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(wǎng)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(wǎng)技術的網(wǎng)絡，對于傳送網(wǎng)，下一代網(wǎng)通常指自動交換光網(wǎng)絡ASON；對于交換網(wǎng)，下一代網(wǎng)指軟交換；對于數(shù)據(jù)網(wǎng)，下一代網(wǎng)指下一代互聯(lián)網(wǎng)NGI；對于移動網(wǎng)，下一代網(wǎng)指3G及后3G網(wǎng)絡。另一方面，NGN是在繼承現(xiàn)有網(wǎng)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(wǎng)絡與將來基于分組的網(wǎng)絡將在很長的時間內并存。本文將從各種網(wǎng)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(wǎng)和ATM網(wǎng)的發(fā)展而產生的，而且也是下一代網(wǎng)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(wǎng)向分組網(wǎng)演進的核心設備，也是下一代電信網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)與IP網(wǎng)的協(xié)調中心，即通過對各種媒體網(wǎng)關的控制實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的業(yè)務層融合。由于軟交換在網(wǎng)絡從電路交換向分組網(wǎng)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(wǎng)業(yè)務等。軟交換設備通過各種媒體網(wǎng)關與其他網(wǎng)絡設備相連，在實現(xiàn)對各種媒體網(wǎng)關的接入功能時，例如PSTN媒體網(wǎng)關、ATM媒體網(wǎng)關等，相關的媒體網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡及設備的同步提出任何要求，這對將來組網(wǎng)和互聯(lián)互通是極為不利的。尤其在與現(xiàn)有網(wǎng)絡(例如PSTN網(wǎng)或No.7信令網(wǎng))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(wǎng)絡的同步
自動交換光網(wǎng)絡(ASON)代表了下一代光傳送網(wǎng)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(wǎng)，是承載下一代網(wǎng)絡各種業(yè)務的基礎網(wǎng)絡。根據(jù)功能劃分，自動交換光網(wǎng)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(wǎng)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(shù)字同步網(wǎng)，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(wǎng)絡角度看，傳送平面必須接入同步運行，保證網(wǎng)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(wǎng)的同步
在早期的分組交換網(wǎng)絡中，通常不考慮同步問題，例如X.25網(wǎng)絡，它只能提供低速的非實時的業(yè)務。在后來的ATM網(wǎng)絡中，當它只提供非實時的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡主要是承載一些非實時的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。
其實，在IP網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)的考慮與規(guī)劃。因此，下一代互聯(lián)網(wǎng)需要有時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)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(wǎng)的同步
在分組交換迅速發(fā)展的大趨勢下，移動網(wǎng)絡也同樣面臨著與NGN融合和向NGN演進的問題。就移動網(wǎng)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(wǎng)絡(3G)。從更廣泛的意義上來說，3G網(wǎng)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(wǎng)絡與其它網(wǎng)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(wǎng)絡現(xiàn)有WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA三種制式，這些網(wǎng)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(wǎng)絡為例，R99版本的網(wǎng)絡是基于ATM架構定義的；在R4版本的網(wǎng)絡中，核心網(wǎng)將引入軟交換；在R5，R6版本的網(wǎng)絡中，核心網(wǎng)將逐步實現(xiàn)全IP化。3G網(wǎng)絡支持目前2G/2.5G網(wǎng)絡的所有業(yè)務和功能，同時能提供目前2G/2.5G網(wǎng)絡不支持的業(yè)務，如視頻電話、高速下載等。因此，3G網(wǎng)絡對同步的要求至少與2G/2.5G網(wǎng)絡相同，必須引起足夠的重視。在移動網(wǎng)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(wǎng)絡還是3G網(wǎng)絡，均是必須面對和解決的問題，尤其是在移動網(wǎng)絡提供高速數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的時延抖動是有嚴格要求的。IP分組網(wǎng)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(wǎng)絡擁塞，使其對網(wǎng)絡時延無法保證。然而，對于由分組網(wǎng)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(wǎng)同步。
實驗結果表明，數(shù)據(jù)設備頻率同步性能的好壞將直接影響到數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中，需要對同步引起足夠的重視，將各種數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡管理及網(wǎng)絡安全問題
隨著通信網(wǎng)向下一代網(wǎng)演進，網(wǎng)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(wǎng)絡管理也在向集中化、智能化方向發(fā)展。在新的網(wǎng)絡環(huán)境下，如何提高網(wǎng)絡管理水平、保證網(wǎng)絡安全是一個不容忽視的問題。
高效可靠的網(wǎng)絡管理的重要標志，就是能夠快速準確地定位通信網(wǎng)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(wǎng)管系統(tǒng)收集各網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡的安全，時間同步是必不可少的。
3.網(wǎng)絡間的互聯(lián)互通
前面已經強調過，NGN是在繼承現(xiàn)有網(wǎng)絡優(yōu)勢的基礎上實現(xiàn)的平滑過渡，NGN與現(xiàn)有網(wǎng)絡將在很長時間內并存，因此必然存在NGN與現(xiàn)有網(wǎng)絡的互聯(lián)互通問題。
現(xiàn)有通信網(wǎng)絡以高質量的數(shù)字同步網(wǎng)作為支撐，為了保證NGN與現(xiàn)有網(wǎng)絡能夠成功實現(xiàn)互聯(lián)互通，保證全程全網(wǎng)的性能指標，NGN也必須保持網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)、實時圖像、電子商務等。
位置定位服務是由移動網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)是通信網(wǎng)的支撐網(wǎng)，雖然現(xiàn)在我們已經認同全網(wǎng)的頻率同步是保證網(wǎng)絡性能和服務質量的關鍵，尤其在對于基于電路交換的網(wǎng)絡。但在當初組建PSTN網(wǎng)時，由于未對交換機設備時鐘提出要求，在組網(wǎng)方面已走過彎路�，F(xiàn)在，我們知道在下一代網(wǎng)絡中，全網(wǎng)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(wǎng)時應該吸取PSTN網(wǎng)絡建設經驗，不能再走彎路。因此，組建NGN必須以頻率同步網(wǎng)和時間同步網(wǎng)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。
泰爾網(wǎng)