Что такое синхронный ethernet
Примечание. Н/н — не нормируется.
Плохая синхронизация оказывает крайне негативное влияние на работу сетей мобильной связи. Так, при плохой синхронизации сужается полоса пропускания сетей LTE-A CoMP, в сетях LTE-A eICIC усиливаются помехи между сотами, в сетях LTE-TDD прерываются звонки, а также уменьшается спектральная эффективность этих сетей.
Синхронизация систем автоматизации работы электрических подстанций
Для выполнения передовых функций автоматизации работы электрических подстанций, включая широкомасштабный контроль комплексных амплитуд тока и напряжения, а также передачу выборочных измеренных значений тока и напряжения по шинам процессов, современному оборудованию подстанций требуется временная синхронизация с точностью не хуже 1 мкс, тогда как традиционному оборудованию обычно достаточно точности 1–2 мс. Для синхронизации защитных реле и других устройств с точностью не хуже 1 мкс в качестве технологии временной синхронизации применяется протокол PTP. На Рисунке 2 представлен пример Ethernet-сети электрической подстанции с осуществлением временной синхронизацией по протоколу PTP.
Рисунок 2. Локальная сеть подстанции с осуществлением временной PTP-синхронизации
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.
Методы синхронизации в пакетных сетях
Пакетные сети являются асинхронными, но в синхронизации нуждаются определенные виды оборудования, подключаемого к этим сетям, например базовые станции мобильной связи и защитные реле электрических подстанций. Для высокоточной синхронизации по сетям Ethernet широко используются технология SyncE и протокол PTP.
Технология SyncE
Данная технология обеспечивает частотную синхронизацию устройств-потребителей по физическому уровню Ethernet с привязкой к синхросигналу эталонной частоты от ПЭГ (см. Рисунок 3).
Рисунок 3. Синхронизация по физическому уровню Ethernet
SyncE отличается от обычной технологии Ethernet только наличием функции синхронизации, такой же как в сетях SDH. В сети синхронизации по технологии SyncE используются ВЗГ по тем же самым причинам и правилам проектирования, что и в сети SDH (см. Рисунок 1).
Технология SyncE специфицирована в ряде рекомендаций MCЭ-T:
- G.8261: Timing and synchronization aspects in packet network.
- G.8262: Timing characteristics of Synchronous Ethernet equipment slave clock.
- G.8264: Distribution of timing through packet networks.
В рекомендации G.8261 определены основные аспекты синхронизации в пакетных сетях, заданы предельно допустимые характеристики джиттера и блуждания фазы синхросигнала в сети SyncE и другие характеристики.
Синхронизация на базе пакетов
Протокол PTP, соответствующий стандарту IEEE 1588v2, считается самым эффективным синхронизирующим решением, работающим поверх пакетной сетевой инфраструктуры. Он выполняет все требования по точности частотной, фазовой и временной синхронизации. Представляя собой решение типа «ведущий/ведомый» (master/slave), данный протокол обеспечивает очень точную синхронизацию времени — до нескольких сотен наносекунд. Для успешной работы протокола PTP вариация задержки пакетов (PDV) и асимметрия задержки пакетов должны находится в определенных пределах.
Телекоммуникационный профиль для частотной синхронизации
Данный телекоммуникационный профиль, определенный рекомендацией МСЭ-T G.8265.1, предназначен для обеспечения частотной синхронизации с использованием протокола PTP по не поддерживающим этот протокол существующим пакетным телекоммуникационным сетям. Используя одноадресные IP-пакеты, ведомые часы PTP, находящиеся далеко от центрального синхронизатора — ведущих часов PTP, называемых грандмастером, получают информацию, нужную для частотной синхронизации. Должны соблюдаться ограничения на PDV.
Профили для частотной и фазовой синхронизации
Для реализации этих профилей, определенных в рекомендациях МСЭ-Т G.8275.1 и G.8275.2, центральные ведущие часы PTP передают PTP-потоки по сети, все элементы которой поддерживают протокол PTP (G.8275.1) или этот протокол поддерживает только часть сетевых элементов (G.8275.2).
Для реализации частотной и фазовой синхронизации с гарантированным качеством в рекомендации МСЭ-Т G.8275.1 требуется, чтобы для уменьшения PDV все сетевые элементы имели функционал прозрачных или граничных часов PTP и поддерживали технологию SyncE. Выполнить это требование на существующей сети (где нет устройств с поддержкой SyncE и PTP) сложно и дорого. В рекомендации МСЭ-Т G.8275.2 содержится более мягкое требование: допускается, чтобы функционал граничных часов был только в части сетевых элементов. Для успешной синхронизации при использовании этих профилей нужно соблюдать ограничения по PDV и асимметрии задержки пакетов.
Центральные ведущие часы PTP
При таком подходе к синхронизации, чтобы достичь нужных ведомых часов, пакеты PTP обычно проходят через множество транзитных сетевых элементов. Данная архитектура системы синхронизации (см. Рисунок 4) эффективна для частотной синхронизации, поскольку только создаваемая сетью PDV должна быть ограничена.
Рисунок 4. Сеть с центральными ведущими часами PTP
Для обеспечения и поддержания точной фазовой синхронизации на периферии сети в соответствии с требованиями по синхронизации сетей LTE-TDD и LTE-Advanced нужно ограничение не только PDV, но и асимметрии задержки пакетов. В архитектуре с центральными ведущими часами PTP вся пакетная транспортная сеть должна поддерживать PTP, то есть каждый элемент сети должен работать как граничные или прозрачные часы, что проблематично обеспечить в большинстве ныне действующих сетей.
Лучший подход: распределенные мини-грандмастеры
Существует альтернативный подход к обеспечению синхронизации по протоколу PTP, предполагающий размещение недорогих мини-грандмастеров на периферии сети (см. Рисунок 5). При таком подходе средних характеристик производительности и емкости центральных ведущих часов PTP достаточно для обслуживания меньшего числа ведомых часов, каковыми для центральных ведущих часов являются мини-грандмастеры. Размещение их на первом уровне агрегации трафика позволяет начать распределение синхронизации по протоколу PTP ближе к местам установки ведомых часов (например, подключенных к базовым станциям).
Рисунок 5. Сеть с центральными ведущими часами PTP и мини-грандмастером
Передача пакетов PTP через небольшое число транзитных устройств между мини-грандмастером и ведомыми часами имеет два достоинства. Во-первых, это упрощает обеспечение надежности PTP-синхронизации, а во-вторых, избавляет от необходимости реализовывать поддержку PTP по всей сети.
Концепция APTS и автокалибровка
Согласно концепции APTS (Assisted Partial Timing Support), мини-грандамастер использует ГНСС в качестве первичного источника информации о времени, но при отказе своего приемника ГНСС может переключиться на опорный сигнал, восстановленный с использованием PTP-пакетов, посланных центральными ведущими часами PTP. Концепция APTS определена рекомендацией МСЭ-Т G.8275.2.
Использование синхронизации по сигналам ГНСС и сетевой PTP-синхронизации также обеспечивает автокалибровку алгоритма восстановления PTP. Автокалибровка используется для активной компенсации динамической асимметрии сети и мониторинга годности синхросигнала, восстановленного посредством PTP-синхронизации с центральными ведущими часами PTP.
Концепция APTS и автокалибровка значительно смягчают требование по использованию поддерживающих протокол PTP сетевых элементов на пути следования пакетов PTP от ядра до периферии 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.
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.
Полевое тестирование сетевой инфраструктуры
При необходимости перейти на новую технологию RAN, требующую высокоточной фазовой синхронизации базовых станций, сотовый оператор должен проверить готовность сетевой инфраструктуры к внедрению этой технологии. То есть важно знать, имеет ли сетевая инфраструктура, по которой будет передаваться PTP-трафик, нужный бюджет временной ошибки. Для этого рекомендуется использовать высокоточный портативный тестер синхронизации, который измеряет временную ошибку на PTP-потоках, работая в режиме монитора или ведомых часов PTP (см. Рисунок 7).
Рисунок 7. Проверка пригодности сети к высокоточной синхронизации фазы/времени
Портативный тестер должен быть оснащен приемником ГНСС и рубидиевым источником синхросигнала, чтобы обеспечить нужную точность измерения фазы при работе источника в режиме удержания, когда сигналы ГНСС недоступны. Подобный тестер нужен также для поиска неполадок в работе действующей системы сетевой синхронизации и ее аудита.
Игорь Ибрагимов, инженер
В статье рассматриваются методы синхронизации, применяемые в сетях SyncE. Подробно описываются требования, предъявляемые к отклонению сигналов.
SyncE, или синхронная сеть Ethernet (Synchronous Ethernet), представляет собой разновидность стандартной сети Ethernet. SyncE позволяет всем внутрисетевым узлам работать синхронно, несмотря на существенную разницу в задержках распространения сигналов.
Это достигается за счет передачи информации о частоте по физическому уровню Ethernet, который связан с опорным тактовым сигналом. Сеть SyncE получила широкое распространение не только в проводных, но и беспроводных сетях, поскольку она обеспечивает частотную синхронизацию в больших и распределенных сетях. По мере развертывания сетей 5G SyncE будет все шире применяться для обеспечения точного опорного сигнала.
Эволюция Ethernet
Сети Ethernet отличаются низкой стоимостью и простотой. Именно эти преимущества сделали их доминирующей средой передачи данных, когда произошел переход от голосовых сетей к IP-передаче. По мере увеличения объема пакетных данных сети SONET (synchronous optical networking) и SDH (synchronous digital hierarchy) были замещены сетями на основе Ethernet.
Сети IP/Ethernet имеют низкую стоимость, обеспечивают высокую емкость и сервисы нескольких типов в рамках одной сети. Однако у них имеется недостаток: классические сети Ethernet асинхронны, что недопустимо для качественной передачи голоса по IP, сотовой связи или сетей усовершенствованных датчиков, где требуется низкая задержка, а также для систем реального времени.
Для решения этой проблемы были разработаны сети SyncE, в которых сигналы линии на физическом уровне, которые использовались в системах с временным разделением (TDM), заменены похожим, но синхронным тактовым сигналом, совместимым с протоколом Ethernet. В больших сетях с несколькими конечными точками сигнал синхронизации распространяется с центрального источника к главному опорному тактовому генератору PRC (primary reference clock) в отдаленные концы сети.
Сети SyncE поддерживают создание и распространение качественных опорных синхросигналов по проводным и беспроводным сетям. Ресинхронизация не требуется, поскольку синхронизирующий сигнал передается на физическом уровне вместе с данными. Заметим, что в SyncE возможна частотная синхронизация без передачи данных, когда информация о частоте передается между узлами. Такой подход отличается от временной синхронизации, в которой требуется передача не только частоты, но и фазы. Временная синхронизация применяется в протоколе точного времени PTP (precision time protocol).
Требования к точности SyncE
Механизм синхронизации сети SyncE основан на иерархии тактовых генераторов. Сверху расположен наиболее точный генератор. Практически во всех сетях SyncE самый точный генератор представлен PRC-генератором с точностью 10–11. Он обеспечивается локальным источником с очень высокой стабильностью, хотя чаще для этой цели используют сигнал GPS. Уровнем ниже находится блок источника синхронизации (SSU), где требуется функция передачи в режиме holdover, позволяющая блоку сохранять синхронизацию в течение некоторого времени в случае потери сигнала PRC. Мы вернемся к этому режиму позже.
Третий уровень занимает тактовый генератор оборудования Ethernet (Ethernet equipment clock EEC). В нем также используется режим holdover, но его точность может быть ниже, чем на уровне блока источника синхронизации. На этом уровне используется схема ФАПЧ, следящая за локальным резервным опорным источником, в качестве которого используется термостатированный кварцевый генератор (ОСХО ) или кварцевый генератор с температурной компенсацией (ТСХО ). Стабильность частоты – не меньше ±4,6 ppm.
Заметим, что точность всей сети в целом равна точности PRC-генератора (т. е. 10–11), если доступен первичный опорный сигнал. В нормальном режиме работы он распределяется по всей сети. Иногда ошибочно считают, что SyncE имеет точность синхронизации ±4,6 ppm, однако это справедливо только для свободно идущих часов EEC. Д ля таких приложений как мобильные сети требуется точность около ±50 ppb. Когда система замкнута и синхронизована с помощью PRC-генератора, ее точность равна нескольким ppb или выше. Когда устройство теряет синхронизацию, оно возвращается к точности локального опорного кварцевого генератора EEC. На рисунке 1 упрощенно показана разница между классической сетью Ethernet и SyncE (погрешность ±100 ppm и ±4,6 ppm, соответственно).
Рис. 1. Синхронизация в классическом стандарте Ethernet и SyncE
Ст андарты ITU для SyncE
Международные стандарты реализации SyncE определяются группой ITU-T. Ею разработаны требования по взаимодействию между стандартами, несоблюдения которых ведет к несовместимости устройств. К сетям SyncE относятся следующие стандарты:
–– G.8262 (требования к тактовым генераторам), которые определяют временные характеристики синхронных
локальных тактовых генераторов EEC (Ethernet equipment clocks);
–– G.8262.1 (требования к тактовым генераторам продвинутого уровня eEEC), которые определяют временные характеристики синхронных локальных тактовых генераторов продвинутого уровня. К ним предъявляются более строгие требования с акцентом на 5G.
Упомянутые стандарты содержат требования к фазовому шуму и отклонению частотных параметров тактовых генераторов SyncE. Фазовый шум определяется как отклонение фазы выше полосы 10 Гц;
дрейфом фазы является ее отклонение на частотах ниже 10 Гц. Использование значения 10 Гц как разделительной линии является исторически сложившимся фактом.
Заметим, что и фазовый шум, и дрейф представляют собой изменение фазы, однако они по-разному влияют на сеть. Чрезмерный шум приводит к ошибкам в битах и к потере пакетов данных. Дрейф не позволяет тактовому генератору следить за опорным тактовым сигналом более высокого уровня. Как упоминалось, тактовые генераторы привязаны к главному опорному тактовому сигналу, а информация о тактовом сигнале передается с помощью сигнала физического уровня.
Стандарты ITU-T описывают процедуру тестирования и ожидаемые требования к тактовым генераторам SyncE. Стандарт G.8262 предлагает две разные полосы: первая (1–10 Гц) по умолчанию используется в синхронизированных сетях в Европе; она оптимизирована под требования к оборудованию в иерархии 2048 Кбит/с. Вторая полоса (0,1 Гц) используется в США ; она оптимизирована под иерархию 1544 Кбит/с.
Необходимо выбрать качественный генератор синхросигнала, удовлетворяющий требованиям SyncE. Речь идет не только об обеспечении точности ±4,6 ppm – имеется еще несколько параметров. Перейдем к их рассмотрению.
Точность на холостом ходу
Точность выходного сигнала генератора, когда на него не поступает опорный сигнал более высокого уровня, должна быть не хуже ±4,6 ppm на протяжении года. Это очень высокая точность по сравнению с классической сетью Ethernet, где обеспечивается ±100 ppm.
Режим Holdover
Тактовый генератор непрерывно рассчитывает среднюю частоту заблокированного опорного сигнала. Если опорный источник дает сбой и нет других доступных опорных тактовых сигналов, генератор переходит в режим Holdover и вырабатывает сигнал, рассчитанный по среднему значению. Стабильность сигнала в режиме Holdover зависит от частотной стабильности резонатора ФАПЧ в главном тактовом генераторе.
Слежение за входом
Генератор синхросигнала должен постоянно следить за качеством входных сигналов. Если они искажены, т. е. наблюдаются разрывы или дрейф частоты, осуществляется бесшовное переключение на другой подходящий вход с очень малым отклонением фазы на выходе.
Измерение фазового шума SyncE
Фазовый шум имеется в каждой системе передачи данных. Некоторые компоненты, например ослабители фазового шума Silicon Labs Si539x/4x, вносят малый фазовый шум. Они надежны, устойчивы к фазовому шуму и полностью удовлетворяют следующим требованиям SyncE.
–– Генерация фазового шума. Генератор не должен выходить за пределы, установленные маской. Маска определяется интерфейсом и скоростью (1G, 10G или 25G). Silicon Labs предлагает аттенюаторы фазового шума, генерирующие фазовый сигнал менее 100 фс в полосе 12 кГц…20 МГц.
–– Нечувствительность к фазовому шуму. Этот тест позволяет проверить стойкость генератора к фазовому шуму на входе. На рисунке 2 показаны результаты испытаний Si5395 на стойкость к фазовому шуму 25G при подаче на вход частотно-модулированного сигнала 25 МГц. Для каждой модулирующей частоты, предусмотренной стандартом, отклонение наблюдается только до момента, когда включается сигнал сбоя. Видно, что генератор Si539x превосходит требования по стойкости к фазовому шуму.
Рис. 2. Результаты измерения стойкости к фазовому шуму тактового генератора SyncE Si5395. Устройство соответствует требованиям G.8262
Дрейф частоты SyncE
Каждый тактовый генератор нижнего уровня привязан к частоте PRC, поскольку тактовый сигнал восстанавливается из входящего сигнала физического уровня SyncE. Однако в процессе восстановления и регенерации опорного тактового сигнала может произойти отклонение частоты. Для предотвращения этого эффекта сигнал проходит фильтрацию в ФАПЧ. Полоса пропускания ФАПЧ не превышает 10 Гц. В стандартах всегда указывается дрейф, который может быть пропущен ФАПЧ, и отклонение, вносимое самой ФАПЧ в отсутствие дрейфа сигнала на входе.
Отклонение частоты измеряется по отношению к внешнему опорному тактовому генератору, который напрямую соединен с главным тактовым генератором. Основной единицей измерения является ошибка временного интервала TIE, на основе которой вычисляются следующие параметры.
–– Максимальная ошибка временного интервала MTIE (maximum time interval error). Она представляет собой размах TIE. Максимальная ошибка временного интервала равномерно возрастает с увеличением времени наблюдения. Это долгосрочный показатель стабильности, нечувствительный к ВЧ-шуму.
–– Временной дрейф TDE V (time deviation), по сути, представляет собой спектральный анализ зависимости TIE от интервала наблюдения τ. Он рассчитывается путем вычисления среднего значения TIE после фильтрации полосы пропускания. Это значение обратно пропорционально интервалу наблюдения. Для получения точного значения TDEV измерения проводятся в течение времени, по крайней мере, в 12 раз превышающего максимальный требуемый интервал наблюдения. В большинстве контрольных процедур в SyncE требуется измерение дрейфа и отклонений. При этом результаты измерений в большой мере зависят от качества сигнала резервного опорного тактового кварцевого генератора (TCXO/OCXO). Рассмотрим эти процедуры подробнее.
Вносимый дрейф
Внутренний дрейф тактового генератора можно измерить, когда на входе сигнал без дрейфа. С помощью масок MTIE и TDEV установлены строгие пределы на величину дрейфа, который может вносить генератор в SyncE. На рисунке 3 показаны маски MTIE и TDEV, а также результаты измерения для аттенюатора фазового шума Silicon Labs Si5395.
Рис. 3. Маски MTIE, TDEV (пунктиром) и результаты измерений аттенюатора фазового шума Si5395 от Silicon Labs
Допустимый дрейф
На вход генератора подается сигнал с дрейфом для проверки работоспособности генератора при неблагоприятных условиях. Задачей проверки является нахождение максимального значения дрейфа, при котором устройство не регистрирует сбой. Маски MTIE и TDEV позволяют установить пределы отклонений на выходе при известном отклонении на входе.
Передача дрейфа
Этот параметр характеризует количество дрейфа, которое проходит через генератор на выход и не отфильтровывается ФАПЧ.
Перескок фазы
Перескоки фазы возникают, когда входной опорный сигнал теряется и ФАПЧ переключается на другой опорный источник или в режим holdover, если резервный генератор недоступен. Стандартом установлены ограничения на перескоки.
Выводы
На начальной стадии проектирования следует определить требования, предъявляемые к системе, чтобы выбрать метод синхронизации. Стандарт SyncE имеет преимущества по сравнению с Ethernet, поскольку обеспечивает централизованную синхронизацию узлов. Синхросигнал передается на физическом уровне, обеспечивая высокую точность (порядка ppb) во всей сети. Его можно использовать для создания проводных и гибридных сетей с синхронизацией частот, которая необходима для приложений реального времени.
Заметим, что сеть SyncE обеспечивает только синхронизацию частот, но не может передавать информацию о времени суток.
Синхронный Ethernet , также называемый SyncE , является стандартом ITU-T для компьютерных сетей, который упрощает передачу тактовых сигналов через физический уровень Ethernet . Затем этот сигнал можно отследить до внешних часов.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
Целью синхронного Ethernet является предоставление сигнала синхронизации тем сетевым ресурсам, которым в конечном итоге может потребоваться такой тип сигнала. Сигнал синхронного Ethernet, передаваемый через физический уровень Ethernet, должен отслеживаться по внешним часам, в идеале - ведущим и уникальным часам для всей сети. Приложения включают сотовые сети , технологии доступа, такие как пассивная оптическая сеть Ethernet , и такие приложения, как IPTV или VoIP .
SyncE был стандартизирован ITU-T в сотрудничестве с IEEE в виде трех рекомендаций:
Архитектура SyncE минимально требует замены внутренних часов карты Ethernet на контур фазовой автоподстройки частоты , чтобы питать Ethernet PHY .
Архитектура
Расширение сети синхронизации для рассмотрения Ethernet как строительного блока (ITU-T G.8261). Это позволяет подключать сетевое оборудование синхронного Ethernet к той же сети синхронизации, что и синхронная цифровая иерархия (SDH). Синхронизация для SDH может передаваться через Ethernet и наоборот.
ITU-T G.8262 определяет тактовые частоты синхронного Ethernet, совместимые с тактовыми сигналами SDH. Синхронные часы Ethernet, основанные на тактовых сигналах ITU-T G.813, определяются с точки зрения точности, передачи шума, характеристик удержания, устойчивости к шуму и генерации шума. Эти часы называются тактовыми сигналами ведомого оборудования Ethernet. В то время как стандарт IEEE 802.3 определяет, что тактовая частота Ethernet находится в пределах ± 100 ppm, точность EEC должна быть в пределах ± 4,6 ppm. Кроме того, синхронизируя тактовый сигнал Ethernet, можно достичь прослеживаемости первичного опорного тактового сигнала (PRC) на интерфейсах.
G.8262 / Y.1362 - это рекомендация ITU-T для синхронного Ethernet, которая определяет «временные характеристики ведомых часов оборудования синхронного Ethernet (EEC)». Впервые он был опубликован в августе 2007 года, с поправками в 2008 и 2010 годах, и опубликована новая версия. в 2010.
Протокол ESMC состоит из стандартного заголовка Ethernet для медленного протокола, специального заголовка ITU-T, поля флага и структуры значения длины типа (TLV). SSM, закодированный в TLV, представляет собой четырехбитовое поле, значение которого описано в ITU-T G.781.
Архитектуры синхронизации
Общее требование для SyncE состояло в том, что любой сетевой элемент (NE) должен иметь по крайней мере два эталонных тактовых генератора, и, кроме того, интерфейсы Ethernet должны иметь возможность генерировать собственный сигнал синхронизации в случае потери внешнего эталона. В таком случае говорят, что узел Ethernet (EN) находится в режиме ожидания. Синхронный сигнал должен фильтроваться и регенерироваться петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в узлах Ethernet, поскольку он ухудшается при прохождении через сеть.
Сетевые топологии
Сети синхронизации и транспортировки частично смешаны, поскольку некоторые NE передают данные и распределяют тактовые сигналы другим NE. Наиболее распространенные топологии:
- Дерево : это базовая топология, основанная на главных часах, ссылка на которые распределяется между остальными ведомыми часами. У него есть два слабых места: он зависит только от одного тактового сигнала, и сигналы постепенно ухудшаются.
- Кольцо : По сути, это древовидная топология, в которой для распространения сигнала синхронизации используются кольцевые конфигурации. Кольцевая топология предлагает способ сделать дерево безопасным, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать образования синхронизирующих петель.
- Сетка : в этой топологии узлы образуют взаимосвязи друг с другом, чтобы иметь избыточность в случае сбоя. Однако петли синхронизации возникают легко, и их следует избегать.
Сети SyncE обычно имеют не одну топологию, а их комбинацию. Дублирование и безопасность с участием более чем одного тактового генератора, а также наличие какого-либо протокола управления синхронизацией являются важными особенностями современных сетей. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму проблемы, связанные с транспортировкой сигнала, и избежать зависимости только от одного тактового сигнала в случае отказа. В результате мы получаем чрезвычайно точную, резервную и надежную сеть синхронизации.
Взаимосвязь узлов
Есть два основных способа распределить синхронизацию:
- Интранод , который представляет собой высококачественные ведомые часы, известные как блок питания синхронизации (SSU). Они отвечают за распределение синхронизации между сетевыми элементами, расположенными внутри узла.
- Междоузлие , где сигнал синхронизации отправляется другому узлу по ссылке, специально выделенной для этой цели, или с помощью сигнала PHY.
Для передачи синхронного сигнала можно использовать несколько типов сетей, и их действительно можно комбинировать. Некоторые из этих сетей - это T1 / E1, SONET / SDH и любая скорость, а также SyncE. Однако устаревший Ethernet не подходит для передачи сигналов синхронизации. Это важно, потому что, если сигнал пересекает устаревший остров Ethernet, синхронизация теряется.
Сигналы синхронизации
Есть много сигналов, подходящих для передачи синхронизации:
- Аналог, 1,544 и 2,048 МГц
- Цифровой, 1,544 и 2,048 Мбит / с
- Сигнал SyncE с любой скоростью передачи данных
- Линейные коды STM-n / OC-m
Модели синхронизации
В SyncE есть несколько способов синхронизации узлов:
- Внешняя синхронизация : EEC получает сигнал от автономного синхронизирующего оборудования (SASE). Это типичный способ синхронизации, и сетевой элемент обычно также имеет дополнительный опорный сигнал для аварийных ситуаций.
- Линейная синхронизация : NE получает свои часы, выводя их из одного из входных сигналов.
- Сквозная синхронизация : где выходы Tx одного интерфейса синхронизируются с входами Rx противоположного интерфейса.
- Внутренняя синхронизация : в этом режиме внутренние часы EEC используются для синхронизации выходов. Это может быть этап временного удержания после потери сигнала синхронизации, или это может быть простая конфигурация линии, при которой другие часы недоступны.
Петли времени
Цикл синхронизации находится в состоянии плохой синхронизации, когда тактовый сигнал замкнулся сам, но нет ни главного, ни подчиненного тактового генератора, который автономно генерировал бы неполный тактовый сигнал. Эта ситуация может быть вызвана отказом, влияющим на сетевой элемент таким образом, что он остался без опорных часов, и поэтому он выбрал альтернативную синхронизацию: сигнал, который оказался тем же сигналом, возвращающимся другим маршрутом. . Цикл синхронизации - это совершенно нестабильная ситуация, которая может спровоцировать немедленный коллапс части сети внутри цикла.
Изначально технология Ethernet разрабатывалась исключительно для использования в локальных сетях. Методы линейного кодирования информации на физическом уровне выбирались в соответствии с задачами, которые не предполагали передавать синхросигнал. В сетях SDH изначально использовались линейные коды NRZ, которые приспособлены для передачи синхронизации на физическом уровне канала связи. При создании технологии Sync Ethernet физический уровень и методы кодирования были заимствованы у технологии SDH, а второго (канального) уровня изменения практически не коснулись. Структура кадров осталась неизменной, за исключением SSM-байта статуса синхронизации. Его значения также были заимствованы в технологии SDH.
Принцип передачи синхронизации по протоколу Sync Ethernet
К преимуществам технологии Sync Ethernet можно отнести использование SDH-структуры физического уровня, а вместе с этим - огромный и бесценный опыт проектирования и построения сетей тактовой сетевой синхронизации. Идентичность методов сохранила актуальность старых рекомендаций G.803, G.804, G.811, G.812 и G.813 в новой технологии. Дорогие устройства - первичные эталонные генераторы (ПЭГ), вторичные задающие генераторы (ВЗГ) - могут быть задействованы также и в новой транспортной сети, построенной на стандарте Sync Ethernet.
Типовая схема синхронизации с использованием технологии Sync Ethernet
К недостаткам можно отнести то, что во всей сети передачи каждое устройство должно поддерживать новый стандарт, и, если в линии остается устройство, которое не поддерживает Sync Ethernet, то все устройства, которые стоят за этим узлом, не могут работать в синхронном режиме. Следовательно, требуются большие материальные затраты на модернизацию всей сети. Так же к недостаткам следует отнести, что данный метод поддерживает передачу только частотной синхронизации.
Использование протокола PTP (IEEE1588v2)
И последний способ передачи синхронизации, который в последнее время становится все более популярным, - это протокол Precise Time Protocol (PTP). Он описан в рекомендации IEEE 1588. В 2008 году вышла вторая версия этого документа, которая описывает использование протокола в телекоммуникационных сетях. Precise Time Protocol достаточно молодой, но сама технология передачи времени была заимствована у протокола Network Time Portocol (NTP). Протокол NTP в своей последней версии не дает точность, которая необходима для современных приложений, и поэтому он остался хорошим средством для временной синхронизации, которое широко используется в синхронизации серверов, распределенных баз данных и т.д. Но в построении сети тактовой сетевой синхронизации подходит логическое продолжение протокола NTP - это протокол PTP. Сетевыми элементами, которые участвуют во взаимодействии по протоколу PTP, являются следующие устройства: PTP Grand Master и PTP Slave. Обычно Grand Master берет синхронизацию от GNSS приемника и, используя эту информацию, обменивается пакетами с Slave устройством и постоянно корректирует временные расхождения между Grand Master и Slave устройствами. Чем активнее будет этот обмен, тем точность корректировки будет выше. Минусом такого активного обмена является увеличение полосы пропускания, которая выделяется для протокола PTP. Самой главной проблемой в расчете расхождения временных интервалов является то, что между устройствами Grand Master и Slave могут стоять "классические" маршрутизаторы 3 уровня. Термин "классические" в данном случае употреблен для того, чтобы подчеркнуть, что данные устройства ничего не понимают в протоколе PTP 5 уровня.
Задержками в буферах таких маршрутизаторов управлять достаточно сложно, и они носят случайный характер. Для того чтобы осуществлять контроль над этими случайными ошибками, а также чтобы расчет расхождения времени между Grand Master и Slave был точнее, в протоколе PTP был введен специальный параметр - метка времени (Time Stamp). Эта метка указывает на время прохождения пакета через маршрутизатор. Если на всем пути от Grand Master до Slave маршрутизаторы будут обладать функциональностью PTP и выставлять метку времени, то случайную ошибку, связанную с прохождением пакетов PTP через IP сеть, можно будет свести к минимуму.
Пример построения сети синхронизации на протоколе PTP
Сравнение методов передачи синхронизации в пакетных сетях нового поколения
Функциональность PTP на маршрутизаторах не является обязательной, но очень рекомендуется при использовании протокола PTP. Следует отметить, что большинство производителей маршрутизаторов включают эту функциональность в свои устройства. Пример построения схемы синхронизации для мобильного оператора представлен на рисунке ниже. Преимуществом PTP является то, что протокол ориентирован для передачи всех трех видов синхронизации: частотной, фазовой и временной. Основной недостаток протокола - это зависимость от нагрузки. При перегрузках на IP сети, которыми сложно управлять, очень сложно гарантировать строгое выполнение норм передачи синхронизации по сети.
| Технология | Преимущества | Недостатки |
| GNSS | Предоставление частотной, фазовой и временной синхронизации. Не зависит от нагрузки сети. | Обязательная установка антенны. Невозможность использования в закрытых помещениях. Возможные помехи от других радиоустройств. Резервирование предоставляется только установкой второго приемника GNSS |
| Sync Ethernet | Не зависит от нагрузки сети. Схожесть с сетью SDH | Предоставляет только частотную синхронизацию. Необходима поддержка Sync Ethernet всеми элементами сети |
| PTP | Предоставление частотной, фазовой и временной синхронизации. | Зависит от загрузки сети. |
Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, которые приведены в таблице. Чтобы определить правильный подход, рекомендуется учитывать много критериев, которые специфичны для различных сетей.
Читайте также: