Содержание к диссертации
Введение
1. Система тактовой сетевой синхронизации и факторы, дестабилизирующие её работу 9
1.1. Роль и задачи системы тактовой сетевой синхронизации в цифровых сетях связи 9
1.2. Стандартные требования к сетям синхронизации и способы их оценки 14
1.3. Распределение тактового синхронизма в цифровых сетях связи 19
1.3.1. Структура сети ТСС 19
1.3.2. Система показателей качества и приоритетов в сети ТСС 24
1.3.3. Распределение сигналов синхронизации 24
1.4. Факторы, дестабилизирующие работу СТСС 29
1.4.1. Общие понятия 29
1.4.2. Причины возникновения фазовых флуктуации в линиях первичных ПЦИ и СЦИ, используемых для передачи сигналов синхронизации 33
1.5. Оценка влияния факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи 45
1.6. Выводы 54
2. Сеть синхронизации как многосвязная система автоматического управления 55
2.1. Классификация методов моделирования 55
2.2. Модель СТСС 56
2.2.1. Типовая схема МСАУ 56
2.2.2. Метод цифрового моделирования 62
2.2.3. Моделирование устройств синхронизации 65
2.3. Моделирование факторов, дестабилизирующих работу СТСС 78
2.3.1. Моделирование внутренних шумов устройств синхронизации 78
2.3.2. Моделирование других дестабилизирующих факторов 84
2.3.3. Моделирование сети с задержками 87
2.4. Выводы 91
3. Инструментальные средства для моделирования СТСС 92
3.1. Пакеты прикладных программ для моделирования СТСС 92
3.2. Сравнение результатов моделирования цепи синхронизации 94
3.2.1. Пример моделирования однородной цепочки сети синхронизации в системе MatLab 6.5 94
3.2.2. Пример моделирования однородной цепочки сети синхронизации в разработанном пакете 98
3.2.3. Сравнение результатов моделирования 104
3.3. Оценка точности расчета по рекурсивным уравнениям 107
3.4. Выводы 116
4. Результаты исследования сетей синхронизации 117
4.1. Исследование устойчивости сетей синхронизации 117
4.2. Исследование качества процесса управления сетей синхронизации 118
4.3. Выводы 140
Заключение 142
Список литературы
- Стандартные требования к сетям синхронизации и способы их оценки
- Модель СТСС
- Сравнение результатов моделирования цепи синхронизации
- Исследование качества процесса управления сетей синхронизации
Введение к работе
Широкое внедрение в сетях связи цифровых систем передачи и коммутации привело к значительным изменениям в концепциях построения сетей телекоммуникаций. Сформулированы и совершенствуются концепции транспортных сетей и сетей доступа, узкополосных и широкополосных цифровых сетей с интеграцией услуг, сетей сотовой связи, корпоративных сетей и т. д. Разрабатываются новые концепции построения сетей телекоммуникаций на основе пакетной коммутации и технологий Ethernet. Все отчетливее проявляются проблемы сопряжения различных сетей и проблемы взаимодействия систем коммутации и передачи внутри сетей. При этом все более значительной становится роль тактовой сетевой синхронизации (ТСС), необходимой для синхронной работы цифровых систем передачи и коммутации, для обеспечения требуемого качества предоставляемых сетевых услуг.
Процесс передачи информации сопровождается возникновением ряда негативно влияющих на качество дестабилизирующих факторов. Одним из основных негативных факторов, связанных непосредственно с работой системы ТСС (СТСС), являются фазовые флуктуации. Функция СТСС состоит в обеспечении сигналами синхронизации в виде тактовых импульсов всех элементов цифровой сети.
Для задания технических требований по синхронизации институтами ETSI и ITU-T были предложены пять показателей: девиация Аллана, модифицированная девиация Аллана, девиация времени, среднеквадратичная ошибка временного интервала и максимальная ошибка временного интервала.
Вопросам исследования отдельных устройств синхронизации и систем ТСС посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов (П.Н. Давыдкин, М.Н. Колтунов, Л.С. Левин, Г.Г. Морозов, А.В. Рыжков, В.В. Шахгильдян, Л.Н. Щелованов, St. Breni, W.C. Lindsay, F.M. Garner и др.).
Вопросам влияния внутренних шумов устройств синхронизации и шумов каналов на функционирование СТСС и сети связи уделено значительно меньше внимания. С появлением новых сетей и услуг с возрастающими требованиями к их качеству необходимы общие методы оценки влияния дестабилизирующих факторов как на стабильную работу СТСС, так и на функционирование сети связи в целом.
Целью диссертационной работы является выявление закономерностей влияния параметров устройств синхронизации СТСС на качество функционирования сети с учетом основных дестабилизирующих факторов и выяснение возможностей целенаправленного улучшения характеристик узлов сети.
Указанная цель достигается решением следующих задач.
Разработка модели сети синхронизации как МСАУ с учетом факторов, дестабилизирующих ее работу.
Разработка методики оценки влияния внутренних шумов устройств синхронизации (ФАПЧ) и шумов каналов на работу сети синхронизации.
Разработка математических моделей и алгоритмов машинного моделирования СТСС для исследования влияния дестабилизирующих факторов.
Получение экспериментальных зависимостей, связывающих прямые и косвенные оценки качества работы сети синхронизации и количество узлов в сети, при различных входных воздействиях.
5. Математическая модель для оценки влияния факторов,
дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.
Решение поставленных задач осуществлялось на основе теории МСАУ, цифрового моделирования, теории вероятностей, непрерывных и дискретных преобразований (преобразования Лапласа и Z-преобразования), методов математической статистики. Программное обеспечение, необходимое для решения задач, реализовано на языке Си.
Научная новизна работы состоит в том, что предложена методика, позволяющая анализировать влияние шумов устройств синхронизации и шумов в канале с целью совершенствования СТСС. Получена цифровая модель сети синхронизации, как многосвязной системы автоматического управления (МСАУ), учитывающая внутренние шумы устройств синхронизации (ФАПЧ), фазовые нестабильности сети, задержки в каналах.
Предложенная методика исследования СТСС на базе цифровой модели позволяет проводить детальные исследования сетей синхронизации произвольной топологии и структуры с учетом влияния на ее функционирование дестабилизирующих факторов.
Разработанный пакет программ для моделирования СТСС может быть использован для обоснования начальных решений по построению сетей синхронизации.
Основные положения, выносимые на защиту
Методика оценки влияния внутренних шумов устройств синхронизации (на примере ФАПЧ) на работу сети синхронизации.
Методика оценки влияния шумов каналов на работу сети синхронизации.
Инженерная методика и алгоритмы машинного моделирования СТСС (пакет прикладных программ) для исследования СТСС с учетом дестабилизирующих факторов.
Экспериментальные зависимости, связывающие прямые и косвенные оценки качества работы СТСС с различной топологией и количеством узлов, и время наблюдения при различных входных воздействиях.
Подход к оценке влияния факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы используются организациями, занимающимися разработкой цифровых сетей связи, и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Результаты работы обсуждались и были одобрены на 55, 56, 57 НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и региональной научной конференции «Техника и технологии связи» в Новосибирске. По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Стандартные требования к сетям синхронизации и способы их оценки
Современный этап развития телекоммуникаций характеризуется широким внедрением цифровых систем передачи информации в синхронном режиме. При этом все более заметной становится роль тактовой сетевой синхронизации (ТСС), одного из видов синхронизации, необходимой для обеспечения функционирования цифровых систем передачи и коммутации [1,2, 3].
Под синхронизацией понимают процесс подстройки значащих моментов цифрового сигнала для установления и поддержания требуемых временных соотношений. Синхронизация связана с распределением сигналов времени и частоты по сети опорных генераторов в пределах широкой географической области. Эти генераторы располагаются в различных местах и, как правило, связаны между собой, например, посредством кабелей или радиолиний.
Тактовая синхронизация - это процесс установления точного временного соответствия между принимаемым сигналом и последовательностью тактовых импульсов. Тактовые импульсы - это периодически повторяющиеся импульсы с частотой, равной частоте повторения символов в информационном сигнале.
Сетевая синхронизация - всеобъемлющее понятие, применяемое в широком смысле для любого распределения времени и частоты по сети управляемых генераторов [1]. Сеть синхронизации - это технические средства, реализующие сетевую синхронизацию.
Система тактовой сетевой синхронизации является подсистемой телекоммуникационной сети. С помощью нее поддерживается непрерывность и
достоверность передачи информации в различных точках (узлах) цифровой сети.
Синхросигналы (сигналы СТСС) в системах передачи искажаются под воздействием помех, т.е. меняется их временное расположение. Функция СТСС состоит в обеспечении сигналами синхронизации в виде тактовых импульсов всех элементов цифровой сети.
Рассмотрим основные виды синхронизации и задачи СТСС. В системах передачи применяется синхронизация по символам, тактам и циклам, а в системах коммутации - по битам и циклам.
Посимвольная синхронизация необходима при когерентном приеме каждого символа цифровой информации, когда для обеспечения высокой достоверности приема нужно классифицировать символы (отнести их к 0 или 1).
Тактовая синхронизация предназначена для выделения каждого бита передаваемой информации из общей цифровой последовательности. Входной сигнал поступает на устройство стробирования, на которое также подаются тактовые импульсы (ТИ). Для выделения тактовой последовательности из цифрового сигнала применяют систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащей фазовый детектор и управляемый местный генератор (рис. 1.1).
Генератор при номинальном управляемом напряжении формирует синхросигнал номинальной частоты, повышение или понижение напряжения на управляющем входе генератора приводит к незначительному повышению или понижению частоты.
Чем точнее установлено значение средней частоты управляемого генератора и чем стабильнее работает это устройство, тем меньше фазовая погрешность ТИ, меньше вероятность появления ошибок (проскальзываний). Проскальзыванием называют пропуск или повторное считывание битов информации в цифровом сигнале из-за отличия тактовых частот входного сигнала и местного генератора.
Например, если оборудование, передающее информацию, работает на частоте, большей, чем частота принимающего оборудования, то приемник не может отслеживать поток информации. В этом случае приемник будет периодически пропускать часть передаваемой ему информации. Потеря информации называется проскальзыванием удаления.
В случае если приемник работает на частоте, превышающей частоту передатчика, приемник будет дублировать информацию, продолжая работать на своей частоте и все еще осуществляя связь с передатчиком. Это дублирование информации называется проскальзыванием повторения.
Цикл - это основная единица, определяющая передачу цифровой информации в системах с временным разделением каналов, представляющая собой последовательность битов информации, которые объединяются в кодовые слова сообщений, а также циклового кодового слова, фиксирующего начало цикла.
Цикловая синхронизация вызвана необходимостью согласования по фазе передатчика и приемника таким образом, чтобы можно было идентифицировать начало цикла. Циклом в потоке Е1 является группа из 32 байтов. Как правило, цикл входного цифрового сигнала составляет 125 мкс.
Модель СТСС
Возможность исследования проектируемой системы путем экспериментирования с более простой и дешевой системой-моделью - издавна использовалась в инженерной деятельности. Во многих случаях моделирование позволяет проводить комплексное исследование систем, невозможное при натурных испытаниях, решать задачи исключительной сложности, недоступные аналитическим методам.
Ценность методов моделирования состоит в том, что они позволяют существенно сократить и облегчить натурный эксперимент, который часто долог и сложен, а также увеличить достоверность математического описания и расчетов.
Среди основных методов можно выделить математическое, физическое, полунатурное и функциональное моделирование. Математическое моделирование принято использовать как средство исследования процессов с помощью их математических моделей. Под физическим моделированием понимается исследование объектов на физических моделях, при котором физический процесс воспроизводится с сохранением его физической природы или используется другое физическое явление, аналогичное данному. При полунатурном моделировании наряду с математическими моделями в состав модели включается реальная аппаратура. При функциональном моделировании для экспериментов используется модель, которая с достаточной точностью воспроизводит лишь функции оригинала. При этом модель и оригинал не подобны в целом, так как при моделировании не учитываются особенности реализации моделируемого устройства.
Для исследования сетей синхронизации в литературе предложен ряд математических моделей, основанных на аналитическом и алгоритмическом описаниях моделируемой системы.
Сети синхронизации являются сложными системами, при описании которых должен быть учтен ряд факторов. Во-первых, характеристики сигнала синхронизации, в качестве которого, согласно рекомендациям, используется информационный поток. Во-вторых, это параметры устройств синхронизации. В-третьих, связность сети синхронизации, которая в общем случае может быть произвольной. Учет первого фактора сводится к описанию фазовых (временных) искажений, накладываемых на сигнал каналообразующей аппаратурой, суточными изменениями температуры и другими дестабилизирующими факторами. При учете второго фактора во внимание должны быть приняты относительные нестабильности по частоте опорных генераторов и конкретные схемы ведомых часов, обычно представляемых фазовыми автоподстройками частоты. Связность должна отражать все соединения, имеющие место в сети синхронизации.
Факторы, которые влияют на качество синхронизации и должны быть отражены в модели, наиболее полно описаны в предложенной модели сети синхронизации.
При выборе модели СТСС сеть синхронизации рассматривалась как многосвязная система автоматического управления (МСАУ), в которой осуществляется одновременное регулирование нескольких взаимных координат [25]. Согласно определению МСАУ состоит из сепаратных устройств (СУ) и перекрестных связей между ними. Многосвязную сеть синхронизации (МСС) можно рассматривать как МСАУ, в которой отдельные ведомые часы (ФАПЧ) являются сепаратными устройствами, а каналы синхронизации образуют перекрестные связи между ними.
Так как взаимная синхронизация имеет наиболее общую структуру, из которой можно получить любые другие топологии, в основе модели лежит модель сети взаимной синхронизации, состоящей из т узлов (рис. 2.1).
Сравнение результатов моделирования цепи синхронизации
В настоящее время существует широкий выбор инструментальных средств для моделирования электронных устройств (в частотности ФАПЧ), реализованных в виде пакетов прикладных программ: ORCAD PSpice 9.2, MatLab 6.5, SystemView 6.0 [54, 55].
Наиболее распространенной задачей проектирования является моделирование аналого-цифровых устройств. Все современные продукты предполагают ввод проекта в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы моделирования. В качестве счетного ядра почти во всех программах используется программа SPICE, разработанная в университете Беркли, США. Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах. Сейчас для моделирования аналоговых устройств в основном используется версия SPICE 3, а для моделирования цифровых устройств - версия XSPICE. Эта версия была разработана специально для моделирования цифровых устройств, описанных списком соединений, причем сами модели компонентов описываются на языке SimCode.
Другой важной задачей проектирования является синтез логической схемы для последующей ее реализации на программируемых логических интегральных схемах PLD, CPLD, FPGA. Как правило, в продуктах, предназначенных для этих целей, используется задание функционирования работы схемы на одном из языков описания аппаратуры HDL, например, VHDL или Verilog.
Отдельно следует упомянуть пакет SystemView компании Elanix, также позволяющий моделировать логические схемы и упаковывать их в ПЛИС фирмы Xilinx. Однако уровень моделирования здесь принципиально другой — эта программа предназначена для моделирования систем на уровне структурных схем. В нем используются поведенческие модели, позволяющие оценить работоспособность моделируемой системы на вентильном, а не на схемотехническом уровне. К достоинствам пакета можно отнести наличие мощного модуля синтеза цифровых фильтров, к недостаткам — совместимость лишь с устаревшей версией Xilinx CORE Generator 1.5 (сейчас имеется версия 3 и выше). Это объясняется тем, что фирма ХШпх переключила свое внимание на имеющий сходные возможности, но более дешевый продукт Simulink 4.0 компании Math Work.
Каждый из приведенных пакетов имеет свои преимущества и недостатки, например, PSpice - известный симулятор схем во временной области общего назначения, используя точные модели, может исполнять точное моделирование, это занимает очень много времени.
MatLab — это инструмент анализа, разработанный компанией Math Works. Он включает комплекты инструментов для анализа DSP, устройств связи и систем управления. Simulink имеет развитый графический интерфейс для формирования разнообразных моделей. В комплект инструментов Communication включены модели ФАПЧ с источником тока. Эти модели выполняются довольно быстро, но проигрывают по точности моделирования SPICE [54].
Главные аспекты, которые осложняют моделирование ФАПЧ, следующие: наличие как цифровых, так и аналоговых компонентов (цифровые - фазовый детектор, делитель; аналоговые - управляемый напряжением генератор (VCO), источник тока, фильтр петли); высокая частота часов вместе с низкочастотными временными константами.
Главные показатели, по которым могут быть оценены программы для моделирования ФАПЧ, следующие: скорость моделирования; точность моделирования процессов; точное предсказание джиттера (стабильность часов).
Лишь некоторые из приведенных выше систем позволяют моделировать систему ТСС в целом, например, System View, MatLab. Так интуитивно понятные блок-диаграммы среды Simulink MatLab помогли фирме Motorola рассчитать функциональные возможности цепи фазовой синхронизации [56].
Для моделирования типовых устройств СТСС на поведенческом уровне и проведения полного цикла исследований влияния дестабилизирующих факторов был разработан специализированный пакет программ. В качестве математического аппарата для описания моделей выбран метод цифрового моделирования на базе рекурсивных уравнений [26, 56, 57].
Для сравнения разработанного пакета с зарубежными был выбран пакет MatLab 6.5, как наиболее используемый в России. Проведено моделирование отдельных устройств синхронизации и однородных цепей синхронизации в системе MatLab 6.5 и при использовании разработанного ПО. Сделаны выводы об алгоритмических и интерфейсных возможностях рассматриваемых программных пакетов для моделирования СТСС.
Исследование качества процесса управления сетей синхронизации
При оценке качества процесса управления сетей синхронизации, как многосвязных систем автоматического управления, выделяют прямые оценки качества переходных процессов, косвенные оценки, частотные и интегральные оценки [26].
Прямые оценки качества переходных процессов
В настоящее время в рекомендациях определены три стратегии синхронизации: плезиохронная, «ведущей-ведомый», взаимная синхронизация. Наиболее распространенной является стратегия «ведущий-ведомый». В этом случае СТСС имеет древовидную структуру, в которой могут быть выделены линейные цепи синхронизации. Поэтому в качестве основной модели СТСС была выбрана линейная модель. Для ее построения необходимо было определить параметры устройств синхронизации (ФАПЧ) таким образом, чтобы их выходные характеристики на типовые входные воздействия удовлетворяли требованиям рекомендаций. В качестве типовых воздействий выбраны скачок частоты и скачок фазы. Примером практического случая, при котором ведомые часы испытывают скачок фазы на входе, может быть случай, когда происходит переключение эталона между двумя входными сигналами сети, которые подстраиваются по одним и тем же ведущим часам. С другой стороны, скачок частоты происходит, когда ведомые часы переключаются между двумя плезиохронными временными сигналами.
Исследования проводились для моделей ФАПЧ первого, второго и третьего порядка с различными характеристиками ФД (линейной, синусоидальной и ступенчатой). На рис. 4.2 показаны временные характеристики на выходах некоторых моделей ФАПЧ с одинаковыми полосами удержания при единичных скачках фазы. Все выходные характеристики попадают в область допустимых значений, определенную в рекомендациях для ведомого генератора синхронной цифровой иерархии - SEC [64, 65].
К прямым оценкам качества переходных процессов относят время регулирования и максимальную фазовую ошибку (коэффициент перерегулирования). Исследования для их определения сводились к следующему. Рассматривались линейные модели сетей с различным количеством узлов. В качестве модели узла использовалась модель ФАПЧ 2-го порядка с полосой пропускания ФАПЧ 5=1 Гц, отношением демпфирования = 4 и собственной частотой со„ = 0,77. На первом узле каждой модели имитировали скачкообразное изменение фазы на входе, анализировали процессы на выходах остальных узлов и фиксировали значение времени регулирования и максимальной фазовой ошибки. Результаты исследований приведены на рис. 4.3 - 4.7.
Из проведенных экспериментов следует, что и максимальная фазовая ошибка, и время регулирования увеличиваются с ростом числа узлов в сети синхронизации как в случае скачка частоты, так и в случае скачка фазы на входе цепи (рис. 4.4, 4.7). Причем, максимальная фазовая ошибка линейно возрастает с ростом числа узлов, а время регулирования с увеличением числа узлов растет нелинейно и носит экспоненциальный характер (рис. 4.4, б). Однако при большом времени регулировании (В чуть меньше 10 Гц) эффекта перерегулирования не будет, выходная кривая будет асимптотически приближаться к кривой, характеризующей входное воздействие (рис. 4.5).
Интегральные показатели качества Из существующих интегральных показателей качества сетей синхронизации были выбраны максимальная ошибка временного интервала МОВИ (Maximum Time Interval Error, MTIE) и девиация времени ДВ (Time Deviation, TDEV) [66, 67].
Проведено исследование влияния внутренних шумов элементов петли устройства синхронизации на его работу. Была выбрана модель ФАПЧ второго порядка с активным фильтром, как наиболее используемая на практике. Так как ошибка временного интервала, обусловленная влиянием внутреннего шума ГУН, намного превышает ошибку временного интервала, вызванную внутренним шумом ФД (рис. 4.8), то можно сделать вывод, что основным источником внутреннего шума ФАПЧ является ГУН, поэтому при выборе ФАПЧ предпочтение следует отдавать системам, шумовые характеристики ГУН которых минимальны
Чтобы выявить, соответствуют ли построенные модели устройств синхронизации требованиям рекомендаций, были получены зависимости МОВИ, обусловленные внутренними шумами ФАПЧ, от интервала наблюдения. На рис. 4.9 приведены результаты экспериментов для ФАПЧ второго порядка с различными характеристиками (синусоидальной, ступенчатой, линейной) ФД и ФАПЧ третьего порядка. Все выходные характеристики попадают в область допустимых значений. Также видно, что ФАПЧ третьего порядка с линейной характеристикой ФД обладает лучшими фильтрующими свойствами.
