現(xiàn)代通信網(wǎng)概論第4章

1、第4章 同步網(wǎng)4.1 概述4.2 網(wǎng)同步設(shè)備和定時分配鏈路4.3 網(wǎng)同步技術(shù)4.4 同步網(wǎng)的主要技術(shù)指標4.5 我國的同步網(wǎng)思考題4.1 概 述 同步是指信號之間在頻率或相位上保持某種嚴格的特定關(guān)系，也就是它們相對應的有效瞬間以同一個平均速率出現(xiàn)。 在模擬通信網(wǎng)中，載波傳輸系統(tǒng)兩端機間的載波頻率需要同步，即收發(fā)終端機的載波頻率應該相等或基本相等，并保持穩(wěn)定，以保證接收端正確的復原信號。 數(shù)字通信的特點是將時間上連續(xù)的信號通過抽樣、量化及編碼變成時間上離散的信號，再將各路信號的傳送時間安排在不同時間間隙內(nèi)。為了分清首尾和劃分段落，還要在規(guī)定數(shù)目的時隙間加入識別碼組，即幀同步碼，形成按一定時間規(guī)律

2、排列的比特流，如PCM信息碼。在通信網(wǎng)內(nèi)PCM信息碼的生成、復用、傳送、交換及譯碼等處理過程中，各有關(guān)設(shè)備都需要相同速率的時標(Time Scale)去識別和處理信號，如果時標不能對準信號的最佳判決瞬間，則有可能出現(xiàn)誤碼，也就是數(shù)字設(shè)備要協(xié)調(diào)，且準確無誤地運行就需要各時標具有相同的速率，即時鐘同步。此外數(shù)字網(wǎng)的同步還包括幀同步。這是因為在數(shù)字通信中，對比特流的處理是以幀來劃分段落的，在實現(xiàn)多路時分復用或進入數(shù)字交換機進行時隙交換時，都需要經(jīng)過幀調(diào)整器，使比特流的幀達到同步，也就是幀同步。 數(shù)字網(wǎng)中的同步技術(shù)有以下幾種： (1) 接收同步：在點與點之間進行數(shù)字傳輸時，收端為了正確地再生所傳遞的信

3、號，必須產(chǎn)生一個時間上與發(fā)端信號同步的、位于最佳取樣判決位置的脈沖序列。因此，必須從接收信碼中提取時鐘信息，使其與接收信碼在相位上同步。這種為了滿足點對點通信的需要所提出的相位同步要求廣泛用于數(shù)字傳輸之中。 (2) 復用同步：在數(shù)字信道上，為了提高信道利用率，通常采用時分多路復用的方式，將多個支路數(shù)字信號合路后在群路上傳輸，這稱為數(shù)字復用。進行合路的這些支路信號，來自不同的地點，可能具有不同的相位，通常還可能具有不同的速率。為了使這些支路信號在群路信道上正確地進行合路，要求它們在群路信道上能同步運行。這種復用同步是線路上傳輸所必需的。 復用包括同步復用、準同步復用和非同步復用三種技術(shù)。同步復用

4、將各支路信息依次插入群路時隙中，實現(xiàn)簡單，傳輸效率高，已廣泛應用于數(shù)字話路復用設(shè)備和SDH設(shè)備中。準同步復用采用碼速調(diào)整技術(shù)，首先將支路速率進行調(diào)整。因此能將在一定頻率容差范圍內(nèi)的各個支路信號復用成一個高速數(shù)字流，而不再像同步復用那樣要求各支路信號之間的頻率和相位嚴格同步，傳輸效率也較高，廣泛應用于PDH數(shù)字群復用中。非同步復用采用多個二進制數(shù)碼傳送一個二進制數(shù)字信息的方法(如高速取樣法、跳變沿編碼法等)，因此各復用支路信號之間的頻率和相位都不必同步。但信道的傳輸效率較低，一般只用在低速數(shù)據(jù)信號復用中。 (3) 交換同步：在一個由模擬傳輸和數(shù)字交換構(gòu)成的混合網(wǎng)中，網(wǎng)內(nèi)不存在交換同步問題。只有在

5、數(shù)字傳輸和數(shù)字交換構(gòu)成的綜合數(shù)字網(wǎng)內(nèi)，為了使到達網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點的全部數(shù)字流都能實現(xiàn)有效的交換，必須使到達交換節(jié)點的所有數(shù)字流的幀定位信號同步，這種數(shù)字交換中需要的同步稱為交換同步。由于交換同步涉及到網(wǎng)中到達各交換節(jié)點的全部數(shù)字流，因此又稱為網(wǎng)同步。本書重點討論的就是網(wǎng)同步的基本概念及網(wǎng)同步技術(shù)。4.2 網(wǎng)同步設(shè)備和定時分配鏈路4.2.1 節(jié)點時鐘設(shè)備 節(jié)點時鐘設(shè)備主要包括獨立型定時供給設(shè)備和混合型定時供給設(shè)備。獨立型節(jié)點時鐘設(shè)備是數(shù)字同步網(wǎng)的專用設(shè)備，主要包括：銫原子鐘、銣原子鐘、晶體鐘、大樓綜合定時系統(tǒng)(BITS)以及由全球定位系統(tǒng)(GPS和GLONASS)組成的定時系統(tǒng)?；旌闲投〞r供給設(shè)備

6、是指通信設(shè)備中的時鐘單元，它的性能滿足同步網(wǎng)設(shè)備指標要求，可以承擔定時分配任務， 如交換機時鐘，數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)等。 銫鐘的長期穩(wěn)定性非常好，沒有老化現(xiàn)象，可以作為自主運行的基準源。但是銫鐘體積大、耗能高、價格貴, 并且銫素管的壽命為58年，維護費用大，一般在網(wǎng)絡中只配置l2組銫鐘做基準鐘。 銣鐘與銫鐘相比，長期穩(wěn)定性差，但是短期穩(wěn)定性好，并且體積小、重量輕、耗電少、價格低。利用GPS校正銣鐘的長期穩(wěn)定性，也可以達到一級時鐘的標準，因此配置了GPS的銣鐘系統(tǒng)常用作一級基準源。 晶體鐘長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性比原子鐘差，但晶體鐘體積小、重量輕、耗電少，并且價格比較便宜，平均故障間隔時間長

7、。因此，晶體鐘在通信網(wǎng)中應用非常廣泛。4.2.2 定時分配 定時分配就是將基準定時信號逐級傳遞到同步通信網(wǎng)中的各種設(shè)備。定時分配包括局內(nèi)定時分配和局間定時分配。 1局內(nèi)定時分配 局內(nèi)定時分配是指在同步網(wǎng)節(jié)點上直接將定時信號送給各個通信設(shè)備。即在通信樓內(nèi)直接將同步網(wǎng)設(shè)備(BITS)的輸出信號連接到通信設(shè)備上。此時，BITS跟蹤上游時鐘信號，并濾除由于傳輸所帶來的各種損傷，例如抖動和漂移，能重新產(chǎn)生高質(zhì)量的定時信號，用此信號同步局內(nèi)通信設(shè)備。 局內(nèi)定時分配一般采用星型結(jié)構(gòu)，如圖4.1所示。從BITS到被同步設(shè)備之間的連線采用2 Mb/s或2 MHz的專線。圖4.1 局內(nèi)定時設(shè)備 在通信樓內(nèi)需要同步

8、的設(shè)備主要包括：程控交換機、異步傳送模式交換機(ATM)、No.7信令轉(zhuǎn)接點設(shè)備、數(shù)字交叉連接設(shè)備(DXC)、SDH網(wǎng)的終端復用設(shè)備(TM)、分插復用設(shè)備(ADM)、DDN網(wǎng)設(shè)備和智能網(wǎng)設(shè)備等。 這種星型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：同步結(jié)構(gòu)簡單、直觀、便于維護。缺點是外連線較多，發(fā)生故障的概率增大。同時，由于每個設(shè)備都直接連到同步設(shè)備上，這樣就占用了較多的同步網(wǎng)資源。因此在實際網(wǎng)絡中，對這種星型結(jié)構(gòu)進行了一些改進。當局內(nèi)的設(shè)備較多時，對同一類設(shè)備或組成系統(tǒng)的設(shè)備，可以通過業(yè)務線串接，也可以通過外同步接口連接，如圖4.2所示。圖4.2 改進的局內(nèi)定時分配 例如，局中有些SDH設(shè)備, 包括DXC、ADM、TM，

9、組成局內(nèi)傳輸系統(tǒng)，可以將BITS的定時信號直接連到DXC設(shè)備的外時鐘輸入口，DXC將同步網(wǎng)定時承載到業(yè)務線上，傳遞給ADM、TM等設(shè)備，這些設(shè)備從業(yè)務信號中提取定時。背靠背的TM之間，可以通過外時鐘輸入口和外時鐘輸出口相連來傳遞定時，也可以提供業(yè)務線傳遞定時。 另外，若局內(nèi)有幾個相同的設(shè)備(例如交換機)，并且有業(yè)務關(guān)系，那么，可以將一個交換機的外時鐘輸入口連到BITS上，其他交換機從相連的業(yè)務線中提取同步網(wǎng)定時。 這樣連接的優(yōu)點是：節(jié)省了同步網(wǎng)資源，降低了由于外連線帶來的故障，方便了維護。 2局間定時分配 局間定時分配是指在同步網(wǎng)節(jié)點間的定時傳遞。 根據(jù)同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)，局間定時傳遞采用樹狀結(jié)構(gòu)，通

10、過定時鏈路在同步網(wǎng)節(jié)點間，將來自基準鐘的定時信號逐級向下傳遞。上游時鐘通過定時鏈路將定時信號傳遞給下游時鐘。下游時鐘提取定時，濾除傳輸損傷，重新產(chǎn)生高質(zhì)量信號提供給局內(nèi)設(shè)備，并再通過定時鏈路傳遞給它的下游時鐘。 目前采用的定時鏈路主要有兩種：PDH定時鏈路和SDH定時鏈路。 1) PDH定時鏈路 傳統(tǒng)的同步網(wǎng)建立在PDH環(huán)境下，采用PDH的2 Mb/s通道傳遞同步網(wǎng)定時信號，定時鏈路包括2 Mb/s專線和2 Mb/s業(yè)務線。 傳輸系統(tǒng)對2 Mb/s信號進行正碼速調(diào)整，比特復接至高次群(8 Mb/s、34 Mb/s、140 Mb/s等)，通過PDH線路系統(tǒng)傳遞下去。傳輸設(shè)備不受該2 Mb/s時鐘

11、同步。因此，傳輸系統(tǒng)所引入的抖動和漂移損傷較小，PDH傳輸設(shè)備的2 Mb/s通道適合傳送同步網(wǎng)定時。同時，由于在同步網(wǎng)節(jié)點間無傳輸系統(tǒng)時鐘介入，當定時鏈路發(fā)生故障時，下游時鐘可以迅速發(fā)現(xiàn)故障，進入保持工作狀態(tài)或倒換到備用參考定時信號，即可以很快地進行定時恢復。PDH傳遞同步網(wǎng)定時的特點如下：(1) PDH系統(tǒng)對同步網(wǎng)定時損傷小，適合長距離傳遞定時。(2) PDH傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為樹型，定時鏈路的規(guī)劃設(shè)計簡單。(3) 當定時鏈路發(fā)生故障時，便于定時恢復。 2) SDH定時鏈路 SDH定時鏈路是指利用SDH傳輸鏈路傳送同步網(wǎng)定時。 與PDH定時鏈路不同，由于SDH采用指針調(diào)整技術(shù)，2 Mb/s支路信號

12、不適于傳遞同步網(wǎng)定時，一般采用STM-N信號傳遞定時。在定時鏈路始端的SDH 網(wǎng)元通過外時鐘信號輸入口接收同步網(wǎng)定時，并將定時信號承載到STM-N上。在SDH系統(tǒng)內(nèi)，STM-N信號是同步傳輸?shù)模琒DH網(wǎng)元時鐘接收線路信號定時，并為發(fā)送的線路信號提供定時。特殊情況下經(jīng)過再定時處理的2 Mb/s信號可以在局部范圍內(nèi)傳遞定時，大規(guī)模使用前，必須解決時延問題。 采用SDH系統(tǒng)傳遞同步網(wǎng)定時信號時，SDH網(wǎng)元時鐘將串入到定時鏈路中，這樣SDH網(wǎng)元時鐘和傳輸鏈路成為同步網(wǎng)的組成部分。 在SDH定時鏈路上， 除了包括定時信號的傳遞， 還包括同步狀態(tài)信息(SSM：Synchronization Status

13、Message)的傳遞。SSM用于傳遞定時信號的質(zhì)量等級。同步網(wǎng)中的節(jié)點時鐘通過對SSM的解讀獲得上游時鐘等級信息后，可對本節(jié)點時鐘進行相應操作(例如跟蹤倒換或轉(zhuǎn)入保持狀態(tài))。 在STM-N接口中，復用段開銷S1字節(jié)的第5、6、7、8 bit定義了不同的時鐘質(zhì)量等級，見表4.1。在2048 kb/s接口，采用奇幀TS0的第58 bit承載SSM信息。2048 kb/s接口的復幀結(jié)構(gòu)見表4.2，其SSM信息的定義同表4.1。表4.1 STM-N接口的SSM編碼表4.2 2048 kb/s接口CRC-4復幀結(jié)構(gòu) 另外，由于SDH網(wǎng)復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和靈活的網(wǎng)絡保護功能，使定時鏈路的規(guī)劃設(shè)計變得復雜，同

14、時給定時鏈路的恢復帶來一些困難。因此采用SDH網(wǎng)傳送同步定時信號要注意： (1) SDH網(wǎng)多采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，當上游定時鏈路故障時，會出現(xiàn)高級時鐘受低級時鐘同步的現(xiàn)象。 (2) 當同步網(wǎng)定時鏈路規(guī)劃不合理，或定時參考信號的來源及時鐘信號等級不明時，會在同步網(wǎng)內(nèi)形成定時環(huán)。 (3) ITU-T 標準規(guī)定，基準定時鏈路上SDH網(wǎng)元時鐘個數(shù)不能超過60個。這樣定時傳遞距離就會受到限制。4.3 網(wǎng) 同 步 技 術(shù) 網(wǎng)同步技術(shù)可分為兩大類：準同步和同步。同步又有主從同步和互同步之分，它們又可分成各種不同的實施方法。同步的概念可用圖4.3來加以說明。圖中的圓圈代表網(wǎng)中的各交換節(jié)點，線條和箭頭代表網(wǎng)中控制的來源

15、和方向。交換節(jié)點中的同步控制信號來自線條中的時鐘信號和節(jié)點本地時鐘信號之間的相位差值，或者直接來自線條中的控制信號。 不同的同步技術(shù)對節(jié)點時鐘的控制將采用不同的方法。 (1) 單向控制：對同步的控制僅在傳輸鏈路的一個方向上進行，或者說僅對鏈路的一側(cè)有效，如圖4.3(b)、(c)、(d)所示。強制同步都是單向控制的。主從同步是網(wǎng)中指定一個主時鐘節(jié)點，所有其他從時鐘節(jié)點都受主時鐘節(jié)點的控制；時間基準分配是從節(jié)點都接受時間基準的同步控制；外部基準是利用通信網(wǎng)外的基準時鐘來控制網(wǎng)中所有的節(jié)點。 (2) 雙向控制：網(wǎng)同步的控制在傳輸鏈路的兩個方向上都使用，也就是鏈路兩側(cè)都受到控制?；ネ椒椒ㄖ泄?jié)點之間的

16、控制是雙向的，如圖4.3(e)、(f)所示。 (3) 單端控制：節(jié)點時鐘的同步控制信號來自輸入時鐘信號和本地時鐘信號的差值，也就是來自節(jié)點的本端。圖4.3(b)的主從同步必然是單端的，圖4.3(e)所示為單端互同步方式。 (4) 雙端控制：節(jié)點時鐘的同步控制信號除來自本端輸入時鐘信號和本地時鐘的相位差值外，還將發(fā)送時鐘信號對端所得到的相位差值通過線路傳送到本端作為控制信號。因為控制信號利用了兩端的相位差值，所以稱為雙端控制。雙端技術(shù)可以抵消傳輸鏈路時延變化的影響，提高網(wǎng)絡的同步質(zhì)量，時間基準分配和雙端互同步方式都采用了雙端控制，如圖4.3(c)和(f)所示。圖中除時鐘信號傳送線外，多了一條控制

17、信號的傳送線。圖4.3 同步概念示意圖(a) 準同步；(b) 主從(單端，單向)；(c) 時間基準(雙端，單向)；(d) 外部基準(單向)；(e) 單端控制(雙向)；(f) 雙端控制4.3.1 準同步 準同步方式中各交換節(jié)點的時鐘彼此是獨立的，但它們的頻率精度要求保持在極窄的頻率容差之中，網(wǎng)絡接近于同步工作狀態(tài)，通常稱為準同步工作方式。 準同步工作方式的優(yōu)點是網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，各節(jié)點時鐘彼此獨立工作，節(jié)點之間不需要有控制信號來校準時鐘的精度。網(wǎng)絡的增設(shè)和改動都很靈活，因此得到了廣泛的應用。它特別適合于國際交換節(jié)點之間同步使用。各國軍用戰(zhàn)術(shù)移動通信網(wǎng)，為提高網(wǎng)同步的抗毀能力，也采用準同步方式工作。各

18、國民用數(shù)字通信網(wǎng)，為提高網(wǎng)同步的可靠性，通常要求在所選用的網(wǎng)同步技術(shù)出現(xiàn)故障時利用準同步工作方式來過渡。 準同步方式有如下缺點： (1) 節(jié)點時鐘是互相獨立的，不管時鐘的精度有多高，節(jié)點之間的數(shù)字鏈路在節(jié)點入口處總是要產(chǎn)生周期性的滑動，這樣對通信業(yè)務的質(zhì)量有損傷。 (2) 為了減小對通信業(yè)務的損傷，時鐘必須有很高的精度, 通常要求采用原子鐘，需要較大的投資，可靠性也差。為保證時鐘的可靠性，節(jié)點時鐘通常采用三臺原子鐘自動切換方式，這樣將使時鐘的管理維護費用增大。 采用準同步方式的網(wǎng)絡，為了保證端到端的滑動速率符合要求, 采用定期復位各節(jié)點輸入口緩沖存儲器的方法來實現(xiàn)同步。4.3.2 主從同步 主

19、從同步(Master Slave Synchronized)方式指數(shù)字網(wǎng)中所有節(jié)點都以一個規(guī)定的主節(jié)點時鐘作為基準，主節(jié)點之外的所有節(jié)點或者是從直達的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點送來的定時基準，或者是從經(jīng)過中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)后的數(shù)字鏈路上接收主節(jié)點送來的定時基準，然后把節(jié)點的本地振蕩器相位鎖定到所接收的定時基準上，使節(jié)點時鐘從屬于主節(jié)點時鐘，如圖 4.4所示。與圖4.3(b)的簡單星型網(wǎng)方式相比，圖4.4是一個由兩級星型網(wǎng)組成的樹型網(wǎng)。主從同步方式的定時基準由樹型結(jié)構(gòu)傳輸鏈路的數(shù)字信息來傳送。圖4.4 主從同步方式 主從同步方式的優(yōu)點主要有： (1) 避免了準同步網(wǎng)中固有的周期性滑動。 (2) 鎖相環(huán)的壓控

20、振蕩器只要求較低的頻率精度，較準同步方式，大大降低了費用。 (3) 控制簡單，特別適用于星型或樹型網(wǎng)。 但主從同步方式也存在一些缺點，主要有如下幾點： (1) 系統(tǒng)采用單端控制，任何傳輸鏈路中的擾動都將導致定時基準的擾動。這種擾動將沿著傳輸鏈路逐段累積，影響網(wǎng)中定時信號的質(zhì)量。為減小傳輸鏈路上日變化引起的定時基準相位擾動，從節(jié)點時鐘的鎖相環(huán)應采用帶寬極窄的環(huán)路來濾除日變化的擾動。 (2) 一旦主節(jié)點基準時鐘和傳輸鏈路發(fā)生故障，就會造成從節(jié)點定時基準的丟失，導致全系統(tǒng)或局部系統(tǒng)喪失網(wǎng)同步能力。為此，主節(jié)點基準時鐘須采用多重備份手段以提高可靠 性，而定時基準分配鏈路采用備用路由的時鐘或者在從節(jié)點設(shè)

21、置具有存儲功能的松耦合鎖相環(huán)路來實現(xiàn)同步。 主從同步方式由于優(yōu)點多，而缺點又均可采取措施加以克服，因此廣泛應用于公用電信網(wǎng)中。當數(shù)字網(wǎng)為分布式結(jié)構(gòu)時，主從同步方式就不太合適了。4.3.3 相互同步 相互同步(Mutually Synchronized)技術(shù)是指數(shù)字網(wǎng)中沒有特定的主節(jié)點和時鐘基準，網(wǎng)中每一個節(jié)點的本地時鐘通過鎖相環(huán)路受所有接收到的外來數(shù)字鏈路定時信號的共同加權(quán)控制。因此節(jié)點的鎖相環(huán)路是一個具有多個輸入信號的環(huán)路，而相互同步網(wǎng)構(gòu)成將多輸入鎖相環(huán)相互連接的一個復雜的多路反饋系統(tǒng)。在相互同步網(wǎng)中各節(jié)點時鐘的相互作用下，如果網(wǎng)絡參數(shù)選擇得合適，網(wǎng)中所有節(jié)點時鐘最后將達到一個穩(wěn)定的系統(tǒng)頻率

22、，從而實現(xiàn)了全網(wǎng)的同步工作。 相互同步方式必然是一個雙向控制系統(tǒng)，它可以是單端或雙端控制的。單端控制技術(shù)無法消除傳輸鏈路時延變化的影響，只適用于局部地區(qū)的小網(wǎng)；雙端控制技術(shù)消除了傳輸鏈路時延變化的影響，可以用在相當大的區(qū)域網(wǎng)中。 互同步系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點： (1) 當某些傳輸鏈路或節(jié)點時鐘發(fā)生故障時，網(wǎng)絡仍然處于同步工作狀態(tài), 不需要重組網(wǎng)絡，簡化了管理工作。 (2) 可以降低節(jié)點時鐘頻率穩(wěn)定度的要求，設(shè)備較便宜。 (3) 較好地適用于分布式網(wǎng)路。 互同步系統(tǒng)有如下缺點： (1) 穩(wěn)態(tài)頻率取決于起始條件、時延、增益和加權(quán)系數(shù)等，因此容易受到擾動。 (2) 由于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率的不確定性，因此很難與

23、其他同步系統(tǒng)兼容。 (3) 由于整個同步網(wǎng)構(gòu)成一個閉路反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)的變化容易引起系統(tǒng)性能變壞，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.3.4 外時間基準同步 外時間基準同步方式是指數(shù)字通信網(wǎng)中所有節(jié)點的時間基準依賴于該節(jié)點所能接收到的外來基準信號。通過將本地時鐘信號鎖定到外來時間基準信號的相位上，來達到全網(wǎng)定時信號的同步。 這種時間基準信號的頻率精度很高(大都采用銫鐘)，傳輸路徑與數(shù)字信息通路無關(guān)。但是這種信號只有在外時間基準信號的覆蓋區(qū)才能采用，非覆蓋區(qū)就無法采用。同時，外時間基準信號還得采用專門的接收設(shè)備。 目前常用的外時間基準信號是GPS(Globe Positioning System)或GLO

24、NASS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)。本節(jié)只介紹GPS系統(tǒng)。 1GPS系統(tǒng)概述 GPS(全球定位系統(tǒng))是美國國防部組織建立并控制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它可以提供三維定位(經(jīng)度、緯度和高度)、時間同步和頻率同步，是一套覆蓋全球的全方位導航系統(tǒng)。 早期的GPS系統(tǒng)主要用于導航定位，主要為美國軍方服務。20世紀90年代初，由于GPS接收機價格低廉，不向用戶收取使用費，并且能夠提供高性能的頻率同步和時間同步，因此，GPS開始在通信領(lǐng)域使用，并且隨著近幾年通信的迅猛發(fā)展，GPS的應用也越來越廣泛。 2GPS系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)可以分為三部分：GPS衛(wèi)星系統(tǒng)、地面

25、控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備，如圖4.5所示。 1) GPS衛(wèi)星系統(tǒng) GPS衛(wèi)星系統(tǒng)包括24顆衛(wèi)星，分布在6個軌道上，其中3顆衛(wèi)星作備用。每個軌道上平均有34顆衛(wèi)星。每個軌道面相對于赤道的傾角為55，軌道平均高度為20 200 km，衛(wèi)星運行周期為11小時58分。這樣，全球在任何時間、任何地點至少可以看到4顆衛(wèi)星，最多可以看到8顆。每顆衛(wèi)星上都載有銣鐘，稱為衛(wèi)星鐘，接受地面主鐘的控制。圖4.5 GPS系統(tǒng) 2) 地面控制系統(tǒng) 地面控制系統(tǒng)包括1個主控站(MCS：Master Control Station)、5個監(jiān)控站(MS：Monitor Station)和3個地面站(GA：Ground Antenn

26、as)。 監(jiān)控站分布在不同地域，能夠同時檢測多達11顆衛(wèi)星。監(jiān)控站對收集來的數(shù)據(jù)并不做過多的處理，而將原始的測試數(shù)據(jù)和相關(guān)信息送給主控站處理。主控站根據(jù)收集來的數(shù)據(jù)估算出每個衛(wèi)星的位置和時間參數(shù)，并且與地面基準相比對，然后形成對衛(wèi)星的指令。這些新的數(shù)據(jù)和指令被送往衛(wèi)星地面站，通過衛(wèi)星地面站發(fā)送出去，衛(wèi)星按這些新的數(shù)據(jù)和指令進行工作，并把有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。在主控站中用于比對的同步基準由美國海軍天文臺控制，它是原子鐘與協(xié)調(diào)世界時(UTC：Coordinated Universal Time)比對后的信號。這樣就使衛(wèi)星鐘與GPS主時鐘之間保持精確同步。 衛(wèi)星發(fā)射的信號有兩種，其中每一種用不同的頻率

27、發(fā)射： L1波段：1575.42 MHz，載有民用碼(C/A偽隨機碼)、軍用碼(P偽隨機碼)和數(shù)據(jù)信息。 L2波段：1227.26 MHz，僅供軍用碼(P偽隨機碼)和數(shù)據(jù)信息使用。 3) 用戶設(shè)備 用戶設(shè)備指GPS接收機，包括天線、饋線和中央處理單元。其中中央處理單元由高穩(wěn)晶振和鎖相環(huán)組成，它對接收信號進行處理，經(jīng)過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩(wěn)定性。定時精度能夠達到300 ns以內(nèi)。 在通信網(wǎng)中，常將GPS與銣鐘配合使用，利用GPS的長穩(wěn)特性，結(jié)合銣鐘的短穩(wěn)特性, 得到準確度和穩(wěn)定度都很高的同步信號。該信號可以作為基準源使用。 4GPS在通信系統(tǒng)中的應用 頻率同步是指信號的

28、頻率跟蹤到基準頻率上，使其長期穩(wěn)定地與基準保持一致。但不要求起始時刻保持一致。這樣，基準不一定跟蹤UTC，可以使用獨立運行的銫鐘組作為同步基準，也可以使用GPS對銫鐘組進行校驗，以使其保持更好的準確度。 傳統(tǒng)的電信網(wǎng)主要要求頻率同步，因此，已建成的同步網(wǎng)主要滿足頻率同步的要求。 時間同步不僅要求信號的頻率鎖定到基準頻率上，使其長期穩(wěn)定地與基準保持一致，而且要求信號的起始時刻與UTC保持一致。這樣，時間同步的基準必須跟蹤到UTC上。 在CDMA移動通信系統(tǒng)中，要求基站之間相對于 UTC的時刻差500 ns，由于地面?zhèn)鬏數(shù)臅r延問題，時間基準不能像頻率基準那樣傳輸和分配，因此，目前不得不采用GPS技

29、術(shù)，即在每個基站配置GPS。 GLONASS系統(tǒng)是前蘇聯(lián)緊跟美國 GPS系統(tǒng)研究發(fā)展的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。其工作原理與GPS相似，但目前的應用沒有GPS廣泛。4.3.5 通信樓綜合定時供給系統(tǒng) 早期的數(shù)字同步網(wǎng)，用數(shù)字交換機的內(nèi)部時鐘作為節(jié)點時鐘使用。隨著數(shù)字通信網(wǎng)的發(fā)展，通信樓內(nèi)安裝的數(shù)字設(shè)備的種類和數(shù)量日益增加，所需要的基準定時信號的數(shù)量和類型也增多了，同時要求的時鐘性能指標也提高了，因此有必要在同步節(jié)點或通信設(shè)備較多以及通信網(wǎng)的重要樞紐，單獨設(shè)置時鐘系統(tǒng)，這就是通信樓綜合定時供給系統(tǒng) (BITS)。其功能結(jié)構(gòu)見圖4.6。圖4.6 BITS系統(tǒng) 1基準信號輸入控制單元 基準信號輸入控制單元應

30、具有下列功能： (1) 基準信號輸入控制單元應有兩個，一個為主用，一個為備用。主用發(fā)生故障時應能自動轉(zhuǎn)備用，維護工作需要時，應能人工控制轉(zhuǎn)備用。 (2) 基準信號輸入口一般為4個，可按ITU-T G.703建議的要求接2048 kb/s或2.048 MHz的信號，有的可根據(jù)需要配接5 MHz或其他類型外基準信號。 (3) 應能對輸入的基準信號預置優(yōu)先順序。 (4) 具有監(jiān)測輸入基準信號的功能，監(jiān)測的項目包括信號中斷、幀失步、循環(huán)冗余校驗、雙極性破壞、告警指示及頻率偏差等。 (5) 用“多數(shù)選擇”的方法進行基準信號管理。對每個輸入信號進行比較，對合格的輸入信號進行多數(shù)選擇。對不合格(超出預先設(shè)定

31、的閥值)的信號從參與多數(shù)選擇的信號中刪除。 (6) 部分或全部基準信號故障時應發(fā)出告警信號，全部不可用時應使時鐘進入保持方式，當輸入信號恢復正常后，時鐘應能重新輸入基準同步。 (7) 通過維護控制接口可進行遙控。 2時鐘 (1) 時鐘應該有主用時鐘和備用時鐘，故障時主用時鐘應能自動轉(zhuǎn)備用時鐘，需要時可將主用時鐘人工轉(zhuǎn)備用時鐘。 (2) 按需要設(shè)置所需級別的時鐘，時鐘的性能要求應符合有關(guān)的技術(shù)規(guī)范。 (3) 通過相位控制，在輸入基準信號或時鐘轉(zhuǎn)換時，其輸出的相位變化應不超出規(guī)定的要求，并減小輸入相位變化對輸出相位的影響。 3定時信號輸出 (1) 應能提供所需要的輸出信號，并有熱備用，一旦某個輸出

32、信號發(fā)生故障即轉(zhuǎn)入備用。 (2) 如果需要，可以擴展輸出信號的數(shù)量和其他類型的信號。 4同步時鐘信號插入單元 可以用本設(shè)備的頻率對輸入的2048 kb/s信號進行再定時，定時后再傳送。 5同步信號監(jiān)測單元 (1) 對接入此單元的信號應對下列性能進行監(jiān)視：信號丟失、幀失步、循環(huán)冗余校驗、雙極性破壞等。 (2) 對某些參數(shù)，如最大時間間隔誤差(MTIE)、阿倫方差(AVAR)、時間方差(TVAR)等能進行測量，并能送出監(jiān)測報告。 6日歷時鐘 如果需要，可以產(chǎn)生日歷碼，輸出日歷時間信號。 7維護與控制接口 為了能夠遙控及監(jiān)測，BITS應有通信接口，能與運行支援系統(tǒng)(或網(wǎng)管系統(tǒng))相連，對設(shè)備的運行狀態(tài)

33、、告警及監(jiān)測結(jié)果等自動輸出或按命令送出報告。4.3.6 數(shù)字同步網(wǎng)結(jié)構(gòu) 利用上述基本網(wǎng)絡同步技術(shù)，可采用下列結(jié)構(gòu)組建同步網(wǎng)。 1全同步網(wǎng) 在全同步方式下，同步網(wǎng)接受一個或幾個基準時鐘控制。 當同步網(wǎng)內(nèi)只有一個基準時鐘時，同步網(wǎng)內(nèi)的其他時鐘就都同步到該基準時鐘上，如圖4.7所示。圖4.7 主從同步網(wǎng) 在這種類型的同步網(wǎng)中，最高一級時鐘為符合G.811規(guī)定的性能的時鐘， 即基準時鐘, 也稱為一級時鐘。它作為主鐘為網(wǎng)絡提供基準定時信號。該信號通過定時鏈路傳遞到全網(wǎng)。 二級時鐘是它的從鐘，從與之相連的定時鏈路提取定時，并濾除由于傳輸帶來的損傷，然后將基準定時信號向下級時鐘傳遞。三級時鐘從二級時鐘中提取

34、定時，這樣就形成了主從全同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 全同步網(wǎng)的另一種類型是在同步網(wǎng)中，存在著幾個基準時鐘，網(wǎng)絡中的其他時鐘接受這幾個基準時鐘的共同控制，典型結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。圖4.8 多基準全同步網(wǎng) 在這種結(jié)構(gòu)的同步網(wǎng)中，存在著多個符合G.811建議的基準時鐘。在基準時鐘層面上，需要采用一定的方法對基準時鐘進行校驗，以保證基準時鐘間的同步。目前，一般采用如下兩種方法： (1) 在所有的基準時鐘上裝配GPS接收機，使所有基準時鐘通過GPS系統(tǒng)跟蹤UTC，保持與UTC一致的長期頻率準確度, 從而達到全網(wǎng)同步運行的目的。 (2) 在基準時鐘層面上，基準時鐘間采用類似互同步的方法，每個基準時鐘都與其他基準時鐘相連

35、，并進行對比計算，以獲得一個更為準確的綜合頻率基準。然后去調(diào)整每個基準時鐘，使網(wǎng)絡同步運行。 第二種方法比較復雜，首先要通過地面鏈路將基準時鐘組成網(wǎng)絡；其次要對基準時鐘進行長期的性能監(jiān)測；然后再通過一套復雜的算法對網(wǎng)絡進行加權(quán)計算；最后再對各個基準時鐘進行控制調(diào)整。其優(yōu)點是：可靠性高，自主性強，不依賴于GPS等外界手段。 由于GPS的廣泛應用，第一種方法被大量采用。其優(yōu)點是實現(xiàn)方法簡單，只需配備GPS接收機，并且成本低。但其缺點是可靠性低。由于GPS系統(tǒng)歸美國政府所有，受控于美國國防部，對世界各地的GPS用戶未有任何政府承諾，且用戶只付了購買GPS接收機的費用，并未支付GPS系統(tǒng)的使用費用，因

36、此這種方法的可靠性低、自主性差。 2全準同步網(wǎng) 在全準同步方式下，網(wǎng)內(nèi)的所有時鐘都獨立運行，不接受其他時鐘的控制。網(wǎng)絡采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖4.9所示。網(wǎng)絡內(nèi)時鐘沒有高級和低級之分，同步網(wǎng)以各個時鐘為中心，劃分為多個獨立的同步區(qū)，各時鐘負責本區(qū)內(nèi)設(shè)備的同步。在各個時鐘之間不需要定時鏈路的連接，沒有局間定時分配。圖4.9 全準同步 全準同步網(wǎng)要求網(wǎng)內(nèi)各個時鐘都具有很高的準確度和穩(wěn)定度，時鐘具有相同的級別，以保證業(yè)務網(wǎng)的同步性能。因此全準同步網(wǎng)應用不太普遍，只有一些地域小的國家采用這種方式。當網(wǎng)絡規(guī)模較大時，這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡不僅成本高，而且難以控制管理，網(wǎng)絡的同步性能難以保證。 3混合同步網(wǎng) 在混合同

37、步方式下，將同步網(wǎng)劃分為若干個同步區(qū)，每個同步區(qū)是一個子網(wǎng)，在子網(wǎng)內(nèi)采用全同步方式，在子網(wǎng)間采用準同步方式，如圖4.10所示。圖4.10 混合同步 在每個子網(wǎng)中，采用主從同步方式。一般設(shè)置一個基準時鐘(為了提高網(wǎng)絡的可靠性，在一個子網(wǎng)內(nèi)也可以設(shè)置多個基準時鐘)為網(wǎng)絡提供基準定時。各級時鐘提取定時，并逐級向下傳遞，在各個子網(wǎng)間采用準同步方式。 混合同步網(wǎng)與多基準時鐘控制的全同步網(wǎng)的區(qū)別是：在全同步網(wǎng)內(nèi)，各個基準時鐘之間通過一定的方式(例如通過GPS跟蹤UTC或各基準時鐘間的比對調(diào)整)使各個基準時鐘同步運行。全網(wǎng)具有很高的同步性能。而在混合方式下，子網(wǎng)與子網(wǎng)的基準時鐘間不需要進行同步，它們是獨立運

38、行的。4.4 同步網(wǎng)的主要技術(shù)指標4.4.1 滑動 1滑動的由來 圖4.11是在交換局的輸入端設(shè)置緩沖器的示意圖。圖中A局和B局的數(shù)字信號到達C局，它們的時鐘信號頻率分別為f a、f b和f c，并且在同一基準頻率上下略有偏差。C局分別按f a、f b寫緩沖器，按f c讀緩沖器，當f a、f b和f c之間誤差積累到一定程度時，在數(shù)字信號流中產(chǎn)生滑碼。圖4.11 交換局輸入端設(shè)置緩沖器示意圖 首先以緩沖器的容量為1 bit為例來討論滑碼的產(chǎn)生。圖4.12是由于時鐘頻率偏差引起滑碼的示意圖。在圖4.12(a)中，寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，這里時間軸上方是讀時鐘脈沖，下方是寫時鐘脈沖，寫脈沖和讀脈

39、沖之間的時間間隔稱為讀寫時差Td。當f af c時，讀寫時差隨時間增加而增加。當它超過1 bit時，則產(chǎn)生一次漏讀現(xiàn)象，這時將丟失這個碼元(在圖中的第7個碼元處)，同時讀寫時差將產(chǎn)生一個跳躍。圖4.12(b)是f bf c的情況，當讀寫時差減少至0時則產(chǎn)生一次重讀現(xiàn)象，這時將增加一個碼元。這種碼元的丟失或增加稱為滑碼，滑碼是一種數(shù)字網(wǎng)的同步損傷。圖4.12 緩沖器容量為1 bit時的滑碼 當緩沖器的容量為1 bit時，滑碼一次丟失或增加的碼元數(shù)為1 bit，這時將引起幀失步，從而造成在失步期間全部信息碼元的丟失。解決的方法是擴大緩沖器的容量。圖4.13是緩沖器的容量為1幀時滑碼產(chǎn)生的情況。圖4

40、.13中，f af c，即對于緩沖器是寫得快而讀得慢，緩沖器存儲的碼元逐漸增加，當增加至一幀時，將產(chǎn)生一次滑碼，從而丟失1幀的碼元。圖4.13(b)是f bf c的情況，這時滑碼一次，碼元將增加1幀。圖4.13 滑幀 在實際的數(shù)字交換機中，緩沖器的容量可為1幀或大于1幀，把滑碼一次丟失或增加的碼元數(shù)控制為l幀。這樣做的優(yōu)點有二：一是減少了滑碼的次數(shù)，二是由于滑碼一次丟失或增加的碼元數(shù)量為l幀，防止了幀失步的產(chǎn)生。這種滑碼一次丟失或增加一個整幀的碼元常稱為滑幀, 由于滑碼一次丟失或增加的碼元數(shù)是確定的，因此也常稱其為受控滑碼。 2滑動的影響 滑動的影響是研究一個數(shù)字基群復用信號, 因受控滑動造成

41、數(shù)字信號成幀地丟失或重復時對各種通信業(yè)務性能的影響。一般來說，滑動對不同的通信業(yè)務會產(chǎn)生不同的效果，信息冗余度越高的系統(tǒng)，滑動的影響就越小。 滑碼對語音的影響較小。一次滑碼對于PCM基群將丟失或增加一個整幀，但對于64 kb/s的一路話音信號則丟失或增加一個取樣值，這時感覺到的僅是輕微的卡嗒聲。由于話音波形的相關(guān)性，因此能夠有效地掩蓋這種滑碼的影響，對于電話而言可以允許每分鐘滑碼5次。 對于PCM系統(tǒng)中的隨路信令而言，滑碼將造成復幀失步。復幀失步后的恢復時間一般為5ms。因此一次滑碼將造成隨路信號5ms的中斷。對于公共信道信令，由于ITU-T No.7信號系統(tǒng)采用檢錯重發(fā)(ARQ)方式，發(fā)生滑

42、碼以后則要求發(fā)端將有關(guān)的信令重發(fā)一次，因此滑碼將使呼叫接續(xù)的速度變慢，而不致造成接續(xù)的錯誤。 對于64 kb/s及中速的數(shù)據(jù)，滑碼造成丟失或增加的數(shù)據(jù)可以為檢錯程序所發(fā)現(xiàn)，并要求前一級將此數(shù)據(jù)重發(fā)，雖然不會發(fā)生錯誤，但延遲了信息傳送時間，降低了電路利用率。如果要求無效時間小于1%5%，則每小時可以允許滑碼發(fā)生l7次。 3滑碼率的計算 數(shù)字網(wǎng)中滑動產(chǎn)生的傳輸損傷可用滑動速率來表示，也就是單位時間內(nèi)滑動的次數(shù)。 當讀寫時差Td大于NT0 (N為滑碼一次增加或丟失的碼元數(shù)，T0是碼元周期)或者小于0時就產(chǎn)生滑碼，因此滑碼速率也就是讀寫時差超過門限值的速率。設(shè)f 表示基準時鐘頻率，f表示時鐘頻率與基準

43、頻率之間的偏差，則f/f是節(jié)點時鐘頻率的相對誤差，2f/f是兩個節(jié)點之間的最大頻率相對誤差，讀寫時差等于頻率相對誤差與時間的乘積。因此，兩次滑碼之間的時間間隔Ts可以表示為因此滑碼速率Rs可以表示為式中Fs為幀頻。 假設(shè)兩個時鐘的相對頻差為110-11，滑碼一次增加或丟失的碼元數(shù)為256 bit，對2048 kb/s的基群碼流，最大可能的滑碼速率為Rs=2 f/fFs=1/6 250 000 s=1/72.34天4.4.2 抖動和漂移 同步網(wǎng)定時性能的一項重要指標為抖動和漂移。數(shù)字信號的抖動定義為數(shù)字信號的有效瞬間在時間上偏離其理想位置的短期變化，而數(shù)字信號的漂移定義為數(shù)字信號的有效瞬間在時間

44、上偏離其理想位置的長期變化，因此抖動和漂移具有同樣性質(zhì)，即從頻率角度衡量定時信號的變化，通常把往復變化頻率超過10 Hz的稱為抖動，而將小于10 Hz的相位變化稱為漂移。 在實際系統(tǒng)中，數(shù)字信號的抖動和漂移受外界環(huán)境和傳輸?shù)挠绊?，也受時鐘自身老化和噪聲的影響，一般在節(jié)點設(shè)備中對抖動具有良好的過濾功能，但是漂移是非常難以濾除的。漂移產(chǎn)生源主要包括時鐘、傳輸媒介及再生器等，隨著傳遞距離的增加，漂移將不斷累積。 ITU-T建議G.823規(guī)定了“基于2048 kb/s”系列的數(shù)字網(wǎng)中抖動和漂移的控制，這對數(shù)字網(wǎng)抖動和漂移指標的制定和分配，數(shù)字網(wǎng)設(shè)備設(shè)計參數(shù)的確定，特別是網(wǎng)同步中幀調(diào)整器設(shè)計參數(shù)的確定有重要參考價值。4.4.3 時