Некоторые вопросы совершенствования сетевой синхронизации

Некоторые вопросы совершенствования сетевой синхронизации

Колтунов М.Н., ЦНИИС

Сетевая синхронизация обеспечивает распределение времени и частоты по сети генераторов, размещенных в достаточно обширном географическом пространстве [1 ]. Задача сетевой синхронизации заключается в выравнивании временных и частотных шкал всех генераторов с использованием возможностей соединительных линий.

В настоящее время, как и предполагалось ранее [2], сетевая синхронизация становится не только тактовой, а превращается в объединённую частотно-временную синхронизацию, т.е. способную обеспечивать распределение по сетям связи данные и о тактовой частоте, и о точном времени. При такой синхронизации с одной стороны улучшается качество тактовой сетевой синхронизации (ТСС), а с другой стороны повышается точность установки данных о времени. Однако пока ещё существуют два раздельных вида сетевой синхронизации: одна ТСС, а другая распределяет по сети связи данные о времени, причем обе системы работают независимо и, соответственно, практически никак не влияют одна на другую, если не считать возможность нарушения связи из-за аварий на сети ТСС.

Однако чем больше будет взаимное влияние систем ТСС и единого точного времени (ЕТВ), тем лучше будут характеристики обеих систем. С одной стороны повысится точность передачи сигналов времени в системе ЕТВ, а с другой — уменьшится вероятность "проскальзываний" в каналах связи из-за нарушения синхронности сигналов в системе ТСС.

Между тем, взаимное влияние рассматриваемых систем сетевой синхронизации очевидно и основано на неразрывной связи понятий времени и частоты. Хранители данных времени требуют наличия высоко стабильных генераторов, а точность установленной частоты контролируется с помощью меток времени. Система ТСС обеспечивает распределение по цифровой сети сигналов эталонной частоты, которые целесообразно использовать при формировании и хранении данных шкалы точного времени. С другой стороны наличие обратного канала в системе распределения данных о времени может повысить качество передачи эталонной частоты в системе ТСС. Чем лучше сигнал, получаемый от системы ТСС, тем можно точнее передать сигнал времени и тем реже необходимо обновлять эти данные, а чем точнее имеющиеся данные о времени, тем надёжнее работа системы ТСС. Другими словами — чем плотнее взаимодействие системы ТСС и системы передачи точного времени, тем лучше характеристики обеих систем.

Что же мешает объединению систем ТСС и ЕТВ? Очевидно, что препятствует объединению некоторое отличие требований к этим системам:

— Основные характеристики системы ТСС обеспечивают надежное распределение синхросигналов, основой которых является номинальное значение частоты не связанное с текущим временем. В результате в системе ТСС допустимо использование разнообразных независимых источников, в том числе и работающих в режиме запоминания частоты.

— Синхросигналы, используемые в системе ТСС, в соответствии со своей структурой, не могут содержать информацию о времени.

— Система ТСС допускает значительные изменения задержки используемых сигналов, вплоть до 18мкс в сутки.

— При передаче синхросигналов в системе ТСС допускается использование ретаймеров, в которых задержка синхросигналов практически не лимитирована.

— Псевдосинхронный режим работы на сети ТСС допускает любые значения взаимного положения меток времени, что для системы ЕТВ абсолютно недопустимо. Таким образом, в системе ЕТВ недопустимо использование псевдосинхронного режима работы, а также использование на сети оборудования преобразования синхросигналов типа ПСС — ретаймер, задержка сигналов в которых никак не контролируется.

— Система ТСС допускает использование цифровых коммутационных станций в цепях формирования и распределения синхросигналов, что абсолютно недопустимо для системы ЕТВ.

— Вся система контроля параметров синхросигналов в системе ТСС совершенно не годится для системы ЕТВ, т.е. требуется совершенно другая система управления и контроля.

Другими словами характеристики системы ТСС, в большинстве своем не удовлетворяют требованиям системы ЕТВ.

В то же время далеко не все характеристики системы ЕТВ удовлетворяют требованиям к системе ТСС. Основные характеристики системы ЕТВ служат для обеспечения надежного распределения по сети данных шкалы точного времени, которые никак не привязаны к времени наблюдения. В результате для сигналов, передающих данные о времени, задаются одинаковые допустимые значения изменения задержки как на временном интервале 1 с, так и на суточном временном интервале, что может создавать недопустимые для ТСС броски фазы на секундных временных интервалах.

Сигналы, используемые в системе ЕТВ, совершенно не рассчитаны на обеспечение основных норм системы ТСС в части допустимых значений максимальной ошибки временного интервала (МОВИ) и девиации временного интервала (ДВИ) на различных интервалах наблюдения.

Так как в настоящее время существуют две практически независимые системы, то желательно, чтобы при создании новой объединенной системы максимально использовались элементы уже существующих систем. Наиболее важно использовать большой объем оборудования системы ТСС, установленного в настоящее время на сетях связи. Чтобы использовать в объединенной системе элементы системы ТСС, необходимо начинать строить эту систему на базе существующей системы ТСС, т.е. постепенно переходить от системы ТСС к объединенной системе. При таком подходе, на начальных этапах создания объединенной системы, будет устанавливаться лишь необходимое дополнительное оборудование, которое обеспечит передачу сигналов времени с высокой точностью, а установленное на сети ТСС оборудование будет дополнительно управляться сигналами времени, поступающими от ЕТВ.

Чтобы использовать в объединенной системе элементы системы ТСС, необходимо строить эту систему на базе существующей системы ТСС, т.е. производить постепенный переход от использования си-

стемы ТСС к использованию объединенной системы. При таком подходе к созданию объединенной системы всё оборудование системы ТСС, установленное на сети связи, будет использовано. На начальных этапах создания объединенной системы будет устанавливаться лишь необходимое дополнительное оборудование и может несколько измениться включение существующего.

Установленные на сети ТСС первичные эталонные генераторы и источники (ПЭГ и ПЭИ) должны дополнительно управляться сигналами ЕТВ. На вторичные и местные задающие генераторы (ВЗГ и МЗГ), кроме синхросигналов системы ТСС должны поступать сигналы от системы ЕТВ. Оборудование распределения и преобразования синхросигналов (РСС и ПСС) будет использоваться по своему прямому назначению, никак не взаимодействуя с сигналами ЕТВ.

Таким образом, для создания объединенной системы ТСС и ЕТВ необходимо улучшать характеристики каждой из этих систем. В объединенной системе должна повыситься надежность и качество предоставляемых потребителям частотных сигналов и одновременно улучшиться точность распределяемых по сети сигналов точного времени. Надежность предоставления эталонных частотных сигналов потребителям повысится, т.к. потребитель сможет дополнительно использовать для их получения сигналы точного времени. В то же время, наличие данных точного времени дает возможность обеспечить на всей сети ТСС синхронный режим работы, при котором не возникают проскальзывания из-за отличия частот синхросигналов от их номинальных значений. Использование высокостабильных генераторов системы ТСС дает возможность лучше обрабатывать данные, поступающие по системе ЕТВ и, соответственно, повышать их точность и надежность. В результате создания объединенной системы ТСС и ЕТВ достигается улучшение качества обоих систем при минимальных затратах, на совершенствование каждой из этих систем .

Система ЕТВ должна обеспечивать распределение сигналов точного единого времени как в интересах сети связи общего пользования, так и интересах абонентов этой сети. При этом надо иметь в виду, что для разных целей использования ЕТВ нужна разная точность текущего времени. Таким образом, объединенная система ТСС и ЕТВ не должна изменять систему распределения сигналов текущего времени, где нет необходимости повышать точность получаемых сигналов времени. В результате на участках сети "нижнего" уровня точности в составе объединенной системы будут использоваться ЫТР протоколы распределения сигналов единого времени. Можно с большой уверенностью считать, что все элементы существующей системы ЕТВ тем или другим способом будут использоваться в объединенной системе ТСС и ЕТВ.

Создание полностью объединенной системы ТСС и ЕТВ должно проходить постепенно, т.е. должен существовать относительно продолжительный период, в течение которого будут еще существовать две системы, но уже не будут они независимы одна от другой.

Потребность в объединенной системе ТСС и ЕТВ возникла в связи с появившейся необходимостью на некоторых сетях связи значительно повысить точность передачи данных текущего времени. Пока можно было удовлетворяться точностью в единицах, а то и в десятках миллисекунд, система ЕТВ могла спокойно существовать независимо от системы ТСС. Однако, при переходе на точности в единицы микросекунд и выше появляется желание не только опираться на систему ТСС, но повышать качество последней, т.е. создавать объединенную систему ТСС и ЕТВ.

В переходный период будут разрабатываться новые методы передачи сигналов ЕТВ и, соответственно, устанавливаться на сети связи новое оборудование, которое уже не сможет нормально функционировать без использования возможностей системы ТСС. Затем, с помощью оборудования системы ЕТВ будут получать синхросигна-

лы, которые поступят далее в систему ТСС. На сети связи будут существовать две системы, но они со временем всё больше будут взаимодействовать между собой.

Из всего вышеизложенного видно, что системы ТСС и ЕТВ должны взаимодействовать, причем это взаимодействие должно происходить лишь в том случае, когда потребуется точность передачи сигналов ЕТВ не хуже, чем единицы! мкс.

Очевидно, что объединенная система необходима, по крайней мере, на первом этапе, лишь при распределении сигналов ТСС и ЕТВ между основными, наиболее важными узлами сети связи. На остальной сети связи никакого объединения систем в обозримом будущем пока не требуется.

Согласно ст. 49 закона РФ "О связи" операторы должны иметь на сетях связи единое учетно-отчетное Московское время.

Согласно проекту Положения о единстве измерений Мининформсвязи России точность времени у конечного пользователя по отношению к государственной шкале времени должна быть не хуже 10 мс.

Данные системы ЕТВ должны поступать потребителям вне зависимости от электромагнитной обстановки в интересах Государственной службы времени и частоты, государственных (в том числе в сфере обороны и безопасности) и корпоративных потребителей.

Предоставление услуг ЕТВ заказчикам должно проводиться с различными классами точности от единиц наносекунд до единиц миллисекунд.

На данный момент существуют различные потребители, которых можно классифицировать по классам в зависимости от их требований к точности необходимых им данных ЕТВ:

— четвертый класс — точность 10 мс до 100мс. Включает в себя самую многочисленную группу потребителей, начиная с систем электронного документооборота, информационной безопасности, единой системы расчета тарифов, коммерческой диспетчеризации, управление пассажирскими перевозками и многих других, заканчивая синхронизацией времени персональных компьютеров различных предприятий;

— третий класс — точность от 1 мс до 10 мс. Это такие потребители, как: отправка и получение электронных документов в части электронной подписи и аппаратуры биллинговых систем коммерческих организаций, банковских систем денежных переводов, системы информационной безопасности и многие другие;

— второй класс — точность от 50 до 100 мкс. Ко второму классу относятся, например, системы безопасности движения железнодорожного транспорта и др. аналогичные системы;

— первый класс требует точности от 100 до 299нс. К нему относятся перспективные виды мобильной связи;

— нулевой класс требует предельной точности порядка 10 нс. Такие точности требуются в метрологических и астрономических расчетах, а также в военной технике.

Система ЕТВ служит для распределения сигналов ЕТВ по цифровой сети с помощью существующих каналов передачи данных.

Аппаратура, используемая в системе ЕТВ, должна выполнять следующие функции:

— формировать собственную шкалу времени;

— принимать сигналы ЕТВ от внешних эталонных источников или переданных по каналам цифровой сети;

— проводить коррекцию собственной шкалы времени по принимаемым сигналам ЕТВ;

— хранить собственную шкалу времени при пропадании сигналов ЕТВ;

— передавать сигналы ЕТВ по каналам цифровой сети и потребителям;

Сигнал с

линии связи

— проводить сбор статистической и аварийной информации о работе аппаратуры и передавать её локальный терминал и/ или в центр управления;

— втоматически изменять время суток при переходе на летнее время и обратно;

— изменять время суток в зависимости от часового пояса;

— контролировать и регистрировать расхождение данных собственной шкалы времени относительно принимаемых данных ЕТВ на недопустимую величину.

Необходимость в создании новых технических средств в объединенной системе ТСС и ЕТВ появляется в том случае, когда повышаются требования к точности передаваемых сигналов ЕТВ до такой степени, что становиться возможным их использовать для получения сигналов эталонной частоты нужного качества, т.е. отвечающих требованиям системы ТСС. В этом случае должны выполняться следующие требования:

— источником сигналов ЕТВ должен являться Государственный эталон времени и частоты;

— от Государственного эталона времени и частоты сигнал ЕТВ должен поступать на оборудование, которое является новым техническим средством и называется аппаратурой распределения сигналов времени (АРСВ);

— помощью АРСВ сигнал ЕТВ должен поступать на объекты сети связи общего пользования (ССОП), на которых установлены ПЭГ и, которые можно считать первичными источниками времени и частоты (ПИВЧ) для ССОП;

— ПЭГ, установленный на объекте ПИВЧ должен обеспечивать возможность приема сигналов ЕТВ с очень высокой точностью;

— в АРСВ с помощью эталонных сигналов, полученных от ПЭГ формируются не только сигналы ЕТВ, но и сигналы эталонной частоты (ЭЧ), скорректированные по фазе и, соответственно, жестко привязанные к сигналам ЕТВ;

— сигналы ЭЧ с АРСВ с помощью аппаратуры РСС должны поступать на сеть ТСС с первым приоритетом. Сигналам, полученным непосредственно от ПЭГ, присваивается второй приоритет;

— от объектов ПИВЧ сигналы ЕТВ должны передаться с помощью АРСВ на другие объекты ССОП, где установлены ПЭГ или ВЗГ ВЗГ, при этом получают синхросигналы по сети ТСС. Получение сигналов ЭЧ на этих объектах должно быть таким же, как на объекте ПИВЧ.

В настоящее время разрабатываются и внедряются новыю методы передачи сигналов времени по сети связи, с помощью которых удается повысить точность их распределения по сети до единиц наносекунд [3]. Так что, при формировании частотно-временных сигналов на узлах сетей связи появляется возможность объединения систем ТСС и ЕТВ, используя для управления генераторной аппаратуры системы ТСС сигналы, переданные по системе ЕТВ. В тоже время, надежный прием сигналов ЕТВ и их обработка должна проходить с помощью сигналов, сформированных в генераторной аппаратуре системы ТСС. В этих условиях сигналы синхронизации, передаваемые по системе ТСС должны использоваться в генераторной аппаратуре узлов связи, лишь как резервные, в соответствии с рисунком.

В создаваемой таким образом системе может образоваться замкнутое кольцо в цепи управления узлового генератора, если перестанет поступать по линии сигнал времени, который постоянно корректирует фазу входного сигнала генератора, разрывая кольцо управления. Кольцо в цепи управления узлового генератора, таким образом, остается разомкнутом, т.к. принимаемый с линии сигнал времени практически не зависит от изменений фазы опорного сигнала, используемого для его приема. Если же сигнал времени с линии не поступает в течении заданного времени, то необходимо отключить соответствующий входной сигнал генераторного оборудования, обеспечивавший его приём, так, чтобы это оборудование начало принимать резервный сигнал, поступающий от системы ТСС.

Для создания эффективной объединенной системы ТСС и ЕТВ необходимо в первую очередь значительно повысить точность распределения сигналов времени по сети связи, используя для этой цели существующую систему ТСС. И уже на втором этапе, когда эта точность станет не хуже чем несколько десятков наносекунд, использовать сигналы времени для получения частотных синхросигналов.

Литература

1. Бренди Стефано. Синхронизация цифровых сетей связи. — М.: Мир, 2003.

2. Колтунов М.Н., Рыжков АВ Сетевая синхронизация: взгляд в будущее// Электросвязь, 2005. — № 9. — С. 22-25.

3. Рыжков А.В., Колтунов М.Н., Новожилов Е.О., Леготин КН. Распределение сигналов точного времени по наземным цифровым сетям электросвязи// Электросвязь, 2007. — № 10. — С.30-34.