מאת: אמיר לשד, פוקוס טלקום. בעוד התעשייה מחפשת את היישום המוביל של הדור השלישי בתחום התקשורת האלחוטית, הצרכנים למדו להעריך את חשיבות הפס הרחב האלחוטי דרך ההיצע העשיר של מכשירים חכמים ומודמים ניידים. הדרישה לרוחב פס נייד גדלה באופן אקספוננציאלי והפכה להזדמנות העסקית של ספקי השירות. ואולם, להזדמנות יש מחיר – הגידול בניצול הנתונים עלה על הגידול בהכנסות. בנוסף, חיבור רשת הגישה האלחוטית, חסר את הקיבולת הנחוצה לכמויות הנתונים הגדולות.
כשהחלק העיקרי בעלויות התפעול מופנה לחיבורי הגישה, היחס הליניארי בין רוחב הפס והעלות של צירי E1/T1 מהווה בעיה, במיוחד כאשר שירותים אלו מוחכרים. המפעילים נדרשים להעביר נתונים רבים יותר בין תחנת הבסיס לבקר הרדיו במחיר נמוך יותר, וריבוב TDM כבר אינו הפתרון. הבחירה הבלתי נמנעת היא IP Ethernet. ראה איור 1.
רשת IP Ethernet מתאימה למניעי ההשקעה – רוחב פס מוגדל ועלות מופחתת. בנוסף, לרשת IP אין צורך בסנכרון, ורשתות כאלו אכן לא מעבירות סנכרון בדרך שהעבירו רשתות SONET ו–SDH. ברשתות מבוססות מיתוג ממנות, הצמתים הם א-סינכרוניים ולא ניתן לעקוב אחר מקור ייחוס יציב לתדירות ולזמן. עם זאת, תחנות בסיס אלחוטיות זקוקות למקור ייחוס יציב בתדירות.
ברור שיציבות ממשק האוויר היא זו שמאפשרת לציוד של המשתמש (בדרך כלל טלפון סלולארי) לקבל שיחות בין התאים, ולכן יש לה חשיבות לאיכות השירות. הקשר בין יציבות זו לחיבורי גישה בפרוטוקול IP נעוץ במקור תדירות הייחוס של תחנת הבסיס. בעבר היה מקור תדירות הייחוס בחיבורי E1/T1 (בהנחה שעמדו בהגדרות של מסכות הסנכרון). כאשר מחליפים את מעגלי TDM ברשת IP Ethernet, מקור התדירות אובד ושרשרת התזמון נקטעת. שיקום שרשרות התזמון הוא מאתגרי התכנון העומדים בפני מתכנני חיבורי הגישה.
בניית שרשרות
הסנכרון מחדש
בשעה שספקי ציוד ההעברה עסקו ביצירת חלקי רשת מיתוג המנות, עבדו אנשי התזמונים על שיטות להעברת התזמון באמצעות מנות, בדרך שתהיה כדאית מבחינת העלות. ברור שהשיטות צריכות להיות פשוטות, יעילות בעלותן וניתנות לחיזוי. הפשטות מציעה להשתמש ברשת להעברת הזמן והתדירות (בשכבה הפיסית או בתוך פס השידור). שיטות רבות נוצרו להעברה מדויקת של זמן ותדירות דרך הרשת, אך החשובות בהן מבחינתנו הן, שחזור אות שעון מסתגל (ACR), Ethernet סינכרוני (SyncE) ו–IEEE 1588. השימוש ב–GPS נשקל אף הוא, על אף שאינו נכלל בטכנולוגיות של המנות.
שחזור אות שעון מסתגל Adaptive Clock Recovery – (ACR)
ה-ACR הינו שחזור התדירות (לא הזמן) מתוך סיביות התעבורה, ללא התייחסות לתוכן המנות. מתנדים יציבים ואלגוריתמי מיצוע מתקנים את סטיות השהיית המנות, עד למידה האפשרית. מבלי להתעלם מהתפקיד ההיסטורי של שיטת ACR, לא נוצר עבורה תקן, והביצועים ייחודיים לכל מימוש ולכל מתנד מקומי.
מלבד העלות של המתנדים והביצועים של חלק מהמימושים עם ריצוד (jitter) גבוה, השיטה עודה קניינית, וסביר להניח שספקי השירות ידרשו עם הזמן יכולות תפעוליות, ויאלצו את היצרנים לספק פתרונות מבוססי תקנים.
מערכת GPS
ההתקדמות הטכנולוגית והשימוש הנפוץ במערכות GPS הביאו לירידה בעלות שמאפשרת פרישה של מקלטי תזמון באמצעות GPS, ללא העלות שהייתה כרוכה בגרסאות הקודמות. ה-GPS הוא פתרון בעל ביצועים גבוהים שמספק נתוני זמן, תדירות ומיקום בלי תלות ברשת. אחד המכשולים הוא זמינות השירות הקשור לאותות שנחלשים באזורים עירוניים ובתוך מבנים. בעיה נוספת היא העובדה שהמערכת אינה אוטונומית, ומפעילים בינלאומיים מעדיפים לא להיות תלויים בה במיקומים רבים. והאחרונה, עלות פרישת אנטנות בסביבה עירונית עלולה להיות מכשול בלתי עביר.
רשת Ethernet סינכרונית
רשת Ethernet סינכרונית משמרת את סנכרון השכבה הפיסית דרך הרשת, בלי להתפשר על פונקציות המיתוג הא-סינכרוניות. על פי תקן IEEE 802.3, התקשורת סינכרונית בשכבה הראשונה, בעוד שהשכבות העליונות הן א-סינכרוניות. על כן לא קיים הבדל בין מתג סינכרוני לא-סינכרוני מבחינת האופן שבו הנתונים מנוהלים וממותגים, אלא רק בשכבת אותות השעון.
מתגים א-סינכרוניים קולטים נתונים בקצב קו הכניסה ובהתאם לתקן משדרים אותם עם אות שעון חופשי בדיוק של 100 חלקים למיליארד (ppb). ראה איור 2.
לעומתם, מתגי SyncE משתמשים במתנד מדויק יותר, 4.6 חלקים למיליארד, מתואם (disciplined) לקצב קו הקליטה. קיים יחס סנכרון בין אותות הקליטה (RX) והשידור (TX) כשאות השעון הנכנס מועבר. הוספת חיבור סנכרון חיצוני למתג SyncE מאפשר להפעיל עליו אות ייחוס משכבה 1 להפצה דרך רשת מנות באופן בלתי תלוי בתעבורה. ראה איור 3.
ברור שחיבור מתגים סינכרוניים וא-סינכרוניים יעצור את זרימת הסנכרון המקורי ואת הדיוק שלו, ולכן השיטה להעברת התדירות מקצה לקצה היא באמצעות SyncE. לסיכום, ל–SyncE יש היתרון בהיותו השיטה להעברת התדירות של שכבה 1, אך נדרשת לו תמיכה מקצה לקצה. יש חשיבות ליכולת תפעולית בין פתרונות של ספקים שונים, אם כי האימוץ של מתגי SyncE יהיה בסיכומו של דבר, תלוי בקלות שבה ניתן יהיה לשדרג בהם את המתגים הא-סינכרוניים המותקנים. ראה איור 4.
פרוטוקול IEEE 1588–2008
פרוטוקול IEEE 1588–2008, המכונה PTP, הוא שיטה להפצת זמן ותדירות מדויקים ברשתות IP שמוגדרת לפי תקן. פעולתו מבוססת על העובדה שמנות נושאות מידע של חותמת זמן בין השרת ללקוח, והלקוחות (slaves) משתמשים בחותמת זו כדי להסתנכרן על השרת (master). זרימה דו-כיוונית מבטלת תנועות הלוך ושוב להגדלת הדיוק. אפשר לשחזר את התדירות מאות השעון “הזמן ביום” (time–of–day) המתואם.
הודעות התזמון והניהול מועברות בתוך פס השידור עם התעבורה העיקרית, ובכך מתבטל הצורך במישור תזמונים ייעודי.
הפרוטוקול פותח מלכתחילה לשימוש באוטומציה תעשייתית דרך רשתות LAN, והגרסה השנייה, שהותאמה לסביבות תקשורת מוגבלות, פורסמה בשנת 2008. פרופיל התקשורת G.8264.1 שפורסם לאחר מכן, פישט את מגוון הפרמטרים לקונפיגורציה שנדרשו לתמיכה ברשתות WAN ושיפר את יכולת התפעוליות של הפרוטוקול. ראה איור 5.
תקן ה-IEEE1588 נחשב למתאים כל כך בזכות הדיוק של מיקרו-שנייה (ויציבות התדר הקשורה לו, של חלק אחד למיליארד), שאותם אפשר לממש ברשת Ethernet מנוהלת. כך מתאפשר לפלטפורמת PTP לתמוך בטווח יישומים רחב יותר מאשר פתרונות אחרים, למשל לתת מענה למצב FDD וגם TDD של רשתות LTE.
השיטה, המבוססת על מנות, רגישה להתנהגות הרשת והדיוק תלוי באלגוריתם שחזור אות השעון ובריצוד המנות (המכונה גם (PDV- Packet Delay Variation. הריצוד נובע בעיקר מניצול רוחב הפס ומכמות יחידות “שמור ושלח” (כמות הדילוגים). באופן כללי, העמידה בדרישות התדירות אפשרית, אם כי סנכרון הפאזה רגיש יותר ודורש פעילות הנדסית נוספת ברשת. מתכנני הפרוטוקולים צפו קושי זה והוסיפו תמיכה מתאימה במפרט. התמיכה מורכבת מאותות שעון שקופים וגבוליים שמקטינים את ריצוד החבילה ומשפרים את הביצועים במקרים של דילוגים רבים.
בחינה מקרוב של פרוטוקול IEEE 1588–2008 ו–SyncE
במה דומים פרוטוקול IEEE 1588–2008 ו–SyncE ובמה הם שונים זה מזה? שניהם שיטות מבוססות תקנים להעברת תדירות דרך הרשת לתיקון שרשרות סנכרון מנותקות. ההבדל ביניהם נעוץ באופן המימוש. המשמעות של SyncE היא הוספת התכונה בכל מתג שבין המקור ליעד. שרשרת המערבת מתגים סינכרוניים וא-סינכרוניים לא תעביר סנכרון, אלא רק נתונים.
במידה רבה, פרוטוקול 1588 אינו תלוי ביחידות ההעברה בעיקר בזכות העובדה שאפשר לשבץ לקוחות PTP ביחידות הרשת. כך אפשר ליצור רשתות PTP בלתי תלויות דרך מערכות העברה מגוונות.
מבט מערכתי
בנוסף לשתי השיטות מבוססות התקנים האלו קיימות שיטות קנייניות רבות המוטמעות ביחידות של הדור הבא. את ACR למשל אפשר למצוא בנתבי גישה, בתחנות בסיס אלחוטיות ובמשדרי רדיו בגלי מיקרו. המימוש הזה נוצר מתוך כורח, אולם לאן מתקדמות פלטפורמות הסנכרון?
כדי להקל על התשובה, נציין את התכונות של פלטפורמות TDM:
*הן מתבססות על יותר מטכנולוגיה אחת
*הן מבוססות על תקנים, כדי לאפשר יכולת תפעוליות בין יצרנים והגדלת האמינות.
*הן חיצוניות ליחידות ההעברה.
*הן כוללות מנהל יחידות לצורך ניטור וניהול מרחוק.
*כוללות יחידות סנכרון מבוזרות אולם פועלות כמערכת מאוחדת.
על מנת לחסוך בעלויות ולשפר את הביצועים עלינו להמשיך ולהשתמש במערכות מאוחדות, במקום מערכות עם סנכרון קוהרנטי, שנדרשנו לייצר עד עתה.
מבחינה כלכלית, עדיף לרכוש מערכת קוהרנטית יחידה, ולא מערכות שונות על בסיס פרויקט. טענה זו נכונה גם מההיבט התפעולי – עלות תפעול מערכות שונות מיצרנים שונים גבוהה בעליל. אין להמעיט בערך החיסכון בעלויות, אם כי גם אין מה להמעיט בחשיבות של גמישות הרשת. לאור ההשפעה שיש לסנכרון על ביצועי המערכת החשובים, ההשקעה במערכת גמישה בעלת ביצועים גבוהים נראית הבחירה הנכונה. העלות של זמינות גבוהה וביצועים גבוהים נמוכה יותר, כאשר המערכת נרכשת בפעם אחת.
בהשקעה בתשתית הרשת, המידה שבה הפתרון נותן מענה לדרישות עתידיות מהווה שיקול מכריע. חיבורי Gigabit Ethernet גדלו במהירות ל–10 ג’יגה-סיביות בשנייה וקצב של 40 ג’יגה-סיביות בשנייה מתקרב במהירות. ההתקדמות הטכנולוגית המהירה תיצור תוך זמן קצר שלוש מערכות סנכרון שונות, אך רק פלטפורמת סנכרון עצמאית אחת תהיה הפתרון של העתיד שתתרחב עם הרשת. תכנון והנדסה שקשורים בשילוב של פלטפורמות סנכרון שונות, הם תהליכים מורכבים, עובדה שאינה נכונה כשמדובר במערכת אחידה ומתאימה לעתיד.
לבסוף, פלטפורמות לריבוי שירותים מאפשרות לספקי שירות למזג את הרשתות האלחוטיות, הרשתות הקוויות, הרשתות שפועלות בפרוטוקול IP ורשתות ההעברה מיצרנים יחידים ומסוגי ההתקנים הקשורים. המשמעות היא שעל הפתרונות להיות מבוססי תקנים כדי להבטיח שיתקיימו ביניהם יכולות תפעוליות, במיוחד בתחום הסנכרון. מערכת תזמון אחידה מבוססת תקנים מבטיחה ביצועים, מאפשרת ניהול ומאפשרת את הפרישה של ציוד ושירותים מהדור הבא.
פלטפורמת ניהול אחידה מספקת גישה לכל יחידות הסנכרון המסורתיות ואלו שבמנות ללא פריצות אבטחה ברשת. ראה איור 6
איור 6 ארכיטקטורת ניהול הסינכרון
מסקנה
תעשיית התקשורת הציגה תהליך תיקנון של שתי שיטות העברת זמן ותדירות דרך רשתות במיתוג מנות. השיטות, SyncE (לתדירות) ו–IEEE1588–2008 (לזמן), ישימות בשווקים האירופיים ובאמריקה הצפונית. יכולת תפעוליות בין יצרנים נותנת מענה לסיכונים שבפרישה ותומכת במאמצי התיקנון. שחזור אות שעון מסתגל ושיטות קנייניות אחרות אפשרו את הפרישות הראשוניות, אם כי אלו אינן מבוססות תקנים ולא תומכות ביכולת תפעוליות בין יצרנים.
מעבר לאפשרויות הבחירה הטכנולוגיות פלטפורמת סנכרון אחידה מספקת יתרונות רבים – כלכליים, תפעוליים וביצועיים. הבחירה מחייבת החלטה מודעת כדי להימנע מסנכרון המשובץ ביחידות הרשת, בלי להתחשב עד כמה מפתה העלות הראשונית.
פלטפורמת סנכרון אחידה שבנויה על פתרונות מבוססי תקנים, מסלקת את סיכוני הפרישה של הדור הבא, חוסכת בעלויות ומשפרת את איכות החוויה של הלקוחות.
