Виртуальная интерпретация принципов формирования и распределения тактовых синхросигналов и сигналов времени в сетях частотно-временного обеспечения телекоммуникаций

Виртуальная интерпретация принципов формирования и распределения тактовых синхросигналов и сигналов времени в сетях частотно-временного обеспечения

телекоммуникаций

Коновалов Г.В., ЦНИИС

При развитии современных телекоммуникационных сетей в направлении создания сетей следующего поколения (сетей NGN [1, 2]), а в дальнейшем сетей будущих поколений (сетей FGN [2-4]), имеет место заметно проявляющая себя тенденция интеграции, в частности, систем, обеспечивающих необходимую сетевую поддержку и должное качество предоставления разнообразных услуг потребителям (пользователям).

Например, становится все более очевидной целесообразность более тесной интеграции систем тактовой сетевой синхронизации [5, 6] и систем, поддерживающих на сети шкалу координированного времени, в объединенную систему, выполняющую как функции частотно-временного обеспечения непосредственно телекоммуникаций, так и функцию предоставления точного времени в качестве потребительской услуги. До последнего времени эти системы создавались раздельно и их предстоящее объединение сопряжено с решением научно-технических задач, требующих совершенствования как принципов тактовой синхронизации сетей, так и принципов передачи по ним сигналов времени.

В связи с этим возрастает актуальность исследования основных принципов частотно-временного обеспечения телекоммуникаций на основе разработки, в частности, специализированных компьютерных моделей, позволяющих детально изучать особенности формирования и распределения по сетям сигналов времени и эталонных частот, причем в условиях не обязательно реального времени.

Целью доклада является рассмотрение ряда типичных примеров подобного виртуального моделирования с использованием, как свойства масштабируемости виртуального времени, так и имеющихся возможностей многомерного представления сетей, построенных согласно рассматриваемым принципам.

Моделирование ансамблей первичных генераторов и источников сигналов времени и эталонных частот. Как известно [6], в созданных в конце прошлого века на постсоветском пространстве сетях ТСС, осуществляющих в значительной части Евразии необходимую поддержку цифровых сетей глобальной телекоммуникационной сети, в качестве источников получения тактовых синхросигналов (ТС) используют первичные эталонные генераторы и источники (ПЭГ и ПЭИ). Они выполнены с использованием атомных (цезиевых или водородных) стандартов частоты и/или приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) так, что обеспечиваемые этими устройствами точность установки и стабильность ТС ока-

зываются вполне приемлемыми для поддержки нормальной работы синхронизируемых цифровых сетей как в синхронном режиме, так и в псевдосинхронном режиме. Такого рода режим работы имеет место, например, при региональном делении сети ТСС вследствие обширности территории России.

Поддержка на цифровых сетях не только частоты, но и непосредственно шкалы времени осуществляется с помощью серверов времени, согласующих свои шкалы времени со шкалой UTC(SU), формируемой в России Государственным стандартом времени и частоты (ГСВЧ). При этом первичные серверы времени (ПСВ) формируют свои шкалы на основе данных шкалы UTC(SU), получаемых с помощью приемников ГНСС или же предоставляемых по линиям связи соответствующими метрологическими центрами при наличии такой возможности.

Виртуальная модель, отображающая принципы формирования выходных сигналов ПЭГ, ПЭИ и ПСВ, находящихся в определенным образом выбранном фрагменте сети связи общего пользования (ССОП), может выглядеть, как совокупность ансамблей первичных (применительно к ССОП) формирователей синхросигналов, где указанные ансамбли выбраны по определенному объединительному признаку (например, ансамбли ПЭГ разных операторов, ансамбли ПЭГ и/или ПЭИ в регионах, где подсети ССОП работают друг с другом в псевдосинхронном режиме, ансамбли ПСВ и т. п.).

Например, на рис.1 в окне 1 представлена математическая модель генератора, а в окне 2 на этом же рисунке — объединение трех "квартетов" первичных генераторов, ассоциируемых, например, с тремя четверками ПЭИ, выбранными по признаку принадлежности к сетям разных операторов связи.

При конкретизации параметров генераторов имеется в виду, что ТС, формируемый l-м генератором в m-ом "квартете", описывается соотношением

Sl ,m (t) = 8Ь[Ф l, m( t)] = Sin[2 KV noJki t)\, где Ф, — значения полной фазы сигнала, v — номинальная ча-

m </m(t) т ' nom

стота (в рассматриваемых случаях одинаковая для всех ТС) и T/m(t) — функция времени, равная 2^ ^ ) и характеризующая соответствие времени, определяемому по /-му ТС в m-ом "квартете", идеальному времени t (заметим, что при T/ ^ = t все ТС тождественны строго периодическому сигналу номинальной частоты vnom). За идеальное время принимается время, согласованное со шкалой времени ГСВЧ и относительно этой шкалы определяется функция ошибки времени — (Time Error function) TE(t) = T/m(t) - f и/или связанная с TE ошибка

Рис. 1. Модель генератора и ансамбль их трех "квартетов" генераторов

временного интервала TIE(t) (Time Interval Error function). По данным отсчетов TE(t) и/или TIE(t) рассчитываются остальные стандартизованные характеристики генератора, являющегося сетевым элементом сети ТСС или же хранителем времени в сети распределения СВ.

Для каждого из имитируемых ТС могут быть заданы: относительная начальная расстройка частоты Avr/t, относительная начальная фаза Фон,, скорость линейного дрейфа частоты D и случайная составляющая полной фазы ф(г). В окне 1 на рис. 1 индексы / m в обозначениях параметров опущены, поскольку в общем виде данная математическая модель характеризует любой из представленных в окне 2 генераторов с конкретно определенными параметрами, влияющими на полную фазу и частоту ТС. В случае, если частотный дрейф описывается нелинейной функцией, значение составляющей дрейфа полной фазы должно быть изменено путем замены значения D соответствующим полиномом. Имитация ТС при задании значений указанных выше параметров может, таким образом, осуществляться в соответствии со стандартными математическими моделями, определенными для ТС в Рекомендации МСЭ-Т G.810 и Европейском стандарте ETSI EN 300.462-1-1. При этом в результате моделирования могут быть получены не только индивидуальные характеристики каждого из генераторов, но и обобщенные характеристики соответствующего "квартета" и объединенного ансамбля в целом [7].

Моделирование взаимосвязей сетевых элементов в виртуальной сети распределения ТС и СВ при ее многомерной иерархической структуре. Распределение ТС в современных сетях ТСС осуществляется по иерархическому принципу. Это означает, что ТС, формируемые первичными источниками, распределяются последовательно к сетевым элементам (СЭ) нижестоящих иерархических уровней. При этом СЭ второго уровня, представляющие собой вторичные задающие генераторы (ВЗГ), облагораживают ТС, искаженные в процессе передачи по линиям связи. С целью обеспечения надежности, на входы ВЗГ и СЭ нижестоящих уровней поступают на несколько входов синхросигналов, из которых основной синхронизирующий ТС выбирается по определенному правилу. Оно обычно учитывает уровень качества источника ТС Q — Quality level и заранее установленный приоритет входа — P — Priority, причем, чем меньше стандартизованные целочисленные значения Q или P, тем более высоким считается соответственно уровень качества или приоритет. Передаваемые в двоичной форме значения Q называют сообщениями статуса синхронизации, или чаще сообщениями SSM — Synchronization Status Messages — со следующими значениями: 2 — ТС сформирован ПЭГ или ПЭИ, 4 — ТС сформирован ВЗГ, не синхронизированным от ПЭГ или ПЭИ, 8 — ТС сформирован СЭ третьего иерархического уровня, например местным задающим генератором (МЗГ), 11 — ТС сформирован в сетевом элементе еще более нижестоящего уровня, например, задающим гене-

ратором мультиплексера системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ) , 15 — сформированный ТС не должен использоваться как основной синхронизирующий сигнал. В СЭ выбор его из сигналов на нескольких входах осуществляется обычно с предпочтением уровня качества Q перед приоритетом P (сначала выбирается ТС с наименьшим значением Q, а приоритет учитывается только при равенстве значений уровня качества) Более подробно вопросы реализации данного правила обработки сообщений SSM и его модификаций, допускаемых Европейским стандартом ETSI EG 201793 и Рекомендацией МСЭ-Т G.781, рассмотрены во многих публикациях, посвященных синхронизации сетей СЦИ и, в частности, в [5-9].

Обработка сообщений SSM дает возможность отслеживать уровень качества распределяемых ТС и предотвращает образование недопустимых так называемых "петель синхронизации", охваты-вающих,по меньшей мере, соседние СЭ. Все же в целом, данный механизм никоим образом не гарантирует отсутствия образования "петель" в разветвленной сети при возможных неисправностях. Поэтому, например, зарубежный опыт проектирования разветвленных иерархических сетей ТСС с недопущением "петель синхронизации" предполагает использование специально разработанных программных продуктов, упомянутых в [7] и имеющихся на российском рынке, причем без какой либо конкуренции со стороны российских разработчиков программных комплексов.

Наряду с ТС по иерархическому принципу может осуществляться и распределение сигналов времени (СВ). Так, например, определенная иерархия имеет место при использовании протокола прецизионного времени PTP — Precision Time Protocol, при котором распределение СВ осуществляется от так называемых гроссмейстерских часов, выполняющих функции ПСВ, к ведомым часам, выполняющим функции ВСВ и серверов времени нижестоящих уровней.

Моделирование ситуаций передачи ТС и СВ в объединенной сети их распределения по иерархическому принципу от вышестоящих к нижестоящим сетевым элементам может быть осуществлено, например, с использованием многомерной матрицы взаимосвязей СЭ [7, 8]. В упрощенной виртуальной модели такого рода, представленной на рис. 2, в первой и во второй подсетях осуществляется распределение ТС от ПЭГ, каждый из которых содержит в своем составе по три ПЭИ — стандарта частоты, к ВЗГ и элементам нижестоящего уровня , а в третьей подсети — распределение СВ от каждого

из четырех ПСВ к ВСВ и т. д.

Обозначения Ц, В и П, относящиеся к соответствующим СЭ на первом уровне иерархии, указывают на разновидность первичного источника, т. е. Ц и В — это, соответственно, цезиевый и водородный стандарты частоты, а П — это ПЭИ (в том числе ПЭИ — сервер времени), получающий сигналы от приемника ГНСС. Показанная на рис. 2 взаимосвязь одного из такого рода ПСВ в третьей подсети с сетевыми элементами во второй подсети предполагает наличие у этого ПСВ выходов не только СВ, но и ТС. Для простоты в 3-й подсети на рис.2 обратные каналы от ВСВ к ПСВ и от СЭ третьего уровня к ВСВ, используемые для запроса данных о задержке передачи СВ, не показаны.

В рассматриваемой модели отображение взаимосвязей между СЭ моделируемой объединенной сети в многомерной матрице осуществлено так же, как это делается при пространственном представлении сетей ТСС в [8]. Т. е. каждому СЭ в пространственной структуре на рис. 2 присвоены: его номер в подсети — /,, номер иерархического уровня в этой подсети — 2 и номер подсети в объединенной сети — /3 (эти номера показаны на рис. 2 внизу эллипсов, отображающих СЭ, порядковый номер которого показан слева вверху). В шестимерной матрице ^<б> , ассоциируемой с моделируемой сетью и представленной на рис. 2 ее двухмерным сечением, элемент Біі ^ І2 ^ І313 характеризует взаимосвязь і,-го СЭ на І2-м иерархическом уровне в із-ей подсети с ^ -м СЭ на І2-м иерархическом уровне в |з-ей подсети.

Для примера на рис. 2 показана одна из возможных ситуаций возникновения нежелательной "петли синхронизации" при наличии отмеченных крестиками неисправностей на сети, которая в этом случае имеет место, несмотря на механизм обработки ББМ, задействованный на 2-м и 3-ем уровнях в 1-ой и во 2-ой подсетях. В схемах разветвленных сетей ТСС подобные петли умозрительно выявлять затруднительно [10, 11]. Однако, возможности использования определенных алгоритмов их предсказания с использованием имитационного моделирования петлеопасных ситуаций [7-11] создают предпосылки для декларированного в [6] внедрения автоматизированных методов проектирования схем распределения ТС с гарантированным недопущением упомянутых замкнутых петель, что актуально и при иерархическом распределении сигналов времени.

Как упоминалось, иерархическое распределение СВ характер-

Рис. 2. Упрощенная многомерно-матричная модель распределения ТС и СВ

Двусторонняя передаче исток времени

Файп Ре д акт. Окна Ввод Вид Установка

Ідіні 1гі|г| йіаіи

«w

а экране Действия Управление Редактор Г рафик О програмне

-еегткк у LX. иС 6000 Ч. 1 мим. 0 00 двусторонняя передача меток времени шрнмгнитг/п.но К NTP> 1 е сутки L>> У Т*-205 "8000с с.) т3-300 ( 0 ч. 13 ими. 0 00 Т С.) 2-925 Т3-1020

•! *0 120 1П шкала В ; Отсчеты нос. В кашх А / 10.00 *0.00 110.00 179М 4  7 240 МО 140 420 4S0 «40 *00 660 Г \В- 25 1 Г ВАр 21 AB-BA- 4 \ до коррекции 1 \ 7 210.00 290.00І 1*0.00 410.00 470.00 $30.00 590.00 б«0.00 0 7И «40 900^ 9.90 779.99 9І9.99 $90.0 1 / 960 1020 10М Г 25 BaV 21 ABBA- 4 0 9Я.00 1011.00 1070.00 і

1* 40 шкала А •е С ГТК К і L “000 ч. 1 мм*. 10 00 і 1 і і і 1 1 і і і її 120 110 2-М 100 МО 420 -МО *40 ьОО 660 729 799 Ті-190 Ъ'331 IVі 'Задержка *т А к В 25 ДО ЗадгржхаотВ к А 21Ю0 у у Лскммгтркя іадержхк

-ІПІ:

Расчетные значения дисперсии прн распределении Симпсона

4.17

: гл7.

\Л9. /*1.8 І

o^L 0.6

Гистограммы

pmopoca значении іадгржкії от А к В

Среднее ін.чченпе -0.13 С'редн«кв.ідр.ітіт(ко» інлченне 1.84 Дшпергня 3.39

0.U0.r0.|f0.U0.l6

0.08

J-TTTTTK

paiopoca і ні менші ійдгржмі от В к А

Среднее інлченне -0.24 С'реднеквлдрлтігческое інлченне 1.89 Дшпергня 3.50

гітп-т.

р«ороса чнлченнн |»асхоад?ш»я шкал А и В

Среднее інлченне 2 0" Среднеквлдрлтнческое інлченне 1.34 Дшпергня 1.81

12.00 0.00

<1 І Рис. 3. Оценка распределения вероятностей и числовых характеристик остаточного расхождения шкал А и В при наличии асимметрии задержки

но для распределения СВ по цифровым сетям согласно протоколу прецизионного времени — PTP, который, наряду с распространенным в сетях Интернет протоколом сетевого времени (протоколом NTP — Network Time Protocol), предполагается кширокому применению для решения, в частности, задач поддержания шкалы единого московского времени на сетях ЕСЭ России.

Моделирование технических решений передачи сигналов времени. На целесообразность виртуальной интерпретации принципов, лежащих в основе технических решений реализации NTP и PTFJ обращено внимание, например, в [12]. С помощью упомянутой в этой публикации компьютерной модели можно, в частности, изучать распределения вероятностей погрешностей согласования шкал времени при реализации разных вариантов двухстороннего обмена метками времени (МВ) применительно к NTP и к PTP с учетом имеющейся асимметрии задержки передачи СВ прямом и обратном направлениях.

Отметим, что сопоставление результатов теории и имитационного моделирования позволяет, например, выявить имеющуюся аналогию вероятностных закономерностей при двухсторонней передаче СВ, характерной для вариантов, как NTP так и PTP, с вероятностными закономерностями, присущими выходным сигналам некоторых схем логического преобразования импульсных случайных процессов [13].

Например, в случае двусторонней передачи меток времени, характерной для NTP при равномерном законе распределения вероятностей задержек передачи в прямом и обратном направлениях, распределение вероятностей ошибки согласования шкал времени

является распределением Симпсона (треугольным распределением). Этим же законом характеризуется распределение вероятностей местоположения выходного импульса при равномерном распределении фронтов импульсов двух входных сигналов в схеме усреднения местоположения первого и последнего (в данном случае второго) импульса на входе такой схемы [13]. Иллюстрацией являются гистограммы в окне 2 на рис. 3, полученные в результате ста итераций двустороннего обмена СВ согласно алгоритма, лежащего в основе ЫТР и реализованного в соответствующей модели [12]. Начальные условия и расчетные формулы для круговой задержки передачи СВ и корректирующего сдвига шкалы А, согласуемой с эталонной шкалой В в процессе двусторонней передачи меток времени, отображены в окне 1 на рис. 3 с использованием тех же обозначений, что и в [12].

Отметим, что, в результате аналогичного моделирования передачи СВ согласно РТР, при случайном изменении составляющих круговой задержки СВ тоже можно обнаружить подобную же аналогию, но только с той разницей, что при РТР, как правило, надо учитывать статистику не двух, а большего количества импульсов применительно к упомянутой логической схеме в [13].

Кроме этого, обратим внимание на то, что для рассмотренных моделей естественна имитация, обработка и представление данных в виртуальном масштабируемом времени, обеспечивающем возможность произвольного ускорения и/или замедления моделируемых процессов. Некоторые примеры моделирования ансамблей генераторов в "ускоренном" времени даны в [7], а на рис. 4 показаны шкалы, масштабирование которых позволяет один и тот же отрезок

Двусторонняя передача истом времени

Файл Редакт. Окна Ввод вид Установка На экране Действия Управле**«е Редактор Граф»ос О программ

-ІРІ X

оО 00 с.

Двусторонняя передача меток времени іпрнменігтельно к NTP)

Т,-205

Т,-300

“80 00с.

: Отсчеты на 10.00 «0 00

120

2-М

да коррекции ‘

420

410

$40

тг»

V190 ,

Ти" 331

Задержка от А к В 25 Л0 Задержка от В к А 21 ВО

Асимметрия іадгржки (AB BA} 4 ДО I ^ сутки

Круговая эадфжка ABBA р.ксчит.тниля по формуле ( тм - тц)  ( Tj  т2 ) - 46ДО Q

Начальный сдвиг шх. А по «ти. кшк.В 10Д0 0.51 < h * h > * < Tll * т44> I  81)0

шкала А

1 -осутк:

Ъ-902

ВЛ) 21 АВ-ВА- 4

1011.00 ІО’ІОО

1020 10(0

VI043

0<Ц*2 *Т3> • <ТІ1* VI-

. Г~ -ІПІ X

k4s -* СУТКИ і LS- У 60 00 4.0 шт. 0 00 Двусторонняя передача меток временн 1/Т\ (Прнмешггелыю К NTP) 1 -е сутки , LS- X кхх. 14-205 “80 00 с.) Т,-300 ( 13ч. 0 МММ. 0 00 мхи. ' с.) ,-925 л Т3-1020

•! и 120 100 шкала В : Отсчеты шх.В ка шкЛ ] 10.00 «0.00 110.00 170J і 240 100 Г 1 2J0.00 2*0.00 МО 420 400 $40 400 МО 720 7М 140 900 21 А- 4 до коррекции 1 2 1 711.00 770.00 010.00 ИК L )«0.00 410.00 470.00 $J0.00 $«0.00 6«0.00 1 9М 1020 1000 Г 25 BaV.21 ABBA- 4 0 «««.00 101 «00 1070.00 і

Iі « шкала А -• сутки > 1_ъ—Z. “0 00 4.10 м*. 0 00 Начальный сд) 120 ІМ 240 МО JM 420 400 $40

Рис. 4. Согласование шкалы времени А с эталонной шкалой В при различном масштабировании виртуального времени

виртуального времени сопоставлять в одном случае с секундой (окно 1), а во втором случае — с минутой (окно 2). Очевидно, что для моделей инерционных хранителей времени и частоты, используемых, в частности, в системах частотно-временного обеспечения телекоммуникаций, возможности такого рода трансформаций виртуального времени имеют особое значение.

Заключение. Приведенные примеры позволяют прийти к выводу о том, что виртуальная интерпретация способов передачи тактовых синхросигналов и сигналов времени путем создания, пусть даже весьма упрощзнных, компьютерных моделей может все же заметно помочь детальному изучению достоинств и недостатков этих способов.

Создание и исследование моделей, подобных моделям, рассмотренным выше, но более полно отображающих перспективные технические решения и, особенно, решения, еще не реализованные и не проверенные на практике, может и должно способствовать совершенствованию технологий передачи тактовых синхросигналов и сигналов точного времени при решении актуальных задач частотно-временного обеспечения телекоммуникаций.

Литература

1. Кучерявый А.Е, Цуприков АЛ. Сети связи следующего поколения. — М.: ЦНИИС. — 2006. — 208 с.

2. Гольдштейн А, Соколов Н. На пути к Next Generation Networks. Сколько шагов осталось пройти к сети будущего?//Мир связи. Connect. — 2006. — № 11.

3. Махровский О.В. Отрасль ИКТ в России и за рубежом//Век качества. — 2008. — № 4. — С. 52-54.

4. Коновалов Г.В. Многомерные сети — будущее инфокоммуникацион-ных сетей//Электросвязь. — 2008. — № 4. — С. 28-32.

5. Брени С. Синхронизация цифровых сетей связи. Пер. с англ. Н.Л. Бирюкова, А.В. Савчука, С.Я. Несвитской, Н.Р Триски. Под ред. А.В. Рыжкова. - М.: Мир. - 2003. - 456 с.

6. Концепция развития и совершенствования сетей синхронизации цифровых сетей связи стран СНГ. — М.: ЦНИИС, 2004. (Книга 1 — 58 с., Книга 2 — 49 с., Книга 3 — 84 с.).

7. Коновалов Г.В. Компьютерное моделирование и исследование вариантов совершенствования синхронизации телекоммуникационных се-тей//Метрология и измерительная техника в связи. — 2006. — № 1. — С. 2-12.

8. Коновалов Г.В. Пространственные представления структур сетей синхронизации и их описание с помощью многомерных матриц//Метро-логия и измерительная техника в связи. — 2004. — № 6. — С. 2-11.

9. Коновалов Г.В. Компьютерное моделирование сети синхронизации/электросвязь. — 2001. — № 6. — С. 30-34.

10. Лисковский И.О., Фепорова Н.В. Многомерные матрицы как инструмент анализа сети синхронизации//Вюник УНД1З. — 2006. — Вып. 1. — С. 55-59.

11. Коновалов Г.В., Шварц М-Л. Конфигурирование и реконфигурирование фрагментов сети синхронизации при линейной, кольцевой и ячеистой топологии телекоммуникационной сети//Материалы научно-технического семинара "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов". — Ярославль: Изд. ЯГУ, 2008. — С. 33-35.

12. Коновалов Г.В., Новожилов Е.О. Моделирование способов передачи сигналов времени при частотно-временном обеспечении телекоммуни-каций//Материалы1 У-ой Международной научно-технической конференции "Молодые ученые-2008". — М.: МИРЭА, 2008. — С. 205-208.

13. Венедиктов МД, Дьяков В.С., Коновалов Г.В. Статистические характеристики временного положения импульсов на выходе некоторых логических схем при независимых смещениях импульсов входных сигналов/электросвязь. — 1971. — № 4. — С. 63-75.