Содержание к диссертации
Список сокращений 7
Введение 11
Глава 1. Параметры системы ТСС 19
-
Сигналы синхронизации. Факторы, влияющие на её 19 стабильность
-
Стабильность частоты генераторов. Общие сведения 22
-
Оценка спектральных плотностей 27
-
Модель спектральной плотности в виде степенной функции 28
-
Фазовые шумы автогенераторов 32
-
Расчёт паразитного отклонения частоты и фазы по 35 спектральной плотности шума с произвольным распределением
-
Влияние рассинхронизации на параметры качества цифровой 39
связи. Нормирование количества проскальзываний в ОЦК
1.7.1. Понятие проскальзываний 39
1. 7.2. Влияние синхронизации на параметры качества 42
гщфровой связи
1. 7.3. Нормирование количества проскальзываний в системах 45 PDH
1.8. Основные параметры системы синхронизации (источников 47
синхросигнала и самого синхросигнала)
-
Основные параметры источников синхросигналов 47
-
Основные параметры синхросигнала 50
-
Ошибка временного интервала TIE 50
-
Максимальная ошибка временного интервала - MTIE 51
-
Параметры TIE и MTIE в системе передачи SDH 53
-
Связь параметров TIE и MTIE с параметрами 54 точности и стабильности работы генераторов
E) Временная вариация TVAR (Time Variance) и девиация 55
времени TDEV
1.9. Выводы 57
Глава 2. Математическая модель сетей с синхронизацией 58
-
Математическая модель выходного сигнала опорного 58 генератора
-
Математическая модель плезиохронных сетей б
-
Математическая модель синхронных сетей 60
-
Математическая модель синхронных сетей без 61 компенсации задержки
-
Математическая модель синхронных сетей с 63 компенсацией задержки
2.4. Обобщенная математическая модель сетей с синхронизацией 67
-
Плезиохронные сети 67
-
Синхронные сети 68
2.5. Линеаризованная математическая модель сетей с 69
синхронизацией
-
Показатели качества сетей 70
-
Синхронные сети в установившемся режиме 73
-
Долговременные нестабильности опорных генераторов 79
-
Влияние фазового шума опорного генератора 80
-
Синхронизация при наличии шума в канале 84
-
Выводы 90
Глава 3. Накопление блужданий фазы в линейной цепи 92
синхронизации
-
Общие сведения 92
-
Блуждания фазы сигналов синхронизации оборудования, 95
использующего сигналы спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS
-
Модель элементарной цепи синхронизации для сети связи 97
-
Накопление блужданий в элементарной цепи синхронизации 100
-
Оценка перепада температуры кабельных линий системы 102 передачи, принимаемого при анализе
-
Определение размеров элементарной цепи синхронизации 103
-
Анализ зависимости длины элементарной цепи синхронизации 107 от количества сетевых элементов СЦИ и способа прокладки оптического кабеля
3.7.1. Анализ размеров элементарной цепи синхронизации при 107
оптимистичном варианте расположения
псевдосинхронного стыка
3.7.2. Анализ размеров элементарной цепи синхронизации при 110
пессимистичном варианте расположения
псевдосинхронного стыка
3.8. Выводы 118
Глава 4. Методы оптимизации проектирования и повышения 119
надёжности системы ТСС
-
Особенности проектирования "правильной" системы ТСС для 119 цифровой сети связи
-
Использование интеллектуального оборудования ВЗГ 134
-
Разработка комплекса устройств для компенсации 142 температурной составляющей блужданий фазы синхросигнала
4.3.1 Принцип работы и структурная схема устройства 143
компенсации
4.3.2 Размещение термодатчиков и выбор канала передачи 144
информации
-
Схема включения устройства в цепь синхронизации 147
-
Алгоритм работы устройства компенсации 149
-
Возможности мониторинга и управления сетью ТСС 155
-
Выводы 164
Глава 5. Моделирование сетей синхронизации и сигналов в них 165
-
Компьютерная модель накопления запаздывания сигнала в 165 элементарной цепи синхронизации с учётом, блужданий фазы сигналов синхронизации, вызванных температурными колебаниями
-
Компьютерная модель комплекса устройств для компенсации 170 температурной составляющей блужданий фазы
-
Модель линии «север-юг» (Мурманск-Москва-Адлер) 172
-
Модель линии «запад-восток» (СанктПетербург-Москва- 174 Хабаровск)
5.5. Выводы 176
Заключение 177
Приложение 1 — Типы и параметры источников синхронизации 179
Приложение 2 - Метрологическое обеспечение систем ТСС 188
Список литературы 194
Список сокращений
English
ADEV Allan DEViation
AIS Alarm Indication Signal
AP Access Point
AU Administrative Unit
BER Bit Error Rate
BIPM Bureau International des
Poids et Mesures
CMI Code Mark Inversion
Cs Cesium
CUT Clock Under Test
DUS Don't Use for Sync
FFM Flicker Frequency
Modulation
FPM Flicker Phase Modulation
H Hydrogene
IERS International Earth Rotation
Service
ITU-T International
Telecommunication Union
Telecommunication
StandardisationSector
LC (МЗГ) Local Clock
MC Master Clock
MDEV Modified Allan DEViation
Русский
Девиация Аллана
Сигнал индикации аварийного состояния
Точка доступа
Административный блок
Коэффициент ошибок
Международное бюро мер и весов
Код с инверсией единиц
Цезий
Задающий генератор, подлежащий измерению
Не использовать для синхронизации
Мерцающая частотная модуляция
Мерцающая фазовая модуляция
Водород
Международная служба земного вращения
Международный Союз Электросвязи - Сектор стандартизации электросвязи
Местный задающий генератор Главный задающий генератор Модифицированная девиация
MRTIE (МООВИ)
MSOH
MTIE (МОВИ)
NE (СЭ)
PDH (ПЦИ)
PLL (ФАПЧ)
PRC (ПЭГ)
Maximum Relative Time Interval Error
Multiplex Section Overhead
Multiplex Section Protection
Multiplex Section Termination
Maximum Time Interval Error
Network Element
Plesiochronous Digital Hierarhy
Phase Locked Loop
Path Protection parts per million Primary Reference Clock
PRS (ПЭИ) Primary Reference Source
PSTN Public Switched Telephone
Network
Аллана
Максимальная относительная ошибка временного интервала
Заголовок мультиплексорной секции
Защита на уровне мультиплексной секции
Окончание мультиплексной секции
Максимальная ошибка временного интервала
Сетевой элемент
Плезиохронная цифровая иерархия
Фазовая автоподстройка (частоты)
Защита Пути
частей на миллион (10~6)
Первичный эталонный задающий генератор
Первичный эталонный источник
Телефонная коммутируемая сеть общего пользования
Кварц
Качество не определено
Рубидий
среднеквадратический
Заголовок регенераторной секции
Случайно блуждающий частотно-модулированный шум
Synchronized Traceability Unknown
Ведомый/Вторичный задающий генератор
Автономное оборудование синхронизации
Аппаратура размножения сигналов синхронизации
Синхронная цифровая иерархия
Задающий генератор оборудования SDH
Источник тактовой синхронизации оборудования SDH
Самовосстановление
Источник синхронизации цифрового оборудования SONET
Секционный заголовок
Синхронный транспортный модуль
Качество принимаемого синхросигнала не определено
Сообщение о статусе синхронизиции
Блок обеспечения синхронизацией
Девиация временного интервала
Ошибка временного интервала
Среднеквадратическая ошибка временного интервала
Передача и мультиплексирование Компонентный блок
Дисперсия времени
Единичный (тактовый) интервал
Размах в единичных интервалах
Всемирное координированное время
Виртуальный контейнер
Генератор, управляемый напряжением
Белая частотная модуляция
Белая фазовая модуляция
Генератор сетевого элемента
Искусственный Интеллект
Необслуживаемый регенерационный пункт
Паразитное отклонение фазы
Паразитное отклонение частоты
Система синхронизации
Тактовый интервал
Цифровая коммутационная станция
Введение к работе
Актуальность темы.
Любая цифровая сеть связи, в которой совместно работают системы передачи и системы коммутации, должна иметь для обеспечения надёжности и качества своего функционирования систему тактовой сетевой синхронизации (ТСС). К таким сетям относятся сети синхронной цифровой иерархии (СЦИ) и плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ). Система ТСС на цифровой сети осуществляет согласование шкал времени всех нуждающихся в синхронизации устройств сети, чтобы избежать или свести к минимуму «проскальзывания» цифрового сигнала. Без решения проблемы синхронизации нельзя построить систему с гарантированно высоким качеством связи. Для нормально работающей цифровой сети частота «проскальзываний» не должна превышать норм, установленных Рекомендацией МСЭ-Т G.822.
Цифровые транспортные сети основных операторов связи, имеют большую протяжённость. При этом оптический кабель (ОК) может находиться в различных температурных условиях, и если для кабеля, проложенного в грунте, температурные колебания незначительны, то для кабеля, подвешенного на опорах ЛЭП или контактных сетях ЖД, они могут достигать более 100С. Таким образом если один коммутируемый сигнал приходит на цифровую коммутационную станцию по ОК проложенному в грунт, а другой сигнал приходит из другой сети, в которой оптический кабель подвешен на опорах, то при определённой длине линии может появиться взаимное качание фазы более 18 мкс (норма для девиаций фазы по Рекомендации МСЭ-Т G.823), что приведёт к переполнению эластичного буфера памяти цифровой коммутационной станции (ЦКС), и, как следствие, к появлению проскальзываний и нарушениям в работе сети.
Норма девиации может также быть превышена в случае, когда сигналы, приходящие с разных направлений, проходят через разное количество ведомых задающих генераторов (ВЗГ) и генераторов сетевых элементов (ГСЭ), каждый из которых вносит определённую фазовую задержку.
В силу вышеизложенных предпосылок на сегодняшний день назрела необходимость в исследовании влияния температурных колебаний и топологии сети на изменение времени задержки синхросигнала. Также актуальна задача разработки методов компенсации блужданий фазы, вызванных температурными изменениями, и, соответственно, новых схемотехнических решений, реализующих эти методы.
Исследованию систем синхронизации посвящено множество работ, обобщённых в монографиях (В.В. Шахгильдян, В.И. Тихонов, Г.И. Тузов, В.А. Левин, W.C. Lindsay, F.M. Gardner, СМ. Chie, М.К. Simon и др.). По сетям синхронизации опубликовано значительно меньшее число работ (Ю.А. Алексеев, Н.М. Колтунов, Г.В. Коновалов, Н.Н. Ляготин, Л.Н. Щелованов, Г.С. Антонова, W.C. Lindsay и др.), при этом рассмотрению ряда принципиальных вопросов уделено недостаточное внимание.
Цели работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка систем тактовой сетевой синхронизации, удовлетворяющих всем требованиям для современных цифровых систем связи с учётом топологических, технологических, географических и климатических особенностей, свойственных сетям национальных, ведомственных и корпоративных операторов связи РФ.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать тенденции развития современных систем ТСС, провести анализ параметров синхросигналов, методов их расчёта и исследования.
Провести сравнительный анализ и обобщить аналитическое представление для математических моделей сетей с синхронизацией. Из обобщённой математической модели вывести линеаризованную модель для сети с задающим опорным генератором.
Разработать методику расчёта фазовых запаздываний в системе ТСС. Изучить зависимости длины элементарной цепи синхронизации от количества сетевых элементов СЦИ и способа прокладки оптического кабеля.
Провести экспериментальное исследование влияния температуры на изменение времени задержки синхросигнала в линии.
Разработать методику проектирования "правильной" системы ТСС для цифровой сети связи.
Исследовать возможности "искусственного интеллекта" (ИИ) оборудования ВЗГ и разработать методику оценки технической надёжности системы ТСС на основе ИИ оборудования ВЗГ.
Разработать методы компенсации фазовых запаздываний, вызванных температурными колебаниями в ОК.
Разработать компьютерную программу, позволяющую моделировать ошибки и сбои синхронизации, связанные с накоплением запаздывания сигнала в элементарной цепи синхронизации с учётом блужданий фазы сигналов синхронизации, вызванных температурными колебаниями для любого стыка цифровой сети.
Разработать алгоритмы работы и компьютерную модель комплекса устройств, предназначенных для компенсации температурной составляющей блужданий фазы синхросигнала.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, теории вероятности, статистической радиотехники, математической статистики, теории устойчивости, а также схемотехническое моделирование, компьютерное моделирование с использованием программных продуктов MathCAD 2000 и Delphi 4.0. Также проводились экспериментальные исследования параметров синхросигналов на реальных сетях с помощью измерительного оборудования ИВО-1М и OSA 5565.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
Выявлена зависимость изменения запаздывания синхросигнала от размеров и топологии сети, а также влияния температурных колебаний окружающей среды.
Разработана методика расчёта фазовых запаздываний в системе ТСС, учитывающая температурную составляющую блужданий фазы синхросигнала, предоставляющая возможность рассчитать условия отсутствия "проскальзываний" в цифровых коммутационных станциях по вине системы синхронизации.
Усовершенствована методика проектирования "правильной" системы ТСС цифровой сети связи, позволяющая создавать системы синхронизации любой сложности с гарантированным отсутствием "петель" и проскальзываний.
Создана оригинальная компьютерная программа, моделирующая ошибки и сбои синхронизации, связанные с накоплением запаздывания в цепи синхронизации с учётом блужданий фазы, вызванных влиянием окружающей среды, позволяющая получить характеристики для любого стыка по синхронизации любых существующих или проектируемых сетей.
Разработаны методы компенсации, схемотехнические решения и алгоритмы работы для комплекса устройств, предназначенных для компенсации температурной составляющей блужданий фазы синхросигнала позволяющего практически полностью исключить ошибки и сбои синхронизации, вызванные климатическими условиями окружающей среды.
Практическая ценность.
Представленная в диссертации методика проектирования "правильной" системы ТСС неоднократно применявшаяся автором как при проектировании систем ТСС для различных операторов (разработка "Генеральной схемы синхронизации сети телекоммуникаций республики Казахстан" (для ОАО "Казахтелеком"), разработке "Системы тактовой сетевой синхронизации для
ВОЛС Астана-Алматы" (для ЗАО "КазахТрансТелеком"), так и при оптимизации существующих цифровых сетей: ОАО "Ростелеком", ОАО "РТКомм.РУ", ОАО "Центральный Телеграф", ЗАО "Компания Транстелеком" и др. (список работ приведён в актах внедрения диссертации), может быть использована при проектировании или апгрейде системы синхронизации любой сложности с гарантированным отсутствием "петель" синхросигнала.
Исследование влияния температурных колебаний и топологии сети на изменение времени задержки синхросигнала, использование возможностей ИИ оборудования ВЗГ для повышения устойчивости системы ТСС и для построения Единой Системы Управления и Мониторинга сетью ТСС, а также разработка комплекса устройств для компенсации температурной составляющей блужданий фазы имеют большую практическую ценность с точки зрения их внедрения на ВСС РФ для модернизации систем ТСС основных операторов связи, таких как ОАО «Ростелеком», ЗАО «Компания ТрансТелеком» и др., при взаимодействии различных операторов связи для корректной работы цифровых коммутационных станций и повышения надёжности ВСС в целом.
Апробация результатов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции "Современные и будущие информационные технологии Украины" (Киев, 2000), на Международной НТК "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 2001), на Международной конференции IEEE "Сети и Системы в телекоммуникациях" (СанктПетербург, 2002), на Международном симпозиуме IEEE "Сигналы, Сети и Системы" (Румыния, 2003), Международном симпозиуме IEEE "Нелинейная динамика в электронных системах" (Швейцария, 2003), на Международном научно-техническом семинаре "Системы синхронизации в радиотехнике и связи" (Одесса, 2001), на межрегиональных конференциях РНТОРЕС им. А.С. Попова (Москва, 2001-
2003), на ежегодных научно-практических конференциях МТУСИ (2000-2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано десять печатных работ (из них три -на английском языке), в т. ч. шесть единолично.
Структура и объём работы.
Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 177 страницах машинописного текста, в котором приведено 57 рисунков и 33 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений на 19 страницах и списка литературы, включающего 108 наименований.
В первой главе проводится аналитический обзор тенденций развития современных систем ТСС, выполняется анализ характеристик оборудования синхронизации и параметров самих синхросигналов, методов их расчёта и исследования.
Во второй главе проводится сравнительный анализ математических моделей различных вариантов сетей с синхронизацией. Из обобщённой математической модели выводится линеаризованная модель для синхронной сети с задающим опорным генератором и с компенсацией посредством линии задержки.
Третья глава посвящена явлению накопления блужданий в элементарной цепи синхронизации. В ней представлена методика расчёта фазовых запаздываний в системе ТСС, проводится анализ зависимости длины элементарной цепи синхронизации от количества сетевых элементов СЦИ и способа прокладки оптического кабеля. Здесь же представлены экспериментальные данные исследования температурного влияния на изменение времени задержки синхросигнала в линии.
В четвёртой главе диссертационной работы представлена усовершенствованная методика проектирования "правильной" системы ТСС; рассмотрены результаты исследования возможностей "искусственного интеллекта" оборудования ВЗГ; представлены схемотехнические решения и алгоритмы работы для комплекса устройств, предназначенных для компенсации температурной составляющей блужданий фазы синхросигнала.
В пятой главе приводятся результаты работы компьютерной программы, предназначенной для моделирования ошибок и сбоев синхронизации, связанных с накоплением запаздывания сигнала в элементарной цепи синхронизации с учётом блужданий фазы сигналов синхронизации, вызванных температурными колебаниями. Представлены графические зависимости параметров для стыков ВОЛС «север-юг» (Мурманск-Москва-Адлер) и «запад-восток» (СанктПетербург-Москва-Хабаровск).
В заключении приведены основные результаты работы.
В приложениях приведены дополнительные материалы по теме диссертации, а также акты внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Оригинальная методика расчёта фазовых запаздываний в системе ТСС для сети с задающим опорным генератором позволяет рассчитать граничные условия при которых запаздывания синхросигналов укладываются в нормы Рекомендации МСЭ-Т.
Расчёт температурной составляющей блужданий для стыка двух моделей ВОЛС длиной по 2000 км, одна из которых проложена под землёй, а другая подвешена на опорах, для наиболее сложных климатических условий для РФ даёт величину равную 15,9 мкс весной и осенью, которая требует обязательной компенсации. Наибольшую величину блужданий (без учёта температурной составляющей) имеет стык длинного участка ВОЛС, подвешенной на опорах (L>1000 км) с коротким участком ВОЛС, проложенной под землёй (L—>0).
Результаты экспериментальных исследований блужданий фазы синхросигнала, подтверждающие теоретические выводы.
Усовершенствованная методика проектирования "правильной" системы ТСС национальной, ведомственной или корпоративной цифровой сети связи позволяет создавать системы синхронизации любой сложности с гарантированным отсутствием "петель" синхросигнала и повышает устойчивость и надёжность сети в аварийных ситуациях.
Методика использования "искусственного интеллекта" оборудования ВЗГ позволяет улучшить эксплуатационные параметры синхросигналов сети, повысить устойчивость её работы и обеспечить возможность создания Единой Системы Управления и Мониторинга сетью ТСС.
Разработка и внедрение комплекса устройств, предназначенных для компенсации температурной составляющей блужданий фазы синхросигнала, позволяет практически полностью исключить ошибки и сбои синхронизации, вызванные климатическими условиями окружающей среды.
Все основные результаты диссертации получены автором лично.
