4.6 Основные методы синхронизации цифровой сети

Все цифровые системы в своей основе требуют задающего генератора как средства хронирования внутренних и внешних операций. Операции, хронируемые от источника единственной частоты, не нуждаются в особенно стабильных источниках, поскольку все элементы, хронируемые совместно, испытывают однотипные изменения хронирующего колебания. Другая ситуация возникает, когда осуществляются переходы от одного синхронизируемого оборудования к другому (от передатчика к приемнику). Если даже задающий генератор приемного полукомплекта синхронизирован с генератором передающего полукомплекта на долгосрочной основе или при усреднении за длительный период времени, то при кратковременных изменениях в любом из задающих генераторов может быть нанесен серьезный ущерб целостности передаваемых цифровых сигналов. Поэтому, как правило, необходимо использовать в передатчике и приемнике генераторы частоты такой стабильности, какая целесообразна из экономических соображений [8].

Известны шесть основных методов, которые используются для синхронизации цифровой сети [8]:

1) плезиохронный режим;

2) согласование скоростей на всей сети;

3) взаимная синхронизация;

4) использование эталонного генератора для сети;

5) принудительная синхронизация;

6) пакетная передача.

Плезиохронная сеть не синхронизируется, в ней просто использу­ются во всех узлах коммутации задающие генераторы с высокой точностью, так что частость проскальзываний между узлами является приемлемо низкой. Этот вид работы легче всего внедрить, поскольку при этом не требуется распределение хронирующих колебаний по всей сети. Однако предполагается, что в плезиохронной сети даже и в небольших узлах коммутации будет необходимо включать высокоточ­ные и избыточные источники хронирования. По этой причине инжене­ры фирмы Bell System решили не использовать независимые задающие генераторы для хронирования сети в США. Плезиохронное хронирование планируется, для взаимных соединений на международной цифровой сети. В рекомендации G.811 МККТТ установил нормы на стабильность задающих генераторов для всех международных связей цифровых коммутацион­ных станций. Норма на стабильность, равная 10^-11, означает, что проскальзывания на линиях, соединяющих международные коммута­ционные центры, будут случаться один раз в 70 дней. При этом пред­полагается, что частота одного задающего генератора отклоняется на 10^-11 в положительную сторону, частота другого генератора — на 10^-11 в отрицательную сторону, а частота повторения циклов равна 8 кГц.

Если бы все внутренние линии и коммутационные станции сети были рассчитаны на номинальные частоты, несколько более высокие, чем номинальные частоты процессов цифрового преобразования речи, то все речевые сигналы могли бы проходить через сеть без проскальзы­ваний за счет сопряжения скорости передачи информации с пропуск­ной способностью местных каналов методом согласования скоростей. Ни один задающий генератор не надо было бы синхронизировать с другим и можно было бы допустить относительно небольшую точность тактовых частот. Однако на каждом стыке между системами, управляе­мыми от различных задающих генераторов, сигналы отдельных кана­лов следовало бы подвергнуть операции, обратной согласованию скоро­стей, по отношению к тактовой частоте принимаемого сигнала и операции согласования скоростей по отношению к тактовой частоте местного или исходящего сигнала. По существу, линии с временным группообразованием в сети образовали бы каналы с временным группообразованием, через которые цифровые сигналы потребителей прохо­дили бы на различных скоростях — эти различия были бы поглощены за счет согласования скоростей с использованием для служебных целей индивидуальных сигналов.

В противоположность операциям согласования скоростей в аппара­туре группообразования высоких порядков, где все каналы в компонен­тном цифровом сигнале подвергаются операции согласования скоростей групповым способом, в аппаратуре коммутации подразумевается неза­висимое проведение операции согласования скоростей в каждом кана­ле. Необходимость проведения отдельных операций согласования ско­ростей представлена на рис.4.17, где показаны речевые сигналы, скоммутированные в один выходной сигнал с временным группообразованием.

Рис.4.17. Коммутация каналов с различными скоростями передачи в

общий выходной сигнал с временным группообразованием

Очевидно, что скорости передачи на выходе для всех сигна­лов идентичны. Если сигналы получены на участках сети, управляе­мых с различными тактовыми частотами R1, R2,...Rn то операции согласования скоростей должны выполняться отдельно для каждого из сигналов.

Необходимость осуществления операции независимого согласова­ния скоростей для сигнала каждого из каналов на каждом стыке с коммутационной станцией препятствует использованию согласования скоростей в качестве экономически гибкого решения задачи хронирования всей сети. Согласование скоростей используется в настоящее время для аппаратуры группообразования высоких порядков. По мере развития цифровой сети и появления возможности синхрони­зировать тактовые частоты всех компонентных цифровых сигналов необходимость в согласовании скоростей может исчезнуть. Примером, когда такая синхронизации всегда может быть желательной, являются цифровые линии спутниковой связи, которые хронируются автономными задающими генераторами на борту спутника.

Выше были рассмотрены виды работы сети, которые не охватывали синхронизацию отдельных задающих генерато­ров. Взаимная синхронизация, использование эталонного генератора, принудительная синхронизации сети, основываются на том, что каждый отдельный задающий генера­тор синхронизируется от общей частоты. В методе взаимной синхронизации общая тактовая частота сети устанавливается благо­даря тому, что все узлы в сети обмениваются опорными частотами, как показано на рис.4.18. В каждом

узле входящие опорные частоты усредняются и этот результат используется в качестве тактовой частоты для местного использования и для передачи. По окончании периода первоначальной установки тактовая частота сети обычно стремится к единственной стабильной частоте. При определенных условиях, процесс усреднения может быть нестабильным.

Рис.4.18. Метод взаимной синхронизации

Основное достоинство сети с взаимной синхронизацией состоит в сохранении ее работоспособности несмотря на выход из строя задающего генератора в любом из узлов. Основными недостатка­ми являются неопределенность точного значения усредненной частоты и неопределенность поведения во время переходных процессов. По этим причинам взаимная синхронизация не применяется в некоторых СТС (например, североамериканская телефонная сеть), однако в Великобритании разработана иерархическая структура хронирования, в которой на некоторых уровнях используется взаимная синхронизация.

Метод эталонного генератора синхронизации сети показан на рис.4.19. При приме­нении этого метода колебания тактовой частоты единственного эталон­ного генератора передаются ко всем узлам, вынуждая их управляться от общей частоты. Как показано на рис.4.19, все узлы сети непосредст­венно соединены с эталонным генератором сети, что подразумевает необходимость использования отдельной сети передачи для распреде­ления колебаний эталонной частоты. На основе требований к надеж­ности также предполагается, что создаются запасные тракты к каждо­му узлу. Из соображений стоимости отдельной сети эталонный генера­тор с прямой передачей к каждому узлу нежелателен.

Рис.4.19. Метод синхронизации с эталонным генератором

Основным недостатком синхро­низации с эталонным генератором для всей сети является необходи­мость применения раздельных и надежных средств передачи к каждому узлу. Возможна конфигурация сети, в которой эталонное колебание распространяется по самим линиям передачи информации. Колебание эталонной частоты сети передается к узлам коммутации высокого уровня. После того, как задающие генераторы в этих узлах будут синхронизированы с эталонным колебанием и будут удалены фа­зовые дрожания, обусловленные линией передачи, колебание эталон­ной частоты через цифровые линии передается к коммутационным станциям более низкого уровня. Коммутационные станции еще более низкого уровня синхронизируются, в свою очередь, от коммутационных станций более высокого уровня через входящую линию и передают хронирующее колебание на коммутационные станции следующего уровня через исходящие от них цифровые линии. Процесс передачи эталонного задающего колебания вниз от одного уровня к другому на­зывается принудительной иерархической синхронизацией (рис.4.20).

Рис.4.20. Принудительная синхронизация

Поскольку все коммутационные станции синхронизируются от одного и того же эталонного колебания непосредственно или косвенно, они работают с одной и той же номинальной тактовой частотой. В результате этого в нормальных условиях проскальзывания появиться не могут. Однако из-за различия в трактах, по которым распространя­ется хронирующее колебание, могут появиться кратковременные раз­личия между частотами некоторых узлов. Если эти узлы синхронизиру­ются косвенным образом, как показано на рис.4.20, то изредка воз­можны проскальзывания. Кроме того, из требований надежности сле­дует, что все коммутационные узлы должны быть обеспечены дублиру­ющими задающими генераторами на случай отказа системы распреде­ления тактовых частот. Когда это случается, вероятность проскальзы­ваний возрастает, но только после того, как пройдет достаточное время для ухода частот относительно стабильных дублирующих генераторов от общей эталонной частоты. Фирма Bell System и Ассоциация независимых телефонных компа­ний США выбрали принудительную иерархическую синхронизацию для развивающейся коммутируемой цифровой сети США. Эталонный задающий генератор размещен в Хилсборо (шт. Миссу­ри), откуда выборочные коммутационные центры типа № 4 ESS по­лучают свои хронирующие колебания через специально для этого построенные средства передачи. Синхронизация всех остальных коммутационных станций производится через существующие линии цифровой передачи.

При рассмотрении синхронизации предыдущих видов синхронизации предполагалось, что рассматривается синхронная сеть коммутации каналов, поскольку подавляющее число цифровых телефонных сетей именно так и работает.

В сети с коммутацией пакетов сообще­ния разбиваются на идентифицируемые блоки (пакеты) данных. В промежутках между блоками в линиях передаются либо символы, не несущие информации, либо управляющие сообщения. Если все сообщения управления и данных разделяются номинальными ин­тервалами передачи символов, не несущих информации, то устройства эластичной памяти могут быть подготовлены к приему следующего блока. Эластичная память – это устройства предназначенные для компенсации кратковременной нестабильности, при которой отличие в числах переданных и принятых битов ограничено. Поскольку каждый блок по длине ограничен, устройства эластичной памяти могут поглотить разности тактовых частот и позволить избежать потери данных. По существу, проскальзывания происходят только на символах, не несущих информации.

Сети с коммутацией пакетов были разработаны первоначально для применений в сетях передачи данных, хотя предлагались также и телефонные сети с коммутацией пакетов. Сетям с чистой коммутацией пакетов (или коммутацией сообще­ний) свойственна устойчивость к отклонениям значения тактовой частоты. Каждый из узлов сети может хронироваться автономно от генераторов с относительно неточными частотами. Отметим, что эффективность работы линии передачи падает из-за увеличенных зазоров между блоками. Кроме того, получение колебаний тактовой частоты для дискретизации в декодирующем устройстве усложняется из-за поступления сигнала непериодическими блоками (фазовые дро­жания времени ожидания) [8].

Появление сетей СЦИ, использующих наряду с привычной топологией «точка-точка», кольцевую и ячеистую структуры топологии, привнесло дополнительную сложность в решении проблем синхронизации, так как для двух последних топологий маршруты сигналов могут меняться в процессе функционирования сетей.

Сети СЦИ имеют несколько дублирующих источников синхронизации:

- сигнал внешнего сетевого таймера с частотой 2048 кГц или первичный эталонный тай­мер (определяемый в Рекомендации G.811 ITU-T);

- сигнал с пользовательского интерфейса канала доступа — аналог таймера транзитного узла (определяемый в Рекомендации G.812 ITU-T) - это сигнал с частотой 2048 кГц, выде­ляемый из первичного потока 2048 кбит/с;

- сигнал внутреннего таймера с частотой 2048 кГц или таймер локального узла (определяемый в Рекомендации G.812 ITU-T);

- линейный сигнал STM-N с частотой 2048 кГц — сигнал, выделяемый из линейного сигнала 155,520 Мбит/с или 4nх155,520 Мбит/с, или линейный таймер.

Точность сигналов внутреннего таймера мала, порядка (1...5)∙10^-6, так как могут нака­пливаться ошибки в процессе «каскадирования сигналов таймеров», когда узел сети восста­навливает сигнал таймера по принятому сигналу и передает следующему узлу. В этом смысле наиболее надежными источниками синхронизации являются сигналы внешнего се­тевого таймера и линейный сигнал STM-N.

Предусматривается четыре стандартных режима работы хронирующих источников уз­лов синхронизации в сети СЦИ [7]:

а) первичного эталонного таймера или генератора ПЭГ (мастер узел);

б) принудительной синхронизации - режим ведомого задающего таймера или ге­нератора ВЗГ (транзитный и/или местный узлы);

в) режимы удержания с точностями 5∙10^-10 - для транзитного узла и 5∙10^-8 - для мест­ного узла и суточным дрейфом 5∙10^-9и 5∙10^-9соответственно.

г) свободный режим (для транзитного и местного узлов) - точность поддержания зави­сит от класса источника. Ее значения могут составлять 5∙10^-8 для транзитного и 5∙10^-8 для местного узлов [7].