CC BY
64
АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ СЕТЕВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ СИГНАЛОВ
Мазуренко Дмитрий Константинович,
ФГУП ЦНИИС, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: единое точное время, тактовая сетевая синхронизация, всемирное скоординированное время, локальные часы, протокол синхронизации шкалы времени, генератор меток времени.
Система частотно - временной сетевой синхронизации (ЧВСС) сигналов относится к устройствам синхронизации сигналов по частоте, сдвигу фазы и шкале времени, используемым как в системах единого точного времени (ЕТВ), так и в системах тактовой сетевой синхронизации (ТСС), построенных на основе телекоммуникационных сетей. Существующие системы ТСС, как правило, не обеспечивают выполнение требований синхронизации сигналов по частоте, сдвигу фазы и шкале времени, предъявляемых к системе ЕТВ.
Обсуждаются особенности и требования, предъявляемые к объединенной системе ТСС и ЕТВ, построенной на основе телекоммуникационных сетей, а также ряд технических решений, на которые получен патент [8], направленных на повышение стабильности частоты сигналов генераторов меток времени (ГМВ) в режиме удержания. Следует отметить, что в режиме удержания частоты задающего генератора, то есть, в отсутствии входного сигнала, стабильность частоты выходного сигнала может поддерживаться не только за счет уменьшения влияния внешних воздействий, для чего применяется термостатирование, но и/или в результате обработки и последующего использования для коррекции отклонений запомненных данных, полученных во время работы генератора в синхронном режиме.
Такое решение рассматривается в статье, при котором для повышения стабильности частоты ГМВ в режиме удержания используется цифровая оценка расхождения, запомненных значений отклонения, Дf частоты ГМВ в синхронном режиме и значений отклонения Дf частоты ГМВ в режиме удержания. Эта оценка выражается через отклонение временного интервала и, вычисляется в результате аппроксимации значений полученных отклонений с помощью полинома первого порядка, то есть, в результате определения и сравнения коэффициента, характеризующего наклон линейной зависимости, для синхронного режима и режима удержания. На основании оценки разницы отклонений формируется управляющий сигнал изменения частоты выходного сигнала генератора в режиме удержания, обеспечивающий уменьшение отклонений частоты выходного сигнала от ее номинального значения.
Информация об авторе:
Мазуренко Дмитрий Константинович, Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЦНИИС), начальник отдела, к.т.н., Москва, Россия
Для цитирования:
Мазуренко Д.К. Аспекты построения системы частотно-временной сетевой синхронизации сигналов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №8. С. 4-8.
For citation:
Ма2ыгепко D.K. (2017). Aspects of the building a system of network synchronization signals in frequency, phase shift and time. T-Comm, vol. 11, no.8, рр. 4-8. (in Russian)
T-Comm Том 11. #8-2017
7TT
1, Построение системы частотно-временной сетевой синхронизация сигналов
Известны три режима сетевой синхронизации сигналов [1], а именно по частоте, елвигу фазы и шкале времени. Первые тип синхронизации осуществляется, как правило, используя передачу сигналов синхронизации па физическом уровне. Синхронизация по сдвигу фазы может осуществляться, используя передачу сигналов синхронизации, как на физическом уровне, гак и на канальном или сетевом уровнях. Синхронизация сигналов по шкале времени предполагает использование для целей сетевой синхронизации только более высокие уровни передачи сигналов синхронизации: канальный уровень или сетевой. Характерными представителями этого типа синхронизации являются протоколы синхронизации шкалы времени NTP (Network time protocol), SNTP (Simple network time protocol) и РТР (Precision lime protocol). В данных протоколах для синхронизации шкалы времени эталонных и локальных часов, кроме передачи информации о текущем времени, осуществляется также оценка задержки этой информации в процессе ее передачи. Эта оценка имеет погрешность вследствие асимметрии задержки передачи сигналов в прямом и обратном направлениях. Поэтому в целях повышения точности синхронизации применяется протокол РТР [2, 9, 10]. Основной особенностью данного протокола является то, что для снижения погрешности, возникающей при оценке задержки, предлагается использовать элементы сетевой поддержки в виде граничных или прозрачных часов.
Следует подчеркнуть, что сетевая синхронизация шкалы времени в процессе ее поддержания выполняется только при осуществлении всех трех видов синхронизации но частоте, сдвигу фазы и времени. Поэтому она может являться интегральной оценкой выполнения режима сетевой синхронизации сигналов в целом, а величина ее отклонения от эталонного сигнала, например, всемирного скоординированного времени - Coordinated Universal Time (UTC (SU)), служить сигналом для осуществления синхронизации локальных генераторов меток времени.
Таким образом, используя цифровую оценку расхождения шкапы времени эталонного источника и локального генератора согласно [8], можно обеспечить как сетевую синхронизацию частоты, так и сетевую синхронизацию меток-времен и,
2. Предпосылки к созданию системы сетевой частотно-временной синхронизации сигналов
Как известно, требования к характеристикам максимальной ошибки временного интервала (MOBИ) первичного эталонного генератора (ПЭГ) табл. 1, рис. 1 13J и первичного эталонного генератора шкалы времени (ПЭГШВ) табл. 2, рис. 2 [4] согласно рекомендациям МСЭ-Т G.811 и G.8272 отличаются друг от друга.
Таблица 1
MOB И
МТ1Е, мке Интервал наблюдения г, с
0,275 х 10 т +0,025 0,1 <х< 1000
104 + 0,29 т> 1000
10 ООО
1Е + 06 1Е + 08
Рис. 1. Характеристика МОВИ ПЭГ согласно рекомендации МСЭ-Т G.811
Таблица 2
МОВИ
MTIE, мке Интервал наблюдения т, с
0,275 х 10 ' т + 0,025 0,1 < т < 273
0.10 г >273
1t*0 1е»1 1с+Э
1е»5 1е«7
Рис. 2. Характеристика МОВИ ПЭГШВ согласно рекомендации МСЭ-Т 0.8272
Согласно рис. I, табл. I и рис. 2, табл. 2 на интервалах наблюдения более 273 с, одна характеристика имеет монотонно нарастающее изменение, а другая не изменяется и принимает постоянное значение.
Это, по всей видимости, означает, что в объединенной системе ЕТВ и ТСС постоянное значение характеристики МОВИ для 11ЭГШВ па интервалах наблюдения более 273 с. можно обеспечить только за счет периодической коррекции шкалы времени и в этом случае можно будет использовать генераторы с характеристикой согласно требованиям рекомендации МСЭ-Т G.81! [3].
Таким образом, для того чтобы обеспечить выполнение требований по коррекции шкалы времени на уровне требований к ПЭГШВ необходимо проводить коррекцию характеристик генератора раздельно. То есть, частоту генератора в синхронном режиме и режиме удержания корректировать согласно требованиям к системе ТСС, а шкалу времени корректировать согласно требованиям к системе ЕТВ, и, следовательно, разделить, как требования к характеристикам выходных сигналов 1 PFS и 2,048 МГц, так и функционально
сами интерфейсы. При этом коррекцию шкалы времени проводить за ечет использования периодической фазовой коррекции сигналов на уровне интерфейса 1 PES (1 pulse per second).
Требований к характеристикам MOB И для ведомых генераторов, формирующих шкалу времени в синхронном режиме и режиме удержания, согласно рекомендациям МСЭ-Т, не разработано.
Однако, известно, что относительный дрейф частоты за сутки для стандартов частоты различных типов составляет:
- кварцевых генераторов -10 '>- кварцевых генераторов с температурной компенсацией— 10
- кварцевых генераторов с температурной стабилизацией
-lo^iü 10;
-II -12
- рубидиевых источников — 10 "МО ;
-12 -13
- цезиевых стандартов - 10 -i-10
Следует отметить, что цезиевые генераторы со стабильностью 5*10-13, находящиеся на борту спутников ГЛО-НАСС имеют уход временной шкалы в течение суток порядка 25 не. Для компенсации ухода временной шкалы от эталонной шкалы UTC(SU) производится подбор математических полиномов, которые учитывают изменение частоты, то есть сдвиг фазы генератора корректируется раз в сутки, причем индивидуально для каждого спутника [5J.
Наряду с этим, согласно материалам рекомендации МСЭ-Т G.812 [6] сдвиг фазы Дх генератора 1-ого типа (2, 048 МГц) в режиме удержания может быть представлен в виде выражения:
|Дх(т)| < {(а,+ а2)* т + 0,5 Ь* т + с} не,
имя значения величины интервала наблюдения Т„ и периода
Т частоты генератора, интервал наблюдения Т„ ра/
вен
f * At где —— _ относительная нестабильность гепе-
¥
рагора меток времени, а Д? - точность корректировки.
Время выборки тв определяется согласно [5] и составляет для фильтра е полосой 10 Гц - 0,03 С.
3. Принцип работы системы сетевой частотно-
временной синхронизации сигналов
Принцип работы предлагаемой системы сетевой синхронизации сигналов поясняется рис. 3, на которой изображена система сетевой синхронизации сигналов генераторов меток времени [8].
М - ¡пеменгмеети
эсчв гевч
ц д кв (.
и
......{
п
Лйгц
ti-
f" i
АКБ]
JE
w.
Í МГц
ивоцк
—^ i;i iflbtj ее и п ñ v ровен ь
ЭСЧВ CrtHari часто? ы н ■ реыем1
Гсеч Гкудврс*?ем«йслгчСыере№м1 ичжтогы
ЦДКВ ЦИФРСЬОЙ ДИС*рИМИКаТОР ШЩЭ uJ*.3 Пы Е рР №4 И
гм в з еневзт ор клетр* spe Met« ИЭОиК " í ' врвммы ori¡notiet*iH- цифровом КОД
а кв, рэмсодеА« годэ шкалы времен! в серенном peuwe
¿ К В, uacitíc^k«& в ременчьн отплоив™ & ЕЩШб yflejítómfl
( ) передам«* причинитгад кода шкэгирремеш
а производная в виде следующего выражения:
|(1(Дх(т))/с1т | < {а,+ а:+ Ь* т} нс/с, где: а, = 0,5 нс/с - при постоянной температуре; а., = 2 нс/с
-4 ">
- при изменениях температуры; Ь = 2,3* 10 нс/с ; с = 60 не. Задача по улучшению эксплуатационных характеристик системы ЧВСС, па выполнение которой направлено описываемое далее решение, заключается в повышении стабильности частоты сигналов генераторов меток времени в режиме удержания.
Улучшение эксплуатационных характеристик системы ЧВСС в режиме удержания достигается за счет того, что поддержание сетевой синхронизации сигналов осуществляется в двух режимах: синхронном режиме и режиме удержания. Причем в синхронном режиме в результате цифровой оценки расхождения шкалы времени эталонного источника сигнала и шкалы времени, формируемой генераторами меток времени, а в режиме удержания в результате цифровой оценки расхождения запомненных значений опорного сигнала на интервале времени Ти„, полученных в синхронном режиме в результате преобразования в цифровой код временных отклонений Тпериодов частоты ГМВ, просуммированных со временем выборки тк и значений текущего сигнала, полученных в результате аналогичного преобразования в режиме удержания. Причем интервал времени Т„е равен
т
п*Т, п равно нелому значению [—], полученному от деле-
Рис. 3, Система сетевой синхронизации сигналов генераторов меток времени
Система сетевой синхронизации сигналов генераторов меток времени содержит:
- (1) — эталонный сигнал частоты и времени (ЭСЧВ) Государственной службы времени и частоты (ГВСЧ);
- (2| 2м) - цифровые дискриминаторы кода шкалы времени (ЦДКВ);
- 3N)~ генераторы меток времени (ГМВ);
- (4] 4n) — преобразователи интервала временных отклонений, соответствующего Г периодам частоты ГМВ, в цифровой код (ИВ011К).
Устройство ИВОЦК, используемое для преобразования интервала временных отклонении Т периодов частоты Г'МВ в цифровой код и являющееся детектором, характеризующим медленные изменения частоты (ванлер) на интервале выборки, может быть реализовано, например, е помощыо циклически заряжаемого и разряжаемого генератора линейно-изменяющегося напряжения и аналого-цифрового преобразователя.
Запомненные значения детектора сигнала, определяемые преобразователем ИВОЦК в синхронном режиме, являются индивидуальными значениями для каждого Г'МВ и используется далее в качестве опорного сигнала в режиме удержания для автоподстройки частоты ГМВ.
Таким образом, схема имеет два дискриминатора обычный — 1ЩКВ и с подбором полиномов — ИВОЦК.
6
■
T-Comm Том 11. #8-2017
Система сетевой синхронизации сигналов Г'МВ работает следующим образом, В ЦДКВ проводится цифровая оценка значения Д КВ|, представляющего собой расхождение шкалы времени, поступающей от ЭСЧВ ГВСЧ и шкалы времени ГМВ. Далее расхождение Д КВ| используется в качестве управляющего сигнала для подстройки шкалы времени, частоты и сдвига фазы ГМВ. Одновременно с помощью ИВОЦК определяются отклонения Д / частоты выходного сигнала ГМВ относительно ее номинального значения, выраженные через отклонение временного интервала.
В случае пропадания внешнего сигнала синхронизации меток времени для подстройки ГМВ используется сигнал расхождения временных отклонений Д КВ2, который представляет собой цифровую оценку расхождения запомненных значений отклонения Д/частоты ГМВ в синхронном режиме и значений отклонения Д/частоты ГМВ в режиме удержания на интервале времени 7"„.в., выраженную через отклонение временного интервала и вычисленную в результате аппроксимации значений полученных отклонений с помощью полинома первого порядка, то есть в результате определения и сравнения коэффициента, характеризующего наклон линейной зависимости для синхронного режима и режима удержания.
Скорость отклонения частоты выходного сигнала относительно ее номинального значения, выраженная для синхронного режима и режима удержания через отклонение временного интервала, представлена соответственно на рис. 4 и 5. Как следует из этих графиков скорость отклонения частоты выходного сигнала относительно ее номинального значения в режиме удержания выше, чем в синхронном режиме.
На основании результатов оценки разницы отклонений, что следует согласно описанию работы полезной модели [8], формируется управляющий сигнал для изменения частоты выходного сигнала генератора в режиме удержания, обеспечивающий уменьшение отклонений частоты выходного сигнала от ее номинального значения.
.I.» а ■ .» 1.............. Е—«йи-^ЕИ -.
Д ц ншигин *
ЧП«* М, ; Л*" »- V »»ОТ
д ш*.\ым____
У
Рис. 4. Отклонение временного интервала ВЗГ в синхронном режиме
Рис. 5. Огклонение временного интервала ВЗГ в режиме удержания
Выводы
1. Система ЧВСС сигналов по частоте, сдвигу фазы и времени основанная на периодическом обмене информацией о шкале времени между передатчиками и приемниками сигналов шкалы времени, для обеспечения требований как к характеристикам системы ТСС, гак и к характеристикам системы ЕТВ требует функционального разделения интерфейсов и раздельной коррекции синхросигналов.
2. Коррекцию шкалы времени для системы ЕТВ в синхронном режиме нужно проводить за счет использования периодической фазовой коррекции сигналов на уровне интерфейса 1 PPS,
3. Коррекцию дрейфа частоты генератора системы ЧВСС в режиме удержания можно обеспечивать в результатам полбора полинома, характеризующего отклонение частоты генератора от эталонной в синхронном режиме и режиме удержания, то есть, используя различие в скорости отклонения частоты выходного сигнала относительно ее номинального значения в режимах удержания и в синхронном режиме.
Литература
1. Рекомендация МСЭ-Т G.8260 (08/2010 г.). Определенна и терминология для синхронизации в сетях с пакетной коммутацией.
2. Стандарт IEEE 1588 (2008 г.) «Протокол синхронизации прецизионных часов для сетевых измерений и систем управления».
3. Рекомендация МСЭ-Т G.81! (09/1997 г.). Характеристики синхронизации первичного эталонного генератора.
4 Рекомендация МСЭ-Т G.8272 (10/2012 г.). Характеристики синхронизации первичного эталонного генератора шкалы времени.
5. Сикякин Л.К.. Кошелев A.B. Физические принципы работы G PS/ГЦ ОН ДСС, URL: http//: lib.ssga.ru (дата обращения 14.03,2017).
6. Рекомендация МСЭ-Т G.812 (06/2004 г.). Характеристики синхронизации вторичных задающих генераторов для использования в качестве узловых генераторов в синхронных сетях.
7. Стандарт ETSI EN 300 462-3-1 vi.1.1. (1998-05 г.). Требования к фазовым дрожаниям и блужданиям в сети синхронизации.
8. Мазуренко Д.К. Система сетевой синхронизации сигналов генераторов меток времени. Патент РФ на полезную модель №161053 НОЗ L 7/00, опубликован 10.04.2016.
9. Мазуренко Д.К. Сетевые решения построения пакетной сети распределения сигналов единого точного времени // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт, 2015. Том 9. № 4. С, 67-71,
10. Мазуренко Д.К. Измерение качества передачи сигналов единого точного времени в сети связи с пакетной коммутацией // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. № 7. С. 35-40.
7ТТ
ASPECTS OF THE BUILDING A SYSTEM OF NETWORK SYNCHRONIZATION SIGNALS
IN FREQUENCY, PHASE SHIFT AND TIME
Dmitry K. Маzurenko, Central Science Research Telecommunication Institute (ZNIIS), Moscow, Russia,
Abstract
The paper considers are questions of exact times support and network synchronization on telecommunication operator network. This solution is aimed at improving the stability of the frequency signal generators timestamps on holdover, as well reducing hardware cost by allowing the use of inexpensive controlled generator timestamps. Technical result is reached in consequence of simplification of the implementation process, executing compensation of the deviation of the oscillation frequency on holdover due to the effect of aging and temperature.
Keywords: exact times support, network synchronization, coordinated universal time, local clock, precision time protocol, generator timestamps. References
1. Definitions and terminology for synchronization in packet networks, ITU-T Recommendation G.8260/Y.I360, 2010.
2. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Std 1588, 2008.
3. Timing characteristics of primary reference clocks, ITU-T Recommendation G.8II, 1997.
4. Timing characteristics of primary reference time clock, ITU-T Recommendation G.8272 / Y 1367, 2012.
5. Simakin A.K., Koshelev A.V. (2017). Physical principles of works GPS/GLONASS, URL: http:// lib.ssga.ru (date accessed 17.03.2017) (in Rissian).
6. Timing requirements of slave clocks suitable for use as node clocks in synchronization networks, ITU-T Recommendation G.8I2, 2004.
7. ETSI EN 300 462-3-1 vI.1.1. "Transmission and Multiplexing (TM); Generic requirements for synchronization networks; Part 3-1: The control of jitter and wander within synchronization networks".
8. Mazurenko D.K. The system to network synchronizing signal generator of the marks of time. The patent RF №I6I053 on useful model H03 L 7/00. Is published I0.04.20I6 (in Rissian).
9. Mazurenko D.K. (20I5). Network reference model of the utc distribution for the packet networks. T-Comm. 20I5, vol. 9, no. 4, pp. 69-7I. (in Rissian).
10. Mazurenko D.K. (2016). The measurement utc(su) quality transmissions for the telecommunication operator network all-ip structure. T-Comm, vol.I0, no. 7, pp. 35-40. (in Rissian).
Information about author:
Dmitry K. Mazurenko, Central Science Research Telecommunication Institute (ZNIIS), head of department, Ph.D., Moscow, Russia.
7ТЛ
