архив прош.сесий / архив прош.сесий / kopia_sinkhr_NGN_red

Проблема синхронизации в сетях NGN

Развитие телекоммуникационныхтехнологийисетейпередачиданныхпостепенно приводит кпостроениюоператорами связи конвергентных сетей следующего поколения (NGN– NextGenerationNetworks). Основное отличие таких сетей от традиционныхсетейссинхроннойцифровойиерархией (SDH)–внихдлямагистральнойпередачиданныхнарядус обычнымисинхроннымиканаламииспользуютсятакиеасинхронные технологии,какEthernet(GigabitEthernet,10GigabitEthernet). Главнымтребованием операторов связи ксетям следующегопоколенияявляется одновременнаяпередача голоса,видеоиданныхпоединойсети.

Припереходеот традиционныхсетейпередачиданных, основанныхнавременноммультиплексировании, ксетямNGNособоевниманиеуделяется передачесигналовсинхронизации.Синхронизацияоборудованиянеобходимавпервуюочередь длябезошибочной передачи данныхреального времени–голосаивидеоизображений.ПосколькувсетяхEthernetиспользуетсякоммутацияпакетов,котораяв силустатистическихсвойствраспространенияпакетовданныхпоасинхронным каналам передачиразрушаетизначальносинхронизированный потокданных,передачасинхронизации всетяхNGNвыделяетсявотдельнуюзадачу.Дляпередачисинхронныхданныхпо сетямскоммутациейпакетов,какправило,используется эмуляцияканаловсвременныммультиплексированием, заключающаясявинкапсуляциисинхронныхданныхвUDP-датаграммыипоследующемихвосстановлениинаузленазначения[1].

Для безошибочного восстановленияпереданныхданныхна стыкеасинхронногоисинхронногоканалов оборудованиетакжедолжнополучатьсинхросигнал. Требованиякстабильности синхросигналаварьируютсявзависимостиотконкретногоназначениясетипередачиданных.Так,воператорских сетяхпо предоставлениюуслугтелефонииидоступавИнтернеттребованияксинхронизацииявляютсядостаточномягкими –50ppm(единицнамиллион),авсотовыхсетяхдлябесшовногопереходамобильныхабонентовотоднойбазовойстанциикдругой необходимастабильность50ppb(единицнамиллиард).

Рис.1 синхронизация от единого опорного источника

Способы синхронизации сетей NGN

В рекомендации ITU-TG.8261[2] рассмотрены три основных способа восстановления синхронизации награницахтранспортнойсредыскоммутациейпакетовприпередачевнейгрупповогосигналасвременныммультиплексированиемв видеуслуги эмуляцииканалов. Дляэтоговоконечномстанционномоборудованиидолжныбытьпредусмотреныфункциимежсетевоговзаимодействия.Всеабонентытранспортнойсредыскоммутацией пакетовмогут получатьтактовуючастотуотсетисинхронизациипосредствомобычногоцентрализованногораспределения (рис.1). Еслиабонентскоеоборудованиеработаетнасобственнойтактовойчастоте(рис.2),тонаграницесетискоммутацией пакетовеевосстанавливаютразличнымиотносительнымиспособами,например,спомощьюалгоритмасогласованияскоростейSRTS.Вобоихслучаяхвузлемежсетевоговзаимодействия долженбытьдоступкстыкус генераторомпервичнойсинхронизации(PRC).ДляэтогооператорсетиNGNдолженлибостроить отдельнуюсетьсинхронизации, либоарендоватьее у существующихоператоровтранспортнойсетиSDH.

Рис.2 Синхронизацияотоборудованиявременногоуплотнениясиспользованиемединойопорной частоты

Существует множествопримеровлокальнойсинхронизацииоборудования.Так,например, встанционномпомещении размещают недорогойисточникпервичнойсинхронизации (PRS) наосновеGPSираспределяютотнеготактовуючастоту спомощьюбеспроводныхтехнологийилипообычнымвыделеннымкабелям,вфизическойсредеEthernet,атакжеcпомощьюдругихоригинальныхсхем.Еслипостроение сети синхронизации(илииспользование стыковсинхронизации) невозможноилинежелательно,топрименяютсамыйпростой, нопроблематичныйизсоображенийстабильностиадаптивный способсогласованияскоростейприемаипередачи(рис.3).

Рис.3Адаптивнаясинхронизация

Результаты проведенныхисследований[4]показывают,что адаптивныйспособможноприменять,еслиабонентнепредъявляетстрогихтребованийкстабильностисвоейтактовойчастоты,впротивном случаенеобходимодополнительноеаппаратноесглаживаниевосстановленногосинхросигнала.Альтернативойадаптивномуметодуявляется использованиепротоколаRTPприинкапсуляцииданныхсвременныммультиплексированиемвпакетыасинхронныхданных(рис.4).Какпоказа-лиэксперименты, вданномслучаепривысокойстабильности восстановленногосинхросигналаоборудование оказывается слабочувствительнымкизменениючастотынаисточникесинхронизации, чтоявляетсянеобходимым,например, всотовых сетяхприпереходенарезервныйсинхросигнал.

Рис.4Адаптивнаясинхронизация

ПротоколPTP

Следующейступеньюразвития,по-видимому,станетотдельная передачасигналовсинхронизациисетис коммутациейпакетовспомощьюспециальноразработанныхпротоколов(рис.5). НаданныймоменттаковымиявляютсяпротоколыNTPиPTP.Эти протоколыизначальносоздавалисьдлясинхронизациивремени вразличныхустройствахсети,новслучаеуспешнойсинхронизациичасовтакжестановитсявозможнымреализацияалгоритмовсинхронизациитактовыхчастотдля восстановленияданных реальноговремени.ПротоколNTP(NetworkTimeProtocol)широкоиспользуетсядлясинхронизациитекущеговременинаприкладномуровне.Вотличиеотнего,протокол"точноговремени" PTP(PrecisionTimeProtocol) действуетнавторомуровнемодели взаимодействия открытыхсистем(OSI).ПротоколРТРописанв стандарте IEEE1588.Ожидается,чтовдальнейшемРТРможет бытьиспользованкакдлявысокоточнойсинхронизациитекущеговремени,такидлятактовойсинхронизацииоборудования. Рассмотримданныйпротоколболееподробно.

Рис. 5 Передачасинхронизацииспомощью PTP

Стандарт IEEE1588предполагает, чтопротоколРТРпредоставляетстандартныйметодсинхронизации устройстввсети с точностьювыше1мкс(до10нс).Данныйпротокол обеспечиваетсинхронизацию ведомыхустройствотведущего,удостоверяясь,чтособытияивременныеметкинавсехустройствах используютодну итужевременнуюбазу.Впротоколепредусмотреныдве ступенидлясинхронизацииустройств:определенасреднемуарифметическомузадержекраспространения в разныестороныканала.

_∆T=^{∆TMS+∆TSM}_.

²

ЗнаявременаT_S1,T_M1,T_M2иT_S2,ведомоеустройствовычисляетусредненнуюзадержкураспространенияв канале передачиданных:

_{(T−T)+(T−T)}

_∆T= ^{S1 M1 M2 S2} _.

²

Финальнаясинхронизациячасов выполняетсяпослеот-правкиведущимустройствомвторогонабора сообщений Sync(T_S3)иFollow-up(T_M3).Ведомоеустройствовычисляет сдвиг своихчасовпоформуле T₀=T_S3 –T_M3–∆T.

Послеэтоговедомоеустройствоподстраиваетсвоичасывсоответствиисвычисленнымизначениями.Посколькуопорные источникисинхронизациивкаждомустройственестабильны,а задержкивканале могутменятьсясовременем,необходимопериодическиповторятькоррекциючасовведомогоустройства.

ОсобенностиреализацииПротоколаPTP

Большинство реализаций PTPимеют отклонение меньше1мкс, однакореальнаяточностьработызависитотприложения.ПротоколPTP вустройствахреализуюттремяспособами:программным,программно-аппаратным иаппаратным. Программные реализации РТРпозволяют передавать сигналысинхронизациисточностьюпорядка100мкс.Чтобы достичьболее высокойточности,необходимоиспользовать аппаратные средства.Каждыйкомпонент,которыйобрабатываетпакетPTPпослеегополученияизфизическойсреды передачи,увеличиваетошибкусинхронизации.Программная часть вноситнаибольшуюошибку,посколькузагрузкапроцессораизадержка,связанная собработкойпрерывания, влияютнаскоростьобработкизапросасинхронизации.Припрограммно-аппаратнойреализациинаиболеечувствительныефункции протокола, такие как запись временнойметки PTP-пакета,реализуются нафизическом уровне Ethernet[7],например,вотдельноймикросхемепрограммируемойлогики.Такиеметодысегоднянаиболееоптимальны, так кактребуютне слишкоммногоресурсовивременина разработкуустройства,позволяядобитьсяточностипорядка20нс.Вслучаежеполнойаппаратнойреализации[8]протоколаPTPдостижима точностьпорядка10нс.Кромеспособареализациина точностьработыпротокола РТРвлияетряддругихфакторов.Например,стандартIEEE1588 неспецифицируетчастотусинхронизацииведущегоиведомого устройств.Врезультате синхросигналысболеенизкойчастотой будутиметьменееточноевременноеразрешение,приводящее кменееточнымвременнымметкамвсинхронизирующихсообщениях.Стабильностьчастотыопорныхгенераторовтакжевлияетнакачествореализациипротокола.Синхросигналы,полученныеприиспользованиитермостатированныхитермокомпенсированныхкварцевыхгенераторов, будутболеестабильны(отклонениев миллиардныедоли),нежеликварцевыегенераторы безтермостабилизации(отклонениевмиллионныедоли).

На качествосинхронизации устройстввлияеттакжетопо-логиясетииравномерностьтрафика.Всетисбольшимчисломустройствивысокойзагрузкойканаловпередачиданных точностьтрансляциисинхронизации будетхуже.Поэтомудля передачисигналовсинхронизациипредпочтительноиспользоватьотдельнуюсетьпередачиданных.

Сравнительныехарактеристики системсинхронизации

Рассмотрим характеристикисистемсинхронизации,использующихпротоколPTP,всравненииссистемамиссинхронизацией пошинеPXI(физическаялиниясинхронизации) ипопротоколуNTP(см.таблицу).Вотличиеотсистемсфизическойлинией синхронизации, гдеточностьсобытийопределяетсяточностью синхросигнала, впротоколеPTPопределяющим факторовявляетсядрожаниефазы (джиттер),связанноесослучайнымизменениеммежпакетныхинтервалов.БольшинствореализацийпротоколаPTPобеспечивает точностьменее1мкс.Еще однаважнаявеличина,отличающаяразныеспособы синхронизации,–времяожиданиясинхронизирующегособытия.Это времямеждуотправкойсобытияведущимустройствомиполучениемеговедомым.ПосколькупротоколыPTPи NTPдля передачи синхронизирующих сообщений используютпакеты данных,ожиданиесобытияопределяется временем ожиданияпакета плюсвремяпередачииобработкизаголовка пакетаи,какправило,составляетнесколькомиллисекунд.В отличие отнихсистемысфизическойлиниейсинхронизации ожидаютсинхронизирующего событиявтечение нескольких наносекунд.Времяожиданиясинхронизирующегособытияопределяет такуюхарактеристику,какмаксимальновозможная частотаподстройкисинхросигнала.Системысинхронизациисединойшинойсинхронизации, такиекакPXI,идеальноподходятдлявысокоточногоискоростноговосстановлениясинхронизацииимогутбытьрасширены нарасстояниядосотенметровспомощьюспециальных модулейсинхронизации, размещаемыхвкассетах.СтандартнаясинхронизацияпосетиEthernetспомощьюNTPпредоставляет миллисекунднуюсинхронизацию, подходящуюдля низкоскоростных приложений, неоченькритичныхккачеству синхронизации. Протокол жеPTPпредставляет собой хорошуюальтернативудлясинхронизации распределенныхсистемссубмикросекунднойточностью.

Такимобразом, протоколPTPявляетсяальтернативным способомсинхронизациисетей,которыйможетполучитьраспространениевсетяхNGN.Посравнениюсиспользуемымив настоящеевремясредствамисинхронизации, данныйметод обладаетрядомпреимуществ:

• нетребуетсядоступоборудованиянапрямуюкстыкусинхронизацииPRC,чтопозволит операторам оптимизировать затраты напостроениесети.ПриэтомпротоколРТРможет обеспечитьпередачусинхронизацииссубмикросекунднойточностью,азначит,достижимастабильность лучше,чем 1ppm;

• вотличиеотадаптивногометода,длявосстановлениясинхронизациинеобходимвысокостабильный опорныйгенератор тольковведущемустройстве;

• для задач синхронизации можно использовать асинхронныйканалсосравнительнонебольшойпропускной способностью,чтозначительноуменьшаетстоимость реализации. Предпочтительно,чтобыэтотканалбыл выделенным.

Принимая во внимание простоту развертывания сетейEthernet,субмикросекунднуюточностьифункционирование сминимальнымизатратаминаобработкусообщений,протоколPTPвсечащеиспользуется вомногих отраслях,особенно впромышленнойавтоматике,вметрологииит.п.Ожидается,чтовбудущемвозможности протоколаPTPрасширятего применениеивтелекоммуникацияхдлясинхронизации устройствпосетямскоммутациейпакетов.

Сравнительныехарактеристикисистемсинхронизации

	Шина PXI	синхронизирующие модулинашинахPXI	Протокол PTP	Протокол NTP
Временноеразрешениесобытий,нс	~0,01	~50	~50	<1·10^7
Времяожиданиясобытия	~1нс	~500нс	~10мс	~10мс
Частотаподстройки	~100МГц	~100МГц	<100кГц	<10Гц