Podręcznik

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