DOI: 10.22184/2070-8963.2023.110.2.66.70

Изменения инфраструктуры телекоммуникационных систем, которые вызваны переходом на новые сетевые технологии, поэтапным смещением от технологий коммутации каналов к технологии коммутации пакетов (IP/MPLS/Ethernet), развитием сотовых систем связи (LTE и 5G), а также постоянно возрастающими требованиями к точности и стабильности сигналов синхронизации влекут за собой также изменения подходов к решению задач частотно-временного обеспечения. В статье рассмотрены проблемы, непременно возникающие в современных и перспективных сетях связи при передаче сигналов синхронизации, а также актуальные технологии их решения и направления ведущихся и будущих исследований.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Трещиков В.Н., Листвин В.Н.
В.Н. Трещиков, В.Н. Листвин
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2023
Н.Л.Сторожук, Е.В.Опарин
ПРОБЛЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ СОВРЕМЕННОГО ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Просмотры: 1787
DOI: 10.22184/2070-8963.2023.110.2.66.70

Изменения инфраструктуры телекоммуникационных систем, которые вызваны переходом на новые сетевые технологии, поэтапным смещением от технологий коммутации каналов к технологии коммутации пакетов (IP/MPLS/Ethernet), развитием сотовых систем связи (LTE и 5G), а также постоянно возрастающими требованиями к точности и стабильности сигналов синхронизации влекут за собой также изменения подходов к решению задач частотно-временного обеспечения. В статье рассмотрены проблемы, непременно возникающие в современных и перспективных сетях связи при передаче сигналов синхронизации, а также актуальные технологии их решения и направления ведущихся и будущих исследований.
ПРОБЛЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ современного телекоммуникационного оборудования

Н.Л.Сторожук, к.т.н., генеральный директор
АО НПП "КОМЕТЕХ" / snl@kometeh.ru,
Е.В.Опарин, к.т.н., доцент кафедры "Электрическая связь"
ПГУПС императора Александра I / onapuh@mail.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2023.110.2.66.70

Изменения инфраструктуры телекоммуникационных систем, которые вызваны переходом на новые сетевые технологии, поэтапным смещением от технологий коммутации каналов к технологии коммутации пакетов (IP/MPLS/Ethernet), развитием сотовых систем связи (LTE и 5G), а также постоянно возрастающими требованиями к точности и стабильности сигналов синхронизации влекут за собой также изменения подходов к решению задач частотно-временного обеспечения. В статье рассмотрены проблемы, непременно возникающие в современных и перспективных сетях связи при передаче сигналов синхронизации, а также актуальные технологии их решения и направления ведущихся и будущих исследований.

Введение
На всех этапах развития телекоммуникационных систем важным условием обеспечения стабильности ее функционирования является поддержание синхронизации оборудования связи. Сегодня в значительной степени решена проблема обеспечения синхронизации частоты на сетях связи: по­строены и функционируют системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) крупных операторов, разработаны нормативные и руководящие документы, методики проектирования и проведения измерений. Однако в современных и перспективных сетях связи наблюдается переход телекоммуникационных систем от технологии коммутации каналов к технологии коммутации пакетов, обусловленный прежде всего тем, что при использовании последних передача одного бита информации обходится дешевле [1]. В связи с этим встает важная задача обеспечения синхронизации по фазе и времени, которая вызвана этим переходом и развитием мобильных сетей следующих поколений, выдвигающим постоянно возрастающие требования к качеству сигналов синхронизации. Таким образом, целесообразно выделить и обобщить возникающие проблемы синхронизации современных и перспективных сетей связи.

Синхронизация в сетях связи с цифровой коммутацией каналов
До недавнего времени необходимости в синхронизации по фазе и времени в сетях связи не было, для работы оборудования с коммутацией каналов, построенных по технологии синхронной цифровой иерархии (SDH), требуется только синхронизация тактовой частоты на всех узлах сети. Данную проблему решает система ТСС, построенная по иерархическому принципу и предназначенная для формирования необходимого количества сигналов синхронизации и их распределения между телекоммуникационным оборудованием, а также восстановления параметров синхросигналов, искаженных при их распространении по линиям связи.

К оборудованию ТСС первого уровня иерархии относится первичный эталонный генератор (ПЭГ), в состав которого обычно входят три первичных эталонных источника (ПЭИ) и вторичный задающий генератор (ВЗГ), обеспечивающий выбор ПЭИ с требуемыми характеристиками и формирование необходимого числа синхросигналов на его выходах.

ВЗГ, относящийся к оборудованию ТСС второго уровня иерархии, выполняет функции восстановления, формирования, резервирования и контроля входных сигналов синхронизации, а также резервного источника синхронизации (в режиме запоминания частоты) для фрагмента сети ТСС. ВЗГ может также выполнять функцию источника эталонных сигналов синхронизации при наличии в его составе аппаратуры спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS [2].

Местный задающий генератор (МЗГ), относящийся к оборудованию ТСС третьего уровня иерархии, выполняет функции восстановления, распределения сигналов синхронизации в пределах узла связи и резервного источника синхронизации (в режиме запоминания частоты) для фрагмента сети ТСС [2].

Генератор сетевого элемента (ГСЭ), являющийся составной частью оборудования SDH, и генератор средств связи синхронного Ethernet (ГСССЕ) (составная часть оборудования Ethernet) относятся к оборудованию ТСС четвертого уровня. Они обеспечивают выбор синхросигнала при синхронизации внутренних модулей, а также формируют синхросигналы на внешних выходах оборудования.

Синхронизация в сетях с пакетным режимом передачи
Ключевой особенностью систем связи с пакетной коммутацией является применение асинхронного протокола, не требующего синхронизации по частоте задающих генераторов. Однако в процессе массового развертывания пакетных сетей выяснилось, что они функционируют не сами по себе, а работают в тесном окружении существующих сетей, в том числе и синхронных сетей связи с коммутацией каналов [3].

Возникла необходимость передачи сигналов ТСС через сеть с коммутацией пакетов. Для решения этой задачи была разработана технология синхронного Ethenet (Synchronous Ethernet, также называемая SyncE), обеспечивающая передачу тактовых сигналов через физический уровень Ethernet.

При создании технологии SyncE физический уровень и методы кодирования были заимствованы у технологии SDH, а второго (канального) уровня изменения практически не коснулись. Структура кадров осталась неизменной, за исключением ESMC-сообщения о статусе синхронизации. Его значения также были заимствованы в технологии SDH (SSM-сообщения об уровне качества синхросигнала).

Параллельно с разработкой и стандартизацией технологии SyncE в последние годы активно развивалось и другое направление синхронизации в пакетных сетях, основанное на использовании протокола РТР IEEE 1588 в качестве метода передачи времени и частоты в пакетных сетях [4].

Временная и фазовая синхронизация в современных и перспективных телекоммуникационных сетях
Для работы современного телекоммуникационного оборудования, использующего такие технологии, как SDN, TSN, LTE-A, 5G, кроме синхронизации тактовой частоты, необходима еще временная и фазовая синхронизации. Например, для современных сетей мобильной связи необходимо обеспечить синхронизацию начальной фазы отсчета секунды с точностью до сотен или даже десятков наносекунд.

Механизмы распределения шкалы времени значительно отличаются от тех, которые используются для распределения частоты. Существуют различные протоколы, которые обеспечивают перенос информации о текущем времени, имеющие различные уровни разрешения (точности). В качестве примеров можно привести протокол сетевого времени NTP (Network Time Protocol) и протокол точного времени PTP (Precision Time Protocol).

NTP − протокол сетевого времени, принцип работы которого основан на многоуровневой системе с множеством источников шкалы времени. NTP эффективно обеспечивает синхронизацию часов по сетям передачи данных с коммутацией пакетов и переменной задержкой. Одним из ключевых преимуществ этого протокола является возможность передачи меток времени непосредственно по пакетной сети передачи данных, что позволяет отказаться от отдельной шины точного времени.

PTP – это протокол точного времени, исполь­зуе­мый для синхронизации часов в сетях с коммутацией пакетов. Протокол PTP реали­зуется одновременно на программном и аппаратном уровнях устройства. Точность достигается за счет проставления меток времени сообщений PTP на аппаратном уровне. PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

Все большую популярность приобретает комбинированный механизм, предусматривающий совместное использование синхронного Ethernet для передачи тактовой частоты и поддержки протокола РТР для передачи (восстановления) тактовой частоты и сигналов точного времени. Это становится ак­туальным в связи с постепенным вытеснением систем SDH и полным переходом на пакетные методы передачи [4].

Механизм с использованием для синхронизации кабельных сетей
Данный тип синхронизации обычно применяется в лабораторном измерительном оборудовании и стационарных сетях, требующих высокой точности синхронизации и разделенных небольшим расстоя­нием, имеет одностороннее распространение тактирующих сигналов. Скоростью распространения сигналов по кабелю 3 нс/м в большинстве случаев можно пренебречь и говорить об одновременности процессов в передатчике и приемнике.

Механизм с использованием глобальных систем спутникового позиционирования
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), такие как GPS, ГЛОНАС и др., в которых устройства, синхронизируются от орбитальных спутников путем передачи сигналов универсального временем, имеет одностороннее распространение сигналов времени. Обеспечивает точность синхронизации на основе системы GPS (1 мкс, возможная: 50 нс, сложно: 10 нс или лучше).

Механизм с использованием для синхронизации стандартных локальных информационных сетей передачи данных
Как правило, это сети, где применяются промышленные протоколы, которые поддерживают передачу данных в реальном времени и имеют в своем составе механизмы синхронизации (Ethenet/IP, PTP и т. д.). Применение временных меток, генерируемых программой, позволяет обеспечить диапазон тактовой синхронизации от 10 до 1 мкс. В случае аппаратного генерирования временных меток точность генерирования временных меток соответствует внутренним часам и достигает диапазона 20−50 нс. При прохождении сигнала по каналам SynсE обеспечивается точность синхронизации 10 нс. Такие решения требуют применения специа­лизированного оборудования на всех узлах, через которые проходят синхросигналы.

Механизм с использованием глобальной сети интернет
При использовании данного механизма устройства, как правило, разделенные большим расстоя­нием и имеющие доступ в интернет, синхронизируются с несколькими серверами точного времени на основе запросов клиент-сервер (NTP, PTP). Инициатором запроса времени и процесса синхронизации является клиент, что приводит к неравномерной загрузке сервера. Основные причины, влияющие на точность − длина пути и асимметрия линии. Точность системы NTP на основе интернет, как правило, составляет несколько мс, с применением протокола PTP − до десятков нс, а некоторые источники утверждают, что она может достигать точности около 30 нс. Такую точную фазово-временную синхронизацию оборудования сети протокол PTP может обеспечить только при работе в сетях с технологией синхронного Ethernet.

Особенности передачи сигналов синхронизации в сетях операторов связиСоздание системы единого точного времени (ЕТВ) на сети оператора связи предполагает обязательное выполнение двух процессов, а именно установку текущего времени, его хранение и последующую корректировку. При этом погрешности, возникающие в случае дистанционной передачи сигналов ЕТВ от источника к потребителю, то есть "локальным часам", можно классифицировать в виде шумов передачи, установки и нестабильности внутреннего генератора локальных часов [5].

Для установки и корректировки времени в сетях операторов связи на основе коммутации пакетов кроме сигналов от ГНСС могут использоваться пакетные методы, при этом возможны два основных способа передачи информации о частоте от эталонного источника сигнала к приемнику, необходимой для поддержания точности хода местных "локальных часов" [6].

Основной проблемой синхронизации частоты и времени в сетях связи с коммутацией пакетов на основе пакетного метода передачи является девиация временной задержки пакетов в промежуточных маршрутизаторах, что приводит к возникновению определенных трудностей при обработке временных меток, прошедших через эти сети.

Традиционная тактовая сетевая синхронизация опиралась на распределение тактовой частоты, но развивающиеся сети мобильной связи требуют точного распределения параметров фаза/время. По мере эволюции сетевой инфраструктуры от коммутации каналов к коммутации пакетов меняются возможности и способы распределения сигналов синхронизации.

Разработаны рекомендации МСЭ-Т G.8261, G.8262 и G.8264, в соответствии с которыми можно использовать физический уровень Ethernet в качестве механизма распределения тактовой частоты, аналогичного методам, применяемым для тактовой сетевой синхронизации на сетях, построенных на принципах синхронной цифровой иерархии [7].

Отечественное оборудование синхронизации
В качестве примера современного оборудования синхронизации можно привести выпускаемый АО НПП "КОМЕТЕХ" ВЗГ "СОНАТА-В".

Аппаратура "СОНАТА-В" предназначена для ис­пользования на сетях тактовой сетевой синхронизации в качестве вторичного задающего генератора, местного задающего генератора или составного элемента первичного задающего генератора, в ее состав также входят первичные эталонные часы, обеспечивающие независимую от глобальных навигационных спутниковых систем временную и фазовую синхронизацию телекоммуникационного оборудования по протоколам NTP и PTP. Оборудование выполнено в корпусе 3U стандарта 19".

"СОНАТА-В" соответствует требованиям приказа Министерства информационных технологий и связи России от 7 декабря 2006 года № 161, рекомендациям МСЭ-T G.812, IEEE 1588v2, МСЭ-T G.8272.1 и обеспечивает тактовую, временную и фазовую синхронизацию телекоммуникационного оборудования разных поколений, использующего такие технологии, как SDH, SyncE, SDN, TSN, LTE-A, 5G и др.

Заключение
С появлением новых требований к синхронизации цифровых телекоммуникационных сетей изменилось и оборудование синхронизации, прежде всего это коснулось вторичных задающих генераторов, как наиболее массовых устройств, являющихся еще и составной частью первичного эталонного генератора. В составе ВЗГ появились приемники ГНСС, а также серверы времени, поддерживающие протоколы NTP и PTP. В качестве входных синхросигналов для ВЗГ наряду с сигналами от ПЭГ стали использоваться сигналы SyncE, импульсы начала секунды (1PPS) и сигналы от спутников ГНСС. Расширился и спектр выходных сигналов ВЗГ и ПЭГ, к традиционным синхросигналам 2048 кГц и 2048 кбит/с добавились сигналы с частотой 10, 5, 1 МГц и сигнал 1PPS. Высокостабильный внутренний генератор ВЗГ обеспечивает точность хранения времени в случае сбоя приема сигналов коррекции времени.

ЛИТЕРАТУРА
Сторожук М. Мониторинг сетевого трафика в магистральных сетях для обеспечения работы сетей TSN // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 30−33.
Приказ Минцифры России "Об утверждении рекомендаций по построению сети связи общего пользования в части системы обеспечения тактовой сетевой синхронизации" от 15 декабря 2021 года № 1339.
Рыжков А.В., Шварц М.Л. Современные тенденции развития систем сетевой синхронизации в сетях электросвязи. От плезиохронных до когерентных сетей // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2021. № 4. С. 27−38.
Рыжков А.В. Частотно-временное обеспечение в сетях электросвязи. М.: Горячая линия−Телеком, 2021. 270 c.
Мазуренко Д.К. Модель передачи сигналов единого точного времени в сети связи с пакетной коммутацией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. Т. 8. № 5. С. 45−49.
Мазуренко Д.К. Сетевые решения построения пакетной сети распределения сигналов единого точного времени // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 4. С. 67−71.
Коган С. Сети 5G: распределение сигналов синхронизации на оптическом транспортном уровне // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 50−59; № 5. С. 44−58; № 6. С. 42−53.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art