《SDH原理》pdf教案：7定时与同步

第 七 章 定时与同步 P 目标 掌握数字网的同步方式 掌握主从同步方式中 节点 从时 钟 的三种工作模式的特点 了解 SDH的引入 对网 同步的要求 知道 SDH网主从同步时钟的类型 数字网中要解决的首要问题 是网 同步问题 因为要保证发端在发送数字脉冲 信号时将脉冲放在特定时间位置上 即特定的 时隙中 而收端要 能在特定 的时间位置 处将 该脉冲提取解读以保证收发两端的正常通信 而这种保证收 /发两端能正确的在某一特定时间位置上提取 /发送信息的功能则是 由收 /发两 端的定时时钟来实现的 因此 网同步的目的是 使网 中各节点的时钟频率和 相位都限制在预先确定的 容差 范围内 以免由于数字传输系统 中收 /发定位的 不准确导致传输性能 的劣 化 误码 抖动 7.1 同步方式 解决数字网同步有两种方法 伪同步和主从同步 伪同步是指数字交换网中 各数字交换局在时钟上相互独立 毫无关联 而各数字交换局的时钟都具有 极高的精度和稳定度 一般 用铯 原子钟 由于时钟精度高 网内各局的时钟 虽不完全相同 频率和相位 但误差很小 接近同步 于是称之为 伪 同步 主从同步 指网 内设一时钟 主局 配有高精度时钟 网内各局均受 控于 该全局 即跟踪 主局 时钟 以 主局 时钟为定时基准 并且逐级 下控 直到网络中 的末端 网元 终端局 一般 伪 同步方式用于国际数字网中 也就是一个国家与另一个国家的数字网 之间采取这样的同步方式 例如中国和美国的国际局 均各 有一个 铯 时钟 二 者采用 伪 同步方式 主 从同步方式一般用于一个国家 地区内部的数字网 SDH原理 第七章 定时与同步 7-1 它的特点是国家或地区只有一个 主局 时钟 网上其它 网元均 以此 主局 时钟为 基准来进行 本网元 的定时 主从同步 和伪 同步的原理如图 7-1所示 至国外国际局 伪同步 MS：主从同步 MS MS MS MSMS MS MS MSMS MS MS MSMS MS 国际局 国际局 市内局 市内局 国内局 国内局 国内局 国内局 市内汇接局市内汇接局 市内汇接局 市内汇接局 端局 端局 端局 端局 … … 图 7-1 伪同步和主从同步原理图 为了增加主从定时系统的可靠性 可在网内设一个副时钟 采用等级主从控 制方式 两个 时钟均采用 铯 时钟 在正常 时主 时钟起网络定时基准作用 副 时钟亦以主时钟的时钟为基准 当主 时钟发生故障时 改由副时钟给网络提 供定时基准 当主 时钟恢复后 再切 换 回由 主时钟提供网络基准定时 我国采用的同步方式是等级主从同步方式 其中主时钟在北京 副时钟在武 汉 在 采用主从同步时 上一级 网元 的定时信号通过一定的路由 同步 链 路或 附 在线路信号上从线路传输到下一级 网元 该级 网元 提取 此时 钟 信号 通过本身的锁相振荡器跟踪锁定此时钟 并产生以此时钟为基准的 本网元所 用的本地时钟信号 同时通过同步 链路 或通过传输线路 即将时钟信息 附 在 线路信号中传输 向下级 网元 传输 供其跟踪 锁定 若本站收 不到从上一 级 网元 传来的基准时钟 那么 本网元 通过本身的 内置 锁相振荡器提供 本网元 使用的本地时钟并向下一级 网元 传送时钟信号 数字网的同步方式 除伪 同步和主从同步外 还有相互同步 外基准注入 异 步同步 即低 精度的准同步 等 下面讲一下外基准注入同步方式 外基准注入方式 起 备份网络上重要节点的时钟 的作用 以避免当网络重要结 点主时钟基 准 丢失 而本身 内置 时钟的质量又不够高 以至大范围影响 网元 正常工作的情况 外基准注入方法是利用 GPS 卫星全球定位系统 在 网 元 重要节点局安装 GPS接收机 提供高精度定时 形成地区级基准时钟 SDH原理 第七章 定时与同步 7-2 LPR 该地区其它 的 下级 网元 在主时钟基准丢失后 仍 采用主从同步方式 跟踪这个 GPS提供的基准时钟 7.2 主从同步网中从时钟的工作模式 主从同步的数字网中 从站 下级站 的时钟通常有三种工作模式 正常工作模式 跟踪锁定上级时钟模式 此时 从站 跟踪锁定的时钟基准是 从 上一级站传来的 可能 是网 中的主时钟 也可能是上一级 网元内置时 钟源下发的时钟 也可是本地区的 GPS时钟 与从时钟工作的其它两种模式相比较 此种从时钟的工作模式精度最高 保持模式 当所有定时基准丢失后 从时钟进入保持模式 此时 从站 时钟源利用定时基 准信号丢失前所存储的最后频率信息作为其定时基准而工作 也就是说 从时 钟 有 记忆 功能 通过 记忆 功能提供与原定时基准 较相 符 的定时信号 以保证 从时 钟 频率在长时间内与基准时钟 频 只有很小的频率偏差 但是由于 振荡器的固有 振荡 频率会慢慢 地 漂移 故此种工作方式提供的较高精度时钟 不能持续很久 此种工作模式的 时钟 精度仅次于正常工作模式的时钟精度 自由运行模式 自由 振荡 模式 当从时钟丢失所有外部基准定时 也失去了定时基准记忆或处于保持模式太 长 从时钟内部振荡器就会工作于自由 振荡 方式 此种模式的时钟精度最低 实属万不得已而为之 7.3 SDH的引入 对网 同步的要求 数字网的同步性能对网络能否正常工作至关重要 SDH网的引入 对网 的同步 提出了更高的要求 当网络工作在正常模式时 各 网元 同步于一个基准时钟 网元 节点时钟 间只 存在相位差而不会出现频率差 因此只会出现偶然的指针 调整事件 网同步时 指针调整不常发生 当 某网元 节点丢失同步基准时 钟而进入 保持 模式或自由 振荡 模式时 该 网元 节点本地时钟与网络时钟将会 出现频率差 而导致指针连续调整 影响网络业务的正常传输 SDH原理 第七章 定时与同步 7-3 SDH网与 PDH网会 长期共存 SDH/PDH边界出现的抖动和漂移主要来自指针 调整和净负荷映射过程 在 SDH/PDH边界节点上指针调整的频度与这种网关节点的同步性能密切相关 如果执行异步映射功能的 SDH输入 网关 丢失同步 则该节点时钟的 频偏和频 移将 会导致整个 SDH网络的指针持续调整 恶化同步性能 如果丢失同步的 网络节点是 SDH网络连接的最后一个网络单元 则 SDH网络输出仍有指针调 整会影响同步性能 如果丢失同步的是中间的网络节点 只要输入 网关 仍然 处于与基准时钟 PRC 的同步状态 则紧随故障节点的仍处于同步状态的 网络单元或输出 网关 可以校正中间网络节点的指针移动 因而不会在最后的 输出 网关 产生净指针移动 从而不会影响同步性能 7.4 SDH网的同步方式 7.4.1 SDH网同步原则 我国数字同步网采用分级的主从同步方式 即用单一基准时钟 经 同步分配网 的同步 链路 控制 全 网同步 网中使用一系列分级时钟 每一级时钟都与上一 级时钟或同一级时钟同步 SDH网的主从同步时钟可 按精度 分为四个类型 级别 分别对应不同的使 用范围 作为全网定时基准的主时钟 作为转 接局 的从时钟 作为 端局 本 地局 的从时钟 作为 SDH设备的时钟 即 SDH设备的 内置 时钟 ITU-T将各级别时钟进行规范 对各级时钟精度进行了规范 时钟质量级 别由高到 低 分 列于下 基准主时钟 满足 G.811规范 转 接局 时钟 满足 G.812规范 中间 局转 接时钟 端局 时钟 满足 G.812规范 本地局时钟 SDH网络单元时钟 满足 G.813 规范 SDH网元内置 时钟 在正常工作模式下 传到相应局的各类时钟的性能主要取决于同步传输 链路 的性能和定时提取电路的性能 在 网元 工作于保护模式或自由运行模式时 网元所 使用的各类时钟的性能 主要取决于产生各类时钟的时钟源的性能 时钟源相应的位于不同的 网元 节点处 因此高级别的时钟须采用高性能 的时钟源 SDH原理 第七章 定时与同步 7-4 在数字网中传送时钟基准应注意几个问题 1 在同步时钟传送时不应存在环路 例如图 7-2所示 NE1 NE2 NE3 图 7-2 网络图 若 NE2跟踪 NE1的时钟 NE3跟踪 NE2 NE1跟踪 NE3的时钟 这时同步时钟 的传送 链路 组成了一个环路 这时若某一 网元 时钟劣化 就会使整个环路上 网元 的同步性能连锁性 的劣 化 2 尽量减少定时传递 链路 的长度 避免由于 链 路太长影响传输的时钟信号 的质量 3 从站 时钟要从高一级设备或同一级设备获得基准 4 应从分散路由获得主 备用时钟基准 以防止 当主用 时钟传递 链路 中断 后 导致 时钟基准丢失的情况 5 选择可用性高的传输系统来传递时钟基准 7.4.2 SDH网 元 时 钟源的种类 ? 外部时钟源 由 SETPI功能块提供输入接口 ? 线路时钟源 由 SPI功能 块从 STM-N线路信号中提取 ? 支路时钟源 由 PPI功能 块 从 PDH支路信号中提取 不过该时钟一般不 用 因为 SDH/PDH网边界处的指针调整会影响时钟质量 ? 设备 内置时 钟源 由 SETS功能块提供 同时 SDH网元 通过 SETPI功能 块向 外提供时钟源输出接口 SDH原理 第七章 定时与同步 7-5 7.4.3 SDH网络常见的定时方式 SDH网络是整个数字网的一部分 它的定时基准应是这个数字网的统一的定 时基准 通常 某一地区的 SDH网络以该地区高级别局的转接时钟为基准定 时源 这个基准时钟可能是该局跟踪 的 网络主时钟 GPS提供的地区时钟基 准 LPR 或干脆是本局的 内置时 钟源提供的时钟 保持模式或自由运行模 式 那么这个 SDH网是怎样跟踪这个基准时钟保持网络同步呢 首先 在 该 SDH网中要有一个 SDH网元 时钟 主站 这里所谓的 时钟 主站是 指该 SDH网 络中的 时钟 主站 网上其它 网元 的时钟以此 网元 时钟为基准 也就是说其它 网元 跟踪 该 主 站 网元 的时钟 那么这个主站的时钟是何处而来 因为 SDH网 是数字网的一部分 网上同步 时钟 应为该地区的时钟基准时 该 SDH网上的 主站一般设在本地区时钟级别较高的局 SDH主站所用的时钟就是 该转接局 时钟 我们在讲设备逻辑组成时 讲过设备有 SETPI功能块 该功能块的作 用就是提供设备时钟的输入 /输出口 主站 SDH网元 的 SETS功能块通过该时 钟输入口提取转 接局 时钟 以此 作为 本站和 SDH网络的定时基准 若局 时钟 不从 SETPI功能块提供的时钟输入口输入 SDH主站 网元 那么此 SDH网元 可 从本 局上 /下的 PDH业务中提取时钟信息 依靠 PPI功能块的功能 作为本 SDH网络的定时基准 注意 后一种方法不常用 因为 SDH/PDH网络边界处 也即是 PDH?SDH处 指针 调整较多 信号 抖动较大 影响时钟信号的质量 此 SDH网上其它 SDH网元 是如何跟踪这个主站 SDH网时钟呢 可通过两种方 法 一是通过 SETPI提供的时钟输出口将 本网元 时钟输 出 给其它 SDH网元 因为 SETPI提供的接口是 PDH接口 一般不采用这种方式 指 针 调整事件较 多 最常用的方法是将本 SDH主站的时钟放于 SDH网上传输的 STM-N信号 中 其它 SDH网元 通过设备的 SPI功能块来提取 STM-N信号中的时钟信息 并 进行跟踪 锁定 这与主从同步方式相一致 下面以几个典型的例子来说明 此种时钟跟踪方式 SDH原理 第七章 定时与同步 7-6 见 图 7-3 A B C D TM ADM ADM ADM w w wwe e STM-N 主站 外时钟 图 7-3 网络图 上图是一个 链网 的拓扑 B站为此 SDH网的时钟 主 站 B网元 的 外时钟 局时 钟 作 为本站 和此 SDH网的定时基准 在 B网元 将业务复 用进 STM-N帧时 时钟信息也就自然而然 的附 在 STM-N信号上了 这时 A网元 的定时时钟可 从线路 w侧端 口的接收信号 STM-N中提取 通过 SPI 以此作为 本网元 的本 地时钟 同理 网元 C可从西向线路端口的接收信号提取 B网元 的时钟信息 以此作为 本网元 的本地时钟 同时将时钟信息附在 STM-N信号上往下级 网元 传输 D网元 通过从西向线路端口的接收信号 STM-N中提取的时钟信息完成 与主站 网元 B的同步 这样就通过一级一级的主从同步方式 实现了此 SDH网的所有 网元 的同步 当 从站网元 A C D丢失从上级 网元 来的时钟基准后 进入保持工作模式 经过一段时间后进入自由运行模式 此时网络上 网元 的时钟性能劣化 注意 A网元 同步性能劣化不会影响 到网元 C和 网元 D 而 C网元 同步性能劣 化会 影 响 到网元 D 因为 网元 C是网元 D的时钟跟踪的上一级 网元 即 对网元 D来说 网元 C是它的主站 不管上一级 网元 处于什么工作模式 下一级 网元 一般仍处于正常工作模式 跟踪上一级 网元附 在 STM-N信号中的时钟 所以 若网元 B时钟性能劣化 会使整个 SDH网络时钟性能连锁反应 所有网上 网元 的同步性能 均劣 化 对 应于整个数字网而言 因为此时本 SDH网上的 从站网元 还是处于时钟跟踪状 态 SDH原理 第七章 定时与同步 7-7 当链很 长时 主站 网元 的时钟传到 从站网元 可能要转 接 多次和传输较长距离 这时为了保证 从站 接收时钟信号的质量可在此 SDH网上设两个主站 在网上 提供两个定时基准 每个基准分别 由网 上一部分 网元 跟踪 减少了时钟信号 传输距离和转移次数 不过要注意的是 这两个时钟基准要保持同步及相同 的质量等级 & 技术细节 为防止 SDH主站的外部基准时钟源丢失 可将多路基准时钟源输入 SDH主站 这多个基准时钟源可按其质量划分为不同级别 SDH主站在正常时跟踪外部 高级别时钟 在高级别基准时钟丢失后 转向跟踪较低级别的外部基准时钟 这样提高了系统同步性能的可靠性 那么 环网 的时钟是如何跟踪的呢 如 图 7-4所示 w w w ww w e e e e e e STM-N NE1 NE2 NE3 NE4 NE5 NE6 外部时钟源 图 7-4 环形网网络图 环中 NE1为时钟主站 它 以外部时钟源为本站 和此 SDH网的时钟基准 其它 网元 跟踪这个时钟基准 以此作为本地时钟的基准 在 从站 时钟的跟踪 方式 上 与链网 基本类似 只不过此时 从站 可以 从 两个 线 路端 口西 向 /东向 ADM有两个线路端口 的接收 信号 STM-N中提取出时钟信息 不过考虑 到 转 接次数和传输距离对时钟信号的影响 从站网元 最好从最短的路 由和 最少 的 转接次数 的 端 口方向 提取 例如 NE5网元 跟踪西向线路端口的时钟 NE3跟踪东向线路端口的时钟较适合 SDH原理 第七章 定时与同步 7-8 再 看图 7-5 STM-N STM-M NE1 NE2 NE4 NE3 NE5 外部时钟源 注 N>M 图 7-5 网络图 图中 NE5为时钟主站 它以外部时钟源 局时钟 作为 本网元 和 SDH网上所 有其它 网元 的定时基准 NE5是环带的一个链 这个 链带 在 网元 NE4的低 速 支 路上 NE1 NE2和 NE3通过东 /西向的线路端口跟踪 锁定 网元 NE4的时钟 而网 元 NE4的时钟 是 跟踪主站 NE5传来的时钟 放在 STM-M信号中 怎样跟踪 呢 网元 NE4通过支路 光板 的 SPI模块提取 NE5通过 链 传来的 STM-N信号的时 钟信息 并以此同步环上的下级 网元 从站 7.5 S1字节和 SDH网络时钟保护倒换原理 1. S1字节工作 原 理 随着 SDH光同步传输系统的发展和广泛应用 越来越多的人对 ITU-T定义的 有关同步时钟 S1字节的原理及其应用显示出浓厚的兴趣 这里 介绍 S1字节的 工作 原理以及利用 S1字节实现同步时钟保护倒换的控制协议 并通过一个例 子说明了 S1字节的应用 在 SDH网中 各个 网元 通过一定的时钟同步路径一级一级地跟踪到同一个时 钟基准源 从而实现整个网的同步 通常 一个 网元 获得同步时钟源的路径 并非只有一条 也就是说 一个 网元 同时可能有多个时钟基准源可用 这些 时钟基准源可能来自于同一个 主时 钟源 也可能来自于不同质量的时钟基准 源 在同步网中 保持各个 网元 的时钟尽量同步是极其重要的 为避免由于 一条时钟同步路径的中断 导致整个同步网的 失步 有必要考虑同步时钟的 自动保护倒换问题 也就是说 当一个 网元所 跟踪的 某路 同步时钟基准源发 SDH原理 第七章 定时与同步 7-9 生丢失的时候 要求它能自动地倒换到另一路时钟基准源上 这一路时钟基 准源 可能 与网元 先前跟踪的时钟基准源是同一个时钟源 也可能是一个质 量稍差的时钟源 显然 为了完成以上功能 需要知道各个时钟基准源的质 量信息 ITU-T定义的 S1字节 正是用来传递时钟源的质量信息的 它利用段开销字 节 S1字节的高四位 来表示 16种同步源质量信息 表 7-1是 ITU-T已定义的同步状态信息编码 利用这一信息 遵循一定的倒换 协议 就可实现同步网中同步时钟的自动保护倒换功能 表 7-1 同步状态信息编码 不应用作同步0x0F1111 保留0x0E1110 保留0x0D1101 保留0x0C1100 同步设备定时源 SETS 信号0x0B1011 保留0x0A1010 保留0x091001 G.812本地局时钟信号0x081000 保留0x070111 保留0x060110 保留0x040101 G.812转 接局 时钟信号0x040100 保留0x030011 G.811时 钟 信号0x020010 保留0x010001 同步质量不可知 现存同步网0x000000 SDH同步质量等级描述S1字节S1 b5-b8 在 SDH光同步传输系统中 时钟的自动保护倒换遵循以下协议 规定一同步时钟源的质量阈值 网元 首先从满足质量阈值的时钟基准源中选 择一个级别最高的时钟源作为同步源 并将此同步源的质量信息 即 S1字节 传递给下游 网元 若没有满足质量阈值的时钟基准源 则从当前可用的时钟源中 选择一个级 别最高的时钟源作为同步源 并将此同步源的质量信息 即 S1字节 传递给 下游 网元 SDH原理 第七章 定时与同步 7-10 若网元 B当前跟踪的时钟同步源 是网元 A的时钟 则网元 B的时钟对于 网元 A来说为不可用同步源 2. 工作实例 下面通过举例的方法 来说明同步时钟自动保护倒换的实现 如图 7-6所 示的 传输网中 BITS时钟信号通过 网元 1和 网元 4的外时钟接入口 接入 这两个外接 BITS时钟 互为主备 满足 G812本地时钟基准源质量要求 正常工作的时候 整个传输网的时钟同步 于网元 1的外接 BITS时钟基准源 NE1 NE2 NE3 NE4 NE5 NE6 BITS BITS W W W W W WE E E E E E 图 7-6 正常状态下的时钟跟踪 设置同步源时钟质量阈值 不劣于 G812本地时钟 各个 网元 的同步源及时 钟源级别配置 如表 7-2所示 表 7-2 各 网元 同步源及时钟源级别配置 东 向时 钟源 西 向时 钟源 内置时 钟源东 向 时 钟源NE6 东 向时 钟源 西 向时 钟源 内置时 钟源东 向 时 钟源NE5 西 向时 钟源 东 向时 钟源 外部时钟源 内置时 钟源西 向时 钟源NE4 西 向时 钟源 东 向时 钟源 内置时 钟源西 向时 钟源NE3 西 向时 钟源 东 向时 钟源 内置时 钟源西 向时 钟源NE2 外部时钟源 西 向时 钟源 东 向时 钟源 内置时 钟源外部时钟源NE1 时钟源级别同步源网元 另外 对于 网元 1和 网元 4 还需设置外接 BITS时钟 S1字节所在的 时隙 由 BITS提供者给出 正常工作的情况下 当网元 2和 网元 3间的光纤发生中断时 将发生同步时钟 的自动保护倒换 遵循上述的倒换协议 由于 网元 4跟踪的 是网元 3的时钟 因此 网元 4发送给 网元 3的时钟质量信息为 时钟源不可用 即 S1字节为 SDH原理 第七章 定时与同步 7-11 0XFF 所以 当网元 3检测到西向同步时钟源丢失时 网元 3不能使用东向的时 钟源作为本站的同步源 而只能使用 本板 的 内置时 钟源作为时钟基准源 并 通过 S1字 节将 这一信息传递 给网元 4 即网元 3传 给网元 4 的 S1字节为 0X0B 表示 同步设备定时源 SETS 时钟信号 网元 4接收到这一信息后 发 现所跟踪的同步源质量降低了 原来为 G812本地局时钟 即 S1字节为 0X08 不满足所设定的同步源质量阈值的要求 则网元 4需要重新选取符 合质量要求的时钟基准源 网元 4可用的时钟源有 4个 西 向时 钟源 东 向时 钟源 内置时 钟源和外接 BITS时钟源 显然 此时只有东 向时 钟源和外接 BITS时钟源满足质量阈值的要求 由于 网元 4中配置东 向时 钟源的级别比外 接 BITS时钟源的级别高 所以 网元 4最终选取东 向时 钟源作为本站的同步源 网元 4跟踪的同步 源由 西向倒换到东向后 网元 3东向的时钟源变为可用 显 然 此时 网元 3可用的时钟源中 东 向时 钟源的质量满足质量阈值的要求 且级别也是最高的 因此 网元 3将选取东 向时 钟源作为本站的同步源 最终 整个传输网的时钟跟踪情况将如图 7-7所示 NE1 NE2 NE3 NE4 NE5 NE6 BITS BITS W W W W WE E E E E 图 7-7 网元 2 3间光纤损坏下的时钟跟踪 若正常工作的情况下 网元 1的外接 BITS时钟出现了故障 则依据倒换协议 按照上述的分析方法可知 传输网最终的时钟跟踪情况将如图 7-8所 示 NE1 NE2 NE3 NE4 NE5 NE6 BITS W W W W W WE E E E E E 图 7-8 网元 1外接 BITS失效下的时钟跟踪 SDH原理 第七章 定时与同步 7-12 若网元 1和 网元 4的外接 BITS时钟都出现了故障 则此时每个 网元 所有可用的 时钟源均不满足基准源的质量阈值 根据倒换协议 各 网元 将从可用的时钟 源中选择级别最高的一个时钟源作为同步源 假设所有 BITS出故障前 网中 的各个 网元 的时钟同步 于网元 4的时钟 则所有 BITS出故障后 通过分析不 难看出 网中各个 网元 的时钟仍将同步 于网元 4的时钟 如图 7-9所示 只不 过此时 整个传输网的同步源时钟质量由原来的 G812本地时钟降为同步设备 的定时源时钟 但整个 网仍 同步于同一个基准时钟源 NE1 NE2 NE3 NE4 NE5 NE6W W W W W WE E E E E E 内置时钟源 图 7-9 两个外接 BITS均失 效下的时钟跟踪 由此可见 采用了时钟的自动保护倒换后 同步网的可靠性和同步性能都大 大提高了 想一想 想想看本 节都 讲了些什么 1. 网的同步方式 主从同步 伪同步 2. 同步网中节点时钟的三种工作模式 3. SDH网 对网 同步的要求 及 SDH网主从同步时钟的质量级别划分 4. H网中主从同步的实现方法 其中 4. 是重点 你掌握了吗 SDH原理 第七章 定时与同步 7-13 小 结 本节主要讲述了 SDH同步网的常用同步方式 针对设备讲了时钟的常见跟踪 方式 习题 1. 数字网的常见同步方式是 2. 一个 SDH网元 可选的时钟来源 SDH原理 第七章 定时与同步 7-14