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在通信系統(tǒng)中,時鐘和同步一直是確保語音和數(shù)據(jù)連接可靠和無差錯的一項關(guān)鍵設(shè)計因素。隨著當前網(wǎng)絡(luò)向基于分組的架構(gòu)轉(zhuǎn)移,時鐘要求正在發(fā)生變化,實現(xiàn)標準網(wǎng)絡(luò)時鐘和同步更加復(fù)雜。本文介紹了有關(guān)電路和分組交換網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的一些基本概念,討論了可用來實現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的幾種方法以及它們的優(yōu)缺點。
圖1:分組網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲和延遲變化。
為了防止數(shù)據(jù)傳輸丟失,需要對一條電路交換電信網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點進行同步,以確保發(fā)送和接收節(jié)點以同樣的速率對數(shù)據(jù)進行采樣。這是通過一種所謂的主從時鐘關(guān)系實現(xiàn)的,其中所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(時鐘從節(jié)點)都同步到一個具有高精度自由運行時鐘的節(jié)點(時鐘主節(jié)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(chǎn)生,如全球定位系統(tǒng)(GPS)、全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)和遠程導(dǎo)航系統(tǒng)版本C(LORAN-C)。
為獲得通信的可靠性,希望全球電信網(wǎng)絡(luò)全部同步到一個單一的PRC/PRS的愿望是不現(xiàn)實的。實際網(wǎng)絡(luò)采用一種扁平時鐘分布結(jié)構(gòu),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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)孤島之間仍會發(fā)生數(shù)據(jù)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(fā)生。
圖2:源節(jié)點和目的節(jié)點同步到公共時鐘。
還有一些其他缺陷會影響電路交換網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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(shù)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(wǎng)絡(luò)中的所有接收機都含有彈性存儲緩沖區(qū),以補償抖動和漂移。該緩沖區(qū)的大小應(yīng)大于網(wǎng)絡(luò)中的最大抖動和漂移。
分組網(wǎng)絡(luò)特性
分組交換網(wǎng)絡(luò)用于突發(fā)性數(shù)據(jù)通信的傳輸,其中信息在源處封裝成分組,這些分組通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(如交換機和路由器)以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸,直到到達目的地。分組網(wǎng)絡(luò)與電路交換網(wǎng)絡(luò)有著很大不同,具有以下特性:
1. 分組網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)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(jīng)過不同的網(wǎng)絡(luò)路徑。
3. 由于分組在網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(wǎng)絡(luò)中通信負荷的增加而增加。即使是在負荷較輕的網(wǎng)絡(luò)條件下,傳播延遲一般也比在電路交換網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)制解調(diào)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(jié)點和目的節(jié)點同步到網(wǎng)絡(luò)。
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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的排隊引起的。分組抖動在接收機處通過抖動緩沖區(qū)進行補償。由于分組抖動可能會比電路交換網(wǎng)絡(luò)中的抖動和漂移大幾個數(shù)量級,分組網(wǎng)絡(luò)中用于補償?shù)亩秳泳彌_區(qū)比電路交換網(wǎng)絡(luò)中的抖動緩沖區(qū)要大得多。
總延遲減小并具有服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制功能的更高速度分組交換機的開發(fā),使得分組網(wǎng)絡(luò)不僅可以用于突發(fā)性數(shù)據(jù)通信,而且還可用于對延遲和延遲變化較為敏感的應(yīng)用。 具有QoS功能的分組交換機可以降低高優(yōu)先級通信的傳輸延遲和傳輸延遲變化。然而,分組網(wǎng)絡(luò)仍不具備CBR應(yīng)用所需的端到端時鐘同步。
如果端節(jié)點(源節(jié)點和目的節(jié)點)未同步,因此導(dǎo)致的結(jié)果將與電路交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果一樣。如果目的時鐘比源時鐘快或慢,目的節(jié)點中的緩沖區(qū)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(chǎn)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(fù)。由于語音信號的相關(guān)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(yīng)用,緩沖區(qū)上溢或下溢有可能導(dǎo)致T1/E1幀同步丟失,從而中斷服務(wù)。對于傳真應(yīng)用,一次滑動將導(dǎo)致數(shù)行數(shù)據(jù)丟失,而對于語音調(diào)制解調(diào)器傳輸,一次滑動則可能使其中斷幾秒鐘。
分組網(wǎng)絡(luò)中時鐘同步的實現(xiàn)
IP網(wǎng)絡(luò)的同步可通過幾種方式來實現(xiàn)。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(wǎng)絡(luò)或GPS信號的參考,那么源和目的節(jié)點可同步到這些物理層時鐘上；第二,在源和目的節(jié)點沒有公共同步參考時,可以采用專門的時鐘恢復(fù)方法,如后面將要講述的差分和自適應(yīng)時鐘恢復(fù)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(jié)點；圖3顯示了從分組網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)出時鐘信息的源和目的節(jié)點,該網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)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(wǎng)絡(luò)的同步完全相同,唯一差別是,目的節(jié)點的接收緩沖區(qū)必須要大得多,因為分組延遲變化(分組抖動)比電路交換網(wǎng)絡(luò)中發(fā)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(wǎng)絡(luò)節(jié)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(chǎn)生一個時間戳,該值與源時鐘ftx和網(wǎng)絡(luò)時鐘fnet之間的差值成正比,將其插入分組頭中。一旦目的節(jié)點收到分組,就會提取出該源時間戳,將其與本地產(chǎn)生的時間戳(與frx-fnet成正比)進行比較。這種比較的結(jié)果用于調(diào)節(jié)目的節(jié)點振蕩器的頻率frx。當目的時間戳等于源時間戳?xí)r,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(yīng)時鐘(Adaptive timing)可用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法同步到一個公共時鐘的情況,這大概是分組網(wǎng)絡(luò)中最普遍的情況。最簡單的實現(xiàn)是不斷調(diào)節(jié)接收器時鐘,使接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)水平保持在中等數(shù)值,遠離上溢或下溢條件。然而,這種時鐘調(diào)節(jié)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(xù)時間或125us,這意味著在執(zhí)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(chǎn)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(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換成模擬形式,并且不會再通過電路交換網(wǎng)絡(luò)進行進一步傳輸?shù)那闆r。
圖5:自適應(yīng)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(yīng)的以本地時鐘為觸發(fā)的計數(shù)器。每次源端組裝好一個新的分組,就會把計數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生的時間戳(本地計數(shù)器中的值)進行比較。比較結(jié)果用于調(diào)節(jié)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(xù)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(xù)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(shù)器增值的時鐘的周期。
本文小結(jié)
分組網(wǎng)絡(luò)最初不是為傳輸語音、T1/E1和傳真等CBR通信而設(shè)計的。分組網(wǎng)絡(luò)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(shè)備允許實現(xiàn)更好管理的網(wǎng)絡(luò)。幾種通過分組網(wǎng)絡(luò)傳輸時鐘同步的方法也已開發(fā)出來,從而使分組網(wǎng)絡(luò)能夠傳送CBR通信。通過這些發(fā)展,分組網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)能夠提供可與電路交換網(wǎng)絡(luò)相媲美的CBR通信業(yè)務(wù)質(zhì)量。
作者:Slobodan Milijevic
卓聯(lián)半導(dǎo)體公司
