автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка методов развития и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени на сети связи общего пользования

Шварц Михаил Львович

Разработка методов развития и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени на сети связи общего пользования

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005531795

1 АВГ 2013

005531795

Шварц Михаил Львович

Разработка методов развития и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени на сети связи общего пользования

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Инфокоммуникации» Института повышения квалификации Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУСИ).

Научный руководитель: Мардер Наум Семёнович

доктор технических наук, доцент Вице-Президент по взаимодействию с органами государственной власти ОАО «Ростелеком»

Официальные оппоненты: Сахаров Борис Александрович

доктор технических наук, технический директор ЗАО «Время-Ч» Давыдкии Павел Николаевич кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Прайм Тайм Инжиниринг»

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал

«Ленинградское отделение центрального научно-исследователь-ского института связи» (ФГУП ЦНИИС - ЛО ЦНИИС)

Защита состоится " /3 " е&кГ(Яс^Л 2013 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 219.001.03 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, дом 8-а, ауд. ЧЯ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО МТУСИ

Автореферат разослан и-^О/чЯ 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских ъ и кандидатских диссертаций Д2]^^1Гт03

// С. Д. Ерохин

¿у'-с с-г ¿У

Общая характеристика работы

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 одно-частотным 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 H.J1., Да-выдкин П.Н., Ермошкин Д.А., Иванов A.B., Климов Д.А., Колтунов М.Н., Коновалов Г.В., Леготин H.H., Новожилов Е.О., Рыжков A.B., Морозов Г.Г., Савчук A.B., 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 вре-

мени 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 про-

стотой 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

1. 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.

2. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и её практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе приведён анализ проблем, решение которых позволит повысить эффективность системы тактовой сетевой синхронизации и распределения единого и точного времени на ССОП. В результате проведенного анализа определены основные направления, которые, по мнению автора, являются в настоящее время актуальными для повышения эффективности систем частотного и временного обеспечения ССОП.

К таким направлениям относятся:

• Порядок проведения топологического анализа схем синхронизации, который обеспечивает обнаружение потенциальных возможностей петлеобразования на этапе проектирования и в процессе эксплуатации сетей ТСС.

• Разработка математической модели для анализа сети ТСС, позволяющей обнаруживать и исключать лишние связи, создающие возможность образования петли синхронизации в заданной схеме ТСС.

• Разработка алгоритма для выбора параметров устройства управления фазой выходного синхросигнала в управляемой ФАПЧ, используемой для восстановления тактовой частоты и сигнала точного времени при приёме метки шкалы времени (сигнал 1РРБ) в условиях реальных сетевых шумов и разброса задержек в сетях связи.

Анализ литературных источников и опыта практической эксплуатации сетей ТСС показал, что практически отсутствуют чёткие и универсальные алгоритмы обнаружения возможности образования петель синхронизации, которые достаточно удобны для применения, как разработчиками схем синхронизации, так и для компьютерного моделирования сети ТСС. При этом в нормативных документах и международных рекомендациях нет всестороннего описания механизмов образования петель синхронизации и условий, при которых они могут возникать.

Исследование механизмов образования петель синхронизации и условий, при которых они могут возникать, показало, что возможности образования петель синхронизации имеются в замкнутых топологиях сети, в которых алгоритм передачи сообщений об

уровне качества синхросигналов (алгоритм SSM), описанный в Рекомендации МСЭ-Т G.781, не может предотвратить петлеобразование, как это показано на рис. 1. При этом, необходимым условием наличия возможности образования петли синхронизации является наличие циклов в графе. Однако это условие не является достаточным, т.к. алгоритм SSM позволяет предотвратить образование петли синхронизации при использовании потоков STM-n со встречными направлениями синхронизации только в 1 физическом интерфейсе. Т.е. необходимым и достаточным условием для возможности петлеобразования является наличие циклов, образованных потоками STM-n, используемыми для передачи синхросигналов между двумя (или более) сетевыми элементами во встречных направлениях и проходящими через различные физические интерфейсы.

Анализ показал, что причиной петлеобразования является наличие «лишних» путей передачи синхросигналов, которые используют дополнительные интерфейсы STM-n, в которых не реализуется автоматическое формирование уровня качества с меткой Do not use (Q15). Именно эти пути и приводят к возможности петлеобразования в системах синхронизации СП СЦИ (а также и в системах SyncE, построенных по аналогичным принципам).

Таким образом, для предотвращения петлеобразования допустимо использовать потоки STM-n со встречными направлениями синхронизации только в 1 физическом интерфейсе. Именно этот вывод лёг в основу разработок, изложенных во второй главе диссертационной работы и посвящённых вопросам анализ схем синхронизации на устойчивость к петлеобразованию.

В результате выявлена потребность в решении задачи разработки эффективного и доступного для практического использования метода для анализа схем синхронизации как на этапе проектирования, так в процессе эксплуатации сети, который обеспечит разработку надёжных схемотехнический решений для своевременного обнаружения вероятности петлеобразования в схемах синхронизации при любых условиях работы сети связи. Кроме того, этот метод должен быть достаточно удобным для выявления лишних путей, используемых для передачи сигналов синхронизации даже при работе с сетями со сложной топологией и большим

количеством сетевых элементов и направлении передачи синхросигналов.

Ф

02

#

316

V.

©

02 015

®

015 (2)

®

02

02

816, Б1 - интерфейсы со скоростью передачи БТМ-п

02, С>15 - уровни качества в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т С.781

(02 - высший уровень, 015 - низший)

1,2,3 - приоритеты источников синхронизации

Стрелками показаны направления передачи синхросигналов в СП СЦИ

Рисунок 1 - Типовая схема образования петли синхронизации в замкнутой сетевой топологии

Проведенный анализ систем распределения по сети электросвязи единого точного времени показал, что имеющиеся разработки основываются либо на двустороннем методе передачи информации о времени в каналах связи с постоянной скоростью передачи и с минимальным уровнем шумов, либо на возможности применения последовательной односторонней и двусторонней передачи данных о времени с помощью протокола РТР, который ещё не имеет окончательной стандартизации в виду сложности формирования соответствующих сетевых профилей для пакетных сетей связи. В связи с этим в известных в настоящее время материалах предполагается передача сигналов единого точного времени только в сетях со стабильными параметрами фазовых шумов и незначительными разбросами времени задержки при передаче меток времени, что приводит к снижению реальных эксплуатационных показателей качества и надёжности их функционирования в условиях динамического изменения параметров каналов связи.

Для повышения устойчивости работы систем частотно-временной синхронизации (систем ТСС и единого точного времени) и, следовательно, повышения надёжности передачи сообщений

в сетях с пакетной коммутацией необходима разработка алгоритма выбора параметров устройства управления фазой выходного синхросигнала в управляемой ФАПЧ, используемой для восстановления тактовой частоты и сигнала точного времени при приёме метки шкалы времени (сигнал 1PPS) в каналах связи с нестабильной задержкой.

На основании проведенного в первой главе диссертации обзора и анализа состояния проблемы частотно-временной синхронизации на ССОП выявлены две актуальные проблемы, которые необходимо исследовать в данной диссертационной работе.

Результаты исследований, приведённых в первой главе, отражены в работах автора [1], [4]-[7], [9], [10].

Вторая глава посвящена разработке метода топологического анализа схем синхронизации, который обеспечивает обнаружение потенциальных возможностей петлеобразования на этапе проектирования и в процессе эксплуатации сетей ТСС, а также созданию математической модели для анализа сети ТСС, с помощью которой можно достаточно эффективно обнаруживать лишние связи, создающие потенциальную возможность образования петель синхронизации.

Метод топологического анализа основан на известном принципе построения сети ТСС, изложенном в Рекомендациях МСЭ-Т G.810 и стандартах ETSI (ETS300.462 и EG201.793), согласно которым эти сети представляют из себя иерархические древовидные структуры с передачей синхросигналов только в направлении от вышестоящего источника синхронизации к источнику того же уровня или к нижестоящему уровню. Синхронизация вышестоящего источника от нижестоящего недопустима. При этом внутри каждого уровня иерархии возможна организация передачи сигналов синхронизации в любом направлении в строгом соответствии с принципами построения систем синхронизации СП СЦИ (G.707, G.781), т.е. с применением алгоритма обработки сообщений о статусе синхронизации (алгоритм SSM). Применение этого алгоритма, заложенного в основу системы синхронизации оборудования СЦИ (а также в новых системах связи с использованием технологии синхронного Ethernet), в сетях ТСС даёт возможность органи-

зации встречных направлений передачи синхросигналов внутри одного уровня иерархии.

В результате исследований была предложена типовая структура распределения синхросигналов в сетях ТСС, построенных на основе СП СЦИ и 8упсЕ, приведённая на рис. 2. Особенностью этой структуры является выделение основного направления передачи синхросигналов в прямом и обратном направлениях - «магистральный» сегмент (верхняя по схеме цепь синхронизации). Нижняя цепь синхронизации - «местный» сегмент, является только потребителем синхронизации и не используется для передачи синхросигналов в верхний «магистральный» сегмент.

Рисунок 2 - Типовая структура сетей ТСС в СП СЦИ и БупсЕ

Дальнейший анализ более сложных сетевых структур показал, что указанная типовая структура также может применяться для кольцевых топологий сетей, в том числе для связанных колец, а также в общем случае и для ячеистых сетей. Пример топологии системы синхронизации, представленной в виде графа, приведён ниже на рис. 3. Вершины графа - это сетевые элементы (т.е. генераторы мультиплексоров СП СЦИ или оборудования БупсЕ). Направленные рёбра графа - направления, используемые для передачи синхросигналов. При этом красным цветом выделены направления для «магистрального» сегмента», а чёрным - направления в «местных» сегментах.

Для сложных сетей ТСС в этих условиях предлагается в основном ограничиваться 2-мя, максимум тремя приоритетами (т.е. направлениями) для передачи синхросигналов, т.к. такое количество направлений для передачи синхросигналов обеспечивает надежное резервирование, которое достаточно для обеспечения не-

обходимой надёжности всей сети ТСС. Если для повышения надежности необходимо увеличить количество резервных цепей для передачи синхросигналов, то это в значительной степени усложнит процесс проверки сети ТСС при проведении её тестирования

Рисунок 3 - Топологическая структура для ячеистой сети распределения сигналов синхронизации

Таким образом, предложен метод проектирования схем синхронизации на основе топологического анализа сети путём разбиения её на типовые составляющие части - основные топологические структуры. При этом показано, что необходимо и важно учитывать не только направления передачи синхросигналов (трей-лы) между конкретными элементами сети, но и конкретные интерфейсы, через которые осуществляется передача синхросигналов. Только в этом случае возможен корректный анализ схемы

синхронизации в части поиска возможностей образования петель синхронизации.

Для целей компьютерного моделирования за основу был взят метод, основанный на представлении сети ТСС в виде графа, который обеспечивает формирование матрицы смежности схемы синхронизации Z = ||Zi,j||, где:

• Zi j=0 при отсутствии связи от элемента i к элементу j,

• Zi,j=l при наличии такой связи), с учётом приоритетов синхросигналов на входах соответствующих сетевых элементов.

Последующее возведение этой матрицы в достаточно большую степень, вплоть до степени N, где N - общее количество сетевых элементов в данном фрагменте сети [6, 11]. При этом если в результате возведения такой матрицы в степень N в её диагонали не появятся ненулевые элементы, то нет опасности образования петли. А если при возведении матрицы в степень, меньшую или равную г, появится хотя бы один ненулевой диагональный элемент, то за счёт этого элемента имеется потенциальная опасность образования петли синхронизации.

В ходе исследований выявлено, что в случае со схемами синхронизации, в которых используется передача синхросигналов в прямом и обратном направлениях между сетевыми элементами, данный метод не всегда даёт корректные результаты без применения специальных дополнительных вычислений.

На рис. 4 представлен в виде графа фрагмент схемы синхронизации, которая является основной для сетей СЦИ, и в нём не образуется петель синхронизации за счёт применения алгоритма SSM.

Если в этой схеме добавлено ещё одно альтернативное направление передачи синхросигналов (показанное ранее на рис. 1), то в такой схеме действительно будет возможность образования петли синхронизации. На рис. 5 показано представление такой схемы синхронизации в виде графа. На рис. 4 и 5 сетевые элементы (СЭ) представлены в виде вершины графа (кружок), а трейлы синхросигналов представлены в виде направленных рёбер. При этом для основных (первого приоритета) трейлов использованы сплошные линии, а для резервных - пунктирные.

о—о

Рисунок 4 - Фрагмент схемы синхронизации с прямым и обратным направлениями передачи синхросигналов без образования петли синхронизации

Рисунок 5 - Фрагмент схемы синхронизации с дополнительным («лишним») трейлом синхронизации и возможностью образования петли синхронизации

В результате проведенных дальнейших исследований и топологического анализа схемы синхронизации разработана усовершенствованная математическая модель сети ТСС. С учётом выводов, сделанных при анализе причин и механизмов образования петель синхронизации, предложено представление трейлов синхронизации с учётом конкретных интерфейсов СЭ. Это обеспечивает более полное описание модели сети ТСС в заданных условиях её работы. Кроме того, это позволяет моделировать связь между СЭ не только через интерфейсы линейных или трибутарных потоков, но и через интерфейсы внешних входов и выходов синхронизации между СЭ и внешним оборудованием синхронизации, например, вторичным задающим генератором с учётом особенностей их технической реализации для конкретных моделей СЭ.

Для корректного формирования графа предложено каждый мультиплексор отображать в виде нескольких вершин и дополнительных рёбер. Например, для указанного на рис. 5 фрагмента сети, необходимо показать в виде отдельных вершин генератор мультиплексора (ГСЭ) и каждый отдельный интерфейс синхронизации (порты БТМ-п, входы/выходы синхронизации и т.д.), задействованные в схеме синхронизации. Результирующий граф пред-

ставлен на рис. 6, а его матрица смежности соответствует Таблице 1.

ГСЭ

ЭТМ-п

БТМ-п

ЭТМ-п

ГСЭ

Рисунок 6 - Модифицированное представление фрагмента схемы синхронизации в виде графа с учётом структуры мультиплексора СЦИ и выделения отдельных интерфейсов

Таблица 1

Матрица смежности для графа на рис. 6

0 1 1 0 0 0

1 0 0 1 0 0

1 0 0 0 1 0

0 1 0 0 0 1

0 0 1 0 0 1

0 0 0 1 1 0

Далее матрица смежности, приведенная в таблице 1 возводится в 6 степень, и получаем матрицу таблицы 2.

Таблица 2

22 0 0 21 21 0

0 22 21 0 0 21

0 21 22 0 0 21

21 0 0 22 21 0

21 0 0 21 22 0

0 21 21 0 0 22

В матрице смежности, возведённой в 6 степень (таблица 2), также имеются ненулевые диагональные элементы, которые показывают наличие замкнутых путей в графе. Однако в обычном представлении это только Эйлеровы циклы, а в модифицированном появляется Гамильтонов цикл, включающий 2 (или в общем

случае более 2-х) генераторов сетевых элементов, для схемы, в которой возможно образование петли синхронизации. Следовательно, анализ должен проводиться уже на наличие Гамильтоно-вых циклов, включающих 2 или более генераторных элемента, т.е. замкнутых Гамильтоновых цепей, в которых каждая вершина встречается не более 1 раза. Именно это условие и будет являться основанием для утверждения о наличии возможности образования петли синхронизации в анализируемой схеме синхронизации. Так в схеме на рис. 4 Гамильтонов цикл, включающий 2 или более генераторных элемента, отсутствует, что говорит о её устойчивости к петлеобразованию. В то же время на схеме рис. 5 Гамильтонов цикл также отсутствует, однако эта схема неустойчива к петлеобразованию. Но при использовании предложенной модели схемы на рис. 5, которая представлена на рис. 6, обнаруживается Гамильтонов цикл, включающий 2 генераторных элемента, на основании чего можно утверждать о наличии возможности образования петли синхронизации.

В связи с тем, что условием наличия возможности является наличие в графе Гамильтоновых циклов, включающих в себя 2 и более генераторных элемента, проверка наличия возможностей образования петель синхронизации должна производиться путём нахождения Гамильтоновых циклов между узлами графа, соответствующим генераторным элементам - ГСЭ и ВЗГ. Для уменьшения времени работы алгоритмов поиска Гамильтоновых циклов анализ схемы синхронизации на возможность петлеобразования производится в несколько этапов:

Этап 1. проверка отсутствия Гамильтоновых циклов между ГСЭ и ВЗГ, связанных через интерфейсы ТЗ/Т4;

Этап 2. проверка отсутствия Гамильтоновых циклов между ВЗГ и ВЗГ, при этом в Гамильтоновом цикле могут присутствовать ГСЭ;

Этап 3. исключение ВЗГ из графа - из графа удаляются цепи вида интерфейс БТМ-п - интерфейс Т4 - ВЗГ - интерфейс ТЗ - ГСЭ. Вместо этой цепи записывается связь интерфейса БТМ-п с ГСЭ соответствующего СЭ;

Этап 4. проверка отсутствия Гамильтоновых циклов между ГСЭ и ГСЭ.

Такой подход позволит уменьшить сложность вычислений и время, необходимые для нахождения возможных Гамильтоновых циклов в графе анализируемой схемы синхронизации.

В общем случае задача анализа схемы синхронизации сводится к формированию графа и соответствующей ему матрицы связности с учётом всех задействованных в схеме интерфейсов применяемого оборудования. После этого для полученного графа с использованием известных алгоритмов для матрицы смежности проводится проверка на наличие Гамильтоновых циклов, включающих в себя 2 или более генераторных элемента в соответствии с описанными этапами. Если проверка покажет наличие хотя бы одного такого цикла, то в его пределах возможность образование петли синхронизации. Для предотвращения возможности петлеобразования, необходимо исключить «лишние» направления передачи синхросигналов. Это может выполняться собственно оператором по предложению ПО с выделением места возможного петлеобразования в схеме синхронизации, с учётом особенностей проектируемой сети, надёжности и месторасположения источников синхронизации и т.п. факторов.

Для нахождения Гамильтонова цикла может применяться наиболее рациональный подход, описанный в работах Н. Кристофидеса и С.М. Робертса, который состоит в рассмотрении всевозможных простых путей, начинающихся в произвольно выбранной стартовой вершине а, до тех пор, пока не будет обнаружен Гамильтонов цикл или все возможные пути не будут исследованы. По сути дела, речь идет о переборе перестановок, но значительно сокращенном - если, например, вершина Ь не смежна с вершиной а, то все (п-2)! перестановок, у которых на первом месте стоит а, а на втором Ь, не рассматриваются.

Считается, что граф задан окрестностями вершин: для каждой вершины х задано множество вершин, смежных с .г. На каждом шаге алгоритма имеется уже построенный отрезок пути, он хранится в стеке Для каждой вершины х, входящей в 5, хранится множество Щх) всех вершин, смежных сх, которые еще не рассматривались в качестве возможных продолжений пути из вершины х. Когда вершина х добавляется к пути, множество Щх) полагается равным У(х). В дальнейшем рассмотренные вершины удаляются из этого множества. Очередной шаг состоит в исследовании

окрестности последней вершины х пути 5. Если /V(x)^0 и в N(x) имеются вершины, не принадлежащие пути, то одна из таких вершин добавляется к пути. В противном случае вершина х исключается из стека. Когда после добавления к пути очередной вершины оказывается, что путь содержит все вершины графа, остается проверить, смежны ли первая и последняя вершины пути, и при утвердительном ответе выдать очередной гамильтонов цикл.

Таким образом, применение метода топологического анализа схем синхронизации обеспечивает обнаружение потенциальных возможностей петлеобразования на этапе проектирования и в процессе эксплуатации сетей ТСС, а разработанная математическая модель для анализа сети ТСС, позволяет достаточно эффективно обнаруживать лишние связи, создающие потенциальную возможность образования петли синхронизации, а также локализовать фрагмент схемы синхронизации, в котором возможно образование петли синхронизации.

Третья глава посвящена исследованию системы управления фазой выходного сигнала, используемой в предложенном и запатентованном устройстве частотно-временной синхронизации [1], в котором обеспечивается возможность регулировки фазы выходного сигнала синхронизации с минимально необходимым шагом, гарантирующим его удержание в заданных пределах, определяемых возможными изменениями задержки входного сигнала времени и неточностью установки номинального значения частоты опорного генератора устройства. Данные функции обеспечиваются особенностью примененной в устройстве управляемой ФАПЧ (УФАПЧ) и основаны на применении прецизионного метода подстройки фазы выходного синхросигнала при приёме временных меток сигнала 1 PPS по каналам связи. При этом в диссертации разработан алгоритм определения параметров устройства управления фазой выходного синхросигнала устройства частотно-временной синхронизации, позволяющего эффективно восстанавливать эталонную частоту на основе приёма метки шкалы времени (сигнал 1 PPS - 1 импульс в секунду), а также точное время, используя при этом в качестве опорного генератора восстановленную эталонную частоту, с учётом возможных разброса задержек в

системах связи и ассиметрии в задержках сигналов при различных направлениях их передачи.

УФАПЧ, используемая в устройстве частотно-временной синхронизации, обеспечивает возможность независимого управления фазой и частотой выходных синхросигналов

Структурная схема рассматриваемой УФАПЧ приведена на рис. 7.

Выходной

ОГ - опорный генератор;

УФД - управляемый фазовый детектор;

УГ - управляемый генератор;

ФД - фазовый детектор;

МПУ — микропроцессорное управление.

Рисунок 7 — Упрощённая структурная схема УФАПЧ

Особенность данной схемы УФАПЧ состоит в применении двух механизмов управления выходным синхросигналом:

- посредством корректировки частоты ОГ, который устанавливает и поддерживает частоту УГ с помощью системы ФАПЧ;

- регулирования фазы УГ, и соответственно фазы выходного сигнала, путем создания управляемого сдвига фаз сравниваемых сигналов, формируемого в УФД.

Для эффективной работы устройства сдвиг фазы сравниваемых сигналов должен производиться на малые временные интервалы, соответствующие ожидаемым отклонениям фазы выходного синхросигнала за счет неточности установки частоты в ОГ. При этом шаг управления фазой синхросигнала должен быть в 1,5-2,0 раза больше, чем возможное отклонение фазы выходного сигнала за счет ошибки в установке номинала тактовой частоты в ОГ и изменяется в зависимости от точности его подстройки в процессе

работы УФАПЧ. Изменение фазы выходного сигнала, формируемого У Г - Дф определяется формулой:

Др>(Д///„)Г, (1)

где д/ / /„ - относительная ошибка в установке номинала тактовой частоты ОГ,

Т - период входного сигнала, 1с для сигнала точного времени 1РР8.

Значения наиболее оптимальных шагов управления фазой в зависимости от ожидаемой неточности установки частоты ОГ приведены в таблице 3

___Таблица 3

Аф (за Т=1с) Шаг управления фазой

ю-7 ± 100 не 150-200 не

10"8 ± 10 не 15-20 не

Ю-9 ± 1 НС 1,5-2 не

10-.о ±0,1 не 0,15-0,2 не

Ю-" ±0,01 не 0,02 - 0,03 не

Второй механизм - это подстройка частоты на основе многократных измерений с регулируемой постоянной времени, зависящей от разности частот эталонного сигнала и частоты ОГ, а также от величины фазовых шумов в канале связи, по которому передаётся частота опорного синхросигнала. В результате создается плавная регулировка частоты УГ, которая не приводит к значительным фазовым отклонениям в выходном синхросигнале, не смотря на одновременное изменение частоты и фазы УГ.

Система УФАПЧ, состоящая из ОГ, УФД и УГ, обеспечивает астатическое управление генератором, т.е. любое рассогласование фаз, вводимое в УФД, отрабатывается в УГ. При этом значение управляющего кодового слова на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), включенного на входе УГ, после каждого измерения должно изменяться на величину п

(2)

где Дфк - изменение результатов измерения в УФД за период Ту:

Лфк = фк - фк-1

фк - результаты измерения УФД к-ом временном интервале;

Тизм - период, с которым проводятся измерения фазы входного синхросигнала в системе УФАПЧ; изменение частоты У Г за счет изменения значения сигнала с выхода ЦАП на 1 единицу.

Основным элементом УФАПЧ является УФД. С помощью УФД (рис. 8) можно обеспечивать необходимый шаг управления фазой выходного сигнала. Значения частот ОГ и УГ различны и наибольший общий делитель номинальных значений этих частот Б значительно меньше, чем значение частот ОГ и УГ. При этом частота УГ постоянно подстраивается под частоту ОГ, что обеспечивает возможность управления фазой выходного сигнала на заданную МПУ величину, зависящую от разности частот ОГ и входного сигнала.

ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления РФД - релейный фазовый детектор

Рисунок 8 - Структурная схема УФД Специальный алгоритм выбора коэффициентов деления ДПКД и система управления генератором по данным 2-х последовательных измерений позволяют реализовать очень узкую полосу пропускания при высокой точности установки и поддержания положения выходных импульсов ФАПЧ относительно среднего положения импульсов входного сигнала.

Для реализации эффективного алгоритма управления данным УФД необходимо иметь набор коэффициентов деления ДПКД для обеспечения различных сдвигов фаз, как с минимальным шагом, так и с большим, для значительных величин расстроек частоты ОГ. В диссертации предложен алгоритм и на его основании проведён расчёт возможных вариантов сочетаний таких коэффициентов

делений. Для обеспечения малых величин подстройки фазы выходного сигнала частоты ОГ и УГ выбираются некратными, что позволяет устанавливать коэффициенты деления в ДПКД с помощью алгоритма Евклида.

Частота ОГ - Ш, частота УГ - fy, их наибольшая общая частота Б. Тогда Ю/Р=01, а fy/F=D2. В отсутствии управляющего сигнала коэффициент деления ДПКД-1 равняется а ДПКД-2 - В2. При этом считаем, что В2 > Б1, а результат проводимого деления образует последовательность, состоящую из целых частей и остатков (п).

Ч,=[Е)2/Е),] Г2=02-Ч,0,

ч2=[0,/г2] г3=огч2г2

Чз=[г2/г3] г4=г2-язг3 (3,4)

Чк=[Гк-1/Гк] гк=гк.1-якгк

Чм=[гм-1/гм] гы+1=0

После проведения последовательного деления рассчитываются наиболее удобные для режима управления коэффициенты деления ДПКД, в том числе и для наименьшего из возможных шагов управления. Для ДПКД-1 - это (^N-1, а для ДПКД-2 - это РЫ-1.

Р1=Ч1 01=1

Р2=ЧГЯ2+1 С>2=42 (5,6)

РЗ=Р2"ЧЗ+Р1 РЗ=Р2-ЧЗ+Р1

Рк=Рк-гчк+Рк-2 0к=дк-гяк+рк-2

Если принять, что Гог=5 МГц, а ^=16,384 МГц, то их наибольший общий делитель Р будет 8 кГц, а при одновременном однократном изменении коэффициента деления ДПКД в пределе возможно обеспечить минимальный сдвиг фазы между поделенными сигналами 8ф=0,0977 не. При этом в УФД путём суммирования различных значений коэффициентов деления ДПКД 1 и 2 можно получать любые сдвиги фаз, кратные 8ф.

При грубом управлении фазой УГ (±М5ф) в ДПКД исключают или проводят дополнительное деление, что обеспечивает большой сдвиг фазы М8ф (в конкретной реализации это составило величину ±15,625нс).

При этом для регулирования величины сдвига фазы возможно использование комбинации минимального шага (бср) ±0,488 не (для указанной реализации) и большого шага М8(р на ±15,625 не.

Для увеличения сдвига фазы при больших отклонениях частоты ОГ от номинального значения можно выполнить управление с величиной ±М5ф в течение нескольких циклов подряд, в зависимости от вычисленной разности частот. Например, для Af /fH = 10'7 такая коррекция выполняется в течение 10 циклов, что будет соответствовать сдвигу фазы ±156,25 не. Это будет превышать возможный уход фазы за 1 с за счёт разности частот, который будет не более ± 100нс.

Таким образом, алгоритм выбора коэффициентов деления ДПКД сводится к выбору некратных и удобных для разрабатываемой аппаратуры частот опорного и управляемого генераторов, расчёту в соответствии с приведёнными формулами коэффициентов деления и определению величин сдвига фазы для различных значений разности частот ОГ и входного сигнала.

Применение разработанного алгоритма расчёта коэффициентов деления на основе выбора режимов работы ДПКД обеспечивает как минимальный, так и грубый шаг коррекции фазы для предложенного устройства частотно-временной синхронизации и позволяет строить системы управления коэффициентами деления для УФД, примененного в УФАПЧ, в соответствии с предложенным алгоритмом выбора необходимых комбинаций из коэффициентов делений ДПКД, которые позволяют эффективно восстанавливать эталонную частоту на основе приёма метки шкалы времени (сигнал 1 PPS), в условиях реальных сетевых шумов и разброса задержек в системах передачи.

В четвёртой главе приведены рекомендации по практическому внедрению результатов проведённых исследований.

На основании проведенных практических работ, при которых использовался разработанный метод топологического анализа схем синхронизации, показана эффективность его применения на этапе проектирования схем синхронизации специалистами проектных организаций, а также на всех этапах эксплуатации сетей ТСС специалистами эксплуатационных предприятий связи. Кроме того, данный метод может найти применение в специализирован-

ных предприятиях, проводящих тестирование и проверку систем синхронизации на сетях связи операторов.

Математическая модель сети ТСС может применяться при анализе сетей связи на базе оборудования СП СЦИ, а также систем связи с использованием технологи Sync Ethernet. Эта модель применима на этапе конфигурирования оборудования при реализации схемы синхронизации, а также при проверке корректности текущей схемы синхронизации после её перестройки при аварийных ситуациях на сети связи.

В реальной практике метод топологического анализа и построение математической модели сети ТСС для обнаружения лишних связей, которые создают потенциальную возможность образования петли синхронизации, уже применяется в процессе проектирования, проводимого в департаменте синхронизации компании Syrus Systems при разработке схемы базовой сети ТСС - сети синхронизации национального оператора ОАО «Ростелеком», сетей ТСС таких операторов как ОАО «Мегафон», ОАО «ВымпелКом» и др., а также на этапе тестирования схем синхронизации в процессе первичных и периодических Аудитов сетей синхронизации.

Разработанный алгоритм выбора основных параметров устройства управления фазой выходного синхросигнала использован при разработке управляемых фазовых детекторов в системах частотно-временной синхронизации, построенных на основе взаимодействия опорного и управляемых генераторов. В том числе данный алгоритм был применён в аппаратуре сличения сигналов точного времени, разработанной фирмой ООО «АЛТО». Положительные результаты данного внедрения подтверждены экспериментами, проведёнными на базе ВНИИФТРИ.

Этот метод был применён при разработке устройств, описанных в патентах «Устройство частотно-временной синхронизации», RU 2341892 С2 Приоритет 21.12.2006 г. Бюллетень №35 2008 г. и «Устройство измерения задержки сигналов точного времени в каналах связи» RU 2460209 С1 07.02.2011 Бюллетень №24 2012 г.

Указанные патенты использованы ООО «АЛТО» при разработке аппаратуры АРСВ (аппаратура распределения сигналов времени, предназначенная для передачи сигналов единого и точного времени по цифровым системам связи) и аппаратуры АПСВЧ (ап-

паратура передачи сигналов времени и частоты, предназначенная для сличения частот национальных стандартов частоты). Аппаратура АРСВ имеет сертификат соответствия в области связи и установлена на объектах сетей связи ОАО «РЖД» и ЗАО «Компания ТрансТелеком».

В заключении диссертационной работы изложены основные результаты проведенных исследований, которые показывают, что:

1. Проведён анализ технических характеристик сетевых элементов в части системы резервирования источников синхросигналов, на основе которого определены механизм и условия образования петель синхронизации на сети ТСС. При этом показано, что основной причиной петлеобразования является наличие в схеме синхронизации излишних резервных направлений передачи синхросигналов.

2. Разработан метод топологического анализа, который позволяет при проектировании схем синхронизации исключить возможности петлеобразования при любых условиях работы сети связи. Обобщены подходы к проектированию схем синхронизации для различных сетевых топологий, от простейших линейных цепочек до сложных кольцевых и ячеистых сетей с резервируемыми источниками синхронизации.

3. Разработана математическая модель сети ТСС, которая позволяет обнаружить и исключить лишние связи в схеме синхронизации, создающие потенциальные возможности образования петли синхронизации при некоторых условиях работы сети связи. Эта модель может применяться как на этапе реализации схемы синхронизации, так и при необходимости перестройки сети ТСС в аварийных условиях работы сети связи в процессе её эксплуатации.

4. Для систем частотно-временной синхронизации разработан алгоритм выбора и расчёта параметров системы управления фазой выходного синхросигнала для предложенного 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. Реа-

лизованный на этой основе метод управления фазой выходного синхросигнала с помощью управляемого фазового детектора позволяет построить эффективное устройство восстановления синхросигналов в системе ТСС, в том числе и в пакетных сетях связи, использующих для передачи данных о точном времени протокол РТР.

5. Применение на практике разработанных методов проектирования и анализа схем синхронизации позволило повысить отказоустойчивость работы системы ТСС на сети электросвязи ОАО «Ростелеком» и ряда других операторов связи, в том числе и в условиях многократных аварий на сети связи, а разработанный алгоритм выбора и расчёта параметров системы управления фазой выходного синхросигнала для устройства частотно-временной синхронизации позволяет повысить качественные показатели и строить эффективные системы синхронизации частоты и времени на сетях связи нового поколения, в том числе на основе пакетной передачи данных, где задача обеспечения восстановления эталонной частоты по сигналам 1 PPS является одной из самых актуальных.

Таким образом, в результате проведенных в диссертации исследований предложены методы решения ряда актуальных задач в области построения систем частотно-временного обеспечения сетей связи общего пользования, имеющих существенное значение на данном этапе развития техники связи.

Публикации по теме диссертации в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Колтунов М.Н., Шварц M.JL, Шевченко Д.В. Патент «Устройство частотно-временной синхронизации», RU 2341892 С2 Приоритет 21.12.2006 г. Бюллетень №35 2008 г.

2. Колтунов М.Н., Иванов A.B., Шварц M.JI. Патент «Устройство измерения задержки сигналов точного времени в каналах связи» RU 2460209 С1 07.02.2011 Бюллетень №24 2012 г.

3. Шварц M.JI. Опыт и практические результаты Аудита сетей ТСС. // Электросвязь, №10, 2007 г.

4. Шварц M.JI. Особенности проектирования сетей ТСС для ячеистых и многокольцевых топологий сети. //Электросвязь, №10, 2008 г.

5. Шварц M.J1. Шевченко Д.В. Фильтрация искажений временного положения синхросигнала посредством управляемой системы ФАПЧ. //Электросвязь, №9, 2009 г.

6. Коновалов Г.В., Шварц M.J1. Конфигурирование и реконфигу-рирование сети ТСС с учётом топологии синхронизируемой телекоммуникационной сети. //Электросвязь, №5, 2010 г.

7. Донченко С.И., Иванов A.B., Колтунов М.Н., Рыжков A.B., Шварц M.J1. Передача сигналов времени по сети связи общего пользования. //Электросвязь, №12, 2010 г.

8. Рыжков A.B., Савчук A.B., Шварц M.JL, Дрига И.А. Метрология синхронизации в пакетных сетях электросвязи // Электросвязь. № 2, 2013 г.

Прочие публикации

9. Колтунов М.Н., Леготин H.H., Шварц М.Л. «Сетевая синхронизация в системах связи». - М.: Syrus Systems, 2007. — 240с.

10. Колтунов М.Н. Шварц М.Л. Устройство ФАПЧ для оборудования ТСС // Вестник УНИИС, № 1, 2006г.

11. Шварц М.Л. Особенности проектирования сетей ТСС. // Вестник УНИИС, № 1,2008г.

12. Коновалов Г.В., Шварц М.Л. Конфигурирование и реконфигу-рирование фрагментов сети синхронизации при линейной, кольцевой и ячеистой топологии телекоммуникационной сети. // Сборник трудов научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». РНТОРЭС, МТУСИ, ЯрГУ, г. Ярославль, июль, 2008г.

13. Колтунов М.Н. Шварц М.Л. Синхронизация по зашумлённой секундной метке. //Сборник трудов научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». РНТОРЭС, МТУСИ г. Нижний Новгород, июль, 2010г.

14. Климов Д.А., Колтунов М.Н., Шварц М.Л. Управление фазой синхросигнала в оборудовании ТСС. // Сборник докладов Международного научно-технического семинара «Системы син-

хронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». «СИНХРОИНФО 2011» г. Одесса, июнь, 2011г.

15. Иванов A.B., Колтунов М.Н., Шварц M.JT. Высокоточное измерение задержки сигналов времени при их передаче по каналам связи. // Материалы 11-ой международной научно-практической конференции «Эволюция транспортных сетей. Сети будущего: проблемы синхронизации и распределения времени. РСС, ИТС НТУУ «КПИ», НПКП «Стандарт Сервис», г. Ивано-Франковск, май, 2012 г.

16. Рыжков A.B., Насонов А.Ю., Новожилов Е.О., Колтунов М.Н., Шварц M.JI. Концептуальные предложения по построению системы распределения сигналов единого точного времени в сети связи общего пользования Российской Федерации. // Материалы 11 -ой международной научно-практической конференции «Эволюция транспортных сетей. Сети будущего: проблемы синхронизации и распределения времени. РСС, ИТС НТУУ «КПИ», НПКП «Стандарт Сервис», г. Ивано-Франковск, май, 2012 г.

Шварц Михаил Львович

Разработка методов развития и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени на сети связи общего пользования

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11.07.2013 Формат 60x84/16. Печать офсетная Печ.л. 2. Тираж 100 экз. Заказ 323

Оперативная полиграфия «Брис - М» 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУ СИ)

На правах рукописи

04201361253

Шварц Михаил Львович

Разработка методов развития и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации и единого точного времени на сети связи общего пользования

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Мардер Н. С.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений.................................................................................................4

Введение...................................................................................................................6

Цели и задачи диссертации..............................................................................20

Методы исследования........................................................................................21

Научная новизна работы...................................................................................22

Теоретическая и практическая значимость работы........................................22

Апробация результатов работы........................................................................23

Основные положения, выносимые на защиту.................................................23

Глава 1. Анализ существующих систем синхронизации..................................24

1.1. Анализ возможности образования петель синхронизации.....................24

1.2. Анализ систем передачи сигналов точного времени..............................29

1.2.1. Системы передачи сигналов точного времени по каналам Е1............33

1.2.2. Системы передачи сигналов точного времени в пакетных сетях.......36

Выводы по первой главе....................................................................................39

Глава 2. Разработка метода топологического анализа схем синхронизации и математической модели анализа сети ТСС........................................................41

2.1. Метод топологического анализа схем синхронизации...........................41

2.2 Математическая модель для анализа сети ТСС для обнаружения связей, создающих потенциальные возможности петлеобразования........................55

Выводы по второй главе....................................................................................67

Глава 3. Исследование возможностей управляемого фазового детектора системы ФАПЧ корректировать фазу выходного синхросигнала...................68

3.1. Применение ФАПЧ с управляемым фазовым детектором в системах частотного обеспечения сетей ТСС.................................................................68

3.2. Алгоритм расчёта коэффициентов деления для ДПКД УФАПЧ...........75

3.3. Возможности ФАПЧ с управляемым фазовым детектором в системах временного обеспечения сетей связи...............................................................79

3.4. Совмещённая система частотно-временного обеспечения на основе УФАПЧ................................................................................................................88

Выводы по третьей главе...................................................................................90

Глава 4. Результаты практического внедрения проведённых исследований.. 91

Основные результаты и выводы..........................................................................93

Список публикаций по теме диссертации..........................................................95

Список источников:..............................................................................................97

Список международных стандартов и рекомендаций.....................................101

Приложения.........................................................................................................104

Список сокращений

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

АСУ ТП - автоматизированные системы управления технологическим процессом

АРСВ - аппаратура распределения сигналов времени

АПСВЧ - аппаратура передачи сигналов времени и частоты

БВР - блок выбора режимов

ВЗГ - вторичный задающий генератор

ВИ - временной импульс (1 PPS)

ГСЭ - генератор сетевого элемента

Д - делитель с постоянным коэффициентом деления

ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления

ИВ - измеряемый интервал времени

МПУ - микропроцессорное устройство

OB - опорный сигнал времени

ОГ - опорный генератор

ОПВИ - определитель положения временных импульсов

ПЦИ - плезиохронная цифровая иерархия

ПЭГ - первичный эталонный генератор

ПЭИ - первичный эталонный источник

РФД - релейный фазовый детектор

САПР - систем автоматического проектирования

СВ - Сигнал времени

ССОП - сеть связи общего пользования

СП - система передачи

СЦИ - синхронная цифровая иерархия

СЭ - сетевой элемент

ТЗ - интерфейс внешнего входа синхронизации Т4 - интерфейс внешнего выхода синхронизации ТИ - тактовый импульс

ТСС - тактовой сетевой синхронизации

УГ - управляемый генератор

УФАПЧ - Управляемая ФАПЧ

УФД - Управляемый фазовый детектор

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФВИ - формирователь временных импульсов

ФОЗ - формирователь опорных зон

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЭЦП - электронная цифровая подпись

DNU - Не использовать (Don't use ) - значение уровня качества синхронизации в СЦИ

NTP - протокол сетевого времени (Network time protocol) QoS - качество сервиса (Quality of service)

PDV - девиация задержки пакетов (Packet delay variation) в пакетных сетях

PRC - первичный эталонный генератор (Primary reference clock)

PPS - импульс в секунду (Pulse per second)

РТР - прецизионный протокол времени (Precision time protocol)

SEC - генератор сетевого элемента (SDH equipment clock)

SSM - сообщение о статусе синхронизации (Synchronization status message)

SSU - вторичный задающий генератор (Secondary supply unit)

STM-n - синхронный транспортный модуль (Synchronies transport module)

уровня n

SyncE - синхронный Ethernet

TWTT - метод двунаправленной передачи сигналов времени (Two way time transfer)

Введение

Современные технологии, используемые в системах связи, направлены на увеличение пропускной способности сетей связи и, соответственно, абонентского трафика [9]. 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 и точности работы систем частотной и временной синхронизации, чем это реализовано в существующих сетях подвижной и фиксированной связи.

Основной целью сети связи является предоставление пользователям надёжных и качественных услуг связи. Для решения этой задачи создаются сети, с организацией резервирования трафика путём организации линейных и кольцевых систем защиты, использования резервных модулей, защитных переключений на резервные системы связи т.п. Однако для сетей связи, основанных на основных цифровых каналах связи со скоростью передачи данных пх64 кБит/с, не меньшее значение имеет система тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Эта система также должна обеспечивать не только качественную передачу сигналов синхронизации от эталонных источников частоты до оборудования связи, но и высокие живучесть и надёжность предоставления синхросигналов. В аварийных условиях работы сети связи зачастую именно наличие резервирования в системе тактовой синхронизации позволяет гарантировать предоставление услуг связи. Это связано с тем, что резервирование

трафика и синхросигналов производится различными подсистемами оборудования связи, и, кроме того, для этих задач используются различные механизмы защиты.

В нормальных условиях работы сети роль таковой сетевой синхронизации сложно недооценить. При нарушении функционирования этой подсистемы возможно ухудшение канала связи от снижения качества до полного прекращения предоставления услуг связи. Особенно это заметно для каналов передачи данных. Например, неверная настройка системы синхронизации в модемах или устройствах ЦАП/АЦП может привести к полной потере каналов связи, предназначенных для подключения абонентов к сети Internet. В то же время при использовании этих же каналов для передачи голосового трафика услуга связи будет предоставляться, хотя и со сниженным качеством (щелчки, потрескивания в канале). В работе сотовых сетей GSM отсутствие качественной синхронизации регионального коммутатора может привести к нарушениям в работе подсистемы базовых станций (из-за значительных отклонений номинала тактовой частоты передатчика базовой станции) и, как следствие, к частичной или полной потери связи с абонентскими терминалами. К качеству работы системы тактовой синхронизации также очень чувствительны гибкие мультиплексоры доступа с функцией кросс-коммутации каналов пх64 кбит/с. При потере опорной частоты в таком мультиплексоре происходит нарушение работы коммутационного модуля вплоть до полной остановки всех каналов.

Транспортные системы связи имеют в своём составе механизмы, позволяющие передавать трафик без ошибок даже при отсутствии системы синхронизации. Однако в таком режиме работы из-за процессов выравнивания скоростей передачи в выходные потоки Е1 вносятся значительные фазовые искажения, которые могут оказать негативное влияние на работу коммутационных систем, что также приведёт к снижению качества услуг связи.

Таким образом, для обеспечения высокого качества и надёжности работы сети связи необходимо обеспечить не только надёжные и качественные кана-

лы связи, но и не менее качественную и надёжную систему тактовой сетевой синхронизации.

В свою очередь сеть тактовой сетевой синхронизации (ТСС) реализуется как наложенная система на сеть связи, и использует линейные тракты сети и каналы сети связи для передачи синхросигналов от эталонных источников частоты к оборудованию потребителя - коммутационным станциям, гибким мультиплексорам доступа, мультиплексорам СП СЦИ транспортных сетей и т.п. При этом во всём оборудовании связи - каналообразующем, коммутационном и транспортном, имеются специальные функциональные модули, обеспечивающие работу системы синхронизации. Таким образом, при проектировании, строительстве, развитии и эксплуатации сети связи необходимо уделять внимание схеме сети синхронизации и её функционированию как самостоятельной подсистеме [3].

Сети ТСС, реализующие необходимое для ССОП частотное обеспечение, строятся по иерархическому принципу и имеют системы резервирования источников и направлений передачи синхросигналов. Однако с увеличением разветвлённости и сложности топологии сетей связи при реализации схем синхронизации возможно значительное снижение эффективности ТСС за счёт нарушения запланированных схем распределения синхросигналов, в результате чего в системе синхронизации образуются «петли синхронизации», т.е. цепочки из двух и более сетевых элементов (СЭ), передающих синхросигналы друг другу по замкнутому пути. Как правило, это является следствием недостаточно эффективной реализации сложных схем синхронизации, приводящей в аварийных условиях работы сети связи к значительному ухудшению качества предоставляемых услуг связи, вплоть до полной потери связи.

В настоящее время существует достаточно подробно и всесторонне разработанная как научная, так и нормативно-техническая база для построения систем тактовой синхронизации в канальных сетях связи. Эти системы повсеместно и успешно применяются в случае построения сетей связи на осно-

ве традиционного оборудования иерархического каналообразования на базе стандартных скоростей передачи 2,048 Мбит/с или 1,544 Мбит/с (Европейская, Американская и Японская иерархии) в системах передачи плезиохрон-ной и синхронной цифровых иерархий (ПЦИ и СЦИ соответственно). Долговременная погрешность передачи эталонной частоты по каналам и трактам систем передачи ПЦИ и СЦИ составляет не более ±1*10"11. Кроме того, системы передачи СЦИ позволяют строить разветвлённые и многократно защищенные системы распределения сигналов синхронизации (трейлов передачи сигналов эталонной частоты). Это достигается за счёт определенных аппаратных механизмов, заложенных в аппаратуру СП СЦИ, а также при наличии разветвлённой сетевой топологии (кольцевые системы связи, многокольцевые, ячеистые и т.п. структуры).

Для систем частотной синхронизации основной проблемой на сегодняшний день является опасность петлеобразования при формировании схемы синхронизации, т.е. возникновение ситуации, при которой происходит синхронизация сетевых элементов в кольцевом режиме - когда сигнал синхронизации одного из элементов, пройдя через цепочку других элементов, попадает на вход этого же элемента. Эта ситуация недопустима на сети связи, т.к. в конечном итоге может привести к остановке связи на всех элементах, участвующих в петле синхронизации или к значительному ухудшению качества связи.

Следовательно, имеется необходимость строго и внимательно относиться к построению схемы распределения синхросигналов на сети связи на этапе проектирования, а также на этапе реализации схемы синхронизации и её эксплуатации. Для решения этой задачи разработаны определённые математические и практические методы, которые широко используются на практике. Кроме того, существует ряд специализированных систем автоматического проектирования (САПР), которые также позволяют проводить математическую проверку на отсутствие возможности образования петель синхронизации при различных аварийных ситуациях.

Однако, 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 очень актуальными

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, кроме частотной синхронизации необходима ещё и синхронизация по сигналам единого точного времени, в первую очередь для систем связи с одночастотным режимом вещания (DVB, WiMAx, CDMA, LTE и др.), что не обеспечивается применением технологии синхронного Ethernet и требует применения специальных технических решений.

Существенной проблемой в части реализации систем тактовой синхронизации в пакетных сетях, не оборудованных интерфейсами с поддержкой SyncE, является их асинхронная природа, которая не предусматривает механизмов передачи сигналов эталонной частоты, необходимой для базовых станций и стыков с традиционными сетями с коммутацией каналов. Это приводит к необходимости рассмотрения вопросов построения частотной синхронизации в пакетных сетях на основе систем передачи сигналов единого и точного времени. В связи с этим в настоящее время активно развиваются различные технологии восстановления синхросигналов эталонной частоты на

основе передачи сигналов точного времени. При этом системы частотной синхронизации становятся вторичными по отношению к системе синхронизации шкал времени - на приемной стороне производится подстройка частоты местного генератора по тактовым сигналам, восстановленным из принятой информации о точном времени. Иными словами в этом случае система частотного обеспечения основывается на системе временного обеспечения по принципу «время - первично, частота - вторична».

Принцип работы систем временной синхронизации в пакетных сетях, основан на двусторонней передаче меток времени с использованием алгоритма Марзулло (предложен Кейтом Марзулло (Keith Marzullo) из Университета Калифорнии, Сан-Диего), включая такую особенность, как учёт времени передачи, который был внедрён в сетевом протоколе передачи времени - NTP и широко используется в различных иных временных приложениях, в том числе и в прецизионном протоколе передачи времени (Precision Time Protocol -РТР).

Указанный алгоритм синхронизации шкал времени основан на измерении задержек при передаче меток времени между ведущими (Master) и ведомыми (Slave) часами в различных направлениях. По результатам приёма меток времени на ведомых и ведущих часах вычисляется расхождение шкал времени и двусторонняя (т.е. общая, кольцевая) задержка распространения сигналов. При этом предполагается