Процес синхронізації. Основні поняття та визначення

Тема: Процес синхронізації. Основні поняття та визначення

 

1. Необхідність синхронізації

Синхронізація - процес встановлення і підтримки певних часових співвідношень між двома і більше процесами.

Дві послідовності подій є синхронними, якщо відповідні події відбуваються в них одночасно.

Синхронізація – це засіб підтримки роботи всього цифрового обладнання в мережі зв’язку на одній середній швидкості. Для цифрового передавання інформація перетворюється в дискретні імпульси за допомогою імпульсно-кодової модуляції (дискретизація, квантування, кодування).

При передаванні імпульсів через цифрову мережу всі її компоненти повинні синхронізуватися. Синхронізація повинна існувати на трьох рівнях: бітова, на рівні канальних інтервалів та кадрова синхронізація.

Бітова синхронізація полягає в тому, що передавальний та прийомний кінці лінії працюють на одній тактовій частоті, тому біти зчитуються правильно. Для досягнення бітової синхронізації приймач може отримувати свої тактові імпульси з вхідної лінії. Бітова синхронізація включає такі проблеми як джиттер лінії передачі і густина одиниць. Ці проблеми виникають при пред’явленні вимог до  синхронізації та системи передавання.

Синхронізація канального інтервалу (time slot) з’єднує приймач з передавачем таким чином, щоб канальні інтервали могли бути розпізнані для вилучення даних. Це досягається шляхом використання фіксованого формату кадра для розділення байтів. Основними проблемами синхронізації на рівні канального інтервалу є час зміни кадра та знаходження втрати кадра.

Кадрова синхронізація викликана необхідністю узгодження по фазі передавача з приймачем таким чином, щоб можливо було визначити початок кадру. Кадром в сигналі DS1 або Е1 є група біт, що складається з 24 чи 30 байтів (канальних інтервалів) відповідно, і одного імпульсу кадрової синхронізації. Час кадру дорівнює 125 мкс.

 

Принципи синхронної комутації

Синхронні КС належать до класу ЦСК, тобто таких систем, які при забезпеченні з’єднання оперують тільки цифровими сигналами.

Переваги і концепція побудови ЦСК базується на наступних принципах:

1 – розподіл  часу (РЧ) роботи пристроїв між  сукупністю одночасно функціонуючих  джерел інформації, що дозволяє  за рахунок ефекту групування  значно скоротити в ЦСК об’єм комутаційного обладнання у порівнянні з системами комутації, які не використовують розподіл часу.

2 – інтеграція  систем комутації і передачі  означає, по суті, перенесення принципу  РЧ і на стик між цими  двома системами і, тим самим, ліквідацію індивідуальних для  кожного каналу ланцюгів.

 

 

Структурна схема стику для інтегрованих і неінтегрованих СК

 

1                                                                             1                        1                                                           1

        МП МП                                                 

...                                                           ...               …                                            …

 n      МП                                                    МП     m                        n                                                         m

                                                                     

 

неінтегрована система                                         інтегрована система

З порівняння схем видно, що суттєвий ефект від інтеграції досягається за рахунок виключення мультиплексорів, необхідних в неінтегрованих КС для просторового розподілу ланцюгів перед введенням їх в КС, а також за рахунок значного скорочення кількості лінійних блоків завдяки переходу індивідуальних блоків на групові, які обслуговують у режимі РЧ групу каналів даних. Кількість фізичних входів у системі з інтеграцією комутації і передачі визначається загальною кількістю поступаючих на неї групових трактів, а не індивідуальних ліній.

Основа для інтеграції СК і передачі – використання в ЦСК принципів багатократної комутації, яка означає розподіл каналів у КП не тільки по просторовій, але і іншим можливим ознакам (часу, адресі і ін.). А обов’язкова умова – використання в СП і КП однакової розподілювальної ознаки.

 

3 – Широке  використання елементів цифрової  техніки дозволяє знизити вартість  апаратури, підвищити її надійність  і експлуатаційні характеристики, зменшити габарити, витрати матеріалів  і електроенергії.

 

4 – Управління  по записаній програмі з використанням  швидкодіючих засобів обчислювальної  техніки значно зменшує час  встановлення з’єднання, підвищує гнучкість системи і можливості введення нових послуг, дозволяє автоматизувати процес експлуатації обладнання.

 

Переваги ЦСК найбільш повно реалізуються у синхронних ЦСК.

1 – Легкість  та природність реалізації в  них інтеграції функцій комутації  і передавання, основаної на використанні  в лінійних трактах однакового  з КП часового розподілу каналів. Отримуваний при цьому ТЕ ефект  залежить від кількості каналів, які об’єднуються в лінійний тракт. Так, лінійний тракт зі швидкістю передачі 1,544 Мбіт/с може об’єднувати до 480 каналів данних зі швидкістю передачі 2,4 кбіт/с. Для підключення цих каналів у КС необхідно 1 груповий блок. В асинхронних неінтегрованих ЦСК для цього потрібно було б 480 індивідуальних лінійних комплектів і мультиплексор для розподілу каналів на окремі ланцюги.

2 – значна  простота використовуваних КП, які  можуть бути побудовані на  основі тільки часового ступеню  комутації, виключаючи просторовий. Не дуже складний у цих системах  і сам процес комутації, який  не потребує після встановлення  з’єднання залучення будь-яких логічних ресурсів управляючих пристроїв і зводиться до перенесення через КП одного байту данних і виконання лише 3-5 (в залежності від варіанта побудови) циклічно повторюваних операцій з пам’яттю по запису та зчитуванню.

3 – В  цих системах вища вірність  передачі і можливо підвищити  швидкість в каналах, яка обмежується  лише швидкодією використовуваної  пам’яті часового ступеню комутації.  

 

2. Плезіохронна та синхронна цифрова ієрархія

Основою для ЦСП є швидкість 64 кбіт/с, а для передавання більш потужних потоків з високими швидкостями передачі використовують процедуру мультиплексування.

Мультиплексування – передача кількох сигналів (каналів) по одному тракту без взаємного впливу (ЧРК, ВРК(ПЦІ, СЦІ)).

В залежності від швидкості потоків виділяють ієрархічні рівні.

Цифрова ієрархія  –  впорядкована за певними правилами послідовність групоутворення, яка об’єднує на кожному рівні певну кількість сигналів нижчого рівня в один потік так, щоб потім цей сигнал разом з іншими цифровими сигналами з такою ж швидкістю міг бути об’єднаним в цифровий сигнал більш високого рівня.

ПЦІ – це стандартний ряд швидкостей (ієрархічних рівнів), рекомендованих МСЕ – Т для використання в цифрових мережах.

Починаючи з 1970 –х рр. ПЦІ стала міжнародним  стандартом цифрових систем передачі.

МСЕ-Т визначені дві ПЦІ, які мають різні швидкості, але побудовані за одним принципом:

- європейська  ПЦІ, основана на сигналі первинного  мультиплексування ІКМ Е1 зі швидкістю 2,048 Мбіт/с;

- північноамериканська  і японська ПЦІ, основані на  сигналі первинного мультиплексування  ІКМ  DS 1  зі швидкістю 1,544 Мбіт/с.

Один канал ІКМ зі швидкістю 64 кбіт/с позначається Е0.

 

 

Європейська ПЦІ

 

Рівень	Номін. швидкість, Мбіт/с	К-ть каналів	Примітка
Е1 1-й рівень	2.048	30	Первинне мультиплексування ІКМ
Е2 2-й рівень	8.448	120	Утворюється асинхронізм мульти-плексуванням 4-х сигналів Е1
Е3 3-й рівень	34.368	480	Утворюється асинхронізм мульти-плексуванням 4-х сигналів Е2
Е4 4-й рівень	139.264	1920	Утворюється асинхронізм мульти-плексуванням 4-х сигналів Е3
Е5 5-й рівень	564.992	7680	Утворюється асинхронізм мульти-плексуванням 4-х сигналів Е4

 

5-й рівень  визначений МСЕ як лінійна  система. Цей рівень є стандартним  тільки з точки зору формату  циклу, але внутрішньостанційний  електричний інтерфейс не стандартизований. Тому він іноді розглядається  як доповнення до стандартної  ієрархії ПЦІ.

Цифрові ієрархії, стандартизовані в Північній Америці і Японії, основані на сигналі первинного мультиплексування ІКМ на 24 тел. канали  з швидкістю 1544 Мбіт/с. Правила кодування і квантування аналогового сигналу також відрізняються від Європейського.

Вищі ієрархічні рівні, як і в Європейських системах, утворюються шляхом асинхронного цифрового мультиплексування з чергуванням бітів, але при побудові ієрархій використовуються інші правила.

Сигнали різних ієрархічних рівнів позначаються як Dsi (digital signal – цифровий сигнал). Тільки перші 3 рівні Північноамериканської ієрархії і 4 рівні Японської (перші 2 рівні однакові) повністю стандартизовані МСЕ-Т. Іноді один канал ІКМ зі швидкістю 64 кбіт/с позначається як DS0.

Системи ПЦІ призначені для задоволення потреб абонентів у звичайному телефонному зв’язку, який надає телефонна мережа загального користування. Вона в недостатній мірі підходить для якісного передавання інформації і управління з’єднаннями з широкою смугою пропускання. Оператори мережі, основаної на плезіохронних системах передавання не взмозі задовольнити потреби абонентів у більш складних послугах (відеоконференція, засоби передачі данних, дистанційний доступ до баз данних). Для задоволення цих послуг необхідна гнучка мережа.

Тому для роботи на більш високих швидкостях було впроваджено стандарт СЦІ, але інтерфейси ПЦІ ще довго будуть використовуватись. Цикли СЦІ розроблені з урахуванням розміщення всіх типів сигналів ПЦІ для забезпечення повної взаємодії мереж ПЦІ і СЦІ.

В 1970 році в США була розроблена система SYNTRAN (SYNchronous TRANsmission – синхронна передача). Ця система базувалася на синхронному цифровому мультиплексуванні 28 компонентних потоків зі швидкістю 1,544 Мбіт/с і фіксованим розміщенням октетів у циклі для того, щоб забезпечити прямий доступ до каналів ІКМ. Швидкість групового сигналу відповідала сигналу 3-го рівня DS3 північноамериканської ієрархії ПЦІ (44736 Мбіт/с).

Основні проблеми: складна структура циклу, недостатній для службових функцій розмір заголовка і, що важливіш за все, неможливість знищення проковзувань у відсутність мережної синхронізації.

На початку 1980-х років в американській лабораторії BELL CORE було розроблено нову синхронну цифрову ієрархію, названу синхронною оптичною мережею СОНЕТ (Synchronous Optical NETwork – SONET), великого успіху яка досягла завдяки модернізації мережі синхронізації AT&T.

В 1986 році за пропозицією США в МСЕ-Т почали створювати новий міжнародний стандарт синхронізації цифрової ієрархії (СЦІ), оснований на американському стандарті СОНЕТ, але з деякими доробками.

Між СЦІ і СОНЕТ наступні відмінності:

- для  розширення можливостей СЦІ, крім сигналів японської і північноамериканської ПЦІ, як в СОНЕТ додані нові схеми завантаження компонентних потоків сигналів Європейської ПЦІ і дуже широкого спектру різних сигналів;

- для  забезпечення завантаженості сигналу  Е4 (139,263 Мбіт/с), широко розповсюдженого  при використанні європейських  ПЦІ, швидкість 1-го рівня СЦІ була  вибрана рівною 155, 520 Мбіт/с –  в 3 рази більшого, ніж у СОНЕТ (51, 840 Мбіт/с);

- фізичний  інтерфейс СЦІ був визначений  для трьох різних середовищ  передавання: оптичного волокна, радіорелейних  систем і коаксіального кабелю, а СОНЕТ використовував лише  оптичне волокно.

 

Ієрархічні рівні СЦІ і СОНЕТ

Цикли різних стандартних рівнів СЦІ наз. синхронними транспортними модулями рівня N (STM-N) при N=1,4,16,64,... Швидкість кожного рівня отримується шляхом множення основної швидкості STM -1 (155, 520 Мбіт/с) на N.

Для сигналів ієрархії СОНЕТ використовуються інші позначення. Сигнали наз. синхронними транспортними сигналами рівня N (STS-N) при N = 1,3,12,48,192,... Основна швидкість сигналу STS-1 (51, 840 Мбіт/с) складає одну третю швидкості STM-1. Швидкості вищих рівнів отримуються шляхом множення базової швидкості STS-1 на N. Крім того, оптичні сигнали СОНЕТ наз. оптичними каналами рівня N (ОС- N).

СЦІ здатна розширити корисну смугу пропускання, не дивлячись на скорочення кількості обладнання на мережі. Вона сумісна з існуючими плезіохронними системами і визначає структуру, яка комбінує плезіохронні сигнали і вводить їх в стандартний СЦІ-сигнал.

 

 

 

 

3. Системи синхронізації

Система синхронізації – це сукупність технічних засобів, що визначають початок і кінець прийнятих посилок, швидкість передачі і регулювання цієї швидкості з метою підтримки синхронного стану.

Для нормальної роботи системи синхронізації необхідне надходження синхроінформації на вхід приймача. Ця інформація може передаватися по окремому вузькосмуговому каналу, або виділятися із самого повідомлення.

Більш поширені – другі.

Для правильного підходу до питання синтезу систем синхронізації необхідно дотримуватися основних вимог, яким повинні задовольняти ці системи:

- точність  синхронізації – характеризує  відносну величину відхилення  опорного сигналу від прийнятого;

- час  фазування – визначається як  максимальний час входження в  синхронізм як при первинній  неузгодженості, так і при перервах  у роботі;

- збереження  синфазності при короткочасних  перервах зв’язку;

- незалежність  точності синхронізації від передаваємої  інформації;

- швидка  зміна фази опорного сигналу  при зміні фази приймаємих  посилок.

 

 Класифікація систем синхронізації.

В лініях зв’язку інформація передається блоками визначеної довжини, які складаються з елементарних посилок. Частина розрядів призначена для розміщення корисної інформації, а частина – допоміжної, такої, що виконує функції фазування, захисту від помилок і т. ін.

Відповідно до цього розрізняють синхронізацію двох типів:

• блоків інформації – циклову синхронізацію;
• елементарних посилок – тактову.

Ці дві задачі вимагають побудови двох різних систем синхронізації. Характерна риса систем синхронізації по циклам – необхідність передачі спеціальної синхроінформації. Класифікацію систем циклової синхронізації проводять в залежності від того, яким чином ця інформація передається по каналу зв’язку.

 

 

 

 

 

 

Системи тактової синхронізації є системами автоматичного регулювання. Тому теорія автоматичного регулювання може слугувати теоретичною основою для дослідження їх властивостей (статичних і динамічних). Це дозволить аналізувати одразу цілий ряд систем, які відносяться до одного класу.

 

 

 

 

 

 

У розімкнених алгоритм управління виробляється на основі заданого алгоритму функціонування і не контролюється іншими факторами – збуреннями чи вихідними координатами процесу;

У замкнених (системах з управлінням за відхиленням) корективи в алгоритм управління вносяться по фактичному значенню координат в системі;

У комбінованих використовується як принцип регулювання по відхиленню, так і принцип регулювання по зовнішньому впливу – керуючий, або обурюючий.

 

 

3.Основи побудови сучасної системи синхронізації.

 

Сучасна концепція побудови системи синхронізації характеризується повномасштабним впровадженням інтегральних систем синхронізації (ІСС).  Структура ІСС складається з трьох підсистем:

- підсистеми  міжвузлової синхронізації (ПМС) (Interoffice Timing);

- підсистеми  внутрішньовузлової синхронізації (ПВС) (Intraoffice Timing);

- підсистеми контролю та управління якістю синхронізації (ПКУ).

 

 

 

TMN – мережа управління телекомунікаціями

 

Підсистема міжвузлової синхронізації передбачає розміщення в ключових вузлах мережі пристроїв синхронізації та побудову мережі розподілення сигналів синхронізації. Вона є основою для будь-якої системи синхронізації, а отже, найважливішою ланкою при проектуванні, будівництві та експлуатації як мережі синхронізації, так і мережі телекомунікацій. ПМС має власну топологію, яка може відрізнятися від топології мережі телекомунікацій, але тісно пов'язана з її структурою та розмірами. В процесі розширення та реконфігурації основної мережі телекомунікацій мережу ПМС також слід змінювати та модернізувати.

 

Підсистема внутрішньовузлової синхронізації визначає порядок синхронізації різних цифрових пристроїв в межах одного мережного вузла, тобто має більш локальне значення порівняно з ПМС. До складу ПВС можуть входити як окремі виділені пристрої синхронізації, так і вбудовані в окремі цифрові пристрої даного мережного вузла. На відміну від підсистеми міжвузлової синхронізації, яка проектується, будується та системно обслуговується з урахуванням топології та процесів, що відбуваються в мережі телекомунікацій, ПВС створюється локально у прив'язці до конкретного вузла мережі.

Обидві підсистеми будуються на базі єдиного типу виділеного пристрою синхронізації (SSU).

 

Підсистема контролю та управління якістю синхронізації призначена для управління, діагностики та контролю якості сигналів синхронізації.

Через високий рівень вимог до параметрів якості та надійності національної інтегрованої системи синхронізації оператори мережі зв'язку повинні постійно контролювати її стан.

З цією метою створюється система управління, інтегрована в загальну платформу TMN, тому оператор має можливість контролювати стан системи синхронізації та виконувати її реконфігурування в режимі реального часу.                     

Особливо важливі функції виконує система управління мережею синхронізації (СУМС) в процесі реконфігурування мережі синхронізації. Для цього у цифрових мережах, створених на базі технологій SDH, використовуються сигнали, що відображають інформацію про якість сигналів синхронізації (SSM).

 

Важливою особливістю інтегрованої системи синхронізації є необхідність регулярних вимірювань якості сигналів синхронізації. Досвід показує, шо точний розрахунок параметрів сигналів синхронізації для мережі з 20-30 вузлами з урахуванням резервування каналів є дуже складною задачею, розв'язання якої без сучасної системи автоматичного проектування (САПР) практично неможливе. Разом з тим донині системи САПР, які мають використовуватися при проектуванні мережі синхронізації, не знайшли широкого застосування на практиці, оскільки ше самі перебувають у стадії формування.

Тому проектувальники мережі синхронізації та системні фахівці, як правило, використовують оціночні методи аналізу параметрів сигналів синхронізації в конкретній мережі телекомунікацій. Такі методи не дають точного значення параметрів сигналів синхронізації й упевненості в тому, що вибір топології мережі синхронізації є оптимальним. У цьому разі при створенні інтегрованої системи синхронізації має застосовуватися метод ітерацій. Спочатку створюється спеціальна система, накладена на існуючу мережу телекомунікацій. Топологія цієї системи вибирається на базі існуючих рекомендацій ITU, параметри сигналів синхронізації розраховуються оціночно. Потім вимірюються параметри сигналів синхронізації в ключових точках. За одержаними результами вимірювань коригуються раніше прийняті технічні рішення щодо створення мережі синхронізації.

Таким чином, вимірювання стають дуже важливим компонентом інтегрованої системи синхронізації, яка динамічно розвивається.

Для вирішення більшості проблем, що виникають при проектуванні, експлуатації та розвитку системи синхронізації, потрібно створити єдину систему контролю та управління, котра виконуватиме функції контролю за якістю сигналів синхронізації, а також функції діагностики та тестування параметрів системи з використанням відповідних спеціалізованих вимірювальних компонентів.

 

4. Сигнали синхронізації.

 

Сигнал (в теорії інформації та зв’язку) — матеріальний носій інформації, що використовується для передавання повідомлень по системі зв’язку. Сигналом може бути будь-який фізичний процес, параметри якого змінюються у відповідності з передаваємим повідомленням.

Цифрови́й сигна́л — дискретний сигнал з певним значенням інформативного параметра, яке визначається у цифровій формі. Цифрові сигнали є цифровим зображенням дискретного сигналу, який часто добувається шляхом квантування аналогового сигналу.

Цифрові сигнали бувають: ізохронні, анізохронні.

Ізохронний цифровий сигнал – сигнал, у якого часові інтервали між значущими моментами мають в середньому однакову тривалість, або тривалості, кратні найменшій з них. Стандартні цифрові сигнали завжди ізохронні (наприклад, 2,048 Мбіт/с в коді HDV3).

Анізохронний сигнал не є ізохронним. Наприклад, сигнал, в якому 1 і 0 кодуються імпульсами різної змінної довжини.

 

Синхронними називають два ізохронних сигнали, якщо відповідні їм тактові сигнали мають в середньому однакову частоту, а фазове співвідношення точно контролюється (тобто зсув фази Δφ= const).

Два цифрових сигнали є асинхронними, якщо вони не синхронні.

Мезохронні цифрові сигнали – це ізохронні асинхронні сигнали, для яких відповідні їм тактві сигнали мають в середньому однакову частоту, але фазове співвідношення не контролюється.

Плезиохронні – це ізохронні асинхронні цифрові сигнали, для яких відповідні їм тактові сигнали тільки номінально мають однакові значення частоти. Фактичні значення частоти розрізняються в межах заданого допустимого діапазону.

Гетерохронні – ізохронні, асинхронні сигнали, для яких відповідні їм тактові сигнали мають різні номінальні частоти.

Асинхронний режим передавання – коли джерела інформації взаємно асинхронні, і інформація розділяється на інформаційні блоки, які передаються в незалежні моменти часу з  інтервалами, які залежать від вимог джерела.

         Синхронний режим – коли джерела інформації взаємно синхронні, тобто можуть почати передавання своїх інформаційних блоків тільки в призначені часові інтервали. Має місце особливий випадок, коли слова фіксованого розміру передаються періодично (ІКМ).

Синхросигнал може бути визначений як неперіодичний або псевдоперіодичний сигнал, який використовується для управління цифровими сигналами в часі.

Відновлення синхронізації – процес виділення синхросигналу з прийнятого цифрового.

Типові форми сигналів синхронізації - синусоїдальна і прямокутна:

 

Синхросигнал можна представити послідовністю імпульсів з періодом Т в характерні моменти, які наз значущими. В ці моменти синхросигнал ініціює управляє мий процес. Для простоти в якості значущих моментів може бути вибрані моменти, які легко визначаються, наприклад, моменти, в які синхросигнал приймає нульові значення.

Регулярний синхросигнал – ізохронний тактовий сигнал з усіма очікуваними значущими моментами, рівномірно розподіленими в часі. Всі цифрові сигнали, які переносяться в мережах зв’язку, синхронізується такими регулярними сигналами.

 

 

Нерегулярний синхросигнал отримують з регулярного, вставляючи пропуски там, де в регулярному сигналі повинен бути імпульс. Це також ізохронний сигнал. Він має більш низьку середню частоту в порівнянні з регулярним, з якого він отриманий, але має такий же тактовий період (максимальну швидкість проходження тактів). Використовується при синхронізації вставок компонентних бітів в груповому сигналі.

Одиничний інтервал – номінальний часовий інтервал між послідовними значущими моментами ізохронного сигналу або самий короткий інтервал, якщо інтервали є кратними цілими числами.

 

Для формування синхросигналу (СС) використовується спеціальна кодова група, яка називається синхрогрупою (СГ).

СС формується на передавальному боці і передається разом з інформацією по лінійному тракту.

СС характеризується: структурою, часовим положенням в циклі та довжиною.

Ці параметри визначаються вибраною СП, виходячи з вимог до завадостійкості, можливостями забезпечення пропускної спроможності і мінімальної надлишковості заданих характеристик на час встановлення синхронізації.

Синхрогрупи класифікуються:

• по кількості символів: багатосимвольні, односимвольні;
• по структурі (характеру чергування імпульсів та пропусків);
• по розподілу символів в циклі передачі: зосередженні, розосередженні.

 

Багатосимвольні розосередженні і зосередженні СГ

 

 

СС по своїм властивостям повинен відрізнятися від інформаційного своєю особливістю, яка заключається в періодичному виникненні СС зі структурою S в кожному циклі передавання. На прийомному боці пристрій синхронізації, виділяючи синхросигнал з прийнятого сигналу, забезпечує синфазну роботу.