Синхронизация сетей связи с синхронными и асинхронными режимами передачи...

Н.Л. Бирюков, начальник отдела Украинского научно-исследовательского института связи (УНИИС), к.т.н.
Н.Р. Триска, начальник лаборатории УНИИС, к.т.н.

СИНХРОНИЗАЦИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ С СИНХРОННЫМ И АСИНХРОННЫМ РЕЖИМАМИ ПЕРЕДАЧИ: ОПЫТ И ПРОБЛЕМЫ

Введение. Говоря о современных телекоммуникационных сетях, нельзя не упомянуть вопросы синхронизации. Сегодня концепцию синхронизации рассматривают не только как средство обеспечения высокой точности и стабильности сигналов электросвязи или поддержания необходимых временных соотношений протекания процессов во времени, но и как метод исследования объектов природы и, в первую очередь, сетей связи.

Понятие синхронизации довольно многозначно, и в зависимости от конкретного содержания решаемых задач может иметь разные значения. Так, различают тактовую и цикловую синхронизацию, синхронизацию пакетов, средств мультимедиа, радиочастот GSM и др. Обзор этих понятий можно найти в [1, 2]. Несмотря на разнообразие приложений, все задачи синхронизации объединены общей идеей, заключающейся в установлении и поддержании необходимых временных соотношений протекания процессов во времени.

Статья посвящена вопросам взаимодействия фрагментов сетей с различными режимами передачи - синхронным и асинхронным. Рассмотрение ведется с точки зрения соответствия нормам по стабильности сигналов, непосредственно связанным с сетевой синхронизацией.

Режимы передачи и основные сценарии их взаимодействия. История развития сетей синхронизации тесно связана с развитием технологий передачи информации. Разные технологии постоянно сменяют или дополняют друг друга, влияя на представления о синхронизации процессов передачи информации. Все многообразие современных технологий передачи можно разделить на два больших класса (рис. 1): технологии с синхронным и с асинхронным режимами передачи.

До середины 90-х годов традиционные сети электросвязи использовали, главным образом, синхронный режим передачи - СРП (от англ. термина STM - synchronous transfer mode), который называют также режимом с коммутацией каналов. Это - режим работы традиционного оборудования ИКМ, ПЦИ, СЦИ и цифровых АТС. Для СРП характерны постоянная скорость передачи, циклическая структура сигнала и периодическая поддержка постоянного соединения. Как правило, нагрузка сетей с СРП - сигналы телефонии, звукового вещания и другие сигналы реального времени. Для этих сетей установлены довольно жесткие требования к сетевой синхронизации [3, 4].

Последнее десятилетие отмечено бурным развитием технологий, в основе которых лежит асинхронный режим передачи (АРП), называемый также режимом с коммутацией пакетов. Английский аналог термина АРП - ATM (asynchronous transfer mode) совпадает с названием одноименной технологии, которая представляет только один из асинхронных методов передачи. В режиме АРП информация передается в пакетах фиксированной или переменной длины с соответствующими отметками, периодичность которых во времени необязательна. Характерная нагрузка сетей с АРП (особенно на первых этапах развития) - сигналы данных, т.е. сигналы относительного времени.

В настоящее время все большую популярность приобретает концепция полностью пакетных сетей - NGN (Next Generation Network), направленная на полную смену технологий и формирование нового рынка услуг (включая мобильность абонентов).

В современных телекоммуникационных сетях все чаще возникают ситуации, когда оборудование (или фрагменты сети) с различными режимами передачи - синхронным и асинхронным - должно взаимодействовать между собой. Есть несколько сценариев такого взаимодействия [5, 6] и соответственно разных требований к временным показателям сигналов:

Варианты "сосуществования" сетей с СРП и АРП, т.е. их совместной работы с разделением на физическом (пространственном, электрическом или оптическом) уровне широко применяются в настоящее время и еще долго будут использоваться в дальнейшем. В данной статье они не рассматриваются, так как с точки зрения затрагиваемых вопросов эти варианты сводятся к предыдущим случаям.

В контексте задач синхронизации особый интерес представляют варианты: "АРП через СРП" и "СРП через АРП" как фаза перехода к сетям NGN. Рассмотрим их подробнее.

Вариант «АРП через СРП» имеет место, когда два или более "островов" оборудования с АРП работают по каналам или трактам сети с СРП (ПЦИ, СЦИ). Подобные сценарии широко применялись на ранних этапах развития сетей с АРП. Так, технология ATM делала свои первые шаги в транспортном окружении систем ПЦИ, а затем СЦИ. Взаимодействие сетей с СРП и АРП осуществляется по транспортным стыкам (ТС). Примеры реализации подобного взаимодействия (рис. 2): передача ячеек ATM по трактам СЦИ (Рек. G.707/ Y. 1331), передача трафика IP по трактам СЦИ (Рек. Х.85/ Y.1321) и передача ячеек ATM по трактам ПЦИ(О.804, G.832).

Вариант «СРП через АРП» предполагает, что "острова" оборудования с СРП работают по каналам или трактам сети с АРП (например, ATM или IP), используя их как транспортную систему. В этом случае сеть с АРП работает в режиме эмуляции канала (англ. термин CES - Circuit Emulation Service), т.е. имитирует традиционные услуги с коммутацией каналов при прохождении нагрузки (речь, видео, данные) от систем с СРП через сеть с АРП. Для обеспечения режима эмуляции канала оборудование с АРП должно работать с постоянной скоростью (режим CBR - Constant Bit Rate) или с переменной в реальном времени (режим VBRrt - Variable Bit Rate, real time). Примером данного варианта взаимодействия сетей является 1Р-телефония.

Следует отметить, что в настоящее время сценарий "СРП через АРП" становится все более распространенным. Это связано с тем, что новые технологии с АРП (такие как IP, MPLS и др.) вышли на городской и магистральный уровень, где им часто приходится взаимодействовать с традиционными сетями, обеспечивая эмуляцию режимов сетей с коммутацией каналов - СРП.

Для обозначения процессов преобразования данных на границе сетей с разными режимами передачи используется обобщающий термин - функция взаимодействия (IWF -Interworking Function). Примерами IWF могут служить методы передачи ячеек ATM через оборудование СЦИ и ПЦИ.

Синхронизация сетей с СРП и АРП: современное состояние и проблемы. До последнего времени сети синхронизации строились исключительно на базе традиционных сетей с СРП и прошли в своем развитии несколько этапов [1,2, 6]. Эволюция цифровых методов передачи и развертывание сложных цифровых сетей на основе цифровых систем коммутации (ЦСК) в транспортном окружении систем передачи СЦИ привела к установлению более жестких требований к синхронизации сетевых элементов. В отличие от ЦСП ПЦИ, оборудование СЦИ необходимо подключать к сети синхронизации. В сложных сетях с несколькими переприемами (загрузкой и выгрузкой компонентных потоков) удовлетворить требования к фазовым искажениям (джиттеру - дрожаниям и вандеру -блужданиям фазы) на границе сети можно только при условии точной синхронизации всех элементов сети СЦИ.

Сегодня общепризнанным является тот факт, что технология СЦИ может реализовать все свои преимущества, только опираясь на распределение надежного синхросигнала высшего качества QL1 (в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т G.811). Лучшим средством передачи синхросигналов в сети СЦИ являются групповые оптические сигналы STM-n и, как показывают последние измерения, несущие системы передачи WDM.

Все интерфейсы систем с СРП стандартизированы. При этом различают транспортные интерфейсы (также называемые рабочими интерфейсами или интерфейсами трафика) и специализированные интерфейсы сигналов синхронизации. Транспортные интерфейсы, в зависимости от скорости передачи и типа системы, бывают электрическими (обозначаются буквой Е) и оптическими (аббревиатурой OS - Optical Section).

Интерфейсы синхронизации могут быть двух типов - Е12 (2048 кбит/с) и Т12 (2048 кГц), отличающихся друг от друга структурой сигнала. В нормативных документах МСЭ-Т и соответствующих национальных стандартах нормируются все основные параметры указанных интерфейсов:

Стандартизованные интерфейсы сетей с СРП (ПЦИ, СЦИ) приведены в табл. 1. Наличие строго определенных норм на входные и выходные параметры интерфейсов, в том числе в части допустимых фазовых искажений, позволяют обеспечить стабильную работу сетей с СРП. Конечно, при синхронизации традиционных сетей СЦИ могут возникать (и нередко возникают) определенные проблемы и спорные моменты, но они носят скорее прикладной характер и решаются, исходя из известных, установившихся "правил игры". Гораздо сложнее решать вопросы синхронизации в условиях взаимодействия сетей с различными режимами передачи - СРП и АРП. И сегодня, в условиях стремительного развития пакетных сетей именно эта проблема выходит на передний план.

При взаимодействии традиционных сетей ПЦИ/СЦИ с пакетными сетями по сценарию "АРП через СРП" (рис. 2), популярному еще несколько лет назад, особых проблем не возникало. На том этапе, как правило, речь шла о передаче по сети ПЦИ или СЦИ ячеек ATM. Технология ATM достаточно хорошо стандартизована (табл. 2) и, будучи "переходной" от СРП к NGN как в техническом, так и в идеологическом плане, предусматривает взаимодействие с сетями ПЦИ/СЦИ через стандартные интерфейсы. При этом параметры транспортных интерфейсов и интерфейсов синхронизации такие же, как и у соответствующих интерфейсов систем ПЦИ/СЦИ [7].

Кроме того, встроенное генераторное оборудование систем ATM должно соответствовать уровню качества генераторного оборудования СЦИ, определяемому Рекомендацией МСЭ-Т G.813 [8]. В такой ситуации сценарий "АРП через СРП" обеспечивал необходимую стабильность, поскольку оборудование ATM имеет хорошие показатели стабильности, а у систем с СРП хватает ресурсов для корректной обработки поступающих сигналов с АРП.

В последние годы, с распространением второго сценария взаимодействия сетей - "СРП через АРП" (рис. 3) проблемы взаимодействия (в том числе в части синхронизации) значительно обострились. На рынок вышел целый ряд новых технологий пакетной передачи (различные разновидности Ethernet, MPLS и др.), которые все активнее внедряются операторами на всех участках сети - от местного до магистрального. Как это часто бывает при бурном развитии новых технологий, процесс стандартизации многих систем с АРП заметно отстает от реальных потребностей и задач, возникающих в процессе их внедрения. При работе сети с АРП в режиме эмуляции канала (рис. 3) необходимо обеспечить непрерывность информационного обмена между пользователями независимо от количества промежуточных "островов" СРП и АРП, т.е. эмуляция канала должна осуществляться "незаметно" для сетей с СРП и пользователей.

Первый опыт практической реализации подобных сценариев показал, что при отсутствии четких требований к качеству синхронизации сетей с АРП решить данную задачу очень непросто. Из-за отсутствия единой нормативной базы, стабильность сигнала в режиме "СРП через АРП" может существенно отличаться при использовании оборудования АРП различных производителей [9]. Эту ситуацию иллюстрирует рис. 4.

Черными линиями на нем показаны результаты измерения максимального отклонения временного интервала (МОВИ) на выходных рабочих интерфейсах Е12 (2 Мбит/с) оборудования Ethernet двух различных производителей. Для сравнения цветными линиями показаны нормы на параметр МОВИ для интерфейсов различного класса: внизу располагается шаблон (или "маска"), соответствующий наивысшему качеству сигнала синхронизации QL1 - допустимый вандер на выходе PRC в соответствии с G.811 (Wander PRC out/G.811). Затем следует шаблон для интерфейсов синхронизации систем ПЦИ -допустимый вандер на выходе интерфейса синхронизации ПЦИ в соответствии с G.823 (Wander PDH Synch/G.823), а над ним - шаблон для рабочего интерфейса 2 Мбит/с -допустимый вандер на выходе рабочего интерфейса Е1 (Wander El out/G.823). Из рисунка видно, что для одной из двух рассматриваемых моделей оборудования Ethernet стабильность сигнала 2 Мбит/с не удовлетворяет даже наименее жестким требованиям Рекомендации МСЭ-Т G.823 к рабочим интерфейсам Е12. Вторая аппаратура демонстрирует несколько лучшую стабильность, однако и в этом случае трудно говорить об использовании сигнала с такими параметрами в качестве источника синхронизации.

Ситуация осложняется еще и тем, что нагрузка пакетных сетей носит нестабильный, "взрывной" характер. Поэтому рабочие характеристики (в частности, параметры фазовых искажений) при передаче нагрузки от систем с СРП в режиме эмуляции канала в значительной мере определяются интенсивностью "собственной" нагрузки пакетной сети. Это подтверждают и результаты экспериментальных исследований [9].

По мнению авторов, выход из сложившейся ситуации дает основной принцип транспортной сети, который следует распространять на все технологии, независимо от используемого режима передачи. Этот принцип можно сформулировать следующим образом: независимо от режима передачи, вид, количество и последовательность цифровых сигналов на выходе транспортной сети должны точно соответствовать их виду, количеству и последовательности на входе, включая допуски на временные параметры. Если сеть с АРП используется в качестве транспортной сети (например, для соединения двух "островов" СЦИ), то транспортные стыки такой сети должны соответствовать нормам, принятым для соответствующих стыков сетей с СРП. Для сетей ATM данные условия в той или иной мере выполняются (см. табл. 2), чего пока нельзя сказать о пакетных сетях нового поколения.

Когда необходимость серьезной всесторонней проработки вопросов синхронизации пакетных сетей стала очевидной, эксперты МСЭ-Т в данной области начали работу над новой Рекомендацией под рабочим названием G.pactiming. В начале 2006 г. документ вышел в свет под названием G.8261 "Аспекты синхронизации пакетных сетей" [10]. Эта первая версия носит несколько обзорный характер, и сейчас эксперты продолжают работу над новой редакцией документа, планируя расширить сферу применения Рекомендации и дополнить ее конкретными требованиями к синхронизации различных пакетных сетей.

В процессе работы над текстом Рекомендации G.8261 активно обсуждались вопросы взаимодействия режимов СРП и АРП и необходимость введения соответствующих норм [11]. Такие нормы вошли в документ, но не в полном объеме. Это в определенной мере обусловлено трудностью выполнения строгих требований к фазовым искажениям на практике. В то же время нельзя не отметить общую тенденцию к упорядочению норм на фазовые искажения на границах сетей с СРП и АРП. В последней редакции G.8261 четко говорится о том, что при выходе пакетных технологий на магистральный уровень могут понадобиться более жесткие требования в части синхронизации, чем это было необходимо в других приложениях (например, в сетях доступа).

Для того чтобы выполнить "классические" нормы сетей с СРП и обеспечить "прозрачные" соединения в режиме эмуляции канала, оборудование сетей с АРП должно получать сигнал синхронизации высшего качества QL1 (в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т G.811). Оптимальным вариантом является синхронизация элементов пакетной сети от специального оборудования, установленного на данном узле (например, от устройства синхронизации с приемником GPS). О перспективности такого технического решения говорит тот факт, что многие модели современного оборудования с АРП ведущих фирм-производителей (в частности, компании Cisco) оснащены специальными входами для подключения к общестанционному устройству синхронизации. Если такое подключение невозможно, то оборудование с АРП может быть синхронизировано по транспортному стыку с сетью СРП. В этом случае сигнал синхронизации выделяется из информационного сигнала СЦИ или ПЦИ.

1. Различные технологии передачи постоянно сменяют или дополняют друг друга, влияя на наши представления о синхронизации процессов передачи информации. Сегодня на сетях связи активно взаимодействуют самые разные технологии, которые можно разделить на две больших группы - технологии с синхронным и асинхронным режимом передачи (СРП и АРП).

2. Важным условием стабильной работы сети при взаимодействии фрагментов с различными режимами передачи является наличие строго определенных норм на входные и выходные параметры интерфейсов, в том числе в части допустимых фазовых искажений - джиттера и вандера.

3. В процессе стандартизации пакетных технологий прослеживается тенденция приближения норм на фазовые искажения в пакетных сетях к "классическим" нормам сетей с СРП, по крайней мере, при использовании пакетных сетей в качестве транспортной среды для передачи трафика реального времени, характерного для сетей с СРП (в режиме эмуляции канала).

СИНХРОНИЗАЦИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ С СИНХРОННЫМ И АСИНХРОННЫМ РЕЖИМАМИ ПЕРЕДАЧИ: ОПЫТ И ПРОБЛЕМЫ

О компании

Каталог

Услуги

Свяжитесь с нами: