Удержание в приложениях синхронизации

Два независимых часа, однажды синхронизированные, будут отдаляться друг от друга без ограничений. ^[1] Чтобы они отображали одинаковое время, необходимо их повторно синхронизировать через регулярные промежутки времени. Период между синхронизациями называется удержанием , а производительность при удержании зависит от качества опорного генератора, схемы ФАПЧ и используемых механизмов коррекции. ^[2]

Важность

Синхронизация так же важна, как и мощность на станции сотовой связи. ^[3]

Приведенная выше цитата предполагает, что удержание в приложениях синхронизации можно рассматривать как аналог работы от резервного питания.

Современные системы беспроводной связи требуют, по крайней мере, знания частоты, а часто и знания фазы, чтобы работать правильно. Базовым станциям необходимо знать, который час, и они обычно каким-то образом получают эти знания из внешнего мира (от приемника времени и частоты GPS или от источника синхронизации где-то в сети, к которой они подключены).

Но если связь с эталоном потеряется, то базовая станция сама сможет определить, который час. Базовой станции нужен способ установить точную частоту и фазу (чтобы знать, который сейчас час), используя внутренние (или локальные) ресурсы, и именно здесь функция удержания становится важной.

Важность определения времени с помощью GPS

Ключевым применением GPS в телекоммуникациях является обеспечение синхронизации беспроводных базовых станций. Правильная работа базовых станций зависит от синхронизации, особенно при передаче обслуживания, которая происходит, когда пользователь перемещается из одной соты в другую. ^[4] В этих приложениях удержание используется на базовых станциях для обеспечения непрерывной работы в то время, когда GPS недоступно, и для снижения затрат, связанных с аварийным ремонтом, поскольку удержание позволяет сайту продолжать правильно функционировать до тех пор, пока обслуживание не будет выполнено в удобное время. ^[5]

Некоторые из наиболее строгих требований предъявляются к новому поколению беспроводных базовых станций, где для правильной работы необходимо поддерживать целевую точность фазы на уровне 1 мкс. ^[6] Однако потребность в точном времени была неотъемлемой частью истории систем беспроводной связи, а также проводной связи. ^[7] Было высказано предположение, что поиск надежных и экономически эффективных решений синхронизации был вызван необходимостью конкурировать CDMA с более дешевыми решениями. ^[8]

жизненно важны точная синхронизация и средства ее поддержания в режиме ожидания. Внутри базовой станции, помимо стандартных функций, для таких услуг, как E911, ^[5]

GPS как источник синхронизации является ключевым компонентом не только синхронизации в телекоммуникациях , но и критически важной инфраструктуры в целом. ^[9] Из 18 критически важных ресурсов и ключевой инфраструктуры (CIKR ^[10]) секторов, 15 для правильной работы используют синхронизацию, полученную от GPS. ^[11] Одним из примечательных приложений, где важна высокая точность синхронизации (и средства ее поддержания посредством удержания), является использование синхрофазоров в энергетике для обнаружения неисправностей линий. ^[12]

Почему определение времени по GPS может дать сбой

GPS чувствителен к помехам и помехам, поскольку уровни сигнала очень низкие ^[13] и может быть легко заглушен другими источниками, которые могут быть случайными или преднамеренными. ^[14] Кроме того, поскольку GPS зависит от сигналов прямой видимости, он может быть нарушен эффектами городского каньона , что делает GPS доступным, например, только в некоторых местах в определенное время дня.

Однако сбой GPS изначально не является проблемой, поскольку часы могут перейти в режим ожидания. ^[15] позволяя уменьшить помехи настолько, насколько позволяет стабильность генератора, обеспечивающего удержание. ^[4] Чем стабильнее генератор, тем дольше система может работать без GPS.

Определение удержания

В разделе «Синхронизация в телекоммуникационных приложениях» удержание определяется ETSI как:

Рабочее состояние часов, которые потеряли управляющий вход и используют сохраненные данные, полученные в режиме блокировки, для управления своим выходом. Сохраненные данные используются для управления изменениями фазы и частоты, что позволяет воспроизвести состояние блокировки в пределах спецификаций. Удержание начинается, когда выходной тактовый сигнал больше не отражает влияние подключенного внешнего опорного сигнала или переход от него. Удержание прекращается, когда выходной сигнал часов возвращается в состояние заблокированного режима. ^[16]

В этом случае удержание можно рассматривать как меру точности или ошибки, приобретаемой часами, когда нет управляющего внешнего источника для исправления любых ошибок.

МИЛ-ПРФ-55310 ^[17] определяет точность часов как:

$T(t)=T_{0}+\int _{0}^{t}R(t)\,dt\ +\epsilon (t)=T_{0}+(R_{0}t+{\frac {1}{2}}At^{2}+...)+\int _{0}^{t}E_{t}(t)\,dt+\epsilon (t)$

Где $T_{0}$ это ошибка синхронизации в $t=0$ ; $R(t)$ – это дробная разница частот между двумя сравниваемыми часами; $\epsilon (t)$ – ошибка из-за случайного шума; $R_{0}$ является $R(t)$ в $t=0$ ; $A$ - линейная скорость старения и $E_{1}(t)$ это разница частот из-за воздействия окружающей среды.

Аналогично ITU G.810 ^[18] определяет ошибку времени как:

$x(t)=x_{0}+y_{0}t+{\frac {D}{2}}t^{2}+{\frac {\phi (t)}{2\pi \nu _{nom}}}$

Где $x(t)$ – ошибка времени; $x_{0}$ это ошибка времени в $t=0$ ; $y_{0}$ это дробная ошибка частоты при $t=0$ ; $D$ – скорость дробного линейного дрейфа частоты; $\phi (t)$ – компонент случайного отклонения фазы, $\nu _{nom}$ номинальная частота.

Реализация удержания

В приложениях, требующих синхронизации (например, в беспроводных базовых станциях), часто используются часы GPS , и в этом контексте их часто называют GPSDO (дисциплинированный генератор GPS) или GPS TFS (источник времени и частоты GPS). ^[19]

NIST определяет дисциплинированный осциллятор как:

Генератор, выходная частота которого постоянно регулируется (часто с помощью системы фазовой автоподстройки частоты ) для согласования с внешним опорным сигналом. Например, генератор, управляемый GPS (GPSDO), обычно состоит из кварцевого или рубидиевого генератора, выходная частота которого постоянно регулируется для согласования с сигналами, транслируемыми спутниками GPS. ^[20]

В GPSDO сигнал GPS или GNSS используется в качестве внешней опорной точки, которая управляет внутренним генератором. ^[13] В современном GPSDO функция обработки GPS и управления реализована в микропроцессоре, позволяющем прямо сравнивать опорный сигнал GPS и выходной сигнал генератора. ^[8]

Среди строительных блоков решения GPS для измерения времени и частоты осциллятор является ключевым компонентом. ^[11] и обычно они построены на основе кварцевого генератора с печным управлением ( OCXO ) или часов на основе рубидия . Доминирующими факторами, влияющими на качество опорного генератора, считаются старение и температурная стабильность. Однако, в зависимости от конструкции генератора, барометрическое давление и относительная влажность могут оказывать не менее сильное влияние на стабильность кварцевого генератора. ^{[ нужна ссылка ]} То, что часто называют нестабильностью «случайного блуждания», на самом деле является детерминированным эффектом параметров окружающей среды. Их можно измерить и смоделировать, чтобы значительно улучшить характеристики кварцевых генераторов. Добавление микропроцессора к опорному генератору может улучшить температурную стабильность и характеристики старения. ^[21] Во время удержания любая оставшаяся ошибка часов, вызванная старением и нестабильностью температуры, может быть исправлена с помощью механизмов управления. ^[22] Комбинация кварцевого генератора опорной частоты (например, OCXO ) и современных алгоритмов коррекции может дать хорошие результаты в приложениях с удержанием сигнала. ^[23]

В этом случае возможность удержания обеспечивается либо свободно работающим гетеродином, либо гетеродином, управляемым с помощью программного обеспечения, сохраняющего информацию о его прошлых характеристиках. ^[23] Самая ранняя документация о таких усилиях поступила от тогдашнего Национального бюро стандартов в 1968 году [Аллан, Фей, Махлан и Барнс, «Сверхточная система синхронизации времени, разработанная с помощью компьютерного моделирования», Частота], где был создан аналоговый компьютер, состоящий из шарика-шарика. дисковые интеграторы реализовали контур управления третьего порядка для коррекции старения частоты генератора. Первая микропроцессорная реализация этой концепции произошла в 1983 году [Бурк, Пенрод, «Анализ дисциплинированного стандарта частоты, управляемого микропроцессором», Симпозиум по управлению частотой], где передачи Loran-C использовались для дисциплинирования кварцевых генераторов очень высокого качества в качестве замены цезия в синхронизация проводной сети телекоммуникаций. Основная цель механизма управления — повысить стабильность часов или генератора, сводя к минимуму количество раз, когда требуется калибровка. ^[1] В режиме удержания изученное поведение OCXO используется для прогнозирования и корректировки будущего поведения. ^[2] Такой механизм может обеспечить эффективную компенсацию старения и температуры. ^[24] и разработчик системы сталкивается с рядом вариантов алгоритмов и методов выполнения этой коррекции, включая экстраполяцию, интерполяцию и фильтры прогнозирования (включая фильтры Калмана ). ^[25]^[26]

После устранения барьеров старения и воздействия окружающей среды единственным теоретическим ограничением эффективности удержания в таком GPSDO становится неравномерность или шум в скорости дрейфа, который количественно оценивается с использованием таких показателей, как отклонение Аллана или отклонение по времени . ^[27]^{[ ненадежный источник? ]}

Сложность в попытках предсказать влияние на удержание из-за систематических эффектов, таких как старение и температурная стабильность, а также стохастических влияний, таких как шум случайного блуждания, индивидуальных решений для генератора удержания . привела к появлению на рынке ^[28]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б «Умные часы: новое время» (PDF) . ИИЭЭ . 6 декабря 1992 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б «АН-1002 (Ред.0)» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «Аспекты развертывания синхронизации для операторов транзитной сети IP RAN» (PDF) . Джунипер Нетворкс . 2011 . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б Фейсал А. Хан (декабрь 2007 г.). «Влияние ухудшения синхронизации на основе GPS на сотовые сети» (PDF) . ИГНСС. Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б «Понимание концепций синхронизации и удержания» . Eetimes.com . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «Аспекты синхронизации WCDMA и LTE» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2009 года . Проверено 12 сентября 2011 г.
^ «Часы для синхронизированной сети» . Проверено 21 октября 2012 года .
^ Перейти обратно: ^а ^б Питер Кайкендалл; Доктор Питер В.В. Лумис. «Синхронизация с GPS: GPS-часы для беспроводной инфраструктуры» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ доктор Джеймс Кэрролл; Г-н Кирк Монтгомери. «Оценка критичности синхронизации системы глобального позиционирования — предварительные результаты работы» (PDF) . Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «Ресурсный центр ЦИКР» . Архивировано из оригинала 16 октября 2011 года . Проверено 12 сентября 2011 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Р. Джеймс Каверли (27 апреля 2011 г.). «Критическая инфраструктура GPS» . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 года . Проверено 21 октября 2012 года .
^ «Сигнал» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Система глобального позиционирования (GPS) и спутниковая передача времени» . Март 2010 года . Проверено 21 октября 2012 года .
^ «GPS.gov: Национальный консультативный совет по космическому позиционированию, навигации и времени» (PDF) . Pnt.gov. 21 августа 2012 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2012 г. . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «Университет Синк» . Университет Синк. 15 декабря 2004 г. Архивировано из оригинала 2 апреля 2012 г. Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «ETS 300 462-1 — Издание 01 — Передача и мультиплексирование (TM); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 1: Определения и терминология для сетей синхронизации» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «Технические характеристики: генератор с кварцевым управлением, общие характеристики» (PDF) . 1998. Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2010 года . Проверено 12 сентября 2011 г.
^ цбмейл. «G.810: Определения и терминология для сетей синхронизации» . Itu.int . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ «Системы времени и частоты GPS» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года .
^ «Время и частота от А до Я» . Tf.nist.gov. Архивировано из оригинала 11 сентября 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 г.
^ Вакер, Майк Ф.; Виллелла, А. (2008). «Улучшение производительности OCXO за счет использования встроенного микропроцессора». 2008 Международный симпозиум по управлению частотой IEEE . ИИЭЭ . стр. 159–164. дои : 10.1109/FREQ.2008.4622980 . ISBN 978-1-4244-1794-0 . S2CID 46081633 .
^ Хуэй Чжоу; Чарльз Николлс; Томас Кунц; Говард Шварц (ноябрь 2008 г.). «Зависимости точности частоты и стабильности кварцевых генераторов» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б Майкл А. Ломбарди (сентябрь 2008 г.). «Использование специализированных генераторов GPS в качестве основных стандартов частоты для калибровочных и метрологических лабораторий» (PDF) . NCSL International . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Фабрицио Тапперо; Эндрю Дж. Демпстер; Тошиаки Ивата (2007). «Метод уменьшения фазовой ошибки для свободных часов QZSS» (PDF) . ИИЭЭ . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Материалы ^{[ мертвая ссылка ]}
^ cwt Николлс, GC Карлтон (2004). «Адаптивный алгоритм коррекции дрейфа OCXO». Материалы Международного симпозиума и выставки по управлению частотой IEEE 2004 г., 2004 г. ИИЭЭ . стр. 509–517. дои : 10.1109/FREQ.2004.1418510 . ISBN 0-7803-8414-8 . S2CID 33745348 .
^ Вторая прыжок
^ «MD-023: Кварцевый генератор с расширенной задержкой» (PDF) . Вектрон Интернэшнл. Июнь 2011 года . Проверено 21 октября 2012 года .

Внешние ссылки

[smartclock-1] Перейти обратно: ^а ^б «Умные часы: новое время» (PDF) . ИИЭЭ . 6 декабря 1992 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[analog1-2] Перейти обратно: ^а ^б «АН-1002 (Ред.0)» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 г.

[3] «Аспекты развертывания синхронизации для операторов транзитной сети IP RAN» (PDF) . Джунипер Нетворкс . 2011 . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[autogenerated1-4] Перейти обратно: ^а ^б Фейсал А. Хан (декабрь 2007 г.). «Влияние ухудшения синхронизации на основе GPS на сотовые сети» (PDF) . ИГНСС. Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[eetimes1-5] Перейти обратно: ^а ^б «Понимание концепций синхронизации и удержания» . Eetimes.com . Проверено 28 сентября 2012 г.

[6] «Аспекты синхронизации WCDMA и LTE» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2009 года . Проверено 12 сентября 2011 г.

[7] «Часы для синхронизированной сети» . Проверено 21 октября 2012 года .

[timing1-8] Перейти обратно: ^а ^б Питер Кайкендалл; Доктор Питер В.В. Лумис. «Синхронизация с GPS: GPS-часы для беспроводной инфраструктуры» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[9] доктор Джеймс Кэрролл; Г-н Кирк Монтгомери. «Оценка критичности синхронизации системы глобального позиционирования — предварительные результаты работы» (PDF) . Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[10] «Ресурсный центр ЦИКР» . Архивировано из оригинала 16 октября 2011 года . Проверено 12 сентября 2011 г.

[autogenerated2-11] Перейти обратно: ^а ^б Р. Джеймс Каверли (27 апреля 2011 г.). «Критическая инфраструктура GPS» . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 года . Проверено 21 октября 2012 года .

[12] «Сигнал» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 г.

[autogenerated3-13] Перейти обратно: ^а ^б «Система глобального позиционирования (GPS) и спутниковая передача времени» . Март 2010 года . Проверено 21 октября 2012 года .

[14] «GPS.gov: Национальный консультативный совет по космическому позиционированию, навигации и времени» (PDF) . Pnt.gov. 21 августа 2012 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2012 г. . Проверено 28 сентября 2012 г.

[15] «Университет Синк» . Университет Синк. 15 декабря 2004 г. Архивировано из оригинала 2 апреля 2012 г. Проверено 28 сентября 2012 г.

[16] «ETS 300 462-1 — Издание 01 — Передача и мультиплексирование (TM); Общие требования к сетям синхронизации; Часть 1: Определения и терминология для сетей синхронизации» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 г.

[17] «Технические характеристики: генератор с кварцевым управлением, общие характеристики» (PDF) . 1998. Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2010 года . Проверено 12 сентября 2011 г.

[18] цбмейл. «G.810: Определения и терминология для сетей синхронизации» . Itu.int . Проверено 28 сентября 2012 г.

[19] «Системы времени и частоты GPS» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года .

[20] «Время и частота от А до Я» . Tf.nist.gov. Архивировано из оригинала 11 сентября 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 г.

[21] Вакер, Майк Ф.; Виллелла, А. (2008). «Улучшение производительности OCXO за счет использования встроенного микропроцессора». 2008 Международный симпозиум по управлению частотой IEEE . ИИЭЭ . стр. 159–164. дои : 10.1109/FREQ.2008.4622980 . ISBN 978-1-4244-1794-0 . S2CID 46081633 .

[22] Хуэй Чжоу; Чарльз Николлс; Томас Кунц; Говард Шварц (ноябрь 2008 г.). «Зависимости точности частоты и стабильности кварцевых генераторов» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Lombardi-23] Перейти обратно: ^а ^б Майкл А. Ломбарди (сентябрь 2008 г.). «Использование специализированных генераторов GPS в качестве основных стандартов частоты для калибровочных и метрологических лабораторий» (PDF) . NCSL International . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[24] Фабрицио Тапперо; Эндрю Дж. Демпстер; Тошиаки Ивата (2007). «Метод уменьшения фазовой ошибки для свободных часов QZSS» (PDF) . ИИЭЭ . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 года . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[25] Материалы ^{[ мертвая ссылка ]}

[26] wt Николлс, GC Карлтон (2004). «Адаптивный алгоритм коррекции дрейфа OCXO». Материалы Международного симпозиума и выставки по управлению частотой IEEE 2004 г., 2004 г. ИИЭЭ . стр. 509–517. дои : 10.1109/FREQ.2004.1418510 . ISBN 0-7803-8414-8 . S2CID 33745348 .

[27] Вторая прыжок

[28] «MD-023: Кварцевый генератор с расширенной задержкой» (PDF) . Вектрон Интернэшнл. Июнь 2011 года . Проверено 21 октября 2012 года .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]