Два независимых тактовых генератора, будучи синхронизированными, будут без ограничений уходить друг от друга. [1] Чтобы они отображали одно и то же время, необходимо повторно синхронизировать их через равные промежутки времени. Период между синхронизациями называется удержанием, а производительность при удержании зависит от качества опорного генератора, конструкции ФАПЧ и используемых механизмов коррекции. [2]
Важность
Синхронизация так же важна, как и питание сотовой станции. [3]
Приведенная выше цитата предполагает, что удержание в приложениях синхронизации можно рассматривать как аналог работы от резервного источника питания.
Современные системы беспроводной связи требуют, по крайней мере, знания частоты, а часто и знания фазы, чтобы работать правильно. Базовым станциям необходимо знать, который сейчас час, и они обычно каким-то образом получают эту информацию из внешнего мира (от приемника времени и частоты GPS или от источника синхронизации где-то в сети, к которой они подключены).
Но если соединение с эталоном потеряно, то базовая станция сама сможет установить, сколько сейчас времени. Базовой станции нужен способ установить точную частоту и фазу (чтобы знать, сколько сейчас времени) с использованием внутренних (или локальных) ресурсов, и именно здесь функция удержания становится важной.
Важность времени на основе GPS
Ключевым применением GPS в телекоммуникациях является обеспечение синхронизации на беспроводных базовых станциях. Базовые станции зависят от времени для правильной работы, особенно для передачи обслуживания, которая происходит, когда пользователь перемещается из одной ячейки в другую. [4] В этих приложениях удержание используется в базовых станциях для обеспечения непрерывной работы, когда GPS недоступен, и для снижения затрат, связанных с аварийным ремонтом, поскольку удержание позволяет сайту продолжать правильно функционировать до тех пор, пока техническое обслуживание не будет выполнено в удобное время. [5]
Некоторые из самых строгих требований исходят от нового поколения 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], и было высказано предположение, что поиск надежных и экономичных решений для синхронизации был вызван необходимостью для CDMA, чтобы конкурировать с более дешевыми решениями. [8]
Внутри базовой станции, помимо стандартных функций, для таких служб, как E911 [5], жизненно важны точные временные характеристики и средства для их поддержания во время удержания.
GPS как источник хронометража является ключевым компонентом синхронизации не только в телекоммуникациях, но и в критически важной инфраструктуре в целом. [9] Из 18 секторов инфраструктуры критических ресурсов и ключей (CIKR [10] ) в 15 для правильной работы используется синхронизация, полученная с помощью GPS. [11] Одним из примечательных приложений, в которых важна высокоточная точность синхронизации (и средства ее поддержания в течение удержания), является использование синхрофазоров в энергетической отрасли для обнаружения неисправностей в линии. [12] Другой - в торговых приложениях с малой задержкой на рынках капитала.
Как время, полученное с помощью GPS, может не сработать
GPS чувствителен к помехам и помехам, потому что уровни сигнала очень низкие [13] и могут быть легко подавлены другими источниками, что может быть случайным или преднамеренным. [14] Кроме того, поскольку GPS зависит от сигналов прямой видимости, он может быть нарушен эффектами городского каньона , что делает GPS доступным только в некоторых местах, например, в определенное время дня.
Однако сбой GPS изначально не является проблемой, потому что часы могут перейти в режим удержания [15], что позволяет 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» ETSI определяет удержание как:
Рабочее состояние часов, которые потеряли свой управляющий вход и используют сохраненные данные, полученные во время заблокированной работы, для управления своим выходом. Сохраненные данные используются для управления изменениями фазы и частоты, что позволяет воспроизвести заблокированное состояние в соответствии со спецификациями. Задержка начинается, когда тактовый выход больше не отражает влияние подключенного внешнего опорного сигнала или перехода от него. Задержка прекращается, когда выход часов возвращается в состояние заблокированного режима. [16]
Тогда можно рассматривать удержание как меру точности или погрешности, полученной часами, когда нет управляющей внешней ссылки для исправления каких-либо ошибок.
MIL-PRF-55310 [17] определяет точность часов как:
Где ошибка синхронизации при ; - дробная разница частот между двумя сравниваемыми часами; ошибка из-за случайного шума; является в ; - линейная скорость старения и это разница частот из-за воздействия окружающей среды.
Аналогичным образом ITU G.810 [18] определяет ошибку времени как:
Где ошибка времени; ошибка времени на ; - относительная погрешность частоты при ; - дробно-линейная скорость ухода частоты; - составляющая случайного отклонения фазы, а номинальная частота.
Реализация удержания
В приложениях, требующих синхронизации (таких как беспроводные базовые станции) , часто используются часы GPS, которые в этом контексте часто называют GPSDO ( управляемый осциллятор GPS) или GPS TFS (источник времени и частоты GPS). [19]
NIST определяет дисциплинированный осциллятор как:
Генератор, выходная частота которого постоянно регулируется (часто с помощью петли фазовой автоподстройки частоты) для согласования с внешним опорным сигналом. Например, дисциплинированный генератор GPS (GPSDO) обычно состоит из кварцевого или рубидиевого генератора, выходная частота которого постоянно регулируется для согласования с сигналами, передаваемыми спутниками GPS. [20]
В GPSDO сигнал GPS или GNSS используется в качестве внешнего опорного сигнала, который управляет внутренним генератором. [13] В современном GPSDO обработка и функция управления GPS реализованы в микропроцессоре, что позволяет напрямую сравнивать опорный сигнал GPS и выходной сигнал генератора. [8]
Среди строительных блоков решения GPS для определения времени и частоты осциллятор является ключевым компонентом [11], и обычно они построены на основе кварцевого генератора, управляемого печью ( OCXO ), или часов на основе рубидия . Основными факторами, влияющими на качество опорного генератора, считаются старение и температурная стабильность. Однако, в зависимости от конструкции генератора, атмосферное давление и относительная влажность могут иметь не меньшее влияние на стабильность кварцевого генератора. [ необходима цитата ] 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 остающаяся ошибка тактовой частоты, вызванная старением и температурной нестабильностью, может быть исправлена с помощью механизмов управления. [22] Комбинация кварцевого генератора опорной частоты (такого как OCXO ) и современных алгоритмов коррекции может дать хорошие результаты в приложениях удержания. [23]
В этом случае возможность удержания обеспечивается либо автономным гетеродином, либо гетеродином, управляемым программным обеспечением, сохраняющим информацию о его прошлой производительности. [23] Самая ранняя документация о таких усилиях поступила от тогдашнего Национального бюро стандартов в 1968 году [Аллан, Фей, Махлан и Барнс, «Система сверхточной синхронизации времени, разработанная с помощью компьютерного моделирования», частота], где аналоговый компьютер, состоящий из В интеграторах с шариковыми дисками реализован контур управления третьего порядка для коррекции частотного старения генератора. Первая микропроцессорная реализация этой концепции произошла в 1983 году [Бурк, Пенрод, «Анализ контролируемого микропроцессором дисциплинированного стандарта частоты», Симпозиум по контролю частоты], где радиопередачи Loran-C использовались для дисциплинирования кварцевых генераторов очень высокого качества в качестве замены цезия в синхронизация проводных сетей связи. Основная цель рулевого механизма - улучшить стабильность часов или генератора при минимизации количества требующихся калибровок. [1] В Holdover изученное поведение OCXO используется для прогнозирования и корректировки будущего поведения. [2] Эффективное старение и температурная компенсация могут быть обеспечены таким механизмом [24], и разработчик системы сталкивается с рядом вариантов выбора алгоритмов и методов для выполнения этой коррекции, включая экстраполяцию, интерполяцию и фильтры прогнозирования (включая фильтры Калмана ). [25] [26]
После того, как барьеры старения и воздействия окружающей среды устранены, единственным теоретическим ограничением производительности удержания в таком GPSDO является неравномерность или шум в скорости дрейфа, который количественно оценивается с помощью таких показателей, как отклонение Аллана или отклонение по времени . [27] [ ненадежный источник? ]
Сложность попыток предсказать влияние на удержание из-за систематических эффектов, таких как старение и температурная стабильность, а также стохастических влияний, таких как шум случайного блуждания , привела к появлению на рынке индивидуальных решений удерживающего генератора . [28]
Смотрите также
- Синхронизация
- Синхронизация в синхронных оптических сетях
- Перенос времени
- Хронометраж в системе глобального позиционирования
- Протокол точного времени
Рекомендации
- ^ a b «Умные часы: новое время» (PDF) . IEEE . 1992-12-06 . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б «АН-1002 (Ред. 0)» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ «Рекомендации по развертыванию синхронизации для операторов транспортной сети IP RAN» (PDF) . Juniper Networks . 2011 . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б Фейсал А. Хан (декабрь 2007 г.). «Влияние ухудшения синхронизации на основе GPS на сотовые сети» (PDF) . IGNSS. Архивировано из оригинального (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б «Понимание концепций синхронизации и удержания» . Eetimes.com . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ «Аспекты синхронизации WCDMA и LTE» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 12 июня 2009 года . Проверено 12 сентября 2011 года .
- ^ «Часы для синхронизированной сети» . Проверено 21 октября 2012 .
- ^ а б Питер Куикендалл; Д-р Питер В. В. Лумис. «Синхронизация с GPS: часы GPS для беспроводной инфраструктуры» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Доктор Джеймс Кэрролл; Мистер Кирк Монтгомери. «Оценка критичности синхронизации системы глобального позиционирования - предварительные результаты работы» . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-10-16 . Проверено 12 сентября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ а б Р. Джеймс Каверли (27 апреля 2011 г.). «Критическая инфраструктура GPS» . Архивировано из оригинала на 2012-03-24 . Проверено 21 октября 2012 .
- ^ «Сигнал» (PDF) . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ а б «Глобальная система позиционирования (GPS) и спутниковая передача времени» . Март 2010 . Проверено 21 октября 2012 .
- ^ «GPS.gov: Национальный консультативный совет по космическому позиционированию, навигации и синхронизации» (PDF) . Pnt.gov. 2012-08-21. Архивировано из оригинального (PDF) 24 марта 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ «Синхронный университет» . Синхронный университет. 2004-12-15. Архивировано из оригинала на 2012-04-02 . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ «ETS 300 462-1 - Издание 01 - Передача и мультиплексирование (TM); Общие требования для сетей синхронизации; Часть 1: Определения и терминология для сетей синхронизации» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 31 марта 2012 года . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ «Технические характеристики: генератор с кварцевым управлением, общие характеристики для» (PDF) . 1998. Архивировано из оригинального (PDF) 31 мая 2010 года . Проверено 12 сентября 2011 года .
- ^ tsbmail. «G.810: Определения и терминология для сетей синхронизации» . Itu.int . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ "Системы времени и частоты GPS" (PDF) . Проверено 21 октября 2012 .
- ^ «Время и частота от А до Я» . Tf.nist.gov. Архивировано из оригинала на 2012-09-11 . Проверено 28 сентября 2012 .
- ^ Wacker, Mike F .; Виллелла, А. (2008). «Повышение производительности OCXO за счет использования встроенного микропроцессора». 2008 Международный симпозиум по контролю частоты IEEE . Ieeexplore.ieee.org. С. 159–164. DOI : 10.1109 / FREQ.2008.4622980 . ISBN 978-1-4244-1794-0.
- ^ Хуэй Чжоу; Чарльз Николлс; Томас Кунц; Говард Шварц (ноябрь 2008 г.). «Зависимости точности и стабильности частоты кварцевых генераторов» (PDF) . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б Майкл А. Ломбарди (сентябрь 2008 г.). «Использование GPS-осцилляторов в качестве первичных эталонов частоты для калибровочных и метрологических лабораторий» (PDF) . NCSL International . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Фабрицио Тапперо; Эндрю Дж. Демпстер; Тошиаки Ивата (2007). «Метод уменьшения фазовой ошибки для автономных часов QZSS» (PDF) . IEEE . Архивировано из оригинального (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 21 октября 2012 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ [1] [ мертвая ссылка ]
- ^ cwt Nicholls, GC Carleton (2004). «Адаптивный алгоритм коррекции дрейфа OCXO». Труды 2004 IEEE International Frequency Control Symposium и экспозиции, 2004 . Ieeexplore.ieee.org. С. 509–517. DOI : 10.1109 / FREQ.2004.1418510 . ISBN 0-7803-8414-8.
- ^ http://www.leapsecond.com/pages/adev/adev-why.htm
- ^ "MD-023: Кристаллический осциллятор с расширенной задержкой" (PDF) . Vectron International. Июнь 2011 . Проверено 21 октября 2012 .
Внешние ссылки
- Системы времени и частоты
- Модули осцилляторов с дисциплиной GPS и компенсацией задержки
- Осцилляторы удержания
- Настроенные параметры осциллятора