ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Научный Центр РФ О возможности синхронизации опорных узлов формирования шкалы времени ССОП с использованием эталонной базы ГСВЧ Начальник центра 72 ГМЦ ГСВЧ С.Н. Каган

Одним из вопросов, рассматриваемых на конференции, является вопрос о качестве услуг связи как ключевом аспекте успешного развития отрасли телекоммуникаций и контроле показателей качества услуг связи. При внедрении и развитии на сетях операторов связи технологий, относящихся к сетям NGN, использующих пакетную передачу информации, качество представляемых услуг связи непосредственно зависит от синхронности процессов передачи и преобразования информации, безошибочности передачи и приема пакетов данных.

Согласно рекомендации G.8271 ITU-T «Аспекты временной и фазовой синхронизации в сетях с коммутацией пакетов» определены пять классов точности для систем синхронизации времени Класс точности Требования к точности Область использования 1500 мс Системы биллинга и регистрации аварий 2100 мкс Мониторинг задержек в IP сетях 35 мксLTE TDD (большие ячейки) 41,5 мкс UTRA-TDD, LTE-TDD (small cell) Wimax-TDD (некоторые конфигурации) 51,0 мкс Wimax-TDD (некоторые конфигурации) 6 единицы нс Служба предоставления услуг, основанных на определении текущего местоположения мобильного телефона, и некоторые реализации LTE-A

В соответствии с Федеральным законом 126-ФЗ от «О связи» единым учетно-отчетным временем в сетях связи должно быть московское время, являющееся реализацией национальной шкалы времени РФ UTC(SU). Разрабатываемая в настоящее время в отрасли связь концепция частотно-временного обеспечения сетей связи общего пользования (ССОП), направленная на обеспечение устойчивого функционирования, безопасности и целостности ССОП, предусматривает создание в сети трехуровневой системы опорных узлов формирования шкалы времени (ОУФШВ), размещающихся на узлах связи операторов связи и представляющих информацию о точном времени операторам сети.

Для прослеживаемости формируемых шкал времени относительно UTC(SU) и обеспечения требуемых метрологических характеристик актуальной является задача синхронизации ОУФШВ первого уровня с использованием эталонной базы ГСВЧ РФ. При этом в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений времени и частоты ГОСТ передаётся размер единиц времени и частоты от Государственного первичного или вторичных эталонов времени и частоты к рабочим эталонам ОУФШВ.

Система технических средств ГСВЧ Технические средства ГСВЧ Эталонная база времени и частоты Средства передачи ЭСЧВ Средства определения ПВЗ Средства метрологического контроля ЭСЧВ Росстандарт: ГЭТ1 Менделеево ВЭТ1-5 Иркутск ВЭТ1-7 Хабаровск ВЭТ1-19 Новосибирск РЭТ1 П. Камчатский Минобороны РФ: ВГЭ ВЭ-31 ВЭ-33 РЭ ЦС-М Росстандарт: ГМЦ ГСВЧ ПМК Иркутск ПМК Хабаровск ПМК Новосибирск ПМК П. Камчатский Минобороны РФ: АЦУС «Цель» БКП, ВКП Росстандарт: ДВ, КВ радиостанции ТТЦ Останкино Минобороны РФ: СДВ радиостанции ВМФ ДВ радиостанции ВВС Средства ГЛОНАСС Центры обработки и анализа данных ПВЗ: ГМЦ ГСВЧ ИПА РАН ЦНИИМАШ ИНАСАН Минобороны РФ Измерительные средства: средства КНС средства РСДБ средства ЛЛС Приказ Ростехрегулирования от г. 324

Расположение государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени и государственных вторичных и рабочих эталонов времени и частоты ГСВЧ в различных пространственно- разнесенных регионах России ((Менделеево, Новосибирск, Иркутск, Хабаровск, Петропавловск-Камчатский), характеристики вторичных эталонов, позволяющие формировать шкалы времени, расхождение которых относительно UTC(SU) не превышает ± 30 нс для вторичных эталонов и ± 100 нс для рабочего эталона в г. Петропавловск-Камчатский, представляет широкие возможности частотно-временного обеспечения сетей связи общего пользования (ССОП) в различных регионах.

Оборудование ГСВЧ и методы, позволяющие осуществить передачу размеров единиц времени и частоты и национальной шкалы времени от ГЭВЧ к рабочему эталону опорного узла формирования шкалы времени ССОП

Для сравнений шкал времени территориально разнесенных эталонов времени и частоты и передачи размеров единиц времени и частоты могут быть использованы следующие основные методы: - с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых глобальными навигационными спутниковыми системами; - с помощью перевозимых квантовых часов (ПКЧ); - с использование перевозимого калиброванного приемника ГЛОНАСС; - с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых через дуплексный канал космической связи; -с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи; -с использованием РТР протокола.

Дифференциальный метод сличений эталонов с использованием ГЛОНАСС Дифференциальный метод сличений с использованием сигналов космических спутниковых систем (метод «common- view») широко применяется в ГСВЧ как для сличений ГЭВЧ со вторичными эталонами, так и с национальными эталонами зарубежных стран. При этом методе в месте расположения сличаемых эталонов (например ГЭВЧ и рабочего эталона ОУФШВ) одновременно осуществляется прием сигналов от одного и того же спутника и определяется разность временного положения выделенного сигнала 1 Гц, соответствующего бортовой или системной шкале, относительно шкал каждого из сличаемых эталонов. По результатам измерений формируются файлы установленного формата, доступные для обеих сторон. По данным этих файлов рассчитывается разность шкал сличаемых эталонов.

Приемник ГЛОНАСС Приемник ГЛОНАСС UTC(SU) - SYST (t) РЭ - SYST (t) 1 Гц UTC(SU) UTC(SU) – Трэ (t) = UTC(SU) – РЭ = T UTC(SU) -SYST (t) - T РЭ - SYST (t) 1 Гц РЭ Канал связи Т SYST ГЛОНАСС

Пример файла формата CGGTTS v.2

Комплекс формирования шкалы времени, приближенной с заданной точностью к национальной шкале координированного времени UTC(SU), и передачи формируемой шкалы времени в наземный комплекс управления ГЛОНАСС в реальном масштабе времени ПриемникиTTS-4 GPS/ГЛОНАСС Неопределенность: Uа 1 нс Uв 2 нс ФГУП«ВНИИФТРИ» Наземный комплекс управления

Сличения эталонов с использованием перевозимых квантовых часов Опорный хранитель ГЭВЧ (РЭ) Вых. 5 МГц Вых. 1 Гц Перевозимые квантовые часы (ПКЧ) Вых. 1 Гц Старт Измеритель интервалов времени Стоп ПЭВМ Т ОП(РЭ) – Т ПКЧ Погрешность сличений 1 – 3 нс

Сличения эталонов с использованием перевозимых квантовых часов

Использование перевозимого калиброванного приемника ГЛОНАСС Опорный хранитель ГЭВЧ (РЭ) Вых. 5 МГц Вых. 1 Гц Перевозимый калиброванный приемник Вых. 1 Гц Старт Измеритель интервалов времени Стоп ПЭВМ Т ОП(РЭ) - Т ПКП Погрешность сличений 5 нс

Сличения эталонов с использованием аппаратуры дуплексного спутникового канала связи Метод сравнений шкал времени с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых через дуплексный канал космической связи (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer - TWSTFT является одним самых точных методов. Высокая точность достигается путем одновременного (встречного) обмена сигналами через геостационарный телекоммуникационный искусственный спутник Земли. Благодаря использованию двунаправленного канала, соответствующие задержки сигналов при расчете конечных результатов взаимно компенсируются. Значительным преимуществом данного метода является отсутствие необходимости точного определения координат.

Сличения эталонов с использованием аппаратуры дуплексного спутникового канала связи Погрешность сличений – менее 2 нс

TS(1) – TS(2) = 0,5 [TI(1)](= показание TIC на станции 1) - 0,5 [TI(2)](= показание TIC на станции 2) + 0,5 [SPT(1) – SPT(2)](= разница в задержке сигналов на спутнике) - 0,5 [SCD(1) - SCU(1)](= поправка Саньяка для станции 1) + 0,5 [SCD(2) - SCU(2)](= поправка Саньяка для станции 2) + 0,5 [SPU(1) - SPD(1)](= разница в отношении линий вверх/вниз на станции 1) – 0,5 [SPU(2) - SPD(2)](= разница в отношении линий вверх/вниз на станции 2) + 0,5 [TX(1) - RX(1)](= разница в отношении приема/передачи на станции 1) – 0,5 [TX(2) - RX(2)](= разница в отношении приема/передачи на станции 2).

Комплекс аппаратуры дуплексных сличений шкал времени Стационарный комплект аппаратуры TWSTFT

Комплекс аппаратуры дуплексных сличений шкал времени Перевозимый комплект аппаратуры TWSTFT

Сравнение шкал времени UTC(SU) и UTC(PTB) методом TWSTFT при использовании ИСЗ «Экспресс AM-2» Результаты сравнений UTC(SU) и UTC(PTB): - неопределенность Uа 0,3 нс - неопределенность Uв 2 нс (при калибровке)

Метод сличения эталонов по ВОЛС с использованием АРСВ Аппаратура включается в цепи передачи дуплексных каналов связи с пропускной способностью 2048 кбит/с (Е12) для обмена информацией с аналогичной аппаратурой. Ведущий комплект АРСВ синхронизирует собственную шкалу времени и частоту встроенного кварцевого генератора по внешним опорным сигналам 5 МГц и 1 Гц, а также передает код времени, поступающий от опорного источника. Ведомый комплект синхронизирует частоту встроенного кварцевого генератора по принимаемым от ведущего комплекта АРСВ сигналам тактовой синхронизации, собственную шкалу времени – по принимаемым меткам времени и дешифрирует принимаемый код времени. Особенностью метода сравнения шкал времени с использованием АРСВ является двунаправленность передачи меток шкал времени между сличаемыми эталонами, при котором определяется и компенсируется задержка сигнала в линии связи.

Метод сличения эталонов по ВОЛС с использованием АРСВ Т ГЭВЧ – Т РЭ = [( Т2 - Т1) – ( Т4 - Т3)]/2 ГЭВЧ ИИВ 1 Δ Т2 АРСВ 3 АРСВ 1 OП1 ИИВ 2 Δ Т3 OП2 АРСВ 2 АРСВ 4 ИИВ 3 Δ Т1 ИИВ 4 Δ Т4 РЭ ОУФШВ Компьютер 5 МГц 1 Гц В канал связи ВОЛС

При условии равенства задержек в волоконно- оптической линии связи и оптических преобразователях в прямом и обратном направлениях результат сравнения шкал времени не зависит от задержки в ВОЛС даже при её температурных изменениях. Для расчета расхождения шкал времени необходимо передавать результаты измерений Т1, Т2, Т3, Т4 по каналу связи. При этом может быть использован тот же канал связи, по которому передаются метки времени. Систематическая погрешность, причиной которой может быть асимметрия задержек в АРСВ, оптических преобразователях и каналообразующей аппаратуре в обоих направлениях, может быть учтена калибровкой канала связи с использованием перевозимых квантовых часов.

Метод временной синхронизации в пакетных сетях с использованием PTP протокола В телекоммуникационных сетях используется специально адаптированная для этих целей версия 2 протокола РТР (IEEE ). Стандарт IEEE 1588 позволяет с малой погрешностью передавать сигналы точного времени от главных часов к клиентским часам по асинхронной сети с пакетной передачей, благодаря аппаратным средствам проставления меток времени, встроенным в маршрутизаторы и коммутаторы. Сеть PTP строго иерархична. На вершине иерархии синхронизации располагаются так называемые «гроссмейстерские» часы (grandmaster clock), обычно подключаемые к внешнему опорному источнику, в качестве которого могут быть использованы стандарты частоты и времени или приемники GPS/ГЛОНАСС. Особенностью РТР является то, что для синхронизации ведомых часов используются четыре сообщения:

Sync (синхронизация) многоадресная рассылка от гроссмейстерских часов через каждые 2 с по умолчанию; Follow Up (напоминание) многоадресная рассылка метки времени T1; Delay Req (запрос задержки) от ведомых часов гроссмейстерским; Delay Resp (отклик задержки) передача времени T4; d = [(T 2 - T 1 ) + (T 4 - T 3 )]/2 односторонняя задержка передачи; Θ = [(T 2 - T 1 ) – d = [(T 2 - T 1 ) - (T 4 - T 3 )]/2 сдвиг шкалы времени ведомых часов относительно шкалы времени ведущих.

Задержка в передаче сообщения в обоих направлениях будет идентичной в том случае, если устройства соединены между собой по одной линии связи и только. Если в сети между устройствами имеются коммутаторы или маршрутизаторы, то симметричной задержка в передачи сообщения между устройствами не будет, поскольку коммутаторы в сети осуществляют сохранение тех пакетов данных, которые проходят через них, и реализуется определенная очередность их передачи. Для исключения больших погрешностей был предложен специальный метод и введено понятие граничных часов, которые реализуются в составе коммутаторов сети. Данные граничные часы синхронизируются по времени с часами ведущего устройства. Далее коммутатор по каждому порту является ведущим устройством для всех ведомых устройств, подключенных к его портам, в которых осуществляется соответствующая синхронизация часов. Таким образом, синхронизация всегда осуществляется по схеме точка-точка и характерна практически одинаковая задержка в передаче сообщения в прямом и обратном направлении, а также практическая неизменность этой задержки по величине от одной передачи сообщения к другой.

Во второй версии протокола PTPv2 был также предложен механизм использования т. н. прозрачных часов. Данный механизм предотвращает накопление погрешности, обусловленной изменением величины задержек в передаче сообщений синхронизации коммутаторами и предотвращает снижение точности синхронизации в случае наличия сети с большим числом каскадно-соединенных коммутаторов. При использовании такого механизма передача сообщений синхронизации осуществляется от ведущего устройства ведомому, как и передача любого другого сообщения в сети. Однако когда сообщение синхронизации проходит через коммутатор фиксируется задержка его передачи коммутатором. Задержка фиксируется в специальном поле коррекции в составе первого сообщения синхронизации Sync или в составе последующего сообщения FollowUp. При передаче сообщений Delay Request и Delay Response также осуществляется фиксация времени задержки их в коммутаторе. Таким образом, реализация поддержки т. н. прозрачных часов в составе коммутаторов позволяет компенсировать задержки, возникающие непосредственно в них.

Возможные реализации методов синхронизации ОУФШВ ССОП с использованием эталонной базы ГСВЧ

Синхронизация ОУФШВ ССОП с использованием дифференциального метода сличений эталонов через КНС ГЛОНАСС Возможные решения по синхронизации опорного узла формирования шкалы времени ССОП в первую очередь зависят от аппаратурного состава входящего в его состав рабочего эталона времени и частоты. Наиболее распространенным является использование в качестве рабочего эталона первичных эталонных генераторов (ПЭГ), содержащих в своем составе пассивные водородные или промышленные цезиевые стандарты частоты и времени, не имеющие возможности внешней синхронизации. При этом для решения поставленной задачи возможно работать только с выходными сигналами стандартов путем изменения их частоты и временного положения с помощью специально предназначенных для этого устройств. Одним из таких устройств, широко используемых в ГСВЧ и международных службах времени и частоты, является генератор для прецизионного ввода отстроек по частоте и фазе HROG-5 фирмы SDI.

Генератор для прецизионного ввода отстроек по частоте и фазе HROG-5

Генератор типа HROG–5 является основным исполнительным устройством для формирования шкалы времени и предназначен для прецизионного ввода отстроек по частоте и фазе в опорный сигнал 5 МГц, поступающий от водородного или цезиевого стандартов времени и частоты из состава рабочего эталона ОУФШВ. Прибор имеет два выхода синусоидальных сигналов 5 МГц и два выхода импульсных сигналов 1 Гц. Прибор может работать в составе автоматизированных комплексов. Для внешнего управления генератор имеет интерфейс RS–232. HROG-5 содержит в своем составе синхронизируемый по внешней опорной частоте генератор и позволяет вводить прецизионную коррекцию сигнала по фазе и частоте, что даёт возможность поддерживать значение частоты формируемого на выходе прибора сигнала 5 МГц близким к номиналу, не прибегая к регулировкам непосредственно стандартов частоты, а также устанавливать требуемое значение временного положения выходного сигнала 1 Гц τ.

Принцип синхронизации рабочего эталона ОУФШВ с использованием метода дифференциальных сличений с ГЭВЧ через КНС ГЛОНАСС 5 МГц Приемник ГНСС ГМЦ ГСВЧ Приемник ГНСС ОУФШВ HROG-5 Технологический компьютер ГЭВЧ 1 Гц РЭ 5 МГц 1 Гц 5 МГц τ 1 Гц τ 5 МГц τ 1 Гц τ FTP сервер Канал связи

Синхронизация ОУФШВ ССОП по волоконно-оптическому каналу связи с использованием аппаратуры распределения сигналов времени АРСВ 1 Гц τ ГЭВЧ ИИВ 1 Δ Т2 АРСВ 3 АРСВ 1 OП1 ИИВ 2 Δ Т3 OП2 АРСВ 2 АРСВ 4 ИИВ 3 Δ Т1 ИИВ 4 Δ Т4 HROG-5 Компьютер 5 МГц 5 МГц φ 1 Гц 1 Гц τ В канал связи ВОЛС РЭ ОУФШВ 1 Гц τ 5 МГц φ 1 Гц τ Т ГЭВЧ – Т РЭ = [( Т2 - Т1) – ( Т4 - Т3)]/2

При условии равенства задержек в волоконно-оптической линии связи и оптических преобразователях в прямом и обратном направлениях результат сравнения шкал времени не зависит от задержки в ВОЛС даже при её температурных изменениях. Для расчета расхождения шкал времени необходимо передавать результаты измерений Т1, Т2, Т3, Т4 по каналу связи. При этом может быть использован тот же канал связи, по которому передаются метки времени. Систематическая погрешность, причиной которой может быть асимметрия задержек в АРСВ, оптических преобразователях и каналообразующей аппаратуре в обоих направлениях, может быть учтена калибровкой канала связи с использованием перевозимых квантовых часов.

Синхронизация ОУФШВ ССОП по каналу связи с использованием PTP протокола При наличии канала связи между ГЭВЧ или ВЭВЧ и ОУФШВ, удовлетворяющего требованиям протокола РТР v2 (IEEE ), можно использовать соответствующее оборудование для синхронизации рабочего эталона ОУФШВ. Для этого в местах расположения ГЭВЧ или ВЭВЧ должны быть размещены ведущие часы (гранд-мастер по терминологии РТР), опорными сигналами для которых являются сигналы ГЭВЧ (ВЭВЧ), а в качестве рабочего эталона ОУФШВ должны использоваться не ПЭГ, а «граничные» часы, получающие время ведущих часов и передающих его по пакетной сети ведомым часам, используя протокол РТР v2.

Синхронизация ОУФШВ ССОП по каналу связи с использованием РТР ФГУП «ВНИИФТРИ» (Филиалы ФГУП «ВНИИФТРИ») ГЭВЧ (ВЭВЧ) Ведущие часы РТР ОУФШВ ССОП Ведомые часы РТР 5 МГц 1 Гц Недостатком метода является необходимость организации канала связи с каналообразующим оборудованием, удовлетворяющим требованиям протокола PTP v2. При необходимости синхронизации рабочего эталона не только по времени, но и по частоте, возможна комбинация методов синхронного Ethernet, при котором сигналы тактовой синхронизации передаются на физическом уровне, и РТР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Расположение государственного первичного эталона времени, частоты и национальной шкалы времени и государственных вторичных и рабочих эталонов времени и частоты ГСВЧ в различных пространственно-разнесенных регионах России ((Менделеево, Новосибирск, Иркутск, Хабаровск, Петропавловск- Камчатский), характеристики вторичных эталонов, позволяющие формировать шкалы времени, расхождение которых относительно UTC(SU) не превышает ± 30 нс для вторичных эталонов и ± 100 нс для рабочего эталона в г. Петропавловск-Камчатский, представляет широкие возможности частотно-временного обеспечения сетей связи общего пользования (ССОП) в различных регионах. Все эталоны ГСВЧ имеют средства передачи размера единиц времени и частоты и шкалы времени рабочим эталонам и другим средствам измерения времени и частоты и позволяют осуществить синхронизацию ОУФШВ ССОП с погрешностью, не превышающей ± 10 нс.

Наиболее просто реализуемым методом синхронизации является метод дифференциальных сличений рабочего эталона ОУФШВ с ГЭВЧ или ВЭВЧ методом «common view» с использованием ГНСС ГЛОНАСС и генератора прецизионного ввода отстроек по частоте и фазе HROG-5 фирмы SDI, представляющего возможность поддерживать значение частоты формируемого на выходе прибора сигнала 5 МГц близким к номиналу, не прибегая к регулировкам непосредственно стандартов частоты, а также устанавливать требуемое значение временного положения выходного сигнала 1 Гц t. Метод не требует для своей реализации организации специального канала связи между ГЭВЧ (ВЭВЧ) и рабочим эталоном ОУФШВ.

Для целей синхронизации ОУФШВ могут быть также использованы методы синхронизации с использованием волоконно-оптического канала связи. Эти методы требуют организации канала связи и установки специального каналообразующего оборудования.

Благодарю за внимание