Sdh — синхронная цифровая иерархия (часть 1)

Лабораторное тестирование оборудования PTP

Тестирование ведомых часов для частотной синхронизации

Методы тестирования ведомых часов при использовании протокола PTP для частотной синхронизации представлены в Дополнении 6 в составе рекомендации МСЭ-Т G.8261. В данной рекомендации определены топологии испытательных стендов и 17 различных вариантов тестирования (тестовых примеров), моделирующих «поведение» сети. В каждом из вариантов тестирования измеряются параметры ОВИ, МОВИ, МООВИ, точность частоты, PDV, точность ToD. Результаты тестирования должны соответствовать сетевым ограничениям, изложенным в разделе 9 данной рекомендации.

Согласно МСЭ-Т G.8261, в качестве сети с коммутацией пакетов, по которой передаются пакеты PTP между ведущими часами и тестируемыми ведомыми часами, в составе испытательного стенда надлежит использовать «цепочку» из 10 коммутаторов GE с двумя генераторами фонового трафика — в прямом и обратном каналах. Построение модельной сети из десяти коммутаторов требует значительных временных и денежных затрат. К тому-же, ее параметры не воспроизводимы в различных реализациях. Лучше использовать специальный тестер синхронизации, имитирующий эти десять коммутаторов. Хорошим дополнением к указанным в рекомендации тестам является проверка работы ведомых часов PTP в реальных условиях. Для этого используется тестер синхронизации, способный захватывать профиль PDV в действующей сети и воспроизводить его в лаборатории.

Тестирование граничных часов для синхронизации времени и фазы

Для нормальной работы ряда технологий RAN (включая TDD-LTE и LTE-A) требуется высокоточная фазовая синхронизация базовых станций в дополнение к их частотной синхронизации (см. Таблицу 2). Но большинство современных сетей IP/Ethernet имеют слишком большие PDV и асимметрию задержки передачи пакетов для реализации высокоточной фазовой синхронизации по протоколу PPP. Чтобы обеспечить высокую точность фазовой PPP-синхронизации, нужно использовать граничные часы в сети, что и предусмотрено рекомендацией МСЭ-Т G.8275.1 (первый профиль для синхронизации времени/фазы).

Если точность синхронизации базовых станций должна быть ±1,5 мкс, то таким же является бюджет временной ошибки сети на пути от ведущих часов до ведомых. Этот бюджет состоит из постоянной временной ошибки (Constant Time Error, cTE) и динамической временной ошибки (Dynamic Time Error, dTE). В рекомендации МСЭ-Т G.8271.1 на 10 граничных часов и одни ведомые часы выделена часть cTE размером ±550 нс. Таким образом, cTE одних граничных часов должна быть в пределах ±50 нс. Если сTE какой-либо модели граничных часов находится в пределах ±100 нс, то можно последовательно соединить не более пяти таких устройств

Поэтому крайне важно точно измерять cTE граничных часов.

В рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 нормированы показатели генерации и передачи временной ошибки, устойчивости к временным ошибкам, а также Transients и Holdover performance. Эти параметры подлежат тестированию на соответствие требованиям данной рекомендации. Тестирование лучше проводить с помощью специального прибора, заменяющего собой целый стенд с тестовым оборудованием. Применение такого прибора упрощает процесс испытаний, способствует повышению точности и воспроизводимости результатов измерений.

Тестирование прозрачных часов

Прозрачные часы рассчитывают время (в наносекундах), в течение которого PTP-пакет находится внутри них, и помещают полученное значение времени в поле коррекции PTP-пакета. Используя это значение, ведомые или граничные часы эффективно устраняют PDV, добавленную прозрачными часами. Основная задача тестирования прозрачных часов заключается в измерении точности содержимого поля коррекции. Требуемая точность — не хуже 50 нс. Тестирование желательно проводить с помощью специального прибора, имитирующего работу ведущих и ведомых часов. Также для создания нагрузки на тестируемые прозрачные часы потребуется генератор трафика.

Технологии SDH

Образование групповых трактов высокого порядка. Плезиохронная цифровая иерархия

Известно, что широко распространенная технология мультиплексирования ИКМ-30 (ИКМ — импульсно-кодовая модуляция ) использует принципы образования группового тракта, который позволяет в течение 125 мкс передать информацию 32 каналов (30 пользовательских и 2 служебных). Однако по мере роста потребностей набор типов аппаратуры расширялся, и увеличивались скорости, достигаемые при передаче по физическим каналам. Появились устройства, способные за то же время 125 мкс передавать информацию для 120 каналов (ИКМ —120), 480 (ИКМ — 480), 1920 (ИКМ-1920) и 7680 каналов (ИКМ —7680). В международных документах они имеют следующие обозначения: ИКМ-30 — E1, ИКМ —120 -E2, ИКМ — 480 —E3, ИКМ-1920- E4, ИКМ —7680-E4. Для Северной Америки и Канады принята другая иерархия : 24 канала — DS-1 , 96 каналов — DS-2 , 672 канала — DS-3 , 4032 канала — DS-4 . Для Японии принята следующая иерархия : 24 канала — DS-1 , 96т каналов — DS-2 , 480 канала — DSJ-3, 1440 каналов — DSJ-4.

Эти ряды, перечисляющие возможные иерархии цифровой аппаратуры передачи информации, называются плезиохронной цифровой иерархией ПЦИ (PDH — Plesiochronous Digital Hierarchy).

Ниже в таблице 9.1. приведены основные характеристики систем,входящих в плезиохронную иерархию.Показанные в таблице 9.1 уровни цифровой иерархии имеют следующие названия:

• 0-й уровень — основной цифровой канал (ОЦК);
• 1-й уровень — первичный цифровой канал (ПЦК);
• 2-й уровень — вторичный цифровой канал (ВЦК);
• 3-й уровень — третичный цифровой канал (ТЦК);
• 4-й уровень — четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

Рассматриваемые системы передачи имели следующие недостатки.

Первый недостаток — многообразие систем передач с различными скоростями требовало согласования систем передач, что в большинстве случаев решалось только переходом к аналоговой форме сигнала и переходу от одной системы передачи к другой. На магистральных международных системах передачи при этом ухудшалось качество передаваемого сигнала. Такое изменение существенно сказывалось на сбыте продукции, поскольку установка различных систем не могла быть поддержана единой телекоммуникационной транспортной сетью.

Другой способ согласования различающихся скоростей — добавление при передаче выравнивающих бит ; при приеме эти биты изымаются. Добавления и изъятия усложняют промежуточный вывод отдельных каналов на транзитных участках. В результате проявляется второй недостаток.

Второй недостаток. После того как цифровые системы начали широко развиваться не только на магистральных направлениях (междугородних и международных), они стали применяться на межстанционных связях, а также для выделения в аренду различным предприятиям, где требуется относительно малое число каналов. Таким образом, выявилось противоречие между выпуском экономически выгодных систем, рассчитанных на большое число каналов, и массовыми потребностями в аренде малого числа каналов.

Третий недостаток плезиохронных систем — небольшое количество служебной информации. Из-за этого становится невозможной маршрутизация транспортных потоков, что существенно снижает способность транспортной сети к поддержанию связи во время отказов отдельных участков.

Для устранения этих недостатков в США разработана и принята система стандартов Синхронной оптической сети — Synchronous Optical Network —( SONET ). Эта система была принята в 1985 году комитетом T1/ X1 ANSI , а в 1988 году она была адаптирована ITU-T ( International Telecommunication Union — Telecommunication) к Европейским стандартам. Также была разработана единая версия синхронной цифровой иерархии — SONET / SDH (Synchronous Digital Hierarchy ) Вначале эта версия предназначалась для применения в оптических сетях, теперь она применяется и при наличии другой широкополосной физической сети.

Мониторинг качества синхронизации в пакетных сетях

Для оперативного выявления проблем с сетевой синхронизацией нужно постоянно контролировать параметры ее качества. Чтобы реализовать такой контроль, в ряд моделей оборудования PTP встроены функции пробника синхронизации. Существуют и внешние аппаратно-программные пробники. В рекомендации МСЭ-Т G.8273 предусмотрены активный и пассивный пробники синхронизации (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Варианты подключения активного и пассивного пробников синхронизации

Пассивный пробник контролирует качество синхронизации, получая трафик PTP, снимаемый с линии сети с помощью ответвителя. Возможен и вариант контроля с использованием сигнала 1PPS. В обоих случаях пассивный пробник выступает в роли «стороннего наблюдателя» за работой системы синхронизации. Активный же пробник участвует в обмене пакетами PTP и проводит измерения параметров качества синхронизации, передавая и принимая эти пакеты. Для гибкости установки на сетевые инфраструктуры желательно, чтобы встроенный пробник поддерживал работу в активном и пассивном режимах.

3.3 Протокол VCAT

Традиционный метод конкатенции определен
только для VC-4 в стандарте ITU-T G.707 термином «смежная». Это означает,
что соседние контейнеры комбинируются и транспортируются через SDH сеть
как один контейнер. Ограничения смежной конкатенции включают:необходимость тог,
чтобы все сетевые узлы, через которые проходит тракт передачи были способны
распознать и обработать связанные (объединенныйе) контейнеры;недостаточная
степень детализации (гранулированности) полосы, которая делает транспортировку
многих сигналов данных неэффективной. Виртуальная конкатенация (объединение),
определенная недавно ITU-T, устраняет ограничения смежного метода. Виртуальная
конкатенация логически связывает индивидуальные контейнеры в одно
соединение. Любое количество контейнеров любого типа (VC-12 ,
VC-3 или VC-4) может быть сгруппировано вместе, образуя логический канал.
Это обеспечивает лучшую степень детализации полосы, чем достигается
использованием традиционной техники и дает возможность гибкого выделения
полосы для трафика данных с высокой степенью гранулированности, позволяя
эффективно использовать пропускную способность SDH. В традиционной сети SDH
степень детализации полосы определяется транспортной емкостью контейнеров
VC-12, VC-3, VC-4 и смежных групп, например, VC-4-4c — четыре смежных
VC-4. Так, например, транспортировка 1 Gigabit Ethernet
в традиционной сети требует выделения VC-4-16c (шестнадцать смежных VC-4),
эффективность использования канала в этом случае составляет 42%.
С другой стороны группа логически объединенных контейнеров VCG (Virtual
Concatenated Group) VC-4-7v, где VC-4 обозначает тип контейнера,
на основе которого создается группа, а 7v — количество членов
в группе, обеспечивает приблизительно 85% эффективность (смотрите Таблицу
3.2).

Т а б л и ц а
3.2 — Протокол VCAT

Так как промежуточные узлы интерпретируют
каждый контейнер в соединении как стандартный, то только оборудование
на котором начинается и заканчивается тракт передачи должно уметь
распознавать и обрабатывать структуру логически объединенного сигнала. Это
означает, что каждый индивидуальный контейнер в логической связке может
иметь свой путь через сеть, что может приводить к фазовым расхождениям
между контейнерами прибывающими на оборудование терминирования тракта
передачи, что требует от оборудования сглаживания таких задержек.

Параметры, отвечающие за компенсацию
задержек (до 512 мс) и гарантирующие целостность всех членов
группы передаются в заголовке тракта индивидуальных контейнеров ( байт
H4 для VC-4/VC-3 и байт K4 для VC-12).

Стандартизация сетевой синхронизации

Международный союз электросвязи (МСЭ) разработал большой набор рекомендаций по синхронизации в сетях TDM, OTN и пакетных сетях (темы и номера рекомендаций для сетей различных типов указаны в Таблице 1). Эти рекомендации определяют основные понятия в области сетей синхронизации, архитектуру этих сетей, базовые аспекты их функционирования, функциональную модель, профили протокола точного времени PTP (Precision Time Protocol), характеристики устройств синхронизации, требования к тестовому оборудованию.

Таблица 1. Рекомендации МСЭ-Т по синхронизации

Протокол PTP был изначально определен стандартом IEEE 1588–2002 с официальным названием «Стандарт протокола синхронизации точного времени для сетевых измерительных систем и систем управления» и опубликован в 2002 году. В 2008 году был выпущена новая редакция стандарта — IEEE 1588–2008. В этой версии, известной как PTP Version 2, повышена точность и устойчивость работы протокола, но была потеряна обратная совместимость с оригинальной версией 2002 года.

Альтернатива сетевой синхронизации

Альтернативой передаче сигналов синхронизации по сети связи является оснащение каждого нуждающегося в синхронизации сетевого устройства (например, каждой базовой станции) приемником ГНСС (или ПЭИ на базе такого приемника). Достоинством данного способа синхронизации является то, что приемник ГНСС может выдавать высокоточный синхросигнал, который соответствует самым строгим требованиям к частотной и фазово-временной синхронизации. Системы ГЛОНАСС, GPS, Galileo и BeiDou обеспечивают фазовую синхронизацию с точностью ±100 нс. Однако с реализацией этого способа связан ряд трудностей: необходимо гарантировать постоянную прямую видимость нескольких навигационных спутников для антенн всех установленных приемников ГНСС, что не всегда возможно; сигналы ГНСС могут быть подавлены преднамеренными и не преднамеренными помехами (помехи могут создаваться погодными условиями и отражением сигналов ГНСС от высоких зданий); высокая стоимость установки и обслуживания многочисленных приемников ГНСС. Все это повышает актуальность применения сетевой синхронизации.