發布日期：2022-07-15 點擊率：37
在通信系統中,時鐘和同步一直是確保語音和數據連接可靠和無差錯的一項關鍵設計因素。隨著當前網絡向基于分組的架構轉移,時鐘要求正在發生變化,實現標準網絡時鐘和同步更加復雜。本文介紹了有關電路和分組交換網絡時鐘同步的一些基本概念,討論了可用來實現分組網絡時鐘同步的幾種方法以及它們的優缺點。
圖1:分組網絡中的傳輸延遲和延遲變化。
為了防止數據傳輸丟失,需要對一條電路交換電信網絡上的所有節點進行同步,以確保發送和接收節點以同樣的速率對數據進行采樣。這是通過一種所謂的主從時鐘關系實現的,其中所有網絡節點(時鐘從節點)都同步到一個具有高精度自由運行時鐘的節點(時鐘主節點)上。該自由運行時鐘稱為主參考時鐘(PRC)或主參考源(PRS),其精度必須為1E(-11)或以上。這樣的精度只能通過銫(原子)時鐘或銫時鐘控制的無線電信號來產生,如全球定位系統(GPS)、全球軌道導航衛星系統(GLONASS)和遠程導航系統版本C(LORAN-C)。
為獲得通信的可靠性,希望全球電信網絡全部同步到一個單一的PRC/PRS的愿望是不現實的。實際網絡采用一種扁平時鐘分布結構,包含許多獨立運行的PRC/PRS。每個電信提供商一般都有自己PRC/PRS,這意味著全球性電信網絡是由一些同步的“孤島”通過一些準同步鏈路鏈接而成的。
運行兩種不同PRC/PRS時鐘的兩個網絡孤島之間仍會發生數據丟失(也稱為緩沖滑動),但由于兩個原子時鐘之間的頻率差異很小,因此這種情況很少發生。
圖2:源節點和目的節點同步到公共時鐘。
還有一些其他缺陷會影響電路交換網絡的數據傳輸,最重要的就是抖動(jitter)和漂移(wander),抖動和漂移被定義為數字信號的重要時刻在時間上偏離其理想位置的短期變動和長期變動。電路交換網絡中的所有接收機都含有彈性存儲緩沖區,以補償抖動和漂移。該緩沖區的大小應大于網絡中的最大抖動和漂移。
分組網絡特性
分組交換網絡用于突發性數據通信的傳輸,其中信息在源處封裝成分組,這些分組通過網絡節點(如交換機和路由器)以存儲轉發的方式傳輸,直到到達目的地。分組網絡與電路交換網絡有著很大不同,具有以下特性:
1. 分組網絡本質上是異步的。
2. 分組可能會以錯亂的順序到達目的地,因為它們可能經過不同的網絡路徑。
3. 由于分組在網絡節點中排隊的隨機性,每個分組的傳播延遲各不相同。一般,分組傳播延遲隨網絡中通信負荷的增加而增加。即使是在負荷較輕的網絡條件下,傳播延遲一般也比在電路交換網絡中要長。
由于缺乏同步、傳輸延遲長和延遲變化大等原因,分組網絡不太適合傳輸語音和其他恒定位速率(CBR)通信,如語音、語音調制解調器、視頻會議和傳真等。圖1以圖形方式顯示了分組傳輸延遲和延遲變化。
圖3:源節點和目的節點同步到網絡。
總傳輸延遲包括固定傳輸延遲tf和可變延遲tv。固定延遲是由傳播延遲和網絡中的最小緩沖延遲引起的,可變延遲(通常稱為分組抖動)主要是由網絡節點中的排隊引起的。分組抖動在接收機處通過抖動緩沖區進行補償。由于分組抖動可能會比電路交換網絡中的抖動和漂移大幾個數量級,分組網絡中用于補償的抖動緩沖區比電路交換網絡中的抖動緩沖區要大得多。
總延遲減小并具有服務質量(QoS)控制功能的更高速度分組交換機的開發,使得分組網絡不僅可以用于突發性數據通信,而且還可用于對延遲和延遲變化較為敏感的應用。 具有QoS功能的分組交換機可以降低高優先級通信的傳輸延遲和傳輸延遲變化。然而,分組網絡仍不具備CBR應用所需的端到端時鐘同步。
如果端節點(源節點和目的節點)未同步,因此導致的結果將與電路交換網絡的結果一樣。如果目的時鐘比源時鐘快或慢,目的節點中的緩沖區將會上溢或下溢。因缺乏同步造成的緩沖滑動將對不同CBR通信產生不同的影響。在單語音信道傳輸情況下,一個語音采樣將被丟失或者被重復。由于語音信號的相關性較高,相鄰語音采樣具有相似的幅度,因此除非滑動速率很高,否則不大可能在接收機中造成噪音。對于傳送 T1/E1信號的電路仿真應用,緩沖區上溢或下溢有可能導致T1/E1幀同步丟失,從而中斷服務。對于傳真應用,一次滑動將導致數行數據丟失,而對于語音調制解調器傳輸,一次滑動則可能使其中斷幾秒鐘。
分組網絡中時鐘同步的實現
IP網絡的同步可通過幾種方式來實現。可以將它們分成兩個基本類別:第一,如果有公共參考可用,比如來自電路交換網絡或GPS信號的參考,那么源和目的節點可同步到這些物理層時鐘上；第二,在源和目的節點沒有公共同步參考時,可以采用專門的時鐘恢復方法,如后面將要講述的差分和自適應時鐘恢復方法。
1．同步物理層情況下的時鐘同步
圖2和圖3顯示了同步物理層情況下的時鐘同步框圖:圖2顯示了同步到GPS或LORAN-C的源和目的節點；圖3顯示了從分組網絡導出時鐘信息的源和目的節點,該網絡中所有節點在物理層同步到一個公共時鐘上(例如SONET/SDH上的分組)。
圖4:差分時鐘。
兩種情況下,同步都與電路交換網絡的同步完全相同,唯一差別是,目的節點的接收緩沖區必須要大得多,因為分組延遲變化(分組抖動)比電路交換網絡中發生的抖動/漂移要大得多。
2．異步物理層情況下的時鐘同步
當除了源CBR時鐘ftx之外,所有網絡節點都同步到一個公共時鐘時,可以使用差分時鐘(Differential timing),如圖4所示。源端產生一個時間戳,該值與源時鐘ftx和網絡時鐘fnet之間的差值成正比,將其插入分組頭中。一旦目的節點收到分組,就會提取出該源時間戳,將其與本地產生的時間戳(與frx-fnet成正比)進行比較。這種比較的結果用于調節目的節點振蕩器的頻率frx。當目的時間戳等于源時間戳時,就達到了同步。差分時鐘與ATM中使用的同步剩余時間戳(Residual Timestamp)方法非常相似。
自適應時鐘(Adaptive timing)可用于網絡節點無法同步到一個公共時鐘的情況,這大概是分組網絡中最普遍的情況。最簡單的實現是不斷調節接收器時鐘,使接收緩沖區中的數據水平保持在中等數值,遠離上溢或下溢條件。然而,這種時鐘調節的分辨率是非常粗糙的。對于語音信號,該分辨率等于一個語音采樣的持續時間或125us,這意味著在執行任何糾正之前目的時鐘有可能漂離源時鐘125us。因此,這種方法產生的時鐘會具有較大的抖動。這種時鐘只能用在接收到的數據將被轉換成模擬形式,并且不會再通過電路交換網絡進行進一步傳輸的情況。
圖5:自適應時鐘。
較好的選擇是在分組頭中使用時間戳。圖5顯示了這種方法的功能框圖。
源端和目的端各有一個通過相應的以本地時鐘為觸發的計數器。每次源端組裝好一個新的分組,就會把計數器中的值插入到分組頭的時間戳字段中,然后將該分組傳送到網絡上。到達接收器時,該時間戳被從分組頭中提取出來,并與本地產生的時間戳(本地計數器中的值)進行比較。比較結果用于調節本地振蕩器的頻率frx。如果源和目的端時間戳之間的差值不再隨連續接收到的分組而變化時,則源和目的時鐘達到了同步。如果該差值隨連續接收到的分組而增大,則目的時鐘頻率需要提高,反之則該頻率需要降低。這種情況下,分辨率(源和目的振蕩器之間的最小相位誤差)等于源和目的端用于時間戳計數器增值的時鐘的周期。
本文小結
分組網絡最初不是為傳輸語音、T1/E1和傳真等CBR通信而設計的。分組網絡缺乏同步機制,具有較大的分組延遲和分組延遲變化。新的具有改進的QoS功能的分組設備允許實現更好管理的網絡。幾種通過分組網絡傳輸時鐘同步的方法也已開發出來,從而使分組網絡能夠傳送CBR通信。通過這些發展,分組網絡現在已經能夠提供可與電路交換網絡相媲美的CBR通信業務質量。
作者:Slobodan Milijevic
卓聯半導體公司
