Архитектура и тестирование систем сетевой синхронизации

Тактовая сетевая синхронизация (ТСС) – процесс распределения сигналов единого времени, а также эталонной частоты посредством сети связи. ТСС обеспечивает временную/частотную синхронизацию оборудования в сети.

К каким последствиям может привести плохая синхронизация?

Если имеются сложности сетевой синхронизации, то необходимо проработать вопрос правильного подключения конечного оборудования, так как без качественной синхронизации не будут стабильно функционировать цифровые сети связи, одночастотные сети цифрового TV, автоматизированные системы работы электроподстанций. Без неё не будут работать и другие системы, которые требуют синхронизации. Из-за неточной синхронизации возрастает количество ошибок передачи данных. Также возрастают случаи с потерей данных, из-за чего значительно ухудшается качество обслуживания пользователей. В отдельных случаях это приводит к тому, что сетевые услуги перестают быть доступными.

Также из-за плохой синхронизации базовых станций сетей сотовой связи появляются радиопомехи, а радиочастотный спектр используется неэффективно. По этой причине настройка сетевой синхронизации, а также реализация точной синхронизации – крайне важный процесс.

Стандартизация ТСС

Международным Союзом Электрической Связи было разработано множество рекомендаций по синхронизации сетей OTN, TDM и пакетных сетей. Данными рекомендациями определяются основные понятия в сфере синхронизационных сетей:

архитектура данных сетей;
принципы их работы;
функциональные модели;
PTP;
требования, выдвигаемые к оборудованию для проведения тестов, при помощи которого производится тестирование сетевой синхронизации;
свойства синхронизационных устройств.

Протокол PTP изначально определялся стандартом IEEE 1588-2002. Но, спустя 6 лет, стандарт был отредактирован и перевыпущен. Так появилась версия IEEE 1588-2008. Особенность данной версии заключается в повышении точности, а также устойчивости функционирования протокола. При этом новая версия является несовместимой с оригиналом, который был опубликован в 2002 году.

Для чего нужна синхронизация?

В основе построения синхронизационной системы лежит радиально-узловая модель распределения синхронизационных сигналов. С учётом этой модели, система делится на межузловую и внутриузловую. Первая обладает древовидной топологией, а также многоуровневой иерархической структурой. Главным узлом сети является ПЭГ (первичный эталонный генератор). На нём расположен источник синхронизационных сигналов самого высокого уровня иерархии. Этот узел является ведущим генератором сети и выполняет его функции. Сигнал первичного эталонного генератора с учётом принципа «ведущий-ведомый» посредством синхронизационных цепей доставляется к каждому элементу сети. При стандартных условиях сети сигнал ПЭГ выступает в качестве основного опорного сигнала, который синхронизирует каждый элемент в сети.

Если трасса повреждается, то изолированная часть синхронизационной цепи получает опорный сигнал от первого ВЗГ, который функционирует на удержание. Таким образом изменяется конфигурация синхронизационной системы.

В существующих транспортных сетях с синхронной цифровой иерархией (СЦИ) синхронизационная система реконфигурируется в автоматическом режиме с учётом приоритетных таблиц, а также сообщений о статусе синхронизации. Синхронизационная цепь – это ведомые генераторы и трассы синхронизации, расположенные в определенной последовательности. В межузловой синхронизационной системе могут содержаться десятки или даже сотни синхронизационных цепей. В больших синхронизационных сетях используются длинные цепи, которые содержат ведомые генераторы в большом количестве. В момент прохождения синхронизационного сигнала через такие цепи в нём накапливаются дрейф фазы и фазовое дрожание. Из-за этого на структуру синхронизационной цепи могут накладываться некоторые ограничения. Таким образом, в эталонной синхронизационной цепи может содержаться до 60 ГСЭ. Между двумя ВЗГ не должно быть более 20 ГСЭ. Максимально допустимый предел ВЗГ в синхронизационной сети – от одного ПЭГ до десяти.

Создание синхронизационной сети осуществляется так, чтобы она бесперебойно функционировала даже в аварийных условиях. Эти условия могут связываться с повреждением трасс или же с отказами синхронизационных источников. Для бесперебойной работы применяется система синхронизационной защиты на сетевом и аппаратном уровне. Система способствует автоматическому восстановлению функционирования сети при возникновении аварийных ситуаций.

Защита синхронизационной системы на аппаратном уровне обеспечивается резервированием оборудования источников синхронизационных сигналов. Если говорить о первичном эталонном генераторе, то в нём применяется 2-3 ПЭИ с наличием взаимной синхронизации. При этом зачастую происходит дублирование оборудования ГСЭ и ВЗГ. Защита синхронизационной системы на сетевом уровне достигается использованием двух путей передачи синхронизационных сигналов – основного и резервного. При этом каждый сетевой элемент имеет альтернативные источники синхронизации. В нормальном состоянии сигнал первичного эталонного генератора – это основной опорный сигнал, который синхронизирует каждый сетевой элемент. Если трасса синхронизации повреждается – изолированная часть синхронизационной сети получает сигнал от первого ВЗГ, который функционирует на удержании. Таким образом, синхронизационная система проходит процесс реконфигурации, зачастую в автоматическом режиме.

Существует ли альтернатива ТСС?

Альтернативный способ передачи сигналов СС связи заключается в оснащении устройств, нуждающихся в синхронизации, спутниковым приёмником GNSS. Также это может быть ПЭИ, который создаётся и функционирует на базе спутникового приёмника GNSS. Данная программа синхронизации имеет неоспоримое преимущество, которое заключается в том, что приёмник GNSS выдаёт синхронизационные сигналы с высокой точностью, соответствующей строжайшим требованиям частотной, а также фазово-временной синхронизации.

Чтобы обеспечить фазовую синхронизацию с точностью +/- 100 нс используются системы BeiDou, Galileo, GPS, а также ГЛОНАСС. Тем не менее, реализовать данный метод непросто. Для этого требуется гарантия постоянной прямой видимости двух и более навигационных спутников, которые должны быть в поле видимости антенн всех применяющихся приемников GNSS. Создать подобные условия не всегда представляется возможным. Сигналы GNSS могут подавляться за счёт преднамеренных и непреднамеренных помех. Эти помехи возникают по причине плохих погодных условий, а также отражения сигналов GNSS от высотных сооружений. Также среди особенности подобного решения нужно выделить высокую цену монтажа, а также обслуживание большого количества приемников GNSS. В виду этих особенностей система сетевой синхронизации становится только более актуальной и востребованной.

Пакетные сети – определение качества синхронизации

Чтобы оперативно выявить проблемы с СС, необходим постоянный контроль параметров качества синхронизации. Для реализации подобного контроля в определённые модели устройств PTP встраиваются дополнительные функции (ptp probe). В рекомендациях Международного Союза Электросвязи G.8273 предусматриваются два вида синхронизационных ptp probe:

Пассивный. Предназначен для контроля качества синхронизации. Ptp probe используется для получения трафика PTP, который снимается с сетевой линии (используется ответвитель). Может использоваться и другой вариант контроля, при котором применяется сигнал 1PPS. И в первом, и во втором случае, пассивный ptp probe является «сторонним наблюдателем» за функционированием синхронизационной системы.
Активный. Принимает участие в обменном процессе пакетами PTP. Активный ptp probe измеряет параметры качества синхронизации, передаёт и принимает данные пакеты.

Чтобы обеспечить гибкость установки для сетевых инфраструктур, рекомендуется использовать встроенные ptp probe, которые поддерживают работу в обоих режимах.

Проведение лабораторных тестов PTP-оборудования

Изначально рассмотрим, как проводятся тесты вторичных часов для частотной синхронизации. Способы проведения тестов вторичных часов при условии использования PTP-протокола для частотной синхронизации указаны в рекомендациях Международного Союза Электросвязи G.8261 (Дополнение 6). Эта рекомендация определяет топологии испытательных стендов, а также тестовые примеры (17 вариантов проведения тестов), которые моделируют сетевое «поведение».

Исходя из рекомендаций Международного Союза Электросвязи, сеть с коммутацией пакетов, посредством которой передаются PTP-пакеты между ведущими и ведомыми часами в составе испытательного стенда – это «цепочка», которая состоит из десяти коммутаторов GE и двумя генераторами фонового трафика (прямой и обратный каналы). Чтобы выстроить модельную сеть из 10 коммутаторов потребуются большие денежные затраты, а также затраты по времени. Также данная модельная сеть имеет параметры, которые нельзя воспроизвести в разных реализациях. Хорошее решение – применение специального синхронизационного тестера, который имитирует эти 10 коммутаторов. Хорошее дополнение к тестам, которые указываются в рекомендации – обеспечение проверки ведомых PTP-часов при реальных условиях. Чтобы реализовать это, применяется синхронизационный тестер, при помощи которого можно выполнить измерение характеристики PDV в данной сети.

Чтобы обеспечить нормальную работу определённых RAN-технологий, необходимо создание высокоточной фазовой синхронизации базовых станций как дополнение к их частотной синхронизации. При этом многие современные сети Ethernet/IP обладают слишком большими PDV, а также асимметрией задержки пакетной передачи, чтобы реализовать высокоточную фазовую синхронизацию с учётом PPP-протокола. Для обеспечения высокой точности фазовой синхронизации PPP рекомендуется использование граничных часов в сети, что предусматривает рекомендация МСЭ G.8275.1.

Рекомендация G8273.2 предусматривает нормы показателей генерации, а также передачи временной ошибки. Также в рекомендации указываются показатели устойчивости к временным ошибкам. Каждый из этих параметров нуждается в проведении тестов, что позволит определить соответствие указанной рекомендации. В ходе тестов рекомендуется применять специальный прибор, как альтернативу целому стенду с наличием тестового оборудования. Благодаря такому прибору значительно упрощаются испытания, повышается точность и воспроизводимость результатов измерений.