第4章同步网.

1、第5章 同步网5.1 概述概述5.2 网同步设备和定时分配链路网同步设备和定时分配链路5.3 网同步技术网同步技术5.4 同步网的主要技术指标同步网的主要技术指标5.5 我国的同步网我国的同步网5.1 概概 述述 同步的概念 指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系，也就是它们相对应的有效瞬间以同一个平均速率出现。 模拟通信中的同步： 载波同步 数字通信中的同步：时钟同步、帧同步 数字网中的同步技术： (1) 接收同步：在点与点数字传输时，收端必须产生一个时间上与发端信号同步的、位于最佳取样判决位置的脉冲序列。方法：从接收信码中提取时钟信息，使其与接收信码在相位上同步。 (2) 复用同步

2、：在数字信道上，通常采用时分多路复用的方式，将多个支路数字信号合路后在群路上传输，这称为数字复用。主要复用技术主要复用技术 同步复用（SDH） 准同步复用（PDH） 非同步复用（低速数字信号） (3) 交换同步：在数字传输和数字交换构成的综合数字网内，为了使到达网内各交换节点的全部数字流都能实现有效的交换，必须使到达交换节点的所有数字流的帧定位信号同步，这种数字交换中需要的同步称为交换同步（网同步）。5.2 网同步设备和定时分配链路网同步设备和定时分配链路5.2.1 节点时钟设备节点时钟设备主要包括独立型定时供给设备和混合型定时供给设备。独立型节点时钟设备：独立型节点时钟设备：是数字同步网的专

3、用设备。包括：铯原子钟、铷原子钟、晶体钟、大楼综合定时系统(BITS)以及由全球定位系统(GPS和GLONASS)等。混合型定时供给设备：混合型定时供给设备：指通信设备中的时钟单元。例如交换机时钟，数字交叉连接设备(DXC)等。 铯钟：长期稳定性好，没有老化现象，可以作为自主运行的基准源。缺点是体积大、耗能高、价格贵, 寿命为58年，维护费用大。铷钟：长期稳定性差，短期稳定性好，体积小、重量轻、耗电少、价格低。利用GPS校正铷钟的长期稳定性，也可以达到一级时钟的标准，因此配置了GPS的铷钟系统常用作一级基准源。晶体钟：长期稳定性和短期稳定性比原子钟差，体积小、重量轻、耗电少，价格便宜，平均故障

4、间隔时间长。5.2.2 定时分配定时分配定时分配将基准定时信号逐级传递到同步通信网中的各种设备。定时分配包括局内定时分配和局间定时分配。1局内定时分配局内定时分配指在同步网节点上直接将定时信号送给各个通信设备。即直接将同步网设备(BITS)的输出信号连接到通信设备上。 局内定时分配一般采用星型结构，从BITS到被同步设备之间的连线采用2 Mb/s或2 MHz的专线。图5.1 局内定时设备DXCATM 交换机交换机GSM 设备ADMTM智能网设备 DDN 网设备No.7 信令设备其他设备BITS图5.2 改进的局内定时分配交换机 3交换机 2交换机 1GSM 设备智能网设备BITSATM 交换机

5、DDN 网设备No.7 信令设备其他设备TMTMADMDXC2局间定时分配局间定时分配指在同步网节点间的定时传递。局间定时传递采用树状结构，通过定时链路在同步网节点间，将来自基准钟的定时信号逐级向下传递。目前采用的定时链路主要有两种：PDH定时链路 SDH定时链路1) PDH定时链路传统的同步网建立在PDH环境下，采用PDH的2 Mb/s通道传递同步网定时信号，定时链路包括2 Mb/s专线和2 Mb/s业务线。PDH传递同步网定时的特点：(1) PDH系统对同步网定时损伤小，适合长距离传递定时。(2) PDH传输网结构多为树型，定时链路的规划设计简单。(3) 当定时链路发生故障时，便于定时恢复

6、。 2) SDH定时链路指利用SDH传输链路传送同步网定时。一般采用STM-N信号传递定时。在SDH定时链路上， 除了包括定时信号的传递， 还包括同步状态信息(SSM：Synchronization Status Message)的传递。SSM用于传递定时信号的质量等级。同步网中的节点时钟通过对SSM的解读，来决定对对本节点时钟的操作(例如跟踪倒换或转入保持状态)。表表5.1 STM-N接口的接口的SSM编码编码S1(第 58 bit) SDH 同步质量等级描述 0000 同步质量不知道(现有同步网) 0010 1 级时钟信号 0100 2 级时钟信号 1000 3 级时钟信号 1011 SD

7、H 设备时钟信号(G.831) 1111 不应用作同步 其他 预留 SDH网传送同步定时信号要注意： (1) SDH网多采用环形结构，当上游定时链路故障时，会出现高级时钟受低级时钟同步的现象。 (2) 当同步网定时链路规划不合理，或定时参考信号的来源及时钟信号等级不明时，会在同步网内形成定时环。 (3) ITU-T 标准规定，基准定时链路上SDH网元时钟个数不能超过60个。这样定时传递距离就会受到限制。5.3 网网 同同 步步 技技 术术网同步技术就是指网络节点如何取得时钟定时信号的方法。 网同步技术可分为两大类：准同步和同步。 同步：主从同步和互同步 同步控制方法：单向控制 双向控制 单端控

8、制 双端控制 图5.3 同步概念示意图(a) 准同步；(b) 主从(单端，单向)；(c) 时间基准(双端，单向)；(d) 外部基准(单向)；(e) 单端控制(双向)；(f) 双端控制准同步工作(a)(b )(c)(d )(e)(f)强制同步互同步同步工作5.3.1 准同步准同步准同步方式中各交换节点的时钟彼此是独立的，其频率精度要求保持极窄的频率容差，网络接近于同步工作状态。优点：网络结构简单，各节点时钟彼此独立工作，网络的增设和改动都很灵活。缺点：节点时钟在数字链路接入到节点入口处产生周期性的滑动。时钟必须有很高的精度, 通常要求采用原子钟，投资较大，可靠性也差。管理维护费用增大。适用范围：

9、适用范围：国际网络一般采用准同步方式，可以避免国家之间国际网络一般采用准同步方式，可以避免国家之间的从属与牵制；军事通信网络为提高网同步的抗毁能力，一般的从属与牵制；军事通信网络为提高网同步的抗毁能力，一般也采用准同步。也采用准同步。5.3.2 主从同步主从同步(Master Slave Synchronized)指数字网中所有节点都以一个规定的主节点时钟作为基准，网中其它时钟（从时钟）同步于主时钟。基准时钟信号的传输是依靠建立的同步网来进行的 。两种结构：1.星状结构 基准时钟通过链路直接传至从节点； 2.树状结构（主从同步的基本结构）网络中有些节点与拥有基准时钟的主节点之间无直接传输链路，

10、这时必须采用逐级传递的方式，传输线路呈树状结构。图5.4 主从同步方式主节点中间节点中间节点从节点从节点从节点最高的一级时钟为符合ITU建议的G.811性能规定的时钟，也就是基准时钟（主钟），一般放置在主节点的中心交换局内；二级时钟是它的从钟，通过相连的定时链路提取定时，并滤除由于传输带来的损伤，然后将基准定时信号向下级节点时钟传递；三级时钟从二级时钟提取定时。用锁相技术使主时钟和从时钟之间的相位差保持不变或接近于零。 主从同步方式的优点： (1) 避免了准同步网中固有的周期性滑动。 (2) 从钟的锁相环的压控振荡器只要求较低的频率精度，较准同步方式，大大降低了费用。 (3) 单向传输控制，比

11、较简单，特别适用于星型或树型网。主从同步方式的缺点： (1) 系统采用单端控制，任何传输链路中的扰动都将导致定时基准的扰动。解决办法：从节点时钟的锁相环应采用带宽极窄的环路来滤除日变化的扰动。 (2) 一旦主节点基准时钟和传输链路发生故障，就会造成从节点定时基准的丢失，导致全系统或局部系统丧失网同步能力。解决方法：主节点基准时钟须采用多重备份手段以提高可靠 性，而定时基准分配链路采用备用路由的时钟或者在从节点设置具有存储功能的松耦合锁相环路来实现同步。 5.3.3 相互同步相互同步(Mutually Synchronized)指数字网中没有特定的主节点和时钟基准，网中每一个节点的本地时钟通过锁

12、相环路受所有接收到的外来数字链路定时信号的共同加权控制。节点的锁相环路是一个具有多个输入信号的环路。这种节点时钟的互控方式使得互同步网成为一个复杂的多路反馈系统。每个节点受相邻节点时钟输入控制，也同时输出去控制相邻节点。各节点的时钟信号由一个锁相环路产生，其鉴相器输入信号是N个相邻节点的相位，环路VCO反馈的本地时钟信号与每个输入信号进行相位比较，得到的一组相位差值按指定加权系数相加，再用得到的组合相位差值e来控制锁相环路。 互同步的控制方式有单端控制与双端控制。单端控制：传输的控制信号只是节点时钟信号；双端控制：把节点环路鉴相器的加权输出和节点时钟信号一起对环路实施控制。互同步方式适用于网状

13、网。互同步系统优点： (1) 当某些传输链路或节点时钟发生故障时，网络仍然处于同步工作状态, 不需要重组网络，简化了管理工作。 (2) 可以降低节点时钟频率稳定度的要求，设备较便宜。 (3) 较好地适用于分布式网路。 互同步系统缺点： (1) 稳态频率取决于起始条件、时延、增益和加权系数等，因此容易受到扰动。 (2) 由于系统稳态频率的不确定性，因此很难与其他同步系统兼容。 (3) 由于整个同步网构成一个闭路反馈系统，系统参数的变化容易引起系统性能变坏，甚至引起系统不稳定。 (4) 这种方式实现起来较为复杂，一般适用于结构简单，规模小的网络中。5.3.4 外时间基准同步外时间基准同步指数字通信

14、网中所有节点的时间基准依赖于该节点所能接收到的外来基准信号。用锁相环路将本地节点时钟信号锁定到外来基准时钟信号上，从而达到全网的定时同步。 外基准时钟是专门的时间基准部门发送的基准频率信号，如国家或某个通信系统导航台、全球定位系统（GPS）等发送的导频信号。目前常用的外时间基准信号是GPS(Globe Positioning System)或GLONASS(Global Navigation Satellite System)系统图5.5 GPS系统卫星监测站监测站GPS 接收机主控站地面站vGPS系统组成卫星系统：24颗，载有铷钟接受地面主钟的控制。 地面控制系统：1个主控站，5个监控站，3

15、个地面站。用户设备：GPS接收机（包括天线、馈线及中央处理单元）。 定位：3颗卫星定时：4颗卫星或1颗卫星 4GPS在通信系统中的应用在通信系统中的应用 频率同步 时间同步 定位实际应用：将GPS与铷钟配合使用，利用卫星钟的长期稳定度特性，结合铷钟的短期稳定度特性，可得到频率准确度与稳定度都很高的信号。该信号可用作基准时钟，达到一级时钟标准。 5.3.5 通信楼综合定时供给系统（通信楼综合定时供给系统（BITS）定时信号输出定时信号输出单元时钟 A基准信号输入控制 A同步基准信号输入A侧同步时钟信号插入单元B侧被监测的信号入口同步信号监测单元时间信号日历时钟至其他单元基准信号输入控制 B同步基

16、准信号输入相位控制时钟 B维护控制接口至各单元控制及告警维护命令及控制总线告警状态5.3.6 数字同步网结构数字同步网结构1全同步网全同步网 在全同步方式下，同步网接受一个或几个基准时钟控制。 当同步网内只有一个基准时钟时，同步网内的其他时钟就都同步到该基准时钟上，如图5.7所示。图5.7 主从同步网一级时钟二级时钟二级时钟三级时钟三级时钟三级时钟三级时钟最高一级时钟为符合G.811规定的性能的时钟， 即基准时钟（即一级时钟）。作为主钟为网络提供基准定时信号，通过定时链路传递到全网。二级时钟是它的从钟，从与之相连的定时链路提取定时，并滤除由于传输带来的损伤，然后将基准定时信号向下级时钟传递。三

17、级时钟从二级时钟中提取定时。全同步网的另一种类型：在同步网中，存在着几个基准时钟，其他时钟接受这几个基准时钟的共同控制，典型结构如图5.8所示。图5.8 多基准全同步网二级时钟三级时钟三级时钟二级时钟三级时钟三级时钟二级时钟基准时钟 1基准时钟 3基准时钟 2在这种结构的同步网中，存在多个符合G.811建议的基准时钟。在基准时钟层面上，需要采用一定的方法对基准时钟进行校验，以保证基准时钟间的同步。目前采用的方法：(1) 在所有的基准时钟上装配GPS接收机。(2) 在基准时钟层面上，基准时钟间采用类似互同步的方法，每个基准时钟都与其他基准时钟相连，使网络同步运行。第二种方法比较复杂。其优点：可靠

18、性高，自主性强，不依赖于GPS等外界手段。第一种方法被大量采用（GPS的广泛应用）。其优点：实现方法简单，只需配备GPS接收机，并且成本低。但其缺点是可靠性低。2全准同步网全准同步网网内的所有时钟都独立运行，不接受其他时钟的控制。网络采用分布式结构，如图5.9所示。网络内时钟没有高级和低级之分，同步网以各个时钟为中心，划分为多个独立的同步区，各时钟负责本区内设备的同步，没有局间定时分配。图5.9 全准同步 被同步设备BITSBITSBITSBITS全准同步网要求：网内各个时钟都具有很高的准确度和稳定度，时钟具有相同的级别，以保证业务网的同步性能。适用范围：一些地域小的国家采用。 3混合同步网混

19、合同步网将同步网划分为若干个同步区，每个同步区是一个子网，在子网内采用全同步方式，在子网间采用准同步方式，如图5.10所示。图5.10 混合同步准同步三级时钟二级时钟基准时钟三级时钟二级时钟基准时钟特点：每个子网中采用主从同步方式。一般设置一个基准时钟，网内各级时钟提取定时，并逐级向下传递，在各个子网间采用准同步方式。混合同步网与多基准时钟控制的全同步网的区别：在全同步网内，各个基准时钟之间通过一定的方式(例如通过GPS跟踪UTC或各基准时钟间的比对调整)使各个基准时钟同步运行；在混合方式下，子网与子网的基准时钟是独立运行的。5.4 同步网的主要技术指标同步网的主要技术指标5.4.1 滑动滑动

20、1滑动的由来滑动的由来时隙交换前要实现帧同步 假设输入的两个数字流是来自另外两个节点的PCM复用信号A与B。 要进行准确的时隙交换，数字流A与B的帧必须取得同步。通常在时隙交换之前设置一个帧调整器。帧调整器是一个存储缓冲器，数字流按帧顺序写入缓存器，交换节点以同一时钟对缓冲器作同时的顺序读出，这样就实现了时隙交换前的帧同步。图5.11是在交换局的输入端设置缓冲器的示意图。图中A局和B局的数字信号的时钟信号频率分别为f a、f b，C局分别按f a、f b写缓冲器，按f c读缓冲器，当f a、f b和f c之间误差积累到一定程度时，在数字信号流中产生滑码。图5.11 交换局输入端设置缓冲器示意图

21、f a缓冲器f b缓冲器时分交换f cf c同步时钟首先以缓冲器的容量为1 bit为例来讨论滑码的产生。图5.12是由于时钟频率偏差引起滑码的示意图。写脉冲和读脉冲之间的时间间隔称为读写时差读写时差Td。图5.12(a)中f af c的情况，当读写时差超过1 bit时，则产生一次漏读现象（丢失这个码元）。图5.12(b)是f bf c的情况，当读写时差减少至0时则产生一次重读现象（增加一个码元）。这种码元的丢失或增加称为滑码滑码，滑码是一种数字网的同步损伤。图5.12问题：当缓冲器的容量为1 bit时，滑码一次丢失或增加的码元数为1 bit，将引起帧失步。解决：扩大缓冲器的容量。图5.13是缓

22、冲器的容量为1帧时滑码产生的情况。图5.13中，f af c，即对于缓冲器是写得快而读得慢，缓冲器存储的码元逐渐增加，当增加至一帧时，将产生一次滑码，从而丢失1帧的码元。图5.13(b)是f bf c的情况，这时滑码一次，码元将增加1帧。图5.13 滑帧A1 帧BCDEGHAB CDE F GH1 帧帧 F 丢失(a )A1 帧BCDEABCEF1 帧帧 D 重复(b )D实际的数字交换机中，缓冲器的容量可为1帧或大于1帧，把滑码一次丢失或增加的码元数控制为l帧。优点：一是减少了滑码的次数；二是由于滑码一次丢失或增加的码元数量为l帧，防止了帧失步的产生。这种滑码一次丢失或增加一个整帧的码元常称

23、为滑帧滑帧。这种滑码称为受控滑码。2滑动的影响滑动的影响1）滑码对语音的影响较小。对于电话而言可以允许每分钟滑码5次。2）对于PCM系统中的随路信令而言，滑码将造成复帧失步。因此一次滑码将造成随路信号5ms的中断。对于公共信道信令，由于ITU-T No.7信号系统采用检错重发(ARQ)方式，因此滑码将使呼叫接续的速度变慢。3）对于64 kb/s及中速的数据，滑码造成丢失或增加的数据可以为检错程序所发现，并要求前一级将此数据重发，延迟了信息传送时间，降低了电路利用率。对有些数据图象业务，滑动将导致画面冻结。 3滑码率的计算滑码率的计算数字网中滑动产生的传输损伤可用滑动速率来表示（即单位时间内滑动

24、的次数）。当读写时差Td大于NT0 (N为滑码一次增加或丢失的码元数，T0是码元周期)或者小于0时就产生滑码。F基准时钟频率f时钟频率与基准频率之间的偏差f/f节点时钟频率的相对误差2f/f两个节点之间的最大频率相对误差因此滑码速率Rs可以表示为式中Fs为帧频Nf|f /f|2Rs Fs|f /f|2 读写时差Td等于频率相对误差与时间的乘积。因此，两次滑码之间的时间间隔Ts可以表示为|f /f|2NTTs0f|f /f|2N 假设两个时钟的相对频差为110-11，滑码一次增加或丢失的码元数为256 bit，对2048 kb/s的基群码流，最大可能的滑码速率为Rs=2 f/fFs=1/6 25

25、0 000 s=1/72.34天5.4.2 抖动和漂移抖动和漂移网络节点时钟信号的相位还会因为温度、振荡器相位噪声等因素发生抖动与漂移。数字信号的抖动定义为数字信号的有效瞬间在时间上偏离其理想位置的短期变化；数字信号的漂移定义为数字信号的有效瞬间在时间上偏离其理想位置的长期变化。通常把往复变化频率超过10 Hz的称为抖动；将小于10 Hz的相位变化称为漂移。一般在节点设备中对抖动具有良好的过滤功能；但是漂移是非常难以滤除的。ITU-T建议G.823规定了“基于2048 kb/s”系列的数字网中抖动和漂移的控制，这对数字网抖动和漂移指标的制定和分配，数字网设备设计参数的确定，特别是网同步中帧调整

26、器设计参数的确定有重要参考价值。5.4.3 时间间隔误差时间间隔误差定时精度（对于交换机）用相位误差或时间误差来表示。但是，相位误差与工作频率有关，而时间误差与工作频率无关。同时又加入了测量时间间隔，因此定时要求将用时间间隔误差时间间隔误差(TIE) 来描述。时间间隔误差在特定的时间周期内，给定的定时信号与理想定时信号的相对时延变化。时间间隔误差用频率误差和抖动(或漂移)成分的两项内容之和来描述：TIE(s)= ( f/f )s + f/f 为相对频偏，为时间抖动和漂移, s为观察时间。5.5 我国的同步网我国的同步网特点：我国数字网的网同步方式是分布式的、多个基准时钟控制的全同步网。国际通信

27、时，以准同步方式运行。全国数字同步骨干网网络组织示意图如图 5.14所示。1、第一级是基准时钟，由铯(原子)钟或GPS配铷钟组成。是数字网中最高等级的时钟，是其他所有时钟的惟一基准。在北京国际通信大楼安装三组铯钟，武汉长话大楼安装两组超高精度铯钟及两个GPS，是超高精度一级基准时钟(PRC：Primary Reference Clock)。图5.14 全国数字同步骨干网络组织示意图PRC(节点)PRC(一级基准时钟)LPR(地区基准时钟A类)大区中心节点边远省中心节点省中心 BITS(B 类)(大楼综合定时供给系统)PRC(节点)2、第二级为有保持功能的高稳时钟(受控铷钟和高稳定度晶体钟)，分为A类和B类。