2013年5月9日 星期四

深圳移动 LTE 试验网建设实例——基于L3-PTN的TD-LTE承载网方案研究

深圳移动 LTE 试验网建设实例——基于L3-PTN的TD-LTE承载网方案研究

2013-03-14  来源:中国信息产业网  作者:中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司,深圳 518048 吴钦雄 王新岱 中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司, 广州 510623 黄剑华 胡志涛
TD-LTE 是中国移动的未来,TD-LTE 网络也是未来几年工程建设的核心和重点。TD-LTE 对承载网络的扁平化组网、大带宽、大网管理等有着更高要求。与其他承载方案相比,基于 L3-PTN 的 TD-LTE 承载网方案在网络维护、网管能力、保护、同步、安全、时延、网络演进以及投资等方面有一定的优势。
  本文结合深圳移动 LTE 试验网的建设实例,在对TD-LTE 的承载需求分析的基础上,对 L3-PTN 的组网模型进行了研究和梳理。
1 LTE 网络的总体架构
  LTE 网络架构主要由演进型 eNode B(eNB)和接入网关(aGW)两部分构成,与 2G、3G 网络相比,少了 RNC。eNB 除具有原 Node B 功能外,还承担了RNC 的大部分功能。LTE 的网络架构如图 1 所示。
2 TD-LTE 承载需求分析
2.1 电路类型需求
  TD-LTE 基站回传电路主要包括 S1 和 X2 接口电路。
  S1 接口 :eNB 与 EPC(分组核心网)之间的通信接口,负责用户业务的连接承载。
  X2 接口 :实现 eNB 之间的互连互通,用于基站与基站之间的逻辑连接。
2.2 电路带宽需求
  对于 LTE 基站典型配置,S1/X2 逻辑连接对承载带宽需求如下 :
  S1 接口传输峰值带宽 :
  业务峰值带宽需求:下行 336 Mbit/s,上行 45 Mbit/s;
  考虑 PTN 的传输效率(75%),传输峰值带宽 =336/0.75=448 Mbit/s。
  X2 接口带宽需求 :
  按照 S1 流量的 3% 计算,X2 接口传输峰值带宽为13.4 Mbit/s。
  LTE 基站传输带宽需求 :
  宏基站(S1/1/1):最大带宽 450 Mbit/s ;
  室内分布系统(O1):最大带宽 150 Mbit/s。
3 D-LTE 承载网方案
  根据 TD-LTE 的整体架构和承载需求,TD-LTE承载网需提供三层路由功能,实现 X2 电路的横向转发。
3.1 LTE 承载方式介绍
3.1.1 PTN+CE 方案
  接入、汇聚、核心层采用 PTN 组网,负责业务电路由基站至核心节点的传送 ;在 aWG/MME 节点成对部署 CE 路由器,完成 IP 业务的转发。通过 CE 路由器的 L3 VPN 功能,为 S1 提供灵活的调度能力,以及 X2接口的转发能力。
3.1.2 L3-PTN 方案
  采用 PTN 端到端组网,核心层的 PTN 支持简化L3 VPN,提供 IP 转发能力,满足 LTE 承载对 S1 的灵活调度以及 X2 接口的 IP 转发需求。
   对于 S1 流量:经接入层 PTN 统一送到核心层PTN,由核心层 PTN 根据目的 IP 地址(MME/SGW)查找 L3 VPN 的路由表,封装 LSP 和 L3 VPN 的标签,经由核心层设备间的转发到达归属的 MME/SGW。
  对于 X2 流量:经接入层 PTN 统一送到核心层PTN,由核心层 PTN 根据目的 IP 地址(相邻的基站)查找 L3 VPN 的路由表,以决定流量是经由核心层环送往非本地归属的基站 ;或向下转发,经由本地的 L2 VPN 封装送外相邻的基站。
3.2 LTE 承载方式分析比较
  PTN 支持 L3 功能方案优势在于全网同一设备,可以实现端到端的管理,便于统一运维,时延小,另外该方案不需要增加 CE 设备,成本较低,不足在于核心层PTN 需要升级才能支持 L3 功能。
  采用 PTN+CE 方案优势在 CE 设备对 L3 功能支持好,现网 PTN 设备不需要升级,劣势在于保护性能无法满足 50ms 的要求,维护需跨两种专业设备,且建设成本较高。
  PTN 融合简化的 L3 功能,推动 PTN 技术的发展,符合网络融合演进方向。
  通过分析比较,深圳公司采用了 PTN 支持 L3 功能的方案,进行 LTE 的承载。通过 TD-LTE 试验网及扩大规模试验网的建设及测试,成功解决了大规模 LTE 基站的回传,成为国内首例完成 L3-PTN 承载网现网测试与业务承载的应用。
3.3 LTE 承载网网络架构
  TD-LTE 业务中主要的 S1 业务仍为汇聚型业务为主,各接入点数据通过传送网传送至一个或几个业务节点,各接入点在覆盖区域内分散分布,汇聚机房分区覆盖各接入点,因此 TD-LTE 传送网仍采用接入、汇聚和核心三层网络架构。各接入点通过接入环接入各汇聚节点,经汇聚后通过汇聚环至核心节点,各核心节点间业务通过调度环或波分进行调 度。接入层和汇聚层仍采用环状结构,核心层采用环状或口字行结构。深圳TD-LTE 试验网网络结构见图 2 所示。
3.4 L3-PTN 设备部署及 X2 电路的转发实现
从需求分析得知,L3-PTN 方案的关键是 L3 VPN的部署。部署 L3-PTN 设备主要满足 X2 电路的横向转发和 S1 电路的灵活调度,全网部署 L3-PTN 设备成本较高且现网设备升级规模大,困难较大。
  通过对现网结构分析,只需在核心层设备部署 L3-PTN 设备即能实现 X2 电路的有效转发,现网设备只需进行小规模的升级。
需部署 L3-PTN 设备的节点为 :核心层机楼调度设备、核心层落地设备。
  TD-LTE 承载网的 X2 电路转发原则建议为:
  同一接入环接入的基站间的 X2 电路经汇聚节点的L2 VPN 转发。
  同一汇聚环不同接入环接入的基站间 X2 电路经该汇聚节点 L3 VPN 转发。
  不同汇聚环接入的基站间 X2 电路经核心层落地设备 L3 VPN 转发。
  不同厂家传输设备接入基站间 X2 电路经核心层落地设备间互联链路 L3 VPN 转发。
  以上功能均通过 IP 和 VLAN 规划实现。
3.5 组网方案及设备选择
  落地设备及核心层 PTN 设备通过升级方式支持 L3 VPN 功能,落地设备和核心层交叉容量均大于 320 Gbit/s。
  核心层和汇聚层采用 10GE OTN+PTN 组环。
  接入环仍以 GE 设备为主,GE 设备交叉容量不小于 5 Gbit/s,单个 GE 接入环建议接入 4 〜 6 个基站。带宽无法满足需求时,优先通过调整接入环节点数量满足带宽需。
  基站接入 PTN 设备与 eNode B 连接使用 GE 光接口。
3.6 电路需求和带宽规划
  对于 PTN 传输网络的各个层面,需综合考虑业务量的统计分布特性、满足业务质量和传输效益等因素,PTN 系统各层面的带宽规划按照表 1 取定。
对于有 LTE 基站的 PTN 接入环,在以上预留带宽的基础上,每个接入环再额外预留 240 Mbit/s 带宽,对于只有室分站的接入环,可以再额外预留 87 Mbit/s 带宽,以确保每个接入环的 LTE 基站达到平均带宽的基础上,至少能够保证一个 LTE 基站达到峰值带宽。   由于 LTE 主要承载的为数据业务,在 PTN 网络中采用收敛方式提高承载效率,核心层收敛比暂时可按照1 :2 进行设置。
3.7 IP 规划方案
  在 TD-LTE 网 络 中,eNode B、EPC 以 及 PTNL3 设备是一张完全独立、封闭的网络,因此可以按照行政区域,以地区为界进行统一 IP 地址总体规划。如表 2 所示。
X 代表省,一共可以编 32 个省,Y 代表地市,每个省最多可以编 32 个地市,Z 代表该地市部署 L3 VPN 的 PTN 设备组团编号,一共 6 bit,可以对最多64 个 PTN 组团节点编号;   Q 为 LTE eNode B 或 EPC 网元端口的 IP 地址,又细分为子网编号 + 主机编号,最多可以配置 6 万多个LTE eNode B,完全满足未来 LTE 网络发展需要。
  深圳 TD-LTE 试验网中 IP 地址规划采用全国统一分配方案,IP 地址段为 152.192.0.1 〜 152.255.255.254 ;
VLAN 与子网方面由于专业协调以及项目进度等方面的原因, 采用 1 个子网对应一个VLAN 方式来配置eNode B。
  深圳 TD-LTE 试验网的 IP 规划方案如表 3 所示。
  深圳 TD-LTE 试验网采取的 IP 分配的基本原则为:
  按不同 PTN 厂家设备覆盖区域规划LTE eNode IP 地址;
  厂家 A PTN 设备分配偶数网段, 厂家 B PTN 设备分配奇数网段;
  LTE eNode IP 地址采用 28 bit 子网掩码,即每个子网最多可配置 16 个 IP 地址,每个子网对应一个VLAN ID。
3.8 网络保护   接入层 PTN 设备到核心层 PTN 设备之间采用端到端的 LSP 1:1 和双归保护方式,工作和保护需规划不同路径,各使用 1 条 LSP,核心层 PTN 设备设置 VRRP。
  不同局址的核心层 PTN 设备采用 FRR 保护方式,核心层 PTN 设备与 SGW 之间运行 VRRP 保护协议。
  L3-PTN 承载网的保护方案如图 3 所示。
3.9 异厂家组网方案   目前深圳的 PTN 厂家有 2 个,每个厂家选择一对核心层 PTN 设备通过客户侧接口(UNI)进行对接,并采用单节点互连 + 多链路 LAG 保护方式。
  深圳基于 L3-PTN 的 LTE 承载网异厂家组网方案如图 4 所示。
4 结束语   TD-LTE 与 2G/3G 相比网络结构出现了重大变革,使得网络变得扁平化,这对承载网提出了更高的要求。
L3-PTN 关键技术的启用灵活的解决了 S1/X2 电路的调度问题,保持了原有的可控可管特性,在保持原有运维习惯及配置的同时又满足了新业务的发展需求。
  2011年,深圳 TD-LTE 试验网承载网采用 L3-PTN 组网解决基站回传,并成功应用于大运会火炬传递即摄即传的报道,效果良好,成为国内首例完成 L3 PTN 承载网现网测试与业务承载的应用。

什麽是jitter

1:什麽是jitter
    所謂jitter就是一種抖動。具體如何解釋呢?讓我們來看一個例子。假如你有個女友,你希望她每天晚上下班之後7點來找你,而有的時侯她6:30到,有 的時候是7:23,有的時候也許是下一天。這種時間上的不穩定就是jitter。如果你多觀察這種時間上的不規律性,你會對jitter有更深一些的理 解。
   在你觀察的這段期間內,女友最早和最晚到來的時間被稱為“jitter全振幅”(peak to peak jitter amplitude)。“jitter半振幅”(jitter-amplitude)就是你女友實際來的時間和7點之間的差值。女友來的時間有早有 晚,jitter半振幅也有正有負。
   通過計算,你可以找出jitter半振幅的平均值,如果你能夠計算出你女友最有可能在哪個時間來,你就可以發現女友來的時間是完全無規律的(隨機 jitter radeom jitter)還是和某些特定事情有關系(關聯jitter correlated jitter)。所謂關聯jitter就是比如你知道你的女友周四要晚來,因為她要去看她的媽媽。如果你能徹底明白這點,你就已經是一個 correlated jitter的專家了。

2:什麽是時基抖動(Clock jitter)
    在數字音頻中,我們要直接和數字信號的發送與傳輸打交道。聲音以二進制編碼被儲存在光盤或者DAT卡帶中,在回放音樂的時候,這些010101的信號被送 進DA轉換器(Digital-Analog converter)並被還原為模擬波形信號;在錄制數字音頻的時候,一個參考時鐘信號會和音頻信息一起被送進AD轉換器(Analog-Digital converter),轉換器把模擬信號轉換為0101的數字信號並且記錄下來。
   數字信號總是和一個參考時鐘信號一起傳送並且記錄,一些數字音頻傳輸格式如S/PDIF和AES/EBU,它們在一個信號中同時傳送數據和時鐘。數字音頻 的時鐘信號是一種方波(square-wave),並且在頻率以及振幅上被進行了修正,而且它的占空比要達到50%。信號的改變(方波波形的高低變化即電 平的高低)記錄著時鐘信息。
   如果信號傳輸所用的時間不相等,那麽就產生了時基抖動,實際上,世界上是沒有任何一個不存在時基抖動的電路(就好像你的女友不可能總是以1/1000秒的精確時間到達:)現在,你已經具備了時基抖動基本知識,下面,讓我們看一些更深層的。
    Joe Adler是這樣定義時基抖動的:“對於數字信號在時間上正確位置有重大影響的短時間的改變。”("Short-term variations of the significant instants of a digital signal from their ideal positions in time")在Adler的這篇文章中,他還講了關於如何測量jitter的技術。

3:什麽產生了jitter     需要精確的東西都是越精確越難以做到。在後面的文章中,你將了解到,數字音頻需要非常非常高的時鐘精確度,因為我們的耳朵對於聲音的質量似乎異常敏感。因 此,為了得到最精確的結果,我們需要非常精確的測量儀器。通常,數字音頻設備的時鐘都是由非常精密的晶體振蕩器產生的。
   正如Mike Story說的:“基於晶振(晶體振蕩器以及壓控晶體振蕩器產生的)產生的時鐘具有非常的低的jitter,但是jitter仍然存在。” ("Crystal based clocks (XCO′s, VCXO′s) generally have the lowest jitter - but they still have some." )“在設備中還有其他產生遠比壓控晶體振蕩器產生更多jitter的jitter源。”("There are other sources of jitter inside equipment that may contribute substantially more than the VCXO.")這裏所說的其他jitter源主要是電源供電部分產生的電壓波動,這些波動對於DA轉換器是很致命的,它會導致轉換點在邏輯上發生時間變化 (causing variations in logic level switch points)。

4:CD player裏面到底發生了什麽
   如果電源噪音(電壓波動)導致切換點邏輯上的時間抖動,那麽播放器(CD,MD,DVD,DSD,DAT)裏面到底發生了什麽?
    一個簡單的CD播放器裏面有多個馬達,驅動電路以及控制電路。為了能夠正常讀取盤片,機器要做以下工作:首先,主軸馬達驅動CD盤片轉動並達到預定速度, 控制光頭位置的定位馬達驅動光頭定位到預定軌道上,最後,驅動回路控制光頭聚焦,光頭發射激光並且接收反射信號。每一個馬達和回路都會增加電源噪音,這些 噪音直接影響DA轉換器的內部工作狀態。所以,每一個馬達和回路都會為數字信號增加另外一種jitter(頻率,振幅以及波形上的不同),這些幹擾通過不 同方式都會影響到聲音的質量。
   如果你明白了以上原理,我就可以給你解釋那些HIFI愛好者以及錄音師爭論得很激烈的以下問題:
   1,為什麽不同的CD片鎮(就是主軸上面用來固定盤片的鐵片)會造成聽感上的不同。
   2,為什麽一些轉盤制造廠商使用皮帶傳動
   3,為什麽不同的轉盤音質不同
   4,為什麽一些廠商在轉盤中使用stray light(???)
   5,為什麽一些類似“消磁作用”的產品對轉盤有效果
   6,為什麽不同的存儲介質音質不同,盡管他們記錄的都是0101的數字信號
   答案主要是如下幾點:
    一些CD播放器或者CD轉盤價格非常昂貴的原因是他們將整個解碼系統源頭,即讀取設備產生的jitter降低到了最小。為此,它們需要使用非常穩定和幹凈 的電源,多路供電,精確的時鐘生成電路以及造價昂貴的機械結構。在後面,我們將在價格因素盡量小的情況下比較jitter的影響。但是,如何確定上面說的 這些可以全面的解釋jitter到底是什麽呢?我們將在“jitter聽起來是什麽樣子”用具體討論。讓我們先關註一下別的。

5:產生jitter的源     jitter可以分為兩種:交界面產生的jitter(interface jitter)和采樣中產生的jitter(sampling jitter)。交界面產生的jitter可以進一步被劃分為傳送過程中產生(transmitter jitter)的(比如為了把數字信號輸出到轉盤外部所產生的)和線材引起(line induced jitter)的。當我們把CD的數字輸出和外部的DA轉換器連接在一起的時候,不管使用同軸線纜,還是TOSLINK光纖接口,或者SToptical 接口,都將在源信號中引入jitter。有趣的是,不同的接口會引入不同類型的jitter(波形,頻率,振幅以及相關性上的不同)。具有了以上知識,你 已經可以回答以下問題:
   1,為什麽不同的數字接口(光纖,同軸)音質不同,盡管他們傳送的都是相同的信號。
   2,為什麽線材長度會直接影響音質。
   3,為什麽不同廠家生產的同樣長度的同軸線纜音質不同。
   這些都是線材引起的jitter。

6:采樣jitter(sampling jitter)
    在聲音再生的過程中,我們通過許多方法削弱在DA轉換器之前產生的jitter,對於這個,我們將在“如何消除jitter”中具體討論。但是你應當知 道,如果在數字信號的錄制過程中jitter就已經產生了這怎麽辦呢?答案很簡單,重新錄一份:)數字錄音過程中產生的時基抖動究竟是怎麽一回事呢?答案 是正確的采樣記錄在了時間軸錯誤的位置上。而在錄音之後,這是jitter完全不可以被矯正的。傳輸過程產生的以及線材引起的jitter對於整套數字錄 音系統的品質有至關重要的影響。作為數字錄音系統的主要器材,AD轉換器的時鐘發生器會夾雜相當數量的jitter。這些夾雜著jitter的時鐘信號通 過數字線路,被傳送到AD轉換器中,而在這個過程中,又會引入線材產生的jitter。這些帶有jitter的信號會成為參考時鐘信號被送入AD轉換器, 並且決定信號采樣點的位置最終記錄下來。AD轉換器內部的電路可以削減一部分外部產生的jitter,但是它不能去掉全部。因此對於錄音師來說,AD轉換 器時鐘信號中引入越少量的jitter,最終得到的記錄質量就越好。Bob Katz在他的文章中這樣說:“模擬-數字轉換器是整套數字音頻電路中最容易受到jitter影響的部分。”("The A to D Converter is one of the most critical digital audio components susceptible to jitter")
   對於低成本的設備來說,使用內部的參考時鐘的AD轉換器可以避免因數字接口以及參考時鐘和外部轉換器之間產生交界面jitter,但是如果需要在已有的音 軌後面添加新的內容,那麽就需要同步AD轉換器和已經錄制的音軌。這種情況下,你就需要一個外部參考時鐘。高質量的錄音工作室通常使用高精度(通常是可以 控制的)的參考時鐘來同步AD轉換器。如果你有一個好的時鐘發生器,它會大大減少傳輸過程中產生的jitter,但是你仍然要和傳輸過程中線材引起的 jitter做鬥爭。
   以上就是關於jitter的總體看法。我試圖將盡量全的東西添加到這篇文章中。如果你有什麽異議和補充,請聯系我:charles@jitter.de

時間抖動(jitter)

http://www.elecfans.com/article/85/126/2008/2008112718522.html

http://www.elecfans.com/article/85/126/2008/2008112718521.html



隨 著通信系統中的時鐘速率邁入GHz級,抖動這個在模擬設計中十分關鍵的因素,也開始在數字設計領域中日益得到人們的重視。在高速系統中,時鐘或振蕩器波形 的時序誤差會限制一個數字I/O接口的最大速率。不僅如此,它還會導致通信鏈路的誤碼率增大,甚至限制A/D轉換器的動態範圍。有資料表明在3GHz以上 的系統中,時間抖動(jitter)會導致碼間幹擾(ISI),造成傳輸誤碼率上升。
在此趨勢下,高速數字設備的設計師們也開始更多地關註時序因素。本文向數字設計師們介紹了抖動的基本概念,分析了它對系統性能的影響,並給出了能夠將相位抖動降至最低的常用電路技術。

本文介紹了時間抖動(jitter)的概念及其分析方法。在數字通信系統,特別是同步系統中,隨著系統時鐘頻率的不斷提高,時間抖動成為影響通信質量的關鍵因素。
關鍵字:時間抖動、jitter、相位噪聲、測量

時間抖動的概念

在理想情況下,一個頻率固定的完美的脈衝信號(以1MHz為例)的持續時間應該恰好是1us,每500ns有一個跳變沿。但不幸的是,這種信號並不存在。如圖1所示,信號周期的長度總會有一定變化,從而導致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是抖動。
抖 動是對信號時域變化的測量結果,它從本質上描述了信號周期距離其理想值偏離了多少。在絕大多數文獻和規範中,時間抖動(jitter)被定義為高速串行信 號邊沿到來時刻與理想時刻的偏差,所不同的是某些規範中將這種偏差中緩慢變化的成分稱為時間遊走(wander),而將變化較快的成分定義為時間抖動 (jitter)。

圖1 時間抖動示意圖
1.時間抖動的分類
抖動有兩種主要類型:確定性抖動和隨機性抖動。
確定性抖動是由可識別的幹擾信號造成的,這種抖動通常幅度有限,具備特定的(而非隨機的)產生原因,而且不能進行統計分析。
隨機抖動是指由較難預測的因素導致的時序變化。例如,能夠影響半導體晶體材料遷移率的溫度因素,就可能造成載子流的隨機變化。另外,半導體加工工藝的變化,例如摻雜密度不均,也可能造成抖動。
2.時間抖動的描述方法
可以通過許多基本測量指標確定抖動的特點,基本的抖動參數包括:
1)周期抖動(period jitter)
測量實時波形中每個時鐘和數據的周期的寬度。這是最早最直接的一種測量抖動的方式。這一指標說明了時鐘信號每個周期的變化。
2)周期間抖動(cycle-cycle jitter)
測量任意兩個相鄰時鐘或數據的周期寬度的變動有多大,通過對周期抖動應用一階差分運算,可以得到周期間抖動。這個指標在分析瑣相環性質的時候具有明顯的意義。
3)時間間隔誤差(timer interval error,TIE)
測量時鐘或數據的每個活動邊沿與其理想位置有多大偏差,它使用參考時鐘或時鐘恢復提供理想的邊沿。TIE在通信系統中特別重要,因為他說明了周期抖動在各個時期的累計效應。
3.時間抖動的頻域表示——相位噪聲
相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式,其時間抖動(jitter)在頻率域中的顯示。圖2用一個振蕩器信號來解釋相位噪聲。

如 果沒有相位噪聲,那麽振蕩器的整個功率都應集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去,產生了邊帶 (sideband)。從圖2中可以看出,在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處,邊帶功率滾降到1/fm,fm是該頻率偏離中心頻率的差值。
相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值,其中,dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內的信號功率與信號的總功率比值。

圖2 相位噪聲示意圖
時間抖動的模型
為了更好的對jitter進行描述,需要建立一套模型來分析不同情況下jitter的影響。根據產生jitter的原因不同,對jitter模型一般如下:

圖8 Jitter模型
1.隨機抖動(RJ,Random Jitter)
隨 機抖動是時間上的噪音,並沒有任何已知的模式。盡管在隨機過程的理論中,隨機抖動可能有各種概率分布,但是jitter模型中通常假定為高斯正態分布。原 因有兩個:第一,許多電路中,隨機噪聲的主要來源是熱噪聲,其具有高斯分布;第二,根據中心極限定律,許多獨立不相關噪聲源疊加後趨近於一個高斯分布。由 於隨機抖動滿足高斯分布,因此它的峰值是無界的。這是隨機抖動區別於確定性抖動的重要特征。
2.確定性抖動(DJ,Deterministic Jitter)
相對於隨機抖動,確定性抖動(DJ)是可以重復和預測的時間抖動,因此,DJ的峰峰值是有界的,而這個邊界的位置隨著測量次數的增加可以逼近真實值。DJ又可以分成幾種,每種有自己的特點和背後對應的物理機制。
1)數據依賴型抖動(DDJ,Data Dependent Jitter)
數據依賴型抖動是和數據每一位內容相關的抖動。通常產生DDJ的原因是數據流通過帶寬明顯受限的信道時,出現碼間幹擾(ISI)而引起的。DDJ通常具有兩個分立脈衝形式的直方圖,並且兩個峰的高度相同(根據峰所處的位置又可以分成高概率DDJ和低概率DDJ)。
2)占空比失真抖動(DCD,Duty Cycle Distortion)
占空比失真抖動是當時鐘信號占空比不是50%時,由於過零點的位置不同所帶來的測量抖動。其產生的原因有兩種,其一,信號上升沿的擺率和下降沿的擺率不同,其二,由於判決閾值偏高或偏低。DCD通常具有和DDJ類似的兩個分立脈衝形式的直方圖,並且兩個峰的高度相同。
3)有界不相關抖動(BUJ,Bounded Uncorrelated Jitter)
有 界不相關抖動是一類在時間上不與jitter測量時刻相關,分布上有具有有界峰峰值的時間抖動的統稱。其來源通常有3種:電源噪聲。由於供電電源帶來的噪 聲,可能會影響誤碼率;串擾和外部噪聲。由於傳輸過程中可能由相鄰傳輸線或外部電磁幹擾引起的噪聲;周期性噪聲。由於各種周期性噪聲帶來的信號周期性抖動 (PJ,Period Jitter)。例如:開關電源噪聲或測試時使用的周期信號。只有單一頻率成分的周期性抖動(PJ)具有一個兩端為峰值中間凹陷形式的直方圖。
3.Jitter的分離
由 於實際測試中,往往得到的復合時間抖動是由以上兩種或幾種Jitter模型的組合。利用概率論的知識可以知道復合抖動概率密度函數是組成該抖動的各個隨機 變量的概率密度函數的卷積。例如,一個DCD抖動和一個隨機抖動的概率密度函數是將隨機的高斯分布調制到DCD的兩個尖峰上。此外,對於周期性抖動 (PJ)不光有基波成分,往往還伴隨著高次諧波。

時間抖動的分析手段
1.統計特性和統計直方圖
由於所有包含jitter的信號中都有隨機成分的存在,因此統計計算被廣泛應用在jitter性能的評估中。常用的統計參數有平均值、標準差、最大值、最小值、峰峰值等。通常采用直方圖的形式來形象的描述jitter的這些統計特性。
統計直方圖的橫坐標是jitter的大小,縱坐標是jitter在某一區間內出現的頻率。當測量次數足夠多時,直方圖是對jitter大小的概率密度函數的一個很好的估計,因此在通過jitter估計系統誤碼率時,統計直方圖發揮著及其重要的作用。


圖3 隨機抖動的統計直方圖                                               圖4 周期抖動的統計直方圖
需要註意的是直方圖中不包含每個jitter點發生的先後順序,因此不能用來顯示jitter中存在的周期性信息。
2.Jiiter—時間曲線和Jitter的頻率譜
由於統計直方圖不能顯示Jitter中存在的調制或周期性成分信息,這時可以用Jitter-時間曲線來描述Jitter隨時間變化的趨勢。曲線的橫坐標為測量Jitter的時刻,縱坐標為Jitter的大小。這樣從圖中就可以清楚的看到Jitter隨時間變化的模式。
既然Jitter中有隨時間周期變化的成分,那麽有一個很顯然的分析手段就是對Jitter-時間曲線做傅立葉變換,從而得到其頻域的特征。


圖5 Jitter-時間曲線                                                        圖6 Jitter頻譜
3.眼圖
目前為止,眼圖仍然是分析數字通信過程中的一種定性而方便的方法,它可以同時給出傳輸的幅度信息和時間信息。將一系列波形的短段將疊加在一起,與額定邊沿位置和電壓電平對齊。一旦抖動達到+-0.5UI,眼睛會閉上,接收機電路會出現誤碼。
需要註意的是在測量眼圖時使用的觸發源應該是有高頻率穩定度低Jitter的標準時鐘源,其指標直接影響到測量的精度。如果直接用測試信號的邊沿做觸發,需要示波器有時鐘恢復功能。

圖7 數字信號的眼圖
時間抖動的測量
下 面我們對現有的Jitter測量技術做一下簡單介紹。根據測試儀器和測試目的的不同,可以將直接測量技術分為兩大類:一、以得到Jitter時域或頻域特 征為目的的測量方法,如實時采樣示波器、等效采樣示波器、時間間隔測量儀等;二、以得到Jitter統計特征為目的的測量方法,如誤碼率測量儀、不含觸發 或外時鐘模式下的時間間隔分析儀、帶有統計分析功能時示波器等。現在有些儀器同時具有時頻測量和統計分析的功能,因此在Jitter測量中得到廣泛的使 用。此外,還可以通過對相位噪聲的測量間接測量時間抖動。如下我們介紹幾種常用的測試方法。
1.示波器測量Jitter
使用示波器測量 信號的Jitter首先要求示波器有足夠的帶寬、信噪比、分辨率、時間準確度和信號保真度,以減少測量誤差帶來的影響。示波器內部往往采用軟件的時鐘恢復 手段恢復出理想的邊沿時刻(當然也可以采用外接高品質時鐘源觸發作為理想邊沿時刻),此時示波器就可以通過疊加生成眼圖。通過對眼圖的分析,從而得到 Jitter的各種參數。
在使用示波器分析的時候,往往需要進一步做Jitter分析,以得到誤碼的性質。這時需要輸入數據流按一定規律重復發送(通常采用偽隨機序列發生器),以使DDJ成分的能量盡量集中。通過示波器采集到這樣的碼流波形後,就可以做如下分析。
1)通過采樣得到的數據進行內插恢復出采樣波形,對於某個判決電平計算出每個邊沿的過判決時刻;
2)通過軟件金瑣相環的方法恢復出輸入信號的時鐘,並分別計算出每個邊沿的jitter大小;
3) 對於連1或連0等不存在邊沿的地方,通過線性內插法得到對應的Jitter;
4)對得到的Jitter-時間函數做FFT,得到Jitter的頻譜。
接下來就可以通過對Jitter頻譜的分析,找出對應的DCD、DDJ、PJ對應的峰值,以及RJ的底噪大小。然後分離出各個成分做IFFT就可以得到各個成分的Jitter-時間函數了。這裏具體結果和FFT的分辨率、窗函數的選擇有很大關系。
目前許多示波器生產廠家提供了跟示波器配套的分析軟件,可以按一定模型對Jitter做有效地分解分析。例如:Tektronix提供的TDS JIT3就是用來配套TDS5000以上示波器的Jitter分析套件。
2.誤碼率測試儀測量Jitter
前面提到Jitter會導致接收誤碼,反過來,如果能測得誤碼率的情況也應該能推出Jitter的特性。使用誤碼率分析儀測量Jitter的方法就是基於這種思想而提出的。
采用誤碼率分析儀通常采用兩個通道,將其中一個通道保持在眼圖的中心位置,而使用另一個通道完成誤碼率測試。這樣就不需要知道發送端碼流的情況,因而不需要重復發送某種模式的編碼。同時還能很好的解決同步問題。
通過對誤碼率分析儀可以對眼圖各個方向上進行掃描,得到眼圖的清晰輪廓,對於分析Jitter可以提供很多有價值的數據。
3.通過相位噪聲間接測量Jitter
如前所述,抖動和相位噪聲所描述的是同一現象的特征,因此,如果能從相位噪聲的測量結果中導出抖動的值將是有意義的。在對晶振測量時經常會給出相位噪聲這一指標,可以推到出該晶振可能帶來的抖動。

圖9 相位噪聲圖
每 個振蕩器都有其相位噪聲圖,圖9給出一個例子。該圖中繪出的是從12kHz到10MHz這個頻帶範圍內,某振蕩器的相位噪聲情況。圖中,L(f)以功率譜 密度函數的形式給出了邊帶噪聲的分布,單位為dBc。中心頻率的功率並不重要,因為抖動只反映了相位噪聲(即調制)與“純”中心頻率處的相對功率值。邊帶 的總噪聲功率N可以由L(f)函數在整個感興趣頻段內(在本例中,即12KHz到10MHz頻段內)積分得到。

計算得到的是相位調制噪聲在該頻段內的功率,而相位調制正是造成抖動的原因。由此,我們還能用如下的定積分推出RMS抖動的值。
下式可求得該噪聲功率造成的RMS抖動:

總結
本文詳細介紹了時間抖動(Jitter)的定義,並分析了其產生的原因,給出的分析手段和測量方法。相信通過這篇文檔,用戶可以對Jitter有一個比較深刻的認識,希望本文可以對您的實際工作有所幫助。由於學識有限,文中難免有些紕漏,歡迎讀者和作者聯系指出。

參考文獻
[1] 楊俊峰,高速數字串行通信中的時間抖動研究,中國科學技術大學博士學位論文,2005.05.01.
[2] Tektronic,TDS JIT3抖動分析和定時軟件簡介,2004.04.09.
[3] 電子發燒友,抖動的概念和抖動的測量方法,2008.11.27.
[4] 電子工程專輯,相位噪聲和抖動的概念及其估算方法,2004.06.30.

2013年5月7日 星期二

超高速40 G&100 G實體層測試

超高速40 G100 G實體層測試

 現今通 訊產業所面臨到的最大挑戰來自於核心網路的頻寬擴充,網路資料量暴增是驅動網路頻寬成長的動力,現今,最大的驅動力來自於影像傳輸,不論是來自客戶端的影 像內容提供網站如YouTube或是HULU,還是由電視公司或是電信業者所提供的商業服務,分析者預期網路頻寬爆炸性成長還會持續,特別是利用IP pipes來傳輸高畫質的影像。
 更快速 的資料內部連結(interconnects)需求導致大量高速實體層的電路與元件的研發,檢視元件的研發與生產需求所需的量測儀器,必須要可以發送與接 收訊號,這個訊號是必須任意可調整的速率振幅和訊號格式,測試設備也必須要能夠察覺接收訊號產生的每個位元錯誤與所有的誤碼率(BER),Anritsu MP1800A 因應40G和100G超高速實體層測試需求而設計。
 IEEE分別就40G和100G數據傳輸速率進行研究,發展訂定針對40G與100G的IEEE 802.3ba規範,2008年10月, 發布IEEE 802.3ba 1.0版本。
 兩轉傳輸速率分別用在不同的網路應用, 40GE主要針對伺服器到交換器(server-to-switch)間的應用, 而100GE 主要應用為骨幹網路以容納由各處匯集而來的網路流量.而所提出來的802.3ba規範支援全雙工操作並且保存標準802.3 MAC (媒體存取控制)框架格式,包括當前最大值與最小值的框架大小.規範規定MAC/PHY介面誤碼率(BER)要在10-12或是更佳的狀態。
Media
40 GE
100 GE
 
min run length (m)
min run length (m)
Single-mode optical fiber
10 km
40 km
Multi-mode optical fiber
100 m
100 m
Copper-cable assembly
10 m
10 m
Copper backplane
1 m
N/A
 從上表我們可以很清楚的看出, 實體層的規格考慮到各種不同的傳輸媒介,就如同其他的高速乙太網路規範. 與其他的網路規範一樣,802.3ba利用多重訊號的優點,在特定介質上傳輸.就像在光纖上, 100GE 實體層是利用四個波長, 每個波長各傳送25Gbps 數據傳輸速率. 但是對照到銅纜上, 則是利用不同通道,每個通道的傳輸速率為10Gbps所組成. 在文件中也是參考像是10x10的安排.上述兩個案件都是100Gbps的案例。
 為了補 足IEEE制定規範不足的地方, IEEE又與其他的規範制訂團體和企業組織合作.ITU(International Telecommunications Union)-國際電信聯盟 study group 15 開發DSL(digital subscriber line), PON(passive optical networks)和最重要的OTN (optical transport network). ITU-T standard G.709 定義了OTN實體介面包括了像是框架結構,多路傳輸, 封包mappings. 40G和100G實體層規範的關鍵_ITU 建立了WDM(wavelength division multiplexing)數據傳輸方式.ITU與IEEE間相互合作,允許電信網路骨幹與區域網路應用利用基礎技術相容的優點互取所長。
 在 MAC層操作的數據封包傳輸率上.有12%額外的頻寬負載給非封包元素如frame header, FEC(forward error correction) code overheads. ONT實體層元件和模組測試設備,必須可以支援訊號傳輸率到28Gbps.此外關於數據編碼與框架的內容, 實體層規範必須定義訊號標準給每個不同介質.訊號標準定義數據傳送器與接收器如何將線性訊號判斷其正確的位元值.OIF(Optical Interconnecting Forum)是制定光學介面標準的產業組織. OIF 會推薦網路互通性,包括一些挑戰高速訊號傳輸的背板規格.OIF 推薦一種特殊的光學調變模組計畫-DP-QPSK (dual polarization quadrature phase shift keying)-用於100G網路應用的調變技術。
 廣泛採用單一標準的光學調變方案解決了許多問題:對於光學元件製造商來說,可以只生產 單類型的產品給更多的客戶。對於系統製造商而言,一個共同標準的調變技術的出現,可以擴大規模經濟規模,降低光學元件和實體層模組成本。對於系統運營商來 說,單一的調變方式可以讓不同的系統供應商所生產的設備便於互通。 在較低的數據傳輸速率,在光通訊產業已能夠利用簡單的二位元訊號來產生光學鏈路。因為70或是80年代所埋設的光纖是為了滿足較低速率的傳輸,有傳輸速率 的限制,所以要在現有的光纖設備上推動高傳輸速率訊號時,迫使業界利用類比RF的調變技術。要電信業者重新鋪設大容量的光纖以滿足不斷增加的數據傳輸量而 是不切實際的。重要的是,如何利用現有的光纖來達到高速的數據傳輸速率。簡單地轉換二進制碼可以將100 Gbps的信號傳送約3公里的距離,在PMD(偏振模色散)和CD(色散)效應使信號無法讀取前。
 調變機 制如DP-QPSK允許實體層元件傳輸和接收多重位元在單一個symbol內.使得我們可以利用較低的傳輸頻寬來滿足較大的數據傳輸量.若是只侷限在私人 網域,傳輸線路兩端使用相同製造商所製造的元件,特別的調變機制是一個影響不大的問題.但是當應用在公共網域上時,使用者利用不同廠商所製造的元件來做連 結十時,一個共通的調變機制是必須的。
 為了加 強高速網路數據傳輸能力需要正向錯誤更正(Forward Error Correction)來輔助.適當測試訊號的產生與辨識能力必須依靠FEC的編碼解碼.支援100GE 長距離測試的測試儀器必須要可以測試利用DP-QPSK調變來傳送和接收100Gbps資料封包的元件.測試儀器會產生四個同步的25Gbps資料封包串 流.同樣的,40Gbps DQPSK  (differential quadrature phase shift keying)調變技術需要兩個同步的20Gbps資料封包串流(圖1).
 在這兩種應用的測試功能,必須包括足夠的靈活性,允許測試者利用bit pattern,調變的相位與頻率進行試驗已計算調變通道的邊際(margins)範圍測試環境必須要可以測試多通道串流, 充當傳輸器來測試接收器的功能或是變成接收器測試傳輸器功能.在某些特定的時機, 也許不需要每個通道的位元串流資料都是獨立的.這是我們可以利用RF splitters來做分流。
 
 另外一 個考慮,在選擇14到28 Gbps測試設備要點為是能夠改變光子介面的工作點.有些光調製器驅動器可產生的最佳的交叉點並不是在50%的位置點.若測試儀器可以調整正常信號振幅的 交叉點從20至80%,如安立知MP1800A 誤碼率分析儀(BERT).利用調整驅動信號與光調製器的固有特性相配合,工程師們可以更能精確地掌握實體層真正的效能邊際範圍。
 另一個與此系統應用相關的領域為銅線內部互連(copper interconnects).在FR4基板上的內部系統的通訊連結電路.以前OIF CEI (Common Electrical Interface) electrical and jitter 互通協定,在一定的傳輸距離內FR4線路極限值為11Gbps.現今OIF正在推動傳輸速率達到20Gbps甚至25Gbps的目標.FR-4是一種高損 耗的材質,所以新的PCB材質開始被新市場所接受以達到傳輸更高頻率的目標.系統商想要實現20Gbps通訊通道就必須考慮到PCB有限的高頻效能. 特别是,必須知道傳輸訊號必須是pre-emphasis signal,它可以減少串音(crosstalk)影響,特別是在雙向饋線間。
 當訊號達到20或25 Gbps傳輸率時,開始有許多訊號完整度的問題需要去考慮。 隨著訊號傳輸率的增加,對於訊號完整度的考量越來越重要,在產品量產前我必須去注意在PCB板上每一對差動訊號線在測試版上的表現是否符合標準。未經測試 而盲目的設計電路不太可能有足夠的效能表現,並且對產品開發日程表和預算而言,測試板修正週期所付出的代價是非常昂貴的. 隨著電路設計因為寬頻訊號匯排流複雜度增加,阻抗匹配將變的更困難.因為必要的繞線規劃會導致平行線傳輸長度之間的不匹配。
 阻抗的不匹配會導致反射(reflections), 振鈴(ringing),和 串音(crosstalk)等干擾現象增加。銅線的路徑長度也會導致通道間的時滯現象變的嚴重-差動訊號的傳輸導線不等長所造成的相位差. 好的電路測試可以讓設計者在量產之前確認基板的效能是否在可接受範圍內.系統商與PCB製造商還必須確保測試板的性能可以達到信號完整性的標準. 這類應用的測試設備必須要可以設定相關訊號參數來完成訊號容忍度相關測試。
 根據不同的應用系統,特別是那些光驅動元件,訊號振幅可能會高達3.5 V.測試儀器為了驗證系統及其部件,因此必須在全速數據傳輸速率下可以達到3.5 V訊號振幅,以及多重信號的相對相位調整。而要可以產生兩個相對應的訊號,且可以輕易的調整不同訊號間的相位關係來完成訊號容忍度的測試,測試儀器需具有 高振幅訊號輸出能力與多通道的高速PPG(pulse pattern generators)架構.不論在任何速率下,都可以產生真的PRBSs (pseudorandom binary sequences)訊號與可自我任意編輯訊號的能力是非常重要的.因為在許多的協定規範裡需要用ITU-T O.150和O.151 (PRBS-7 or PRBS-31)來進行測試. 市面上有些測試儀器並不符合ITU - T的建議,因為他們的PRBS是利用低速率的訊號多工成高速率的訊號.但是因為多工程序的不正確而沒有產生真的PRBS訊號。
 一個完整符合此應用的測試儀器除了PRBS訊號外,還必須要可以讓使用者自行編輯它所 需要的測試訊號.晶片商或是設備商可以利用此種可自行編輯的儀器來完成新規範的量測, 不需再添購新儀器或是功能來符合新規範的量測. 目前測試設備通常可提供高達128或256 MB的記憶體供使用者編輯訊號封包,足以支援複雜的協議。
 光調變器的測試比較關切的是通訊通道內實體層的表現:在不同的極化現象下系統的穩定 度,訊號調變在光源上後的互通性和pre-coding在光纖上降低傳輸損耗的效果.儀器需要可以獨立產生兩個訊號.PPGs 必須可以控制兩個獨立訊號通道的相位位移和產生可編輯的訊號封包來評估串音所帶來的巨大影響與訊號調變產生的效益。
 光纖接收器必須從所接收到的訊號裡面去抽取clock訊號. 接收器讀取輸入的數據流-隨機分佈的1和0訊號-來辨識節奏.CDR (clock data recovery)電路檢查原始的訊號,辨識節奏然後產生內部接收通道的colck,讓系統當作判別訊號的依據.只要0和1的數量相當,CDR是可以正常 工作的.但是在高速通訊連結中, NRZ (non-return to zero)訊號包含一長串的0或是1是很常見的. 足夠長的連續0或是1序列將打破的CDR的產生clock的正常運作.這是一個簡單的pattern-dependent錯誤機制例子.為了預防接收通道 產生此類的錯誤,一些調變協定不允許0或1的串流長度超過規定值。
 測試高密度的零,高密度的壹,與反相訊號等一些常見的測試模式來測試相依訊號的相互作 用。轉變的錯誤(Transition errors),非轉變的錯誤(non-transition errors),編碼插入錯誤(code-insertion errors)和編碼遺漏錯誤(code-omission errors)都屬於通道失效模式。測試系統必須產生,恢復和分析雙通道差動訊號在28 Gbps的傳輸速率。
 測試環 境應該簡化解釋測試结果的程序和轉換被搜集的信息由測試系統或信號參數調整通訊鏈路的物理特性的測試結果。例如,omission errors和insertion errors可能來自一個臨界值偏移(threshold offset),而同樣的錯誤也在特定狀態,轉換,或是交替式通道裡的訊號也許表示串音干擾所造成。
 請注意,大部分通道失效模式源於類比行為。這一概念的通訊通道是一種數據訊號傳輸機制.在實體層層,信號本身-無論是電子脈衝通過銅纜或銅線或光的脈衝訊號通過光纖鏈路-始終是一個類比現象.為此,許多方法適用於高速實體層電路與高頻設計和訊號條件有關係。
 其中一 個高頻訊號條件的方法是pre-emphasis,在訊號的0與1的轉換過程去加重轉換後的每個起始位元的位準(圖2).歷史上,系統採用預加重處理兩種 類型的問題.第一,訊號是受到通訊通道的限制,其中主要是通道雜訊,而頻譜平坦度是一個次要的考慮.電視音響,無線電廣播和地面模擬音頻記錄系統都利用 pre-emphasis這種方式來做傳輸.通過提高訊號的高頻內容傳送訊號通過通道,接收器可以衰減掉相同數額高頻能量。接收器執行此功能通過一個相互 去加重的過程,並在這樣做,它恢復了原始訊號的頻譜特性,通道雜訊有顯著減少。
 Pre- emphasis的第二個應用,主要是通訊通道頻寬有相當大的限制.在數據通訊,無論銅互連和光纖傳輸都有此種這種現象,銅由於其材料的限制和光纖則是由 於色散效應的影響。正如在第一種情況下pre-emphasis增加了訊號傳輸時的高頻內容.我們的目標是,以補償interconnect介質所產生的 高頻衰減,並在這第二種情況下,接收方不須執行de-emphasis。pre-emphasis補償了材料的損失,我們可以觀察經過傳送後的訊號眼圖, 由於ISI(inter-symbol interference)所引起的失真現象明顯減少。
 發射機 傳送經過塑形的訊號如pre-emphasis帶來其他好處,讓越來越多的高速序列連接阜的規範要求訊號需要有pre-emphasis 處理。若是訊號不做pre-emphasis的處理,例如,非歸零碼(NRZ)訊號受到更大的訊號衰減,在接收端訊號抖動(Jitter)增加,訊號品質 下降,隨著電路內部數據互連(interconnects)與外部訊號傳輸速率越來越快速,如IEEE 802.3ab持續推動著更高速的傳輸技術.研發與生產人員會遇到更艱難的挑戰,需要適當的量測設備來支援不同的傳輸率、不同的訊號強度與格式。

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ITU-T新標準Ethernet SAM vs IETF RFC 2544測試方式


ITU-T新標準Ethernet SAM vs
IETF RFC 2544測試方式
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   現今網路設備及乙太網(Ethernet) 線路測試主要採用BERT (Bit error rate test) , IETF RFC 2544及QoS (quality of service ) 測試包含VLAN , MPLS,IP DSCP等網路參數。
本文將探討現行之乙太網測試方式與2011 ITU-T新訂定之標準
Ethernet Service Activation Methodology有何不同:

 
現行乙太網路測試方式BER測試、RFC 2544及QoS (quality of service )
   BERT 誤碼率測試訂定於ITU-T / IEEE組織主要應用於實體層及傳輸線路品質之量測,在實體層量測方面在傳送端透過PPG(pulse pattern generator)產生實際的PRBS pattern透過接收端ED(error detector)進行位元誤碼率的偵測通常測試標準在10E12甚之更高,而在傳輸線路品質的測試則是建立在資料連結層或網路層,於實際傳輸的 payload塞入PRBS pattern 及Sequence number 以進行誤碼率測試,於資料連結層與網路層進行誤碼率測試主要驗證在傳輸過程中payload的誤碼率,請參考圖一,二。
圖一
 
圖二

   RFC 2544起源1999年IETF組織所訂定,當時訂定主要是基於網路設備包含路由器、交換器、集線器之設備品質驗證及建立參考之基準。
 
常用的RFC 2544測試包含:
吞 吐量(Throughput )測試
    意指在無任何Frame loss情況下可傳送之最大速率,一般電信工程師亦會利用此測試驗證乙太網線路傳輸流量的上限,當進行Throughput測試時如有封包遺失則進行 1/2遞減,如無封包遺失則進行1/2流量遞增直到測試到最大吞吐量(throughput),如圖三。

訊框遺失(Frame loss)測試:
   該測試決定交換機在持續負載狀態下應該轉發,但因資源缺乏而無法轉發的訊框的百分比。
 
延遲(Latency)測試:
    首先確定網絡設備的最大吞吐量,然後以此吞吐量速度繼續傳送120秒的數據流以進行延遲的測試。
 
突發(Back-to-back or burst)測試:
透過最長與最小Burst frame進行待測物測試量測待測物的緩衝能力。

如上RFC 2544標準主要可針對不同封包大小進行單一吞吐

 
    (Throughput)、 訊框(Frame loss) 遺失、延遲(Latency)及突發(Back-to-back or burst)等多種自動化測試,由於該測試項目為Step by step的方式進行故測試時間較長,相對的有些問題容易忽略,例如在測試時發現延遲(Latency)過高,我們想瞭解當時的吞吐量 (Throughput)必需等延遲(Latency)測試結束然後再進行吞吐量測試才能得知,也就是說在RFC 2544測試時無法得知同時間點其它測試之結果。

    傳統IP網路所有資料都被區別等同對待,每個路由器/交換器皆是採用先入先出(FIFO)的方式進行封包傳送,盡力(Best Effort) 的將封包送達目的地,但確無保證傳送的可靠性及延遲。但隨著IP網路服務普及應用多元化,對IP網路傳輸之質量要求也相對的提高,例如VoIP與IPTV 等即時傳輸之應用對傳送延遲菲常的要求,當延遲增加即可能造成VoIP斷音或服務中斷,而相對於一般資料傳輸如FTP、E-mail則可放寬延遲時間的要 求,電信營運商不僅要確認該傳輸線路之品質亦要確認是否有符合簽訂之SLA需求,因電信營運商通常會因應客戶需求設定不同之服務等級來提供服務,在進行線 路品質測試時則會依據簽訂之SLA於儀器上設定多筆資料流以驗證服務等級,請參考圖四。

 圖四 ITU-T Y.1564 Ethernet Service Activation Methodology (Ethernet SAM)

新標準Y.1564介紹:
    ITU-T Y.1564  Ethernet Service Activation Methodology,是ITU組織新推動的
一個測試標準,基於乙太網路的安裝、維護它是唯一公認的測試方法,使安
裝維護人員可完成的驗證SLA在單一資料流上。

Ethernet Service Activation Methodology主要測試目標可分為三個部份
(1) 作為一個網路Service Level Agreement ( SLA)協議驗證工具,確保服務保證符合品質及控制測試時間。
(2) 為了確保所有的服務在所進行的網路滿足其SLA目標,並以最高承諾速率進行測試,以證明在最大負載網路設備和路徑可以支持所有的流量。
(3)要執行中、長期服務測試確認網路設備,可以正確進行所有服務以進行壓力測試。
 
Ethernet Service Activation Methodology測試程序可分為兩大部份:
(1)服務配置測試(Service Configuration Test) 確認網路能配置一個單一數據流設定CIR ( Commit information rate) 選擇單一或是混合之封包大小進行測試,同時可選擇依設定之速率進行階層式如25%、50%、75%、100%、及100%+EIR或是單一速率進行最大值 之測試。
(2)服務品質測試(Service Performance Test) 針對不同之服務設定CIR,如Video SDTV / HDTV 分別為7M / 22M,Voice亦可採用不同之codec 進行測試,於此項測試我們可設三筆資料流分別為Data、Voice及Video設定各項參數包含CIR、EIR、優先權、等設定後進行測試。
   透過上述2個測試程序並依使用者需求訂定SLA之條件,可透過儀器Pass /Fail機制快速驗證設備傳輸品質

圖五


ITU-T Y.1564 Vs IETF RFC 2544
    在RFC 2544主要測試項目包括Throughput、Latency及Burst,但由於RFC 2544標準主要是驗證網路設備極限效能,故測試方式為單一資料流進行單一標準測試,如進行Latency 測試時延遲時間過高,我們無法得知當時的Throughput 及其它會造成延遲的網路因素,而新標準Y.1564則是在同一時間進行IR、Latency、Jitter、Sequence error、及QoS測試,故我們可以很快速的瞭解當時的狀況,同時在測試時間比較RFC 2544 測試封包大小越多則測試時間越長,而Y.1564標準則可在相同時間內測試不同封包大小的CIR、Latency、Jitter及Sequence error大大的縮短測試時間。

    表 一為Y.1564及RFC 2544測試標準之比較,Y.1564 綜合了BER、Multi-Stream及RFC 2544之優點能透過同時且快速測試驗證設備性能及傳輸品質包含IR、Latency、Jitter、Sequence error 及QoS,請參考表1之比較。

表一為Y.1564及RFC 2544之測試比較:
Item
Y.1564
RFC 2544
Multi Stream.
Yes
No
Jitter.
Yes
No
Sequence Error.
Yes
No
Availability.
Yes
No
Batch display of results.
Yes
No
Performance Limitation, Auto Search.
No
Yes
Test pattern
Standardizes mixed multiple frame length and burst.  Emulating actually network.
Tests with fixed frame length  and fixed rate.


表二為Y.1564及RFC 2544應用之領域:
Item
Y.1564
RFC 2544
Comment
Designed for Element testing.
No
Yes
When testing a single component you should stress it and multiple frame sizes sequentially.
Designed for Network testing.
Yes
No
When testing a network you should stress by generating multiple streams at the same time.
Fast testing time.
Yes
No
The testing time can be almost the same depending on the settings but if the full RFC is completed it is very long.  Y.1564 can take longer but allows the user to select shorter measurement times if they wish.
Settings work with SLA’s.
Yes
No
Y.1564 settings can be configured based on customers SLA agreements.
Works on a loaded network.
Yes
No
Both are able to work on active networks but RFC 2544 is designed to find the network limit while Y.1564 is designed to find the circuit limit. Incorrectly configured either will bring affect customer traffic.
Designed to test burst ability.
Yes (partial)
No
Y.1564 Appendix I is for testing CBS and EBS but this is not released and currently considered experimental.


    表 三為安立知針對ITU組織新提出之標準Y.1564所提供之設定界面,透過淺顯易懂方式進行Service profile 的設定,其中包含了一般數據流量、各種Voice 編碼方式及Video HDTV / SDTV流量之設定,依法不同的traffic flow設定CIR/EIR值,且遵循metro Ethernet forum 10.2 version所訂定之color mode訂定不同顏色之服務等級標誌,並可經由表四進行frame loss、Latency及Jitter等門檻值的設定以進行SLA服務等級之測試

表三:安立知MU909060 Y.1564 測試設定畫面


表四:安立知MU909060 Y.1564 測試設定畫面


圖六


表五

    圖六可看到安立知之測試儀器所設定之traffic flow依不同服務之種類設定不同之CIR及優先權,透過簡單之門檻值設定進行Pass / Fail 的判斷易於使用者閱讀,於表五之測試之報告可依服務之服務別進行測試,可讓測試之工程師瞭解實際之測試狀況。
    事實上Y.1564之標準與RFC2544是不同類型之測試方式,RFC 2544主要用於設備性能極限化之測試,而Y.1564之測試則偏向設備/傳輸線路之品質及QoS相關設定進行測試,可符合電信營運商及設備商針對不同應用之快速測試。
作者:安立知股份有限公司 發表於2011/8/3 上午 10:50:58

2013年4月26日 星期五

建構高效安全的廣電傳輸網

构建高效安全的广电传输网

【摘要】本文主要介绍随着三网融合的深入,广电运营商在双向网改造的同时,加大了对骨干网和城域网的建设,使之能够满足广电网络的带宽需求,现阶段主要利用先进的OTN和PTN等传输网技术来构建高效安全的广电传输网络。
【关键词】广电干线网/城域网 OTN PTN
【正文】
2011年12月30日,国务院办公厅公布三网融合第二阶段试点城市,表明三网融合的力度正在逐步加大,广电运营商在在双向网改造的同时,加大了对 省级干线网和本地城域网的建设,使之能够满足广电网络的带宽需求,现在主流的干线网和城域网采用OTN+PTN(或MSTP)的建设模式,如下图所示:
 
广电网络建设模型
根据广播电视总局的规划和广电网络的现状,可以将广电网络可以分成5个部分:
第一部分为国家级干线网,从2011年开始中国有线已经开始采用OTN技术进行国家干线网络的规划和建设;
第二部分为省级干线网,到目前为止,全国大多数省份的干线网络已经建设完毕,未建设完毕的省份也在对省干进行规划和建设中;
第三部分为本地城域网,有些省份建设相对较快,如江苏省各个地级市的OTN网络几乎建设完毕,有些省份相对较慢,还在进行建设或者规划中;
第四部分为市到县网络,该部分网络建设相对较慢,很多省份的市到县网络还未开始建设,预计在2013年会有大规模的建设;
第五部分即接入网部分,包括采用PTN或者MSTP技术进行大客户专线的接入和采用PON技术进行家庭网络的接入。
OTN构建高带宽,长距离,大容量的传输网络
OTN技术以多波长传送、大颗粒调度,远距离传送为基础,综合了SDH和WDM的优点,可在光层及电层实现波长及子波长业务的交叉调度,并实现业务的接入、封装、映射、复用、级联、保护/恢复、管理及维护,形成一个以大颗粒宽带业务传送为特征的大容量传送网络。
OTN技术包括三大关键技术:
(1)、标准化的G.709协议,支持ODUk交叉体系,包括ODU0、ODU1、ODU2、ODU3、ODU4、ODUflex映射体系,完美适配各种业务带宽,在提供全业务接入的基础之上,保障业务承载效率。
(2)、基于ODUk的电层调度,支持任意ODUk到任意波长的交叉,可以实现业务的端口到端口灵活调度。
(3)、基于ROADM的光层调度,支持任意波长到任意端口的指配,配合可调谐OTU,实现光网络波长自由上下。
OTN技术是从WDM发展而来,同时借鉴了SDH的运营管理经验,因此拥有强大的OAM能力和保护能力。
随着业务量的增多以及用户对带宽需求的增长,传输网络对带宽提出了新的要求,需要从原来的10G系统向40G系统、100G系统发展。2011年开 始,各大运营商开始100G网络的测试和试运营,而在2012年中国电信进行了100G设备的集采,其中烽火成为最大的赢家,分配了40%以上的份额,中 标的12个项目覆盖华东、华中、华南、西南、西北等多条国干、省干和城域本地网。中国移动也在近期组织了100G的测试,烽火首先完成了所有的测试。广电 运营商也在陆续进行100G网络的规划和建设。
OTN技术在广电网络有如下的价值体现:
(1)灵活的调度能力:提供业务端到端连接,支持大颗粒和专线业务快速传递;高效的业务汇聚能力,提高带宽的利用率;同时减少了穿通业务的光电转化次数,节省转化成本;
(2)全面的保护能力:光层和电层保护,覆盖从业务接入到光缆的每一个点;光电联动智能保护,抗多次光纤失效,与IP保护协同工作,建设安全的OTN网络;
(3)高效的管理能力:一键式业务自动化部署,大大减少运维人员的压力,拥有类SDH的网络管理和维护能力,开销字节性能够提供检测和故障定位功能;
(4)较低的建设成本:客户侧和线路侧OTU的分离,可以部署带宽资源池,提前建设网络,业务即插即用,同时减少了业务类型改变带来的浪费,支持业务的平滑升级,有效保证了初期的投资。
PTN构建高品质的城域接入网
PTN技术引入了分组特性:支持高效统计复用功能,提供端到端的弹性管道;利用面向连接的网络提供可靠的QoS保障。同时,PTN技术保留了传送网 的功能特征:继承传统SDH的运营管理经验可以进行快速的故障定位、故障管理和性能管理等丰富的OAM能力,提供可靠的网络生存性,支持快速的保护倒换。
PTN关键技术主要有以下两点:
(1)基于MLPS的交换,利用标签交换能力,提供弹性的管道,使网络的汇聚比不再受限,同时采用了IP化的内核(传统的SDH、MSTP技术为TDM内核),天然适配现在大量的IP化的业务需求,;
(2)引入PWE3(电路仿真)技术,对E1和SDH业务进行仿真,支持TDM、ATM等传统业务,真正做到了全业务的承载。
PTN技术从SDH技术发展而来,继承了SDH的运营管理经验,可以提供可靠的网络保护机制,具备完善的OAM能力。
针对广电运营商不同的业务类型,PTN能够提供强大的QoS能力,做到针对不同的客户,不同的业务进行详细的区别和业务保证;
PTN技术在广电网络有如下的价值体现:
(1)通过提供端到端的弹性管道,利用不受限制的汇聚比,提高了网络的灵活性和带宽的利用率;
(2)分组化、IP化的内核天然适配现在大量的IP业务,提高网络的承载效率;
(3)完善的OAM能力和可靠的保护机制使得PTN网络便于管理维护,同时提高了网络的安全性;
(4)强大的QoS机制,很好的对业务和客户进行层次化的管理,从而提供一张电信级的网络。
OTN、PTN产品在广电网络中应用
OTN和PTN技术在广电网络中已经取得了广泛的成熟应用,应用范围包括干线网络,本地城域网中。烽火从2002年开始对OTN技术的跟踪和研发, 经过几年的努力,逐步在国内引领OTN技术的发展,目前已经推出全系列的OTN产品和全系列的PTN产品,形成了端到端的解决方案,产品覆盖核心层、骨干 层、汇聚层、接入层,其产品系列包括FONST系列的新一代OTN传送平台和CiTRANS系列的新一代PTN产品。
OTN在省级干线网中的应用
采用大中型OTN设备组网,组成环形网或多环嵌套的MESH网。T比特级别的交叉容量,从容应对省级干线业务调度的需要,极大的提高了网络的灵活性,光电两层保护机制有效保障了网络的安全性和生存性。
 
北方某广电OTN省级干线网
上图为某省广电OTN干线网络,传输业务为10GE/10G,2.5G和GE,通过节点加载电交叉(OTH)并利用光层(ROADM)组成环网,实现业务向广电中心机房的汇聚和保护。
该OTN干线网络利用ODUk电层调度适应统一调度的需要,利用光层ROADM实现波长级动态调试,使用光层和电层保护形式提高了网络的可靠性,并且全网采用SM、PM监控字节,实现端到端的业务维护与管理。
OTN在本地城域网中的应用
采用中型OTN设备组网,组成环形的拓扑结构,T比特级别的交叉容量,支线路分离的架构提高业务的调度能力,利于网络的平滑升级。
 
南方某市广电OTN城域网
上图为某市广电OTN干线网络,两个核心环和四个接入环,核心环为96波*10G系统,接入环为48波*10G系统,主要承载IPQAM,宽带上网和大客户专线业务等广电现有所有业务,实现业务向广电中心机房的汇聚和保护。
采用支线路分离的OTU架构,提前部署带宽池,大大减少业务开通时间和业务类型变化带来的带宽浪费,基于ODUk的电层调度能力,提高了网络的灵活性,采用基于ODUk 1+1的电层保护方式,提高网络的可靠性。
PTN在本地城域网中的应用
 
南方某市广电PTN城域网拓扑图
该网络采用全PTN的方式,共建设31个站点,构建两个10GE速率的核心环,进行业务的调度,其余站点进行业务的接入汇聚,全网均采用烽火网络 CiTRANS系列的PTN设备,利用wrapping环网保护和LSP 1+1线性保护,达到电信级50ms的要求,提高网络的安全性。对于后期的扩容,可以先将现有的GE速率网络升级成10GE速率的网络进行网络优化,只需 要通过增加10GE的板卡即可实现,后期还可以根据网络情况升级成40GE的PTN网络或者叠加OTN的网络形成OTN+PTN的组网模式。
总结
随着三网融合的力度加大,广电运营商需要对全业务进行承载,而大量IP业务的发展需要广电网络能够提供高带宽的保障,同时需要能够进行灵活的业务调 度,强大的OAM能力,完善的保护机制和丰富的QoS等级,来提供一张电信级的网络。OTN和PTN技术作为新一代的传送网技术,能够很好的满足上述要 求,在各大运营商中获得了成熟的应用,烽火积极把握行业发展趋势,始终以客户需求为导向,立足光通信产业的发展,拥有成熟的OTN系列产品和PTN系列产 品,同时为广电运营商提供定制化的产品,与客户共同努力,建设一张高效安全的广电传送网来应对三网融合带来的挑战和机遇。

以太环网保护技术应用探讨(G.8032)

以太环网保护技术应用探讨

摘要:ITU-T G.8032协议是国际上最新成熟的标准,本文对各种以太环网保护技术进行了比较分析,对 ITU-T G.8032协议以及修订版的保护倒换机制进行了阐述,并分析了协议中存在的问题。
关键词:以太环网;G.8032;保护倒换

0引言
以太网是目前应用最广泛的局域网技术,它具有简便,经济和高数据速率等特点。近年来更是迅速向广域网和城域网技术发展。电信级以太网要求网络自愈时 间在50ms以内。因此,如何提高以太网技术的可靠性成为人们关注的焦点。以太环网保护技术标准纷纷涌现,从最开始的生成树(STP)协议,弹性分组环 (RPR)技术到后来的EAPS(RFC 3619)技术,技术慢慢走向成熟。2008年3月,ITUT-T 发布了G.8032协议,它吸取了其他协议的优点,为二层以太网络提供高可靠性服务,成为国际上的成熟标准。

1 技术比较
在二层交换网络中,一旦存在环路就会造成报文在环路内不断循环和增生,产生广播风暴,从而占用所有的有效带宽,使网络变得不可用。在这种情况 下,STP技术应运而生。STP是一种二层管理协议,它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的,同时具备链路的备份功能。STP协 议和其他协议一样,是随着网络的不断发展而不断更新换代的。最初被广泛应用的是IEEE 802.1D STP,随后以它为基础产生了IEEE 802.1w RSTP、IEEE 802.1s MSTP。但实际应用中STP链路切换收敛时间受网络拓扑影响,一般收敛时间为秒级,网络直径较大时收敛时间更长。采用MSTP协议虽然可以减少链路切换 收敛时间,但是仍然不能满足高服务质量业务50ms倒换的需求。实际组网中存在环路的以太网络拓扑结构,并且要求链路切换收敛时间小于50ms。
弹性分组环(RPR)技术能够实现快速收敛,它的保护倒换时间小于50ms。RPR技术兼有SDH和以太网技术的优点,因此,广受设备商的关注。但是它需要使用额外的硬件才能支持,投资成本高。
IETF RFC3619即EAPS,它采用Polling及故障通告机制检测以太网故障和相对简单灵活且易于实现的保护倒换协议,较好的满足了城域网语音与数据等 业务的需求,早期被一些设备厂商在汇聚网络上商用,并在此基础上不断改进,后期各厂商又在此基础上衍生出多个私有的技术,如中兴ZESR、华为RRPP、 烽火网络ESR等以太环网保护技术。分析发现EAPS存在两个明显弱点:故障通告丢失或因某种原因未能触发故障通告,依靠Polling机制检测发现故障 时间较长,不能满足50ms保护倒换要求;若链路故障是单向的,Polling机制可能检测不到该故障并不触发保护倒换。而且它没有形成一个正式标准,各 个厂家都有自己的解决方案,让互通性成为难题。
ITU-T G.8032定义了以太环网自动保护切换机制,克服了EAPS的上述弱点。它的切换时间小于50ms,能够实现链路的双向故障检测,支持多环多域的拓扑。这些优点让它成为国际上最成熟的标准。

2 G.8032协议原理介绍
2.1 基本概念
RPL(Ring Protection Link):环保护链路,在正常状态下,这段链路一直处于阻塞状态,以防止成环。当环中有链路故障时,就启用这段链路,完成保护倒换。
RPL owner:RPL拥有节点,它负责阻塞RPL链路。正常状态下,该节点中与RPL相邻的端口block。
G.8032中规定,一个环中设定一个节点为Owner节点,其他节点都是普通节点。同一个环的节点配置相同的控制VLAN。G.8032的保护倒 换的实现是基于APS(Automatic Protect Switching自动保护倒换)协议的,它的控制报文在APS通道中传递。
2.2 G.8032基本原理
G.8032的故障检测机制不同于其他协议,它采用Y.1731或IEEE 802.1ag中定义的连续性检测(CC)进行链路双向转发检测,能够定位故障点并检测故障是单向还是双向的,并且用于保护转换时,CC帧默认的传输周期 是3.33 ms(即每秒300帧的传输速率)。G.8032通过Y.1731通告的消息来判断链路的状态,并做出相应的处理。G.8032的控制报文类型主要有SF 和NR,如果检测到链路故障,就发送SF(signal failed)消息,检测到链路恢复,就发送NR(No Request)消息。如果检测到链路状态变化,连续发送三个报文,之后报文的发送速率是每隔五秒发送一次
G.8032定义了两种状态,Idle或Protect状态。环路正常时,就处于Idle状态,要是发生链路故障,就处于Protect状态。恢复 时有两种模式,可恢复模式和不可恢复模式。在可恢复模式中,故障链路恢复之后,环路还是处于Protect状态,主节点启动WTR计时器,当计时器超时 后,环路才切换到Idle状态。在不可恢复模式中,故障链路恢复之后,故障链路恢复节点仍然阻塞故障端口,周期性通告NR,收到NR的节点,包括 Owner,转发,不做其他处理。
下面用图来说明不同场景下G.8032的保护倒换机制。
如图1所示,这是环路处于正常状态的时候,S1设定为拥有节点,阻塞S1中的a端口,S1与S4之间的链路为保护链路RPL。此时Owner节点S1周期性的向其他节点发送NR,RB消息。

图1 环路Idle状态
如果发生链路故障,则切换到Protect(保护)状态。如图2所示,S4和S3之间的链路故障。节点S3、S4检测到链路故障,阻塞故障端口,并 且周期性的发送SF消息,通告环路中的其他节点链路已经故障。其他节点接收到SF消息后,打开非故障阻塞端口,并刷新MAC。这样,拥有节点S1收到SF 消息后,就会打开之前阻塞的RPL端口,业务切换到RPL链路,整个环路完成了保护倒换。

图2 环路Protect 状态
图3示例可恢复模式中故障链路恢复时的倒换机制。

图3 故障链路恢复
S3和S4节点检测到它们之间的链路恢复,但是仍然阻塞之前处于故障状态的端口,并且周期性向外发送NR消息。拥有节点接收到NR消息之后,马上启 动WTR计时器,计时器超时之后,阻塞RPL端口,并向外发送NR,RB消息。S3和S4接收到NR,RB之后,打开非故障阻塞端口,环路切换到Idle 状态。这里还定义了一个Guard Timer计时器,在S3和S4检测到链路恢复后马上启动,计时器运行期间,将忽略来自远端的SF信号,它的作用是防止成环。而WTR计时器的作用是防止 环路来回倒换,让环路可以稳定倒换。
2.3 多环保护倒换机制
2009年,ITU-T 发布了G.8032协议的修订版,这个版本主要增加了以太网多环的保护方案。修订版里面增加了一些新的概念。
互联节点:连接多个环的节点。
子环:通过互联节点与其他环或网络连接构成的环。子环并不闭合,互联节点不属于子环。
R-APS虚通道:子环在互联节点之间的R-APS信令通道。
如图4所示,这是一个多环模型。
 
图4 多环模型
图4中,S3和S4为互联节点,他们之间的链路为共享链路,共享链路属于主环。主环上连接互联节点的为虚通道,虚通道是主环上的一条冗余链路。主环 和子环看成两个环,每个环设定自己的Owner节点。多环的保护倒换和单环相似,各自处理自己环内的故障。需要注意的是,如果共享链路故障,主环切换到保 护状态,子环不做处理。

3 需要解决的问题
修订版中定义了子环模型,这种模型可以支持任意多环网络的拓扑结构,应用范围更广。但是协议还是只针对单点故障提出了保护方案,对于多点故障,没有 切实的解决方案。协议中提出了虚链路的概念,虚链路是主环上的一条冗余链路,而且又联系着子环。如果主环上共享链路和一根非共享链路故障,可以利用虚链路 来通告子环,让主环通过子环进行通信。但是,链路恢复时,如何避免成环,是有待研究的问题。

4 结束语
对于保护而言,环形拓扑具有得天独厚的优势,它能实现最经济的冗余保护。以太环网保护技术努力提高可靠性,使环自愈时间小于50ms。ITU-T G.8032协议优化了故障检测机制,大大缩减了收敛时间。随着标准的发布,各个厂家的互通成为可能。而且修订版中增加了多环的保护方案,在实际网络中有 很大的实用价值。如果能对多点故障提出解决方案,将更能提高以太网的可靠性。
参考文献:
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