную информацию заголовка. Более скоростной сигнал УС затем упаковывается в сигнал AU-З или AU-4, которые входят в состав STM-1.

Рис. 4 – Мультиплексирование в сети SDH.

Основные методы синхронизации.

Для синхронизации цифровых сетей используется несколько основных методов: плезиохронная работа, иерархическая работа приемника - передатчика, взаимная синхронизация, импульсное дополнение (стаффинг) и указатели. Все они подробно рассматриваются ниже.

Плезиохронная работа.

Каждый узел получает эталонный сигнал от своего независимого источника синхронизации (рис.5). Допустимая частота проскальзываний сохраняется благодаря жесткой точности синхронизации на обеих сторонах соединения. Стандарты определяют границу стабильности генераторов, используемых для синхронизации плезиохронных соединений. В сетях, использующих плезиохронные ситуации, управляющие генераторы должны поддерживать долговременную нестабильность частоты в пределах 1х10-11. Это типовой режим работы для соединения через административные границы.

Рис. 5 – Плезиохронная работа

Иерархический передатчик - приемник.

Источник первичного эталонного сигнала в управляющем узле генерирует размноженный и распределенный эталонный сигнал синхронизации (рис.6). Управляющий узел посылает свой эталонный сигнал на принимающие узлы. Эталонный синхросигнал иерархически распределяется по сети. Двумя главными компонентами этой сети являются генераторы приемника, используемые для регенерации эталонного сигнала синхронизации, и цифровые тракты, используемые для передачи синхросигналов по сети.

Рис. 6 – Иерархическая структура источник-приемник.

Взаимная синхронизация.

При взаимной синхронизации информация о синхронизации совместно используется всеми узлами сети (рис.7). Каждый генератор посылает и принимает сигналы эталонной синхронизации на все другие генераторы в сети. Синхронизация цепи определяется путем усреднения всех сигналов синхронизации, получаемых каждым генератором от всех других генераторов в сети. Теоретически, эта работа может обеспечить идентичные сигналы синхронизации на каждый узел, но в реальных условиях, при наличии несовершенных генераторов и несовершенной передачи информации о синхронизации, синхронизация подвержена флуктуации и стремится к общей частоте.

Рис. 7 – Режим взаимной синхронизации.

Импульсное дополнение (стаффинг)

Этот метод используется для передачи асинхронных потоков выше уровня DSI / EI. Цифровые потоки, подлежащие мультиплексированию, уплотняются дополнительными ложными импульсами. Это увеличивает их скорости до скорости независимого местного генератора. Исходящая скорость мультиплексора выше, чем сумма входящих скоростей. Ложные импульсы не несут никакой информации, они кодируются для идентификации. На стороне приемника ложные импульсы удаляются. Полученные пробелы в потоке импульсов затем удаляются, восстанавливая первоначальный поток данных.

Указатели и выравнивание указателей

SDH для переноса сигнала используют указатели полезной нагрузки. Указатель содержит фактический адрес начала виртуального контейнера на карте поля, отведенного под полезную нагрузку в структуре SDH.

Разность фаз и частот между двумя сетевыми элементами (NE) в SDH может быть компенсирована с помощью указателей полезной нагрузки. Если передающий NE SDH работает быстрее приемного, последний будет создавать отрицательное выравнивание указателя и сдвигать полезную нагрузку вперед на один байт или восемь бит, как показано на рисунке 8(a). Таким образом приемный NE будет подстраиваться под передающий без потери информации. Аналогично, если передающий NE более медленный, чем приемный, возникнет положительное выравнивание указателя на один байт, как показано на рисунке 8(б).

Размещение полезной нагрузки

Сигналы DS3 размещаются в SDH с использованием вставки битов (стаффинга) для компенсации расхождения в тактировании между DS3 и SDH.

Сигналы DS1 и E1 могут размещаться одним из четырех методов: асинхронное размещение, плавающее байт-синхронное размещение, фиксированное байт-синхронное размещение и бит синхронное размещение.

При асинхронном размещении сигнал DS1 или E1 размещаются в VT1.5 или VC-12/1З асинхронно с использованием вставки битов для устранения расхождений в тактировании. Для определения начала кадра VT/VC используются указатели. При асинхронном размещении сигналы DS1 или E1 транспортируются без проскальзывания и без повторного тактирования. Однако система будет подвержена действию выравнивания указателей, которое будет происходить из-за возможной разности частот между сетевыми элементами в тракте передачи.

Плавающее байт-синхронное размещение отличается от асинхронного тем, что не использует вставки битов для устранения расхождения в тактировании полезных нагрузок и сетевых элементов. Такое размещение обеспечивает прямой доступ к сигналам DS0. Однако при этом необходимо, чтобы DS1 или E1 были синхронизированы с сетевым элементом SDH. Любое расхождение в частотах между полезной входной нагрузкой и первым сетевым элементом SDH в тракте передачи ведет к появлению проскальзываний.

Фиксированное байт-синхронное размещение не допускает использования какой бы то ни было вставки битов или указателей в процессе размещения. Следовательно, DS1 или E1 должен быть синхронизирован с сетевым элементом SDH. Для согласования тактирования по всему тракту транспортировки сигнала должен быть предусмотрен буфер проскальзывания.

Бит-синхронное размещение аналогично фиксированному байт синхронному размещению, за исключением того, что при этом не предполагается, что структура DS1 или E1 организована в составе DS0. DS1 или E1 пересылаются в виде одиночного битового потока с кадрами DS0 или DS1/E1 или без них.

Предполагается, что большинство сетей будут использовать асинхронное размещение для транспортирования сигналов DS1 и E1.

Рис. 8a – Операция выравнивание указателя AU-3 – отрицательное выравнивание.

Рис. 8б – Операция выравнивание указателя AU-3 – положительное выравнивание.

Синхронизация телекоммуникаций.        

Для синхронизации сетей E1 / DS1 большинство администраторов телекоммуникационных сетей использует метод иерархического источника - приемника (ведущий - ведомый). Источником основного эталонного сигнала синхронизация сети является один или более первичных эталонных генераторов (ПЭГ). Эталонный сигнал этого генератора распределяется по сети, состоящей из генераторов - приемников или ведомых задающих генераторов (ВЗГ) (рис.6).

Узел с наиболее стабильным генератором назначается узлом - источником. Узел - источник передает эталонную синхронизацию на один или более принимающих узлов. Рабочие характеристики принимающих узлов обычно такие же или хуже, чем у узла источника. Узел приемника захватывает эталонную частоту синхронизации источника и затем передает ее другим узлам приемника. Поэтому синхронизация распределяется вниз по иерархии узлов.

Принимающие узлы обычно разрабатываются для приема одного или большего числа эталонных сигналов. Один эталонный сигнал является активным. Все другие альтернативные эталонные сигналы являются резервными. В случае, если активный эталонный сигнал потерян, узел приемника может переключать эталонные сигналы, и подключается к альтернативному эталонному сигналу. Таким образом, каждый принимающий узел имеет доступ к синхронизации от одного или нескольких источников. Большинство сетей спроектированы таким образом, что всем генераторам приемникам подается два или более разных эталонных сигналов. В частных сетях это может быть невозможным из-за ограниченной возможности соединений между узлами.

Генераторы размещаются в соответствии с иерархией, основанной на уровнях рабочих характеристик. ANSI назначает уровни рабочих характеристик как уровни слоев (Stratum): слои 1, 2, 3, 4Е и 4, в порядке от лучших к худшим. ITU (9) назначает 4 уровни рабочих характеристик: первичный эталонный генератор, транзитный узел, локальный узел, терминал или узел СРЕ. Слой 1 или ПЭГ являются управляющими узлами для сети. Слой 2 или генераторы транзитного узла обычно находятся в коммутационных устройствах и в некоторых видах цифрового кроссового оборудовании. Е третьему слою, или генераторам местных узлов относится большая часть местного коммутационного оборудования, цифровые кроссовые системы, некоторые учрежденческие АТС (РВХ) и мультиплексоры T1. Слой 4, или генераторы СРЕ, включают большую часть мультиплексоров T1, РВХ, банков каналов и эхоподавителей.

Генераторы источника: Первичный эталонный генератор.

Первичный эталонный генератор (ПЭГ) является управляющим генератором для сети, обеспечивающей точность установки частоты лучше, чем 1х10-11 (7). Одним из классов ПЭГ является генератор слов 1. Генератор слов 1, по определению, является свободным генератором (7). Он не использует эталонный сигнал синхронизации для получения или запуска его синхронизации. Генераторы слов 1 обычно состоят из нескольких цезиевых стандартов частоты.

Тем не менее, ПЭГ может быть выполнен не только на основе первичных атомных стандартов частоты (7). Другими примерами ПЭГ являются генераторы систем всемирного координированного времени (GPS) и LORAN-С. Эти системы используют местные рубидиевые или кварцевые генераторы, которые запускаются информацией о синхронизации, получаемой от GPS или LORAN-С. Они не считаются принадлежащими к слою 1, т.к. они запускаются принудительно, но по своим параметрам классифицируются как первичные эталонные генераторы. Эти генераторы способны поддерживать погрешность от нескольких единиц 10-13 до нескольких единиц 10-12.

Влияние скорости проскальзываний на ПЭГ обычно не принимается во внимание. Сеть, синхронизируемая от двух ПЭГ, будет подвержена в наихудшем случае пяти проскальзываниям в год, обусловленным нестабильностью частот генераторов. По сравнению с характеристиками генераторов приемников эта цифра пренебрежимо мала, как показано в разделе IV. Поэтому, среди операторов телекоммуникационных сетей наблюдается тенденции в большей степени полагаться на ПЭГ, а для синхронизации их сетей использовать множество таких генераторов.

Генераторы приемника (ведомые задающие генераторы).

Главным предназначением генератора приемника (ВЗГ) является восстановление синхронизации из опорного сигнала и поддержание синхронизации как можно ближе к синхронизации узла источника. для этого требуется, чтобы генератор приемника выполнял две основные функции. Во-первых, он должен воспроизводить синхронизацию генератора источника эталонного сигнала, даже, несмотря на то, что эталонный сигнал может быть ошибочным. Во-вторых, он должен сохранять адекватные временные состояния в отсутствие эталона синхронизации.

Обычным режимом работы ВЭГ является извлечение сигнала синхронизации из эталонного сигнала ПЭГ. В этом режиме генератор приемника должен иметь способность выявлять возможные короткие ошибки эталонного сигнала. Этими ошибками могут быть нестабильность синхронизации (джиттер) или краткие прерывания эталонного сигнала (пучки ошибок). Эти ошибки обычно вызываются устройством, транспортирующим эталонный сигнал от генератора источника к генератору приемника.

Генератор приемника использует низкочастотные фильтры для выявления кратковременной нестабильности частоты синхронизации. Для выявления кратких прерываний генераторы приемника разрабатываются с двумя или большим числом входов эталонных сигналов, для того чтобы они могли переключать эталонные сигналы при наличии кратковременных искажений (ухудшений). Большинство сетевых генераторов (ANSI слой 2,3 и 4Е, транзитные и местные генераторы ITU) разработаны таким образом, чтобы вызвать ошибку временного интервала длительностью не более 1000 нсек при каждом переключении эталонного сигнала или другом переходном событии. Кроме того, сетевые генераторы разрабатываются для сохранения ежедневных ошибок временного интервала в пределах 1-10 мксек при отсутствии прерываний.

Генераторы слоя 4 (СРЕ) не предъявляют каких-либо требований к их режиму восстановления синхронизации. В ответ на краткие прерывания генератор слоя 4 будет обычно вызывать 10-1000 мксек ошибку временного интервала. Кроме того, этот фазовый скачок будет сопровождаться пучком ошибок. Поэтому, СРЕ очень неустойчивы к ошибкам устройств (см. раздел IV "Влияние генератора приемника, работа в условиях стресса - генераторы СРЕ" стр. 18, для характеристик типичного слоя 4).

Вторым режимом работы является генератор приемника, действующий при потере всех своих эталонных сигналов синхронизации. Режим удержания (holdover) служит для запоминания известной последней частоты источника и для поддержания необходимой погрешности частоты после потери всех опорных сигналов синхронизации. СРЕ может входить в свободный режим, когда оно теряет все эталонные сигналы синхронизации. Свободный режим относится к такому режиму работы, при котором синхронизация, исходящая от генератора управляется местным осциллятором, а для корректировки частоты генератора не используется память о частоте внешнего эталонного сигнала.

Стандарты генераторов.

ITU и ANSI классифицируют генераторы приемников в уровнях, соответствующих их рабочим характеристикам. ITU обозначает генераторы как транзитные, местные и генераторы оконечных устройств (СРЕ). ANSI назначает генераторы слоям 2, З, 4Е и 4, в соответствии с убывающими значениями характеристик. Чтобы удовлетворить определенному уровню рабочих характеристик, генератор должен отвечать требованиям нескольких функций. Ими являются: перестройка временных отношений , функция удержания, погрешность в свободном режиме, дублирование аппаратной части и возможности внешней синхронизации. Эти функции кратко описаны в Таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Стандарты генераторов ITUI

Функция                                            Транзитный узел            Местный узел                   Терминал СРЕ

Погрешность                                      Нет требований                Нет требований                5х10

Удержание

     Первоначальный сдвиг

     частоты                                          5х10-10                                  1х10-8                                    Нет требований

     Долговременный                         1х10                                      2х10-8

Ошибка временного

интервала                                           1 мксек                                 1 мксек                                 Нет требований

Наклон изменения фазы                 61х10-6                                 61х10-6                                  Нет требований

Таблица 2. Стандарты генераторов ANSI

Функция                                           Слой 2                  Слой З                  Слой 4Е                               Слой 4

Погрешность                                     1.6х10-8                 4.6х10-6                 3.2х10                                  3.2х10

Страницы: 1, 2, 3