Podręcznik

1. Wstęp

Synchronizacja jest niezmiernie ważna we współczesnej telekomunikacji. Słowo synchronizacja pochodzi od greckiego słowa synchronous (jednoczesny)  i oznacza zgranie w czasie, doprowadzenie do jednoczesności, np. występowania pewnych zjawisk.  W telekomunikacji synchronizacja dotyczy częstotliwości, fazy i czasu, i tylko w przypadku synchronizacji  czasu zależy nam na jednoczesności, a dokładniej na tym by niezależnie od położenia czas był taki sam, np. czas UTC.   

2. Synchronizacja czasu

Synchronizacja czasu ma coraz to większe znaczenie, głównie za sprawą rozwoju Internetu i komputeryzacji życia. Zakupy w sklepach internetowych, operacje na giełdzie, terminy urzędowe i wiele innych wymaga precyzyjnego określania czasu. W takich przypadkach wystarczająca jest dokładność na poziomie milisekund. Okazuje się jednak, że taka dokładność nie jest wystarczająca, szczególnie w niektórych rozwiązaniach telekomunikacyjnych, w których nanosekundowa, a nawet dokładniejsza precyzja określania czasu jest wymagana.  

 

Rys. 4.1. Czas referencyjny a czas rzeczywisty

W uproszczeniu można powiedzieć, że czas jest zsynchronizowany, jeżeli zegary w dowolnej lokalizacji pokazują dokładnie to samo, to tak jakby wszystkie zegary na świecie pokazywały idealnie ten sam czas.  Osiągnięcie stanu synchronizacji czasu wymaga najpierw ustawienia wszystkich zegarów na ten sam czas. Zegary mają własne i niezależne wzajemnie układy taktowania, a to oznacza, że odmierzane przez nie czasy stopniowo mniej lub bardziej będą się różnić. Ilustruje to rysunek 4.1, na którym idealnie upływający czas jest reprezentowany przez półprostą oznaczoną jako czas referencyjny (czas odniesienia) T_ref , a czas odmierzany przez jakiś przykładowy zegar jest reprezentowany krzywą T. Synchronizacja czasu polega na stałym korygowaniu pracy zegara, tak, by różnica w odniesieniu do zegara referencyjnego  była jak najmniejsza. Jeżeli zegar pracuje z dokładnością, np. 100 μs, to nigdy różnica, ta co do wartości bezwzględnej nie będzie większa od 100 μs. Ponieważ lokalizacja zegara referencyjnego jest inna niż lokalizacje pozostałych zegarów to zsynchronizowanie ich z zegarem referencyjnym wymaga przesyłania w jakiś sposób odpowiednich informacji/sygnałów wykorzystywanych do synchronizacji czasu. Precyzyjna synchronizacja czasu wymaga by przesyłając informacje o czasie z zegara referencyjnego uwzględniać również wpływ opóźnienia wprowadzanego w łączu transmisyjnym.  

Rys. 4.2. Przesyłanie sygnału czasu w sieciach komputerowych – protokół NTP

W sieciach komputerowych do przesyłania informacji o czasie jest stosowany protokół NTP. Informacja o czasie jest zawarta w 64 przesyłanych bitach. 32 z nich niosą informacje o sekundzie (licząc od 1 stycznia 1900 roku), a następne 32 bity o ułamku sekundy (z dokładnością pikosekundową). Źródłem informacji o czasie jest serwer NTP. Serwer NTP pobiera informacje o czasie z jakiegoś źródła czasu. Najlepsze źródła sygnału czasu referencyjnego – czasu UTC – korzystają przede wszystkim z atomowych wzorców czasu (stratum 0), ale nie jest to konieczne. Możliwe jest korzystanie, np. z sygnału wysyłanego przez satelity systemu lokalizacyjnego GPS. Od tych serwerów (stratum 0) sygnał czasu jest przesyłany do kolejnych serwerów NTP (stratum1) itd., aż do najniżej stojących w hierarchii serwerów NTP (stratum15).  Struktura sieci przesyłania sygnału czasu jest typu master-slave (z góry na dół) - rysunek 4.2. Im dalej od serwera NTP pobierającego informację o czasie ze źródła klasy stratum 0, tym dokładność jest coraz to mniejsza. W przypadku serwerów stojących najniżej w hierarchii (stratum 15) jest to dokładność nie lepsza niż kilka milisekund. Pogarszanie dokładności jest konsekwencją opóźnień w wyniku transmisji. Transmisja pakietowa z wykorzystaniem protokołu TCP IP cechuje się nie tylko zmiennym, ale i niekiedy dużym opóźnieniem. Z tego powodu serwery NTP stojące niżej w hierarchii mogą równocześnie korzystać z kilku źródeł sygnału czasu i uśredniać wynik, biorąc pod uwagę informacje docierające z różnych stron z różnym opóźnieniem. W szczególności, gdy opóźnienie to jest duże i przekracza 125 ms stosuje się skokową korektę czasu. Należy podkreślić, że synchronizacja czasu za pomocą protokołu NTP jest realizowana softwarowo.  

Chcąc poprawić dokładność synchronizacji czasu i nie tylko w sieciach komputerowych wprowadza się coraz powszechniej protokół PTP, który daje dokładność nanosekundową i lepszą. Osiągniecie takiej dokładności jest możliwe dzięki zastąpieniu softwarowej synchronizacji, synchronizacją hardwarową. Wprowadzenie protokołu PTP wymaga zatem wymiany urządzeń sieciowych. Osiągnięcie wspomnianej precyzji jest możliwe dzięki uwzględnianiu opóźnienia w torze transmisyjnym. Do zagadnienia tego powrócimy jeszcze omawiając pakietowe sieci transmisyjne, tak zwanego synchronicznego Ethernetu.

Synchronizacja czasu w obszarze telekomunikacji jest ważna z powodów ekonomiczno-prawnych, ale także z powodów czysto technicznych. W przypadku niektórych rozwiązań systemowych synchronizacja czasu również musi mieć miejsce i nie musi chodzić tu o synchronizację z czasem UTC. Ilustruje to poniższy przykład.

W przypadku synchronizacji czasu o dokładności decydują dwie rzeczy, a mianowicie dokładność informacji o czasie  jaką dysponuje zegar synchronizowany oraz parametry taktowania zegara wewnętrznego w urządzeniu. W uproszczeniu można powiedzieć, że proces synchronizacji czasu jest podobny do synchronizowania zegarka naręcznego. Wewnętrzny układ taktowania zegarka nie pracuje idealnie i dlatego co pewien czas trzeba przestawić wskazówki takiego zegarka. Informację o czasie, by przestawić wskazówki zegarka możemy uzyskać z różnych źródeł, np. z komunikatów Głównego Urzędu Miar w Warszawie. GUM podaje informacje o czasie i częstotliwości wzorcowej. Gdyby układ taktowania zegarka pracował zgodnie z częstotliwością wzorcową podawaną przez GUM to wystarczyłoby raz ustawić wskazówki zegarka na właściwą odzinę i zawsze pokazywałby on czas zgodny z czasem z GUM – synchronizacja czasu byłaby wtedy niepotrzebna.  

3. Synchronizacja częstotliwości

W urządzeniach telekomunikacyjnych i komputerowych używa się słowa zegar (clock) mając na myśli zegar pokazujący czas lub układ taktujący, pracujący z pewną nominalną częstotliwością. Teraz zajmiemy się zagadnieniami synchronizacji częstotliwości taktowania takiego układu, dalej nazywanego też zegarem.  

W przypadku synchronizacji częstotliwości, tak jak i w przypadku synchronizacji czasu kluczowe znaczenie ma stabilność pracy zegara. Jest wiele parametrów i funkcji opisujących jakość tych zegarów. Tu podamy tylko kilka wybranych:

• błąd czasu x(t), to różnica między czasem T(t) badanego zegara, a czasem referencyjnym T_ref:

$x\left(t\right)=T\left(t\right)-T_{ref}$

• błąd przedziału czasu TIE(t,τ), to różnica upływu czasu w zadanym przedziale między zegarem badanym a zegarem referencyjnym:

$TIE\left(t,\tau\right)=x\left(t+\tau\right)-x(t)$

• funkcja maksimum błędu przedziału czasu MTIE(τ) to maksymalna wartość błędu przedziału czasu TIE(t,τ), gdy $t\in[0;t_{max}]$:

${MTIE\left(\tau_m\right)={max}_{0\le t\le t_{max}}\ {max}_{0\le\tau\le\tau_m}\left|TIE(t,\tau\right|}$

Współcześnie najczęściej operuje się czasem dyskretnym, a nie ciągłym. 
Wyznaczmy funkcje TIE i MTIE, jeżeli błąd czasu x(t) przyjmuje następujące wartości: 
x(0)=0, x(1)=2, x(2)=-1, x(3)=0, x(4)=1, x(5)=3, x(6)= 5.
TIE(0,0)=0 ;   MTIE(0)=0
TIE(0,1)=2, TTIE(1,1)=-3, TIE(2,1)=1, TIE(4,1)=1, TIE(5,1)=2;   MTIE(1)=3, 
TIE(0,2)=-1, TIE(1,2)=-2, TIE(2,2)=2, TIE(3,2)=3, TIE(4,2)=4;    MTIE(2)=4
TIE(0,3)=0, TIE(1,3)=-1, TIE(2,3)=4, TIE(3,3)=5 ;     MTIE(3)=5
TIE(0,4)=1, TIE(1,4)=1, TIE(2,4)=6 ;   MTIE(4)=6
TIE(0,5)=3, TIE(1,5)=2;   MTIE(5)=6,  
TIE(0,6)=5    ale   TIE(2,4)=6   MTIE(6)=6.

Na podstawie funkcji błędu przedziału czasu i funkcji maksimum błędu przedziału czasu można wysnuć pewne wnioski o cechach zegara. Na przykład, jeżeli funkcja TIE dla zadanego przedziału czasu jest funkcją rosnącą to zegar przyspiesza. Jeżeli zegar przyspiesza to funkcja MTIE rośnie nieograniczenie. Gdy funkcja MTIE rośnie w funkcji przedziału czasu do pewnej wartości a potem się nie zmienia to oznacza, że średnia częstotliwość taktowana zegara jest stała, ale okresowo występują jej wahania.
Niestabilna praca zegara taktującego może mieć negatywny wpływ na jakość usług telekomunikacyjnych. 

Odtwarzanie sygnałów rozmównego zakodowanego techniką PCM, gdy zegar pracuje nierównomiernie będzie skutkowało zniekształceniami częstotliwościowymi mowy. 

Niestabilność pracy zegara urządzenia nadawczego powoduje, że nadawane sygnały cyfrowe będą miały zmieniającą się w czasie przepływność binarną. Zwykle jednak w telekomunikacji nakłada się ograniczenia na dopuszczalną odchyłkę przepływności w stosunku do przepływności nominalnej.
Wahania przepływności sygnałów cyfrowych muszą być brane pod uwagę przy projektowaniu systemów transmisyjnych by wyeliminować lub zminimalizować ich negatywny wpływ na jakość sieci telekomunikacyjnych i usług. Bez wątpienia idealna sytuacja to synchronizacja częstotliwości taktowania we wszystkich elementach i urządzeniach sieci telekomunikacyjnych.

W systemach PDH sygnały wejściowe multipleksera (multipleksowane) pochodzą z urządzeń, których zegary taktujące nie muszą być zsynchronizowane z zegarem multipleksera, który w tym przypadku jest traktowany jak zegar referencyjny. Dopuszczalne są stałe i zmienne odchylenia częstotliwości taktowania. Sygnały te są wzajemnie plezjochroniczne. Słowo to pochodzi z języka greckiego i oznacza prawie synchroniczne. Konsekwencją braku stabilności zegarów taktujących są odchyłki i wahania przepływności binarnych sygnałów multipleksowanych w stosunku do przepływności nominalnych. Graniczne dopuszczalne odchyłki w stosunku do przepływności nominalnych podaje się najczęściej w jednostkach [ppm]. Na przykład dopuszczalne przepływności binarne sygnałów E1 mieszczą się w zakresie:
2,048 Mb/s ± 50 ppm
W teletransmisji skrót ppm tłumaczy się jako liczba bitów na każdy milion. A zatem, chcąc wyrazić dopuszczalną odchyłkę w bitach na sekundę należy wartość odchyłki podaną w ppm pomnożyć przez liczbę milionów.  Mamy zatem:
2,048 Mb/s ± 50 ppm = 2,048 Mb/s ± 50·2,048 b/s

Omawiając synchronizację częstotliwości (taktowania) ograniczymy się do telekomunikacji cyfrowej. Potrzeba synchronizacji częstotliwości jest bezpośrednio związana z synchronizacją czasu, ale nie tylko. W przypadku tego rodzaju synchronizacji zależy nam na tym, by podstawowa częstotliwości taktowania (okres taktowania) była jednakowa we wszystkich elementach sieci telekomunikacyjnej. Nie jest tu istotny czas referencyjny, a ważna jest częstotliwość referencyjna. Urządzenia cyfrowe sieci telekomunikacyjnych mają wbudowane własne układy taktowania, nazywane również zegarami (choć właściwszą nazwą byłby taktometr). Częstotliwość taktowania wewnętrznego zegara urządzenia może być stale większa lub mniejsza od częstotliwości referencyjnej, a może też oscylować wokół niej. Takt pracy urządzenia określają, tak zwane znaczniki czasu. W przypadku źródła częstotliwości referencyjnej znacznik są równomiernie rozmieszczone na osi czasu. Odstęp między nimi mierzy się:

• w jednostkach czasu
• w radianach
• w stopniach, tak jak kąty
• w odstępach jednostkowych UI.

 

Rys.4.3. Ilustracja graficzna fluktuacji fazy

 

Na rysunku 4.3 pokazano znaczniki czasu idealnego zegara referencyjnego, które są równomiernie rozmieszczone na osi czasu i znaczniki innego zegara rozmieszczone nierównomiernie. Częstość znaczników jest taka sama, jak częstotliwość występowania znaczników zegara idealnego (referencyjnego), ale fluktuują one wokół położenia idealnego. Mamy tu do czynienia z fluktuacjami fazy. Fluktuacje fazy charakteryzuje ich amplituda i częstotliwość. 
Różnica położenia znacznika czasu względem położenia idealnego f ( i ) w jednostce czasu może być wyznaczona w jednostkach czasu z następującej zależności:

$f\left(i\right)=t_i-iT$

albo w jednostce UI z następującej zależności:

$f\left(i\right)=\ \frac{t_i}{T}-i$

gdzie: i – numer znacznika, T – okres dla zegara idealnego, t_i – położenie i - tego znacznika czasu.   
Maksymalna różnica jest nazywana amplitudą fluktuacji fazy.
Oscylacje względem położenia idealnego mogą być szybsze albo wolniejsze. Ich charakterystykę częstotliwościową otrzymujemy obliczając widmową gęstość mocy przebiegu f( i ) korzystając z dyskretnej transformaty Fouriera. Na jej podstawie klasyfikuje się fluktuacje fazy. I tak, jeżeli widmowa gęstość mocy fluktuacji fazy zawiera się tylko w zakresie od 0 do 10 Hz to takie fluktuacje są nazywane wolnozmiennymi (wander), w przeciwnym razie są fluktuacjami szybkozmiennymi (jitter). 

Sygnał taktowania ma postać:
$T\left(nt_0\right)=nt_0+2\cdot{10}^{-7}\mathrm{sin2\pi} f_1nt_0\ \left[\mathrm{s}\right]$
gdzie: t₀ = 10^-6  [s], f₁ = 0,25 [MHz]
Jaka jest amplituda fluktuacji fazy? Czy są to fluktuacje wolno, czy szybkozmienne?
Amplituda wynosi 0,2 μs, czyli 0,2 UI. 
Częstotliwość fluktuacji fazy wynosi 4 MHz, a więc są to fluktuacje szybkozmienne - jitter.
Jaką wartość powinna mieć częstotliwość f₁, aby fluktuacje fazy były klasyfikowane jako wolnozmienne – wander?
Częstotliwość f1 powinna być mniejsza od 0,625 Hz. 

W telekomunikacji do scharakteryzowania źródła sygnału taktowania (zegara) używa się często parametru oznaczanego przez s i nazywanego względną odchyłką częstotliwości taktowania:

$s={\mathrm{max}}_\mathrm{T}\left|\dfrac{f\left(t\right)-f_{nom}}{f_{nom}}\right|$

gdzie: f(t) – częstotliwość sygnału taktowania w chwili t,  f_nom – częstotliwość nominalna, T – czas obserwacji.
Graficzną ilustrację względnej odchyłki częstotliwości taktowania pokazano na rysunku 4.4.
Względna odchyłka częstotliwości taktowania, tak jak i wcześniej omówione parametry pracy zegarów służy do charakteryzowania ich jakości. Zegary używane w telekomunikacyjnych urządzeniach sieciowych są różnej jakości. Zastosowanie wszędzie zegarów najwyższej jakości nie jest możliwe choćby ze względów ekonomicznych. 

 

Rys. 4.4. Ilustracja graficzna względnej odchyłki częstotliwości taktowania

3.1. Synchronizacja częstotliwości taktowania w cyfrowych sieciach transmisyjnych

Niezależnie od tego z jakim typem przesyłania sygnałów cyfrowych mamy do czynienia: synchronicznym, pakietowym czy asynchronicznym zawsze w urządzeniach sieciowych są układy taktowania pracujące z pewną, określoną częstotliwością, częstotliwością nominalną. Sygnały przez nie nadawane mają określone, nominalne przepływności binarne. Jeżeli układ taktowania urządzenia pracuje z inną niż nominalna częstotliwością to również przepływność binarna sygnału nadawanego przez  to urządzenie różni się od przepływności nominalnej. W sygnale nadawanym są tworzone kanały transmisyjne przeznaczone do transportu sygnałów klientów sieci transmisyjnej. Przepustowość kanału transmisyjnego powinna być identyczna jak przepływność binarna sygnału klienta na całej drodze transmisyjnej, to jest od urządzenia, w którym sygnał jest wprowadzany do sieci do urządzenia, z którego sygnał jest wyprowadzany z sieci.
Układ taktowania urządzenia generującego sygnał cyfrowy, który ma być przesłany nie musi być zsynchronizowany z układam taktowania urządzenia sieciowego. W takim przypadku przepływność binarna sygnału wejściowego jest inna niż przepływność nominalna. Gdyby urządzenie wejściowe, nie bacząc na to jaka jest przepływność binarna sygnału wejściowego utworzyło kanał transmisyjny o przepływności nominalnej to jego przepustowość byłaby niedopasowana do przepływności binarnej sygnału – byłaby zbyt duża albo zbyt mała. Aby temu zaradzić trzeba wprowadzić pewien mechanizm dopasowania przepustowości do przepływności binarnej. Byłoby to zbędne w przypadku synchronizacji częstotliwości taktowania obu wspomnianych urządzeń. Podobny problem pojawia się wewnątrz sieci transmisyjnej, jeżeli urządzenia sieciowe nie są zsynchronizowane. Wystąpi wtedy niedopasowanie przepustowości kanałów wejściowego i wyjściowego. Również i w takim przypadku musi być zastosowany pewien mechanizm dopasowania. Tym razem przepustowość kanału wyjściowego musi się dopasować do przepustowości kanału wejściowego. I znowu można by tego uniknąć, gdyby zegary taktujące urządzeń sieci transmisyjnej były zsynchronizowane. 
Wspomniane dopasowania są nazywane dopełnianiem. Dopełnianie może być:

• dodatnie, gdy przepustowość kanału jest zmniejszana
• ujemne, gdy przepustowość kanału jest zwiększana
• dopełnianie zerowe, gdy jest dopasowanie.

Ilustruje to rysunek 4.5.

 

Rys. 4.5. Rodzaje dopełniania

Zastosowanie dopełniania zawsze jest źródłem potencjalnych błędów binarnych, ale ich liczba jest znacząco mniejsza niż gdyby dopełniania nie stosować. Zostanie to wyjaśnione dalej. Reasumując dopełnianie jest zbędne, gdy sieć jest zsynchronizowana, czyli gdy we wszystkich urządzeniach tej sieci zegary taktujące pracują z tym samym taktem. Wskazane byłoby również zsynchronizowanie układów taktowania urządzeń zewnętrznych, które  generują sygnały przesyłane przez sieć.

W sieciach hierarchii PDH – sieciach plezjochronicznych – każde urządzenie może korzystać z własnego niezsynchronizowanego z innymi zegara taktującego. Nie są to zegary pracujące całkowicie dowolnie. Ich częstotliwości taktowania muszą być takie, by sygnały wyjściowe miały przepływności binarne mieszczące się w pewnym ustalonym zakresie o czy była mowa wcześniej. 
Jeżeli odbierany sygnał cyfrowy, na przykład E2 jest multipleksowany i dalej transmitowany, to w sygnale wyjściowym E3 z multipleksera musi być utworzony kanał o przepustowości dopasowanej do przepływności binarnej sygnału multipleksowanego. Przepustowość tego kanału nie może być stała, bo przepływność binarna sygnału multipleksowanego nie jest ustalona. Przepustowość zależy od zegara używanego w multiplekserze, a przepływność od zegara generującego sygnał multipleksowany. Zegary te nie są zsynchronizowane w sieciach plezjochronicznych. Dopasowanie przepustowości kanału do przepływności w multiplekserze nazywa się dopełnianiem. W systemach plezjochronicznych założono, że maksymalna przepustowość binarna  kanału znacznie przewyższa dopuszczalne maksymalne przepływności sygnałów multipleksowanych, a to oznacza, że dopasowanie zawsze wiąże się ze zmniejszaniem dostępnej przepustowości kanału. Ten rodzaj dopełniania nazywa się dopełnianiem dodatnim i polega on na dokładaniu dodatkowych bitów (usuwanych po stronie odbiorczej), rysunek 4.6, tak by razem z bitami sygnału multipleksowanego zapełnić całą dostępną przepustowość kanału transmisyjnego. Wstawienie dodatkowych bitów powoduje zmianę fazy bitów sygnału multipleksowanego. Po stronie odbiorczej trzeba nie tylko usunąć dodatkowe bity, ale też usunąć zniekształcenia fazowe w przesyłanym sygnale. Analogowe pętle fazowe używane do tego celu nie „radziły sobie” z fluktuacjami o dużych amplitudach oraz fluktuacjami wolnozmiennymi (wander). Dlatego w standardach PDH przyjęto rozwiązanie, w którym dopełnianie występuje z dużą częstością i jest tylko jednobitowe. 

W sygnale E2 w każdej nadawanej ramce dla multipleksowanego sygnału E1 przeznaczono maksymalnie 206 bitów, z tym że jeden bit jest bitem dopełniania, co oznacza, że może w zależności od potrzeb być zapełniony nie bitem z sygnału E1, ale bitem dopełniającym wstawionym przez system E2. Maksymalna przepustowość kanału dla sygnału E1 w strumieniu E2 wynosi około 2,05223 Mb/s.  Tymczasem nominalna przepływność sygnału E1 wynosi 2,048 Mb/s i może różnić się nie więcej niż o około ± 102 b/s. Częstość dopełniana w przypadku sygnału o przepływności nominalnej wynosi około 4,2 kb/s (jest to tak zwane dopełnianie nominalne) i taką też częstość mają fluktuacje fazy sygnału podawanego na wejście pętli cyfrowej odtwarzania fazy. Są to fluktuacje szybkozmienne – jitter, o małej amplitudzie w dużym stopniu możliwe do wyeliminowania przez analogowe pętle fazowe. Częstość dopełniania w systemach plezjochronicznych można obliczyć korzystając ze wzoru:
$\vartheta_{dop}=\dfrac{p_{En+1}}{N\left(1+\frac{P}{Q}\right)}-p_{En}$
gdzie: $\vartheta_{dop}$ – częstość dopełniania, p_En+1 i p_En – przepływności binarne sygnałów E_n+1 i E_n, N – krotność systemu, P – liczba bitów dopełniania w ramce sygnału E_n+1 , Q – liczba wszystkich bitów w ramce, które  mogą być bitami multipleksowanymi (także bitów dopełniania).

Rys. 4.6. Dopełnianie dodatnie w systemach PDH

Gdyby dopuścić oprócz dopełniania dodatniego, także możliwość dopełniana ujemnego, czyli zwiększania przepustowości kanału ponad przepustowość dopasowaną do przepływności nominalnej sygnału multipleksowanego wówczas sytuacja byłaby inna. Gdy sygnał multipleksowany miałby przepływność binarną nominalną, żadne dopełnianie nie byłoby potrzebne, co odpowiadałoby przypadkowi synchronizacji częstotliwości. Taki przypadek wymagałby zmiany struktury ramek. Jeżeli różnice częstotliwości byłyby nieznaczne, na przykład wymagające dopełniania raz na minutę, to mielibyśmy do czynienia z wolnozmiennymi fluktuacjami, z którymi analogowa pętla fazowa nie poradziłaby sobie. Transmitowany sygnał były obarczony nie tylko bardzo dużymi fluktuacjami fazy, ale i w rezultacie licznymi błędami binarnymi. Synchronizacja sieci transmisyjnych w przypadku systemów plezjochronicznych nic nie daje pod warunkiem, że sygnały mają przepływności mieszczące się w dopuszczalnym zakresie tolerancji. 
Wprowadzenie rozwiązania z dopełnianiem dodatnim, ujemnym i brakiem dopełniania stało się możliwe dopiero po wynalezieniu i skonstruowaniu cyfrowych pętli fazowych. Potrafią one skutecznie eliminować nie tylko fluktuacje wolnozmienne, ale i fluktuacje mające dużą amplitudę. Takie rozwiązanie po zsynchronizowaniu zegarów taktujących prowadzi do systemów synchronicznych. 
Częstość dopełniania można zawsze obliczyć z następującej zależności:
           $\vartheta_{dop}=\frac{p_k-p_s}{L_{dop}}$
gdzie: p_k – przepustowość kanału w sygnale wyjściowym, p_s – przepływność binarna sygnału wejściowego, L_dop – liczba bitów jednorazowego dopełniania.

W teletransmisyjnych systemach synchronicznych SDH, pracujących w sieci w pełni zsynchronizowanej dopełnianie nie zachodzi. Możliwość dopełniania w tych sieciach musi być jednak brana pod uwagę, na przykład ze względu na możliwość uszkodzenia sieci synchronizacyjnej, albo przesyłania sygnałów między dwiema sieciami wzajemnie niezsynchronizowanymi (przypadek pracy pseudosynchronicznej). W tym celu we wskaźniku jednostki administracyjnej AU albo jednostki składowej TU wprowadzono mechanizm dopełniania dodatniego i ujemnego, który jest używany w razie potrzeby. Dopełnianie w sieciach SDH jest dopełnianiem jedno- albo trzybajtowym i najczęściej powoduje wolnozmienne fluktuacje fazy. 
Rozpatrzmy następujący przypadek. Sygnał wyjściowy STM-4 z multipleksera liniowego ma przepływność binarną 622,08 Mb/s, a przepływność binarna jednego z czterech sygnałów wejściowych STM-1 wynosi 155,52 Mb/s + 10 ppm. Obliczmy częstość dopełniania w takim przypadku zakładając, że sygnał STM-1 pochodzi z sieci zsynchronizowanej. Należy pamiętać, że dopełnianie dotyczy sygnałów transferowanych przez multiplekser, a więc ścieżki VC-4 a nie sygnału STM-1. Należy zatem najpierw obliczyć przepływność binarną strumienia VC-4. 
155,52 Mb/s + 10 ppm = 155,52 Mb/s + 1555,2 b/s
W strumieniu STM-1 bity kontenerów VC-4 stanowią 261/270 (patrz struktura ramki STM-1), a więc przepływność strumienia VC-4 wynosi:
PVC-4 = (261·155,5215552)/270 Mb/s = 1503375 Mb/s
Przepustowość kanału dla tego strumienia w sygnale STM-4 wynosi:
(261/270)·(622,08/4) Mb/s = 150,3359 Mb/s
Różnica między przepustowością kanału wyjściowego a przepływnością binarną sygnały VC-4 wynosi zatem:
(150,3359 – 150,3375) Mb/s = - 1600 b/s
W przypadku dopełniania poprzez wskaźnik jednostki administracyjnej AU-4 dopełnianie jest zawsze dopełnianiem 24 bitowym, stąd częstość dopełniania  $\vartheta_{dop}$ wynosi:
$\vartheta_{dop}=\frac{1600\ b/s}{24\ b}=66\left(6\right)\ razy/s$
Jest to dopełnianie ujemne, gdyż przepustowość kanału jest mniejsza od przepływności  binarnej sygnału wejściowego

Mechanizm dopełniania dotyczy również optycznych sieci transportowych hierarchii OTH, ale przede wszystkim w przypadku sygnałów spoza sieci OTH przez nią transmitowanych. Wewnątrz sieci problem ten w zasadzie nie istnieje, jeżeli urządzenia sieciowe są w pełni optyczne, to znaczy nie dokonują konwersji sygnałów optycznych na elektryczne i odwrotnie. Impulsy światła są wtedy retransmitowane z takim samym taktem z jakim pojawiają się na wejściu. Nie są one buforowane i opóźniane. Sygnały wejściowe do sieci OTH są zawsze sygnałami elektrycznymi. W urządzeniu wejściowym bity sygnału wejściowego są umieszczane w kolejnych ramkach systemu OTH. I tu, tak jak w innych rozwiązaniach musi być uwzględniony mechanizm dopełniania. Opiera się on na ośmiobitowym dopełnianiu, które może być zarówno dopełnianiem dodatnim, jak i ujemnym. Jeżeli źródłem sygnału wejściowego jest urządzenie zsynchronizowane z siecią OTH to oczywiście dopełnianie nie będzie występowało.

Odpowiedzmy na następujące pytanie: w jaki sposób urządzenie detekuje potrzebę zastosowania mechanizmu dopełniania?
Odbywa się to poprzez zastosowanie, tak zwanej pamięci buforowej typu FIFO (rysunek 4.7), do której wpisywane są kolejne bity sygnału przychodzącego. Wpis odbywa się z częstością pojawiania się tych bitów na wejściu. Odczyt bitów odbywa się z częstotliwością jaka wynika z częstotliwości taktowania w urządzeniu. Różnica między częstością i częstotliwością będzie skutkowała zmianą stopnia zapełnienia pamięci buforowej. Stopień zajętości pamięci jest monitorowany i na tej podstawie podejmowana jest decyzja o dopełnianiu.

Rys. 4.7. Pamięć buforowa (kolorem niebieskim zaznaczono zajęte komórki pamięci 

W każdym urządzeniu sieci SDH jest pamięć buforowa, w której są ustalone dwa adresy graniczne rysunek S8 .Jeżeli wpis danych do pamięci odbywa się szybciej niż ich odczyt to pamięć będzie się stopniowo zapełniała. Gdy przekroczy górny adres graniczny uruchomiony zostanie mechanizm dopełnia ujemnego. Z kolei jeżeli wpis odbywa się wolniej niż odczyt to stopień zajętości pamięci danymi będzie się zmniejszał, gdy zejdzie poniżej dolnego adresu granicznego uruchomiony zostanie mechanizm dopełniania, tym razem dopełniania dodatniego.

Należy pamiętać, że każde dopełnianie nie tylko wprowadza fluktuacje fazy, ale w ich efekcie jest źródłem błędów binarnych (przekłamań bitów). Dlatego tak ważna jest synchronizacja częstotliwości taktowania.
Synchronizacja częstotliwości taktowania i zagwarantowanie możliwości pracy synchronicznej, to jest bez dopełniania, jest bardzo ważna jeszcze z jednego powodu. Aby to wyjaśnić posłuszny się sieciami hierarchii PDH. Przyjmijmy, że sygnał zewnętrzny, który ma być przesyłany przez sieć plezjochoniczną PDH ma pewną stałą przepływność binarną. Kanał transmisyjny utworzony do przesyłania tego sygnału ma przepustowość taką samą jak jego przepływność binarna. Po dotarciu do odbiornika sygnał ten nie jest od razu podawany na wyjście tylko najpierw zapisywany w pamięci buforowej FIFO, bit po bicie, tak jak bity docierają do odbiornika, a więc z częstotliwością wynikającą z zegara taktującego w nadajniku. Odczyt danych odbywa się z częstotliwością taktowania obowiązującą w odbiorniku, a ponieważ nie mamy synchronizacji zegarów stopień zajętości pamięci buforowej będzie się zmieniał. Na przykład, gdy częstotliwość zegara nadajnika jest stale większa od częstotliwości taktowania w odbiorniku dojdzie do przepełnienia pamięci, a to wiąże się z cykliczną utratą bitów, tym częstszą im większa jest różnica częstotliwości taktowania.  Prowadzić to może nie tylko do utraty bitów, ale do lawiny błędów binarnych.   

W tym celu rozpatrzmy przypadek transmitowania przez sieć PDH sygnału mowy w klasycznej usłudze telefonicznej. Dla uproszczenia załóżmy, że dwie centrale  telefoniczne są połączone bezpośrednio łączem PDH E1.  Sygnał mowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy o przepływności 64 kb/s i na czas trwania połączenia jest mu przydzielana ośmiobitowa szczelina czasowa (kanał).
W kolejnych ramkach E1 tworzących strumień o nominalnej przepływności binarnej 2,048 Mb/s  Przepływność binarna strumienia E1 i przepływność binarna sygnału mowy wynikają z pracy zegara taktującego cyfrowej centrali telefonicznej (wcześniej podano, że w przypadku strumienia E1 w stosunku do jego przepływności nominalnej różnica może wynosić maksymalnie ± 50 ppm). Po stronie odbiorczej sygnał E1 jest wpisywany do pamięci buforowej z taktem strumienia odbieranego , a następnie odczytywany i demultipleksowany z taktem wynikającym z pracy zegara w centrali odbiorczej. Ponieważ zegary w obu centralach nie są zsynchronizowane może dochodzić do stopniowego zapełniania, albo opróżniania pamięci buforowej. Aby zapobiec całkowitemu zapełnieniu, albo opróżnieniu pamięci buforowej stopień jej zapełnienia jest monitorowany, po to by w krytycznej sytuacji zastosować, tak zwany poślizg ramkowy. Jest to operacja polegająca na jednorazowym pominięciu albo zdublowaniu dwóch kolejnych ramek strumienia E1. Z punktu widzenia sygnału mowy (zakładamy kodowanie PCM) operacja taka skutkuje pominięciem dwóch kolejnych próbek sygnału mowy, albo wstawieniem dwóch dodatkowych próbek takich samych jak próbka je poprzedzająca. W obu przypadkach nie pozostanie to bez wpływu na jakość sygnału mowy postrzeganą przez odbiorcę, która ulegać będzie pogorszeniu, tym większemu im częściej operacja poślizgu będzie miała miejsce. Pojawia się pytanie: po co w takim razie stosować poślizg? Na to pytanie Czytelnik znajdzie odpowiedź w dalszej części podręcznika.

3.2. Synchronizacja struktur informacyjnych – synchronizacja blokowa

Dotychczas zajmowaliśmy się częstotliwością taktowania, często kojarzoną z częstotliwością nadawania bądź odbioru bitów. Oczywiście nie zawsze tak musi być. Na przykład, gdy stosowana jest modulacja QAM-16 jeden pojedynczy sygnał sinusoidalny o danej amplitudzie i fazie niesie informację czterobitową – jest to pojedynczy element, a synchronizacja w takim przypadku jest synchronizacją elementową. Synchronizacja bitowa jest zatem szczególnym przypadkiem synchronizacji elementowej. Związek między częstotliwością pracy wewnętrznego zegara urządzeniu a częstotliwością bitową czy elementową zależy od przyjętego rozwiązania.

Innym zagadnieniem jest synchronizacja struktur informacyjnych nazywana też synchronizacją blokową. Struktury informacyjne to zespół wielu elementów tworzące jedną całość – jeden blok informacyjny. Takim blokiem jest na przykład oktet (współcześnie często utożsamiany z bajtem, ale nie jest to poprawne), ramka, komórka bądź pakiet. Nie ma formalnych definicji takich bloków. Są one często związane z transmisją.  Zwyczajowo przyjmuje się, że ramki składają się ze ściśle określonej liczby bitów, w danym rozwiązaniu, albo danym połączeniu zawsze takiej samej, są nadawane na styk, jedna po drugiej, bez przerw miedzy nimi  (rysunek 4.8) . 

Rys. 4.8. Różnica między ramkami, komórkami i pakietami
 

Pojęcie komórki jest związane z techniką ATM. Komórki składają się zawsze z takiej samej liczby oktetów są nadawane, tak jak ramki, na styk, ale kolejne komórki transmitowane tym samym łączem nie muszą zawierać informacji pochodzących z tych samych źródeł.

Cechą charakterystyczną pakietów jest nie tylko zróżnicowanie ich długości (liczby bitów z których się składają), czasu trwania, ale także asynchroniczności ich transmitowania. Pakiety mogą być nadawane z przerwami i mogą mieć różny czas trwania.
Synchronizacja struktur informacyjnych, nazywana też ich fazowaniem może opierać się na wstawieniu do przesyłanego bloku informacji, tak zwanego wzoru fazowania, albo na statystycznej analizie odbieranej informacji. To drugie rozwiązanie jest niepraktyczne, choćby z powodu wprowadzania znacznego opóźniania i dlatego dalej będzie mowa wyłącznie o fazowaniu na podstawie wzoru.

 Idea algorytmów fazowania sprowadza się do wyszukiwania w odebranej sekwencji bitów wzoru fazowania i na tej podstawie określania początku i końca struktury informacyjnej. Bity wzoru fazowania w zależności od przyjętego rozwiązania mogą być:

• dodawane do przesyłanego bloku informacji, albo stanowić jego część,
• sekwencją następujących po sobie bitów (skupiony wzór fazowania), ale mogą też być rozproszone w przesyłanym bloku (rozproszony wzór fazowania),
• niezależne od przesyłanych informacji (zawsze takie same), albo zmieniać się w zależności od przesyłanej informacji. 

Oprócz tego istotna jest długość wzoru fazowania (liczba bitów) oraz jego struktura binarna. Algorytmy synchronizowania struktur informacyjnych działają w sposób następujący:
1.    Jeżeli odbiornik „wie”, który bit jest pierwszym bitem bloku i zna jego długość, to uznaje się, że blok jest zsynchronizowany. W następnym odebranym bloku sprawdzana jest obecność wzoru fazowania w miejscu, w którym on powinien być. Uznaje się, że synchronizacja jest zachowana, jeżeli we właściwym miejscu wszystkie bity są identyczne jak wzór fazowania (zerowa odległość Hamminga), albo dopuszcza się pewną rozbieżność – niezgodność niektórych bitów (niezerowa odległość Hamminga). 
2.    Jeżeli wzoru we właściwym miejscu nie ma, to algorytm przechodzi do, tak zwanego pierwszego stanu przed alarmowego. Niekoniecznie oznacza to, że synchronizacja została zgubiona. Brak wzoru może wynikać z przekłamań w czasie transmisji i dlatego w tym stanie algorytm czeka na kolejny blok ze wzorem fazowania, uznając poprzednie zsynchronizowanie za obowiązujące. Jeżeli tym razem wzór jest obecny to następuje powrót do stanu opisanego w punkcie 1. W przeciwnym razie algorytm wchodzi w drugi stan przed alarmowy i sytuacja się powtarza. Po kilku kolejnych nieodebraniach wzoru fazowania następuje przejście do stanu braku synchronizacji.
3.    W stanie braku synchronizacji blokowej zapominana jest historia i rozpoczyna się przeszukiwanie kolejno odbieranych bitów pod katem ich zgodności ze wzorem fazowania. Ponieważ sekwencje wzoru fazowania nie są zastrzeżone i w przesyłanym bloku, na przykład sekwencja danych może być taka sama jak wzór fazowania, znalezienie sekwencji identycznej jak wzór fazowania nie jest wystarczające by uznać to za podstawę synchronizacji i dlatego algorytm wchodzi w stan potwierdzania, że znaleziona sekwencja to, rzeczywiście wzór fazowania. 
4.    Jeżeli w pierwszym stanie potwierdzania w tym samym co wcześniej miejscu wzoru nie będzie to algorytm powraca do stanu braku synchronizacji przeszukiwania odbieranych bitów. Z kolei znalezienie sekwencji zgodnej ze wzorem fazowania też nie musi być wystarczające by zakończyć proces odzyskiwania synchronizacji. Może bowiem tak się zdarzyć, że fałszywa sekwencja identyczna jak wzór fazowania kilkukrotnie pojawia się w tym samym miejscu.  Liczba stanów przed alarmowych jest określona dla każdego algorytmu, po przejściu których uznaje się, że synchronizacja została odzyskana.
Liczba stanów przed alarmowych i liczba stanów potwierdzania dla każdego algorytmu jest określona i zależy od jego zastosowania. Tak samo liczba bitów wzoru fazowania, jego struktura i dopuszczalna odległość Hamminga.

Rys. 4.9. Algorytm fazowania ramek

Oprócz synchronizacji na podstawie wzoru fazowania możliwa jest i zastosowanie synchronizacji blokowej przeprowadzanej w inny sposób. Najczęściej jest to synchronizacja wewnętrznych struktur informacyjnych będących elementem struktur synchronizowanych z wykorzystaniem wzoru fazowania.
 

3.3. Dystrybucja sygnału częstotliwości - sieci synchronizacyjne

Dotychczas mówiliśmy o skutkach i sposobach przeciwdziałania w przypadku braku synchronizacji układów taktowania. Teraz zajmiemy się zagadnieniem przesyłania sygnału synchronizacji, czyli sygnału, którego częstotliwość jest wykorzystywana przez urządzenia w sieci by zsynchronizować ich częstotliwość taktowania z zegarem referencyjnym, nazywanym też zegarem głównym odniesienia ZGO. Sieć dystrybucji sygnału synchronizacji może mieć różną topologię i architekturę. Na rysunku 4.10 przedstawiono trzy typowe topologie. Topologia typu master-slave jest bardzo podobna do topologii dystrybucji sygnału czasu między serwerami NTP. Sygnał z zegara głównego ZGO jest przesyłany do urządzeń, które przekazują go do kolejnych urządzeń itd. Struktura ta jest strukturą drzewiastą. Urządzenie może korzystać tylko z jednego sygnału synchronizacji, a zatem w tej topologii nigdzie nie może dochodzić do zapętlenia drogi przesyłu sygnału synchronizacji (przypominamy, że serwer NTP może korzystać z kilku sygnałów czasu). Ponieważ sygnał synchronizacji nie przechodzi przez urządzenie transparentnie, lecz jest używany do synchronizacji wewnętrznych układów taktowania urządzenia. I to sygnał wyjściowy z urządzenia staje się źródłem sygnału synchronizacji dla następnego urządzenia w łańcuchu. Jasne jest, ze synchronizacja układów taktowania nie jest idealna. W rezultacie w miarę zwiększania się liczby urządzeń odtwarzających sygnał taktowania jego jakość pogarsza się. Przede wszystkim wzrasta poziom fluktuacji fazy tego sygnału. Z tego powodu liczba urządzeń w jednej gałęzi sieci synchronizacyjnej jest ograniczana. Topologia pokazana na rysunku 4.10b dotyczy synchronizacji wzajemnej układów taktowania. W uproszczeniu można powiedzieć, ze idea synchronizacji wzajemnej przypomina synchronizację czasu w serwerze NTP, do którego dociera kilka informacji o czasie, i który oblicza czas średni. W przypadku synchronizacji wzajemnej częstotliwości każdy zegar odbiera sygnały synchronizacji od pozostałych zegarów w sieci i stara się pracować ze średnią częstotliwością. Na rysunku 4.10c pokazana jest topologia mieszana. Każda z trzech sieci ma własny zegar ZGO i w każdej z nich sygnał częstotliwości jest dystrybuowany metodą master-slave. Z kolei zegary ZGO synchronizują się wzajemnie.

Początki synchronizacji częstotliwości były związane z telefonicznymi centralami cyfrowymi, co wynikało przede wszystkim z tego, że dominującą usługą była usługa telefoniczna, a sieci teletransmisyjne służyły wyłącznie do przesyłania sygnałów między centralami. Rozwój telekomunikacji i komputeryzacja spowodowały, że na przełomie lat 80. i 90. Szybko zaczęła zmieniać się rola sieci transmisyjnych. Pojawiły się nowe potrzeby przesyłania sygnałów, a synchronizacja częstotliwości stała się niezbędna by osiągać wymaganą jakość transmisji. Jakość, która była zadawalająca przy przesyłaniu sygnałów telefonicznych już nie wystarczała. Przyjęto rozwiązanie oparte na teletransmisyjnych systemach hierarchii SDH, systemach które nie tylko służą do transmisji różnych sygnałów klienckich, ale także stały się narzędziem dystrybucji sygnału synchronizacji do różnych innych sieci i urządzeń.  

Sieć synchronizacyjna ma topologię master-slave, a jej elementami są trakty sieci SDH, bloki synchronizacji z układami taktowania (zegarami) w urządzeniach, ale też dodatkowe urządzenia. Najważniejszym z nich jest źródło sygnału synchronizacji – ZGO. Zegary te powinny być najwyższej możliwej jakości. Najwyższej klasy zegary to zegary klasy PRC.  Zegary klasy PRC są budowane w oparciu o wzorce atomowe. Z praktycznego, nie tylko technicznego, ale i ekonomicznego punktu widzenia pod uwagę brane są wzorce cezowe i rubidowe. W zegarach tych wykorzystuje się fotony powstające w wyniku rozpadu izotopu cezu albo rubidu do sterowania oscylatorem kwarcowym. Pomijając szczegóły techniczne budowy takich zegarów należy zwrócić uwagę na dwie cechy istotne z punktu widzenia ich porównania. Zegary cezowe pracują stabilniej niż zegary rubidowe, za to żywotność zegarów rubidowych jest większa. Zwykle wynosi ona kilkanaście lat, a zegarów cezowych kilka lat. Po tym czasie ilość pierwiastka promieniotwórczego maleje na tyle, że zegar pracuje niewystarczająco stabilnie, by spełniał wymagania na zegar klasy PRC. Sygnał zegarowy klasy PRC jest także dostępny z satelitów lokalizacyjnych systemu GPS, ale jego źródłem są zlokalizowane na satelitach zegary rubidowe.

Rys.4.10. Topologie sieci synchronizacyjnyc

Gorszej jakości niż zegary PRC są zegary klasy SSU. Ich praca opiera się na oscylatorach kwarcowych, w których stosuje się wyselekcjonowane kryształy kwarcu. Zegary klasy SSU dzieli się na dwie grupy SSU-A (lepsze) i SSU-B (gorsze). Rola zegarów SSU w sieci telekomunikacyjnej jest inna niż zegarów klasy PRC o czym będzie mowa później.

Ostatnią grupę stanowią zegary wewnętrzne urządzeń – zegary SEC. Są to również zegary, których praca opiera się na oscylatorach kwarcowych, ale gorszej jakości niż w przypadku zegarów klasy SSU.

W tabeli 4.1 podano wymagania na względną odchyłkę częstotliwości taktowania jakie muszą spełniać zegary należące do danej klasy.  

Tabela 4.1.  Wymagania na względną odchyłkę  częstotliwości taktowania s dla zegarów różnych klas   

Zegary klasy SSU pełnią kilka funkcji w sieciach synchronizacyjnych. Po pierwsze w węzłach sieci synchronizacyjnej dystrybuują sygnał synchronizacji do urządzeń innych sieci, np. sieci dostępowych. Dystrybuowany sygnał synchronizacji jest nieramkowanym sygnałem cyfrowym o przepływności  2,048Mb/s. Po drugie mogą pełnić rolę zegara rezerwowego, jeżeli z jakiś powodów nastąpi utrata sygnału synchronizacji przekazywanego ze źródła klasy PRC. I wreszcie po trzecie filtrują, w pewnym stopniu fluktuacje fazy, które są wprowadzane do sygnału synchronizacji w trakcie transmisji.  

Na rysunku 4.11 pokazano przykładową strukturę sieci synchronizacyjnej opartej na sieciach SDH. Z zegara klasy PRC, którym powinien być stacjonarny zegar zbudowany w oparciu o wzorzec atomowy, a wyjątkowych sytuacjach może to być odbiornik GPS sygnał jest podawany na wejściu zegara SSU, który na jego podstawie generuje cyfrowe sygnały synchronizacji o przepływności 2,048 Mb/s, i którymi są synchronizowane zegary wewnętrzne SEC urządzeń sieci SDH (np. multipleksery). Następne urządzenie w łańcuchu odtwarza częstotliwość taktowania na podstawie odbieranego sygnału (np. STM-1) i nim synchronizuje swój wewnętrzny zegar SEC itd. Niedokładność pracy układów synchronizacji urządzeń powoduje stopniowe zwiększanie fluktuacji fazy sygnału i dlatego w gałęzi są umieszczane zegary SSU. Sygnał odbierany przez urządzenie jest kierowany do zegara SSU w celu poprawy jego jakości (zmniejszenia fluktuacji fazy) i dopiero tym sygnałem synchronizuje się zegar SEC. Przyjmuje się, że nie rzadziej niż co 20 zegarów SEC powinna następować filtracja zniekształceń fazowych. Ponieważ zegary SSU też nie są idealne ich liczba w jednej gałęzi nie powinna przekraczać 10. Dodatkowo przyjmuje się że liczba zegarów SEC (mówiąc precyzyjniej liczba urządzeń z tymi zegarami) w jednej gałęzi nie może przekraczać 60.  W żadnym przypadku nie może dochodzić równoczesnego korzystania z dwóch i więcej sygnałów synchronizacji. Jeżeli do urządzenia dociera wiele sygnałów STM-N to tylko jeden jest wybrany jako źródło sygnału synchronizacji.

Rys. 4.11. Sieć synchronizacyjna na bazie sieci transmisyjnej SDH

3.4. Synchronizacja częstotliwości taktowania w sieciach pakietowych

Problem synchronizacji częstotliwości w sieciach pakietowych jest trudniejszy do rozwiązania. Do urządzeń sieci pakietowych sygnały cyfrowe nie dopływają regularnie, jak to ma miejsce w sieciach teletransmisyjnych SDH, co wynika z ich natury. Również i w przypadku popularnego w sieciach lokalnych Ethernetu synchronizacja częstotliwości jest niewystarczająca by rozszerzyć jego zastosowanie do sieci transportowych. 
Są dwa rozwiązania problemu synchronizacji częstotliwości taktowania w sieciach pakietowych. Pierwsze z nich opiera się na wykorzystaniu Ethernetu, ale w zmienionej wersji, tak zwanego synchronicznego Ethernetu – SyncE. Drugie rozwiązanie opracowane przez IEEE korzysta z protokołu PTP wykorzystywanego do synchronizacji czasu i jest nazywane synchronicznym PTP – Sync PTP.  Oba rozwiązania wymagają zmian hardwarowych, ale też i  softwarowych w urządzeniach. Nie da się zatem wykorzystać istniejących urządzeń (np. switchy czy ruterów) do budowy sieci zsynchronizowanej.
Idea synchronicznego Ethernetu w kontekście dystrybucji sygnału synchronizacji jest oparta na sieci synchronizacyjnej wykorzystującej SDH. Do pewnego stopnia można przyjąć, że jest to sieć synchronizacyjna, w której do transportu sygnału synchronizacji nie wykorzystuje się sieci transmisyjnej SDH, lecz Ethernet. I nie chodzi tu o sieci lokalne tylko o sieci rozległe, transportowe. Klasyczny Ethernet nie wymaga synchronizacji częstotliwości taktowania, a przynajmniej nie wymaga precyzyjnej synchronizacji. Transmisja ma charakter asynchroniczny. Ramki są odbierane i nadawane przez urządzenia asynchronicznie w zależności od potrzeb i dostępności medium. Aby ramka mogła być odebrana konieczna jest synchronizacja zegara taktującego urządzenia. W tym celu na początku ramki Ethernet jest 56 bitowa sekwencja na przemian 1 i 0, po której w ramce jest wzór jej fazowania. W najstarszej wersji Ethernetu – 10 Base-T – pojawiają się przerwy w nadawaniu, a więc nie ma ciągłości dopływu bitów do urządzenia. Oznacza to, że inaczej niż w urządzeniach sieci SDH nie można „przetransferować sygnału synchronizacji na drugą stronę”, bo nie ma ciągłości przesyłania sygnału synchronizacji. Inaczej jest w przypadku Ethernetu 100 Mb/s, 1 Gb/s i 10 Gb/s, w których jest zachowana ciągłość nadawania bitów. Mamy zatem zawsze synchronizację częstotliwości, ale tylko między dwoma sąsiednimi urządzeniami (rysunek 4.12a). Te warianty Ethernetu potencjalnie nadają się do budowy sieci synchronizacyjnej. Pozostaje tylko rozwiązać, między innymi problem transferu sygnału synchronizacji przez urządzenie sieci Ethernet. Wymaga to zmian hardwarowych polegających na wbudowaniu w urządzeniach sieci Ethernet cyfrowych pętli fazowych DPLL (rysunek 4.12b). Ich zadaniem byłaby ekstrakcja sygnału taktowania ze strumienia przychodzącego i jak najskuteczniejsze usuwanie z niego fluktuacji fazy. Pętle te są podstawą zegarów EEC.  

Identyczne rozwiązanie jest stosowane w urządzeniach sieci SDH, a dokładniej w zegarach SEC. Co więcej w obu przypadkach wymagana jest zdolność do pracy z podtrzymaniem, gdy sygnał synchronizacji zostanie utracony. Zarówno zegar EEC jak i zegar SEC nie może mieć wtedy większej odchyłki niż 4,6 ppm, czyli 4,6·10-6.  Struktura sieci synchronizacyjnej SyncE jest identyczna jak struktura sieci synchronizacyjnej SDH typu master-slave (rysunek 4.13). Identyczna są też wymagania dotyczące liczby urządzeń EEC, SSU. A zatem obie sieci, z punktu widzenia synchronizacji częstotliwości mogłyby być kompatybilne. Tryb warunkowy wynika z tego, że układy zegarowe urządzeń sieci Ethernet muszą generować sygnały o częstotliwościach 25 MHz, 125 MHz i 156,25 MHz podczas gdy w sieciach SDH są używane sygnały o częstotliwościach 19,44 MHz i 155,52 MHz. W przypadku Ethernetu 1000Base-T, gdy jako medium stosowane są miedziane kable teleinformatyczne (np. kat.5) transmisja jest realizowana dwukierunkowo, by zwiększyć przepustowość, jednocześnie na wszystkich czterech parach. Taki rozwiązanie wymaga używania tłumików echa. W przypadku światłowodów (1000Base-X i 10GBase są używane oddzielne włókna do transmisji w obu kierunkach.

Inne rozwiązanie problemu synchronizacji w sieciach pakietowych opracowane przez IEEE polega na przekazywaniu stempli czasu we wszystkich urządzeniach. Wykracza to poza zakres niniejszego podręcznika.