Реферат: Синхронизация SDH сетей
Синхронизация канального интервала (time slot) соединяет приемник и передатчик таким образом, чтобы канальные интервалы могли быть идентифицированы для извлечения данных. Это достигается путем использования фиксированного формата кадра для разделения байтов. Основными проблемами синхронизации на уровне канального интервала являются время изменения кадра и обнаружение потери кадра.
Кадровая синхронизация вызвана необходимостью согласования по фазе передатчика и приемника таким образом, чтобы можно было идентифицировать начало кадра. Кадром в сигнале DS1 или Е1 является группа битов, состоящая из 24 или 30 байтов (канальных интервалов) соответственно, и одного импульса кадровой синхронизации. Время кадра равно 125 микросекундам. Канальные интервалы соответствуют пользователям конкретных (телефонов) каналов связи.
Тактовый генератор сети, расположенный в узле источника, управляет частотой передачи через этот узел битов, кадров и канальных интервалов. Вторичный генератор сети расположенный в принимающем узле, предназначен для управления скоростью считывания информации. Целью тактовой сетевой синхронизации является согласованная работа первичного генератора и приемника с тем, чтобы принимающий узел мог правильно интерпретировать цифровой сигнал. Различие в синхронизации узлов, находящихся в одной сети, может привести к пропуску или к повторному считыванию принимающим узлом посланной на него информации. Это явление называется проскальзыванием.
Например, если оборудование, передающее информацию, работает на частоте, большей, чем частота принимающего оборудования, то приемник не может отслеживать поток информации. В этом случае приемник будет периодически пропускать часть передаваемой ему информации. Потеря информации называется проскальзыванием удаления.
В случае, если приемник работает на частоте превышающей частоту передатчика, приемник будет дублировать информацию, продолжая работать на своей частоте и все еще осуществляя связь с передатчиком. Это дублирование информации называется проскальзыванием повторения.
Для управления проскальзываниями в потоках DS1 и E1 используются специальные буферы (См. рис.1). Данные записываются в буфер принимающего оборудования с частотой первичного генератора, а считываются из буфера тактовой частотой принимающего оборудования. На практике могут применяться различные размеры буферов. Обычно буфер содержит более одного кадра. В этом случае принимающее оборудование при проскальзывании будет пропускать или повторять целый кадр. Это называется управляемым проскальзыванием.
Рис. 1 – Буфер проскальзывания.
Основной целью сетевой синхронизации является ограничение возникновения управляемых проскальзыва- ний. Существуют две основных причины возникновения проскальзываний. Первая причина-отсутствие частоты синхронизации из-за потери связи между генераторами, приводящее к различию тактовых частот. Вторая причина- разовые сдвиги либо в линиях связи (такие, как джиттер и вандер), либо между первичным и ведомым генераторами. Последнее, т.е. фазовые сдвиги между частотами первичного генератора и приемника, как будет показано выше, являются основной причиной возникновения проскальзываний в сетях связи.
Проскальзывания, однако, не являются единственными сбоями, вызванными отсутствием синхронизации. Плохая синхронизация в сетях SDH может привести к избыточному джиттеру и потере кадров при передаче цифровых сигналов, как изложено в разделе "Необходимость синхронизации SDH ". В корпоративных (частных) сетях плохая синхронизация оборудования пользователя (СРЕ) может привести к возникновению пакетов (пучков) ошибок в цифровой сети. (См. "Пакеты ошибок, вызванные синхронизацией" на стр. 8). Поэтому, несмотря на то, что минимизация проскальзываний остается основной целью синхронизации, при проектировании сетей синхронизации необходимо рассматривать и другие сбои, связанные с синхронизацией.
Влияние проскальзываний на предоставляемые услуги.
Влияние одного или более проскальзываний на качество предоставляемых услуг в цифровых сетях связи зависит от типа этих услуг. Ниже описано влияние одиночных проскальзываний на различные виды услуг.
При предоставлении услуг телефонной (голосовой) связи, как показано проскальзывания могут вызвать случайные звуковые щелчки. Эти щелчки не всегда слышны и не приводят к серьезным искажениям речи. Поэтому услуги телефонной связи некритичны к проскальзываниям. Частота появления проскальзываний до нескольких проскальзываний в минуту считается допустимой.
Как показано на рис. 2, где рассматривается влияние управляемых проскальзываний на передачу факсимильных сообщений группы З, одиночные проскальзывания приводят к искажению или пропаданию строк в принятом факсимильном сообщении. Проскальзывание может вызвать пропадание до 8 сканированных линий. Это соответствует пропуску 0,08 дюйма вертикального пространства. На стандартной отпечатанной странице проскальзывание выглядит как отсутствие верхней или нижней половины отпечатанной строки. Длительное появление проскальзываний приведет к необходимости повторной передачи страниц, подвергшихся их влиянию. Повторная передача не может быть автоматизирована и осуществляется пользователем вручную.
Влияние проскальзываний на передачу данных при помощи модемов проявляется в виде длинных пакетов ошибок. Продолжительность такого пакета ошибок зависит от скорости передачи данных и типа модема находится в диапазоне от 10 миллисекунд до 1,5 секунд. В период появления этих ошибок оконечное приемное устройство, подключенное к модему, принимает искаженные данные. В результате пользователь должен осуществить повторную передачу данных.
При возникновении проскальзываний во время сеанса видеотелефонной связи происходит пропадание изображения. Абонентов просят повторно установить связь для восстановления изображения.
Влияние проскальзываний на передачу цифровых данных зависит от используемого протокола. В протоколах, не предусматривающих возможности повторной передачи, возможны пропуски, повторения или искажения данных.
Возможна потеря кадровой синхронизации, вызывающая искажения множества кадров при возобновлении поступления импульсов кадровой синхронизации. Протоколы с повторной передачей имеют возможность обнаружить проскальзывания и инициировать повторную передачу. Для инициализации и выполнения такой ретрансляции обычно требуется одна секунда. Поэтому проскальзывания будут влиять на пропускную способность, обычно приводя к потере секунды времени передачи.
При цифровой передаче изображений (например, видеоконференция), как показывают тесты, приведенные ниже, проскальзывание обычно вызывает искажение части изображения или его "замораживание" на время до 6 секунд. Серьезность и длительность искажений зависит от применяемого оборудования кодирования и компрессии. Наиболее значительные искажения возникают при использовании низкоскоростного декодирующего оборудования.
Наибольшее влияние проскальзывания оказывают при предоставлении услуг по передаче шифрованных данных. Проскальзывание приводит к потере ключа кодирования. Потеря ключа приводит к недоступности переданных данных до повторной передачи ключа и повторного осуществления связи. Поэтому вся связь останавливается. Что более важно, необходимость в ретрансляции ключа значительно влияет на безопасность. Для многих приложений, связанных с проблемами безопасности, число проскальзываний, превышающее 1 в день, считается неприемлемым.
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».
2. Архитектура синхронизации.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.
