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.

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.