Taktsynchronisierung in Telekommunikationsnetzwerken

Synchronisierung von Takten in Netzwerken der Telekommunikation LIU: Generierung von Referenztakten für Synchronisationsaufgaben GPS Empfänger OEM Board GRP: Messung von Qualität und Stabilität von Telecom Netzwerken
  • Welche Bedeutung hat Taktsynchronisierung in Telekommunikationsnetzwerken und welches sind die grundlegenden Funktionen?
  • Welche Lösungen werden auf dem Markt angeboten für diese komplexen Netzwerke?
  • Was bedeutet in diesem Zusammenhang Genauigkeit und Taktstabilität?
  • Warum sind diese Begriffe von hoher Bedeutung für Hersteller und Anwender von Telekommunikationsnetzen?

Dieses Dokument gibt Antworten auf diese Fragen und bietet Ihnen eine verständliche Beschreibung und Einführung in das Kapitel Taktsynchronisierung in Telekommunikationsnetzwerken.
Vielen Dank an Herrn Gerd Backhaus für die freundliche Unterstützung bei der Erstellung dieses Artikels!


Taktsynchronisierung in Telekommunikationsnetzwerken - eine Übersicht

Die Synchronisierung der Netzwerke ist eine Aufgabe von höchster Bedeutung - und die Grundlage für eine optimale Leistung und Übertragungsgüte für alle Teilnehmer im Netzwerk.

Grafische Darstellung von Taktgenauigkeit und Taktstabilität

grafische Darstellung von Takt - Genauigkeit und Stabilität
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Kommunikation erfordert ausgezeichnete Übertragungsgüte im Netz!

Die Ausrüstung, Planung und Installation dieser Komponenten beanspruchen etwa 1% der gesamten Projektkosten! Die Synchronisierung von Netzwerken ist von Beginn bis zum Ende wichtiger Bestandteil bei der Planung und Durchführung eines Projektes. Der Hersteller von Telecom Netzwerken muss Lösungen zur Synchronisierung in diesen Netzen anbieten können und den Kunden über die Bedeutung dieser Anwendungen informieren.

Für den Kunden oder Anwender sind folgende Punkte beachtenswert:

  • passendes und aufeinander abgestimmtes Equipment für die Synchronisierung
  • korrekte und projektbegleitende Planung
  • Einbeziehung von Fachleuten aus dem Bereich Zeit und Frequenz
Die Konsequenz aus Nichtbeachtung dieser Punkte ist eine reduzierte bis unzureichende Leistung der Netzwerke und die Einhaltung der ITU-Standards (International Telecommunication Union) wird nicht erreicht.

Für die Synchronisierungsplanung ist eine Bestandsaufnahme der Netzkonfiguration und der zu synchronisierenden Netzelemente, wie Vermittlungsstellen, Übertragungsgeräte, Mobilfunkeinrichtungen, Gateways usw. erforderlich.
Ferner müssen die Taktschnittstellen der Netzelemente bekannt sein (2.048 MHz oder 2.048 MBit/s, symmetrisch oder unsymmetrisch). Mit dieser Planungsübersicht kann die Lokalisierung der Taktquellen für die Übertragungstechnik (z.B. SDH) erstellt werden, weil die Übertragungstechnik den Netztakt verteilt. Die SDH-Netzelemente verteilen den Takt auch weiter an Vermitllungsstellen und an die Mobilfunktechnik.

In der ITU-Empfehlung G.811 (Timing Characteristics of Primary Reference Clocks) wird eine Netzwerk-Stabilität von 1 x 10 E-11 für die primäre Taktquelle - z.B. PRC empfohlen.
Diese Genauigkeit wird von einem Rahmenschlupf (Slip) auf einer PCM30-Übertragung (2 MBit/s ) in einer Beobachtungszeit von 70 Tagen abgeleitet.

1 PCM30-Rahmen (frame) = 125 us

125 us / 70 d x 24 h/d x 3600 s/h = 2 x 10 E -11 or+-1 x 10 E-11

Diese Taktgenauigkeit kann nur von Atomfrequenzstandards erreicht werden!

Es gibt mehrere unterschiedliche Ansätze um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen.

All diese Ansätze können mit Verwendung der MEINBERG Hardware zur Zeit- und Frequenzsynchronisation verwirklicht werden!

PCM30 Frame (2 MBit/s)
125µs
Signalisierung oder Sprachsignal
Kodiertes Sprachsignal oder digitale Signale in Slot 1 - 15
Kodiertes Sprachsignal oder digitale Signale in Slot 17 - 31
Time slots
16
8 bit
Bit
1
Bit
8
(FAS)
Frame Alignment Signal -
Rahmenkennungswort
in Frames 1, 3, 5,...
(NFAS)
Non Frame Alignment Signal -
Meldewort
in Frames 2, 4, 6,...
X 0 0 1 1 0 1 1
X 1 D N Y Y Y Y
488 ns
D: Service Bit für kritische Warnmeldung
(Alarm D=1)
N: Service Bit für Hauptalarm
(Alarm N=0)
X: Reserviertes Bit für internationale Verwendung
Y: Reserviertes Bit für nationale Verwendung

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Synchronisierung von Netzelementen mit Meinberg Equipment


NTP Time Server Meinberg Funkuhren liefern nicht nur einen hochgenauen und hochstabilen Takt, sondern sind als NTP Server auch in der Lage, eine genaue Systemzeit im Netzwerk sicherzustellen.

So sind, zum Beispiel für die Diagnose von Fehlermeldungen, zuverlässige Zeitstempel unerlässlich.

Meinberg Funkuhren als Taktquelle in der Telekommunikation



2 NTP Server als gedoppelte Taktquelle (System Redundanz) für eine Vermittlungsstelle
Meinberg LANTIME:
NTP/T3 Taktquelle
Ausgänge: (jeder)
4 x 2.048 MHz (G.703-13)
2 x 2.048 MBit/s (G.703-9)
10 m
100 or 200 m
10 m

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Anwendungsbeispiele:


Synchronisierungs-Hierarchie mit PDH Übertragung
PRC
ITU-Rec. G.811 df/F = 10 E-11
Transit
Node
Transit
Node
ITU-Rec. G.812 Type 1
Holdover Mode: 2 x 10 E-10/day
MSC
Local
Node
Local
Node
Local
Node
ITU-Rec. G.812 Type 1
Holdover Mode:
2 x 10 E-10/day
BSC
BSC
BTS
BTS
PBX
PBX
PBX
Holdover Mode:
2 x 10 E - 6/Tage
Bei synchronen Betrieb ist 1 slip in 70 Tagen akzeptabel!
2.048 MHz
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s


Synchronisierungs-Hierarchie mit GPS-Empfängern für SDH Übertragung
GALILEO GPS
GPS170/LIU
GPS170/LIU
GPS170/LIU
SDH Core A
SDH Core B
Exch.
SDH
SDH
SDH
SDH
SDH
SDH
SDH
SDH
MSC
MSC
MSC
BTS*
BTS*
BTS*
BTS*
* Base Transceiver Station


Wie Telekommunikationsnetzelemente getaktet werden:
GALILEO/GPS
GPS170/LIU
GPS170/LIU
2.048 MHz
Synchronisierung von 2 Vermittlungsstellen
Exchange
Vermittlungsstelle 1
Vermittlungsstelle 2
Der ununterbrochene Strom PCM-HDB3 kodierter Daten wird empfangen, indem der Sendetakt aus dem Datenstrom zurückgewonnen wird.
Clock
CP
E1
PCM 30
SN
PCM 30
PCM 30
2.048 MBit/s
E1
Zurück-
gewonnener
Takt
Clock
CP
T3
PCM 30
SN
PCM 30
PCM 30
T3


Wie ein Telekommunikationselement getaktet wird:
GPS
Taktgenauigkeit:
> 10 E-11 !
Exchange/
Vermittlunsstelle
GPS170 / LIU
GPS170 / LIU
Die zentrale Taktquelle synchronisiert das Koppelnetz SN (Switching Network) und alle PCM30 Sender
2.048 MHz
2.048 MBit/s
2.048 MBit/s
E1
E1
Taktgenauigkeit:
> 10 E-11 !
Taktgenauigkeit:
> 10 E-11 !
Taktgenauigkeit:
> 10 E-11 !
Clock
CP*
PCM 30
PCM 30
SN
PCM 30
E1
2.048 MBit/s
Die PCM Übertragung transportiert mit Sprache und Daten auch die Taktstabilität des Senders im HDB3** kodiertem Datenstrom.
* CP Koordinationsprozessor
** HDB3 (High Density Bipolar of order 3 code) ist ein Telekommunikationsleitungs - Code und basiert auf AMI.

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Zeitsynchronisation: Begriffe und Lexikon:

BSC

Base Station Control: Ein GSM-Netzelement, das die Gesprächsdaten und Daten der Mobilfunkvermittlungstelle an die angeschlossenen Basisstationen (BTS) verteilt. Sie steuertaußerdemdie Funksignal-Quellen der Luftschnittstelle. Die BSC wird über die PCM30-Übertragung von der Mobilfunkvermittlungstelle synchronisiert und gibt die empfangene Taktgenauigkeit über weitere PCM30-Übertragungen an die Basisstationen weiter.

BTS

Base Transceiver Station: Ein GSM-Netzelement - die Funkschnittstelle im Mobilfunknetz. Das BTS steuert die Funkübertragung zu und von den mobilen Endgeräten. Sie wird über die PCM30-Übertragung von der BSC synchronisiert und stellt damit die Taktgenauigkeit an der Luftschnittstelle sicher.

GSM

Global System for Mobile communications - Globales System für Mobilkommunikation: GSM ist der Standard der digitalen Funkübertragung, der weltweit verbreitet ist.

GSM verwendet Sende- und Empfangsfrequenzen an der Luftschnittstelle von 900 MHz und 1800 MHz.

MSC

Mobile Switching Center (Mobilfunkvermittlungsstelle): Ein GSM Netzelement, das Mobilfunkteilnehmer vermittelt und das den Übergang zu den Teilnehmern des Festnetzes herstellt. Die MSC ist eine digitale Vermittlungsstelle, die für die Verbindung zu den mobilen Teilnehmern Einrichtungen wie TRAU, BSCn und BTSn für die Luft (Funk-)schnittstelle enthält.

Die MSC wird von lokalen Taktquellen synchronisiert, zum Beispiel von PRCs, GPS - Empfängern oder über Taktausgänge (T4) von SDH Netzelementen.

PBX

Private Branche Exchange - Private Nebenstellenanlage: Eine Telefonvermittlungsstelle innerhalb eines Firmengeländes, die über Übertragungstechnik mit dem Festnetzverbunden ist.

PDH

Plesiochronous Digital Hierarchie: PDH ist eine digitale Kommunikationstechnologie und basiert auf der Multiplextechnik (Time Division Multiplexing - TDM). Der Ausdruck "Plesiochronous" wird vom griechischen plesio (mittel) und chronos (Zeit) abgeleitet und steht für "fast synchron".

PDH wird verwendet, um PCM30-Übertragungen zu bündeln und über digitale Übertragungsmedien wie Faseroptik- und Mikrowellen-Funksysteme zu transportieren. Obwohl diese Technik meist nicht hochgenau getaktet ist, werden die PCM30-Datenströme (2.048 Mbit/s) von synchronisierten Vermittlungsstellen daten- und takttransparent übertragen.

Digitale Vermittlungsstellen konnten mit dieser Übertragungstechnik synchrone PCM30-Datenströme zu anderen Vermittlungsstellen übertragen, so dass diese den Takt zurückgewinnen und für die eigene Synchronisierung nutzen konnten.

Die PDH-Multiplextechnik wird mehr und mehr durch die SDH-Technik ersetzt.

PRC

Primary Reference Clock - Primärer Referenztaktgeber: Meist ein Cäsiumstandard der Frequenzen erzeugt, die mit ITU G.811 oder ETSI EN 300 462-6-1 konform sind. D.h. die Taktgenauigkeitist > 1 x 10-11.

SLIP

Slip = PCM30 Rahmenschlupf - entstehtimmer imPCM-Empfänger.

Eine PCM-Übertragung zwischen zwei asynchronen Vermittlungsstellen überträgt die PCM-Rahmen fehlerfrei.

Im PCM-Empfänger werden die Daten fehlerfrei in einem Puffer, der 2 PCM-Rahmen aufnehmen kann, gespeichert. Der Puffer wird mit dem Takt der Vermittlungsstelle ausgelesen. Hat die empfangende Vermittlungsstelle eine niedrigere Frequenz als die sendende Vermittlungsstelle, kann der Puffer die Daten nicht so schnell auslesen wie sie hineingeschrieben werden. Es kommt zum Pufferüberlauf und dann zum Rahmenschlupf.

Hat die empfangende Vermittlungsstelle eine höhere Frequenz als die sendende Vermittlungsstelle, wird der Puffer schneller ausgelesen, als er gefüllt wird. Es kommt zum Pufferunterlauf und dann zum Rahmenschlupf.

Die Sliprate ist proportional zur Asynchronität.

T3

Bezeichnung eines Takteinganges für den Taktgenerator (meist PLL) eines Netzelementes wie z.B. Vermittlungsstelle, BSC, BTS und SDH-Netzelement.

Dieser Eingang oder die Eingänge können mit 2.048 MHz oder 2.048 MBit/s synchronsiert werden. Die Schnittstellen sind entweder symmetrisch oder unsymmetrisch.

T4

Bezeichnung eines Taktausganges des Taktgenerators eines Netzelementes wie z.B. Vermittlungsstelle, BSC, BTS und SDH-Netzelement.

Dieser Ausgang oder die Ausgänge können 2.048 MHz oder 2.048 MBit/s abgeben. Die Schnittstellen sind entweder symmetrisch oder unsymmetrisch.

E1

E1 - die Übertragstechnik PCM30 mit 2.048 MBit/s. Sie überträgt 32 Zeitschlitze pro PCM-Rahmen, davon ist der erste Zeitschlitz des ersten Rahmens das Rahmenkennungswort. Das Rahmenkennungswort ermöglicht es dem PCM30-Empfänger den Beginn eines Rahmen zu erkennen, so dass danach die Zeitschlitze mit den Nutzdaten (Gespräche/Daten) ihren Zielen richtig zugeordnet werden können.

Der erste Zeitschlitz des zweiten PCM-Rahmens ist das Meldewort mit dem Alarme und Prüfsummen (CRC4) übertragen werden können.

TRAU

Transcoder Rate Adaption Unit. Die TRAU gehört funktionell zur Mobilfunkvermittlungsstelle. Sie verfügt über die GSM-spezifische Sprachkodierung und -dekodierung (von 64 kBit/s auf 16 kBit/s pro Sprachkanal und zurück).

Sie wird über die PCM30-Übetragung von der MSC synchronisiert und gibt die empfangene Taktgenauigkeit über PCM30-Übertragungen an die Base Station Control weiter.

Die TRAU kann sich an der BSC befinden oder unmittelbar an dem MSC (Mobile Switching Center).

Sonet/SDH Definitionen und RFCs

Synchronous Digital Hierarchy (SDH) ist eine Standardtechnologie für synchrone Datenübertragung auf optischen Medien (in USA als SONET bezeichnet)

Diese Technik zeichnet sich durch höhere Datenraten aus und ermöglicht die Übertragung der bestehenden Datenformate aus der früheren PDH-Technik. Im Gegensatz zur PDH-Technik werden SDH-Netzelemente synchronisiert.

Die Nutzdaten werden in "Containern" gespeichert und mit Zusatzinformationen, dem "Overhead", als "Synchronous Transport Module" (z.B. STM-1) meist über optische Medien übertragen.

STM-1 bezeichnet eine Datenrate von 155 MBit/s , mit der z.B. 63 PCM30-Übertragungen transportiert werden können. Dieser 155 MBit/s Datenstrom transportiert auch die Taktgenauigkeit zum nächsten SDH-Netzelement und synchronisiert damit dessen Taktgenerator.Damit ist eine durchgehende Synchronisierung des SDH-Netzes möglich. Die Taktausgänge T4 der SDH-Netzelemente werden zur Synchronisierung z.B. weiterer SDH-Netzelemente oder daran angeschlossener Vermittlungsstellen oder Mobilfunkeinrichtungen verwendet.

SDH verwendet die folgenden synchronen Transport-Module (STM) und Datenraten:

STM-1 (155 MBit/s)
STM-4 (622 MBit/s)
STM-16 (2.5 Gbit/s)
STM-64 (10 Gbit/s)



SONET / SDH Technische Spezifikation

SONET und SDH sind in Verbindung stehende Standards für synchrones Datenübertragung über Fiber-Optic Netzwerke.

SONET ist ein Akronym für: Synchronous Optical NETwork
SDH ist eine Abkürzung für: Synchronous Digital Hierarchy

SONET ist die US Version des American National Standards Institutue (ANSI) Standard.
SDH ist die internationale Version des International Telecommunications Union (ITU) Standard.


SONET / SDH Digitale Hierarchie

Diese Tabelle beschreibt die SONET/SDH Daten Hierarchie:

Optical Level Electrical Level Line Rate (Mbps) Payload Rate (Mbps) Overhead Rate (Mbps) SDH Equivalent
OC-1 STS-1 51.840 50.112 1.728 -
OC-3 STS-3 155.520 150.336 5.184 STM-1
OC-12 STS-12 622.080 601.344 20.736 STM-4
OC-48 STS-48 2488.320 2405.376 82.944 STM-16
OC-192 STS-192 9953.280 9621.504 331.776 STM-64
OC-768 STS-768 39813.120 38486.016 1327.104 STM-256

Das " Line Rate" beschreibt die reine Übertragungsgeschwindigkeit, die über die Glasfasern erreicht wird.

Ein bestimmter Betrag der Übertragungsgeschwindigkeit sind der Overhead, welcher Informationen über OAM&P - Operationen, Verwaltungs-, Wartungs- und Bereitstellunginformationen wie Framing, Trace, Multiplexing, Status und Leistungskontrolle, liefert.

Die Nutzlastenrate (Payload Rate), welche die vorhandene Bandbreite für Benutzerdaten (Pakete oder ATM-Zellen) ist, wird berechnet durch Line Rate - Overhead Rate.

Andere Raten wie OC-9, OC-18, OC-24, OC-36, OC-96 wurden nie großflächig eingeführt. Möglicherweise werden höhere Raten wie OC-3072 definiert in zukünftigen Zeiten.

Die SONET/SDH Level - Kennzeichnungen enthält ein " c" Suffix (z.B. " OC-48c") und zeigt ein "concatenated (verkettet)" oder "clear (frei)" Kanal an.

Diese Kennzeichnung stellt die gesamte Nutzlastenrate dar, die als einzelner Kommunikations-Kanal vorhanden ist.

In diesen Kanälen kann die gesamte Nutzlastenrate als einzelner Fluß von Paketen verwendet werden. Dem verketteten oder freien Kanal entgegengesetzt ist das "channelized (geleitet)". In einer geleiteten Verbindung wird die Nutzlastenrate in einige Kanäle mit festgelegter Rate unterteilt.

Beispiel: die Nutzlast einer Verbindung OC-48 kann in vier Kanäle OC-12 unterteilt werden. In diesem Szenario hat die Datenrate einer einzelnen Zelle oder eines Paketstromes seine Einschränkung in der Bandbreite des individuell verwendeten Kanals.


ANSI SONET Standards

ANSI koordiniert und genehmigt die SONET Standards. Diese Standards werden vom T1 Ausschuss entwickelt, der durch das Bündnis für Telekommunikations-Industrie-Lösungen (ATIS) gefördert und durch ANSI beglaubigt wird, um Netz- und Interoperabilitätsstandards für die Vereinigten Staaten zu entwickeln.

T1X1 beschäftigt sich mit digitaler Hierarchie und Synchronisation, T1M1 beschäftigt sich mit Internet - Working Operations, Verwaltung, Wartung und Bereitstellung. T1X1 und T1M1 sind die primären T1 Unterausschüsse, die SONET entwickeln.

Nachfolgend werden ein paar wichtige ANSI Standards aufgelistet. Für eine vollständige Übersicht der SONET Standards besuchen Sie bitte die ANSI Homepage.

  • ANSI T1.105: SONET - Basic Description including Multiplex Structure, Rates and Formats
  • ANSI T1.105.01: SONET - Automatic Protection Switching
  • ANSI T1.105.02: SONET - Payload Mappings
  • ANSI T1.105.03: SONET - Jitter at Network Interfaces
  • ANSI T1.105.03a: SONET - Jitter at Network Interfaces - DS1 Supplement
  • ANSI T1.105.03b: SONET - Jitter at Network Interfaces - DS3 Wander Supplement
  • ANSI T1.105.04: SONET - Data Communication Channel Protocol and Architectures
  • ANSI T1.105.05: SONET - Tandem Connection Maintenance
  • ANSI T1.105.06: SONET - Physical Layer Specifications
  • ANSI T1.105.07: SONET - Sub-STS-1 Interface Rates and Formats Specification
  • ANSI T1.105.09: SONET - Network Element Timing and Synchronization
  • ANSI T1.119: SONET - Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning (OAM&P) - Communications
  • ANSI T1.119.01: SONET: OAM&P Communications Protection Switching Fragment

ITU-T SDH Standards

Die internationale Fernmeldeunion ITU (früher bekannt als der CCITT), koodiniert die Entwicklung der tatsächlichen SDH-Standards.

Sie wird von den Vereinten Nationen finanziert und koordiniert die Entwicklung der Telekommunikationsstandards für die ganze Welt. Nachfolgend aufgeführt die wichtigsten SDH-Standards, die von der ITU veröffentlicht sind. Besuchen Sie bitte die ITU Homepage für eine vollständige Liste der SONET Standards.

  • ITU-T G.707: Network Node Interface for the Synchronous Digital Hierarchy (SDH)
  • ITU-T G.781: Structure of Recommendations on Equipment for the Synchronous Digital Hierarchy (SDH)
  • ITU-T G.782: Types and Characteristics of Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Equipment
  • ITU-T G.783: Characteristics of Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Equipment Functional Blocks
  • ITU-T G.803: Architecture of Transport Networks Based on the Synchronous Digital Hierarchy (SDH)

Quelle: Time Synchronization in Telecom Networks, Vortrag von Gerd Backhaus (Meinberg Sales Meeting 2007)



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