Pozastavení v synchronizačních aplikacích - Holdover in synchronization applications

Dva nezávislé hodiny, jakmile budou synchronizovány, od sebe budou bez omezení odcházet.^[1] Aby bylo možné je zobrazit současně, bylo by nutné je v pravidelných intervalech znovu synchronizovat. Období mezi synchronizacemi se označuje jako pozdržení a výkon při pozastavení závisí na kvalitě referenčního oscilátoru, designu PLL a použitých korekčních mechanismech.^[2]

Důležitost

Synchronizace je stejně důležitá jako síla v místě buňky.^[3]

Výše uvedený citát naznačuje, že je možné v synchronizačních aplikacích považovat pozdržení za analogické jako běh na záložní napájení.

Moderní bezdrátové komunikační systémy vyžadují pro správnou funkci alespoň znalost frekvence a často také znalosti fáze. Základnové stanice potřebují vědět, kolik je hodin, a tyto znalosti obvykle získávají z vnějšího světa nějakým způsobem (z přijímače času a frekvence GPS nebo ze zdroje synchronizace někde v síti, ke které jsou připojeny).

Pokud ale dojde ke ztrátě spojení s referencí, bude základnová stanice sama, aby zjistila, kolik je hodin. Základní stanice potřebuje způsob, jak pomocí interních (nebo místních) zdrojů stanovit přesnou frekvenci a fázi (vědět, kolik je hodin), a právě tam se stává důležitá funkce pozdržení.

Důležitost časování odvozeného z GPS

Klíčovou aplikací pro GPS v telekomunikacích je zajištění synchronizace v bezdrátových základnách. Základnové stanice závisí na načasování, aby správně fungovaly, zejména pokud jde o předání, ke kterému dochází, když se uživatel přesune z jedné buňky do druhé.^[4] V těchto aplikacích se v základnových stanicích používá pozdržení, aby se zajistil nepřetržitý provoz, zatímco GPS není k dispozici, a aby se snížily náklady spojené s nouzovými opravami, protože pozdržení umožňuje, aby web nadále správně fungoval, dokud nebude možné provést údržbu ve vhodnou dobu.^[5]

Některé z nejpřísnějších požadavků pocházejí z novější generace bezdrátových základnových stanic, kde je třeba pro správný provoz udržovat cíle fázové přesnosti až 1 μs.^[6] Potřeba přesného načasování však byla nedílnou součástí historie bezdrátových komunikačních systémů i kabelového vedení,^[7] a bylo navrženo, že hledání spolehlivých a nákladově efektivních řešení časování bylo urychleno potřebou konkurence CDMA s řešeními s nižšími náklady.^[8]

V základnové stanici je kromě standardních funkcí životně důležité přesné načasování a prostředky k jeho udržení pomocí pozdržení pro služby, jako je E911^[5]

GPS jako zdroj načasování je klíčovou součástí nejen Synchronizace v telekomunikacích ale na kritickou infrastrukturu obecně.^[9] Z 18 kritických zdrojů a klíčové infrastruktury (CIKR^[10]) sektory, 15 pro správné fungování používá časování odvozené z GPS.^[11] Jednou z pozoruhodných aplikací, kde je důležitá vysoce přesná načasování přesnosti (a prostředky k jejímu udržení prostřednictvím pozdržení), je použití Synchrofázory v energetickém průmyslu k detekci poruch vedení.^[12] Další je v Nízká latence obchodní aplikace na kapitálových trzích.

Jak může selhat časování odvozené z GPS

GPS je citlivý na rušení a rušení, protože úroveň signálu je tak nízká^[13] a mohou být snadno zaplaveny jinými zdroji, které mohou být náhodné nebo záměrné.^[14] Protože GPS závisí na signálech přímé viditelnosti, může být narušen Městský kaňon efekty, například zpřístupnění GPS pouze některým místům v určitou denní dobu.

Výpadek GPS však zpočátku není problém, protože hodiny mohou být pozdrženy,^[15] umožnění zmírnění rušení stejně, jako to dovolí stabilita oscilátoru zajišťujícího přidržení.^[4] Čím stabilnější je oscilátor, tím déle může systém fungovat bez GPS.

Definování pozdržení

v Synchronizace v telekomunikacích pozdržení aplikací je definováno ETSI tak jako:

Provozní stav hodin, které ztratily svůj řídicí vstup a používají uložená data získaná v uzamčeném provozu k řízení svého výstupu. Uložená data se používají k řízení fázových a frekvenčních změn, což umožňuje reprodukci uzamčeného stavu v rámci specifikací. Pozastavení začíná, když výstup hodin již neodráží vliv připojené externí reference nebo přechod z ní. Pozastavení se ukončí, když se výstup hodin vrátí do stavu uzamčeného režimu.^[16]

Jeden lze považovat pozdržení za měřítko přesnosti nebo chyby získané hodinami, když není k dispozici žádná řídicí externí reference k opravě případných chyb.

MIL-PRF-55310^[17] definuje přesnost hodin jako:

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

Kde ${ displaystyle T_ {0}}$ je chyba synchronizace v ${ displaystyle t = 0}$; ${ displaystyle R (t)}$ je zlomkový frekvenční rozdíl mezi dvěma srovnávanými hodinami; ${ displaystyle epsilon (t)}$ je chyba způsobená náhodným šumem; ${ displaystyle R_ {0}}$ je ${ displaystyle R (t)}$ v ${ displaystyle t = 0}$; ${ displaystyle A}$ je lineární rychlost stárnutí a ${ displaystyle E_ {1} (t)}$ je frekvenční rozdíl způsobený vlivy prostředí.

Podobně ITU G.810^[18] definuje časovou chybu jako:

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

Kde ${ displaystyle x (t)}$ je časová chyba; ${ displaystyle x_ {0}}$ je časová chyba v ${ displaystyle t = 0}$; ${ displaystyle y_ {0}}$ je zlomková chyba frekvence při ${ displaystyle t = 0}$; ${ displaystyle D}$ je lineární rychlost driftu dílčí frekvence; ${ displaystyle phi (t)}$ je složka náhodné fázové odchylky a ${ displaystyle nu _ {nom}}$ je jmenovitá frekvence.

Provádění pozdržení

V aplikacích, které vyžadují synchronizaci (například bezdrátové základnové stanice) GPS hodiny se často používají a v této souvislosti se často nazývají a GPSDO (Disciplinovaný oscilátor GPS) nebo GPS TFS (zdroj času a frekvence GPS).^[19]

NIST definuje disciplinovaný oscilátor jako:

Oscilátor, jehož výstupní frekvence je nepřetržitě řízena (často pomocí smyčky fázového závěsu) tak, aby souhlasila s externí referencí. Například disciplinovaný oscilátor GPS (GPSDO) se obvykle skládá z křemenného nebo rubidiového oscilátoru, jehož výstupní frekvence je nepřetržitě řízena tak, aby souhlasila se signály vysílanými satelity GPS.^[20]

V GPSDO se používá signál GPS nebo GNSS jako externí reference, která řídí interní oscilátor.^[13] V moderním systému GPSDO jsou funkce zpracování a řízení GPS implementovány v mikroprocesoru, který umožňuje přímé srovnání referenčního signálu GPS s výstupem oscilátoru.^[8]

Moderní GPSDO

Mezi stavebními kameny řešení GPS čas a frekvence je klíčovým prvkem oscilátor^[11] a obvykle jsou postaveny kolem oscilátoru řízeného krystaly v peci (OCXO ) nebo a Rubidiové hodiny. Za dominantní faktory ovlivňující kvalitu referenčního oscilátoru se považuje stárnutí a teplotní stabilita. V závislosti na konstrukci oscilátoru však může mít barometrický tlak a relativní vlhkost alespoň stejně silný vliv na stabilitu křemenného oscilátoru.^{[Citace je zapotřebí ]} To, co se často označuje jako nestabilita „náhodnou procházkou“, je ve skutečnosti deterministický účinek parametrů prostředí. Ty lze měřit a modelovat, aby se výrazně zlepšila výkonnost křemenných oscilátorů. Přidání mikroprocesoru k referenčnímu oscilátoru může zlepšit teplotní stabilitu a výkon stárnutí^[21] Během pozdržení lze jakoukoli zbývající chybu hodin způsobenou stárnutím a teplotní nestabilitou napravit ovládacími mechanismy.^[22] Kombinace referenčního oscilátoru na bázi křemene (např OCXO ) a moderní korekční algoritmy mohou dosáhnout dobrých výsledků v aplikacích Holdover.^[23]

Schopnost pozdržení je pak zajištěna buď volně běžícím místním oscilátorem, nebo místním oscilátorem, který je řízen softwarem, který si zachovává znalosti o svém minulém výkonu.^[23] Nejstarší dokumentace takového úsilí pochází z tehdejšího Národního úřadu pro standardy v roce 1968 [Allan, Fey, Machlan a Barnes, „Ultra Precise Time Synchronization System Designed by Computer Simulation“, Frequency), kde analogový počítač sestávající z diskoví integrátoři implementovali regulační smyčku třetího řádu, aby opravili stárnutí frekvence oscilátoru. První implementace tohoto konceptu mikroprocesorem proběhla v roce 1983 [Bourke, Penrod, „Analýza mikroprocesorem řízeného disciplinovaného kmitočtového standardu“, Frequency Control Symposium], kde bylo použito vysílání Loran-C k ukázání velmi kvalitních křemenných oscilátorů jako cesium náhrada v synchronizaci telekomunikačních sítí. Základním cílem mechanismu řízení je zlepšit stabilitu hodin nebo oscilátoru při minimalizaci počtu potřebných kalibrací.^[1] V Holdover naučené chování OCXO se používá k předvídání a korekci budoucího chování.^[2] Takovým mechanismem lze zajistit účinné stárnutí a teplotní kompenzaci^[24] a návrhář systému čelí řadě možností pro algoritmy a techniky provádění této korekce, včetně extrapolace, interpolace a prediktivních filtrů (včetně Kalmanovy filtry ).^[25][26]

Jakmile jsou odstraněny bariéry stárnutí a vlivů na životní prostředí, jediným teoretickým omezením výkonu zadržení v takovém systému GPSDO je nepravidelnost nebo hluk v rychlosti driftu, který je kvantifikován pomocí metriky jako Allanova odchylka nebo Časová odchylka.^{[27][nespolehlivý zdroj? ]}

Složitost ve snaze předpovědět účinky na Holdover v důsledku systematických účinků, jako je stárnutí a teplotní stabilita a stochastických vlivů, jako je Náhodná procházka hluk má za následek šití na míru Holdover oscilátor řešení uváděná na trh.^[28]

Viz také

• Synchronizace
• Synchronizace v synchronních optických sítích
• Přenos času
• Měření času v globálním pozičním systému
• Přesný časový protokol

Reference

externí odkazy

• Časové a frekvenční systémy
• GPS disciplinované oscilátorové moduly s kompenzací Holdover
• Holdover oscilátory
• Disciplinované možnosti oscilátoru