Анализ сети тактовой синхронизации и разработка метода расчета цепи задающих генераторов при случайных воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Климов, Дмитрий Александрович

• Климов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Климов, Дмитрий Александрович

Введение

Глава 1. Обзор существующих сетей связи

1.1. Общие сведения

1.2. Обзор методов синхронизации

1.3. Виды генераторов синхросигналов

1.3.1. Модель спектральной плотности выходного колебания генератора

1.3.2. Шумы автогенераторов

1.4. Анализ параметров сигналов синхронизации

1.5. Джиттер. Анализ свойств и методов измерений

1.5.1. Принципы измерения джиттера

1.5.2. Измерение максимально допустимого джиттера

1.5.3. Измерение передаточной характеристики джиттера

1.6. Вандер. Анализ свойств и методов измерений

1.7. Выводы

Глава 2. Анализ влияния параметров синхросигналов на качество передачи информации

2.1. Влияние параметров синхросигналов на качество передачи информации

2.2. Влияние соотношения синхронизация - качество

2.3. Нормирование параметров синхросигналов

2.3.1. Нормирование количества проскальзываний для различных участков телекоммуникационной сети

2.3.2. Нормирование параметров синхронизации для ПЭГ

2.3.3. Нормирование параметров синхронизации для ведомых генераторов

2.3.4. Нормирование параметров синхронизации для генераторов сетевых элементов

2.4. Разработка методов компенсации джиттера и вандера

2.4.1. Методы компенсации джиттера

2.4.2. Методы компенсации вандера

2.5. Выводы

Глава 3. Исследование математических моделей системы синхронизации сети СЦИ

3.1. Введение

3.2. Математическая модель сети синхронизации с использованием частотновременых функций

3.3. Модель сети синхронизации для плезиохронного режима работы

3.4. Модель сети синхронизации для синхронного режима работы

3.4.1. Модель синхронных сетей без компенсации задержки

3.4.2. Модель синхронных сетей с компенсацией задержки

3.5. Обобщенная математическая модель сети синхронизации

3.6. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации

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

3.7.1. Модели случайных воздействий

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

3.8. Линеаризованная математическая модель сети синхронизации на основе аналоговой ФАПЧ

3.9. Математическая модель сети синхронизации на основе метода цифрового моделирования

3.9.1. Цифровая модель линейной системы

3.9.2. Цифровая модель линейного звена

3.9.3. Матрицы перехода от Ь-преобразования к Ъ преобразова

3.10. Разработка цифровой модели сети синхронизации

3.10.1. Цифровые модели ФАПЧ

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

3.11. Моделирование случайных процессов в ФАПЧ

3.12. Выводы

Глава 4.Анализ математических моделей сети синхронизации

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

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

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

4.2.2. Анализ цепочки генераторов на основе бесфильтровых ФАПЧ

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

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

4.3.1. Цепочка генераторов на основе бесфильтровой ФАПЧ

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

4.4. Разработка компьютерной модели сети синхронизации

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

4.5. Исследование сети синхронизации на основе цифровой модели

4.5.1. Критерии исследования устойчивости

4.5.2. Критерии исследования качества автоматического управления сетей синхронизации

4.6. Исследование устойчивости сети синхронизации

4.7. Исследование качества функционирования сети

4.7.1. Прямые оценки качества переходных процессов

4.7.2. Результаты косвенных оценок качества сети синхрониза

4.8. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ сети тактовой синхронизации и разработка метода расчета цепи задающих генераторов при случайных воздействиях»

Актуальность темы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цели и задачи диссертации

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

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

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

2. Разработка методов компенсации вандера.

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

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

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

Методы исследования

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

Научная новизна результатов

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

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

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

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

Практическая ценность

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

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

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

Положения, выносимые на защиту

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

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

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

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

Реализация результатов

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

Апробация работы и публикации

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

Объем и структура диссертации

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

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Климов, Дмитрий Александрович

4.8. Выводы

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

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

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

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

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

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

• низкочастотные составляющие фазовых шумов опорного генератора;

• низкочастотные составляющие шумов каналов передачи;

• высокочастотные составляющие шумов перестраиваемых генераторов.

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

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

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

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

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

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

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

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

Проведено исследование рассмотренных моделей.

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

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

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

• низкочастотные составляющие фазовых шумов опорного генератора;

• низкочастотные составляющие шумов каналов передачи;

• высокочастотные составляющие шумов перестраиваемых генераторов.

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Климов, Дмитрий Александрович, 2005 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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