Перспективные требования к сетевой синхронизации и распределению сигналов точного времени в системе связи РФ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

7 декабря 2011 r. 17:31

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Перспективные требования к сетевой синхронизации и распределению сигналов точного времени в системе связи РФ

Произведена разработка перспективных требований, предъявляемых к сетевой синхронизации и распределению сигналов точного времени в системе связи РФ, в том числе с применением российской спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГПОНАСС.

Мишенков СЛ., Смирнов Н.И., Караваев Ю.А.,

МТУСИ

Введение

Синхронизации в цифровых сетях системы связи РФ должна совершенствоваться в связи с разрабатываемой в настоящее время интегрированной транспортной сети следующего поколения (NGN

— Next Generation Network), объединяющей в единой структуре независимые ранее сети с асинхронным пакетным режимом передачи (АРП, ATM—Asynchronous Transfer Mode — асинхронный реж**м передачи) и сети синхронной цифровой иерархии (СЦИ, SDH — Synchronous Digital Hierarchy — синхронная цифровая иерархия) с синхронным пакетным режимом передачи (СРП). Если первые сети (АРП) могли функционировать при весьма условных требованиях к синхронизации, то вторые (СРП) могут существовать только при жестких требованиях — на уровне первых десяти наносекунд Идея объединения сетей АРП и СРП приводит к необходимости временной упорядоченности асинхронной и синхронной систем на уровне стыков систем при условии самого высокого уровня временной (< 10 не) и чостотной стабильности тактовой синхронизации (<10-12 — 10-13). Системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) и системы единого времени, существовавшие в сетях связи независимо друг от друга, в системе новой глобальной инфраструктуры должны объединиться в единую систему частоты и времени высокой метрологической достоверности.

NGN — концепция перспективной глобальной интегрированной системы связи

В настоящие время активно разрабатывается концепция создания глобальных интегрирующихся в единую сеть систем [1,2] и средств формирующих услуги, а также объединение в единую инфраструктуру систем АРП и СРП в структуре NGN.

Современные темпы развития глобальных сетей характеризуются циклом обновления программного обеспечения один раз в полгеда, аппаратурного парка — один раз в два года, концепций — един раз в пять-шестъ лет и увеличения быстродействия на 22% каждый год

В создании системы NGN заложены следующие концептуальные факторы развития:

— создание глобальных сетей, систем и их инфраструктуры;

—доведение любых услуг требуемого качества до каждого абонента;

— мобильность и оперативность предоставления услуг;

— создание глобальных сетей, систем инфраструктур (Gil, IN, ISBN, В-ISDN, ЕАСС, мультисервисных сетей, ATM, NGN, GII на базе IP и др.);

— любая услуга любому абоненту нужного качества за приемлемую плату.

Концептуальные факторы реализуются технологическими факторами развития такими как: пропускная способность физических сред пропускная способность оптоволокна и темпы его освоения, рост трафика, компьютерные технологии, электроника, микроэлектроника, квантовая/оптическая электроника, биоэлектроника и, как следствие, миниатюризация, уменьшение сроков разработки, массовое применение.

Указанные факторы развития в первую очередь миниатюризация аппаратных средств, повышение удельного веса программного обеспечения влекут за собой интеграцию функций, которые на пути к NGN определяют следующие основнью тенденции развития:

— развитие транспортных сетей и их синхронизации,

— разделение транспортных функций и функций предоставления услуг;

— формирование единой сетевой инфраструктуры, поддерживающей многочисленные приложения, услуги;

— переход от конкуренции между операторами к конкуренции услуг одного оператора.

Основной тенденцией современных транспортных сетей является вытеснение технологий с СРП и переход на пакетную передачу — принцип "все через IP" C'AJI IP").

Эволюция транспортных сетей тесно связана с развитием методов сетевой синхронизации потоков информации. Сети синхронизации появились и развиваются как средство решения конкретных зодач передачи и коммутации. Традиционные задачи синхронизации: сетевая, тактовая и цикловая синхронизация; синхронизация пакетов; синхронизация частот задающих генераторов АСП.

С развитием конвергенции в направлении NGN актуальными в области синхронизации становятся следующие задачи:

— синхронизация пакетных сетей и их стыков с сетями СРП;

— синхронизация сетей мобильной связи 3G и следующих поколений;

— синхронизация мультимедийных приложений;

— передача сигналов точного времени (протоколы NTP РТР);

— анализ состояния цифровых сетей связи.

В технологиях передачи информации сформировались две группы технологий:

— сети СРП - ПЦИ, СЦИ, SONET, NG-SDH, MSC2G и др.; особенности синхронного режима: постоянная скорость передачи, циклическая передача сигнала, соединение каналов;

— сети АРП - ATM, Ethernet, IP (TCP/IP), MPLS, l/P MPLS и др; особенности этого режима: передача пакетов, неориентированные соединения, возможна индексация услуг.

Обе технологии, SDH и ATM, хорошо отработаны и стандартизованы, в том числе и в части синхронизации. Пик развития сетей синхронизации — вторая половина 90-х годов. При этом большую роль играют два следующих фактора: 1) технология SDH может реализовать все свои свойства и преимущества только опираясь на распределение надежного синхросигнала высшего качества QL1 (рек. G.811 — PRC); 2) появление глобальных спутниковых навиго-

T-Comm, #7-2010

77

ционных систем (ГСНС) GPS, ПЛОНАСС и др.

Технология SDH сегодня широко распространена, способствовала отработке основных правил проектирования сетей синхронизации и сохраняет свои позиции до настоящего времени, адаптируясь к новым реалиям (концепция NG-SDH),

Технология ATM оставила базовые принципы и практические наработки: дифференциацию трафика по уровню качества; правила взаимод ействия сетевых элементов; принцип коммутации по меткам. Все это сегсдня реализуется в транспортной технологии многопротокольной коммутации по меткам MPLS, претендующей на роль основной в NGN.

Требования к синхронизации в сети ATM были приближены к уровню сетей SDH. Эго обеспечивает необходимую стабильность при взаимодействии сетей ATM и SDH по сценарию АРП через СРП. При этом обеспечивается передача ячеек (пакетов) ATM через транспортные сети СЦИ и ПЦИ. С распространением сценария взаимодействия СРП — через АРП необходимо приближение норм на качественные показатели пакетных сетей к нормам сетей SDH. Такая позиция отстаивается в проекте Рекомендаций МСЭ-Т G.padiming (рек. G.8261), посвященном синхронизации пакетных сетей.

При этом возникает задача транспортировки и распределения сигналов синхронизации в пакетной среде сети NGN с качеством не хуже, чем в сетях предыдущего поколения. На сегодня предложено два метода решения задачи транспортировки тактовых сигналов: синхронный Ethernet (SyncE) и сетевые протоколы с передачей временных меток (NTP и РТР).

В настоящее время происходит очередной этап интеграции технологий цифровой связи с конвергенцией методов и способов, до настоящего времени развивавшихся независимо — сетей АРП и СРП. Этот этап конвергенции поставил задачу согласования транспортных сетей по направлению от АРП к СРП и, наоборот. На пути к этой прозрачности стоит проблема установления единых подходов в синхронизации в АРП и СРП. В основу сквозной синхронизации выбирается система отработки в СРП и переносится на синхронизацию сетей пакетной передачи АРП. На таком пути будет строиться перспективная глобальная инфраструктура телекоммуникации операторского класса, доступная любому оператору, предоставляющему любые интегрированные услуги связи.

Синхронизация технологических цифровых сетей связи

Рассмотрим особенности системы ICC общенационального значения. Качество сигналов синхронизации Первичные эталонные источники (ПЭИ), входящие в состав первичных эталонных генераторов (ПЭГ) и ведомых задающих генераторов (ВЗГ) обеспечивают относительную погрешность частоты не более 1 -10-12 (при норме

1*10-11) за 12 —15 лет [3J.

При подключении к ПЭГ синхросигналы соответствуют первому классу присоединения, к ВЗГ — второму классу, а к мультиплексорам СЦИ — третьему классу присоединения и согласуются с требованиями "Присоединение сетей операторов связи к базовой сети тактовой сетевой синхронизации" (Мининформсвязи России, Москва, 2001 г.).

Надежность и живучесть слстамТСС Аппаратурная надежность ПЭГ обеспечивается наличием в составе каждого из них "в горячем режиме" трех—двух водородных стандартов частоты и двухсистемного приемника GPS/ГЛОНАСС с управляемым рубидиевым источником частоты. При пропадания всех опорных сигналов аппаратура переходит в режим удержания и обеспечивает выполнение требований Рекомендации МСЭ-Т G.811 (1*10-11) в течение двух —

трех суток в течение которых устраняют неисправности.

Все ВЗГ с учетом основного и резервного синхросигналов имеют трехкратный резерв и могут работать в режиме ПЭГ (режим "распределенного ПЭГ), используя сигналы спутниковых навигационных систем GPS/ГПОНАСС При пропадании всех опорных сита-лов ВЗГ также переходят в режим удержания аналогично указанному выше режиму.

Надежность и живучесть системы ТСС гарантируется следующим: однородностью сети связи; наличием прямых и резервных путей синхронизации; наличием кольцевых структур; резервными сигналами от приемников GPS/ПЛОНАСС; использованием в аварийных ситуациях комбинированных режимов работы системы ТСС.

Распределение сигналов точного времени по цифровым сетям электросвязи

Эффективная передача сигналов точного времени по наземным сетям электросвязи в цифровых сетях связи осуществляется и возможна только при качественных системах ТСС.

Сегсдня в нашей стране функционируют две системы ТСС общенационального значения. Первая — базовая система ТСС, способная обеспечить синхронизацией требуемого качества все цифровые сети связи, взаимодействующие с ЕСЭ России. Решением Госкомис-сии по электросвязи № 11 от 27.09.00 г базовой системой ТСС ЕСЭ России является система ТСС ОАО "Ростелеком" [3]. Вторая система — ТСС ЗАО "Компания ТрансТеле-Ком" обеспечивает синхросигналами все цифровые сети связи ОАО "РЖД" Минтранса России и предоставляет синхросигналы должного качества операторам цифровых сетей ЕСЭ России.

Система ТСС "Ростелеком" включает пять регионов: Центральный, Северо-Западный, Южньм, Сибирский и Дальневосточный. В общей сложности в них установлено шесть ПЭГ фирмы "Osdlloquartz", укомплектованных ПЭИ. Синхросигналы по региону распространяются через системы СЦИ и ПЦИ. Восстановление и поддержание необходимого качества синхросигналов производится с использованием 20 ВЗГ фирм "Osciloquartz" и "Siemens".

Указанные системы ТСС работают независимо, в псевдосинхрон ном режиме, но территориально дополняют друг друга и по существу составляют основу национальной системы ТСС, пока не оформленную юридически. Задача создания единой системы ТСС ЕСЭ России и пути ее реализации были сформулированы в руководящем документе отрасли, где предусмотрен взаимный обмен синхросигналами сетей ТСС ОАО "РЖД" и базовой сети ТСС ЕСЭ России в 12 пунктах от Москвы д о Хабаровска и подключения объед иненной системы ТСС к государственному эталону частоты и времени,

Организация единой национальной системы ТСС позволит существенно повысить надежность и живучесть системы синхронизации ЕСЭ России, гарантировать качества услуг по синхронизации и частотно-временной информации, уменьшить расходы операторов связи, реализовать наземный сегмент государственной системы единого времени.

В ПЭГ ОАО "РЖД' реализована функция, имеющая принципиальное значение для реализации системы единого времени, сличения частот эталонных сигналов со шкалой всемирного координированного времени с использованием приемников ГЛОНАСС/GPS.

В соответствии с Рек. МСЭ-Т G.811 и стандартами ETSI300-462-3 и ETSI 300-462-6 для цифровых сетей электросвязи относительное отклонение частоты синхросигналов от ее номинального значения на выходах ПЭГ за его срок службы не должно прееьшатъ 10-11.

Требования к синхронизации систем мобильной связи GSM/EDGE и UMTS (UTRAN) определены в технических слецифи-

78

T-Comm, #7-2010

кациях организации 3GPP по стандартизации систем 3-его поколения.

Базовые станции GSM используют единственный источник частоты с абсолютной точностью лучше чем 5-10-8 для обоих частотозадающих систем радиочастотной и тактовой. Тот же самый источник должен использоваться для всех несущих частот базовой станции. Для класса пико базовых станций GSM абсолютная точность смягчоется до значения 1 • 10-7.

Требования к синхронизации систем UMTS(UTRAN). Распределение точной опорной частоты на элементы сети в UTRAN с точностью чостоты лучше, чем 5-10-8.

Синхронизации систем UMTS предусматривает возможность синхронизации базовых станций с помощью приемников GPS и Galileo.

Тонное время и его источники. Средства определения и хранения времени многократно совершенствовались, точность измерения секунды за последние 60 лет изменилась с 10-3 до сегодняшних 1015 (цезиевые часы).

Стандартной шкалой времени, используемой в большинстве стран мира, с 1 января 1972 г является Всемирное координированное время (Coordinated Universal Time, 1ГТС). Шкала UTC образуется из шкалы Международного атомного времени (International Atomic Time, TAI) в результате усреднения показаний множества атомных часов по всему миру.

Шкала UTC образуется путем добавления к шкале TAI по мере необходимости дополнительной секунды для того, чтобы расхождение 1ГГС с Всемирным временем (Unh/ersal Time, UT1), основанным на параметрах вращэния Земли, не превышало 0,9 с

В пределах отдельного государства действует национальная шкала координированного времени, формируемая государственным эталоном Для России это шкала UTQSU). В 1998г. Госстандартом России утвержден новый Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени. Этот эталон находится в ведении Государственной службы времени и чостоты (ГСВЧ).

Сигналы точного времени (СВ) шкалы UTC или национальной шкалы распространяются методами имеющими различную точность, включая радиостанции,

СРНС, телефонные линии и "возимые часы" и др..

Класа* точного времени. При рассмотрении распределения СВ по цифровым сетям электросвязи (ЦСЭС) пользуются понятием класса точности этих си талое (см. табл.1).

Таким образом, СВ самого высокого — I класса точности, который предполагается реализовать с

помощью ЦСЭС, будут иметь точность не хуже 10 нс Достижение таких характеристик точности является одним из направлений совершенствования Государственной системы единого времени и эталонных частот высокой точности.

Характеристики II класса точности соответствуют СВ, получаемым от СРНС или от источника I класса с последующим распространением по сети СЦИ. СВ классов III и IV могут быть сформированы средствами широко распространенных сетей передачи данных TCP/IR включая Интернет, и при распространении сигналов I и II классов упрошенными методами.

Методы передачи сигналов времени и частоты

Системы передачи точного времени имеют длительную историю. В мире и нашей стране существует множество таких систем. В соответствии с Рекомендацией МСЭ-R TF1011-1 в табл. 2 представлены основные, существующих в настоящее время высокоточные средства передачи сигналов времени и частоты. При выборе метода передачи сигналов времени и частоты учитывается зона покрытия, стоимость и др.

Наивысшая точность СВ, обеспечиваемая системами электросвязи, при непосредственной передаче сигнала по оптоволокну (ОВ) составляет 10-50 пс (локально, да 50 км), по коаксиальному кабелю, микрополосковой линии или сети наземного телевидения

Таблиц 1

Классы точности сигналов точного времени СВ

Оботначенне класса точности СВ I II III IV

Допустимое отклонение времени от эталонной шкалы, с SM04 (10 нс) iiaMw4 (10 нс -1 МКС) iio^-iia4 (1 МКС -0,1 мс) мо^мо* <0.1 мс -Юме)

Таблица 2

Сравнение различных методов передачи сигналов времени и частоты

Метол передачи еншалов Типовая точность времени относительно времени UTC Типичная стабильность частоты передачи

Сеть звукового ВЧ вешания 1... 10 мс 10 до 10 (более чем на 1 день)

Сеть тву ково1 о вещания свсрхдл'ннноиол нового (СДВ) диапазона 1 мс -id -и 10 до 10

Наши анионные радиостанции длинноволнового (ДВ) лиапаюна (импульсная) 1 МКС пз 10

Гелсви (ионные иатемные вещательные каналы 10 не 10 * до 10 (более чем на 1 день)

Наишаинонный спутник, шнроковешате.тьная ралиоперелача (С.Р5 и ГЛОНАСС) 50...500 нс ю і: 10 до 10

Навигационный спутник. (ОРИ и ГЛОНАСС) 5..20 нс 11 -І5 10 ло 10 (от 1 до 50 дней)

Другие геостационарные ретрансляционные спутники 20 мке 510 м

Спутник свяш. двухсторонний 1 10 нс 10 14 до 10'”

Телефонные линии СВЯ1И !... 10 мс 10 * (болсс чем 1 лень)

Оптоволокно, до 50 км 10...50 пс 10 ,лдо 10 17

Оптоволокно, более 2000 км 100 нс 10” до К) 14 (более чем 1 день)

Линия микроволновой святи 1... 10 нс 10 '‘до 10 "

Коаксиальный кабель 1... 10 нс 10 '“до 10 ”

T-Comm, #7-2010

79

находится в диапазоне 1 -10 нс

Сейчас широко используются временнь» сигналы, например, спутниковых навигационных систем ГПОНАСС/GPS для определения местоположения в пространстве и хронирования многих наземных систем.

Система распределения СВ и ее взаимодействие с существующей системой ТСС

При распределении СВ по ЦСЭС о также с целью хранения шкалы времени, целесообразно использовать высокостабильное генераторное оборудование систем ТСС, а структура системы распределения СВ должна быть иерархической, аналогичной системе ТСС то есть на сети должны существовать узлы распределения СВ первого, второго и третьего уровней, соответственно классам точности СВ. В соответствии с данной иерархической структурой, узлы первого уровня должны получать сигналы СВ от эталонов ГСВЧ, узлы второго уровня—от узлов первого уровня и от приемников СРНС ГЛОНАСС/GPS. Узлы третьего уровня должны получать сигналы от узлов второго уровня или от узлов первого уровня, но по упрощенным схемам, по сравнению с передачей СВ к узлам второго уровня.

Синхронизация сетей нового поколения

На сети NGN наряду с требованиями "операторского класса" возлагаются также функции распределительных сетей тактовой синхронизации (4]: качественные показатели сигналов синхронизации должны удовлетворять жестким требованиям традиционных пользователей ТСС; сигналы тактовой синхронизации должны передаваться в сетях с АРП, прерывистым трафиком и значительным разбросом задержек.

На сегодняшний день предложено два метода решения задачи транспортировки тактовых сигналов высокой стабильности в пакетной среде: синхронный Ethernet (SyncE), и сетевые протоколы с передачей временных меток (NTP и FTP).

Зсщача технологии SyncE — обеспечение передачи стабильной чостоты на физическом уровне в составе информационного сигно-ла Ethernet. Для достижения этой цели использованы технические решения, хорошо зарекомендовавшие себя в традиционных сетях синхронизации с распределительной сетью на базе систем SDH. На сегодняшний день SyncE представляет достаточно хорошо отработанную и стандартизованную МСЭ-Т технологию.

В традиционном оборудовании Ethernet допустимая точность составляет ± 100 ppm, а в SyncE допустимая точность возрастает до ± 4,6 ppm, достигая показателей оборудования SDH.

Еще один перспективный метод обеспечения синхронизации в пакетных сетях — сетевые протоколы с передачей временных меток; NTP (Network Типе Protocol) — сетевой протокол передачи времени; РТР (Precise Time Protocol) — протокол передачи точного времени по стандарту IEEE 1588 (версия vl nv2).

Точность первичных NCTP серверов сднако не превышает нескольких миллисекунд что ограничивает их использования.

Протокол РТР совместим с протоколами IPv4 и IPv6, которые обычно используются в современных сетях IP/MPLS. РТР позволяет достичь точности чостоты порядка микросекунды, а использование временных меток позволяет учесть время задержки и провести коррекцию фазы 40-50 раз в секунду, что позволяет повысить точность передачи метки ДО 1 НС

Кроме вышеуказанных решений для синхронизации сетей нового поколения перспективно использование ГНСС. Используют ГНСС-приемник как источник для частоты, фазы и синхронизации точного времени. Современное состояние синхронизации по GPS/ППОНАСС -приемникам позволяет получить точность частоты: 10-12 (более чем 20 000 с) и точность времени 50 нс относительно UTC. Достоинством этого решения является зрелая технология и многократное наличие ГНСС систем (GPS, Gbnass, Galileo, Beidou).

Выводы

1. Эволюция транспортных сетей в направлении к NGN идет по пути перехода к пакетным технологиям на канальном и сетевом уровнях.

2. Развивающаяся система цифровой синхронной иерархии требует сквозной по всей сети РФ передачи донных синхронизации на уровне 1 класса точности.

3. Для реализации системы сквозной синхронизации необходимо создание самостоятельной системы распределения времени, построенной иерархически от государственных эталонов.

4. Синхронизация сетей NGN перспективна с помощью технологий синхронного Elhemet и протокола распределения точного времени PTR а также глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), которые должны рассматриваться как источники частоты и точного времени для региональной синхронизации в рамках внутри-узловой синхронизации и обеспечения подвижной связи.

5. Целесообразно рассмотреть проблему повышения точности спутниковой синхронизации по системе ГЛОНАСС до уровня первого класса в процессе ее последующей модернизации и в рамках создания системы распределения сигналов точного времени первого класса, которая ставится перед Государственной службой времени и частоты.

Литература

1 Аджемс* АС, Ммиенков СЛ, См»фное НК, Кфсвоев ЮЛ Комплексная единая жтегрироеанная телекоммуникадеэнная система тфор-матизац^ социа/ъного развития России. // T-Comm, 2009. — № 7.

2 Куоаэв ВД Куда идти дальше?) // Российский космос, 2002. - №2. - С39-43.

3 Рыжков АВ. Частота и время в инфокоммунжациях XXI века — М.: MAC, 2006. - 320 с.

4. Материалы 3-его маучмо-лрааического семинара ‘Стхрожэация сетей электросвязи. Актуальные проблемы, техтческие решения, перслек-п®ы развития". Алушта:, ГП "УНИИС" (Киев, Украта). — 30.092009.

80

T-Comm, #7-2010