Под сетевой синхронизацией понимается распределение сигналов единого времени и эталонной частоты по сети связи. Таким образом обеспечивается временная и частотная синхронизация сетевого оборудования.

Последствия плохой синхронизации

При плохой синхронизации невозможна нормальная работа цифровых сетей связи, одночастотных сетей цифрового телевидения, систем автоматизации работы электрических подстанций и других нуждающихся в синхронизации решений. Неточная синхронизация цифровой сетевой инфраструктуры может вызвать значительный рост числа ошибок передачи и потерю данных, что приводит к значительному ухудшению качества облуживания пользователей или даже к недоступности сетевых услуг. Кроме того, плохая синхронизация базовых станций сетей сотовой связи является причиной появления радиопомех и неэффективного использования радиочастотного спектра. Потому крайне важно реализовать точную и надежную синхронизацию.

Стандартизация сетевой синхронизации

Международный союз электросвязи (МСЭ) разработал большой набор рекомендаций по синхронизации в сетях TDM, OTN и пакетных сетях (темы и номера рекомендаций для сетей различных типов указаны в Таблице 1). Эти рекомендации определяют основные понятия в области сетей синхронизации, архитектуру этих сетей, базовые аспекты их функционирования, функциональную модель, профили протокола точного времени PTP (Precision Time Protocol), характеристики устройств синхронизации, требования к тестовому оборудованию.

Таблица 1. Рекомендации МСЭ-Т по синхронизации

Протокол PTP был изначально определен стандартом IEEE 1588–2002 с официальным названием «Стандарт протокола синхронизации точного времени для сетевых измерительных систем и систем управления» и опубликован в 2002 году. В 2008 году был выпущена новая редакция стандарта — IEEE 1588–2008. В этой версии, известной как PTP Version 2, повышена точность и устойчивость работы протокола, но была потеряна обратная совместимость с оригинальной версией 2002 года.

Потребности в синхронизации

Синхронизация сетей PDH

В сетях PDH в синхронизации нуждаются только оконечные устройства — первичные мультиплексоры и цифровые кросс-коннекторы. Сама транспортная сеть PDH предназначена для работы в плезиохронном режиме и не требует синхронизации. Для передачи синхросигналов между сетевыми элементами, нуждающимися в синхронизации, операторы, как правило, используют обычные 2-Мбит/с сигналы, передаваемые по сети.

Первичные мультиплексоры и кросс-коннекторы синхронизируются с первичным эталонным генератором (ПЭГ/PRC), соответствующим рекомендации МСЭ-Т G.811. Согласно этой рекомендации, максимально допустимое отклонение частоты выходных сигналов ПЭГ от номинального значения не должно превышать 10^-11 при всевозможных условиях окружающей среды и времени наблюдения не менее одной недели. Для надежности формирования синхросигналов ПЭГ состоит из трех первичных эталонных источников (ПЭИ) и одного вторичного задающего генератора (ВЗГ), обеспечивающего выбор исправного ПЭИ с требуемыми характеристиками. ПЭИ реализуют на основе квантового стандарта частоты или приемника ГНСС.

В сети синхронизации оборудования PDH используются ВЗГ для минимизации негативного влияния потери связи с ПЭГ из-за разрыва линии или выхода из строя оборудования. Работая в режиме удержания, ВЗГ в течение нескольких дней могут выдавать синхросигналы по качеству близкие к синхросигналам ПЭГ.

Синхронизация сетей SDH

В отличие от сетей PDH, сети SDH нуждаются в частотной синхронизации всех сетевых элементов. Отсутствие точной синхронизации приводит к подстройке указателя в агрегированных сигналах STM-n, а также к джиттеру и блужданию фазы клиентских сигналов. Для выполнения всех операций кросс-коннекта, мультиплексирования и демультиплексирования нужна точная синхронизация всех сигналов STM-n с использованием эталонного синхросигнала от ПЭГ, соответствующего рекомендации МСЭ-Т G.811.

В сети синхронизации оборудования SDH применяются ВЗГ, размещаемые в определенных местах сети, согласно правилам ее проектирования, определенным рекомендацией МСЭ-Т G.803. На Рисунке 1 показана эталонная цепь сети синхронизации и приведены ограничения на число последовательно включаемых ВЗГ и генераторов оборудования SDH (SDH Equipment Clock, SEC) и/или генераторов устройств Ethernet (Ethernet Equipment Clock, EEC), поддерживающих технологию SyncE. В цепи допустимо иметь не более 10 ВЗГ, между двумя ВЗГ не должно быть более 20 генераторов SEC/EEC, а общее число этих генераторов не должно превышать 60.

Рисунок 1. Эталонная цепь сети синхронизации

ВЗГ обеспечивают защиту от потери связи с ПЭГ путем предоставления достаточно качественных синхросигналов при работе в режиме удержания и представляют собой высокоэффективные фильтры, предотвращающие чрезмерное накопление джиттера и блуждания фазы.

Синхронизация одночастотных сетей цифрового ТВ

Для нормального функционирования этих сетей нужна временная и частотная синхронизация передатчиков. Временная синхронизация необходима, чтобы временной сдвиг между сигналами от соседних передатчиков в точке приема не выходил за пределы длительности защитного интервала. Согласно стандарту ГОСТ Р 56452–2015, временная синхронизация передатчиков DVB-T2, получающих контент по интерфейсу T2-MI, должна осуществляться с помощью пакетов временного штампа DVB-T2 типа 2016 в составе потока T2-MI. Частотная синхронизация призвана минимизировать отклонения центральных частот каналов передатчиков от заданного значения рабочей частоты.

Синхронизация сетей радиодоступа

Необходимость синхронизации сетей радиодоступа (Radio Access Networks, RAN), входящих в состав сетей мобильной связи, является движущей силой многочисленных связанных с синхронизацией работ в организациях по стандартизации. В Таблице 2 представлены нормы точности частотной и фазово-временной синхронизации базовых станций и элементов транспортной сетевой инфраструктуры (backhaul) для различных технологий RAN.

Таблица 2. Требования к синхронизации сетей радиодоступа

Плохая синхронизация оказывает крайне негативное влияние на работу сетей мобильной связи. Так, при плохой синхронизации сужается полоса пропускания сетей LTE-A CoMP, в сетях LTE-A eICIC усиливаются помехи между сотами, в сетях LTE-TDD прерываются звонки, а также уменьшается спектральная эффективность этих сетей.

Синхронизация систем автоматизации работы электрических подстанций

Для выполнения передовых функций автоматизации работы электрических подстанций, включая широкомасштабный контроль комплексных амплитуд тока и напряжения, а также передачу выборочных измеренных значений тока и напряжения по шинам процессов, современному оборудованию подстанций требуется временная синхронизация с точностью не хуже 1 мкс, тогда как традиционному оборудованию обычно достаточно точности 1–2 мс. Для синхронизации защитных реле и других устройств с точностью не хуже 1 мкс в качестве технологии временной синхронизации применяется протокол PTP. На Рисунке 2 представлен пример Ethernet-сети электрической подстанции с осуществлением временной синхронизацией по протоколу PTP.

Рисунок 2. Локальная сеть подстанции с осуществлением временной PTP-синхронизации

Альтернатива сетевой синхронизации

Альтернативой передаче сигналов синхронизации по сети связи является оснащение каждого нуждающегося в синхронизации сетевого устройства (например, каждой базовой станции) приемником ГНСС (или ПЭИ на базе такого приемника). Достоинством данного способа синхронизации является то, что приемник ГНСС может выдавать высокоточный синхросигнал, который соответствует самым строгим требованиям к частотной и фазово-временной синхронизации. Системы ГЛОНАСС, GPS, Galileo и BeiDou обеспечивают фазовую синхронизацию с точностью ±100 нс. Однако с реализацией этого способа связан ряд трудностей: необходимо гарантировать постоянную прямую видимость нескольких навигационных спутников для антенн всех установленных приемников ГНСС, что не всегда возможно; сигналы ГНСС могут быть подавлены преднамеренными и не преднамеренными помехами (помехи могут создаваться погодными условиями и отражением сигналов ГНСС от высоких зданий); высокая стоимость установки и обслуживания многочисленных приемников ГНСС. Все это повышает актуальность применения сетевой синхронизации.

Методы синхронизации в пакетных сетях

Пакетные сети являются асинхронными, но в синхронизации нуждаются определенные виды оборудования, подключаемого к этим сетям, например базовые станции мобильной связи и защитные реле электрических подстанций. Для высокоточной синхронизации по сетям Ethernet широко используются технология SyncE и протокол PTP.

Технология SyncE

Данная технология обеспечивает частотную синхронизацию устройств-потребителей по физическому уровню Ethernet с привязкой к синхросигналу эталонной частоты от ПЭГ (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Синхронизация по физическому уровню Ethernet

SyncE отличается от обычной технологии Ethernet только наличием функции синхронизации, такой же как в сетях SDH. В сети синхронизации по технологии SyncE используются ВЗГ по тем же самым причинам и правилам проектирования, что и в сети SDH (см. Рисунок 1).

Технология SyncE специфицирована в ряде рекомендаций MCЭ-T:

• G.8261: Timing and synchronization aspects in packet network.
• G.8262: Timing characteristics of Synchronous Ethernet equipment slave clock.
• G.8264: Distribution of timing through packet networks.

В рекомендации G.8261 определены основные аспекты синхронизации в пакетных сетях, заданы предельно допустимые характеристики джиттера и блуждания фазы синхросигнала в сети SyncE и другие характеристики.

В рекомендации МСЭ-Т G.8262 сформулированы требования к рабочим характеристикам EEC, включая точность частоты при работе в автономном режиме (не хуже 4,6 ppm относительно опорной частоты), параметры передачи блуждания фазы, генерации джиттера и блуждания фазы, устойчивости к джиттеру и блужданию фазы. Для тестирования этих параметров на соответствие рекомендации МСЭ-Т G.8262, а также сообщений протокола Ethernet Synchronization Messaging Channel (ESMC) на соответствие рекомендации МСЭ-Т G.8264 следует использовать специальные тестеры синхронизации. Эти устройства, поддерживающие SyncE и PTP, при тестировании синхронизации по сети SyncE измеряют блуждание фазы, генерируют его (для тестирования передачи блуждания фазы и устойчивости к нему), декодируют и генерируют сообщения ESMC. На рынке представлены разные модели этих тестеров, различающиеся функциональными возможностями и предназначенные для лабораторного или полевого тестирования.

Синхронизация на базе пакетов

Протокол PTP, соответствующий стандарту IEEE 1588v2, считается самым эффективным синхронизирующим решением, работающим поверх пакетной сетевой инфраструктуры. Он выполняет все требования по точности частотной, фазовой и временной синхронизации. Представляя собой решение типа «ведущий/ведомый» (master/slave), данный протокол обеспечивает очень точную синхронизацию времени — до нескольких сотен наносекунд. Для успешной работы протокола PTP вариация задержки пакетов (PDV) и асимметрия задержки пакетов должны находится в определенных пределах.

Телекоммуникационный профиль для частотной синхронизации

Данный телекоммуникационный профиль, определенный рекомендацией МСЭ-T G.8265.1, предназначен для обеспечения частотной синхронизации с использованием протокола PTP по не поддерживающим этот протокол существующим пакетным телекоммуникационным сетям. Используя одноадресные IP-пакеты, ведомые часы PTP, находящиеся далеко от центрального синхронизатора — ведущих часов PTP, называемых грандмастером, получают информацию, нужную для частотной синхронизации. Должны соблюдаться ограничения на PDV.

Профили для частотной и фазовой синхронизации

Для реализации этих профилей, определенных в рекомендациях МСЭ-Т G.8275.1 и G.8275.2, центральные ведущие часы PTP передают PTP-потоки по сети, все элементы которой поддерживают протокол PTP (G.8275.1) или этот протокол поддерживает только часть сетевых элементов (G.8275.2).

Для реализации частотной и фазовой синхронизации с гарантированным качеством в рекомендации МСЭ-Т G.8275.1 требуется, чтобы для уменьшения PDV все сетевые элементы имели функционал прозрачных или граничных часов PTP и поддерживали технологию SyncE. Выполнить это требование на существующей сети (где нет устройств с поддержкой SyncE и PTP) сложно и дорого. В рекомендации МСЭ-Т G.8275.2 содержится более мягкое требование: допускается, чтобы функционал граничных часов был только в части сетевых элементов. Для успешной синхронизации при использовании этих профилей нужно соблюдать ограничения по PDV и асимметрии задержки пакетов.

Центральные ведущие часы PTP

В большинстве современных сетей ведущие часы PTP расположены в центре сети, где находятся элементы ядра сети. При этом выбирается подходящая конфигурация ведущих часов, позволяющая обслуживать большое число удаленных клиентов на периферии сети, передавая PTP-сообщения ведомым часам PTP, интегрированным в клиентское оборудование или расположенным рядом с ним.

При таком подходе к синхронизации, чтобы достичь нужных ведомых часов, пакеты PTP обычно проходят через множество транзитных сетевых элементов. Данная архитектура системы синхронизации (см. Рисунок 4) эффективна для частотной синхронизации, поскольку только создаваемая сетью PDV должна быть ограничена.

Рисунок 4. Сеть с центральными ведущими часами PTP

Для обеспечения и поддержания точной фазовой синхронизации на периферии сети в соответствии с требованиями по синхронизации сетей LTE-TDD и LTE-Advanced нужно ограничение не только PDV, но и асимметрии задержки пакетов. В архитектуре с центральными ведущими часами PTP вся пакетная транспортная сеть должна поддерживать PTP, то есть каждый элемент сети должен работать как граничные или прозрачные часы, что проблематично обеспечить в большинстве ныне действующих сетей.

Лучший подход: распределенные мини-грандмастеры

Существует альтернативный подход к обеспечению синхронизации по протоколу PTP, предполагающий размещение недорогих мини-грандмастеров на периферии сети (см. Рисунок 5). При таком подходе средних характеристик производительности и емкости центральных ведущих часов PTP достаточно для обслуживания меньшего числа ведомых часов, каковыми для центральных ведущих часов являются мини-грандмастеры. Размещение их на первом уровне агрегации трафика позволяет начать распределение синхронизации по протоколу PTP ближе к местам установки ведомых часов (например, подключенных к базовым станциям).

Рисунок 5. Сеть с центральными ведущими часами PTP и мини-грандмастером

Передача пакетов PTP через небольшое число транзитных устройств между мини-грандмастером и ведомыми часами имеет два достоинства. Во-первых, это упрощает обеспечение надежности PTP-синхронизации, а во-вторых, избавляет от необходимости реализовывать поддержку PTP по всей сети.

Концепция APTS и автокалибровка

Согласно концепции APTS (Assisted Partial Timing Support), мини-грандамастер использует ГНСС в качестве первичного источника информации о времени, но при отказе своего приемника ГНСС может переключиться на опорный сигнал, восстановленный с использованием PTP-пакетов, посланных центральными ведущими часами PTP. Концепция APTS определена рекомендацией МСЭ-Т G.8275.2.

Использование синхронизации по сигналам ГНСС и сетевой PTP-синхронизации также обеспечивает автокалибровку алгоритма восстановления PTP. Автокалибровка используется для активной компенсации динамической асимметрии сети и мониторинга годности синхросигнала, восстановленного посредством PTP-синхронизации с центральными ведущими часами PTP.

Концепция APTS и автокалибровка значительно смягчают требование по использованию поддерживающих протокол PTP сетевых элементов на пути следования пакетов PTP от ядра до периферии сети.

Мониторинг качества синхронизации в пакетных сетях

Для оперативного выявления проблем с сетевой синхронизацией нужно постоянно контролировать параметры ее качества. Чтобы реализовать такой контроль, в ряд моделей оборудования PTP встроены функции пробника синхронизации. Существуют и внешние аппаратно-программные пробники. В рекомендации МСЭ-Т G.8273 предусмотрены активный и пассивный пробники синхронизации (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Варианты подключения активного и пассивного пробников синхронизации

Пассивный пробник контролирует качество синхронизации, получая трафик PTP, снимаемый с линии сети с помощью ответвителя. Возможен и вариант контроля с использованием сигнала 1PPS. В обоих случаях пассивный пробник выступает в роли «стороннего наблюдателя» за работой системы синхронизации. Активный же пробник участвует в обмене пакетами PTP и проводит измерения параметров качества синхронизации, передавая и принимая эти пакеты. Для гибкости установки на сетевые инфраструктуры желательно, чтобы встроенный пробник поддерживал работу в активном и пассивном режимах.

Лабораторное тестирование оборудования PTP

Тестирование ведомых часов для частотной синхронизации

Методы тестирования ведомых часов при использовании протокола PTP для частотной синхронизации представлены в Дополнении 6 в составе рекомендации МСЭ-Т G.8261. В данной рекомендации определены топологии испытательных стендов и 17 различных вариантов тестирования (тестовых примеров), моделирующих «поведение» сети. В каждом из вариантов тестирования измеряются параметры ОВИ, МОВИ, МООВИ, точность частоты, PDV, точность ToD. Результаты тестирования должны соответствовать сетевым ограничениям, изложенным в разделе 9 данной рекомендации.

Согласно МСЭ-Т G.8261, в качестве сети с коммутацией пакетов, по которой передаются пакеты PTP между ведущими часами и тестируемыми ведомыми часами, в составе испытательного стенда надлежит использовать «цепочку» из 10 коммутаторов GE с двумя генераторами фонового трафика — в прямом и обратном каналах. Построение модельной сети из десяти коммутаторов требует значительных временных и денежных затрат. К тому-же, ее параметры не воспроизводимы в различных реализациях. Лучше использовать специальный тестер синхронизации, имитирующий эти десять коммутаторов. Хорошим дополнением к указанным в рекомендации тестам является проверка работы ведомых часов PTP в реальных условиях. Для этого используется тестер синхронизации, способный захватывать профиль PDV в действующей сети и воспроизводить его в лаборатории.

Тестирование граничных часов для синхронизации времени и фазы

Для нормальной работы ряда технологий RAN (включая TDD-LTE и LTE-A) требуется высокоточная фазовая синхронизация базовых станций в дополнение к их частотной синхронизации (см. Таблицу 2). Но большинство современных сетей IP/Ethernet имеют слишком большие PDV и асимметрию задержки передачи пакетов для реализации высокоточной фазовой синхронизации по протоколу PPP. Чтобы обеспечить высокую точность фазовой PPP-синхронизации, нужно использовать граничные часы в сети, что и предусмотрено рекомендацией МСЭ-Т G.8275.1 (первый профиль для синхронизации времени/фазы).

Если точность синхронизации базовых станций должна быть ±1,5 мкс, то таким же является бюджет временной ошибки сети на пути от ведущих часов до ведомых. Этот бюджет состоит из постоянной временной ошибки (Constant Time Error, cTE) и динамической временной ошибки (Dynamic Time Error, dTE). В рекомендации МСЭ-Т G.8271.1 на 10 граничных часов и одни ведомые часы выделена часть cTE размером ±550 нс. Таким образом, cTE одних граничных часов должна быть в пределах ±50 нс. Если сTE какой-либо модели граничных часов находится в пределах ±100 нс, то можно последовательно соединить не более пяти таких устройств. Поэтому крайне важно точно измерять cTE граничных часов.

В рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 нормированы показатели генерации и передачи временной ошибки, устойчивости к временным ошибкам, а также Transients и Holdover performance. Эти параметры подлежат тестированию на соответствие требованиям данной рекомендации. Тестирование лучше проводить с помощью специального прибора, заменяющего собой целый стенд с тестовым оборудованием. Применение такого прибора упрощает процесс испытаний, способствует повышению точности и воспроизводимости результатов измерений.

Тестирование прозрачных часов

Прозрачные часы рассчитывают время (в наносекундах), в течение которого PTP-пакет находится внутри них, и помещают полученное значение времени в поле коррекции PTP-пакета. Используя это значение, ведомые или граничные часы эффективно устраняют PDV, добавленную прозрачными часами. Основная задача тестирования прозрачных часов заключается в измерении точности содержимого поля коррекции. Требуемая точность — не хуже 50 нс. Тестирование желательно проводить с помощью специального прибора, имитирующего работу ведущих и ведомых часов. Также для создания нагрузки на тестируемые прозрачные часы потребуется генератор трафика.

Полевое тестирование сетевой инфраструктуры

При необходимости перейти на новую технологию RAN, требующую высокоточной фазовой синхронизации базовых станций, сотовый оператор должен проверить готовность сетевой инфраструктуры к внедрению этой технологии. То есть важно знать, имеет ли сетевая инфраструктура, по которой будет передаваться PTP-трафик, нужный бюджет временной ошибки. Для этого рекомендуется использовать высокоточный портативный тестер синхронизации, который измеряет временную ошибку на PTP-потоках, работая в режиме монитора или ведомых часов PTP (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Проверка пригодности сети к высокоточной синхронизации фазы/времени

Портативный тестер должен быть оснащен приемником ГНСС и рубидиевым источником синхросигнала, чтобы обеспечить нужную точность измерения фазы при работе источника в режиме удержания, когда сигналы ГНСС недоступны. Подобный тестер нужен также для поиска неполадок в работе действующей системы сетевой синхронизации и ее аудита.