NGN同步要求的探討
胡昌軍 徐一軍
2004/12/03
一、引言
NGN是基于分組的網絡，它通過使用靈活帶寬且具有QoS保證的傳送技術，能夠提供包括電信業(yè)務在內的各種業(yè)務。一方面，NGN是融合多種組網技術的網絡，對于傳送網，下一代網通常指自動交換光網絡ASON；對于交換網，下一代網指軟交換；對于數據網，下一代網指下一代互聯(lián)網NGI；對于移動網，下一代網指3G及后3G網絡。另一方面，NGN是在繼承現(xiàn)有網絡優(yōu)勢的基礎上實現(xiàn)的平滑過渡，現(xiàn)有的基于電路交換的網絡與將來基于分組的網絡將在很長的時間內并存。本文將從各種網絡對頻率同步和時間同步要求的角度探討NGN對同步的要求。
二、軟交換的同步
軟交換是NGN的控制功能實體，為NGN提供具有實時性要求的業(yè)務的呼叫控制和連接控制功能，是NGN呼叫與控制的核心。軟交換的概念是隨著IP網和ATM網的發(fā)展而產生的，而且也是下一代網路發(fā)展中所采用的理念。在《軟交換設備總體技術要求》中規(guī)定軟交換是電路交換網向分組網演進的核心設備，也是下一代電信網絡的重要設備之一，它獨立于底層承載協(xié)議，主要完成呼叫控制、媒體網關接入控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認證、計費等主要功能，并可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機所能提供的業(yè)務以及多樣化的第三方業(yè)務。
軟交換是NGN的核心，是電路交換網與IP網的協(xié)調中心，即通過對各種媒體網關的控制實現(xiàn)不同網絡之間的業(yè)務層融合。由于軟交換在網絡從電路交換向分組網演進的過程中起著十分重要的作用，因此軟交換應能夠實現(xiàn)PSTN/ISDN交換機提供的全部業(yè)務，包括基本業(yè)務、補充業(yè)務以及智能網業(yè)務等。軟交換設備通過各種媒體網關與其他網絡設備相連，在實現(xiàn)對各種媒體網關的接入功能時，例如PSTN媒體網關、ATM媒體網關等，相關的媒體網關設備必須接入同步運行。此外，當軟交換提供基于分組交換的實時業(yè)務或高速數據業(yè)務時，為保證QoS也需要頻率同步的支持。
軟交換目前處于，快速發(fā)展中，在國內外均進行了大量的軟交換實驗，而且國內不少廠家近期也提出了基于軟交換的相關設備的技術要求。但需要特別指出的指出是，在現(xiàn)有的技術文件中，并沒有對網絡及設備的同步提出任何要求，這對將來組網和互聯(lián)互通是極為不利的。尤其在與現(xiàn)有網絡(例如PSTN網或No.7信令網)相連時，必須要求相連的設備間保持頻率同步，否則將直接影響到所承載的業(yè)務的服務質量。另外，軟交換在計費方面也有較高的要求，提出了以秒為單位的時長計費和以字節(jié)為單位的流量計費，這需要在相關設備的計費模塊上實現(xiàn)時間同步。
三、自動交換光網絡的同步
自動交換光網絡(ASON)代表了下一代光傳送網的發(fā)展方向，是用控制平面來完成自動交換和連接控制的光傳送網，是承載下一代網絡各種業(yè)務的基礎網絡。根據功能劃分，自動交換光網絡結構包括三個平面，即傳送平面、控制平面和管理平面。在三個平面中，傳送平面對同步有嚴格的要求。下面分別從設備和網絡兩個角度說明ASON的傳送平面對同步的要求。
傳送平面設備可分為基于SDH的傳送平面設備和基于OTN的傳送平面設備兩種。傳送平面設備的同步要求包括同步功能和同步性能兩個方面。從同步功能上看，基于SDH的傳送平面設備需要頻率同步，且可能會被用于傳送定時和組建數字同步網，因此需要對其設備同步功能進行規(guī)范；基于OTN的傳送平面設備暫不考慮用于傳送定時，無需額外規(guī)范其設備的同步功能要求�；赟DH的傳送平面設備的同步功能要求包括時鐘功能結構和SSM功能兩個方面，其中時鐘功能結構必須滿足ITU—T G.783的要求，SSM功能必須滿足ITU-T G.781的要求。從同步性能上看，傳送平面設備定時性能項目包括頻率準確度、牽引范圍、噪聲產生、噪聲容限、噪聲傳遞特性、相位瞬變和保持性能等。其中，基于SDH的傳送平面設備的時鐘性能必須滿足ITU-T G.813的要求，基于OTN的傳送平面設備的時鐘性能必須滿足ITU-T G.8251中附件A的要求。
以上是針對傳送平面設備提出的同步要求。另外，從網絡角度看，傳送平面必須接入同步運行，保證網絡同步，以確保傳送平面本身的同步性能以及其所承載業(yè)務的同步性能。
四、下一代互聯(lián)網的同步
在早期的分組交換網絡中，通常不考慮同步問題，例如X.25網絡，它只能提供低速的非實時的業(yè)務。在后來的ATM網絡中，當它只提供非實時的數據業(yè)務時，同步問題不是主要矛盾。而當它提供實時業(yè)務時或提供電路仿真服務時，則ATM網絡必須是頻率同步的，否則業(yè)務將無法正常開通�，F(xiàn)有的IP網絡主要是承載一些非實時的數據業(yè)務，對同步不是很敏感，通常只在提供實時業(yè)務(例如VoIP，但無法保證QoS)或提供POS接口時，才考慮接入同步運行。在下一代互聯(lián)網將要提供電信級質量的話音、視頻等實時業(yè)務和其它多種業(yè)務甚至全業(yè)務的情況下，同步問題的重要性會凸現(xiàn)出來。
以流媒體業(yè)務中的RTSP(Real-Time Streaming Protocol)為例，它是為流媒體實現(xiàn)多點傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協(xié)議。RTSP采用了時間戳方法，即在每個媒體的數據流單元中加進統(tǒng)一的時間戳。在發(fā)送時，將各個媒體都按時間順序分成單元，在同一個時間軸上，給每個單元都打上一個時間戳，處于同一時標的各個媒體單元具有相同的時間戳。在各個媒體到達終端后，讓具有相同時間戳的媒體單元同時進行表現(xiàn)，這樣就得到了媒體之間同步的效果，從而保證了流媒體業(yè)務的QoS。換言之，這需要下代互聯(lián)網實現(xiàn)全網的時間同步。
其實，在IP網中很早就考慮了時間同步的問題。例如，為了對路由選擇進行監(jiān)視或控制，數據包每經過一個路由器都會打上該路由器的當前時間，通過分析這些時間戳，就可以計算出各段路徑所引入的時延。因此，保證各個路由器的時間同步對于分析各段路由的流量，順利完成路由選擇是十分重要的。雖然，在IP網中已經設置了大量的NTP服務器，但其應用范圍通常局限在較小的范圍內，而且精度及服務質量良莠不齊，最重要的是缺乏面向全程全網的考慮與規(guī)劃。因此，下一代互聯(lián)網需要有時間同步網與頻率同步網的全面支撐，才能確保所提供的各種業(yè)務的QoS。
五、下一代移動網的同步
在分組交換迅速發(fā)展的大趨勢下，移動網絡也同樣面臨著與NGN融合和向NGN演進的問題。就移動網絡而言，其發(fā)展方向是分組化、智能化和寬帶化的第三代通信網絡(3G)。從更廣泛的意義上來說，3G網絡也是NGN的一個組成部分，而且它和其它組成部分間的聯(lián)系比現(xiàn)在GSM網絡與其它網絡間的聯(lián)系要密切得多，軟交換技術在其中更是發(fā)揮了重要的粘合作用。
3G網絡現(xiàn)有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA三種制式，這些網絡均需要頻率同步，而對時間同步的要求則是不同的。在cdma2000和TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站系統(tǒng)之間需要高精度的時間同步(優(yōu)于10μs)，因為在軟切換中，如果RNC和NodeB之間沒有時間同步，可能導致在選擇器中發(fā)生郵件指令不匹配，從而使通話連接不能建立起來。WCDMA系統(tǒng)自身在正常工作時不需要時間同步，但當提供某些特殊業(yè)務，例如基于基站的高精度位置定位服務時，則需要各基站設備間的時間同步，而且是高精度(μs量級)的時間同步。
以WCDMA網絡為例，R99版本的網絡是基于ATM架構定義的；在R4版本的網絡中，核心網將引入軟交換；在R5，R6版本的網絡中，核心網將逐步實現(xiàn)全IP化。3G網絡支持目前2G/2.5G網絡的所有業(yè)務和功能，同時能提供目前2G/2.5G網絡不支持的業(yè)務，如視頻電話、高速下載等。因此，3G網絡對同步的要求至少與2G/2.5G網絡相同，必須引起足夠的重視。在移動網絡還有一個比較突出的同步問題是基站同步問題，無論是2G/2.5G網絡還是3G網絡，均是必須面對和解決的問題，尤其是在移動網絡提供高速數據以及視頻等多媒體業(yè)務后。
六、其他與同步相關的問題
1.實時業(yè)務的QoS問題
眾所周知，話音等實時業(yè)務對網絡的時延抖動是有嚴格要求的。IP分組網絡一般只能提供盡量傳輸服務，也就是說，有可能會出現(xiàn)大量丟包現(xiàn)象，或者出現(xiàn)網絡擁塞，使其對網絡時延無法保證。然而，對于由分組網絡承載的語音等實時業(yè)務，其對滑動率的要求不低于目前基于電路交換提供的實時業(yè)務。因此，必須有某種機制來保證分組包內實時業(yè)務信號的內部同步，以滿足其QoS質量要求，我們將這種實時業(yè)務信號的內部同步稱之為媒體內同步(Intra-media Synch ronisation)。為了實現(xiàn)媒體內同步，一個重要的前提是實時業(yè)務的產生和接收處理設備必須實現(xiàn)網同步。
實驗結果表明，數據設備頻率同步性能的好壞將直接影響到數據接口的傳送效率，從而影響到業(yè)務的QoS性能，其對GE及更高速率的接口，這種影響更加明顯。因此，在下一代全IP網絡中，需要對同步引起足夠的重視，將各種數據設備、路由設備、交換設備均接入同步工作，一方面能夠保其自身網絡高質量、高效率地運行，另一方面也能提高其對實時業(yè)務的支撐能力，更好地保證實時業(yè)務的QoS質量。
2.網絡管理及網絡安全問題
隨著通信網向下一代網演進，網絡規(guī)模、業(yè)務種類、業(yè)務規(guī)模都得到了飛速發(fā)展，網絡管理也在向集中化、智能化方向發(fā)展。在新的網絡環(huán)境下，如何提高網絡管理水平、保證網絡安全是一個不容忽視的問題。
高效可靠的網絡管理的重要標志，就是能夠快速準確地定位通信網中出現(xiàn)的各種故障類型和故障點。目前，故障定位的一般方法是，通過集中網管系統(tǒng)收集各網元設備的告警信息，將這些告警信息按時間排序，從而分析出故障的源頭及引起的后果。這種故障定位的前提是，產生這些告警信息的設備必須是時間同步的。另外一種更精度的故障定位方是No.7信令監(jiān)測系統(tǒng)，即在信令流量較大的STP節(jié)點設立信令采集點，用于監(jiān)測和分析網上信令流的動向。為避免因信令出現(xiàn)先后順序的錯誤而產生虛假信息，必須要求所有信令流的時間信息是準確無誤的。因此，為了準確及時地定位故障，為排除故障贏得時間，以保障通信網絡的安全，時間同步是必不可少的。
3.網絡間的互聯(lián)互通
前面已經強調過，NGN是在繼承現(xiàn)有網絡優(yōu)勢的基礎上實現(xiàn)的平滑過渡，NGN與現(xiàn)有網絡將在很長時間內并存，因此必然存在NGN與現(xiàn)有網絡的互聯(lián)互通問題。
現(xiàn)有通信網絡以高質量的數字同步網作為支撐，為了保證NGN與現(xiàn)有網絡能夠成功實現(xiàn)互聯(lián)互通，保證全程全網的性能指標，NGN也必須保持網絡同步運行，組建自身的同步支撐系統(tǒng)。
4.新業(yè)務對同步的要求
NGN網絡的出現(xiàn)，極大地豐富了業(yè)務的類型。在這些業(yè)務中，有些業(yè)務對時間同步或頻率同步有相當高的要求，比如位置定位、高速數據、實時圖像、電子商務等。
位置定位服務是由移動網絡提供的，位置定位的精度直接與各移動基站時間同步的精度相關。一般來說，若各基站之間時間同步的誤差在1μs，則位置定位的精度大約在百米左右。對于一般數據和圖像業(yè)務，一次滑動；奇造成突發(fā)誤碼和圖像失真，由于高速數據和實時圖像對滑動更加敏感，因此其對滑動指標應該有更嚴格的限制。安全保證是實現(xiàn)電子商務的基礎，其中一個有效的解決方法是采用“時間戳”。這就需要網絡上所有節(jié)點都實現(xiàn)時間同步。另外，在各種政務和商務文件中，時間也是十分重要的信息。譬如，在電子文件中，可以通過數字時間戳服務(DTS：Digital Time-stamp Service)對文件進行安全保護。
七、結束語
同步網是通信網的支撐網，雖然現(xiàn)在我們已經認同全網的頻率同步是保證網絡性能和服務質量的關鍵，尤其在對于基于電路交換的網絡。但在當初組建PSTN網時，由于未對交換機設備時鐘提出要求，在組網方面已走過彎路。現(xiàn)在，我們知道在下一代網絡中，全網不但仍需要高質量的頻率同步，而且還需要考慮頻率同步，在組網時應該吸取PSTN網絡建設經驗，不能再走彎路。因此，組建NGN必須以頻率同步網和時間同步網為支撐，而且需要考慮如何接入同步運行的問題，例如規(guī)范相關設備的頻率同步和時間同步輸入接口等。另外，NGN對頻率同步和時間同步的具體要求仍是需要進一步研究的課題。
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