автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Анализ сети тактовой синхронизации и разработка метода расчета цепи задающих генераторов при случайных воздействиях

На правах рукописи

Анализ сети тактовой синхронизации и разработка метода расчета цепи задающих генераторов при случайных воздействиях

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре многоканальной электросвязи Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Тверецкий М.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алексеев Е.Б.

кандидат технических наук, доцент Запорощенко Е.К.

Ведущая организация:

ЗАО «Компания ТрансТелеКом»

Защита состоится " /"2Шу . в/?ч.<?£>мин. в аудиториизаседани!^диссертайионного совета К 219.001.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: И1024, Москва, ул. Авиамоторная, д.8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУ СИ. Автореферат разослан 3/ 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 219.001.03, кандидат технических наук, доцент

Н.Е. Поборчая

№>-Ч

1вШГ

zimei

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Потребность в синхронизации возникла со времен появления модуляции и уплотнения сигналов в телефонных сетях. Эта потребность стала более насущной, а требования к точности синхронизации - более жесткими после начала процесса перевода сетей связи на цифровые технологии. А с началом строительства транспортных сетей синхронной цифровой иерархии (СЦИ) и появления в телекоммуникационных сетях мультимедийного трафика стабильная и точная синхронизация становится жизненно важным условием для обеспечения операторами требуемого качества услуг.

Па современном этапе тактовая система синхронизации (ТСС) становится отдельным направлением проектирования сетей связи. Причем сеть синхронизации проектируется и создастся как наложенная сеть нал первичной и вторичной сетями. Ее топология зачастую отличается от топологии цифровой сети. Этот этап характеризуется дроблением ТСС на регионы пле-зиохронной работы, что приводит к нарушению синхронизации при объединении таких участков в единую сеть (например, за счет появления проскальзываний на псевдосинхронных стыках, вызывающих ухудшение качества телекоммуникационных услуг).

На сегодняшний день решение вопросов синхронизации на ВСС России пока не носит достаточно полный характер. Особенностью ВСС России является как колоссальный территориальный размах сети, так и присутствие на ней многочисленных операторских компаний, как локального масштаба, так и охватывающие значительные регионы страны. Это усложняет как технические, так и организационные вопросы построения сетей тактовой сетевой синхронизации.

Исследованию сети синхронизации в целом, а также отдельных устройств синхронизации, посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в том числе и диссертаций (ГТ.Н. Давыдкин, Е.В.Зильберг, В.В. {Сальников, P.M. Камапов, А.И. Каяцкас, В.Н. Козлов, М.Н. Колтунов, Куликов, В.А. Левин, Ю.В. Соболева, В.И. Тихонов, Г.И. Тузов, Л.Н. Щелованов, И.М. Якимов, S. Breni, A.V Kantak W.C. Lindsay, и др.). В этих трудах охватывается значительная часть проблем, связанных с тактовой сетевой синхронизацией, но современный мир телекоммуникаций диктует все новые

требования к системам

РОС

С." НАЦИОНАЛЬНАЯ} ^БИБЛИОТЕКА J

качества переда-

1,1» •

ваемой информации необходимо значительное улучшение характеристик сети синхронизации. В частности, большой научный и практический интерес представляют исследования, посвященные улучшению качества работы ТСС. Существующие алгоритмы улучшения качества сигнала синхронизации, в основном, используют специальные метки качества сигнала, передаваемые в служебных каналах. На их основе производится выбор наилучшею из имеющихся сигналов синхронизации. Подобные алгоритмы на сегодняшний день разработаны достаточно хорошо и позволяют создагь относительно надежную сеть синхронизации.

Но у подобного подхода существуют и недостатки. Например, он не учитывает реального качества сигналов синхронизации, т.к. в метке содержится информация только о том, можно ли использовать этот сигнал или нет. Решение этих задач весьма важно для проектирования и управления сетью синхронизации.

Для анализа поведения и статистических характеристик систем при наличии сложных воздействий необходимо обладать определенным математическим аппаратом. Исследование работы вторичных задающих генераторов при наличии случайных воздействий ведется уже достаточно долго. Однако на этом пути существуют серьезные сложности. Данный факт связан с тем, что система фазовой синхронизации (ФАПЧ) является сугубо нелинейной системой. Аналитические методики исследования таких устройств в большинстве случаев носят приближенный характер.

Таким образом, на основании вышесказанного тема диссертации, посвященная исследованию и анализу математических моделей ТСС, описывающих их работу в условиях различных негативных воздействий, является актуальной.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является анализ и исследование сети синхронизации на основе различных математических моделей, учитывающих случайные аддитивные и фазовые воздействия

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Анализ параметров сигналов синхронизации, методов их расчета, а также влияния на качество телекоммуникационных услуг.

2. Разработка методов компенсации вандера.

3. Развитие методики проектирования сети синхронизации на основе введения дополнительного индекса генератора.

4. Сравнительный анализ и исследование математических моделей сети синхронизации; выбор модели сети синхронизации в применении к различным практическим задачам.

5. Разработка универсальной компьютерной программы, позволяющей исследовать параметры ТСС при наличии внешних воздействий.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, математической статистики, теории случайных процессов, теории устойчивости, теории вероятности, а также компьютерное моделирование.

Научная новизна результатов

1. Разработаны алгоритмы и структурные схемы устройств компенсации вандера, позволяющие повысить эффективность его подавления примерно в 1,4 раза.

2. Предложена методика проектирования сети синхронизации, исключающая появление замкнутых «петель» синхронизации, а также позволяющая наиболее эффективно использовать средства оператора.

3. На основании результатов исследования математических моделей сети синхронизации, предложена модель, учитывающая особенности реальных сетей синхронизации (шумы, вносимые подстраиваемым генератором, канальные шумы и др.).

4. Разработана оригинальная компьютерная программа для расчета параметров сети синхронизации, позволяющая исследовать сеть синхронизации, в условиях негативных воздействий, различных на каждом узле.

Практическая ценность

1. Математическая модель ТСС, предложенная на основе анализа, можег быть использована для принятия обоснованных решений по построению сетей синхронизации.

2. Разработанную компьютерную программу можно использовать для расчета параметров сети синхронизации при реальном проектировании с учетом различных негативных факторов (шумы генератора,

канальные шумы и др.).

3. Предложенные способы и схемы устройств компенсации вандера позволяют создать устройство, уменьшающее величину ваидера примерно в 1,4 раза.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод компенсации вандера, заключающийся в сравнении синхросигналов, приходящих на данный узел по разным маршрутам, позволяет уменьшить величину вандера примерно в 1,4 раза.

2. Предложенная методика проектирования сети синхронизации исключает появление замкнутых «петель» в цепях синхросигнала, а также позволяет наиболее эффективно использовать средства оператора за счет введения критичных и некритичных зон.

3. В результате анализа различных математических моделей сети синхронизации, предложена модель на основе уравнений в виде спектральной плотности, которая позволяет рассчитывать параметры сети синхронизации с учетом шумов опорных генераторов, шумов ведомых генераторов и канальных шумов.

4. Разработанная компьютерная программа позволяет рассчитывать параметры сети синхронизации (девиация временного интервала (ДВИ), ошибка временного интервала (ОВИ) и др.) при наличии на любом узле сети различных воздействий.

Реализация результатов

Результаты диссертации используются организациями, занимающимися разработкой и исследованием систем синхронизации, а также в учебном процессе Московского технического университета связи и информатики.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на LIX научной сессии РНТОРЭС им. A.C. Попова, посвященной Дню радио, Москва (2004), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ. По результатам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 депонированные работы.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы и ее практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследования, дан общий обзор работ в области исследования сети синхронизации и параметров синхросигналов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится общий обзор существующих сетей, описываются современные методы синхронизации, и показывается преимущество метода «распределенный ведущий», который использует синхронная цифровая иерархия. Здесь же рассматриваются основные параметры синхросигналов, анализируются свойства и методы измерений джиттера и вандера.

Необходимость сетевой синхронизации возникает, когда цифровые системы передачи интегрируются с электронными цифровыми системами коммутации в единую цифровую сеть, обеспечивающую передачу и коммутацию сигналов в цифровой форме. В современных синхронных сетях используется иерархия задающих генераторов, в которой сигнал каждого генератора синхронизируется по эталону сигнала верхнего уровня, имеющего более высокую точность. Приведем пример такой сети на рис. 1. В качестве ведущего генератора используется первичные эталонные генераторы (ПЭГ) высокой стабильности по частоте (~10'12). Ведомые генераторы (вторичные) реализованы в виде генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).

Рис. I. Сфуктурная схема ТСС вида "ведущий-ведомый"

ПЭГ синхронизирует ведомые генераторы с точностью до фазы, причем средняя частотная расстройка генераторов с ФАПЧ устраняется полностью. С выходов ФАПЧ синхронизированные колебания поступают в генераторное оборудование узлов коммутации, ЦСП, аппаратуру ПД. В этой же главе рассмотрена модель спектральной плотности шумов генератора в

виде степенной функции, которая позволяет разделить шумы на частотный шум случайных блужданий, частотный и фазовый фликкер-шумы, частотный и фазовый белый шум. Типичное распределение спектральных плотностей фазовых флуктуаций источников колебаний представлено на рис. 2.

Г

Рис.2. Типичное распределение спектральных плотностей Проанализированы свойства параметров синхросигналов, в результате можно утверждать, что основными параметрами, оценивающие качество системы ТСС являются две зависимости МОВИ (МТ1Е) и ДВИ (ТЭЕУ). Эти параметры измеряют нестабильность фазы сигналов синхронизации, которые принято разделять на джиттер (дрожание фазы) и вандер (дрейф фазы, с частотой ниже 10 Гц).

Показано, что наиболее опасным, с точки зрения потери информации является вандер, последствия, влияния которого могут быть компенсированы путем расширения размера эластичного буфера памяти. Это является очевидным аргументом в пользу рассмотрения вандера как важного эксплуатационного параметра, который не только позволяет обнаружить причину деградации качества связи, но и предпринять определенные меры по ликвидации такой деградации.

Во второй главе анализируется влияние параметров синхросигналов на качество различных телекоммуникационных услуг. Выявлено, что вандер приводит к проскальзываниям.

Так как джиттер поддается фильтрации штатными устройствами цифровых систем, а вандер проходит их без изменений и, как следствие, накапливается, что и приводит к проскальзываниям, то проскальзывания и важно рассматривать, как параметр, влияющий на телекоммуникационные услу-

ги.

Наибольшее влияние проскальзывания оказывают при предоставлении услуг по передаче шифрованных данных. В результате проскальзывания теряется ключ кодирования. Потеря ключа приводит к недоступности переданных данных до повторной передачи ключа и повторного осуществления связи.

Также определено [12], что при организации сети связи состоящей из небольшого количества сетевых элементов проблемы с синхронизацией, даже при отсутствии единого ПЭГ, не приводят к заметному ухудшению качества телекоммуникационных услуг. Для проведения исследований был создан искусственный двухмегабитный тракт, образованный синхронизированной АТС (8-12) и АТС, у которой фактическое значение опорной частоты можно было бы отклонить на заданную величину от номинала (МТ-20). Результаты исследования приведены в табл. №1 и на рис. 3.

Таблица №1. Результаты расчета

£ ъ X 1 5 з 8 ё п 11 6 Р Расчетные параметры проскальзывания Измеренный процент секунд, испорченных имп помехами. % Измеренная эффективная скорость передачи (протокол коррекции МСЭ-Т V 42 включен протокол сжатия МСЭ-Т V 42Ь|5 отключен)

период Тс количество Модемы гуХЕЬ Модемы ивР!

в минуту в час Протокол 2уХ (макс скор 192ОО0И т/с) передача файла 5=3.1 МБ Протокол МСЭ-Т V 34 (макс скор ЗЗбООби т/с). передача файла 3=5.2 МБ

СРБ % СРБ %

-18,20 10* 69 8 74 524 14,6

-6.10 10* 20 5 2 93 176 5.3

-4,27 10"* 29 3 2 05 123 3,7

-2,20 10" 568 1 06 63 1.8

-1,46 10* 85 6 0 70 42 1,0

-0.73 10* 171 2 0 35 21 0,8

0,00 10* 0 00 0 0,0 2170 100.0 3807 100 0

0.73 10* 171,2 0 35 21 0,8

1.4610* 85 6 0 70 42 1.2 2103 969 3676 966

6,2810* 20 0 3 00 180 1955 901 3244 85,2

10,0010* 12 5 4 80 288 8,3 2947 77.4

Испорченные импульсными * помехами секунды

Эффективная скорость передачи модемы ZyXELU-1496 (протокол ZyX) ^ модемы USR. (протокол V 34) А

CPS

.11,2 -11,5 -<11 б 1.4« 6.25 10.0 12,5

Относительное отклонение тактовой частоты, х10-Е6

Рис. 3. Зависимости процента пораженных помехами секунд и эффективной скорости передачи от относительного отклонения тактовой частоты

С учетом того, что в исправном состоянии относительное отклонение тактовой частоты не должно превышать 1,4х10"6 и что провоцирует около 42 проскальзываний в час, можно считать установленным следующее:

• электрические характеристики канала, образованного между двумя АТС, одна из которых работает в плезиохронном режиме, будут с не менее чем восьмикратным запасом соответствовать отраслевым нормам [2] по проценту пораженных импульсными помехами секундных интервалов;

• негативного влияния на другие электрические характеристики не зафиксировано;

• скорость передачи данных падает не более чем на 3,1% для модемов 2уХЕЬ (протокол ХуХ) и на 3.4% для поддерживаемого модемами ивИ. протокола У.34.

В этой же главе приводится методика проектирования сети синхронизации. Идея заключается в следующем, устанавливать или подключать ВЗГ более высокого качества (большой автономный период) на тех направлениях, где трафик наиболее важен (более высокие штрафные санкции и т.п.). На таких направлениях ВЗГ необходимо присваивать высокий индекс, а, соответственно, на направлениях менее критичных - меньший индекс. Также можно разбить сеть на критичные и некритичные зоны, в соответствии с ин-

дексами ВЗГ. В таких зонах можно изменять тарифы на услуги связи (высокий индекс - высокие тарифы, низкий индекс - низкие тарифы, но, соответственно, и качество). На первых этапах работы сети это позволит наиболее эффективно использовать средства оператора. Таким образом, необходимо присвоить каждому ВЗГ обозначение формата N-01, где N представляет собой класс автономного ПЭГ, к которому принадлежит ВЗГ, а ш является дополнительным номером в этом классе. Меньшее значение N или т указывает ВЗГ, который выше в иерархии. ПЭГ получает назначенное значение N=1. ВЗГ получают обозначения в соответствии со следующими правилами:

• все ВЗГ, которые принадлежат к классу N и которые получают все эталонные сигналы от задающих генераторов класса N-1 или лучше, получает обозначение N-1;

• если ВЗГ класса N получают один или несколько эталонных сигналов одного и того же класса N. которые имеют обозначения >1-к1, Ы-к2 и т. д., тогда он получает обозначение Ы-ш, где ш=1+МАХ {к1, к2,...};

• для ВЗГ класса N никогда не разрешается использовать эталонный сигнал от ВЗГ класса 1 или хуже.

Для успешного применения обозначений N-01 и обеспечения каждого ВЗГ, по крайней мере, двумя независимыми эталонными си1 налами, необходимо, чтобы ВЗГ были достаточно связаны. На рис. 4 приведен пример сети, где применяются обозначения N-111.

Рис. 4. Обозначение N-111 для ВЗГ: нет потенциальных шлейфов тактовой

синхронизации

Также предложены схемотехнические решения и алгоритмы работы устройств, предназначенных для компенсации джиттера и вандера. На рис. 5 приведена блок-схема подобного устройства.

Рис. 5. Схема компенсации вандера

Третья глава посвящена анализу математических моделей сети синхронизации. Рассмотрены три различных математических модели сети синхронизации.

Первая модель представляет собой математическую модель в виде час-тотновременых функций. Приведены варианты этой модели для различных видов сетей с различным количеством сетевых элементов, с различными ме-

тодами компенсации задержки сигнала в линии передачи.

Обобщенная математическая модель сетей с синхронизацией, которой можно пользоваться для описания работы класса синхронных и плезио-хронных сетей [16], задается уравнением:

Т(1)= Р(1) + Ф(У)-[<3 + <3 + N + >1]-1, (1)

где:

Т(1)=[Т,(1), Т2(1), Л, Ты(1)],г- матрица временных процессов на выходе ФАПЧ;

Р(1)=[Р10), Р20), Л, Рм(0]1г- матрица нормированной частоты ФАПЧ; ФСУ^с^ЕФ^У), Ф2(У), Л, - матрица передаточных функций

ФАПЧ;

0=[О,-Ьи'Яи[Т,(1- Ту) - Т,(1- Г1у) + ци]] - матрица процессов ФАПЧ; 0=[Д-Ьи-чч[Т/1- о,,) - Т,(1- 5и)]] ^ - матрица оценок процессов ФАПЧ; Ы=[Ц-КДг)] - матрица шумов в прямых каналах; Й=[0,-Н/1:)] - матрица шумов в обратных каналах; .1= [1, 1, Л, 1]" - единичная матрица.

В этой модели учитываются шумы опорных генераторов и тепловые шумы в каналах.

При соответствующем выборе коэффициентов уравнение (1) может описывать работу всех рассмотренных выше сетей.

Для этого типа математической модели выведен ее линеаризованный вариант, позволяющий анализировать сеть синхронизации в отношении к некоторым показателям качества.

N

Т,(1)= Р,(1) + Ф,(У)-{01-Еь,ДЧи[Т,(1-ти) - Т,(1- л,)] + щ, + N,(1)] + 1-1

N

+ С)1-Еси-[4дТ/1- а,)- Т,(1 - 5,)] х N,/1)]}, (2)

В выражении (2) функции яи(*) и я,/*) предполагаются линейными. Подобное допущение вполне оправдано при использовании псевдошумовых (ПШ) - последовательностей или когда обеспечена работа фазовых детекторов в линейном режиме.

Вторая модель представляет собой линеаризованную математическую модель сети синхронизации на основе уравнений в виде спектральной плотности в условиях комбинированных случайных воздействий.

Линейная модель сеги синхронизации описывается следующей систе-

мой уравнений:

в^Й) = ^13, (П- [8ОГ(0 + 8Ы(!)] + \У23, (П- 8„г,0), 8„ых2(1) - (О- [8„ых,(1) + 8Ь2(1)] + (Т> 8„г2(1), (3) 8,ых|(0 = ({)• [8вых(1.и(?) + 8„,(?)] + W2з, ({)■ 5„п(0, = \У„„ (Г)- ^„^.„(О + Эьма)] + (П 8пгм(1),

где:

80г(1) - спектральная плотность фазовых шумов опорного генератора; 8ПГ|(0 - спектральная плотность фазовых шумов /-го перестраиваемого генератора;

8ь,(0 - спектральная плотность фазовых шумов, вносимых г-ым каналом передачи.

Предложена дискретная линеаризованная модель сети синхронизации, учитывающая канальные шумы, данная модель полезна при расчете сети в условиях неравнозначной прокладки кабеля:

8»Ых(?) = 8,(0 + 8,(1) + &(?) = Wor(f)•Sor(f) + \УПГ(~0-8ПГ({) + + \У,3(?)-[81и(!) + 8М(?) +....+ 8К,(!)+...+8М0Е)]. (4)

Используя модели на основе спектральных плотностей можно вычислять важные характеристики качества работы СС, такие как дисперсию фазовых флуктуаций выходного сигнала. Кроме того, с помощью спектральной плотности фазовых флуктуаций можно вычислять и некоторые телекоммуникационные характеристики качества, такие как ДВИ, ОВИ, вариацию Алана и др.

Здесь же рассмотрена третья математическая модель сети синхронизации на основе уравнения вход-выход, к которому применен метод цифрового моделирования. Рассмотрены этапы составления цифровой модели, расчет коэффициентов и пример использования метода. Подчеркнуты достоинства метода цифрового моделирования, основными из которых являются универсальность, сопрягаемость и контролируемость.

Цифровая модель сети синхронизации состоит из четырех уравнений, которые после перехода к относительному дискретному времени записываются в виде: уравнение замыкания

е[п] = Дй[я] - Д<р(4 (5)

уравнение ФФД

уравнение ФНЧ

Аи2[л] = Д-1У А2-V Аи,\п-у]-У,В2_у Ди2\п-г]

(7)

уравнение ТО'

(8)

Данная цифровая модель основывается на конкретной схеме ФАПЧ, а именно на ФАПЧ с пропорционально-интегрирующим фильтром второго порядка с непосредственным воздействием на подстраиваемый генератор. Предполагается, что ПГ имеет линейную характеристику управления.

Результатом этой главы стал вывод о том, что линеаризованная математическая модель сети синхронизации на основе уравнений в виде спектральной плотности обладает гибкостью и удобством аппарата. Она позволяет исследовать сеть синхронизации в условиях различных воздействий на каждом узле, что наиболее близко к реальным сетям.

В четвертой главе проведено исследование рассмотренных в третьей главе моделей. Для модели в виде частотно-временных функций были вычислены установившиеся частота и временная ошибка для полностью связанной сети с взаимной синхронизацией и иерархической сети с задающим опорным генератором.

Показано, что для иерархических сетей с задающим опорным генератором установившаяся частота сети равна частоте задающего опорно! о генератора, а временная ошибка остальных опорных генераторов сети относительно задающего генератора (при компенсации посредством линии задержки) имеет величину

Из выражения (9) видно, что установившаяся временная ошибка опорного

Т,—Е(Ртах - / Г} + Р^Едт^.

(9)

^м,

^М, к-*]

генератора по отношению к задающему генератору накапливается по мере смещения опорного генератора вниз по ступеням иерархии. Кроме того, при дальнейшем движении опорного генератора вниз по ступеням иерархии его временной процесс становится более зависимым от задержек распространения. Это один из главных недостатков иерархических сетей с задающим опорным генератором.

Таким образом, для снижения роста временной ошибки в сети и уменьшения зависимости от задержек в каналах необходима компенсация задержек.

Проведено исследование линеаризованной математической модели сети синхуонизаиии на основе уравнений в виде спектральной плотности в условиях комбинированных случайных воздействий.

Для ограниченных флуктуационных воздействий на основе линейной модели системы показано, что основное влияние на качество выходного сигнала цепи произвольной длины оказывают:

- низкочастотные составляющие фазовых шумов опорного генератора:

величина шумовой полосы системы по отношению к фазовому шуму опорного генератора имеет вид:

ПШ(Ы, Р) = [{(2-Ы -3)!}/ {(К - 1)!-(Ы- 2)!}]-Р-(Я/2)-(1/2)2К"3. (10)

Из (10) видно, что с увеличением полосы удержания шумовая полоса увеличивается. Для анализа влияния числа генераторов N в цепочке рассмотрено поведение этой функции при больших N. Применение формулы

Стерлинга позволило получить, что Пш ~ ^у^. То есть с увеличением длины цепочки шумовая полоса уменьшается, что приводит к улучшению фильтрации фазового шума опорного генератора, т. е. к уменьшению дисперсии фазовых флуктуации на выходе;

- низкочастотные составляющие шумов каналов передачи:

используется следующая формула для вклада шумов перестраиваемых

генераторов в спектральную плотность фазовых флуктуации на выходе системы:

N

8„гк(0= Ф ?+Р2>1 №2/ f+F2?^¡■ 8пг!<(0=\УГ1Гф- 8ПГ(0. (11) 1=1

Записано выражение для частоты среза фильтра верхних частот. По-

скольку данный коэффициент передачи описывает фактически передачу мощности, то частота среза определялась по уровню 0.5:

^ = (12) С ростом Р частота среза увеличивается, что приводит к лучшей фильтрации низкочастотных составляющих шума. График зависимости £ от N представлен на рис. 6.

N

Рис. 6. Зависимость нормированной на полосу удержания, от длины цепочки генераторов - высокочастотные составляющие шумов перестраиваемых генераторов:

вклад шумов каналов передачи в спектральную плотность фазового шума сигнала на выходе ДО-го генератора выражается формулой: N N

ЗД = ^(0= к р2/ Г'+Р2)' ^(О-^еСО-ЗД. (13)

1=1 1=1 При использовании результатов, полученных при анализе влияния шума

опорного генератора, получено следующее выражение для шумовой полосы

данной системы:

N

ПШ=(Р- 71 /2-МК1+1[{(2-1 - 3)!}/ {(1 - 1)!'(1 - 2)!}-(1/2)2'-3]). (14) 1=2

С ростом N шумовая полоса уменьшается, однако увеличивается значение \\'та)1. График зависимости произведения \\'таххПш показан на рис. 7. В итоге можно сказать, что увеличение длины цепочки генераторов все более усиливает низкочастотные составляющие шумов, вносимых каналами передачи.

те^хПш

5

" 15 зо 45 60 75 90 105 120 К

Рис. 7. Зависимость произведения ^'„шххПш от числа генераторов в цепочке Исследование полученной цифровой модели проведено методом Д -разбиений. Построены области устойчивости для сетей синхронизации с различным числом узлов и связностью.

Параметр ФФД

10# 1

9 •

7 узлов » 9 узлов -•- 11 узлов

200 400 600

Коэффициент усиления

800

а)

Параметр

ФФД

1

"S.

• Все связи

Без одной

связи _ Без трех связей

Коэффициент усиления б)

Рис. 8. Области устойчивости: а) полносвязных сетей синхронизации с различным числом узлов, б) сетей синхронизации из 10 узлов с различной связностью

При построении границ Д - разбиений фиксировались значения параметров, при которых многосвязная система (сеть синхронизации) переходит в неустойчивое состояние.

Исследовано влияние структуры сети синхронизации (числа и связности), а также проведена оценка влияния параметров устройств синхронизации на степень подавления фазовых дрожаний.

Результаты исследований подтвердили подавляющие возможности отдельных ФАПЧ тактовой сетевой синхронизации, причем наиболее интенсивное подавление имеет место в диапазоне частот 10 Гц и выше (jitter). Подавления низкочастотных составляющих (менее 1 Гц) не происходит. Для их уменьшения следует применять специальные компенсационные методы (например, предложенные автором во второй главе).

Степень подавления

дрожаний, дБ

\ i

Частота синусоидальных фазовых дрожаний

а)

б)

Рис. 9. Зависимость степени подавления синусоидальных фазовых дрожаний:

а) от их частоты, б) от коэффициента усиления ФАПЧ

Исследована полоса удержания и захвата сети синхронизации: влияние качества опорных генераторов, количества узлов и связности сети синхронизации на ширину полосы удержания и полосы захвата. Показано, что полоса удержания уменьшается с ростом числа узлов сети синхронизации.

На основе второй модели разработана оригинальная компьютерная программа, позволяющая рассчитывать сеть синхронизации произвольной сложности с учетом различных шумовых воздействиях. Приведены результаты расчета сети с использованием разработанной программы. Все результаты имеют тот же характер, что и теоретические зависимости Полученные во время исследования результаты могут использоваться при проектировании сетей синхронизации.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

Проанализированы свойства параметров синхросигналов, в результате можно утверждать, что основными параметрами, оценивающие качество системы ТСС являются две зависимости МОВИ (МТ1Е) и ДВИ ГГОЕУ). Эти параметры измеряют нестабильность фазы сигналов синхронизации, которые принято разделять на джиттер (дрожание фазы) и вандер (дрейф фазы, с частотой ниже 10 Гц).

Выявлена зависимость ухудшения качества различных телекоммуникационных услуг от величины фазовых флуктуаций. Наибольшее влияние проскальзывания оказывают при предоставлении услуг по передаче шифрованных данных.

Разработаны алгоритмы и структурные схемы устройств компенсации вандера. Для подавления вандера можно использовать метод сложения син-хроси! налов, приходящих на данный узел по разным маршрутам. Этот метод базируется на предположении, что функция корреляции вандера в этих синхросигналах будет иметь небольшой интервал. Данный метод позволяет повысить эффективность подавления вандера примерно в 1,4 раза.

Предложена методика проектирования сети синхронизации, исключающая появление замкнутых «петель» синхронизации и позволяющая наиболее эффективно использовать средства оператора за счет введения критичных и некритичных зон. Идея состоит в том, чтобы присвоить каждому В31 обозначение формата !\!-т, где N представляет собой класс автономного ПЭГ, к которому принадлежит ВЗГ, а т является дополнительным номером в этом классе.

Проведен анализ и исследование математической модели сети синхронизации в виде частотновременых функций. Данная модель учитывает шумы опорных генераторов и тепловые шумы каналов, но главным ее недостатком является возрастающая сложность исследования при увеличении числа узлов.

Была проанализирована математическая модель на основе уравнений в виде спектральной плотности. Основным достоинством этой модели является то, что на основании всего 2-х коэффициентов передачи описывается прохождение через систему шумов канала передачи, фазовых флуктуаций входного сигнала и фазовых шумов перестраиваемого генератора.

Также рассмотрена цифровая модель ТСС. Подчеркнуты достоинства метода цифрового моделирования, основными из которых являются универсальность, сопрягаемость и контролируемость.

На основании результатов анализа и исследования математических моделей сети синхронизации, произведен выбор математической модели сети синхронизации на основе уравнений в виде спектральной плотности, учитывающей особенности реальных сетей синхронизации (шумы, вносимые подстраиваемым генератором, канальные шумы и др.).

Разработана компьютерная программа для расчета параметров сети

синхронизации, позволяющая исследовать сеть синхронизации в условиях

различных шумовых воздействий (шумы опорного генератора, канальные

шумы и др.).

Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Список работ по теме диссертации

1. Тверецкий М.С., Климов Д.А. Параметры синхронизации - Программа и труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные сети» в рамках Международного форума информатизации (МФИ 2004), Москва, 2004, с. 215.

2. Тверецкий М.С., Климов Д.А. Вопросы сетевой синхронизации - Программа и труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные сети» в рамках Международного форума информатизации (МФИ 2004), Москва, 2004, с. 218.

3. Климов Д.А. Качество или синхронизация? - Тезисы докладов 19-ой Всероссийской сессии РНТОРЭС им A.C. Попова, Москва, 2004.

4. Климов Д.А. Параметры сигналов синхронизации и их влияние на качество передачи информации. - Депонированная статья в ЦНТИ «Ин-формсвязь» в сб. «Направляющие среды и системы передачи» от 04.07.2004г., №2244 св.-2004, с.49-57.

5. Климов Д.А. Общие проблемы синхронизации цифровых сетей. - Депонированная статья в ЦНТИ «Информсвязь» в сб. «Направляющие среды и системы передачи» от 04.07.2004г., №2244 св.-2004, с.58-70.

6. Климов Д.А. Проектирование и организация сети тактовой синхронизации. - Депонированная статья в ЦНТИ «Информсвязь» в сб. «Направляющие среды и системы передачи» от 12.07.2005г., №2258 св.2005, с.2-10.

7. Климов Д.А. Джиттер или вандер. - Депонированная статья в ЦНТИ «Информсвязь» в сб. «Направляющие среды и системы передачи» от 12.07.2005г„ №2258 св.-2005, с.11-19.

8. Тверецкий М.С., Климов Д.А. Некоторые параметры синхросигнала в сетях СЦИ - Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, книга 1, Москва, 2005, с. 178.

9. Климов Д.А. Модели тактовой сети синхронизации. - Программа и

труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные сети» в рамках Международного форума информатизации (МФИ 2005), Москва, 2005.

10. Климов Д.А. Методы компенсации джиттера и вандера. - Программа и труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные сети» в рамках Международного форума информатизации (МФИ 2005), Москва, 2005.

Подписано в печать 07.10.05. Формат 60x84/16. Объем 1,4 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ 283.

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

•20870

РНБ Русский фонд

2006-4 19229

А

\

Введение

Глава 1. Обзор существующих сетей связи

1.1. Общие сведения

1.2. Обзор методов синхронизации

1.3. Виды генераторов синхросигналов

1.3.1. Модель спектральной плотности выходного колебания генератора

1.3.2. Шумы автогенераторов

1.4. Анализ параметров сигналов синхронизации

1.5. Джиттер. Анализ свойств и методов измерений

1.5.1. Принципы измерения джиттера

1.5.2. Измерение максимально допустимого джиттера

1.5.3. Измерение передаточной характеристики джиттера

1.6. Вандер. Анализ свойств и методов измерений

1.7. Выводы

Глава 2. Анализ влияния параметров синхросигналов на качество передачи информации

2.1. Влияние параметров синхросигналов на качество передачи информации

2.2. Влияние соотношения синхронизация - качество

2.3. Нормирование параметров синхросигналов

2.3.1. Нормирование количества проскальзываний для различных участков телекоммуникационной сети

2.3.2. Нормирование параметров синхронизации для ПЭГ

2.3.3. Нормирование параметров синхронизации для ведомых генераторов

2.3.4. Нормирование параметров синхронизации для генераторов сетевых элементов

2.4. Разработка методов компенсации джиттера и вандера

2.4.1. Методы компенсации джиттера

2.4.2. Методы компенсации вандера

2.5. Выводы

Глава 3. Исследование математических моделей системы синхронизации сети СЦИ

3.1. Введение

3.2. Математическая модель сети синхронизации с использованием частотновременых функций

3.3. Модель сети синхронизации для плезиохронного режима работы

3.4. Модель сети синхронизации для синхронного режима работы

3.4.1. Модель синхронных сетей без компенсации задержки

3.4.2. Модель синхронных сетей с компенсацией задержки

3.5. Обобщенная математическая модель сети синхронизации

3.6. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации

3.7. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации на основе уравнений в виде спектральной плотности.

3.7.1. Модели случайных воздействий

3.7.2. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации на основе дискретной ФАПЧ в условиях комбинированных случайных воздействий.

3.8. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации на основе аналоговой ФАПЧ

3.9. Математическая модель сети синхронизации на основе метода цифрового моделирования

3.9.1. Цифровая модель линейной системы

3.9.2. Цифровая модель линейного звена

3.9.3. Матрицы перехода от Ь-преобразования к Ъ преобразова

3.10. Разработка цифровой модели сети синхронизации

3.10.1. Цифровые модели ФАПЧ

3.10.2. Переход от абсолютного к относительному дискретному времени при цифровом моделировании

3.11. Моделирование случайных процессов в ФАПЧ

3.12. Выводы

Глава 4.Анализ математических моделей сети синхронизации

4.1. Анализ линеаризованной математической модели в виде частотно-временной функции

4.2. Анализ линеаризованной математической модели цепи последовательно синхронизируемых генераторов на основе уравнений в виде спектральной плотности

4.2.1. Статистические характеристики цепи последовательно синхронизируемых генераторов в линейном приближении для случая идентичных аналоговых звеньев

4.2.2. Анализ цепочки генераторов на основе бесфильтровых ФАПЧ

4.2.3. Анализ цепочки генераторов на основе ФАПЧ 2-го порядка

4.3. Статистические характеристики цепи последовательно синхронизируемых генераторов в линейном приближении для случая дискретных звеньев

4.3.1. Цепочка генераторов на основе бесфильтровой ФАПЧ

4.3.2. Анализ цепочки генераторов на основе ФАПЧ 2-го порядка

4.4. Разработка компьютерной модели сети синхронизации

4.4.1. Исследование телекоммуникационных характеристик качества сигнала для случая дискретной ФАПЧ при различных параметрах генераторов

4.5. Исследование сети синхронизации на основе цифровой модели

4.5.1. Критерии исследования устойчивости

4.5.2. Критерии исследования качества автоматического управления сетей синхронизации

4.6. Исследование устойчивости сети синхронизации

4.7. Исследование качества функционирования сети

4.7.1. Прямые оценки качества переходных процессов

4.7.2. Результаты косвенных оценок качества сети синхрониза

4.8. Выводы

Актуальность темы

Потребность в синхронизации возникла со времен появления модуляции и уплотнения сигналов в телефонных сетях. Эта потребность стала более насущной, а требования к точности синхронизации - более жесткими после начала процесса перевода сетей связи на цифровые технологии. А с началом строительства транспортных сетей синхронной цифровой иерархии (СЦИ) и появления в телекоммуникационных сетях мультимедийного трафика стабильная и точная синхронизация становится жизненно важным условием для обеспечения операторами требуемого качества услуг.

На современном этапе тактовая система синхронизации (ТСС) становится отдельным направлением проектирования сетей связи. Причем сеть синхронизации проектируется и создается как наложенная сеть над первичной и вторичной сетями. Ее топология зачастую отличается от топологии цифровой сети. Этот этап характеризуется дроблением ТСС на регионы плезиохронной работы, что приводит к нарушению синхронизации при объединении таких участков в единую сеть (например, за счет появления проскальзываний на псевдосинхронных стыках, вызывающих ухудшение качества телекоммуникационных услуг).

На сегодняшний день решение вопросов синхронизации на ВСС России пока не носит достаточно полный характер. Особенностью ВСС России является как колоссальный территориальный размах сети, так и присутствие на ней многочисленных операторских компаний, как локального масштаба, так и охватывающие значительные регионы страны. Это усложняет как технические, так и организационные вопросы построения сетей тактовой сетевой синхронизации.

Исследованию сети синхронизации в целом, а также отдельных устройств синхронизации, посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в том числе и диссертаций (П.Н. Давыдкин, Е.В.Зильберг, В.В. Кальников, P.M. Камалов, А.И. Каяцкас, В.Н. Козлов, М.Н. Колтунов, И.Е. Куликов, В.А. Левин, Ю.В. Соболева, В.И. Тихонов, Г.И. Тузов, JI.H. Щелованов, И.М. Якимов, S. Breni, A.V. Kantak W.C. Lindsay, и др.).

Упомянутые материалы охватывают значительную часть проблем связанных с сетевой синхронизацией, но современный мир телекоммуникаций диктует все новые требования к системам синхронизации и как следствие к качеству передаваемой информации. На сегодняшний день решение вопросов синхронизации на ВСС России пока не носит достаточно полный характер. Особенностью ВСС России является как колоссальный территориальный размах сети, так и присутствие на ней многочисленных операторских компаний, как локального масштаба, так и охватывающие значительные регионы страны. Это усложняет и технические, и организационные вопросы построения сетей тактовой сетевой синхронизации. Не на все возникающие в практике работы российских операторских компаний вопросы есть ответы в международных рекомендациях. Поэтому работа по вопросам ТСС должна продолжаться. Например, вопросы расчета, нормирования и экспериментального определения надежности сетей ТСС ВСС России пока разработаны крайне слабо. Именно поэтому большое значение при присоединении операторов связи к базовой сети ТСС приобретает эвристический подход обеспечения надежности наряду с показателями качества. Пока не получен достаточный опыт, не накоплена статистика, не сформированы методики, необходим индивидуальный подход при каждом вводе сети ТСС в эксплуатацию или ее аудите с учетом уже накопленного опыта построения базовой и иных сетей ТСС и проведенных на них измерений. При внедрении решений по тактовой сетевой синхронизации существует ряд проблем субъективного характера. Проблема обеспечения ТСС на сетях стоит достаточно остро, и современные операторы связи еще не в полной мере осознали, причинно-следственную связь "синхронизация - качество - доходы".

В связи с широким распространением и важностью цифровых сетей передачи данных, исследования, посвященные улучшению качества их работы, представляют большой научный и практический интерес. В том числе важным является вопрос об улучшении качества сигнала синхронизации. Для решения данного вопроса необходимы исследования работы цепочки последовательно соединенных генераторов. В основном существующие алгоритмы улучшения качества сигнала синхронизации используют специальные метки качества сигнала, передаваемые по специальным служебным каналам. На их основе производится выбор наилучшего из имеющихся сигналов синхронизации. Подобные алгоритмы на сегодняшний день разработаны достаточно хорошо и позволяют создать относительно надежную сеть синхронизации.

Но у подобного подхода существуют и недостатки. Например, он не учитывает реального качества сигналов синхронизации, т.к. в метке содержится информация только о том, можно ли использовать этот сигнал или нет. Решение этих задач весьма важно для проектирования и управления сетью синхронизации.

Для анализа поведения и статистических характеристик систем при наличии сложных воздействия необходимо обладать определенным математическим аппаратом. Исследование работы вторичных задающих генераторов при наличии случайных воздействий ведется уже достаточно долго. За это время был разработан ряд подходов и методов к анализу данных устройств. Однако на этом пути существуют серьезные сложности. Данный факт связан с тем, что система фазовой синхронизации (ФАПЧ) является сугубо нелинейной системой. Аналитические методики исследования таких устройств в большинстве случаев носят приближенный характер.

Таким образом, на основании вышесказанного тема диссертации, посвященная исследованию и анализу математических моделей сети синхронизации, описывающих их работу в условиях различных негативных воздействий, является актуальной.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является анализ и исследование сети синхронизации на основе различных математических моделей, учитывающих случайные аддитивные и фазовые воздействия.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Анализ параметров сигналов синхронизации, методов их расчета, а также влияния на качество телекоммуникационных услуг.

2. Разработка методов компенсации вандера.

3. Развитие методики проектирования сети синхронизации на основе введения дополнительного индекса генератора.

4. Сравнительный анализ и исследование математических моделей сети синхронизации; выбор модели сети синхронизации в применении к различным практическим задачам.

5. Разработка универсальной компьютерной программы, позволяющей исследовать параметры ТСС при наличии внешних воздействий.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, математической статистики, теории случайных процессов, теории устойчивости, теории вероятности, а также компьютерное моделирование.

Научная новизна результатов

1. Разработаны алгоритмы и структурные схемы устройств компенсации вандера, позволяющие повысить эффективность его подавления примерно в 1,4 раза.

2. Предложена методика проектирования сети синхронизации, исключающая появление замкнутых «петель» синхронизации, а также позволяющая наиболее эффективно использовать средства оператора.

3. На основании результатов исследования математических моделей сети синхронизации, предложена модель, учитывающая особенности реальных сетей синхронизации (шумы, вносимые подстраиваемым генератором, канальные шумы и др.).

4. Разработана оригинальная компьютерная программа для расчета параметров сети синхронизации, позволяющая исследовать сеть синхронизации, в условиях негативных воздействий, различных на каждом узле.

Практическая ценность

1. Математическая модель ТСС, предложенная на основе анализа, может быть использована для принятия обоснованных решений по построению сетей синхронизации.

2. Разработанную компьютерную программу можно использовать для расчета параметров сети синхронизации при реальном проектировании с учетом различных негативных факторов (шумы генератора, канальные шумы и др.).

3. Предложенные способы и схемы устройств компенсации вандера позволяют создать устройство, уменьшающее величину вандера примерно в 1,4 раза.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод компенсации вандера, заключающийся в сравнении синхросигналов, приходящих на данный узел по разным маршрутам, позволяет уменьшить величину вандера примерно в позволяет уменьшить величину вандера примерно в 1,4 раза.

2. Предложенная методика проектирования сети синхронизации исключает появление замкнутых «петель» в цепях синхросигнала, а также позволяет наиболее эффективно использовать средства оператора за счет введения критичных и некритичных зон.

3. В результате анализа различных математических моделей сети синхронизации, предложена модель на основе уравнений в виде спектральной плотности, которая позволяет рассчитывать параметры сети синхронизации с учетом шумов опорных генераторов, шумов ведомых генераторов и канальных шумов.

4. Разработанная компьютерная программа позволяет рассчитывать параметры сети синхронизации (девиация временного интервала (ДВИ), ошибка временного интервала (ОВИ) и др.) при наличии на любом узле сети различных воздействий.

Реализация результатов

Результаты диссертации используются организациями, занимающимися разработкой и исследованием систем синхронизации, а также в учебном процессе Московского технического университета связи и информатики.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на LIX научной сессии РНТОРЭС им. A.C. Попова, посвященной Дню радио, Москва (2004), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУ СИ. По результатам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 депонированные работы.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

4.8. Выводы

Для модели с использованием частотно-временных функций были вычислены установившиеся частота и временная ошибка для полностью связанной сети с взаимной синхронизацией и иерархической сети с задающим опорным генератором.

Показано, что для иерархических сетей с задающим опорным генератором установившаяся временная ошибка опорного генератора по отношению к задающему генератору (ПЭГ) накапливается по мере смещения опорного генератора вниз по ступеням иерархии. Кроме того, при дальнейшем движении опорного генератора вниз по ступеням иерархии его временной процесс становится более зависимым от задержек распространения. Это один из главных недостатков иерархических сетей с задающим опорным генератором.

Для снижения роста временной ошибки в сети и уменьшения зависимости от задержек в каналах необходима компенсация задержек.

Недостатком подобной модели является трудоемкость расчета при увеличивающемся количестве узлов сети, поэтому расчет проводился при допущении об отсутствии кратковременных и долговременных нестабиль-ностей опорных генераторов, а также, что в каналах нет шума, и в сети отсутствуют петлевые фильтры.

Проведено исследование линеаризованной математической модели цепи последовательно синхронизируемых генераторов на основе ФАПЧ в условиях комбинированных случайных воздействий в виде спектральной плотности.

Для ограниченных флуктуационных воздействий на основе линейной модели системы показано, что основное влияние на качество выходного сигнала цепи произвольной длины оказывают:

• низкочастотные составляющие фазовых шумов опорного генератора;

• низкочастотные составляющие шумов каналов передачи;

• высокочастотные составляющие шумов перестраиваемых генераторов.

Выявлено, что фазовые шумы сигнала опорного генератора подавляются тем лучше, чем длиннее цепь. В то же время наблюдается эффект накопления шумов каналов передачи и фазовых шумов сигналов перестраиваемых генераторов. При этом наиболее сильно выражено накопление низкочастотных составляющих шумов каналов передачи, поскольку они передаются на выход цепи практически без ослабления.

На основе этой модели разработана оригинальная компьютерная программа, позволяющая рассчитывать сеть синхронизации произвольной сложности с учетом различных шумовых воздействиях. Приведены результаты расчета сети с использованием разработанной программы. Все результаты подтверждают теоретические зависимости.

Исследование полученной цифровой модели проведено методом Д -разбиений. Построены области устойчивости для сетей синхронизации с различным числом узлов и связностью. При построении границ Д — разбиений фиксировались значения параметров, при которых многосвязная система (сеть синхронизации) переходит в неустойчивое состояние.

Исследовано влияние структуры сети синхронизации (числа и связности), а также проведена оценка влияния параметров устройств синхронизации на степень подавления фазовых дрожаний.

Результаты исследований подтвердили подавляющие возможности отдельных ФАПЧ тактовой сетевой синхронизации, причем наиболее интенсивное подавление имеет место в диапазоне частот 10 Гц и выше. Подавления низкочастотных составляющих (менее 1 Гц) не происходит. Для их уменьшения следует применять специальные компенсационные методы (например, предложенные автором во второй главе).

Исследована полоса удержания и захвата сети синхронизации: влияние качества опорных генераторов, количества узлов и связности сети синхронизации на ширину полосы удержания и полосы захвата. Показано, что полоса удержания уменьшается с ростом числа узлов сети синхронизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

Выявлена зависимость ухудшения качества различных телекоммуникационных услуг от величины фазовых флуктуаций, являющихся причиной проскальзываний. Наибольшее влияние проскальзывания оказывают при предоставлении услуг по передаче шифрованных данных.

Разработаны алгоритмы и структурные схемы устройств компенсации вандера. Для подавления вандера можно использовать метод сложения синхросигналов, приходящих на данный узел по разным маршрутам. Этот метод базируется на предположении, что функция корреляции вандера в этих синхросигналах будет иметь небольшой интервал.

Предложена методика проектирования сети синхронизации, исключающая появление замкнутых «петель» синхронизации. Идея состоит в том, чтобы присвоить каждому ВЗГ обозначение формата Ы-ш, где N представляет собой класс автономного ПЭГ, к которому принадлежит ВЗГ, а ш является дополнительным номером в этом классе.

Рассмотрены три типа математических моделей, описывающих работу сети синхронизации. Между этими моделями проведен сравнительный анализ.

Предложена собственная дискретная линеаризованная модель цепи задающих генераторов, учитывающая канальные шумы; данная модель позволяет рассчитывать указанные цепи в реальных условиях.

В результате проведенного анализа показано, что модель, построенная на основе спектральных плотностей, позволяет вычислять такую важную характеристику качества работы цепи, как дисперсию фазовых флуктуаций выходного сигнала. Кроме того, с помощью этой модели можно определять и некоторые телекоммуникационные характеристики качества, такие как ДВИ, ОВИ, вариацию Алана, и др.

Явным достоинством этой модели является то, что она позволяет описать поведение каждого звена с помощью только лишь двух коэффициентов передачи, при этом она учитывает флуктуационные воздействия на синхросигнал в различных узлах сети.

Проведено исследование рассмотренных моделей.

Для модели в виде частотно-временных функций были вычислены установившиеся частота и временная ошибка для полностью связанной сети с взаимной синхронизацией и иерархической сети с задающим опорным генератором.

Показано, что для иерархических сетей с задающим опорным генератором установившаяся временная ошибка опорного генератора по отношению к задающему генератору (ПЭГ) накапливается по мере смещения опорного генератора вниз по ступеням иерархии.

Для ограниченных флуктуационных воздействий на основе линейной модели системы показано, что основное влияние на качество выходного сигнала цепи произвольной длины оказывают:

• низкочастотные составляющие фазовых шумов опорного генератора;

• низкочастотные составляющие шумов каналов передачи;

• высокочастотные составляющие шумов перестраиваемых генераторов.

Выявлено, что фазовые шумы сигнала опорного генератора подавляются тем лучше, чем длиннее цепь. В то же время наблюдается эффект накопления шумов каналов передачи и фазовых шумов сигналов перестраиваемых генераторов. При этом наиболее сильно выражено накопление низкочастотных составляющих шумов каналов передачи, поскольку они передаются на выход цепи практически без ослабления.

Исследование полученной цифровой модели проведено методом Д разбиений. Построены области устойчивости для сетей синхронизации с различным числом узлов и связностью. При построении границ Д - разбиений фиксировались значения параметров, при которых многосвязная система, в данном случае сеть синхронизации, переходит в неустойчивое состояние.

Исследовано влияние структуры сети синхронизации (числа и связности ее элементов), а также проведена оценка влияния параметров устройств синхронизации на степень подавления фазовых дрожаний.

На базе модернизированной линеаризованной математической модели цепи последовательно синхронизируемых генераторов на основе ФАПЧ разработана оригинальная компьютерная программа, позволяющая рассчитывать сеть синхронизации произвольной длины с учетом различных шумовых воздействиях. Приведены результаты расчета сети с использованием разработанной программы. Все графики имеют тот же характер, что и теоретические зависимости, что подтверждает правильность результатов, полученных в результате исследований.

1. Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н., и др.; под ред. В.В. Шах-гильдяна, Л.Н. Белюстиной. Системы фазовой синхронизации. М.: Радио и связь, 1982.- 288 с.

2. Эксплуатационные нормы на электрические параметры каналов сети ТфОП. Введены приказом Госкомсвязи РФ №54 от 05.04.1999.

3. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. М.: Советское радио, 1970.-350 с.

4. Шахгильдян В.В., Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Радио и связь, 1972 - 310 с.

5. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы / А.Ф. Фомин, А.И. Хорошавин, О.И. Шелухин; Под. ред. А.Ф.Фомина. М.: Радио и связь, 1987. - 248 с.

6. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. -М.: Сов. Радио, 1980. -208 с.

7. Шахтарин Б.И. Анализ систем синхронизации при наличии помех. -М.: ИПРЖР, 1996.-252 с.

8. Тихонов В.И. Влияние шумов на работу схемы фазовой автоподстройки частоты // Автоматика и телемеханика. 1959. — №9. -с. 1188-1196.

9. Тихонов В.И. Работа фазовой автоподстройки частоты при наличии шумов // Автоматика и телемеханика. 1960. - №3. - с. 301-309.

10. Челышев К.Б. Воздействие внешнего шума на фазовую автоподстройку частоты // Автоматика и телемеханика. 1963. - №7. - с. 942949.

11. Пестряков A.B. Разработка и применение прикладных методов анализа дискретных систем фазовой синхронизации для устройств синтеза и стабилизации частоты. Дис. докт. техн. наук. Москва, - 1992. -472 с.

12. Перетятько О.Н., Кочеров A.B. О влиянии отсутствия синхронизации АТС на электрические характеристики коммутируемого телефонного канала, в том числе и на пропускную способность канала передачи данных, журнал «Вестник связи» №3, 2002.

13. Шахгильдян В.В. Системы фазовой синхронизации.-М.: Радио и связь, 1989.

14. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулиро-вания.-М.: Энергия, 1970.

15. Щелованов Л.Н., Антонова Г.С., Доронин Е.М. Основы теории автоматического управления /СПб ГУТ СПб, 1997.

16. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Н. Бакаева и М.В. Капранова.-М.: Сов. Радио, 1978.- 600 с.

17. Руководящий Технический Материал по построению системы тактовой синхронизации на сетях Российской Федерации/ ЦНИИС. М., 1995.

18. Линдсей У.С., Гхазвинян Ф., Хагман В.Г., Дессуки X. Синхронизация сетей/ ТИИЭР.-1985-окт.-Т. 73.-№ 10.

19. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.

20. Шахгильдян В.В. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации-М.: Радио и связь, 1989.

21. Слепов H.H. Синхронные цифровые сети SDH.-M.: Эко-трендз, 1998.

22. Kajackas A. On Synchronization of Communication Networks with Varying Channels Delays. IEEE Trans. On Comm. Vol. COM-28, № 8, 1980.

23. Голд В. Цифровая обработка сигналов/ Пер. с нем. М.: Советское радио, 1973.24