Передача сигналов синхронизации аппаратурой PDH

Введение

Класс плезиохронных систем передачи данных ( PDH ) представлен в основном следующим оборудованием :

• Низкоскоростными оптическими PDH системами
• Радио-релейными PDH системами
• Аппаратурой xDSL для передачи данных по кабельным линиям

Системы PDH разрабатывались для обеспечения цифровых подключений абонентских устройств и изначально не предназначались для передачи сигналов сетевой синхронизации. Но, в процессе развития цифровых сетей появилась необходимость их использования для связи между цифровыми АТС и передачи сигналов сетевой синхронизации.

Часто, в сетях, вытянутых вдоль трубопроводов, автомобильных или железных дорог, последовательно включенные участки систем PDH , могли бы быть оптимальным сетевым решением для передачи синхросигналов. Также при использовании этих систем в качестве резервных соединений в сетях SDH в случае отказов оптических сегментов сети, передача сигналов синхронизации могла бы выполняться системами PDH . К сожалению, при передаче системами PDH сигналов синхронизации качество этих сигналов становится не удовлетворительным для дальнейшего использования SDH оборудованием.

Неудовлетворительное качество синхронизации приводит к появлению проблем, которые, в свою очередь, могут привести к отказам на участках SDH сети. Наиболее распространенные методы и приборы для контроля параметров работы сети не позволяют в полной мере протестировать подсистему синхронизации. Качественное оборудование для проведения необходимых испытаний достаточно дорого, необходимы длительные измерения и последующий анализ данных квалифицированными специалистами.

Статья кратко обозначает проблемы и описывает путь улучшения качества синхросигналов оборудования PDH до уровня, допустимого для сетей SDH .

В чем опасность плохой синхронизации?

С переходом от аналоговой телекоммуникационной техники к цифровой появилась необходимость единой синхронизации как внутри отдельных устройств, так и в пределах телекоммуникационных сетей. Например, для работы мультиплексора необходимо, чтобы все его интерфейсы работали синхронно, в противном же случае, некоторые данные неизбежно будут теряться. Это же относится и к устройствам, используемым в синхронной сети: все они должны работать синхронно, используя один и тот же синхросигнал.

В процессе передачи данных через систему с недостаточно качественной организацией синхронизации могут возникать такие известные проблемы:

• При передаче речевого сигнала появляются щелчки и шумы. Как правило, на качество понимания собеседника такие проблемы не оказывают существенного влияния, несколько снижается комфортность разговора.
• При передаче факсимильного сообщения «теряется» часть строки или область передаваемой картинки. Данный тип проблем более «чувствителен» нежели передача голоса. При некоторых условиях получение ни одной страницы со 100% качеством становится невозможным.
• При передаче данных наблюдается большое количество перезапросов и повторений. При большой загруженности сети возможна практически полная остановка ее работы. Особое место стоит уделить банковским системам, использующим шифрование, которые при каждом сбое в передаче пакета вынуждены инициировать повторное длительное установление нового шифрованного сеанса. Критичны к подобного рода проблемам медленные каналы передачи, например, каналы передачи сигнализации (ОКС7 и т.п.). При лавинообразном увеличении трафика сигнализации из-за повторных перезапросов передачи пакетов может быть превышена их пропускная способность. При этом возможно наблюдение «срывов» или, наоборот, не разъединения разговоров. А также не возможность установления части новых соединений.
• При передаче телевизионного сигнала или данных видеоконференций возможно периодическое «замораживание» кадра или звука на достаточно продолжительное время до прихода очередного «пилотного» пакета, содержащего полную информацию.

Приведенный список далеко не полон, приведены наиболее простые и понятные проблемы. Также существуют менее очевидные проблемы более «тонкого» свойства, описание которых опускается.

Резюмируя, можно подчеркнуть, что для операторов связи обозначенные выше проблемы могут привести к снижению качества обслуживания абонентов и значительным материальным потерям.

От описания проблем, возникающих в процессе эксплуатации сети, перейдем к рассмотрению причин их вызывающих.

Виды искажения качества синхросигналов

Итак, все узлы синхронной сети должны синхронизироваться от единого задающего генератора. Однако из-за несовершенства применяемого аппаратного и программного обеспечения качество синхронизации снижается по мере удаления от источника синхронизации. Начиная с некоторого уровня качества синхросигнала, наблюдается появление ошибок передачи данных.

Качество сигналов синхронизации измеряется различными критериями, однако суть всех критериев состоит в отклонении фазы синхросигнала от своего идеального положения во времени.

Наиболее наглядным при рассмотрении искажений синхросигналов является фазовое дрожание (англ. jitter ). Заранее оговоримся, что jitter сигналов синхронизации не является основной проблемой сетей синхронизации, однако его предварительное рассмотрение позволяет лучше понять суть других искажений. Фазовым дрожанием сигнала, называют отклонение показательных участков сигнала от их требуемого положения во времени или, иначе говоря, насколько раньше или позже сигнал меняет состояние относительно идеального момента своего перехода. Фазовое дрожание сигнала измеряется в Единичных Интервалах (ЕИ). Jitter сигнала, показанного на рис. 1 , равен  (сделано допущение, что частота дрожания сигнала менее 100кГц).

Рис. 1 (Осциллограмма сигнала с jitter-ом)

При рассмотрении нестабильности сигнала в области от 10Гц до 100кГц, используют понятие Дрожание фазы, менее 10Гц – Блуждание фазы (англ. w ander).

Jitter может вызвать ошибки при семплировании данных на стороне приема. При большом уровне фазового дрожания некоторые системы могут выйти из режима захвата частоты, что приведет к возникновению периодических проскальзываний (англ. slip ), а в наиболее тяжелых случаях – к потере битовой или цикловой синхронизации. Как правило, наличие повышенного jitter -а свидетельствует о неудовлетворительном качестве оборудования, сильных радиопомехах, а также неисправности компонентов. Измерение jitter -а производится большим количеством сетевых тестеров и является достаточно простой процедурой. Обычно jitter эффективно подавляется приемными интерфейсами или встроенными ФАПЧ, поэтому при передаче синхросигнала цепочкой модулей усиления jitter –а не наблюдается.

Низкочастотные блуждания фазы синхросигнала обычно усиливаются при прохождении через цепочку модулей. В SDH сетях wander порождает коррекцию указателей, что при определенном уровне блужданий может привести к перегрузке служебных каналов и даже к частичному снижению трафика сети. Так как системы SDH предъявляют высокие требования к входному сетевому сигналу синхронизации согласно ITU-T G .813, то при наличии в нем большого wander -а, они могут перейти в режим удержания, что в свою очередь приведет к периодическому возникновению slip -ов.

Так как частота является производной фазы по времени, то иногда рассматривается не jitter или wander , а отклонения частоты синхросигнала от своего номинального значения.

Отдельно от периодических искажений (jitter , wander) рассматриваются скачки фазы (частоты) и кратковременные прерывания сигналов синхронизации. Скачки фазы часто обусловлены применением недостаточно совершенных алгоритмов преобразования частоты (в основном, в PDH системах). Прерывания сигналов синхронизации вызываются, как правило, сменой источника синхронизации, потерей связи или сбоем в работе оборудования.

Наиболее полно сведения по видам искажений синхросигналов представлены в энциклопедии «Синхронизация цифровых сетей связи», С. Брени, «Мир», Москва, 2003.

Проблемы совместного использования PDH и SDH

Требования к передаче синхронизации от первичного генератора ко всем элементам SDH сети регламентируются рекомендацией ITU-T G.810. Согласно этому документу тактовую частоту работы сети задает Первичный Эталонный Генератор ( PRC ) или генератор первого уровня, качество выходного сигнала которого определяется рекомендацией ITU-T G .811. Далее сигнал синхронизации может передаваться последовательной цепочкой из не более 20-ти ведомых SDH устройств (SEC, ITU-T G.813). Далее, по направлению распространения синхросигнала должен быть установлен Ведомый Задающий Генератор (SSU , G.812) или генератор второго уровня. Задача SSU состоит в фильтрации сигнала от фазовых искажений, а также в самостоятельной кратковременной (до нескольких недель) синхронизации ниже стоящей сети при нарушении синхронизации от PRC. За SSU разрешается последовательно устанавливать еще до 20-ти SEC , после чего необходимо включение в цепочку дополнительного SSU и.т.д. Общее количество Сетевых Элементов, последовательно распространяющих синхросигнал от PRC , ограничено 60-ю СЭ.

Рис. 2 Пример построения сети синхронизации

Часто экономически привлекательно построение PDH сети, построенной, например, на базе оборудования xDSL , для подключения клиентов к скоростной оптической SDH сети. При этом PDH сеть строится на базе оконечных модемов (STU) и линейных регенераторов (SRU). На рис. 2 показан пример построения такой сети, большая часть оборудования обработки данных не показана, основное внимание уделяется вопросам передачи синхронизации.

Как видно из рис.2, одна система PDH используется для резервирования оптического SDH тракта. При помощи другой организуется магистральная линия для обслуживания нескольких АТС (CO), базовых станций сотовой связи (GSM) и предоставления услуг Интернета.

Так как в общем случае современные цифровые и коммутационные станции, а также другое оборудование обработки данных и оптические мультиплексоры (со встроенными генераторами типа SEC) разрабатывается для работы в составе SDH сетей, они предъявляют требования к сетевому стыку с оборудованием передачи данных согласно ITU-T G.783 или G.813. К сожалению, данное качество синхросигнала в общем случае не обеспечивается оборудованием PDH.

В случае резервирования оптического SDH тракта системой PDH (на рис.2, системой xDSL) при повреждении оптического потока качество синхронизации, принимаемой SEC от STU (точка А рис.2), ухудшается, что может привести к переходу любого устройства, стоящего ниже этой точки, из режима захвата в режим удержания и появлению проблем, описанных в п. «В чем опасность плохой синхронизации?».

В случае использования магистральной линии PDH, те же проблемы могут возникнуть при использовании коммутационного оборудования, требовательного к качеству синхросигнала. На рис.2 устройства, потенциально подверженные сбоям, имеют оранжевую окантовку.

Для исправления описанных выше потенциальных проблем, необходимо использование оборудования, улучающего качество сигналов синхронизации до уровня не ниже ITU-T G .812 в точках приема синхросигнала от PDH (xDSL) систем (на рис. 2 показаны красным). Ниже приводится краткое описание подобного оборудования – устройств восстановления синхронизации или ретайминга.

Ретайминг, оборудование для ретайминга

Оборудование для восстановления синхронизации предназначено для фильтрации дрожания и блуждания фазы входного сигнала. В случае пропадания входного сигнала или выхода его параметров за допустимые пределы, данное оборудование должно иметь возможность временно переходить в режим удержания – автоколебательный режим на частоте близкой к частоте источника синхросигналов (PRC).

Принцип работы устройства восстановления качества сигналов синхронизации (ресинхронизатора) состоит в следующем. Параметры входного сигнала предварительно измеряются и, при удовлетворительном результате, входной сигнал подается на вход высокоточной системы Фазовой Авто Подстройки Частоты (ФАПЧ) (см. Рис. 3). ФАПЧ, строится по стандартной схеме, включающей: Фазовый Детектор, Фильтр и Управляемый Генератор. Требования к характеристикам каждого блока ФАПЧ очень высоки

В установившемся режиме захвата средние значения входной и выходной частот ресинхронизатора точно равны < CLKin > = < CLKout >. Однако мгновенная частота на входе в общем случае отлична от мгновенной частоты на выходе. По этой причине при необходимости корректной передачи не только синхросигнала, но и данных в ресинхронизаторе организуется буферная память FIFO , для компенсации разноси фаз стробирования и изменения данных.

Рис. 3 Упрощенная структурная схема ресинхронизатора

Спектр оборудования для организации ретайминга включает в себя: SSU (ВЗГ), дополнительные платы ретайминга для коммутационного оборудования, а также специализированные ретаймеры.

SSU и дополнительные платы ретайминга коммутационного оборудования изначально не предназначались для работы с системами PDH. Их применение не гарантирует стабильную работу сети из-за недопустимой для этих устройств величины блужданий фазы синхросигнала на выходе систем PDH .

Имеющиеся в продаже ретаймеры различаются по функциям и, соответственно, ценам. Следует отметить, что дешевые модели, как правило, обладают достаточными характеристиками по фильтрации входного сигнала синхронизации, однако при его пропадании они не способны поддерживать качество выходного синхросигнала на уровне, требуемом G.812.

Рис. 4 модуль FG-ReSync

В дополнение линейки оборудования магистральной передачи данных Megatrans НТЦ НАТЕКС совместно с Научно-техническим центром синхронизации сетей электросвязи ФГУП ЛОНИИС разработали ресинхронизатор FG-ReSync с функцией ресинхронизации до 6 потоков E1 и возможностью синхронизации внешнего оборудования сетевого узла (см. рис. 4).

В отсутствие качественных сигналов синхронизации при возникновении сетевых неисправностей ресинхронизатор обеспечивает работу в режиме удержания (англ. holdover) и может являться резервным источником сетевой синхронизации полностью в соответствии с рекомендацией ITU-T G.812.

Ресинхронизаторы FG-ReSync могут управляться локально и дистанционно по сети Ethernet (Telnet, SNMP, WEB). Система управления ресинхронизаторами, интегрирована в систему управления систем передачи FlexGain, FlexDSL и Megatrans производства НТЦ «Натекс». Она позволяет гибко настраивать параметры FG-ReSync и адаптировать его к различным условиям сети, включая работу в сетях с пониженным качеством синхронизации.

В настоящее время проводятся финальные испытания опытной партии модулей FG-ReSync. Начало продаж намечено на 1-й квартал 2006 года. Ориентировочная розничная цена – 4300$.

Таблица 1 . Технические характеристики модуля FG-ReSync

Возможности повышения качества синхросигналов PDH до уровня сетей SDH

Вернемся к рассмотрению рис.2. Качество сигнала синхронизации не соответствует требованиям, предъявляемым оборудованием в местах сетевых стыков, помеченных красными стрелками. Для улучшения качества синхросигнала в этих местах требуется установка устройств ресинхронизации.

В общем случае, установка ресинхронизаторов требуется в случае соединения сельских и городских АТС, мультиплексоров и коммутационных станций, рассчитанных на работу в сетях SDH, с PDH оборудованием. Также использование ресинхронизаторов оправдано в случае последовательного соединения посредством систем PDH нескольких АТС (снабженных даже всего одним сетевым портом). Подчеркнем, что использование ресинхронизаторов необходимо лишь в случае возможной синхронизации коммутационного оборудования от PDH систем. Если же такая синхронизация не предусматривается, то необходимости в устройствах ресинхронизации нет.

Заметим, что сами PDH системы разрабатывались для использования на сравнительно небольших расстояниях. Например, количество последовательно используемых регенераторов xDSL в одном тракте ограничивается стандартом G.911.2 на уровне 8. Поэтому, в общем случае, при увеличении количества регенераторов более 8 производители связных xDSL микросхем не гарантируют корректную передачу данных. Специальные схемные решения и опыт инсталляций оборудования семейств Megatrans и Orion компании НТЦ НАТЕКС делают возможным использование трактов передачи, содержащих до 16-ти регенераторов. Если же планируется построение более длинного xDSL тракта, рекомендуется установка промежуточных ресинхронизаторов. Относительно использования оптических и радиорелейных PDH систем требуются дополнительные исследования.

Подчеркнем, что использование ресинхронизаторов оправдано только в случае соединения PDH систем со сравнительно большими системами обработки данных. Как правило, такие системы характеризуются большим количеством сетевых портов и сложной системой внутренней коммутации данных этих портов. Использование ресинхронизаторов не требуется при подключении цифровых телефонных аппаратов, абонентских устройств, сетевых маршрутизаторов и учрежденческих телефонных станций, имеющих один сетевой порт. Как правило, не требуется дополнительных мер для подключения аналоговых систем.

Заключение

Статья кратко рассматривает вопросы передачи сигналов синхронизации на стыках систем PDH с оборудованием SDH или с коммутационным оборудованием, предназначенным для работы в сетях SDH . Описаны возможные проблемы эксплуатации и причины их возникновения, возникающие из-за недостаточно качественной передачи синхросигнала на этих стыках. Описаны устройства восстановления синхросигнала. Приведены ограничения на использование стандартных модулей SSU при построении смешанной сети, содержащей SDH и PDH оборудование. Описан специальный класс устройств, предназначенный для восстановления качества сигналов синхронизации на выходе систем PDH.

При работе над статьей были использованы информация и материалы, предоставленные компаниями НТЦ НАТЕКС и Научно-техническим центром синхронизации сетей электросвязи ФГУП ЛОНИИС.

«Вестник Связи» №12, 2005 г.