定时是分组通信的关键

在通信系统中,定时和同步对于保证话音和数据连接的可靠和无误差是关键性的设计因素。随着网络日益趋向分组基结构,定时要求也在变化。因此,实现标准依从的网络定时和同步现在更加复杂。

为了避免数据丢失,电路开关网络中的所有网络节点(定时从机)同步到一个节点(定时主机)是用高精度自激时钟,这种时钟称之为基本基准时钟(PRC)。其精度必达到+10-11S或更好,需要一个铯(原子)时钟或铯时钟控制无线电信号(如全球定位系统GPS,全球轨道导航卫星系统GLONASS或远距离导航系统C版本LORAN-C)。

　　同步“岛”

当然,所有全球电信网络不可能同步到一个单一的PRC/PRS。实际上,每个电信供应商都有自己的PRC/PRS,这意味着全世界的电信网络是由链路连接的同步“岛”组成的。数据损失(也称之为缓冲器漏失)仍可能发生在两个网络“岛”之间,但这是很少发生的,因为原子时钟之间的频率差别是非常小的。

抖动和漂移也影响电路开关网络。电路开关网络中的所有接收器都应该包含足够大的缓冲器来补偿所允许的最大抖动和漂移。

　　导步分组网络

分组开关网络是为突发数据通信传输设计的,其中在源中的信息分成分组,分组经网络节点(如开关和路由器)以存储和前向形式传输,直到分组到达目标为止。分组网络与电路开关网络有非常不同的特性。异步是分组网络的固有特性,分组选择网络的不同路由后可以在错误的命令下到达目标地。

分组排队的随机性意味着传播延迟随分组不同而变化,并依赖于网络负载(见图1)。由于这些原因,分组网络本质上不是很适合于话音和其他恒位率(CBR)通讯(如话音调制解调,视频会议,传真)的传输。

 

　　图1 分组网络中的传输延迟和延迟变化

分组网络中的总传输延迟包括两个分量。固定传输延迟是由传播延迟和网络中的最小缓冲延迟引起的。可变传输延迟经常称之为分组抖动,主要是由于网络节点排队引起的。接收器中的分组抖动是用抖动缓冲器来补偿的。它们通常比电路开关网络中的抖动缓冲器大很多,因为分组抖动比电路开关网络中的抖动和漂移大几个量级。

　　QoS开关可以帮忙

研发降低吐量延迟和增加QoS(服务质量)能力的高速分组网络可使分组网络用于对延迟和延迟变化敏感的应用中。然而,在知道QoS开关有助于降低高优先级通讯的传输延迟和传输延迟变化时,分组网络仍然不能提供CBR应用所需的端到端的定时同步。

在端节点(源和目标)不能同步时,分组网络遇到与电路基系统相同的问题。若目标时钟慢于或快于源时钟,则目标节点中的缓冲器将过流或欠流。

由此引起的缓冲器漏失将对CBR通讯有不同的影响。在单话音信道传输情况下,将失去或重复一个话音取样。除非漏失率非常高,否则不希望在接收器中引起听得见的噪声,因为相邻话音取样具有同样的幅度,这是由于话音信号高相关性所致。然而,对于承载T1/E1信号的电路仿真应用,缓冲器过流或欠流可能导致T1/E1帧同步的丢失,引起中断服务。对于传真应用,一个单漏失将导致几行线丢失,而话音调制解调传输可中断几秒。

　　IP网络需要定时

有几种方法可实现IP网络的同步。若采用公共基准,如来自电路开关网络或GPS信号(见图2和图3),则源和目标可以同步到这些物理层时钟。在没有公共同步基准的情况下,可以用专门时钟恢复方法,如差分和自适应时钟恢复。

 

　　图2 源和目标同步到公共时钟

 

　　图3 源和目标同步到网络

 

　　图4 差分定时图

 

　　图5 自适应定时

在差分定时方法中(见图4),源产生时间标记,其数字正比于它本身时钟和网络时钟之间的频率差。这插入到分组首标中。一旦在目标中接收到分组,则取出源时间标记并与本地产生的时间标记进行比较。此比较用于调节目标振荡器的频率。当目标时间标记等于源时间标记时,便 达到同步。差分定时非常类似于ATM中所用的同步余数时间标记。

在网络节点与公共时钟不同步时,可用自适应定时。最简单的实现方法是恒定地调节接收器时钟。这样使接收缓冲器中的数据电平保持在中值,远离过流或欠流条件。然而,这样的调节分辨率是非常粗略的。例如,对于话音信号,它等于一个话音取样时间或125祍,这意味着在执行任何相关性之前,目标时钟相对于源时钟可以增加漂移125祍。此方法所产生的的时钟具有大的抖动,而只可以用于转换被接收的数据到模拟格式和在电路开关网络中不重新传输的情况。

　　首标,排队

在信息包首标中,好的选择是用时间标记(见图5)。源和目标都具有一个随相应本地时钟增量的计数器。每当源端收集一个新分组时,计数器的值插入到分组首标中的时间标记字段。然后,传递分组到网络。