Исследование влияния дестабилизирующих факторов на функционирование системы тактовой сетевой синхронизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Буева, Мария Александровна

• Буева, Мария Александровна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буева, Мария Александровна

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИСТЕМА ТАКТОВОЙ СЕТЕВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И ФАКТОРЫ, ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ЕЁ РАБОТУ.

1.1. Роль и задачи системы тактовой сетевой синхронизации в цифровых сетях связи.

1.2. Стандартные требования к сетям синхронизации и способы их оценки.

1.3. Распределение тактового синхронизма в цифровых сетях связи.

1.3.1. Структура сети ТСС.

1.3.2. Система показателей качества и приоритетов в сети ТСС.

1.3.3. Распределение сигналов синхронизации.

1.4. Факторы, дестабилизирующие работу СТСС.

1.4.1. Общие понятия.

1.4.2. Причины возникновения фазовых флуктуаций в линиях первичных ПЦИ и СЦИ, используемых для передачи сигналов синхронизации.

1.5. Оценка влияния факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.

1.6. Выводы.

2. СЕТЬ СИНХРОНИЗАЦИИ КАК МНОГОСВЯЗНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Классификация методов моделирования.

2.2. Модель СТСС.

2.2.1. Типовая схема МСАУ.

2.2.2. Метод цифрового моделирования.

2.2.3. Моделирование устройств синхронизации.

2.3. Моделирование факторов, дестабилизирующих работу СТСС.

2.3.1. Моделирование внутренних шумов устройств синхронизации.

2.3.2. Моделирование других дестабилизирующих факторов.

2.3.3. Моделирование сети с задержками.

2.4. Выводы.

3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТСС.

3.1. Пакеты прикладных программ для моделирования СТСС.

3.2. Сравнение результатов моделирования цепи синхронизации.

3.2.1. Пример моделирования однородной цепочки сети синхронизации в системе MatLab 6.5.

3.2.2. Пример моделирования однородной цепочки сети синхронизации в разработанном пакете. ф 3.2.3. Сравнение результатов моделирования.

3.3. Оценка точности расчета по рекурсивным уравнениям.

3.4. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕТЕЙ СИНХРОНИЗАЦИИ.

4.1. Исследование устойчивости сетей синхронизации.

4.2. Исследование качества процесса управления сетей синхронизации.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния дестабилизирующих факторов на функционирование системы тактовой сетевой синхронизации»

Широкое внедрение в сетях связи цифровых систем передачи и коммутации привело к значительным изменениям в концепциях построения сетей телекоммуникаций. Сформулированы и совершенствуются концепции транспортных сетей и сетей доступа, узкополосных и широкополосных цифровых сетей с интеграцией услуг, сетей сотовой связи, корпоративных сетей и т. д. Разрабатываются новые концепции построения сетей телекоммуникаций на основе пакетной коммутации и технологий Ethernet. Все отчетливее проявляются проблемы сопряжения различных сетей и проблемы взаимодействия систем коммутации и передачи внутри сетей. При этом все более значительной становится роль тактовой сетевой синхронизации (ТСС), необходимой для синхронной работы цифровых систем передачи и коммутации, для обеспечения требуемого качества предоставляемых сетевых услуг.

Процесс передачи информации сопровождается возникновением ряда негативно влияющих на качество дестабилизирующих факторов. Одним из основных негативных факторов, связанных непосредственно с работой системы ТСС (СТСС), являются фазовые флуктуации. Функция СТСС состоит в обеспечении сигналами синхронизации в виде тактовых импульсов всех элементов цифровой сети.

Для задания технических требований по синхронизации институтами ETSI и ITU-T были предложены пять показателей: девиация Аллана, модифицированная девиация Аллана, девиация времени, среднеквадратичная ошибка временного интервала и максимальная ошибка временного интервала.

Вопросам исследования отдельных устройств синхронизации и систем ТСС посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов (П.Н. Давыдкин, М.Н. Колтунов, Л.С. Левин, Г.Г. Морозов, А.В. Рыжков, В.В. Шахгильдян, Л.Н. Щелованов, St. Breni, W.C. Lindsay, F.M. Garner и др.).

Вопросам влияния внутренних шумов устройств синхронизации и шумов каналов на функционирование СТСС и сети связи уделено значительно меньше внимания. С появлением новых сетей и услуг с возрастающими требованиями к их качеству необходимы общие методы оценки влияния дестабилизирующих факторов как на стабильную работу СТСС, так и на функционирование сети связи в целом.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей влияния параметров устройств синхронизации СТСС на качество функционирования сети с учетом основных дестабилизирующих факторов и выяснение возможностей целенаправленного улучшения характеристик узлов сети.

Указанная цель достигается решением следующих задач.

1. Разработка модели сети синхронизации как МСАУ с учетом факторов, дестабилизирующих ее работу.

2. Разработка методики оценки влияния внутренних шумов устройств синхронизации (ФАПЧ) и шумов каналов на работу сети синхронизации.

3. Разработка математических моделей и алгоритмов машинного моделирования СТСС для исследования влияния дестабилизирующих факторов.

4. Получение экспериментальных зависимостей, связывающих прямые и косвенные оценки качества работы сети синхронизации и количество узлов в сети, при различных входных воздействиях.

5. Математическая модель для оценки влияния факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе теории МСАУ, цифрового моделирования, теории вероятностей, непрерывных и дискретных преобразований (преобразования Лапласа и Z-преобразования), методов математической статистики. Программное обеспечение, необходимое для решения задач, реализовано на языке Си.

Научная новизна работы состоит в том, что предложена методика, позволяющая анализировать влияние шумов устройств синхронизации и шумов в канале с целью совершенствования СТСС. Получена цифровая модель сети синхронизации, как многосвязной системы автоматического управления (МСАУ), учитывающая внутренние шумы устройств синхронизации (ФАПЧ), фазовые нестабильности сети, задержки в каналах.

Предложенная методика исследования СТСС на базе цифровой модели позволяет проводить детальные исследования сетей синхронизации произвольной топологии и структуры с учетом влияния на ее функционирование дестабилизирующих факторов.

Разработанный пакет программ для моделирования СТСС может быть использован для обоснования начальных решений по построению сетей синхронизации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика оценки влияния внутренних шумов устройств синхронизации (на примере ФАПЧ) на работу сети синхронизации.

2. Методика оценки влияния шумов каналов на работу сети синхронизации.

3. Инженерная методика и алгоритмы машинного моделирования СТСС (пакет прикладных программ) для исследования СТСС с учетом дестабилизирующих факторов.

4. Экспериментальные зависимости, связывающие прямые и косвенные оценки качества работы СТСС с различной топологией и количеством узлов, и время наблюдения при различных входных воздействиях.

5. Подход к оценке влияния факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы используются организациями, занимающимися разработкой цифровых сетей связи, и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Результаты работы обсуждались и были одобрены на 55, 56, 57 НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и региональной научной конференции «Техника и технологии связи» в Новосибирске. По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Буева, Мария Александровна

4.3. Выводы

1. Из анализа устойчивости систем синхронизации с линейной и полносвязной топологией следует, что для сетей с полносвязной топологией область устойчивости больше.

2. Разработанная модель СТСС позволяет определить допустимое (с точки зрения устойчивой работы сети) число узлов для заданной структуры сети.

3. Выбор в качестве основных источников внутренних шумов устройств синхронизации ФД и ГУН и оценка их влияния по стандартному показателю ошибки временного интервала (TIErms) позволили сделать вывод, что доминирующими являются шумы ГУН.

4. Результаты оценки МОВИ (обусловленной внутренними шумами устройств синхронизации) на выходе СТСС с линейной топологией и устройствами синхронизации типа SEC показывают, что включение в конце системы синхронизации устройства типа SASE с полосой пропускания 10"3 Гц ведет к уменьшению МОВИ на выходе цепи более чем в два, но при этом время регулирования увеличивается в десять раз.

5. Проведено исследование N соединенных подцепей, в каждой из которых было М устройств типа SEC, между подцепями и на конце системы синхронизации размещались устройства типа SASE. Шумы каналов имитировались как гауссовский шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией равной 0,1 рад. Из результатов оценки МОВИ видно, что комбинация из большего количества коротких подцепей предпочтительнее меньшего числа длинных подцепей.

6. Для выдачи рекомендаций по выбору параметров устройств синхронизации проведена оценка их влияния на степень подавления фазовых дрожаний. Получены зависимости степени подавления фазовых дрожаний от полосы удержания ФАПЧ. Результаты показывают, что чем меньше полоса удержания ФАПЧ, тем выше степень подавления фазовых дрожаний, но при этом увеличивается время регулирования при подаче на ФАПЧ единичного скачка фазы.

7. Конкретные выводы и рекомендации по составу, структуре и способам функционирования СТСС могут быть предложены при конкретизации данных по синхронизируемой сети связи. Разработанный аппарат позволяет это сделать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с задачей диссертационной работы проведен комплекс исследований по оценке влияния дестабилизирующих факторов на функционирование системы тактовой сетевой синхронизации.

В ходе исследований получены следующие научные результаты.

1. Разработана методика проведения исследований сети синхронизации на основе ее цифровой модели. Методика позволяет проводить детальные исследования сетей синхронизации с учетом дестабилизирующих факторов во временной области, включая анализ устойчивости и качества процесса управления.

2. Получена цифровая модель сети синхронизации, как многосвязной системы автоматического управления, учитывающая основные факторы, дестабилизирующие работу СТСС. Модель обладает свойством универсальности, позволяющим моделировать многосвязные сети синхронизации.

3. Построены модели некоторых устройств синхронизации из возможных разновидностей ФАПЧ. Рассматриваемые модели устройств синхронизации позволяют включать различные фазовые возмущения в контур управления ФАПЧ.

5. Проведена оценка влияния внутренних шумов устройств синхронизации на работу СТСС.

6. Исследованы статические и динамические характеристики сети синхронизации в соответствии с теорией МСАУ.

7. Исследовано влияние структуры сети синхронизации (числа узлов и связности), а также типа устройств синхронизации на устойчивость сети.

8. Исследовано влияние задержек в каналах синхронизации на характеристики сети синхронизации.

9. Предложен вариант математической модели, позволяющий оценить влияние факторов, дестабилизирующих работу СТСС, на функционирование сети связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буева, Мария Александровна, 2006 год

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

2. Давыдкин П.Н., Колтунов М.Н., Рыжков А.В. Тактовая сетевая синхронизация. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2004.

3. СтиффлерДж. Дж. Теория синхронной связи. М.: Связь, 1979.

4. ETSI EN 300 462-1-1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 1-1: Определения и термины сетей синхронизации, 1997.

5. ETSI EN 300 462-2-1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 2-1: Архитектура сетей синхронизации, 1997.

6. Рекомендация G.810 Определения и терминология для сетей синхронизации. Мельбурн, 1996.

7. Рекомендация G.803 Архитектура транспортных сетей, основанная на синхронной цифровой иерархии. Мельбурн, 2000.

8. Руководящий технический материал «По построению тактовой сетевой синхронизации на цифровой сети Российской Федерации», ЦНИИС, Москва, 1995.

9. Рекомендация G.823 Управление дрожанием и дрейфом фазы в цифровых сетях, основанных на иерархии 2048 кбит/с. Мельбурн, 2000.

10. Фокин В.Г. Тактовая сетевая синхронизация. Новосибирск, 2002.

11. ETSI EG201 793 VI.1.1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Проектирование сети синхронизации, 2001.

12. Рекомендация G.781 Функции уровней синхронизации. Мельбурн, 1999.

13. Рекомендация G.703 Физические/электрические характеристики иерархических цифровых интерфейсов. Мельбурн, 2001.

14. Щитников В.И., Комягин B.C. Фазовые дрожания в плезиохронных сетях // Метрология и измерительная техника в связи. № 2, 1999.

15. Рекомендация G.709 Структура синхронного мультиплексирования. Мельбурн, 2003.

16. Слепое Н.Н. Синхронные сети SDH. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.

17. Duttwailer D. L. Waiting time jitter // Bell System Technical Journal. Vol. 51. Jan. 1972. P.165-208.

18. Abeysekera S., Cantoni A. A Comprehensive Analysis of Stuff Threshold Modulation Used in Clock-Rate Adaptation Schemes // IEEE Transactions on Communications. Vol. 46. № 8. August. 1998. P.1088-1096.

19. Jitter and Wander In SONET/SDH Systems // Intel Corporation, Intel Corporation, January 2001.

20. Sari H., Karam G. Cancellation of Pointer Adjustment Jitter in SDH Networks // IEEE Transactions on Communications. Vol. 42. № 12. December. 1994. P. 3200-3207.

21. Морозов Г.Г., Мозжелина Т.В., Петриченко А.К. Перспективы развития систем синхронизации цифровых сетей // Сборник трудов конференции «Сети нового поколения». ПЕТРИКОН. 2003. С. 152-157.

22. Морозов Г.Г. Проблемы тактовой синхронизации цифровых местных телефонных сетей // Радио. № 11. 1999.

23. Буева М.А., Дымарский Я.С. Оценка влияния факторов, дестабилизирующих работу системы тактовой сетевой синхронизации, на функционирование сетей связи // Международная академия. Вестник. 2005. № 2. С. 14-21.

24. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

25. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического управления. М.: Энергия, 1970.

26. Щелованов Л.Н., Антонова Г.С., Доронин Е.М., Рыжкова С.В. Основы теории тактовой сетевой синхронизации / СПбГУТ СПб, 2000.

27. Щелованов JI.H. Моделирование элементов телевизионных систем. — М.: Радио и связь, 1981.

28. Щелованов JI.H., Рассказова Е.И. Моделирования элементов систем щ передачи дискретных сообщений и документальной электросвязи / ЛЭИС.1. Л., 1989.

29. Буева М.А., Щелованов JI.H., Доронин Е.М. Построение матрицы объединения моделей часов (ФАПЧ) и каналов синхронизации в общую модель сети синхронизации // 54-я НТК: мат-лы / СПбГУТ. СПб, 2002. С. 22.

30. Шахгилъдян B.B., Ляховский A.A., Карякин В.Л. и др. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. М.: Радио и связь, 1989.

31. Буева М.А. Модель многосвязной системы тактовой синхронизации, содержащей нелинейные звенья // 54-я НТК: мат-лы / СПбГУТ. СПб, 2002. С. 22.

32. Goldman S. PLL Basics. Texas Instruments. Wireless, 2004.

33. Banerjce D. PLL performance, Simulation, and design. New York: John Wiley& Sons, 2003.

34. Прокис Дж. Цифровая связь. -М.: Радио и связь, 2000.ф) 37. Gardner F.M. Frequency Granularity in Digital Phase Locked Loops //

35. Transactions on Communications. Vol. 44, № 6. June. 1996. P. 749-758.

36. ЪЪ.Линдсей У.С., Цзамин Цзе. Обзор цифровых систем фазовой автоподстройки частоты / ТИИЭР. Т. 69. № 4. Апрель. 1981.

37. Асипа Е. L., Dervenis J.P., Pagones A.J., Yang F. L., Saleh R.A. Simulation Techniques for Mixed Analog/Digital Circuits // IEEE J. of Solid-State Circuits. Vol. 25. № 2. Apr. 1990. P. 353-362.

38. Drucker E. Model PLL dynamics and phase-noise performance // MICROWAVES&RF. Feb. 2000. P. 73-117.

39. Kundert K. Modeling and Simulation of Jitter in PLL Frequency Synthesizers. Cadence Design Systems. Inc. 2001.

40. Garner G. М. Accumulation of Random Noise in a Chain of Slave Clocks // Proceedings of the 48th Annual Symposium on Frequency Control. June 1994. P. 798-811.

41. Бендат Дж. Основы теории случайных шумов и ее применение. Под ред. B.C. Пугачева. М.: Наука, 1965.

42. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Советское радио, 1974.

43. Bregni St. Generation of Pseudo-Random Power-Law Noise Sequences by Spectral Shaping // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 46. № 6. Dec. 1997.

44. ETSI EN 300 462-3-1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 3-1: Управление дрожанием и дрейфом фазы в сетях связи, 1997.

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

46. Буева М.А. Исследование влияния параметров канала в системе тактовой сетевой синхронизации // 55-я НТК: мат-лы / СПбГУТ. СПб, 2002. С. 19.

47. Kajackas A. On Synchronization of Communication Networks with Varying Channels Delays // IEEE Transactions on Communications. Vol. COM-28. №8. 1980.

48. James N. Cycle Domain Simulator for Phase-Locked Loops. October 1999.

49. Материалы сайта www.motorola.com/wireless-semi

50. Буева М.А. Анализ возможностей инструментальных средств для моделирования системы тактовой сетевой синхронизации // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2005. № 172. С. 11-18.

51. Буева М.А., Буев А.В. Библиотека цифровых моделей устройств фазовой автоподстройки частоты для исследования систем тактовой сетевой синхронизации // 57 НТК: тез. / СПбГУТ. СПб, 2003. С. 23.

52. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. -М.: COJIOH-Пресс, 2003.

53. Рекомендация G.812 Временные характеристики ведомых задающих генераторов аппаратуры SDH (SEC). Мельбурн, 2004.

54. Boxer R., Thaler A. A simplified method of solving linear and non-linear systems // Proc.IRE. Vol. 44. № 1. Jan. 1956. P.89-94.

55. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. М.: Мир, 1977.

56. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и вычислительной техники. — М.: Госэнергоиздат, 1962.

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

58. ETSI EN 300 462-7-1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 7-1: Временные характеристики ведомых задающих генераторов для источника синхронизации аппаратуры, применяемого в местных узлах, 2001.

59. Bregni St. Clock Stability Characterization and Measurement in Telecommunications // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 46. № 6. Dec. 1997.

60. Bregni St. Measurement of Maximum Time Interval Error for Telecommunications Clock Stability Characterization // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. IM-45. № 5. Oct. 1996.

61. Bregni St., Maccabruni St. Computation of Maximum Time Interval Error by Binary Decomposition // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 38. № 4. 1999.

62. ETSI EN 300 462-5-1 Передача и мультиплексирование (ТМ); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 5-1: Временные характеристики задающих генераторов для функционирования аппаратуры синхронной цифровой иерархии (SDH), 1997.

63. Шапиро Д.Н., Панин А.А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981.

64. Казаков JI.H., Якимов И.М. Оптимизация цепи последовательно соединенных синхронизируемых генераторов различных уровней // Электросвязь. №6, 2005.

65. Курицын С.А. Основы построения телекоммуникационных систем передачи. СПб.: Информационный центр «Выбор», 2004.