Synchronizacja w SDH/SONET

Synchronizacja zegarów w sieci cyfrowej

Sieć telekomunikacyjna łączy multipleksery, przełącznice i regeneratory. Agregacja strumieni zwiększa łączną przepływność, a każdy element korzysta z odniesienia częstotliwości zgodnego z pozostałymi elementami. Zgodne taktowanie wyznacza chwile próbkowania, zapisu i odczytu danych. Proces utrzymywania tej zgodności w całej sieci nazywa się synchronizacją.

We wcześniejszych sieciach PDH, urządzenia miały własne, „prawie synchroniczne” zegary, których różnice wymagały mechanizmów dopasowania i zwiększały złożoność multipleksacji. SDH/SONET zaprojektowano jako system synchroniczny, w którym zegary elementów sieci są podporządkowane hierarchii źródeł odniesienia, a ich śledzenie prowadzi do PRC. W rozległej sieci utrzymanie tej hierarchii oraz obsługa awarii łączy pozostają zadaniem inżynieryjnym.

Skutki różnic częstotliwości zegarów

Odbiornik korzysta z lokalnego zegara, aby wyznaczać chwile próbkowania sygnału i rozpoznawać wartości 1 oraz 0. Różnica fazy lub częstotliwości między zegarami nadajnika i odbiornika przesuwa te chwile i może powodować błędy regeneracji.

Przepełnienie i opróżnienie bufora

Urządzenie odbiorcze wykorzystuje bufor pamięci do kompensowania niewielkich różnic taktowania. Dane zapisuje się w nim zgodnie z odtworzonym zegarem nadawcy, a odczytuje zgodnie z lokalnym zegarem odbiornika.

• Przepełnienie (Overflow): Jeśli zegar nadawcy jest szybszy niż zegar odbiornika, dane przybywają szybciej, niż są odczytywane. Bufor może się przepełnić, a część przychodzących danych zostanie utracona.
• Opróżnienie (Underflow): Jeśli zegar nadawcy jest wolniejszy niż zegar odbiornika, dane są odczytywane szybciej, niż przybywają. Bufor może się opróżnić, a odbiornik odczyta ponownie stare dane lub zarejestruje błąd.

Poślizgi przy niedopasowaniu zegarów

Gdy różnica szybkości zapisu i odczytu powoduje przekroczenie pojemności bufora, występuje poślizg (ang. slip). W rozumieniu ITU-T G.810 poślizg jest powtórzeniem albo usunięciem bloku bitów w strumieniu synchronicznym lub plezjochronicznym. Mechanizm może usuwać dane przy przepełnieniu albo powtarzać dane przy opróżnieniu, aby przywrócić właściwe położenie bufora. W PDH poślizg wiąże się z granicą ramki lub oktetu, natomiast w SDH przetwarzanie wskaźników ogranicza wpływ różnic taktowania w sieci transportowej, a poślizgi mogą wystąpić na interfejsach plezjochronicznych. Poślizg pozostaje uszkodzeniem danych, a jego skutek zależy od usługi:

• Nieskompresowana mowa (telefonia): Pojedynczy poślizg może być słyszalny jako „trzask” lub „pyknięcie”. Krótki artefakt nie musi przerwać rozmowy.
• Dane faksu lub modemu: Poślizg może wprowadzić serię błędów do fragmentu transmisji, a protokół może zażądać ponowienia tego bloku danych.
• Skompresowane wideo: Uszkodzenie bajtu w strumieniu z kompresją międzyramkową może wywołać bloki lub zamrożenie obrazu. Zniekształcenie może utrzymywać się nawet przez kilka sekund, do chwili odtworzenia następnej pełnej ramki odniesienia.

ITU-T G.822 definiuje cele kontrolowanego współczynnika poślizgów dla międzynarodowych połączeń cyfrowych 64 kbit/s, w tym dopuszczalną liczbę poślizgów w ciągu 24 godzin. ITU-T G.821 dotyczy efektywności błędowej, dlatego właściwym odwołaniem dla liczby poślizgów jest G.822. Cele tej rekomendacji wymagają kontroli stabilności taktowania na całej trasie i w każdym uczestniczącym urządzeniu.

Jitter i wander

Poślizg może powstać, gdy różnica fazy lub częstotliwości prowadzi do przekroczenia pojemności bufora. Niezależnie od tego ITU-T G.810 opisuje krótko- i długookresowe zmiany chwil znaczących sygnału, czyli fluktuacje fazy, względem pozycji idealnych. Podział według częstotliwości granicznej 10 Hz prowadzi do dwóch kategorii:

Hierarchia synchronizacji SDH/SONET

Aby ograniczyć poślizgi, jitter i wander, SDH/SONET stosuje hierarchiczną strategię synchronizacji typu master-slave. Zgodnie z ITU-T G.803 zegary elementów sieci są śledzone do PRC zgodnego z G.811, a niższe poziomy korzystają z referencji tego samego lub wyższego poziomu. W obrębie stacji taktowanie może być rozprowadzane z zegara nadrzędnego w układzie logicznej gwiazdy, natomiast między stacjami hierarchia ma strukturę zbliżoną do drzewa. Węzeł może mieć kilka wejść odniesienia i zmieniać aktywną referencję po awarii. Taka topologia ogranicza konflikty oraz pętle synchronizacyjne.

Poziom 1: pierwotny zegar odniesienia (PRC)

Na szczycie hierarchii znajduje się PRC, czyli pierwotny zegar odniesienia dla sieci krajowej lub regionalnej.

• Funkcja: PRC dostarcza stabilny i dokładny sygnał odniesienia. W nomenklaturze poziomów jakości odpowiada mu $\mathrm{Stratum}\ 1$. G.811 wymaga długoterminowej dokładności częstotliwości co najmniej $1 \times 10^{-11}$ oraz sprawdzania odniesienia względem UTC.
• Technologia: PRC może być autonomiczny albo dyscyplinowany precyzyjnym sygnałem radiowym lub satelitarnym odniesionym do UTC. W praktyce stosuje się zegary atomowe, w tym cezowe, oraz odbiorniki GNSS, w tym GPS, którego satelity korzystają z zegarów atomowych. W Polsce Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM generuje UTC(PL) oraz wyznacza czas urzędowy.
• Wymagania: Stabilność PRC wymaga kontrolowanych warunków pracy, w szczególności ograniczenia wpływu temperatury, wilgotności i drgań na zegar.

Poziom 2: jednostka dostarczania synchronizacji (SSU)

SSU to wysokiej jakości zegar podrzędny instalowany w głównym węźle sieci, na przykład w centrali. W terminologii północnoamerykańskiej podobną funkcję pełni BITS.

• Funkcja: SSU odbiera zwykle wiele sygnałów odniesienia z PRC lub innego SSU. Wybiera aktywne wejście, tłumi jitter i wander, a następnie rozprowadza odtworzone taktowanie w obrębie węzła.
• Tryb podtrzymania (holdover): Jeśli SSU utraci wszystkie zewnętrzne referencje, przechodzi w tryb holdover. Wewnętrzny oscylator utrzymuje działanie w granicach parametrów określonych dla danego typu SSU przez wymagany czas podtrzymania. Węzeł zachowuje synchronizację do momentu przywrócenia referencji albo przekroczenia tego czasu.

Poziom 3: zegar urządzenia synchronicznego (SEC)

SEC to zegar synchroniczny w elemencie SDH/SONET, na przykład w multiplekserze dodająco-odejmującym albo przełącznicy.

• Funkcja: SEC pobiera taktowanie z przychodzącego łącza STM/OC albo z dedykowanego wyjścia SSU. Odzyskany zegar steruje operacjami wewnętrznymi i transmisją wychodzącą. SEC pozostaje zegarem podrzędnym względem wybranej referencji.

Komunikat statusu synchronizacji (SSM)

Komunikat statusu synchronizacji (SSM) przekazuje informację o jakości źródła taktowania. Na jego podstawie element sieci może porównać dostępne źródła i wybrać źródło spełniające przyjęte kryteria jakości.

W ramce SDH czterobitowy kod SSM zajmuje bity 5-8 bajtu S1 w nagłówku sekcji multipleksowej MSOH, przy czym bit 5 jest najstarszym bitem kodu. Poniższa tabela przedstawia kody poziomów jakości dla opcji I określone w ITU-T G.781.

Element sieci monitoruje kody SSM na wejściach i uwzględnia je przy wyborze referencji. Po utracie aktywnego źródła może wybrać inne o dopuszczalnej jakości. Wartość QL-DNU oznacza, że sygnału nie wolno używać do synchronizacji, ponieważ jego ponowne wykorzystanie może utworzyć pętlę synchronizacyjną.