Методы организации и проведения испытаний внешней синхронизации в пакетных сетях мобильного радиодоступа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Методы организации и проведения испытаний внешней синхронизации в пакетных сетях мобильного радиодоступа

Мамзелев С.И., MTyCM

В настоящее время в сетях связи происходит переход от технологий коммутации каналов к технологиям коммутации пакетов, что объясняется меньшей стоимостью, более высокой эффективностью использования пропускной способности линий связи, простотой развертывания и обслуживания. В сетях городского/локального масштаба наибольшее распространение получает технология IP/Ethernet. В сетях сотовой подвижной связи и сетях абонентского радиодоступа для соединения подсистемы базовых станций с подсистемой коммутации вместо линий ПЦИ также начинает применяться IP/Ethernet.

Транспортная среда с коммутацией пакетов разрушает синхронизацию БС, которая обеспечивалась по линиям ПЦИ и СЦИ. Вместо этого используется спутниковая синхронизация БС от систем ГЛОНАСС/GPS, требующая установки внешних антенн на открытой местности. Однако применение синхронизации ГЛОНАСС/GPS не всегда возможно, в частности, пико- и фемто-соты развертываются в условиях плотной застройки или внутри помещений, где прием спутниковых сигналов невозможен. Особенно остро этот вопрос встает при развертывании сетей мобильной связи нового поколения технологий UMTS и WiMax.

Для решения этой задачи требуется обеспечение синхронизации по сетям IP/Ethernet. Центральными вопросами являются:

— Возможно ли использовать IP/Ethernet для распределения опорных сигналов синхронизации?

— Возможно ли существенно повысить точность тактовой частоты, которая для традиционного Ethernet не превышает 100 -10-6?

Приёмник ГПОНАСС / GPS

Сеть радиодоступа

BITS/SSU .

*

мм

— Какого уровня должна достигать точность тактовой частоты, чтобы обеспечивать с помощью IP/Ethernet поддержку синхронизации БС WiMax и UMTS?

Базовая технология IP/Ethernet (без применения специализированных протоколов) в силу особенностей архитектуры не может использоваться как источник внешней синхронизации ввиду низкой точности. Широко обсуждается возможность применения традиционного протокола NTP (Network-Time Protocol, [3]) для обеспечения синхронизации по сетям IP/Ethernet. Однако протокол NTP не обеспечивает точности синхронизации, требуемой оборудованием WiMax (требуемая точность тактовой частоты 8'10"6) и UMTS (требуемая точность тактовой частоты 5'10"8), в первую очередь вследствие того, что является протоколом прикладного уровня

Наиболее перспективным представляется применение для этих целей протокола PTP, специфицированного стандартом IEEE 1588 [1], первоначально разработанного для синхронизации промышленных роботов на производственных предприятиях и автоматизации распределенных измерений. Схема сети, поддерживающей синхронизацию по протоколу PTP, приведена на рис. 1.

Стандарт IEEE 1588 "Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems", или для краткости "PTP", определяет процедуру, позволяющую нескольким пространственно-распределенным часам реального времени синхронизироваться через пакетные сети. Технология, заложенная в стандарт, была первоначально разработана фирмой Agilent и использовалась для распределенных измерений и контроля. Задача состояла в том, чтобы синхронизовать по времени сетевые измерительные устройства так, чтобы они могли записывать измеряемые значения с точным системным штампом времени. На

ETHERNET

NODE В

РТР Slave

Рис. 1. &ема сети, поддерживающей синхронизацию по протоколу PTP

136

О^вы^ск T-Comm, август 2009

основе этого штампа времени измеренные значения впоследствии могли быть соотнесены друг с другом.

В Ethernet сетях непредсказуемые коллизии в процедуре CSMA/CD могут быть причиной того, что доставка пакета будет задержана или пакет полностью исчезнет. По этой причине IEEE 1588 определяет специальную процедуру "синхронизации часов".

Сначала один узел (мастер времени) передает сообщение "Sync", которое содержит предполагаемое время передачи. Точное время передачи определяется по часам и передается в следующем сообщении "Follow Up". На основании первого и второго сообщения и своих собственных часов получатель может вычислить разницу во времени между своими часами и moster-часами. Для достижения наилучшего результата штамп времени должен генерироваться аппаратно, или как можно ближе к аппаратному уровню.

Время передачи сообщений определяется циклически в следующем процессе передачи между подчиненным и мастером (сообщение "Delay"). Подчиненный узел может затем скорректировать свои часы и адаптироваться к текущим задержкам.

PTP-сети конфигурируют и сегментируют себя автоматически. Для этого, каждый узел использует алгоритм "лучшего мастера времени" ("best master clock" — BMC) для определения лучших часов в сегменте. Все PTP-часы сохраняют свои характеристики в специальном наборе данных. Эти характеристики передаются другим узлам в сообщении "Sync". На основе этого другие узлы могут синхронизировать свои наборы данных с характеристиками действующего мастера и соответственно подстроить свои часы. Благодаря циклическому выполнению алгоритма BMC, узлы могут подключаться и удаляться во время работы (горячее подключение).

В протоколе не делается различий между программными и аппаратными часами. Однако, для того чтобы работать с синхронностью в наносекундном диапазоне, требуется аппаратная поддержка. Обычно ошибки синхронизации, вызываемые программными флюктуациями, не могут быть устранены. В чисто программном решении (например, в ОС Windows) реальная ошибка лежит в миллисекундном диапазоне.

Две основные проблемы сетевой синхронизации состоят в стабильности опорного генератора и задержки передачи. Вне зависимости от используемого протокола, нестабильность частоты опорного генератора может быть компенсирована путем замены опорного генератора на более высокостабильный или путем получения сигнала синхронизации от более стабильного внешнего источника (ГЛОНАСС/GPS и т.п.). Проблема задержки передачи более комплексна, и состоит из двух составляющих: задержка, вызванная обработкой пакетов операционной системой, и сетевая задержка, вносимая маршрутизаторами, коммутаторами и прочими сетевыми устройствами.

Для компенсации эффекта задержки передачи в сети PTP применяются модули маркировки временным штампом TSU (time-stamping units) и специализированный алгоритм обмена временными метками между master-часами и slave-часами. Модуль TSU, размещаемый между уровнями MAC и PHY, считывает входящий и исходящий трафик и выдает временную метку при обнаружении заголовка FTP-пакета, точно отмечая поступление или отправку PTP-пакета (рис. 2)

Процессор Ethernet . _ Ethernet

MAC PHY

"© ’ Sync Tz

Delay ~ч—* — ©"

’*© Delay response

Sync T1

Sync

Master Сеть Slave

Рис. 3. Схема синхронизации master- и slave-часов

О

Time Stamping Unit (TSUI

Рис. 2. Алгоритм работы модулей TSU

Для оценки и компенсации задержки операционной системы, master-часы периодически посылают сообщение "Sync" с показаниями своих системных часов slave-часам. TSU отмечает точное время отправки Sync-сообщения и сразу же отправляет сообщение Follow_Up с указанием этого времени. Slave-часы определяют время прибытия сообщения Sync, сравнивают время прибытия с временем отправки, указанным в сообщении Follow_Up, и вычисляют задержку, вносимую операционной системой, корректируя соответственно свои показания. Задержка передачи компенсируется путем измерения общей задержки прохождения пакета по сети между master-часами и slave-часами. Slave-часы периодически посылают сообщение запроса о задержке Delay_Req master-часам, которые в ответ отправляют сообщение Delay_Resp. Поскольку оба сообщения содержат штамп точного времени, slave-часы могут комбинировать эти данные со значениями, содержащимися в сообщениях Sync и Follow_Up для компенсации задержки передачи (рис. 3). Величина поправки для корректировки slave-часов рассчитывается по следующей формуле: 0.5 (T1 - T2 - T3 + T4).

Базовыми документами при проведении испытаний оборудования радиодоступа при работе в составе действующей сети мобильной связи могут являться [4] и [5]. Основным функциональным тестом является проверка хэндовера при переходе абонентского терминала между зонами обслуживания базовых станций.

Литература

1. IEEE 1588 International Standard: Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems, 2004.

2. Давьщкин П.Н., Колтунов М.Н. Рыжков А.В. Тактовая сетевая синхронизация. Под ред. М.Н. Колтунова. — М.: ЭКО-ТРЕНЗ, 2004.

3. RFC 4330: Simple Network Time Protocol (SNTP) Version 4 for IPv4, IPv6 and OSI, 2006.

4. Радиооборудование приема-передачи данных. Типовая программа и методика проведения испытаний, утвержденная Минсвязи России 30.12.2002 г.

5. Правила применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц, утвержденные Приказом Мининформсвязи России № 19 от13.02.2007 г.

Спецвыпуск T-Comm, август 2009 137