CC BY
1167
УДК 656.254.7
А. К. Канаев, Е. В. Опарин, А. К. Тощев, А. С. Ванчиков
СИНХРОНИЗАЦИЯ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ОБЕСПЕчЕНИЯ
В статье представлены результаты анализа способов передачи синхросигналов через участки IP-сетей, обеспечивающие заданные требования точности синхронизации базовых станций мобильных сетей связи. Представлены основные этапы разработанного нового способа передачи синхросигналов в IP-сетях, позволяющего осуществить временную и частотную синхронизацию высокой точности в IP-сетях в условиях существенных колебаний интенсивности трафика в сети.
синхронизация, сети мобильной связи.
Введение
В настоящий момент в стационарных сетях для обеспечения синхронизации узлов связи строится наложенная сеть тактовой сетевой синхронизации. Она обеспечивает доставку сигналов синхронизации до всех узлов телекоммуникационной сети, построенной на базе оборудования с временным разделением каналов [1].
Операторы мобильной связи, использующие 2G- и SG-сети с дуплексной передачей с разделением по частоте, обеспечивают заданное качество предоставляемых услуг путем организации частотной синхронизации базовых станций.
Стремительно развивающийся в настоящее время процесс конвергенции фиксированных и мобильных сетей в единую инфраструктуру реализуется на основе технологий пакетной передачи данных. Многие мобильные операторы планируют реализовать передачу сотового трафика в форматах GSM и 3G по недорогим в эксплуатации IP-сетям. Однако переход на них в большинстве случаев оказался невозможен, поскольку связан с отказом от критически важных сервисов, которые требуют временной синхронизации. Выходом из создавшейся ситуации могут быть реализации различных методов синхронизации в IP-сетях, что позволит обеспечить критически важные сервисы синхронизацией требуемой точности.
56
1 Основные способы обеспечения синхронизации сетей мобильной связи третьего поколения
Потребность в сигналах точного времени и частоты в мобильных сетях обусловлена следующими факторами [2].
1. Синхронная коммутация: коммутация голосовых каналов осуществляется в синхронных коммутаторах, где синхронизация низкого качества приведет к возникновению проскальзываний и снижению качества обслуживания.
2. Стабильность частоты беспроводного интерфейса (радиоинтерфейса): синхронизация низкого качества приведет к взаимному влиянию с другими каналами и отказу в предоставлении услуги в конечном итоге.
3. Процесс передачи данных: синхронизация низкого качества станет причиной потери пакетов при их передаче, что приведет к отказу в предоставлении услуги или значительному увеличению задержки в ее предоставлении.
4. Временная синхронизация в CDMA требует прецизионной временной и фазовой синхронизации.
В наиболее общей форме сформулированы требования к точности синхронизации для различных сервисов и типов мобильных сетей [2]:
- коммутация голосовых каналов осуществляется в синхронных коммутаторах, синхронизация низкого качества станет причиной возникновения проскальзываний, и для выполнения требований по количеству проскальзываний должно обеспечиваться требование к долговременной стабильности не хуже чем 1 х 10-11;
- стабильность частоты беспроводного интерфейса (радиоинтерфейса):
■ GSM и CDMA требуют точности частоты базовой станции не ниже
5 х 10-8;
■ GSM требует от мобильной станции точности частоты 0,1 ppm;
- US CDMA IS-95 требует для всех базовых станций передачи пилотных сигналов с временной ошибкой не более 3 мкс;
- CDMA 2000 требует фазовой ошибки не более чем 16 мкс между базовыми станциями;
- W-CDMA с дуплексной связью с временным разделением определяет фазовую ошибку не более 2,5 мкс при переходе между двумя базовыми станциями.
Сетям операторов стационарной и мобильной связи, поставщикам услуг IPTV, мобильного и цифрового телевидения требуется высокоточная тактовая синхронизация, необходимая для работы сетей и выполнения таких функций, как сетевой мониторинг, работа приложений диспетчерской связи и сбора данных. Обеспечение высокоточной синхронизации - основная задача при переходе на сети Ethernet, IP и MPLS с пакетной коммутацией. Ведь в отличие от сетей TDM, в которых сведения о времени передаются вместе
57
с данными, сети с пакетной коммутацией не поддерживают этой функции. Отсутствие синхронизации порождает такие проблемы, как потеря данных, большое количество ошибок и значительные задержки в получении информации, критичной к задержкам.
Кроме того, при поэтапном переходе к сетям следующего поколения (NGN) значение сетевой синхронизации не только не уменьшается, как это иногда ошибочно полагают, а возрастает. Переход к практическому построению сетей на принципах NGN и сетей мобильной связи 3G и WiMAX требует решения вопросов синхронизации в таких сетях. Для этого необходимо применение международных стандартов и протоколов в этой области, опыта их применения с использованием моделей, описанных в [3].
Рассмотрим основные принципы организации синхронизации базовых станций в условиях их взаимодействия исключительно на основе пакетных сетей, через которые необходимо передать речевой трафик и сигналы синхронизации.
Прежде всего необходимо отметить, что информация синхронизации через IP-сеть передается в виде временных меток (рис. 1). Временные метки, содержащие информацию о синхросигнале, могут передаваться как в заголовке пакета с трафиком ВРК (TDM), так и в виде отдельного пакета, следующего самостоятельным маршрутом к адресату. К преимуществам первого способа передачи временных меток можно отнести отсутствие дополнительной полосы пропускания для служебной информации, высокую скорость передачи, эквивалентную постоянной скорости передачи CBR (Constant Bit Rate), ориентацию уже существующих технологий передачи (например, CESoP) на этот способ [3]. К преимуществам второго способа можно отнести большую гибкость и независимость информации синхросигнала от данных пользователя, меньшую чувствительность и возможность адаптации синхронизации к различным состояниям сети.
Организацию синхронизации и передачу трафика ВРК (TDM) с использованием любого из способов передачи временных меток можно выполнить, используя следующие методы [4]: адаптивный, дифференциальный, комбинированный.
« - временная метка
Рис. 1. Способ передачи сигналов синхронизации в виде временных меток
58
При адаптивном методе синхронизации используется только синхросигнал генератора элемента сети (базовой станции), инициирующего передачу. Этот синхросигнал кодируется и передается через пакетную сеть, на обратной стороне в узле межсетевого взаимодействия сетей (IWF) информация о синхросигнале декодируется и адаптирует работу местного генератора (рис. 2).
Преимущество данного метода очевидно, к тому же достигаются малые значения джиттера и вандера (максимальная ошибка временного интервала порядка 2 мкс [5]). Однако данный метод весьма чувствителен к изменениям состояний IP-сети, в частности к параметру PDV (Packet Delay Variation -вариация задержки пакета).
Служебный генератор
сетевого элемента
Рис. 2. Принцип адаптивного метода синхронизации
Дифференциальный метод основан на передаче через пакетную сеть информации о разности частот генератора сетевого элемента (базовой станции) и опорного сигнала от ПЭГ (рис. 3). Эта разница кодируется и передается через пакетную сеть. На стороне приема в узле межсетевого взаимодействия (IWF) происходит декодирование и получение исходного синхросигнала при сравнении с синхросигналом от ПЭГ, также доступном на противоположном конце сети.
Данный метод обеспечивает малые значения джиттера и вандера, максимальная ошибка временного интервала достигает значений < 1 мкс [5], при этом обеспечивается хорошая устойчивость к вариациям задержки в IP-сети. Однако данный метод требует обеспечения узлов IWF синхросигналом от ПЭГ.
Для организации передачи синхронного трафика ВРК (TDM) возможно применение комбинированного метода, включающего в себя и адаптивный, и дифференциальный метод. Данный метод обладает высокой надежностью, функциональной и аппаратной отказоустойчивостью.
Необходимо отметить, что для повышения надежности работы каждого из описанных методов передачи синхронного трафика ВРК (TDM) предпочтительно, чтобы каждый элемент IWF поддерживал режим удержания частоты (holdover).
59
Передача сообщения о временной ошибке
Рис. 3. Принцип дифференциального метода синхронизации
Перечисленные выше способы синхронизации на участках пакетноориентированных технологий в настоящий момент могут быть реализованы на оборудовании ряда производителей (Zarlink, Cisco, RAD, Dallas).
Несколько групп устройств, предназначенных для обеспечения функций синхронизации как в IP-сетях, так и на границах сетей IP-SDH, представлены фирмой Zarlink Semiconductor Inc. На их базе можно осуществлять разработку различных устройств синхронизации. В качестве примера представлены функциональные свойства наиболее типовых устройств различных групп [6].
ZL30130 SONET/SDH/GbE - системное устройство синхронизации, которое:
- обеспечивает все функциональные возможности, требующиеся для центральной платы синхронизации в оборудовании транспортного уровня;
- поддерживает требования ITU-T G.8262 для оборудования ведомых генераторов синхронного Ethernet (EEC, опции 1 и 2);
- поддерживает требования Telcordia GR-1244 (уровни 2/3/3E) и GR-253, ITU-T G.812, G.813 и G.781 SETS;
- может синхронизироваться от эталонных телекоммуникационных источников (2 кГц, N*8 кГц до 77,76 МГц, 155,52 МГц) или эталонных генераторов оборудования Ethernet (25 МГц, 50 МГц, 62,5 МГц, 125 МГц);
- может формировать стандартные тактовые частоты SONET/SDH (например, 19,44 МГц, 38,88 МГц, 77,76 МГц, 155,52 МГц, 622,08 МГц) или тактовые частоты оборудования Ethernet (например, 25 МГц, 50 МГц, 125 МГц), чтобы синхронизировать PHY Gigabit Ethernet;
- содержит программируемые синтезаторы, которые обеспечивают формирование телекоммуникационных тактовых частот, кратных 8 кГц и 100 МГц.
60
Типовые варианты практического применения: системная плата синхронизации в соответствии со стандартом ITU-T G.8262, которая поддерживает 1GbE-интерфейс; системная плата синхронизации в соответствии с требованиями Telcordia GR-253 и оборудования SONET/SDH Stratum 2/3E/3; системная плата синхронизации, поддерживающая стандарт ITU-T G.781 SETS (оборудование источников синхронизации в SDH).
ZL30136 GbE - устройство синхронизации для различных сетевых интерфейсов:
- способна работать с одним из трех входных эталонных сигналов и обеспечивает стандартные для Ethernet сигналы синхронизации для синхронизации Ethernet PHY;
- обеспечивает формирование структуры стандартных телекоммуникационных интерфейсов, таких как T1/E1, DS3/E3. Обеспечивает формирование сигналов синхронизации для карт сетевых интерфейсов, которые поддерживают синхронный Ethernet (SyncE), а также дополнительно для традиционных телекоммуникационных интерфейсов (T1/E1, DS3/E3 и т. д.);
- поддерживает требования ITU-T G.8262 для ведомых генераторов технологии синхронного Ethernet (опции EEC 1 и 2);
- может синхронизироваться от эталонных сигналов (2 кГц, кГц N*8 до 77,76 МГц) или эталонных сигналов Ethernet с частотами 25 МГц, 50 МГц, 62,5 МГц, 125 МГц и 155,52 МГц;
- может выступать в качестве источника Ethernet-синхросигналов (12,5 МГц, 25 МГц, 50 МГц, 62,5 МГц или 125 МГц);
- содержит программируемый синтезатор для формирования любых сигналов синхронизации, кратных от 8 кГц до 100 МГц. Для реализации управления содержит интерфейсы (SPI или I2C).
Типовые варианты практического применения: плата сетевых интерфейсов GbE, которые поддерживают технологию синхронного Ethernet (SyncE), пассивные оптические сети GPON ONT/ONU; плата сетевых интерфейсов T1/E1, DS3/E3.
ZL30310 обеспечивает полный спектр функций, необходимых для синхронизации через пакетные сети. В одном чипе интегрированы оба широко применяемых способа синхронизации - пакетно-ориентированный способ (IEEE-1588 на базе протокола прецизионной временной синхронизации -PTP) и синхронной Ethernet (SynCE) для синхронизации на физическом уровне. ZL30310 обеспечивает полную реализацию функций цифровой фазовой автоподстройки частоты (ЦФАПЧ) уровня Stratum 3E и обеспечивает восстановление синхронизации в L2 и L3 для всех беспроводных приложений. Основные реализуемые функции и характеристики:
- восстановление и передача сигналов синхронизации сети через сети Ethernet, IP, MPLS;
- обеспечение возможности работы в качестве повторителя в режимах сервера и клиента;
61
- интеграция двух самостоятельных ЦФАПЧ;
- восстановление синхронизации из двух независимых источников (серверов), реализована функция переключения между этими входами для резервирования;
- организация переключения между направлениями синхронизации: пакетная коммутации - пакетная коммутация, пакетная коммутация - электрические сигналы, электрические сигналы - пакетная коммутация;
- восемь входов для эталонных сигналов синхронизации;
- формирование выходных сигналов синхронизации на четырех выходах с частотами, кратными 8 кГц и 100 МГц;
- два отдельных выхода синхронизации стандарта синхронного Ethernet для управления устройствами на основе промышленного стандарта Ethernet PHY на частотах 25 МГц или 125 МГц;
- два независимо настраиваемых MAC-интерфейса, поддерживающих Fast Ethernet и Gigabit Ethernet для реализации функции формирования временных меток (Timestamping) и формирования сообщений в соответствии с IEEE1588.
Типовые варианты практического применения: реализация пакетноориентированных способов синхронизации в соответствии с IEEE-1588 на базе протокола прецизионной временной синхронизации - PTP и синхронной Ethernet; синхронизация в беспроводных сетях GSM и UMTS; реализация сервиса CESoP - сервис эмуляции канала в пакетных сетях; построение IP-УАТС- и VoIP-шлюзов; организация видеоконференций через пакетные сети; реализация услуг широкополосного доступа к видеотрансляциям.
Существует ряд подходов, позволяющих осуществлять синхронизацию узлов в пакетной сети с использованием описанных выше методов синхронизации: синхронная остаточная временная метка - SRTS (соответствует дифференциальному методу), метод остаточной временной метки - RTS, адаптивное восстановление синхросигнала - ACR и их комбинации [4]. Данные подходы базируются на предположении о доступности единого времени во всех узлах. В работах [4] предложен способ, устраняющий эти недостатки и позволяющий реализовать комбинированный метод синхронизации в условиях доступности синхросигнала от ПЭГ только на одном - ведущем - узле сети. Однако данный способ не учитывает влияние различных возмущающих факторов и нестационарность процессов в IP-сети для передачи синхроинформации.
На основе проведенного анализа существующих методов и способов синхронизации в пакетных сетях был разработан модифицированный способ, включающий следующие этапы:
- рассылку пакетов с временными метками от ведущего узла ко всем ведомым узлам на сети, где каждый пакет с временной меткой несет синхроинформацию;
62
- прием пакетов синхронизации в ведомом узле и создание набора точек данных, представляющих собой временные метки и моменты их прихода;
- рассылка пакетов синхронизации с данными управления цифровым генератором (ЦГ) в ведущем узле;
- управление временем в ведомом узле на основе временных меток, полученных от ведущего узла, обработанных на основе робастного алгоритма оценивания достоверности полученных данных [8];
- управление ЦГ в ведомом узле на основе данных от ЦГ ведущего узла, где необходимость управляющего воздействия определяется на основе оценки изменений характеристик ведомого ЦГ с использованием аппарата усеченных биномиальных распределений [7].
Заключение
Описанный способ позволит осуществить временную и частотную синхронизацию высокой точности в пакетных сетях при наличии значительных задержек и вариации задержек передачи пакетов с временными метками без применения дополнительных аппаратных средств.
Библиографический список
1. Решение проблем синхронизации в IP-сети / А. С. Ванников, А. К. Канаев, В. В. Кре-нев // Автоматика, связь, информатика. - 2011. - № 3. - С. 20-22.
2. Chronos technology «Synchronisation quality at GSM/G3 base station» [Электронный ресурс], May 2004. - 20 pages. - URL: http://www.chronos.co.uk (дата обращения 27.02.2012).
3. Structure-Aware Time Division Multiplexed (TDM) Circuit Emulation Service over Packet Switched Network (CESoPSN) / A. Vainshtein, Ed., I. Sasson, E. Metz, T. Frost, P. Pate, 2007. - URL: http://rfc5086.openrfc.org (дата обращения 07.03.2012).
4. ITU-T Recommendation G.826.1, «Timing and Synchronization aspects in Packet Networks», February 2006. - 67 рages.
5. Synchronization over Packet Networks / J. Lewis, 2005. - URL: http://www.zarlink. com (дата обращения 05.03.2012).
6. Официальный сайт Zarlink Semiconductor Inc. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.zarlink.com (дата обращения 05.03.2012).
7. Методология проектных исследований и управление качеством сложных технических систем электросвязи / В. И. Курносов, А. М. Лихачев. - СПб. : ТИРЕКС, 1998. - 496 с.
8. Робастные методы статистического анализа навигационной информации / Н. В. Бабкин, А. В. Макшанов, А. А. Мусаев. - Л. : ЦНИИ «Румб», 1982. - 205 с.
© Канаев А. К., Опарин Е. В., Тощев А. К., Ванчиков А. С., 2012
63
