Структура графов и топология систем синхронизации

Р S P

S

P P

S

P

Рис. 3.9. Схема принудительной синхронизации.

Рис. 3.10. Схема взаимной синхронизации.

Взаимная синхронизация, принцип которой представлен на рис. 3.10, предусматривает синхронизацию равноправных устройств путем усреднения тактовых частот. Например, в схеме рис. 3.10 любое цифровое устройство схемы получает синхросигналы от трех соседних и синхронизирует свой тактовый генератор с усредненным значением частоты соседних устройств. Вариант взаимной синхронизации устройств обеспечивает теоретически максимально точную синхронизацию цифровых устройств. Но в практике построения распределенных систем синхронизации сетей связи этот вариант не нашел большого распространения. Самое главное преимущество – высокая точность – в случае распределенной системы реализуется сложно. Кроме того сбой любого устройства в этой схеме приводит к значительной деградации всей системы синхронизации, а именно сбои и нарушения связи между генераторами очень вероятны в распределенной системе. Поэтому принцип взаимной синхронизации не нашел применения в системах связи и используется только в современной схемотехнике.

Таким образом, все возможные графы синхронизации современных систем связи строятся либо по принципу независимой, либо по принципу принудительной синхронизации. Рассмотрим теперь, каким образом используются в этом случае генераторы. Поскольку основной задачей системы синхронизации является обеспечение равных частот всех генераторов в системе, ясно, что для этой сети должен существовать один задающий генератор, являющийся для нее эталоном. Такой генератор называется первичным эталонным генератором ПЭГ (Primary Reference Source – PRS). Первичный эталонный генератор работает в независимом режиме и формирует эталонный синхросигнал наивысшей стабильности. Обычно в качестве PRS используются цезиевые стандарты, реже – комбинированный источник Rb+GPS (рубидиевый генератор с приемником GPS). Стабильность PRS выбирается максимально возможной и составляет порядка , иногда даже выше.

От PRC синхросигналы распределяются по каналам передачи по всем генераторам системы синхронизации. С точки зрения системы синхронизации все остальные генераторы будут вторичными задающими генераторами ВЗГ. Все они работают в режиме принудительной синхронизации и образуют многоуровневую иерархию источников синхронизации (рис. 3.9). В зависимости от уровня источник в системе синхронизации должен иметь определенные параметры.

Источники более низкого уровня иерархии берут синхросигнал от источников более высокого уровня, хотя и допускаются связи между источниками внутри одного уровня. В результате каждый источник синхронизации в систем связи синхронизирован по цепи от первичного эталонного генератора. По мере распределения синхросигнала по сети его параметры ухудшаются, так что до низких уровней синхросигнал доходит с параметрами стабильности на 4 – 5, а иногда и больше порядков хуже синхросигнала, генерируемого PRC. Чем длиннее цепочка, тем больше ухудшение параметров синхросигнала. Поэтому при построении системы синхронизации и ее модернизации одним из основных требований является минимальное количество переприемов синхросигнала для каждого направления.

Чтобы добиться этого иногда требуется разбить систему связи на несколько регионов и разместить в каждом регионе PRS. Тогда для каждого региона строится своя иерархия под управлением PRS, а регионы взаимодействуют друг с другом по схеме независимой (плезиохронной) иерархии. Для повышения надежности внутри каждого региона плезиохронной работы обеспечивают резервирование системы синхронизации, часто регионы взаимно резервируют друг друга на различных уровнях (см. рис. 3.11).

Плезиохронная работа

PRS PRS

Резервирование

Резервирование

Рис. 3.11. Структура иерархии ITU-T системы межузловой синхронизации.

Так, например, система межузловой системы синхронизации ВСС РФ состоит из 7 регионов плезиохронной работы. Образование жтих регионов может происходить как по причинам технического плана, так и по административно-политическим причинам. В первом случае разделение системы синхронизации на регионы связано с необходимостью сократить цепочки распределения синхросигналов. Для системы синхронизации в России это связано с большой территорией, хотя дробление системы синхронизации на региональные системы лишь косвенно связано с пространственным удалением генераторов друг от друга. Как правило система синхронизации начинает развиваться как единая иерархия с одним PRS. С ростом количества цифровых устройств происходит удлинение цепочек распределения синхросигналов, так что оконечное оборудование пользователя начинает получать синхросигналы неприемлемого качества. Тогда производят разделение системы синхронизации на два или более региона плезиохронной работы, что дает уменьшение длины цепочек. Затем каждый регион начинает развиваться по тем же законам, что в конечном итоге приводит к дроблению региона и т. д. Происходит процесс территориального дробления системы синхронизации.

Разделение системы синхронизации по регионам плезиохронной работы может происходить и по административно-политическим причинам. Обычно это связано с желанием оператора иметь свою независимую систему синхронизации со своим PRS. Примерами такого разделения являются национальные системы синхронизации, которые взаимодействуют друг с другом по принципу плезиохронной работы. Вторым примером является размещение PRS на территории сетей ведомственных операторов и создание систем синхронизации, совершенно независимых от операторов сети общего пользования.

Из всех предложенных стратегий синхронизации иерархическая структура «ведущий – ведомый» получила наиболее широкое распространение при синхронизации современных цифровых сетей электросвязи. Более того, МСЭ-Т и ETSI определили стандартные архитектуры сетевой синхронизации в соответствии с этой стратегией. Эти стандартные архитектуры организованы иерархически в уровнях:

- На уровне 0 одно ведущее устройство синхронизации (или для надежности несколько устройств) генерируют эталонный сетевой сигнал, работая в автономном режиме.

- На нижних уровнях (1, 2, и т. д.) находятся ведомые устройства синхронизации, которые а) синхронизируются по сигналам, поступающим из верхнего уровня и б) синхронизируют устройства синхронизации на нижних уровнях.

Поэтому при нормальной работе все устройства синхронизации сети отслеживаются ведущим устройством синхронизации, а синхронизация передается из одного устройства синхронизации в другое.

Международными стандартами определены следующие логические функции, представляющие устройства синхронизации на различных уровнях сетей синхронизации:

• Первичный эталонный генератор ПЭГ (PRC – Primary Reference Clock) определяется как функция, которая представляет либо автономное устройство синхронизации, либо устройство синхронизации, которое принимает эталонный сигнал синхронизации от определенного радио или спутникового (например, GPS) сигнала и выполняет его фильтрацию. Таким образом, ПЭГ представляет собой ведущее устройство сетевой синхронизации. Сокращение ПЭГ обозначает также физическое воплощение логической функции (т. е. выделенное устройство синхронизации.
• Вторичный задающий генератор ВЗГ (SRC – Secondary Reference Clock)определяется как функция, которая в сетевом узле:

- принимает входные сигналы синхронизации от внешних источников, выбирая один из них;

- фильтрует сигнал синхронизации, выделенный из этого отобранного источника;

- распределяет отфильтрованный сигнал синхронизации по другим элементам в пределах узла;

- может использовать внутренний источник синхронизации, если все внешние эталонные сигналы синхронизации исчезли или ухудшились.

Физическое воплощение логической функции ВЗГ может быть интегрировано в элементе сети СЦИ или на цифровой коммутационной станции ТФОП, но наиболее часто в выделенном оборудовании синхронизации (SASE).

• Устройство синхронизации оборудования СЦИ (SEC) определяется как функция, которая в элементе сети СЦИ:

- принимает сигналы синхронизации от внешних источников, выбирая один из них;

- фильтрует сигнал синхронизации, выделенный из этого выбранного источника;

- может использовать внутренний источник синхронизации, если все эталонные сигналы синхронизации исчезли или ухудшились.

Сокращение SEC означает также физическое воплощение логической функции (внутреннее устройство синхронизации элемента сети СЦИ).

Эталонная цепь сети синхронизации. В стандартной архитектуре сети синхронизации «ведущий – ведомый» сигнал синхронизации распределяется от ПЭГ по другим узлам вдоль цепи последовательно соединенных ведомых устройств синхронизации. Для лучшего понимания цепей сети синхронизации важно отметить особенности, которыми отличаются друг от друга ПЭГ, ВЗГ/SASE и SEC:

• ПЭГ – главное устройство синхронизации – работает автономно и должно иметь наивысшую точность и стабильность частоты (не хуже ); он соответствует Рек. МСЭ-Т G.811 и ETSI EN 300 462 Часть 6-1;
• ВЗГ/SASE – ведомое устройство синхронизации – распределяет свои сигналы синхронизации в узле и другим узлам –«сыновьям» в архитектуре иерархии «ведущий-ведомый». Его основная функция заключается в фильтрации сигнала синхронизации в сети и выдаче сигнала синхронизации высокой стабильности, если все эталонные сигналы исчезли. Постоянная времени системы ФАПЧ выбирается большой (обычно 1000 с), чтобы отфильтровать как можно больше фазовых помех, Это соответствует Рек. МСЭ-Т G.812 и ETSI EN 300 462 Часть 4-1;
• SEC представляет собой ведомое устройство синхронизации сетевого элемента с низкими требованиями к долговременной стабильности и относительно малой постоянной времени системы ФАПЧ (обычно не более 1 с). Это соответствует Рек. МСЭ-Т G.813 и ETSI EN 300 462 часть 5-1.

Стандарты ETSI и МСЭ-Т определяют таким образом эталонную цепь, показанную на рис. 3.12. Первым устройством синхронизации в цепи является ПЭГ. Цепь узловых устройств синхронизации ВЗГ выстраивается следующим образом: промежуточные ВЗГ от 1 до К – 1 являются транзитными узлами. ВЗГ под номером К может быть транзитным или локальным узлом. ВЗГ взаимно соединены линиями передачи с помощью разного числа устройств синхронизации сетевых элементов СЦИ (SEC).

N SEC N SEC N SEC

1 K

Транзитный узел Транзитный или

местный узел

Рис. 3.12. Эталонная цепь синхронизации.

В общем случае характеристики синхронизации будут ухудшаться по мере увеличения числа синхронизированных устройств в последовательном соединении. Чтобы удовлетворить требованиям по качеству синхронизации, самая длинная цепь должна содержать не более К ВЗГ и не более N SEC между любыми двумя ВЗГ, где допустимые значения для эталонной цепи синхронизации составляют: К = 10 и N = 20 (при общем числе SEC в цепи, не более 60). Эти значения были получены путем вычислений и моделирования. Однако на практике в сети синхронизации число элементов сети в тандеме должно быть сведенок минимуму исходя из соображений надежности и качества работы.

С ростом количества цифровых устройств на сети решать вопросы синхронизации становилось все труднее и потребовалось применение системного подхода. С этого момента система синхронизации стала учитываться как важный компонент сети связи. Решать вопрос, кто от кого берет синхросигнал, стало возможно только системно, анализируя работу всей сети. На этом этапе были сформулированы несколько довольно простых правил проектирования и расчета систем синхронизации. Первым приемом стало использование графов, уже широко применявшихся при проектировании топологии систем связи. Основное из них заключается в том, что граф синхронизации в отличие от графа топологии сети должен быть незамкнутым. Это стало первой элементарной концепцией построения систем синхронизации.

Дальнейший рост количества цифровых устройств на сети привел к тому, что графы синхронизации стали усложняться и потребовалось их упорядочение и создание первой концепции построения систем синхронизации – радиально-узловой модели системы синхронизации. С этого момента системы синхронизации стали иерархичными, в зависимости от уровня иерархии определялись параметры синхронизации. От простых графов проектировщики перешли к сложным радиально-узловым графам. Появилась концепция межузловой системы синхронизации, внутри узлов вопрос о синхронизации решался традиционно, т. е. методом простого графа, обычно по цепи. В конце концов, схема синхронизации становилась все более разветвленной, что привело к удлинению цепочек синхронизации и, следовательно, к ухудшению параметров синхросигналов. Тогда, для повышения качества синхронизации в узлах стали использовать специализированные генераторы.

Дальнейшее наращивание сложности цифровых систем связи привело к тому, что система синхронизации становится отдельным направлением проектирования систем передачи. На этом этапе окончательно проявилась основная особенность систем синхронизации – граф синхронизации зачастую отличается от топологии самой цифровой сети. Система синхронизации стала проектироваться и создаваться, как наложенная сеть над первичной и вторичной сетями. Началось дробление системы синхронизации на регионы плезиохронной работы, поскольку одним графом межузловой синхронизации оказалось невозможным накрыть всю сеть. В результате для единой топологии сети создается несколько независимых систем синхронизации, каждая из которых имеет свой радиально-узловой граф и эти графы резервируют друг друга.

Наконец следующий этап развития характеризовался появлением концепции внутриузловой системы синхронизации, что объяснялось ростом количества цифровых устройств на узлах сети, когда простая синхронизация по цепочке оказалась недостаточной для приемлемого качества синхросигналов внутри узла. В результате появилась концепция построения интегрированных систем синхронизации BITS. Параллельно с развертыванием систем BITS начали развиваться системы диагностики и управления системами синхронизации, которые объединяются в общую концепцию TMN. В результате к 2000 г. сформировалась в общем виде применяемая и в настоящее время концепция построения и эксплуатации систем синхронизации.

Важной особенностью систем синхронизации является отличие их топологии от топологии системы связи. Целью построения системы связи является достижение как можно более высокой связности трафиковых каналов. Чем больше резервных каналов от пункта А до пункта В, тем надежнее работает первичная сеть. Поэтому топология современной сети связи описывается обычно как совокупность замкнутых графов (рис. 3.13). Система синхронизации, напротив, должна строится в виде незамкнутого графа. Любое замыкание графа системы синхронизации приводит к появлению так называемой петли в в системе синхронизации, когда синхросигнал проходит по замкнутому пути. В этом случае возникает положительная обратная связь, усиливающая отклонения в стабильности синхросигнала, что приводит к деградации всего участка системы синхронизации.

Например, в системе есть петля из трех участков А-В-С (рис. 3.13). В берет синхросигнал от А, С – от В, а узел А – от С. В этом случае, если в результате температурной нестабильности в частоте А произошло изменение , тогда генератор В подстроится, но добавит свою нестабильность в канал .

Именно этот сигнал узел С будет считать опорным и выровняет по нему свой сигнал с добавкой нестабильности . Затем этот сигнал попадает на вход А, и процесс идет по возрастающей, система идет вразнос.

Петля в системе

синхронизации

Система связи Система синхронизации

А

С В

Рис. 2.11. Различие топологии системы связи и системы синхронизации.

Поэтому основным правилом при проектировании топологии систем синхронизации является исключение петель в системе синхронизации, они недопустимы. Таким образом, топология сети трафика и системы синхронизации принципиально различны, и поэтому система синхронизации должна проектироваться отдельно от системы связи. Возникает принцип наложенной сети, когда система синхронизации рассматривается как отдельная автономная составляющая системы электросвязи.

Дата добавления: 2014-01-05