Принципы построения опорной сети частотно-временного обеспечения на сети связи общего пользования

Принципы построения опорной сети частотно-временного обеспечения на сети связи общего пользования

Передача времени по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) является передовой технологией, позволяющей повысить уровень частотно-временного обеспечения (ЧВО) сетей связи и широкого круга различных технических систем [1 ]. Поэтому разработка методов и принципов реализации этой технологии является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для совершенствования и развития ЧВО в РФ. В системах связи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), наиболее подходящим для передачи времени является применение метода, основанного на измерении временного положения потока данных относительно соответствующей шкалы времени. Этот метод был реализован в аппаратуре распределения сигналов времени (АРСВ), разработанной ООО "АЛТО" [2,3]. Неопределенность синхронизации шкал времени в данном оборудовании составляет около 30 нс [4,5]. В настоящее время коллективом ООО "АЛТО" в рамках проекта Бупс1оск разрабатывается аппаратура передачи сигналов времени и частоты (АПСВЧ) по ВОЛС с неопределенностью, не превышающей 2 нс [6]. Эта аппаратура может найти широкое применение для решения задач ЧВО на более высоком уровне точности. Одной из таких первоочередных задач является создание опорной сети ЧВО на сети связи общего пользования (ССОП).

* *

і

Рис. 1. Радиостанции, передающие сигналы времени и частоты

Ключевые слова: опорная сеть частотновременного обеспечения, сети связи общего пользования, волоконно-оптические линии связи.

Жуков Е.Т., ИПА РАН Иванов А.В., Synclock Леготин Н.Н., АЛТО Рыжков. А.В., МТУСИ Толстихин И.Д., Супертел

Передача времени и частоты в РФ

Частотно-временное обеспечение в РФ осуществляет Государственная служба времени и частоты (ГСВЧ), деятельность которой обеспечивают организации Росстандарта, Минобороны, Минкомсвязи, Российской академии наук (РАН) и других ведомств под руководством Росстандарта.

Научно-методическое и оперативное управление работой ГСВЧ осуществляет Главный метрологический центр (ГМЦ) ГСВЧ, являющийся подразделением Всероссийского НИИ физикотехнических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в пос. Менделеево под Москвой. ГМЦ ГСВЧ является хранителем Государственного эталона времени и частоты (ГЭВЧ) и национальной шкалы времени 1ТГС (Би).

Передача времени и частоты потребителям осуществляется под контролем Росстандарта радиостанциями Минкомсвязи в пос. Талдом под Москвой: КВ радиостанцией РВМ на несущих частотах 4,996; 9,996; 14,996 МГц и двумя ДВ радиостанциями: РБУ в пос. Талдом на несущей 66,(6) кГц и РТЗ в г. Ангарск под Иркутском на несущей 50 кГц. Также передача времени и частоты осуществляется с Технического телевизионного центра (ТТЦ) в Останкино.

Для ЧВО объектов Минобороны была создана Система единого времени высокой точности (СЕВ ВТ), преобразованная в дальнейшем в Государственную систему единого времени и эталонных частот (ГСЕВЭЧ) с возможностью использования её сигналов также гражданскими потребителями. В ГСЕВЭЧ передача времени и частоты осуществляется в основном с помощью ГЛОНАСС (космический сегмент). В наземном сегменте используются ДВ радиостанции импульсно-фазовой радионавигационной системы РНС-Е (А) и РНС-Е (Д) близ Брянска и Сызрани, РНС-В (А) близ Александ-ровска-Сахалинского и СДВ радиостанций связи ВМФ: РЙХ-77, РЙХ-90, РЙХ-63, РАБ-99, РЙХ-69, РЙХ-86 близ городов Архангельск, Нижний Новгород, Краснодар, Хабаровск, Молодечно (Белоруссия) и Бишкек (Киргизия) [7].

Иллюстрация расположения радиостанций, передающих сигналы времени и частоты приведена на рис. 1.

Параметры передачи времени и частоты радиостанциями РФ приведены в таблице.

Также к наземным средствам ЧВО относятся ЫТР-серверы, установленные во ВНИИФТРИ, которые обеспечивают синхронизацию часов компьютеров с погрешностью 1-10 мс по региональной сети и 10-100 мс по сети Интернет.

Из приведенных данных видно, что с помощью существующих наземных средств ЧВО потребители могут быть обеспечены сигналами времени с минимальной неопределенностью в

1 мкс на расстояниях до 1500 км от радиостанции.

Неопределенность по времени/частоте Расстояние, км Тип Система Примечание

0.3-2 мс/(1-10)с-8 10000 КВ Минкомсвязь РВМ

0,03-0.3 мс / (3-5)е-12 1000 ДВ Минкомсвязь РБУ

0.3-1 мс / (1 -10)е-11 3000 ДВ Минкомсвязь РБУ

0,02-10 мкс / 200 ТВ ТТЦ ХЧВ*

1-2 мкс/ 1500 ДВ ГСЕВЭЧ Поверхностная волна[31

< 20 мкс / 10000 ДВ ГСЕВЭЧ Пространственная волна [3]

3-5 мкс / СДВ ГСЕВЭЧ С калибровкой [3]

20-35 мкс / сдв ГСЕВЭЧ Без калибровки [3]

< 0,5 мс / СДВ ГСЕВЭЧ По огибающей [3]

*с помощью ТТЦ обеспечивается сличение хранителей частоты и времени (ХЧВ) в пределах зоны приёма

Обеспечение потребителей в глобальном масштабе осуществляется с помощью спутниковых средств ЧВО. Создание системы ГЛО-НАСС позволило использовать ее сигналы для глобального сличения ХЧВ с погрешностями 20-200 нс, (3-10)е-12 в реальном времени и 2-10 нс, (2-10)е-14 в режиме последующей обработки данных общего наблюдения спутников ("соттоп-уіе'Л'").

Перспективные задачи и требования к ЧВО

Совершенствование хранителей частоты и времени (ХЧВ) ГСВЧ и, в особенности, эталонов времени и частоты (ЭВЧ) Росстандарта и Минобороны, размещённых под Москвой, Иркутске, Новосибирске и Хабаровске, ставит задачу их сличения с погрешностью не хуже, чем 2е-14 по частоте и 2 нс по времени.

Модернизация системы синхронизации ГЛОНАСС с улучшением характеристик Центрального синхронизатора (ЦС) в г. Щёлково под Москвой и созданием резервного ЦС в г. Комсомольск на Амуре ставит задачу их взаимной синхронизации и временной привязки к ГЭВЧ с погрешностью не хуже 2 нс.

Парирование уязвимости ГЛОНАСС ставит задачу создания аналогичной или лучшей

по точности системы для передачи времени и частоты.

Развитие Наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ) КА, космодромов и ракетных испытательных полигонов, создание нового космодрома "Восточный" ставят задачу реализации передачи и распределения сигналов времени и частоты по ВОЛС на их объектах.

Становление войск Воздушно-космической обороны, развитие их телекоммуникационного обеспечения, внедрение в ПВО и ПРО технологии многопозиционной радиолокации ставят задачу реализации ЧВО объектов ВКО с передачей времени, в том числе по ВОЛС, с погрешностью не хуже 2 нс.

Астрономические обсерватории (АО) РАН, решающие задачи фундаментального координатно-временного обеспечения с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) и спутниковой лазерной дально-метрии (СЛД), оснащены водородными стандартами частоты и времени (ВСЧВ), которые могут сличаться с помощью указанных технологий с субнаносекундной погрешностью. Для использования этих возможностей и обеспечения контроля ВСЧВ АО РАН необходима реализация их внешних сличений с ХЧВ Росстандарта,

Минобороны и Минкомсвязи на соответствующем уровне точности, в том числе и с помощью ВОЛС.

Внедрение современной технологии криптозащиты, использующей высокоточную синхронизацию абонентов, ставит задачу ее реализации, в том числе с помощью ВОЛС, с погрешностью не более 2 нс.

Как видно из рис. 2, новые поколения технологий мобильной связи предъявляет возрастающие требования к ЧВО.

Обеспечение представленного круга потребителей, предъявляющих требования к неопределенности времени на уровне не хуже 2 нс, невозможно с помощью существующих наземных средств. Усовершенствование системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) на ССОП в части её применения для передачи времени открывает возможность для решения этой проблемы.

В отрасли связи уже идёт развитие в этом направлении, происходит процесс конвергенции систем ТСС и систем единого точного времени (ЕТВ).

Конвергенция систем ТСС и ЕТВ

ЧВО на ССОП первоначально развивалось по пути обеспечения точной частотой коммутационного оборудования СЦИ и систем передачи (СП), что привело к широкомасштабному внедрению систем ТСС.

На сетях магистральных операторов связи Ростелеком (РТК) и ТрасТелеКом (ТТК) эксплуатируются водородные и цезиевые первичные эталонные генераторы (ПЭГ), используемые в качестве источников сигналов частоты для систем ТСС. На сегодняшний день в России национальная сеть связи общего пользования работает в псевдосинхронном режиме, поскольку в ней работает несколько независимых ПЭГ.

Псевдосинхронный режим в соответствии с международными Рекомендациями обеспечивает качественную связь и может существовать на сети связи практически без всяких ограничений, при этом на национальной сети в цепях передачи информации допускается прохождение до шести регионов синхронизации.

Например, сеть компании РТК, разделена по такому принципу на шесть регионов синхронизации: Дальневосточный (Хабаровск), Сибирский (Новосибирск), Центральный (Тула), Московский (Москва), Южный (Ростов), Северо-западный (Санкт-Петербург).

Необходимость синхронизации временных процессов в отрасли связи и транспорта привела к следующему этапу развития — появлению первых СЕТВ. На данный момент такие системы

3,5

0

2000 2003 2005 2009

Рис. 2. Требования к ЧВО различных технологий мобильной связи.

Рис. 3. ПЭГ и регионы синхронизации сети связи РТК

внедрены в ТТК, Центробанке (ЦБ) и Российских железных дорогах (РЖД). Такие системы решают задачи ЧВО на уровне регионов синхронизации. В качестве опорных сигналов системы ЕТВ используют точки присоединения ТСС операторов связи и ЭВЧ.

Следующим шагом в процессе конвергенции систем ТСС и ЕТВ видится необходимость создания опорной сети, в состав которой войдут синхронизированные по времени, частоте и фазе ПЭГ, существующие сейчас на сети и усовершенствованные с помощью оборудования ЕТВ. Здесь и далее следует понимать, что существующие ПЭГ не могут быть подстроены с точностью до фазы, по причине отсутствия подобного конструктивного механизма. С точностью до фазы будет синхронизированы выходные сигналы вторичного временного генератора (ВЗГ) нового поколения, который должен прийти на смену существующим сейчас.

Такое построение частично решит проблему доставки сигналов точного времени между регионами синхронизации или сетями ТСС различных операторов связи.

С такой проблемой столкнулась сеть ЕТВ ЦБ РФ: сигналы времени от ГЭВЧ поступают в сеть ЕТВ компании ТТК, затем по СП СЦИ РТК доводятся до потребителя. Неопределённость такого включения ЕТВ у конечного потребителя может быть около 5 мкс.

После решения проблемы межрегиональных переходов достижимая неопределённость передачи времени может составить не более

2 нс у конечного потребителя.

По сути это будет переход работы сети из псевдосинхронного в синхронный режим, что обеспечит гарантированное отсутствие проскальзываний в СП и одновременно откроет возможность для реализации других перспективных подсистем ССОП.

Положительный эффект для ССОП, после внедрения опорной сети ЧВО

Объединение разнородных территориально-распределенных информационных ресурсов в рамках создания единого информационного пространства (ЕИП) невозможно без использования ССОП и ее сопряжения с ведомственными сетями. Качество, надежность и информационная безопасность этого сопряжения напрямую зависят от ЧВО.

Для ССОП создание опорной сети ЧВО открывает перспективы эволюционного развития по нескольким направлениям:

— сопряжение с ведомственными сетями в рамках ЕИП;

— безопасность внедрения цифровой подписи и электронного документооборота;

— информационная безопасность ЕИП;

— глобализация систем мониторинга и управления сетями связи;

— технологии мобильной связи;

— технологии управления трафиком;

— технологии цифрового телевидения;

— синхронизация опорной сети с распределённой системой ХЧВ на уровне 2 нс не только повысит живучесть и надёжность, но и позволит выполнять функции наземного сегмента ГСВЧ для ЧВО государственных ведомств и систем.

В краткосрочной перспективе наличие опорной сети ЧВО на ССОП позволит на глобальном уровне согласовать, при необходимости, информацию из систем мониторинга и управления сетями, системами и подсистемами отрасли связи, а также внутри ведомственных сетей других отраслей, в рамках единого информационного пространства (ЕИП) РФ. Таким образом, может быть достигнут новый уровень информационной безопасности, оперативности контроля и управления, анализа и предотвращения аварийных (диверсионных) ситуаций — защищенности. По критериям оперативности и защищённости ожидаемая эффективность будет достигаться за счёт точности и надёжности определения времени наступления событий в контролируемой сети, следовательно — точного определения причинно-следственных связей произошедших событий и оперативного прогноза реакции сети. По критерию информационной безопасности ожидаемая эффективность может быть достигнута в долгосрочной перспективе.

В среднесрочной перспективе наличие опорной сети ЧВО на ССОП позволит создать локальные сети мобильной связи, привязанные к сетевой шкале времени. Сигналами времени требуемой точности будут обеспечены как

Рис. 4. Элемент системы ЕТВ ЦБ РФ

Москва, ПЭГ

О

взг

О

Санкт-Петербург, ПЭГ

О

АПСВЧ ССВ-1Г АПСВЧ СС8-1Г АПСВЧ ССВ 1Г

MUX MUX мих

Рис. 6. Предполагаемая опытная зона на сети Ростелеком

существующие мобильные сети, так и сети следующих поколений, которые могут предъявить ещё более жёсткие требования. Временная синхронизация базовых станций обеспечит улучшение характеристик работы хэндовера при переходе движущегося объекта между зонами покрытия, что обеспечит беспрерывный режим работы абонентского оборудования на высокой скорости передачи данных в условиях работы в различных мобильных сетях.

В долгосрочной перспективе наличие опорной сети ЧВО на ССОП позволит обеспечить, режим работы последней мили с заданными характеристиками синхронизации, что откроет возможность для эволюции маршрутизаторов трафика в направлении работы от системной шкалы времени. Это даст возможность для качественного изменения информационной безопасности ЕИП. Ожидаемая эффективность будет достигаться за счёт оперативного обнаружения трафика, не обладающего метками времени заданной точности, что позволит сделать вывод о его стороннем происхождении.

Пути построения опорной сети

Использование существующих ПЭГ, систем ТСС и ЕТВ для строительства опорной сети — принцип, позволяющий создать опорную сеть на существующем фундаменте, что облегчает экономические затраты на проектирование и оборудование.

Синхронизация ПЭГ с неопределённостью не более 2 нс в рамках опорной сети, открывает возможность для дальнейшего развития ССОП, одновременно, позволяя в краткосрочной перспективе, использовать её ЧВО для нужд ГСВЧ и потребителей в других отраслях РФ.

На данном этапе технологического развития ССОП для синхронизации ПЭГ целесооб-

разно использовать системы СЦИ. Для решения этой задачи компании БупсОск и АЛТО ведут совместную разработку АПСВЧ. Создание экспериментальных образцов этого оборудования открывает возможность для экспериментальных исследований по передаче сигналов времени и частоты по сетям СЦИ.

Опыт внедрения на реальной сети систем ЕТВ на базе аппаратуры АРСВ выявил системную проблему при передаче сигналов точного времени. Специфика СП при существующей конфигурации сети не обеспечивает прозрачный режим прохождения фазы сигналов в прямом и обратном направлении, который является обязательным условием для достижения высокой точности методом двунаправленной передачи времени и измерения круговой задержки [2].

Для решения этой проблемы необходимо проведение работ по исследованию совместной работы АПСВЧ и СП СЦИ в рамках эксперимента, имитирующего реальную сеть. В результате могут быть сформированы принципы переконфигурирования существующих СП для режима взаимной синхронизации, в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т. Следующим этапом планируется разработка модернизированного мультиплексора СЦИ, который обеспечит режим взаимной синхронизации без изменения конфигурации сети.

После проведения эксперимента, подтверждающего заданные характеристики системы, необходимо создание опытной зоны на базе магистрального оператора связи, например РТК. В условиях реальной сети можно будет отработать принципы построения опорной сети с применением экспериментальных образцов АПСВЧ.

Предполагаемая схема опытной зоны представлена на рис. 6. В начале испытаний шкалы времени АПСВЧ должны быть выставле-

ны с помощью возимых квантовых часов. Во время испытаний шкалы времени могут контролироваться методами NTP и PTP. На данный момент к этому готовы NTP-серверы ССВ-1Г производства компании КОМСЕТ. В конце испытаний шкалы времени контролируются с помощью возимых квантовых часов.

По результатам испытаний могут быть сформированы правила применения оборудования используемого на опорной сети ЧВО и открываться ОКР

В условиях реальной эксплуатации опорной сети по описанным принципам требует решения задача коррекции шкалы времени на стороне потребителя, с целью компенсации асимметрии задержки, возникающей при прохождении сигналов времени в прямом и обратном направлении в СП. Коррекция должна быть проведена однократно в результате калибровки тракта передачи, а в дальнейшем осуществляться его периодический контроль.

Для проведения калибровки тракта могут использоваться различные методы: перевозимые квантовые часы, совместные наблюдения (common-view) спутников глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), двухсторонняя спутниковая передача времени и частоты (Two-Way SatelliteTime and FrequencyTransfer (TWSTFT)). Преимущества по точности и оперативности имеет TWSTFT.

В Институте прикладной астрономии РАН проводятся исследования по TWSTFT и разработке экспериментальных образцов средств сличения ХЧВ по дуплексным каналам спутниковой связи, Применение этих средств позволит обеспечить калибровку трактов передачи времени по СП СЦИ с требуемой точностью и оперативностью.

Сегодня на ССОП активно внедряются сети пакетной передачи данных, работающих в

асинхронном режиме. Технологии мобильной связи и цифрового телевидения ориентированы на работу в таких сетях. ЧВО таких пакетных сетей может осуществляться от опорной сети с помощью технологий: NTP, PTP, SyncEthernet. Стоит отметить, что достижимая точность метода PTP, как наиболее перспективного из представленных, определяется правильно построенной сетью первичных серверов, достоверность которых может быть гарантирована сигналами опорной сети. Необходимо проведение НИР по определению достижимых точностей ЧВО на стороне потребителя и определения правил применения оборудования.

Выводы

Технологические системы различных отраслей требуют синхронизации с неопределённо-стью не более 2 нс. Гарантированное обеспечение сигналами с такими характеристиками возможно в режиме взаимного дополнения и резервирования наземных и спутниковых средств ЧВО.

На данный момент космический и наземный сегменты не способны обеспечить сигналами синхронизации данный круг потребителей.

Создание опорной сети ЧВО на ССОП может решить задачи технологических систем различных отраслей, стать частью существующего наземного сегмента ЧВО, открыть перспективы для дальнейшего развития телекоммуникационных технологий.

Опорная сеть может быть образована в результате конвергенции используемого на сетях связи оборудования, входящего в состав сетей ТСС и ЕТВ, а также новых типов оборудования.

Предложены принципы построения опорной сети ЧВО на ССОП на базе оборудования отечественных производителей. Для проверки принципов построения опорной сети необходимо проведение экспериментальных исследований на опытной зоне на сети магистрального оператора связи.

Литература

1. Рыжков А.В. Частота и время в инфокоммуни-кациях XXI века. — М.: МАС, 2006. — 320 с.

2. Рыжков АВ, Павлов АВ., Иванов АВ, Новожилов Е.О. Особенности передачи сигналов времени различными системами, работающими по волоконно-оптическим линиям связи // Труды ИПА РАН.

— СПб.: Наука, 2009, Вып. 20. — С. 282-289.

3. Рыжков А.В. Опорная сеть системы единого точного времени на основе ВОЛП // Электросвязь, 2008. — № 10. — С. 54-56.

4. Рыжков АВ, Иванов А.В, Новожилов Е.О. Способы передачи сигналов времени по волоконнооптическим линиям // Электросвязь, 2009. — №9.

— С. 35-38.

5. Иванов А.В, Рыжков А.В. Использование аппаратуры распределения сигналов времени (АРСВ) при организации объединенной системы частотновременного обеспечения сети связи общего пользования // Современные проблемы частотно-временного обеспечения сетей электросвязи. Сборник трудов международных научно-технических конференций. — М.: ФГУП ЦНИИС, 2010. — С.332-345.

6. Иванов А.В., Моховиков Н.В., Каган С.Н., Малимон АН, Пестерев С.В, Пальчиков В.Г, Галы-шев АА. Сличение территориально удалённых эталонов времени и частоты с применением волоконнооптических линий связи // Труды ИПА РАН. — СПб.: Наука, 2012, Вып. 23. — С. 131-135.

7. Бюллетень В14/2013. Эталонные сигналы частоты и времени. Характеристики и программы передач через радиостанции, наземные и космические средства навигации, сети телевизионного вещания / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Главный метрологический центр ГСВЧ РФ. ФГУП "ВНИИФТРИ", 2013.

Principles of construction of basic network frequency-time support to the public communications network Zhukov E.T., Russian Academy of Sciences, Ivanov A.V., Synclock, Legotin N.N., ALTO, Ryzhkov A.V., MTUCI, Tolstikhin I.D., Supertel Abstract

Passing the time on fiber-optic communication lines (FOCL) is an advanced technology to improve the frequency-time support (CHVO) networks and a wide range of different technical systems [1]. Therefore, the development of methods and principles for the implementation of this technology is an important scientific problem which is essential for the improvement and development CHVO in Russia. In communication systems, synchronous digital hierarchy (SDH), the most appropriate time for the transfer is to use a method based on measurement of the time data stream on the appropriate timescale. This method has been implemented in hardware distribution of time signals (ARSV), developed by OOO "ALTO" [2,3]. Uncertainty synchronization time scales in this equipment is about 30 ns [4,5]. Currently a team of OOO "ALTO" project developed Synclock transmission equipment time and frequency (APSVCH) VOLS with uncertainty less than 2 ns [6]. This instrument can be widely used for solving problems CHVO at a higher level of precision. One of these priorities is to create a support network for CHVO of PSTN (JMPR).

Keywords: backbone time-frequency support, public communication network, fiber-optic communication lines.

References

1. RyzhkovA.V. Frequency and time information communications XXI century. Moscow, 2006. 320 p.

2. Ryzhkov AV, Pavlov AV, Ivanov AV., Novozhylov E.O. Features signaling time different systems operating over a fiber-optic communication lines / Proceedings of the IAA St. Petersburg, 2009, Vol. 20. pp. 282-289.

3. RyzhkovA.V. Common core network based on the exact time of the FOL / Elektrosvyaz, 2008. No10, pp. 54-56.

4. Ryzhkov AV, Ivanov AV, Novozhylov E.O. Modes of transmission of time signals over fiber optic lines / Elektrosvyaz, 2009. No 9, pp. 35-38.

5 . Ivanov AV, Ryzhkov A.V. Using equipment distribution time signals (ARSV) to the United time-frequency system to ensure the public communications network / Modern problems of the frequency-time support of telecommunication networks. Proceedings of the international scientific and technical conferences. Moscow, 2010, pp. 332-345.

6. Ivanov AV, MokhovikovN.V, Kagan S.N, Malimon AN, PesterevS.V, PalchikovV.G, GalyshevAA. Comparison of geographically distant time and frequency standards using fiber- optic communication lines / Proceedings of the IAA. St. Petersburg, 2012, Vol. 23. pp. 131-135 .

7. Bulletin B14/2013. Frequency reference signals and time. Characteristics and program transmission via radio, terrestrial and space navigation, network television broadcast / Federal Agency for Technical Regulation and Metrology. Chief Metrological Center SSTF Russia. FSUE "VNIIFTRI" 2013.