CC BY
212
Результаты испытаний техники РТР на сетях ведущих операторов мобильной связи Украины
Ключевые слова: частотная синхронизация, протокол прецизионного времени (РТР), совокупность параметров для электросвязи, пакетная перевалочная сеть мобильной связи.
Представлены результаты лабораторных и линейных испытаний промышленных образцов оборудования синхронизации по протоколу прецизионного времени (PTP) стандарта IEEE 1588-2008 с совокупностью параметров для электросвязи по Рекомендации G.8265.1 ITU-T (telecom profile), предназначенного для синхронизации частоты базовых станций в пакетной транспортной среде перевалочной сети мобильной связи (mobile backhaul).
Савчук А.В.,
технический директор компании "ВИРКОМ", к.т.н., savas@wircom.com.ua
Введение
Начало краткой, но насыщенной истории протокола прецизионного времени (Precision Time Protocol — PTP) приходится на 1990-е годы. К тому времени стало ясно, что возможности старейшего приложения глобальной сети Интернет — протокола сетевого времени (Network Time Protocol — NTP) в виде стандарта IETF исчерпаны на уровне точности сличения времени 1-10 мс. С другой стороны, в контрольно-измерительные системы промышленной автоматики стали широко внедрять технику Ethernet. Возникла недоступная для NTP ниша систем дистанционного сличения времени в локальных пакетных сетях с субмикросекундной точностью. Именно ее должен был занять РТР Оформленный в виде стандарта IEEE 15882002, РТР не был приспособлен для техники электросвязи — в исследовательской группе разработчиков стандарта P1588 не было ни одного связиста.
Второй этап развития РТР приходится на первое десятилетие XXI века, когда в отрасли электросвязи стал очевидным переход от систем SDH к пакетной транспортной среде IP/MPLS/Ethernet, в которой невозможна передача тактовой частоты на физическом уровне. Правда, в этом нет необходимости на магистральном участке, но основные проблемы возникают не на магистральной, а на перевалочной сети мобильной связи (Mobile Backhaul), под которой понимают участок транспортной среды между базовыми станциями и магистральной сетью. Именно здесь синхронизация необходима — настолько, что кроме ITU-T ею озаботились такие организации, как IEEE, рабочая группа IETF под названием TICTOC (Timing over IP Connections and Transfer Of Clock), форум Ethernet на городском участке
(Metro Ethernet Forum — MEF), инициативная группа по открытой архитектуре базовьх станций (Open Base Station Architecture Initianve — OBSAI).
Сначала по предложению ведущих операторов электросвязи в сентябре 2004 гэ исследовательская группа 15 ITU-T предприняла попытку решить проблему тактовой синхронизации перевалочной сети путем разработки технических условий на "синхронный" Ethernet. Завершить ее планировали в 2008 г. и исполнители честно отчитались о проделанной работе [1]. Но вместо ожидаемого пакета исчерпывающих стандартов получилось некое обобщение постановки задачи в виде Рекомендации G.8261. Как оказалось, прямой перенос принципов синхронизации систем SDH на пакетные сети не состоялся [2] и внедрение простой идеи "синхронного" Ethernet может вызвать серьезные проблемы у операторов в виде увеличения капитальных затрат на оборудование и проек-
тирование, а также увеличение эксплуатационных расходов в процессе эксплуатации [3, 4]. Тогда в перечисленных выше органах стандартизации выбрали стратегию здравого смысла: оставить внедрение синхронного ВЬ|е1те на отдаленную перспективу, а на начальном этапе развертывания пакетных перевалочных сетей отдать предпочтение РТР [5]. Кроме того, "синхронный" Е|Ьете1 предназначен только для синхронизации частоты, а пакетные сети больше нуждаются в синхронизации времени. Приходится дополнять узел сети программой обработки меток времени РТР и для синхронизации времени между всеми взаимодействующими узлами сети поддерживать двусторонний фоновый "поток синхронизации" производительностью ~24,6 кбит/с [6].
Так или иначе связисты! уже серьезно взялись за РТР: их было уже 42% в составе исследовательской группы1 Р1588, которая разработала новую редакцию стандарта 1ЕЕЕ1588-2008.
Рис. 1. Прогноз внедрения способов синхронизации частоты базовых станций на перевалочной сети мобильной связи (источник: Heavy Reading. Carrier Ethernet Swileh/Router, Ethernet Backhaul Maket Tracker. Maket analysis. July 2008)
Рис. 3. Схема лабораторных испытаний Р1588, сформированной в начале 2013 г., до-
Сам стандарт, по существу, распадается на совокупности параметров (profiles), совместимость которых обязательна лишь для ведущих часов, а ведомые часы могут работать в специфических, возможно, не совместимых условиях применения (энергетика, электросвязь, промышленная автоматика). Однако и в стандарте IEEE1588-2008 далеко не все устраивало связистов: в 2010 г. на его основе разработана Рекомендация G.8265.1 ITU-T под названием "Совокупность параметров РТР для синхронизации частоты в электросвязи" — специально для перевалочной сети мобильной связи. Представляет интерес прогноз внедрения различных способов синхронизации частоты базовых станций в мировом масштабе 2008 г., представленный в виде рис. 1.
Здесь NTR (Network Timing Reference) — сетевая синхронизация xDSL, ACR — адаптивное восстановление тактовой частоты (Adaptive Clock Recovery), для которого не существует открытого стандарта, SyncE — "синхронный" Ethernet; некоторые поставщики базовых станций применяют NTP с увеличенной частотой запроса по отношению к стандартной частоте, равной 1 запросу в 2 с. По оси ординат указано число синхронизируемых базовых станций.
Ко времени подготовки этой статьи можно говорить о линейных испытаниях только того оборудования РТР которое удовлетворяет Рекомендации G.8265.1. Однако в связи с внедрением техники LTE в мобильной связи возникает необходимость фазовой синхронизации радиосигналов в соседних сотах с микросекунд-ной точностью. Специалисты пришли к выводу, что ее можно обеспечить только с помощью синхронизации времени. Для этого придется в очередной раз пересмотреть стандарт IEEE 1588: в обновленой исследовательской группе
ля инженеров электросвязи увеличена до 47,9%. В прогнозе на будущее, который показан на рис. 2, сохраняется явно выраженное предпочтение технике РТР!
Первые результаты испытаний промышленных образцов сервера TimeProvider 5000 и клиента TimeProvider 500 PTP от компании Symmetricom опубликованы в докладе [7]. Стоит обратить внимание на то, что оборудование соответствует Рекомендации G.8265.1, опубликованной в октябре 2010 г., а испытания проведены еще в 2008 г. Если учесть специфику стандартизации ITU-T, где Рекомендации вводят в действие только на основе проведенных НИР или/и по результатам испытаний образцов оборудования, то можно утверждать, что инициатором введения совокупности параметров РТР для электросвязи в виде G.8265.1 является компания Symmetricom. В конце 2009 г. [8] и в
начале 2010 г. [9] для испытаний системы TimeProvider 5000/500 были выделены опытные зоны на сетях двух ведущих операторов мобильной связи Украины. Далее представлены результаты проведенных испытаний.
Результаты лабораторных испытаний PTP
Для оценки зависимости качества синхронизации от загрузки элементов сети Ethernet была собрана схема измерений, показанная на рисунке 5. Основой этого эксперимента служит тестовый сигнал анализатора сетей передачи данных N2X, моделирующего односторонний трафик с заданными параметрами через последовательно соединенные элементы сети Cisco Catalist 3750. Образованный таким образом тракт передачи данных с изменяемыми параметарами использовали для передачи сообщений РТР от сервера к клиенту с оценкой качества восстановления тактовой частоты UTC. В соответствии с требованиями нормативных документов для измерения стабильности частоты использован внешний опорный сигнал 5 МГц от цезиевого стандарта частоты в составе PRC.
Для того, чтобы оценить зависимость качества синхронизации от загрузки тракта передачи были предусмотрены такие варианты измерений:
1 — в положении 1 переключателя порт выделенного клиента подсоединен кабелем прямо к порту сервера РТР ("короткое замыкание");
2 — в положении 2 переключателя через загруженный на 98% канал GE между элементами сети передавали непрерывный поток циклов Ethernet со скоростью передачи 125512 циклов в секунду (~960 Мбит/с) и скоростью приема 125500 циклов в секунду, т.е. частота пропадания циклов GE достигала 9 *10-5 —
Рис. 2. Прогноз внедрения способов синхронизации базовых станций на перевалочной сети мобильной связи (источник: Heavy Reading's Ethernet Backhaul Quarterly Tracker, June 2011}
Антена GPS
Рис. 5. Схема линейных испытаний PTP при умеренной загрузке тракта
другими словами выбранный режим моделирования оказался близким к пределу технических возможностей элементов сети;
3 — в положении 2 переключателя через канал ЭЕ между элементами сети передавали прерывистый поток циклов Е^етеї со средней загрузкой 80% и плотностью передачи пакетов 98,8% в активной фазе, состоящей из 10000 циклов, и продолжительностью цикла ~8000 нс;
4 — в положении 2 переключателя через загруженный на 99% канал РЕ между элементами сети передавали непрерывный поток циклов Е^етеї со скоростью передачи 147320 циклов в секунду (~75,43 Мбит/с) и скоростью приема 141800 циклов в секунду (~72,65 Мбит/с), т.е. частота пропадания циклов ЭЕ достигала 4 • 10-2;
5 — в положении 3 переключателя при тех же условиях в канале РЕ между элементами сети направление передачи сообщений РТР был изменен на обратный для того, чтобы оценить влияние одностороннего трафика
Семейство характеристик восстановления тактовой частоты в перечисленных режимах измерений показано на рисунке 4. Следует отметить заметное улучшение качества восстановления частоты в условиях прерывистого трафика 3 по сравнению с непрерывным 2, что объясняется уменьшением средней загрузки тракта передачи. Предсказуемым также можно считать некоторое улучшение характеристики при изменении направления потока сообщений РТР от совпадающего 4 с направлением тестового потока к противополжному 5, так как интенсивность передачи сообщений от сервера РТР к клиенту приблизительно в три раза меньше интенсивности обратной передачи.
Тем не менее нельзя сказать, что существует явно выраженная зависимость результатов измерений от выбранных вариантов. Характеристика "короткого замыкания" оказалась практически хуже всех. Это означает что разброс характеристик на рис. 4 обусловлен случайными шумами измерений в большей степени, чем детерминированными условиями выбранных вариантов. При этом по-прежнему все характеристики с большим запасом удовлетворяют техническим требованиям ТБ 125 400.
Результаты линейных испытаний РТР: умеренная загрузка тракта
Для того чтобы оценить зависимость стабильности восстановленной тактовой частоты от числа переприемов в реальной сети Іпітапеї
в условиях умеренной загрузки тракта (со средней нагрузкой 20%), были сконфигурированы два тракта, отмеченные на рис. 5 цифрами 1 и 2:
1 — в составе шести элементов сети — двух маршрутизаторов доступа СЕ (Cisco Catalist 3750 customer edge), четырех граничных маршрутизаторов РЕ (Cisco Catalist 3750 provider edge) и одного магистрального маршрутизатора P (Cisco 7603 provider);
2 — в составе 10 элементов сети — двух маршрутизаторов СЕ, шести маршрутизаторов РЕ и двух маршрутизаторов P
Результаты измерений показаны на рис. 6 в графической форме зависимости MTIE от интервала наблюдения, привычной для специалистов по синхронизации на фоне шаблона для базовой станции Node B в соответствии с табл. 1. Характеристики двух трактов, которые по числу переприемов отличаются почти в два раза, практически одинаковы и с большим запасом удовлетворяют техническим требованиям TS 125 400. Такой результат можно объяснить тем, что загрузка реальной сети слишком мала для того, чтобы оказать влияние на качество синхронизации.
Можно предположить, что имеет место пороговый эффект: качество восстановления тактовой частоты не зависит от изменения загрузки реальной сети в широких пределах и отказ возникает при некоторой предельной нагрузке, когда остаток производительности тракта оказывается меньше интенсивности обмена сообщениями между сервером и клиентом РТР Это предположение подтверждено при проведении линейных испытаний в напряженном режиме.
Конфигур«ция: 2048кГц 750и 10Гц Илд-виешн Имит-виутр Виешн-5МГц Вых-ЛСП «р. МНЕ. не
0.1 1 10 100 1000 1Е4 1Е5
Интервал наблюдения, с
Ыс. 4. Результаты лабораторных испытаний
Интервал наблюдения, с
Рис. 6. Результаты линейных испытаний PTP при умеренной загрузке тракта
Результаты линейных испытаний PTP: напряженный режим
С целью определения указанного выше порога помехоустойчивости системы TimeProvider 5000/500 на сети одного из операторов мобильной связи был выбран специфический тракт передачи, показанный на рис. 7, по которому передают служебную информацию от системы управления РРЛ в центр технического обслуживания, расположенный в том же станционном помещении, где установлен сервер. Он состоит из последовательно соединенных 4 элементов сети NE Ethernet, преобразователя FMX потока Ethernet в сигнал E1, 9 элементов сети SDH, обратного преобразователя QMX7 сигнала Е1 в поток Ehternet (ему в данном случае отводится 64 кбит/с), который через канал служебной связи радиорелейной линии РРЛ STM1 доступен порту клиента. 'Узкое место" с максимальной производительностью 64 кбит/с, да еще загруженное служебной информацией, вызвало напряженный режим работы системы
восстановления частоты. После вхождения в синхронизм система частотной автоподстройки (ЧАП) клиента работала в граничном режиме: поочередно переходила из состояния слежения (на интервале от 22 до 31 минут) в состояние аварии (на ~5 минут) и обратно по критерию высокой частоты пропадания пакетов РТР!
Результаты, полученные в схеме измерений, показанной на рис. 7, приведены на рис. 8 (характеристика 1). Эта характеристика представляет интерес при ее сопоставлении с характеристикой режима свободных колебаний
2 собственного кварцевого генератора клиента и с харктеристикой режима удержания частоты, в котором по техническим условиям [10] уход фазы составляет 20 мкс в сутки (линия 2,3^10"10 на рис. 8) при условии, что клиент до этого отработал в режиме слежения не менее 24 часов, а его питание не выключалось в течение пяти суток. Здесь же приведена реальная характеристика 3 удержания частоты, измеренная при указанных условиях. Очевидно, что хотя характеристика 1 существенно хуже ха-
рактеристик, представленных ранее, и пересекает шаблон допустимых блужданий фазы для SEC на интервале наблюдения около 700 с, тем не менее она удовлетворяет требованию к допустимой неопределенности неопределенности тактовой частоты на входе базовой станции 16^10"9. Другими словами, она не имеет ничего общего с характеристикой 2 и является результатом подстройки частоты, когда ЧАП балансирует между состоянием слежения и состоянием аварии. Интересно отметить, что ее поведение в таком напряженном режиме не удовлетворяет техническим условиям на удержание частоты, так как при измерениях не было выполнены условия предварительной работы в режиме слежения не менее 24 часов при не выключенном питании в течение 5 суток. С другой стороны, уже в суточном сеансе измерений очевидна тенденция изменения долговременной стабильности характеристики 1 в лучшую сторону и следует ожидать, что на интервале наблюдения в несколько суток она будет отслеживать частоту UTC (т.е. пересечет линию Ы0'11).
На основании анализа журналов событий системы управления клиента можно заключить, что переход системы ЧАП из состояния слежения в состояние аварии происходит тогда, когда частота пропадания пакетов становится равной ~50% и предельно возможная интенсивность обмена пакетами РТР оказалась равной 32 пакета/с. Это значит, что доступная производительность тракта в направлении от сервера к клиенту не превышала 55 кбит/с, а в обратном направлении — 24 кбит/с.
Представленные здесь результаты в значительной степени совпадают с данными, которые известны по другим публикациям. Так при моделировании интенсивности нагрузки в пределах до 70% и резких ее изменениях в экспериментах на сети Vodafon получены результаты [7], которые хорошо согласуются с результатами, представленными на рис. 4 и 6.
Заключение
Результаты лабораторных и линейных испытаний сервера PTP TimeProvider 5000 и клиента TimeProvider 500 с совокупностью параметров, соответствующей Рекомендации G.8265.1 позволяют сделать следующие выводы.
1. Стабильность тактовой частоты, восстановленной в транспортной среде IP/MPLS/ Ethernet перевалочной сети мобильной связи с помощью системы TimeProvider 5000/500, с большим запасом соответствует техническим требованиям TS 125 402.
Рис. 7. Схема линейных испытаний PTP в напряженном режиме
Литература
1. J.-L. Ferrant, M. Gilson, S. Jobert, M. Mayer, M. Ouellette, L. Montini, S. Rodrigues, S. Ruffini. Synchronous Ethernet: A Method to Transport Synchronization // IEEE Communication Magazine, 2008. — №9. — С. 126-134.
2. Synchronization in packet-based networks: chal-enges and solutions // Ericsson White Paper 284 23-3114 Uen Rev A. January 2009. рp. 2-15.
3. T. Laine. New synchronization metrics for packet networks: Thesis submitted for examination for the degree of Master of Science in Technology // Faculty of Electronics, Communications and Automation of Aalto University. Espoo, 2010. — 92 р.
4. Рыжков А.В., Савчук А.В. Способы синхронизации сетей электросвязи в условиях перезагрузки нормативной базы // Электросвязь, 2012. — №9. — С. 37-41.
5. J.-L. Ferrant, M. Gilson, S. Jobert, M. Mayer, L. Montini, M. Ouellette, S. Rodrigues, S. Ruffini. Developmentjf the First IEEE 1588 Telecom Profile to address Modile Backhaul Needs // IEEE Communication Magazine, 2010. — №10. — С. 118-126.
6. K. Hann, S. Jobert, S. Rodrigues. Synchronous Ethernet to Transport Frequency and Pase/Time // IEEE Communication Magazine, 2012. — №8. — С. 152-160.
7. M. Gasparroni, P. Correa. IEEE 1588v2 based solutions for VF Backhaul Networks // The 6th International Telecom Sync Forum, Munich, ITSF-2008.
8. Рыжков А.В., Савчук А.В., Вакась В.И. Протоколы сличения времени для тактовой синхронизации в сетях с коммутацией пакетов // Электросвязь, 2010. — №5. — С. 45-49.
9. Гайдаманчук А.В., Савчук АВ. Восстановление тактовой частоты по протоколу сличения времени на перевалочной транспортной сети мобильной связи // Зв'язок, 2011. — № 1. — С. 23-28.
The test results of the PTP technology in mobile networks of Ukrainian leading carriers SavchukAV. Ph.D., savas@wircom.com.ua
Abstract
In this paper the indoor and field test results of production pieces of FTP synchronization equipment Std. IEEE 1588-2008 with telecom profile secundum G.8265.1 ITU-T Recommendation meant for base stations frequency synchronization in packet mobile backhaul.
Keywords: frequency synchronization, precision time protocol (PTP), telecom profile, packet mobile backhaul.
References
1. J.-L. Ferrant, M. Giison, S. Jobert, M. Mayer, M. Oueiiette, L Montini, S. Rodrigues, S. Ruffini. Synchronous Ethernet: A Method to Transport Synchronization // IEEE Communication Magazine, 2008. No9. pp. 126-134.
2. Synchronization in packet-based networks: challenges and solutions // Ericsson White Paper 284 23-3114 Uen Rev A. January 2009. pp. 2-15.
3. T. Laine. New synchronization metrics for packet networks: Thesis submitted for examination lor the degree of Master of Science in Technology // Faculty of Electronics, Communications and Automation of Aalto University. Espoo, 2010. 92 p.
4. RyzhkovA.V., SavchukAV. Ways to synchronize telecommunications networks under the regulatory framework reboot / Electrosvyaz, 2012. No9. pp. 37-41.
5. J.-L. Ferrant, M. Gilson, S. Jobert, M. Mayer, L. Montini, M. Ouellette, S. Rodrigues, S. Ruffini. Developmentjf the First IEEE 1588 Telecom Profile lo address Modile Backhaul Needs / IEEE Communication Magazine, 2010. No10. pp. 118-126.
6. K. Hann, S. Jobert, S. Rodrigues. Synchronous Ethernet to Transport Frequency and Pase/Time / IEEE Communication Magazine, 2012. No8. pp. 152-160.
7. M. Gasparroni, P. Correa. IEEE 1588v2 based solutions for VF Backhaul Networks // The 6th International Telecom Sync Forum, Munich, ITSF-2008.
8. RyzhkovA.V., Savchuk AV., Vakas V.i. Protocols for comparison time clock in packet-switched networks / Electrosvyaz, 2010. No5. pp. 45-49.
9. Gaydamanchuk AV, Savchuk AV. Clock recovery protocol comparisons at the transfer time of the transport network of mobile communication / Zvyazok, 2011. No 1. pp. 23-28.
и>м«|мп«пь: Время и>мер»мии-18:38:73 Нр*ми иыоорки-ОЛЗс ■
Конфигурация 7048кГц ТЗОм 10Гц Ишшм Ими> виутр Bnpbn IOMIu Вм» ПСП
Рис. 8. Результаты линейных испьланий PTP в напряженном режиме
2. Стабильность восстановленной частоты при умеренной загрузке тракта, в котором содержится до 10 элементов сети, слабо зависят от количества переприемов.
3. В ходе лабораторных испытаний и линейных испытаний при умеренной загрузке тракта не зафиксировано существенного улучшения качества восстановления тактовой частоты при увеличении интенсивности обмена сообщениями РТР между сервером и клиентом.
4. Стабильность восстановленной частоты заметно ухудшается тогда, когда доступная системе РТР производительность сети становится меньше пороговой величины, которая зависит от интенсивности обмена сообщениями РТР. Тогда система ЧАП клиента начинает балансировать между состоянием слежения и состоянием
аварии. Но даже в этом случае долговременная (на интервале суток и более) стабильность восстановленной частоты удовлетворяет требованиям ТБ 125 402.
5. Величина порога тем меньше, чем меньше интенсивность обмена сообщениями РТР между сервером и клиентом. Представленные здесь результаты позволяют заключить, что при интенсивности обмена 16 пакетов/с, которая принята для клиентов РТР, встроенных в серийное оборудование базовых станций, стабильность их частоты будет соответствовать техническим требованиям ТБ 125 402 при условии, что доступная производительность тракта в направлении от сервера к клиенту не менее ~28 кбит/с, а в обратном направлении — не менее ~ 12 кбит/с.
