3.2.3. Джиттер и вандер в сетях sdh. Работа указателей.
Одним из основополагающих постулатов SDH, включенных в основу самой технологии, является то, что вне существенных сбоев системы передачи в сети
SDH не должен быть потерян ни один бит информации. Еще на ранних стадиях развития технологии SDH, претендующей на звание самой стабильной и надежной технологии первичной сети, разработчики анализировали возможность реализации этого постулата. Теоретически никаких проблем не должно было возникнуть, т. к. SDH изначально планировалась на основе волоконно-оптических линий связи, в которых вероятность простой битовой ошибки ничтожно мала, слишком велико в них отношение сигнал/шум.
Но далее возник вопрос с проскальзыванием, ведь проскальзывание в любом виде: отрицательное или положительное – приводит к потере информации. Либо часть информации в размере буфера теряется, либо в информационный поток добавляется служебная информация. Отсюда происходит основное противоречие с указанным постулатом и следует единственный вывод: в системах SDH проскальзывания недопустимы. Тогда возникает вопрос о компенсации рассинхронизации между передатчиком и приемником. Исключить такую расинхронизацию нельзя, это запрещает соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое носит характер фундаментального закона природы. Это означает, что f1 передатчика и f2 приемника, пусть даже ненамного, но различны. Следовательно, необходим некий механизм, альтернативный управляемым проскальзываниям. Этот механизм был предложен в виде активности указателей.
Для пояснения сути механизма вернемся к аллегории «бассейна» (рис. 3.1) и предложим другое, более экономичное решение. Пусть теперь управляющий будет вооружен не цепью, управляющей пробкой в бассейне, а простым ведром. Тогда, в случае, если бассейну грозит перелив, т. е. уровень виски поднимается, управляющий наливает свое ведро и бежит к выходу из крана 2. Там он выливает ведро, бежит снова и т. д. В результате средняя скорость жидкости из бассейна увеличивается, уровень начинает снижаться. Если системе угрожает воздух в бассейне, т. е. скорость слива превосходит скорость налива, то управляющий бежит к крану 2, наливает там ведро, прибегает назад и выплескивает ведро в бассейн, снова бежит к крану 2, наливает ведро и т. д. Поскольку эта процедура уменьшает скорость слива виски, уровень его в бассейне начнет подниматься. Конечно, это постоянные хлопоты для управляющего, но результат налицо: в такой системе не потеряется ни капли.
Возвращаясь к реалиям систем SDH, можно сказать, что проскальзываний можно было бы избежать, если бы мы имели возможность иногда увеличить размер вагона, а иногда уменьшить ее. Именно такая система и была разработана для компенсации рассинхронизации. Свободным ресурсом для выполнения этой функции была определена третья пара байтов (байты Н3) в поле указателей в составе заголовка SOH. Дело в том, что прямое назначение указателей административного блока: указывать местоположение контейнеров верхнего уровня в поле нагрузки, требует по емкости только первые две тройки байтов указателей Н1 и Н2. Тройка Н3 оказалась избыточной, и именно ее решено было использовать для процедуры компенсации рассинхронизации.
Рассмотрим механизм смещения указателей более подробно. Алгоритмы отрицательного и положительного смещения указателей представлены на рис. 3.19 и 3.20 соответственно. Часто этот механизм называют байтовым стаффингом.
RSOH Указатель
AU-4
Payload
Указывает начало
VC-4 Граница
VC-4
MSOH
Н1Н1Н1
Н2Н2Н2
Н3Н3Н3
RSOH
Payload Указатель
AU-4
Отрицательное
смещение
Указывает
начало
VC-4
Граница VC-4 MSOH
Н2Н2Н2
Н1Н1Н1
RSOH
Указатель
AU-4
Payload
Указывает
начало VC-4
Граница VC-4
MSOH
Н3Н3Н3
Н2Н2Н2
Н1Н1Н1
Рис.3.19. Механизм отрицательного смещения указателей.
Механизм байтового стаффинга достаточно прост. В случае необходимости увеличить количество цифровых данных, загружаемых в один контейнер, если скорость принимаемых данных выше номинальной, из указателя удаляется поле байтов Н3 и вместо него загружаются данные. Такое смещение называется отрицательным (рис.3. 19). В случае, если принимаемый мультиплексором поток
имеет скорость ниже номинальной, для компенсации рассинхронизации необходимо уменьшить количество цифровых данных, загружаемых в контейнер. В этом случае в поле полезной нагрузки вставляется три дополнительных байта указателя. Такое смещение указателя называется положительным (рис. 3.20). Конечно, размер тройки Н3 намного меньше размера всего поля нагрузки, и, поэтому, диапазон компенсации рассинхронизации ограничен. Однако, размера трех Н3 вполне достаточно при допустимом расхождении скоростей входящих потоков и мультиплексора.
RSOH
Payload
Указатель
AU-4
Указывает
начало
VC-4
Граница VC-4 MSOH
Н1Н1Н1
Н2Н2Н2
Н3Н3Н3
RSOH
Payload
Положительное Указатель
AU-4 смещение
Указывает
начало
VC-4
Граница
VC-4 MSOH
Н1Н1Н1
Н2Н2Н2
Н3Н3Н3
Рис. 2.18. Механизм положительного смещения указателей.
RSOH
Payload Указатель
AU-4
Указывает
начало
VC-4
Граница
VC-4 MSOH
Н1Н1Н1
Н2Н2Н2
Н3Н3Н3
Рис. 3.20. Механизм положительного смещения указателей.
Для реализации того, чтобы ни один бит, загруженный в систему SDH, даже в условиях работы указателей не был потерян, при любом смещении указателей исключается путаница между байтами стаффинга и байтами нагрузки. Указание на смещение указателя передается в составе поля Н2 инверсией байтов D и I (рис. 3.21).
H1
H2
N N N N S S I D I D I D I D
Величина указателя
Новые данные Нормально 0110; инверсия (1001) означает новые данные
Биты наращивания Инверсия битов означает увеличение
Биты уменьшения Инверсия битов означает уменьшение
Рис. 3.21. Состав указателя AU-4.
Как видно из рисунка, структура полей указателей Н1 и Н2 состоит из четырех типов информационных элементов:
NNNN – индикация новых данных. Обычно эти четыре бита имеют значение 0110. В случае радикального переименования указателя биты инвертируются и принимают значение 1001. Это означает что указателю присваивается совершенно новое значение. Радикальное переименование указателя возникает обычно в случае существенного нарушения в системе SDH, например, при разрыве и восстановлении соединения. Простое смещение указателя не вызывает инверсии этих битов.
SS – индикация типа административного блока. Эти два бита служат для индикации типа административного блока в составе транспортного модуля или совместно с указателем для индикации конкатенации (сцепки) виртуальных контейнеров. Например, они принимают значение 10, когда транспортный модуль формируется на основе административного блока AU-4.
ID – биты индикации значения указателя. Эти биты передают информацию о положении нагрузки внутри транспортного модуля. Стандартом допускается максимальное значение величины указателя 782, хотя потенциально 10 бинарных символов могут передать до 1023 значений. В случае смещения указателей биты I и D рассматриваются отдельно.
I – биты индикации положительного смещения указателя. 5 битов I инвертируются при положительном смещении указателя Н3. Решение на стороне приемника о смещении указателя принимается по мажоритарному принципу, т. е. в случае, если хотя бы 3 бита I инвертированы, делается вывод о положительном смещении указателя. Это обеспечивает защиту от ошибки, которая могла бы привести к потере этой важной информации. При инверсии битов I на приемной стороне 3 последовательных байта в поле нагрузки сразу после указателя игнорируются.
D – биты индикации отрицательного смещения указателя. 5 битов D инвертируются при отрицательном смещении указателя Н3. Решение на приемной стороне также принимается по мажоритарному принципу. При инверсии битов D 3 байта указателя Н3 включаются в состав демультиплексируемой нагрузки.
За счет использования таких индикаторов смещения указателей ошибка, связанная с неправильной идентификацией служебного поля указателей практически исключается. Для того, чтобы из 5 подряд следующих битов 3 оказались ошибочными, система передачи должна иметь настолько большой коэффициент ошибок, который исключает работоспособность всей системы в целом.
Таким образом, из описанной процедуры видно, что для компенсации рассинхронизации используется все поле указателей Н3, т. е. смещение поля нагрузки относительно структуры цикла STM-1 на 3 байта. Определим, как такое смещение влияет на появление джиттера в системе SDH. Для этого рассмотрим смещение указателей с точки зрения передачи всего потока полезной информации (нагрузки). На рис. 3.22 представлено несколько последовательных циклов STM-1 с положительным смещением указателя. Абстрагируясь от служебной информации в трактовых заголовках РОН, будем считать всю информацию поля нагрузки полезной. На рисунке эта информация выделена серым цветом. По рисунку хорошо видно, что положительное смещение указателя, которая предусматривает вставку трех байтов служебной информации в поле нагрузки, уменьшает скорость передачи. Т. к. поле нагрузки становится немного меньше, эффективная скорость, измеренная за цикл передачи, уменьшается.
Величина
указателя (n)
Начало
VC-4
Цикл 1
Н3Н3Н3
Н2Н2Н2
Н1Н1Н1
Величина указателя
(биты D инвертированы)
Положительная
вставка
Цикл 2
Н3Н3Н3
Н2Н2Н2
Н1Н1Н1
Величина
указателя (n+1)
Начало
VC-4
Цикл
3
Н3Н3Н3
Н2Н2Н2
Н1Н1Н1
Рис. 3.22. Положительное смещение указателей в поле нагрузки STM-1.
Если построить график эффективной скорости, то можно увидеть уменьшение частоты передачи (рис. 3.23). С помощью этого уменьшения выравнивается уровень в переполненном «бассейне» эластичного буфера. Но в то же время скорость передачи нагрузки связана со скоростью передачи загруженного в систему SDH потока любого уровня. На рис. 3.22 как раз показано, как «плывет» по полю нагрузки цикл полезной нагрузки, он начинает «перетекать». Если теперь проанализировать частоту компонентного потока на выходе из мультиплексора МВВ, то можно заметить биения в частоте его передачи. Конечно, эти изменения частоты не будут носить столь выраженный характер, как на графике, но в целом картина будет довольно похожей. Любое изменение частоты по определению является либо джиттером, либо вандером. Поскольку в данном случае период изменения частоты связан кратно с периодом цикла SDH – 125 мкс, описанное явление вызывает конечно джиттер.
Скорость
передачи данных
125
250 375
500 Время, мкс
Демультиплексированный поток
125 250 375 500 Время, мкс
Рис. 3.23. Соответствующее изменение частоты передаваемого/принимаемого потока.
Таким образом, любые смещения указателей приводят к появлению джиттера на выходе из системы SDH. Причем, джиттер возникает только в потоках, загруженных в SDH в то время, как в самой SDH все данные передаются синхронно и имеют четкую синхронизацию по частоте.
Джиттер и вандер представляют собой любые изменения частоты или фазы передаваемого цифрового потока. Отличается джиттер от вандера скоростью изменения частоты, и по этой причине оба явления разделяются по своим последствиям для сети. Джиттер вредит системе передачи непосредственно, тогда как вандер вредит системе синхронизации, а через нее – системе передачи.
Следует отметить, что джиттер может быть как физическим, так и алгоритмическим. Физический джиттер – это явление, связанное с проявлениями физических законов, например, с амплитудно-фазовыми преобразованиями в регенераторах. Причем, физический джиттер, хотя и всегда присутствует в силу своей природы, но совершенно не влияет на работу системы SDH. Более того, по стандартам ITU-T все элементы системы: мультиплексоры или регенераторы должны иметь характеристику JTF<0, т. е. должны выступать как элементы с подавлением джиттера. Даже если физический джиттер линейного сигнала появится в системе SDH, он уже через 1-2 транзита будет подавлен.
Алгоритмический джиттер не связан с физическими законами, но появляется в результате возникновения процессов внутри системы передачи, описываемых определенными алгоритмами. Механизм смещения указателей в системе SDH как раз и приводит к появлению джиттера на выходе из системы. Причем сам механизм смещения указателей включается только в случае нарушения в системе синхронизации. Если таких нарушений нет, то и алгоритмический джиттер на выходе из системы возникнуть не может.
Интересно, что в
проблеме алгоритмического джиттера
соединяются оба параметра частотной
нестабильности: сам джиттер и вандер.
Поскольку вандер непосредственно
воздействует на систему синхронизации,
он вызывает активность указателей в
системе передачи, в результате на выходе
из системы появляется и растет джиттер.
В качестве примера на рис. 3.24 представлена
ситуация воздействия петли в системе
синхронизации одного кольца SDH. Петля
в системе синхронизации представляет
собой существенное нарушение синхронизации
в сети SDH, которое начинает прогрессировать,
т. е. рассинхронизация в кольце нарастает.
Джиттер
Потоки Е1
Мультиплексор
D SDH
Рассинхронизация
Потоки Е1
Потоки Е1 Джиттер
Джиттер
C Мультиплексор
Мультиплексор A Мультиплексор PDH
SDH SDH
В
Потоки Е1 Мультиплексор
SDH
Джиттер
Мультиплексор
PDH
Рис. 3.24. Влияние петли в системе синхронизации на поведение первичной сети.
Для компенсации рассинхронизации в сети SDH возникает активность указателей, которая приводит к постепенному росту джиттера на выходе из системы. С ростом рассинхронизации в случае петли растет по экспоненциальному закону уровень джиттера. Существенно, что в этой ситуации
система управления SDH не обнаруживает нарастания расинхронизации, т. к. это явление не ассоциировано с соответствующим сигналом о неисправности, уровень джиттера выходных потоков будет различным, чем ближе к точке рассинхронизации, тем больше может быть уровень относительного джиттера.