Kỹ thuật đồng bộ 1588v2 trong mạng thế hệ sau

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


LÊ ĐỨC VƯỢNG

KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ 1588V2 TRONG MẠNG
THẾ HỆ SAU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – Năm 2012


Luận văn được hoàn thành tại
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Thủy



Phản biện 1: ……………………………………………………………

Phản biện 2: .…………………………………………………………….

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1

MỞ ĐẦU
Hiện nay xu hướng tích hợp các dịch vụ chạy trên cùng một cơ sở hạ
tầng ngày càng rõ rệt. Đó là mạng NGN. Mạng NGN là mạng gói IP
kết hợp với công nghệ giao thức chuyển mạch nhãn MPLS. Đặc biệt,
các dịch vụ triển khai dành cho di động cũng dần tích hợp vào hệ
thống IP/MPLS chứ không còn cung cấp trên mạng truyền dẫn TDM
nữa. Việc sử dụng mạng truyền tải IP/MPLS cho di động phải có yêu
cầu đồng bộ chặt hơn so với các yêu cầu đối các dịch vụ khác cũng
triển khai qua mạng IP/MPLS như dịch vụ HSI, BTV Đối với đồng
bộ khi triển khai qua mạng TDM thì đã được kiểm chứng tính tin cậy
cũng như độ chính xác. Tuy nhiên khi truyền tải bằng công nghệ gói
thì việc lựa chọn được kỹ thuật đồng bộ cũng như phương thức triển
khai phải được nghiên cứu rất kỹ lưỡng.
Trên thế giới đã có một số giao thức đồng bộ sử dụng cho mạng gói
như giao thức định thời mạng NTP, giao thức thời gian chính xác
PTP. Giao thức NTP có độ chính xác khoảng 10
-3
. Trong khi đó, giao

thức PTP 1588v2 là giao thức đồng bộ gói tin có độ chính xác cao
khoảng 10
-8
, đáp ứng được các yêu cầu cho hệ thống mạng mà có
yêu cầu cao đối với đồng bộ như mạng 2G, 3G khi truyền tải qua hạ
tầng IP/MPLS. Chính vì vậy giao thức 1588v2 đang là xu hướng
được một số nhà khai thác dịch vụ nghiên cứu áp dụng vào việc đồng
bộ giữa các thành phần thiết bị trong mạng gói để tích hợp chung các
dịch vụ trên cùng một hạ tầng.
Xuất phát từ yêu cầu về đồng bộ trong mạng NGN và đặc biệt nhờ sự
hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS. Nguyễn Đức Thủy tôi đã
nghiên cứu, tìm hiểu và hoàn thành Luận văn với đề tài: “Kỹ thuật
đồng bộ 1588v2 trong mạng thế hệ sau”.
2

Luận văn được trình bày như sau:
- Chương 1: “Tổng quan về đồng bộ” trình bày về vai trò
đồng bộ trong mạng viễn thông, phân loại về đồng bộ, các
tham số đánh giá chất lượng đồng bộ và các phân cấp đồng
bộ.
- Chương 2: “Kỹ thuật đồng bộ 1588v2” trình bày về mô hình
của kỹ thuật 1588v2, các loại bản tin trao đổi thông tin đồng
bộ, các cơ chế tính toán trễ và các chế độ hoạt động của đồng
bộ 1588v2.
- Chương 3: “Kỹ thuật đồng bộ 1588v2 trong mạng thế hệ
sau” trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đồng bộ
1588v2 trong NGN, các điểm cần chú ý khi triển khai
1588v2 trong NGN, đồng thời cũng đưa ra một số bài đo để
kiểm tra chất lượng đồng bộ 1588v2.
- Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.

3

NỘI DUNG LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ
1.1 Vai trò của đồng bộ trong mạng viễn thông
Mục đích chính của đồng bộ là để tránh mất dữ liệu hoặc tránh các
yêu cầu truyền lại dữ liệu. Đồng bộ sẽ cung cấp các tín hiệu thời gian
chính xác tới các phần tử mang để duy trì tính toàn vẹn thông tin
trong quá trình truyền.
Mạng đáp ứng được các yêu cầu đồng bộ sẽ đảm bảo:
- Sử dụng băng thông hiệu quả và tối đa.
- Giảm lưu lượng tải mạng và cải thiện chất lượng dịch vụ
QoS.
- Giảm chi phí duy trì mạng và thời gian chết.
Khi chất lượng đồng bộ kém sẽ làm giảm độ hiệu dụng mạng vì:
- Rớt cuộc gọi.
- Chất lượng thoại thấp.
- Dữ liệu bị mất, dẫn đến phải truyền lại gây lãng phí băng
thông.
1.2 Phân loại đồng bộ
1.2.1 Phân loại theo phương thức truyền tín hiệu
- Phương thức truyền tín hiệu đồng bộ trên mạng TDM
- Phương thức truyền tín hiệu đồng bộ trên mạng gói
1.2.2 Phân loại theo cách thức đồng bộ
- Đồng bộ theo tần số
- Đồng bộ theo pha
- Đồng bộ theo thời gian
4

1.3 Các tham số đánh giá về đồng bộ

1.3.1 Khái niệm TE và TIE
Sai số thời gian TE của đồng hồ tại thời gian nhất định biểu diễn sự
khác nhau giữa thời gian của đồng hồ cần tham chiếu và thời gian
của đồng hồ chuẩn.
Sai số khoảng thời gian TIE là sự sai khác trong một khoảng thời
gian quan sát giữa thời gian của đồng hồ và thời gian của tín hiệu
chuẩn.
1.3.2 MTIE và TDEV
MTIE xác định sai số thời gian cực đại của tín hiệu trong một
khoảng thời gian quan sát.
TDEV biểu diễn độ lệch thời gian tín hiệu mong đợi như một hàm
với biến là thời gian quan sát τ tương ứng với MTIE. TDEV là tham
số cửa sổ trượt sử dụng ba cửa sổ được phân tầng trượt qua dữ liệu.
1.3.3 ZTIE (MATIE) và MAFE
MATIE đánh giá sự biến đổi pha trong trường hợp xấu nhất của đồng
hồ tớ. MATIE có hai cửa sổ quan sát kề nhau trượt qua dữ liệu cần
đánh giá. Giá trị trong mỗi cửa sổ là giá trị trung bình và giá trị khác
nhau cực đại giữa hai giá trị trung bình trong hai cửa sổ liền kề chính
là MATIE.
MAFE đánh giá sai số tần số trong trường hợp xấu nhất của đồng hồ
tớ. Trong MAFE, sự khác nhau giữa các giá trị trong các cửa sổ quan
sát biểu diễn thành đường nghiêng, đường này xác định sai số tần số
trung bình. Hình 1-11 là ví dụ tính toán tham số MAFE.
5


Hình 1-11 Ví dụ tính toán MAFE với cửa sổ quan sát τ = 3000s
1.4 Mặt nạ đồng bộ
Mặt nạ áp dụng cho tham số MTIE và TDEV đối với các tín hiệu
khác nhau để đánh giá khả năng của mạng có đáp ứng được jitter và

wander tại các phần tử mạng hay các giao diện node mạng hay
không.
1.5 Các phân cấp đồng bộ
- Phân cấp PRC
- Phân cấp SSU
- Phân cấp SEC
- Phân cấp Master
- Phân cấp Slave

6

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ 1588v2
2.1 Mô hình phân cấp đồng bộ Master-Slave trong PTP
Mô hình phân cấp chủ-tớ đơn giản trong PTP khi được minh họa như
Hình 2-1.

Hình 2-1 Mô hình phân cấp chủ-tớ trong PTP
2.1.2 Kỹ thuật trạng thái của giao thức
Các trạng thái xác định phân cấp chủ-tớ bao gồm:
- MASTER: Cổng là nguồn thời gian trên tuyến
- SLAVE: Cổng đồng bộ tới thiết bị trên tuyến ở trạng thái
MASTER
- PASSIVE: Cổng không đóng vai trò là MASTER trên tuyến
và cũng không được đồng bộ đến MASTER nào.
2.1.3 Thuật toán đồng hồ chủ tốt nhất
PTP sử dụng thuật toán BMC để lựa chọn đồng hồ chủ khi trên mạng
tồn tại nhiều đồng hồ có thể đóng vai trò làm đồng hồ chủ.
Thuật toán đồng hồ chủ tốt nhất bao gồm 2 thuật toán riêng biệt là
thuật toán so sánh tập dữ liệu và thuật toán quyết định trạng thái.
7

2.1.3.1 Thuật toán so sánh tập dữ liệu
Thuật toán so sánh tập dữ liệu dựa trên việc so sánh lần lượt từng đôi
một các thuộc tính sau: Priority1, clockClass, clockAccuracy,
offsetScaledLogVariance, priority2 và clockIdentity.
2.1.3.2 Thuật toán quyết định trạng thái
Thuật toán quyết định trạng thái xác định trạng thái tiếp theo của
cổng theo yêu cầu. Trạng thái của cổng tiếp theo có thể là MASTER,
SLAVE hay PASSIVE dựa vào kết quả của thuật toán so sánh tập dữ
liệu.
2.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức 1588v2
2.2.1 Các bản tin trong giao thức 1588v2
Giao thức PTP bao gồm các bản tin sự kiện và bản tin chung. Các
bản tin sự kiện là các bản tin được đánh thời gian, trong đó một mốc
thời gian chính xác được tạo tại cả hai phía truyền dẫn thu và nhận.
Các bản tin chung không yêu cầu mốc thời gian chính xác.
Các bản tin sự kiện bao gồm: Sync, Delay_Req, Pdelay_Req và
Pdelay_Resp
Các bản tin chung bao gồm: Announce, Follow_Up, Delay_Resp,
Pdelay_Resp_Follow_Up, Management và Signaling.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
2.2.2.1 Kỹ thuật yêu cầu – đáp ứng trễ
Hình 2-5 trình bày nguyên lý của kỹ thuật yêu cầu – đáp ứng trễ.

8


Hình 2-5 Kỹ thuật yêu cầu – đáp ứng trễ
Kỹ thuật yêu cầu – đáp ứng trễ đo trễ truyền trung bình giữa một cặp
cổng PTP, trong đó các cổng này hỗ trợ kỹ thuật trạng thái. Kỹ thuật

yêu cầu – đáp ứng trễ sử dụng các bản tin Sync, Delay_Req,
Delay_Resp và có thể cả bản tin Follow_Up để thực hiện tính toán.
Hình trên trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật này. Kỹ thuật
yêu cầu – đáp ứng trễ thực hiện độc lập trong miền hỗ trợ hai đồng
hồ.
2.2.2.2 Kỹ thuật trễ ngang hàng
Kỹ thuật trễ ngang hàng đo đạc thời gian truyền từ cổng đến cổng
như trễ đường truyền giữa hai cổng thông tin với nhau có hỗ trợ kỹ
thuật trễ ngang hàng.
9

Kỹ thuật trễ ngang hàng sử dụng các bản tin Pdelay_Req,
Pdelay_Resp và có thể có bản tin Pdelay_Resp_Follow_Up để thực
hiện tính toán. Hình 2-6 trình bày nguyên lý hoạt động của kỹ thuật
này.

Hình 2-6 Kỹ thuật trễ ngang hàng
Từ hình vẽ thì giá trị danh định của trễ truyền trung bình được tính
toán như sau:
Trễ truyền trung bình = [(t2-t1) + (t4-t3)]/2 = [(t2-t3) + (t4-t1)]/2
2.2 Các chế độ hoạt động của giao thức 1588v2
PTP cho phép sử dụng chế độ unicast và multicast cho việc truyền tải
các bản tin PTP.
10

2.3.1 Chế độ unicast
Chế độ unicast chỉ được thực hiện khi có yêu cầu truyền unicast.
Hình 2-7 là ví dụ minh họa cho việc truyền unicast.

Hình 2-7 Ví dụ về trao đổi bản tin unicast

Để nhận được dịch vụ liên tục, đồng hồ tớ phải phát đi yêu cầu trước
khi hết chu kì cấp.
2.3.2 Chế độ multicast
Trong chế độ multicast thì đồng hồ chủ tự động quảng bá các thông
tin của mình trong bản tin Announce. Cơ chế multicast sử dụng kỹ
thuật yêu cầu – trả lời trễ.
11


Hình 2-9 Kỹ thuật truyền thời gian trong chế độ multicast

12

CHƯƠNG 3 ĐỒNG BỘ 1588v2 TRONG MẠNG THẾ HỆ SAU
3.1 Tổng quan về đồng bộ trong mạng thế hệ sau
3.1.1 Tổng quan về mạng thế hệ sau
Theo ITU-T, mạng thế hệ sau được định nghĩa là một mạng dựa trên
nền gói có thể cung các dịch vụ bao gồm các dịch vụ viễn thông và
cho phép sử dụng các công nghệ truyền tải đa băng rộng, hỗ trợ chất
lượng dịch vụ QoS, và các chức năng liên quan đến dịch vụ độc lập
với các công nghệ truyền tải liên quan. Mạng này cung cấp khả năng
truy nhập không hạn chế từ các người dùng đến các nhà cung cấp
dịch vụ khác nhau. Nó hỗ trợ tính di động, cho phép cung cấp các
dịch vụ tới người dùng một cách nhất quán và rộng khắp.
3.1.2 Đồng bộ trong mạng thế hệ sau
3.1.2.1 Định thời các dịch vụ TDM trong mạng thế hệ sau
- Dịch vụ CES (dịch vụ mô phỏng kênh) là dịch vụ chính yêu cầu
cung cấp đồng bộ trong mạng gói. CES đưa ra mô phỏng các dịch vụ
TDM như Nx64 kbps, T1/E1, T3/E3 qua mang truyền tải gói.
Dịch vụ TDM yêu cầu đồng hồ các kết cuối phát và nhận kênh T1/E1

phải được đồng bộ đúng theo chuẩn ITU-T G.823/824.
Dịch vụ MobileBackhaul là thành phần chính của dịch vụ CES, trong
đó các yêu cầu định thời cho các trạm gốc có các khía cạnh chính
sau:
- Yêu cầu một đồng hồ dịch vụ cho việc truyền tải các kênh
TDM mà có kết cuối tại các trạm gốc.
- Các trạm gốc không dây cũng yêu cầu đồng bộ tần số vô
tuyến phục vụ căn chỉnh RF và chuyển giao cuộc gọi di
động.
13

- Các trạm gốc GSM và UMTS phụ thuộc vào định thời vòng
qua các kênh T1/E1 để nhận được tần số. Tuy nhiên việc
chuyển đổi từ truyền tải Ethernet tạo ra sự gián đoạn phân
phối định thời, điều này phải được chú ý để hoạt động đồng
bộ trạm gốc được chính xác.
3.1.2.2 Định thời trong các dịch vụ NGN
- Đo kiểm hiệu năng
- Tính cước (billing)
- Khắc phục sự cố và duy trì mạng
- Các dịch vụ thời gian thực
3.1.3 Mô hình đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau
3.1.3.1 Vì sao sử dụng PTP trong mạng thế hệ sau
- Độ chính xác cao.
- Chi phí thấp, dễ triển khai.
- Tích hợp được vào các hệ thống hiện có.
3.1.3.2 Mô hình đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau
Mô hình đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau được minh họa trong
Hình 3-3.
14

Hình 3-3 Mô hình đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng chất lượng đồng bộ 1588v2 trong
mạng truyền tải gói.
Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đồng bộ 1588v2 trong mạng
truyền tải gói bao gồm:
- Trễ
- Biến động trễ PDV (Packet Delay Variation): Đây là yếu tố
quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng đồng bộ 1588v2.
- Tỉ lệ mất gói
3.3 Đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau
Khi triển khai đồng bộ PTP trong mạng thế hệ sau cần chú ý các
điểm sau.
15

3.3.1 Điểm đặt vị trí đặt Grand Master

Hình 3-4 Các vị trí đặt PRC trên mạng
3.3.2 Phân bổ quỹ chất lượng
Trong giao thức PTP, mỗi phần tử của hệ thống góp phần làm giảm
chất lượng của đồng hồ đầu ra, như được chỉ trong hình 3-5.

Hình 3-5 Nhiễu trong các phần tử PTP
Để xác định các yêu cầu chất lượng cho mỗi phần tử trong các phần
tử khác nhau thì vài loại quỹ quá trình được sử dụng để phân đoạn
toàn bộ các yêu cầu chất lượng ứng dụng. Ví dụ, các yêu cầu ứng
dụng có thể được chia sử dụng Hình 3-6 chóp như sau:
16

Hình 3-6 Cấp phát quỹ nhiễu dạng chóp
3.3.3 Yêu cầu chất lượng của đồng hồ GM
Để đáp ứng được các yêu cầu của chất lượng dịch vụ, đặc biệt là khi
triển khai dịch vụ 2G, 3G qua mạng gói thì đồng hồ grandmaster có
dịch tần số phải không lớn hơn 0.5ppb. Như vậy nguồn tham chiếu
của đồng hồ GM phải có độ chính xác cao hơn. Điều này sẽ được
đáp ứng khi sử dụng nguồn tham chiếu cho đồng hồ GM là đồng hồ
PRC. Các đồng hồ này đều có độ chính xác tốt hơn 1 phần 10
11
.
3.3.4 Các đồng hồ chủ phân tán
Thông thường, lượng nhiễu do mạng gây ra sẽ tăng theo số lượng các
phần tử mạng giữa đồng hồ chủ PTP và đồng hồ tớ PTP. Vì thế, việc
giảm thiểu số lượng các phần tử mạng giữa đồng hồ chủ PTP và
đồng hồ tớ PTP là một cách để giảm nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng
đồng bộ. Điều này có thể được thực hiện bằng cách phân bố các
đồng hồ GM tại các vị trí trên mạng, hoặc sử dụng các đồng hồ biên
BC đặt tại các vị trí thích hợp để làm kết cuối luồng định thời, và tái
tạo lại tín hiệu cho phân đoạn mạng tiếp theo. Ví dụ, trong Hình 3-7,
sẽ tốt hơn khi đặt một đồng hồ TC sau 5 phần tử để sử dụng cho
mạng gồm 10 phần tử.
17

Hình 3-7 Phân bố đồng hồ chủ
3.3.5 Dự phòng cho đồng bộ

Hình 3-8 Dự phòng đồng hồ chủ PTP
- Sử dụng thuật toán BMC để tự động tính toán đồng hồ chủ
tốt nhất.
18

- Hoặc cấu hình tĩnh tới đồng hồ chủ thay thế khi đồng hồ chủ
chính có sự cố.
3.3.6 Tốc độ phát bản tin đồng bộ trong PTP
Tốc độ phát bản tin đồng bộ trong PTP có thể được điều chỉnh tự
động để thích ứng với những điều kiện thay đổi trong mạng. Tốc độ
phát yêu cầu phụ thuộc vào một số yếu tố, ví dụ như chất lượng của
thiết bị đồng hồ tớ PTP, độ ổn định của bộ dao động nội trong đồng
hồ tớ PTP, hay nhiễu của mạng.
Mặc định thì nên để tốc độ phát bản tin là 16 bản tin Sync mỗi giây,
sau đó có thể tăng hoặc giảm tốc độ theo yêu cầu.
3.3.7 Chất lượng dịch vụ
Khi đặc tính QoS được sử dụng, thì các điều kiện sau đây được tuân
theo:
- Nếu có sự dành trước băng thông thì phải đảm bảo đáp ứng
đủ băng thông cấp cho lưu lượng đồng bộ. Tuy nhiên, việc
định cỡ băng thông để tính toán tài nguyên trong phần tử
mạng có thể yêu cầu hàng đợi và gây ra trễ hàng đợi.
- Không được áp Shaping lưu lượng đối với lưu lượng bản tin
PTP. Điều này gây thêm trễ cho các bản tin đồng bộ.
- Nếu sử dụng quản lý hàng đợi đầu ra, khuyến nghị sử dụng
kĩ thuật độ ưu tiên chặt. Giá trị ưu tiên dành cho lưu lượng
đồng bộ nên đặt ở mức cao (nên đặt giá trị CoS trong mạng
Ethernet hoặc giá trị EXP trong mạng sử dụng giao thức
MPLS bằng 6). Nếu sử dụng RR (Round Robin) hoặc WFQ
(Weighted Fair Queuing) sẽ dẫn đễn trễ cho các gói tin định
thời trong khi chờ đến lượt xử lý. Các trễ này thay đổi tùy
thuộc vào thuật toán thực hiện WFQ hoặc RR.
19

3.4 Một số bài đo đánh giá chất lượng tín hiệu đồng bộ theo
chuẩn 1588v2.
3.4.1 Sơ đồ đo
Sơ đồ đo được minh họa như Hình 3-9.

Hình 3-9 Sơ đồ đo PTP
Việc đo kiểm được tiến hành với các tham số sau đây:
+ Đo TIE, MTIE và MRTIE (như mô tả trong ITU-T G.823) và ITU-
T G.824
+ Đo độ chính xác tần số (giá trị đo độ chính xác tần số thời gian tích
hợp phụ thuộc vào thiết bị đầu cuối liên quan).
+ Đo độ chính xác đỉnh đỉnh TOD
20

3.4.2 Các bài đo
- Đo chất lượng tín hiệu đồng bộ trong trường hợp tải tĩnh
- Đo chất lượng tín hiệu đồng bộ khi lưu lượng mạng thay đổi
nhanh
- Đo chất lượng tín hiệu đồng bộ khi lưu lượng mạng thay đổi
chậm
- Đo kiểm sự ảnh hưởng khi có gián đoạn mạng
- Kiểm tra ảnh hưởng của nghẽn mạng đến chất lượng đồng bộ
- Kiểm tra chất lượng đồng bộ khi định tuyến thay đổi
3.5 Kết quả đo chất lượng đồng bộ PTP thực tế
3.5.1 Kết quả qua 5 phần tử mạng
Sơ đồ đo:

Hình 3-12 Sơ đồ đo PTP qua 5 phần tử
Kết quả đo:
Kết quả đo MTIE

21


Hình 3-14 Kết quả MTIE qua 5 phần tử mạng
Kết quả đo TDEV

Hình 3-15 Kết quả TDEV qua 5 phần tử mạng
Kết quả đo PDV

Hình 3- 16 Kết quả đo PDV hướng thuận qua 5 phần tử mạng
22

3.5.2 Kết quả đo chất lượng đồng bộ qua 11 phần tử mạng
Sơ đồ đo:

Hình 3-18 Sơ đồ đo chất lượng đồng bộ qua 11 phần tử
Kết quả đo:
Kết quả đo MTIE

Hình 3-20 Kết quả đo MTIE qua 11 phần tử mạng

Kết quả đo TDEV
23


Hình 3-21 Kết quả đo TDEV qua 11 phần tử mạng
Kết quả đo PDV với mặt nạ 15ppb

Hình 3-22 Kết quả đo PDV hướng thuận khi áp mặt nạ 15ppb qua 11
phần tử mạng