Введение к работе
Диссертационная работа направлена на решение ряда актуальных практических задач по повышению эффективности системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени с целью совершенствования общей системы частотно-временного обеспечения (ЧВО) сети связи общего пользования (ССОП).
Актуальность проблемы. Современные технологии, используемые в системах связи, направлены на увеличение пропускной способности сетей связи и, соответственно, абонентского трафика. Для обеспечения большинства современных услуг и сервисов (таких, например, как электронная цифровая подпись, всевозможные технологические системы мониторинга и контроля технологических процессов, обеспечение процессов синхронизации баз данных, размещённых на удалённых носителях, и т.п.) сети связи должны иметь эффективную систему распределения сигналов тактовой синхронизации и единого точного времени, т.е. систему частотно-временного обеспечения (частотную и временную синхронизацию). При существенном росте услуг связи, таких как передача различного рода мультимедийной информации - изображения, видео, данных, online сервисы и др. требуются более высокие показатели надёжности работы, также обеспечение более высоких точностных характеристик систем частотной и особенно временной синхронизации, чем это реализовано в существующих сетях подвижной и фиксированной связи ССОП.
Сети тактовой сетевой синхронизации (ТСС), реализующие необходимое для ССОП частотное обеспечение, строятся по иерархическому принципу и имеют системы резервирования источников и направлений передачи синхросигналов. Однако в процессе развития сетей связи усложняется их топология, что создаёт дополнительные риски снижения надёжности системы ТСС за счёт образования «петель синхронизации», т.е. цепочек из 2-х и более сетевых элементов, передающих синхросигналы друг другу по замкнутому пути. Как правило, это является следствием недостаточно эффективного построения сложных схем синхронизации, приводящей в аварийных условиях работы сети связи к значительному ухудшению качества предоставляемых услуг связи, вплоть до полной потери связи. Существующие способы анализа схем синхронизации на возможность петлеобразования сложны и трудоёмки, и поэтому в большинстве практических случаев не используются. Таким образом, разработка метода анализа схем синхронизации, обеспечивающего обнаружение возможностей петлеобразования на этапе проектирования и в процессе эксплуатации сетей ТСС, а также разработка математической модели сети ТСС, позволяющих оператору связи предсказывать и обнаруживать место возможного образования петли синхронизации в заданной схеме ТСС, являются в настоящее время достаточно актуальными задачами.
Наиболее перспективные, активно развивающиеся сети связи с коммутацией пакетов, которые дают возможность эффективно реализовать как транспортные, так и коммутационные подсистемы в едином комплексе оборудования, не всегда позволяют обеспечить параметры частотной синхронизации с необходимой точностью без применения достаточно сложных специальных технических решений. Особенно это важно для базовых станций сотовых сетей связи, распределительных сетей цифрового телевещания, сетей широкополосного доступа к сети Internet и т.п.
Существенной проблемой в части реализации систем тактовой синхронизации в пакетных сетях является их асинхронная природа, которая не предусматривает механизмов передачи сигналов эталонной частоты, необходимой для базовых станций и шлюзов с традиционными сетями с коммутацией каналов.
В пакетных сетях возможна реализация системы передачи эталонной частоты с использованием технологи синхронного Ethernet (SyncE), которая строится по тем же принципам, что и в традиционных системах передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ). Но не все сетевые элементы сетей с коммутацией пакетов оборудованы интерфейсами с поддержкой синхронного Ethernet, что ограничивает возможности достижения надёжной синхронизации в пакетных сетях. Кроме того, для многих современных подсистем радиодоступа (в первую очередь для систем связи с одночастотным режимом вещания (DVB, WiMAx, CDMA, LTE и др.), кроме частотной синхронизации необходима ещё и синхронизация по сигналам единого точного времени, что не обеспечивается применением технологии синхронного Ethernet и требует применения дополнительных технических решений.
Таким образом, возникает задача обеспечения частотной синхронизации в пакетных сетях на основе систем передачи сигналов единого и точного времени. В настоящее время активно развиваются различные технологии восстановления синхросигналов эталонной частоты на основе передачи сигналов времени. При этом на приёмной стороне производится подстройка частоты местного генератора по тактовым сигналам, восстановленным из принятой информации о точном времени.
В качестве основного технического решения международными организациями по стандартизации в области телекоммуникации предусматривается внедрение протокола синхронизации времени, известного как прецизионный протокол времени (Precision Time Protocol - РТР). Он должен обеспечивать большую точность работы систем синхронизации в пакетных сетях, однако этот протокол также ещё исследуется и не готов для окончательной стандартизации и, кроме того в нём не предусматривается определение методов выделения сигнала эталонной частоты и времени. Поэтому разработка подсистемы выделения сигнала эталонной частоты и времени при использовании протокола РТР является одной из важнейших задач при организации частотно-временной синхронизации. В создавшихся условиях для реализации приёмного устройства сигнала эталонной частоты и времени могут использоваться запатентованное устройство частотно-временной синхронизации [1] и Устройство измерения задержки сигналов точного времени в каналах связи [2]. Однако для его эффективного применения необходима разработка алгоритма выбора основных параметров системы управления фазой выходного сигнала частоты и времени, с учётом распределенной в сравнительно широких пределах задержки передачи опорных сигналов, передаваемых по сетям связи.
Исследованиям в области совершенствования частотной и временной синхронизации сетей связи посвящены многочисленные работы российских и зарубежных авторов: Бирюков Н.Л., Давыдкин П.Н., Ермошкин Д.А., Иванов А.В., Климов Д.А., Колтунов М.Н., Коновалов Г.В., Леготин Н.Н., Новожилов Е.О., Рыжков А.В., Морозов Г.Г., Савчук А.В., Триска Н.Р., Шевченко Д.В., Bregni S., Mills D.L., и многих других.
Цели и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является совершенствование систем частотно-временного обеспечения ССОП путем разработки решения ряда актуальных практических задач, обеспечивающих повышение эффективности систем тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени.
Для достижения указанной цели в работе исследовались и решались следующие задачи:
анализ технических возможностей сетевых элементов сетей ТСС в части системы резервирования источников сигналов синхронизации;
исследование механизмов петлеобразования в сетях ТСС;
разработка математической модели сети ТСС для обнаружения лишних связей, создающих возможности петлеобразования в схеме синхронизации;
анализ характеристик реальных изменений задержек сигналов при передаче шкалы точного времени с использованием сигнала 1 PPS на сетях связи, построенных на базе различных технологий (с временным разделением каналов и пакетной передачи данных);
анализ технических возможностей так называемой управляемой ФАПЧ в системах частотно-временного обеспечения на сетях связи различных технологий.
разработка алгоритма определения параметров системы управления фазой выходного синхросигнала, для устройства частотно-временной синхронизации, используемого для восстановления эталонной частоты и сигналов точного времени на основе приёма метки шкалы времени (сигнал 1 PPS), в условиях реальных сетевых шумов и разброса задержек в сетях связи.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического анализа и моделирования, а также теория графов и теория матриц, с помощью которых определялись и устранялись замкнутые петли синхронизации. С использованием алгоритма Евклида разработана методика выбора параметров системы управления фазой выходного синхросигнала для устройства восстановления тактовой частоты и точного времени в условиях значительных изменений задержки сигналов, передаваемых по сетям связи.
Научная новизна работы заключается в следующем :
На основании исследования механизма и условий, при которых образуются петли синхронизации, разработан топологический метод анализа схем синхронизации, позволяющий выявлять потенциальную возможность образования петель синхронизации в различных условиях работы сети ТСС;
разработана математическая модель сети ТСС для обнаружения и исключения лишних связей, создающих потенциальные возможности петлеобразования для заданной схемы синхронизации;
Разработан алгоритм, который позволяет определить основные параметры управляемой ФАПЧ устройства синхронизации, используемого для восстановления эталонной частоты и сигналов точного времени на основе приёма метки шкалы времени (сигнал 1 PPS) в условиях реального разброса задержек и асимметрии в сетях связи.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода обнаружения и устранения возможности образования петель на сетях тактовой сетевой синхронизации, а также в построении алгоритма определения параметров управляемой ФАПЧ, используемой при восстановлении синхросигналов при приёме метки времени со значительными изменениями задержки в сетях связи.
Практическая значимость работы состоит в создании удобной для практического использования методики анализа схем синхронизации с целью выявления и ликвидации потенциальной возможности образования замкнутых колец в цепях распределения синхросигналов, а также в разработке алгоритма, позволяющего рассчитать основные параметры системы управления фазой выходного сигнала для устройства частотно-временной синхронизации, позволяющего эффективно восстанавливать эталонную частоту и сигналы точного времени на основе приёма метки шкалы времени (сигнал 1 PPS), в условиях реальных сетевых шумов и разброса задержек в сетях связи. Эти методики и алгоритм отличаются простотой и удобством применения в практической работе специалистов в области электросвязи.
Результаты работы находят применение на этапах проектирования и технической эксплуатации сетей тактовой сетевой синхронизации, а также при разработке оборудования синхронизации на основе приёма метки шкалы времени 1 PPS.
Апробация результатов работы
Основные результаты исследований опубликованы в 16 печатных изданиях (из них 8 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК). Блок-схема и принцип работы устройства частотно-временной синхронизации защищены патентом RU 2341892 С2 Приоритет 21.12.2006 г. Бюллетень №35 2008 г., устройства измерения задержки сигналов точного времени в каналах связи защищены патентом RU 2460209 С1 07.02.2011 Бюллетень №24 2012 г. Методы обнаружения и устранения замкнутых петель используется при проводимых в ЗАО «Сайрус Системе Инжиниринг» модернизациях схем ТСС на сетях связи ОАО «Ростелеком».
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, приложений и списка литературы, изложенных на 107 страницах машинописного текста, содержащих 40 рисунков, 8 таблиц, список литературы содержит 90 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанный метод топологического анализа схем синхронизации обеспечивает удобными для практического использования средствами обнаружение потенциальных возможностей петлеобразования на этапе проектирования и в процессе эксплуатации сетей ТСС.
-
Разработанная математическая модель для анализа сети ТСС позволяет обнаруживать и исключать лишние связи, создающие потенциальную возможность петлеобразования в схеме синхронизации.
3. Разработанный алгоритм позволяет рассчитать параметры управляемой ФАПЧ для создания устройства синхронизации, основанном на приёме метки шкалы времени в условиях реальных сетевых шумов и разброса задержек в сетях связи.
