CC BY
76
Модель передачи сигналов единого точного времени в сети связи с пакетной коммутацией
Ключевые слова: единое точное время, первичный сервер, вторичный сервер, локальные часы, девиация задержки пакетов, закон распределения погрешности.
Мазуренко Д.К.,
ФГУП ЦНИИС, dm.ma2010@yandex.ru
1. Основные погрешности, возникающие
при передаче сигналов ЕТВ в сетях с
пакетной коммутацией
Известно, что характеристики качества передачи сигнала синхронизации в сети с пакетной коммутацией тесно связаны с возможной девиацией временной задержки пакетов в промежуточных коммутаторах и маршрутизаторах сети, зависящей как от топологии трафика на физическом уровне, так и от оптимизации очереди задержки сообщений, а также асимметрии задержки в прямом и обратном направлениях.
Согласно [1] метрика для определения количественного влияния девиации задержки пакета на синхронизацию времени определяется, в основном, TDEV (Time Deviation) и minTDEV, так как МТ1Е (Maximum Time Interval Error) — не является определяющим показателем для количественного определения девиации задержки пакета с точки зрения синхронизации времени «локальных часов», потому что не обязательно все пакеты используются в алгоритмах синхронизации времени.
Согласно [11 имеются несколько причин девиации временной задержки в сети связи с коммутацией пакетов, вызывающих динамическую асимметрию задержки. Они могут включать:
а) случайное изменение задержки (например, задержки организации очереди пакетов);
б) низкочастотное изменение задержки (например, для разного времени суток - дешЛ ночь);
в) систематическое изменение задержки, обусловленное промежуточной вариацией задержки пакетов в ос-
Рассматриваются сетевая модель и основные погрешности, возникающие при передаче по сети связи с пакетной коммутацией сигналов единого точного времени (ЕТВ). Отмечено, что создание системы ЕТВ на сети оператора связи предполагает обязательное выполнение двух процессов, а именно установку текущего времени и его хранение. При этом погрешности, возникающие в случае дистанционной передачи сигналов ЕТВ от источника к потребителю, то есть к "локальным часам”, можно классифицировать в виде "шумов" — передачи, установки и нестабильности внутреннего генератора "локальных часов". Согласно сетевой модели, в пакетной сети распределения сигналов ЕТВ, для каждого маршрута передачи сигнала ЕТВ должны определяться "шумы" передачи, которые зависят от статической задержки и девиации задержки пакетов при их передаче и могут быть представлены в виде некомпенсированного "шума" передачи, то есть остаточной асимметрии, определяемой неравенством задержки передачи пакетов в прямом и обратном направлениях. Для снижения "шума" передачи используются сетевая поддержка и различные компенсационные методы уменьшающие "шумы" передачи. Показано, что компенсационные методы могут также использоваться для уменьшения "шума" установки, определяемого разрешающей способностью метки времени. В этом случае поддержание точности "локальных часов" системы ЕТВ на сети оператора связи можно обеспечить с помощью выполнения процесса прецизионной дискретной фазовой автоподстройки значащих моментов сигнала тактового генератора "локальных часов", который был предложен и успешно испытан автором ранее для систем контрольно-измерительной аппаратуры, не используя традиционную подстройку частоты внутреннего генератора. Использование этого процесса с заданной периодичностью позволит также обеспечить уменьшение погрешности, возникающей от нестабильности частоты внутреннего генератора "локальных часов". Учитывая, что некомпенсированный "шум" передачи можно представить в виде остаточной асимметрии, закон распределения погрешностей, возникающих при передаче сигналов ЕТВ по сети связи с пакетной коммутацией, можно описать, используя предложенную модель основных погрешностей, в виде свертки двух независимых случайных процессов, то есть "шумов" установки с учетом остаточной асимметрии и "шумов" нестабильности внутреннего генератора "локальных часов".
иовном при транспортировке пакета, то есть джиггер, при передаче на физическом и доменном уровнях;
г) изменения маршрутизации.
Минимальный «шум» передачи, определяющий точность установки времени «локальных часов», при использовании пакетных способов передачи сигнала ЕТВ согласно ш имеет ряд дополнительных факторов, вызывающих, в том числе, статическую асимметрию задержки, таких как:
д) задержка распространения на физическом уровне;
е) задержка распространения через сети на основе отличных от «Ethernet» принципов передачи, например, «Ethernet» по xDSL, PON, и т.д;
ж) смещение времени «локальных часов» в течение интервала, необходимого для оценки значения расхождения времени «локальных часов» по отношению к эталонному источнику.
Наряду с перечисленными выше «шумами» передачи, дополнительную погрешность также вносят «гпумы» -установки и нестабильности частоты генератора «локальных» часов, то есть:
з) разрешающая способность метки времени;
и) нестабильность частоты генератора.
В целом, перечисленные выше погрешности, возникающие при дистанционной передаче сигналов ЕТВ по сети связи с коммутацией пакетов, то есть — «шум» передачи, а также при установке и уходе частоты генератора, то есть - «шум» генератора, можно классифицировать и представить с точки зрения, вызывающих эти погрешности причин в виде, как это показано в табл. 1.
Огсюда следует, что в пакетной сети распределения сигналов ЕТВ для каждого маршрута передачи сигнала ЕТВ «шум» передачи определяется как характеристиками сети, в том числе статической асимметрией задержки пакетов, т.е. факторами д), е) и ж), девиацией задержки пакетов, факторами а), б), в) и г), так и разрешающей
Ж
способность метки времени, а также нестабильностью частоты генератора, т.е. факторами з) и и).
Для повышения точности передачи сигнала синхронизации времени «локальных часов», при использовании пакетных способов передачи сигнала ЕТВ, используются различные компенсационные методы, которые уменьшают «шум» передачи. Компенсационные методы могут использоваться как для уменьшения «шума» передачи, обусловленного факторами а), б), в), г), д), е), ж) [2, 3], так и «шума» установки, т.е. фактором з) [4, 5].
Таблица 1
«Шум» передачи «Шум» генератора
«Шум» статической асимметрии задержки «Шум» динимической асимметрии задержки «Шум» установки «Шум» нестабилъ- ности
Задержка распространения на физическом уровне Случайное изменение задержки (например, задержки ор1Янизаиии очереди пакетов) Разрешающая способность метки времени, IX) еС1Ъ период повторения частоты генератора шкалы времени Уход генератора по частоте
Задержка распространения через сети на основе отличных от «lithemet» принципов передачи, например, «Ethernet» по xDSL, PON, и т.д* Н изкочастотное изменение задержки (например, для разного времени суток - день/ночь)
Смещение времени «локальных часов» в течение интервала, необходимого для оценки значения расхождения времени «локальных часов» по отношению к эталонному источнику Систематическое изменение задержки, обусловленное промежуточной вариацией задержки пакетов в основном при транспортировке пакета, то есть джиттер, при передаче на физическом и доменном уровнях
Изменения Машрутизации
Пакетные способы передачи основаны на следующих протоколах - РТР (Precision Time Protocol), NTP (Network Time Protocol), SNTP (Simple Network Time Protocol).
При этом по опенке [2] протоколы NTP и SNTP позволяют обеспечить точность синхронизации по времени в пределах до 1-4-500 мс, а в целях достижения более высокой точности <1 мке следует использовать протокол РТР, в котором также как и в протоколе NTP применяется алгоритм компенсации сетевой задержки и, кроме того, сетевая поддержка в виде прозрачных и граничных часов.
Архитектура системы ЕТВ, построенная на базе протокола РТР, должна представлять собой иерархическую
структуру, обеспечивающую синхронизацию «локальных часов» объекта синхронизации, и включать в себя:
- первичный эталонный генератор шкалы времени (PRTC);
- слой первичных серверов времени (ТТСВ) — «Гроссмейстерские часы» (T-GM «Telecom Grandmaster»);
- слой объектов, имеющих встроенные или автономные вторичные серверы времени (ВСВ) - «Ординарные часы» (T-TSC «Telecom Time Slave Clock»), синхронизирующие «локальные часы»;
- слой ВСВ - «Граничные часы» (Т-ВС «Telecom Boundary Clock») и/или «Прозрачные часы» - (Т-ТС «Telecom Transparent Clock»).
Элементы архитектуры ЕТВ на основе протокола РТР имеют следующее назначение [3]:
- гроссмейстерские часы — главные ведущие часы;
- граничные часы - часы, выполняющие функцию ведомых/ведущих. Они служат сетевой поддержкой. Их задачей является определение, а также регенерация сообщения о времени;
- прозрачные часы - часы, измеряющие задержку прохождения пакета в элементе сети. Они служат сетевой поддержкой;
- ординарные часы - ведомые часы
С учетом приведенной выше архитектуры и согласно [2, 6] на рис. 1 приведена сетевая модель пакетной сети распределения сигнала ЕТВ, используемая для количественной оценки погрешности «шума» передачи, возникающей при передаче сигналов ЕТВ в сетях с пакетной коммутацией.
А В С D Е
РРТС т-вм
фИЗИМеСКИЙ уровень пакетный уровень А погрешность РЯТС В погрешность Т-СМ С погрешность сети 1Р/МР1.8 О погрешность Т-ТБС Е точность часов МЕ
Рис. 1 Сетевая модель пакетной сети распределения сигнала ЕТВ
Согласно сетевой модели, приведешюй рис. 1, в пакетной сети распределения сигналов ЕТВ, для каждого маршрута передачи сигнала ЕТВ должны определяться «шумы» передачи, которые зависят от статической асимметрии задержки пакетов и минимальной девиацией задержки пакетов между опорными точками В, С и могут быть представлены в виде некомпенсированного «шума» передачи, то есть остаточной асимметрии.
Общая задержка передачи временных меток в сети коммутацией пакетов определяет также такую характеристику, как максимально возможная частота подстройки синхросигнала, которая, например, для протокола РТР согласно [2] находится в диапазоне К128 Гц.
При этом согласно [4] максимально допустимый период коррекции «локальных часов» Ткор при котором ошибка от нестабильности частоты генератора ДОТ,, не превысит единицы периода повторения импульсной последовательности — Т генератора, формирующего шкалу времени, равен: Ткорма1СС < Т/ДГ/Г,,. Тогда, например, максимально допустимый период коррекции «локальных часов» Ткпр макс будет еоответст-вовать частоте подстройки синхросигнала в дианразоне 10 + 100 Гц, при
нестабильности часто ты генератора А171], = 10-6 + 10"7, что характерно для кварцевых генераторов, и погрешности установки шкалы времени Т = 10x1 (Г9 с, обусловленной периодом повторения.
Это позволяет, используя рассмотренный в следующем разделе периодический компенсационный процесс прецизионной фазовой автоподстройки значащих моментов сигнала «локальных часов», обеспечить не только повышение точности установки текущего времени, но и корректировку погрешности, обусловленной нестабильностью частоты генератора.
2. Описание процесса прецизионной фазовой
автоподстройки значащих моментов сигнала
«локальных часов»
Поддержание точности фазы «локальных часов» можно обеспечить с помощью их синхронизации по меткам времени эталонного источника, используя процесс прецизионной фазовой автоподстройки значащих моментов сигнала «локальных часов» согласно [5].
В этом случае фазовая авто подстройка значащих моментов сигнала «локальных часов» осуществляется за счет выравнивания задержки сигнала, поступающего от «локальных часов», до определенного значения относительно моментов времени поступления меток сигнала синхронизации. Временная диаграмма процесса фазовой автоподстройки значащих моментов «локальных часов» показана на рис. 2.
Будем считать, что форма импульса описывается дискретной дельта — функцией Кронеккера, то есть:
1,1-0 I 0, / =)= о
В этом случае сигнал х(1), характеризующий изменение времени «локальных часов» и определенный на континууме моментов времени, может быть представлен на интервале [0, Т) в виде несчетного множества смещенных решетчатых функций:
оо
X(пТ, £)= ^лг((и + £)Т) * <£(/ — (и + е)Т)
и=0
где е = 0, 1/М, ..А'-У/А' - коэффициент, характеризую-
щий смещение решетчатой функции внутри интервала [ОД).
Тогда задача фазовой автоподстройки значащих моментов сигнала «локальных часов» заключается в выборе решетчатой функции, имеющей наименьший постоянный сдвиг внутри интервала [0,Т) по отношению к импульсу синхронизации.
Эта задача согласно рис. 2 решается путем определения рассогласования фазы первого импульса последовательности, соответствующих значащих моментов «локальных часов», и сигнала синхронизации задержанного на 1/Р„п. то есть, если обозначить б — рассогласование фазы значащих моментов «локальных часов» и сигнала синхронизации, то с точностью до 1 /Р„П*Н будет определена величина 1 /Рип - й.
В результате временной селектор будет настроен с помощью сдвину того по фазе «зондирующего импульса» таким образом, чтобы обеспечить рассогласование фазы значащих моментов «локальных часов» и сигнала синхронизации до постоянной и известной величины с точностью до 1/РИ11 *N1.
Импульсная последовательность значащих моментов « локальных
к Н —1 1 ► Импульс синхронизации
«Зондирующий импульс»
—р"" Ч Сигнал управления
1 -ый канал фазового сдвига
1/Fnn‘N ^ 1 2-ой канал фазового сдвига
I N - ый канал фазового сдвига - -L ►
1 1-ЫЙ В|ІЄМЄННОЙ CCJlCKIUf)
2-ой временной селектор ^
Рис. 2. Временная диаграмма процесса фазовой автоподстройки значащих моментов «локальных часов»
Испытания, предложенного процесса прецизионной фазовой автоподстройки значащих моментов генератора импульсной последовательности и сигнала синхронизации, подтвердили возможность реализации точности в пределах единиц наносекунд.
3. Закон распределения погрешности при передаче
сигналов ЕТВ в сети связи с пакетной коммутацией
Погрешности, возникающие в случае дистанционной передачи сигналов ЕТВ от источника к потребителю, то есть к «локальным часам», как было отмечено выше, можно классифицировать в виде «шумов» передачи, установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов».
При этом «шум» передачи обусловлен статической асимметрией задержки, в том числе задержкой в кабеле от глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) до T-GM, в приёмопередатчиках (трансиверах) SFP (Small Form-factor Pluggable), используемых в маршрутизаторах и коммутаторах, задержкой при передаче сигнала от T-T-TSC к «локальным» часам, а также динамической асимметрией, определяемой разницей в загрузке каналов в прямом и обратном направлении, которая представляет собой нестационарный случайный процесс.
Следует отметить, что не всегда асимметрия загрузки приводит к асимметрии задержки, так как в ряде случаев используется механизм выравнивания скоростей передачи пакетов в сети связи с пакетной коммутацией как прямом, так и обратном направлении.
Для повышения точности установки времени «локальных часов», то есть снижения «шума» передачи, используются различные компенсационные устройства в виде граничных (Т-ВС) и прозрачных (Т-ТС), упомянутых выше, которые уменьшают «шумы» передачи.
Тогда некомпенсированный «шум» передачи, целесообразно, представить в виде остаточной асимметрии бо^. „ш, характеризующей неточность процессов компенсации статической и динамической асимметрии задержки передачи пакетов, несущих информацию о частоте и времени.
В разделе 2 показано, что компенсационные методы могут также использоваться для уменьшения «шума» установки, определяемого разрешающей способностью метки времени, то есть рассогласованием фазы первого импульса последовательности, соответствующих значащих моментов «локальных часов», и сигнала синхронизации.
В этом случае поддержание точности «локальных часов» системы ЕТВ па сети оператора связи обеспечивается с помощью выполнения процедуры периодической установки текущего времени, не используя традиционную подстройку частоты внутреннего генератора.
Тогда закон распределения суммарной погрешности от установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов», то есть не синхронности генераторов Т-ОМ и Т-Т!5С, согласно теории вероятности [7], будет описываться сверткой законов распределения для двух независимых случайных процессов. Так как в соответствии с разделом 2 в процессе прецизионной фазовой автоподстройки значащих моментов «локальных часов» используется автоподстройка значащих моментов, а не самого генератора «локальных часов» (Т-ТЯС).
В этом случае, учитывая, что законы распределения «шумов» \^^(х) установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов», носят равновероятный характер, закон распределения суммарной погрешности будет определяться законом Симпсона и иметь вид, представленный ниже и в графической форме на рис. 3.
Щх) =-«
(I- \х[)/(Т„+ 6^.ас,,,, +Т) при |*| < (Т„+ бос,..о» +Т)/2 О при\х\ >(Тп+Ьт хю+Т}/2
*■ Ж(х)
/ 1/(Тп+ бост. асим ~^Т) ^>
- (Т„+ боег.асм +Т)/2 0 (Тп+ бост. аенм +Т)/2 X
Рис. 3 Закон распределения суммарной погрешности установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов»
где Г — период повторения импульсной последовательности генератора, формирующего шкалу времени; Т„ = ТШ - период повторения последовательности значащих моментов «локальных» часов; N - целое число в диапазоне 1, 2.
Анализируя закон распределения суммарной погрешности установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов» рис. 3 видно, что применение процесса прецизионной фазовой автоподстройки значащих моментов «локальных часов» позволяет уменьшать погрешность, обусловленную разрешающей способностью метки времени. Таким образом, погрешность процесса дистанционной установки текущего времени будет определяться с точностью до — Т„ для разрешающей способности метки времени плюс погрешность, обусловленная остаточной асимметрией задержки передачи пакетов, несущих информацию о частоте и времени с точностью до бост аснм, а погрешность сохранения, связанная с нестабильностью внутреннего генератора «локальных часов», будет определяться с точность до — Т.
Выводы
Обеспечение единого точного времени на сети оператора связи связано, как правило, с выполнением двух процессов, определяемых как установка текущего времени, используя сетевую поддержку с целью повышения точности, и его сохранение, применяя внешнюю синхронизацию, например, от существующих источников сети ТСС или синхронного ЕЙгегпе1.
При этом погрешности, возникающие при дистанционной передаче сигналов ЕТВ от источника к потребителю, то есть к «локальным часам», можно классифицировать в виде «шумов» передачи, установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов».
Для повышения точности установки времени «локальных часов», то есть снижения «шума» передачи, используются различные компенсационные методы уменьшающие «шумы» передачи, однако компенсационные методы могут также использоваться для уменьшения «шума» установки, определяемого разрешающей способностью метки времени.
В этом случае поддержание точности «локальных часов» системы ЕТВ на сети оператора связи можно обеспечить с помощью выполнения процедуры периодической установки текущего времени, не используя традиционную подстройку частоты внутреннего генератора.
Отсюда учитывая, что некомпенсированный «шум» передачи можно представить в виде остаточной асимметрии, закон распределения погрешностей, возникающих при передаче сигналов ЕТВ по сети связи с пакетной коммутацией, можно описать, используя рассмотренную сетевую модель, в виде свертки двух независимых случайных процессов, то есть шумов установки и нестабильности внутреннего генератора «локальных часов».
С учетом этого, закон распределения суммарной погрешности будет определяться законом Симпсона, а погрешности процесса дистанционной установки текущего времени и погрешность сохранения будут определяться соответственно с точностью до — Т„ плюс б()ст асим, и — Т.
Внедрение системы ЕТВ на сети оператора связи позволит обеспечить выполнение технических 'Требований с учетом класса точности синхронизации времени для
стандартов мобильной связи CDMA, WiMAX, LTF,, оп-релеление и автоматическое фиксирование с требуемой точностью моментов времени начала и окончания событий или процессов, например, мониторинга задержки пакетов, необходимого для поддержания качества обслуживания QoS, локализацию отказов оборудования, осуществляемого системами управления элементами сети и сетью, учет продолжительности соединения и т.д.
Литература
1. Рекомендация МСЭ-Т G.8261/Y.1361 (04/2008 г.). Синхронизация и аспекты синхронизации в пакетных сетях.
2. Рекомендация МСЭ-Т 0.8271/У 1366 (02/2012 г.). Аспекты временной и фазовой синхронизации в сетях с коммутацией пакетов.
3. Стандарт 1ЕЕЕ 1588 (03/2008 г.). Протокол синхронизации прецизионных часов для сетевых измерений и систем управления.
4. Гитис Э.И Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. — М.: Энерг ия, 1975-447 с.
5. Мазуренко Д.К., Покровский К.П.. Авторское свидетельство № 606199. Устройство задержки, от 26.12.1974 г.
6. Рекомендация МСЭ-Т С.8271.1/У. 1366.1 (08/2013), Сетевой лимит при синхронизации времени в сетях с коммутацией пакетов.
7. Корн Г., Кори Т, Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М.: Наука, 1977. - 830 с.
The model transmission utc(su) for all-ip structures of the telecommunication network
Dmitry Mazurenko, Central Science Research Telecommunication Institute (ZNIIS), head of department, Ph.D., dm.ma2010@yandex.ru Abstract
The paper considers are questions of support of exact time in telecommunication network and also the model transmission UTC(SU) for ALL-IP structures of the telecommunication network. It is shown that an uncompensated "noise" transmission can be represented as the residual asymmetry, whereas the law of distribution of errors arising in the transmission of signals by UTC(SU) network with packet switching, can be described, using the proposed model for the basic errors, in the form of a convolution of two independent random processes, that is the "noise" settings with into account of the residual asymmetry and the "noise" of the internal oscillator instability of " the local clock."
Keywords: coordinated universal lime, primary server, secondary server, local clock, packet delay variation, errors distribution.
References
1. Timing and synchronization aspects in packet networks, ITU-T Recommendation G.8261/Y1361, 2008.
2. Time and phase synchronization aspects of packet networks, ITU-T Recommendation G.8271/Y1366, 2012.
3. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Std 1588, 2008.
4. Gitis E.I., "Data converters for electronic digital computers", Moscow: Energiya, 1975, 447 p.
5. Mazurenko D.K., Pokrovsky K R, "Delay devce", SU Patent 606199, 12, 26, 1974.
6. Network limits for time synchronization in packet networks, ITU-T Recommendation G.8271.1 Y/1366.1, 2013.
7. G. Korn, T. Korn, "Handbook of Mathematics (for scientists and engineers)". Moscow: Nauka, 1977. 830 p.
