бабулер78

Когерентная система единого точного времени для высокоскоростных магистралей

ШВАРЦ Михаил Львович,
ФГУП «ВНИИФТРИ», инженер лаборатории, канд. техн, наук, пгт. Менделееве, Московская обл., Россия

БАЛАЕВ Роман Игоревич, ФГУП «ВНИИФТРИ», научный сотрудник лаборатории, пгт. Менделееве, Московская обл., Россия

Ключевые слова: эталонные сигналы времени и частоты, шкала времени, синхронизация, волоконно-оптические линии связи, высокоскоростные магистрали
Аннотация. В статье описана актуальность системы единого точного времени для высокоскоростных железнодорожных магистралей, представлена перспективная когерентная система синхронизации, кратко изложена возможность подключения верхнего уровня когерентной сети к эталонам Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли.


Проекты создания и развития в России сети высокоскоростных железнодорожных магистралей имеют общегосударственное значение [1].
На примере железнодорожного транспорта можно убедиться в важности широко используемых технологических процессов, требующих строгой синхронизации по времени [2]. Так, для высокоскоростных железнодорожных магистралей требуется точная и надежная синхронизация, обеспечивающая функционирование железнодорожных приложений и систем, таких как системы ЖАТ и видеонаблюдения, радиосвязи LTE, информирования пассажиров, часо-фикации, компьютерные сети и др. Для этого необходимо создание системы единого точного времени, основанной на новых принципах построения систем частотно-временного обеспечения.
Появление новейших телекоммуникационных технологий, а также стремительный рост объемов трафика и предоставляемых абоненту услуг неизбежно формируют новые требования к системам синхронизации сетей связи. В то время как традиционная тактовая сетевая синхронизация основывается на частотном принципе, развивающиеся беспроводные сети требуют также временной синхронизации. В связи с этим традиционные методы и модели частотно-временного обеспечения необходимо адаптировать к особенностям сетей нового поколения.
Требования стандарта IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020 Standard) предполагают минимизацию вариации задержки пакетов до десятков наносекунд, в том числе за счет специализированных алгоритмов управления коммутацией пакетов. При развертывании сетей связи пятого поколения одним из критически важных показателей является задержка пакетной передачи, которая зависит от параметров синхронизации шкал времени в коммутационных устройствах транспортной сети.


Для подсистемы базовых станций в сетях 5/6G существенно повышены требования к точности временной синхронизации, которая не должна превышать 150-200 нс. Такое ужесточение норм для временной синхронизации приводит к необходимости повышения точности установки частоты эталонных источников сетевой синхронизации, т. е. первичных эталонных генераторов (ПЭГ) и первичных эталонных источников (ПЭИ).
Международным союзом электросвязи в области телекоммуникаций (МСЭ-Т, англ. ITU-T) не только предписаны обновленные и более жесткие требования к эталонным источникам сигналов частотной и временной синхронизации, но и введены определения модернизированных эталонных источников сигналов синхронизации. К таким источникам относятся ПЭГ (и улучшенные ПЭГ или сокращенно уПЭГ, англ. - ePRC), первичный эталон времени и частоты ПЭВЧ (и уПЭВЧ, англ. - ePRTC) и, в перспективе, -модернизированный ПЭИ или источник сигналов синхронизации ИСС (и уИСС, англ. - eAPTS).
Требования к уПЭГ, описанные в рекомендации МСЭ-Т G.811.1 (timing characteristics of enhanced primary reference clocks), предназначены для работы систем частотной синхронизации перспективных систем связи. Требования к уПЭВЧ приведены в рекомендации МСЭ-Т G.8272.1 (timing characteristics of enhanced primary reference time clocks). Они необходимы для работы систем временной синхронизации стандартов связи 5G и выше.
В Приложение 6 рекомендации МСЭ-Т G.8275/Y.1369 МСЭ-Т (architecture and requirements for packet-based time and phase distribution) введено понятие когерентного кгПЭВЧ (Coherent PRTC - cnPRTC). Основные отличия системы связанных кгПЭВЧ заключаются в организации мониторинга и проведения сличений их часов внутри самой системы. Под когерентностью в данном случае понимается синхронизация ПЭВЧ не только по частоте, но и по фазе. При этом система кгПЭВЧ представляет собой распределенный групповой эталон частоты и времени, формирующий единую групповую шкалу времени для всех входящих в него кгПЭВЧ.
Функциональная схема кгПЭВЧ согласно рекомендации МСЭ-TG.8275 показана на рис. 1, где ГЭВЧ - Государственные эталоны времени и частоты, входящие в состав эталонной базы Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ); ШВ -шкала времени; ГНСС - глобальные навигационные спутниковые системы; КВ - код времени, NTP (Network Time Protocol) - протокол сетевого времени; РТР (Precision Time Protocol) - прецизионный протокол времени; F, f - сигнал частоты; 1 PPS - импульсный сигнал с частотой 1 Гц, передний фронт которого соответствует моменту начала отсчета новой секунды. Упрощенная схема когерентной сети [3] изображена на рис. 2.
В целях повышения точности формирования шкалы времени систему кгПЭВЧ необходимо обеспечивать на самых высоких уровнях сетевой иерархии эталонными сигналами частоты и времени (ЭСЧВ) от стандартов времени и частоты, входящих в состав эталонной базы ГСВЧ. Эта служба представляет собой постоянно функционирующую систему технических средств и организаций федеральных органов исполнительной власти РФ, объединенных деятельностью по обеспечению потребностей государства в эталонных сигналах частоты и времени ЭСЧВ, а также в информации о параметрах вращения Земли (ПВЗ), точном значении московского времени и календарной дате [4]. На рис. 3 представлена упрощенная схема верхнего уровня когерентной сети (ядро).
Информация, распространяемая ГСВЧ, формируется на основе национальной шкалы времени UTC (SU). Она является официальной, общедоступной и обязательной на территории Российской Федерации. ГСВЧ включает в себя комплекс средств формирования национальной шкалы времени UTC (SU), в состав которого входит Государственный первичный эталон ГЭТ 1-2022 (ГЭВЧ), вторичные эталоны Росстандарта и других министерств и ведомств, средства сличения шкал времени (рис. 4). Обозначения на рисунке: ГЭВЧ (ГЭТ 1-2022) - Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени UTC (SU); ВЭ-31 -вторичный эталон единиц времени и частоты, ВЭТ 1-5/ВЭТ 1-7/ВЭТ 1-19/ВЭТ 1-41 - государственные вторичные эталоны единиц времени и частоты; НАП КНС - навигационная аппаратура потребителей космических навигационных систем; TWSTFT-двунаправленная спутниковая передача времени и частоты.
Кроме того, ГСВЧ имеет комплекс средств передачи размеров единиц времени, частоты и шкалы координированного времени UTC (SU) от ГЭВЧ к эталонным и рабочим средствам измерений с целью обеспечения единства измерений в стране.
Способы доставки ЭСЧВ к элементам сети в составе информационных пакетов порождают ряд острых проблем, связанных с появлением неуправляемой девиации задержек синхросигналов в процессе доставки к сетевым узлам. Вследствие таких задержек появляются дополнительные шумы и искажения в передаваемых пакетных сигналах, что может привести к нарушению процесса синхронизации шкалы времени. При этом рассинхронизация шкал времени обусловлена используемым методом асинхронного пакетного информационного обмена, остро реагирующего на степень загруженности пакетной сети [5].
В связи с этим в настоящий момент для высокоточной синхронизации шкал времени в пределах от десятков нс до единиц мкс в пакетных сетях применяется протокол прецизионного времени - Precision Time Protocol (РТР), описанный в стандарте IEEE 1588v2 2008 г. Основой для работы данного протокола служат программно-аппаратные часы, встроенные в оборудование транспортной сети и потребителя (например, в базовые станции), а также система тактовой (частотной) синхронизации потоков GigaBitEthernet (система Synchro Ethernet - SyncE). Особенностью часов РТР-протокола является обработка пакетов РТР в обход ядра коммутации на аппаратном (физическом) уровне, что позволяет снизить зависимость вариации задержки от загрузки сетевым трафиком.
Так, для построения системы частотно-временного обеспечения в современных сетях необходимо применение маршрутизаторов и коммутаторов со встроенной программно-аппаратной поддержкой системы тактовой синхронизации SyncE и протокола PTPv2.
При этом для обеспечения передачи ШВ от стандартов времени и частоты ГСВЧ к системе кгПЭВЧ или внутри самой системы кгПЭВЧ необходима точность временной синхронизации в пределах единиц нс. Эти критерии реализуются в новом варианте протокола PTPv2.1 (стандарт IEEE1588v2.1-2019), ранее известного под названием White Rabbit (белый кролик). Он значительно сложнее PTPv2 (IЕЕЕ1588v2-2008), но позволяет обеспечить точность подстройки удаленных ведомых часов с субнаносе-кундной точностью.
При построении систем временной синхронизации необходимо учитывать, что данные о начальной фазе отсчета секунды и текущее значение кода времени не являются физическими величинами, которые можно воспроизвести с помощью эталонов. Эти параметры административно назначены и поддерживаются международной шкалой UTC, в том числе и ГЭВЧ России.


Поэтому все ведущие сетевые часы должны иметь постоянную привязку к шкале времени UTC. Наиболее распространенным способом привязки ведущих часов к ШВ UTC служат использование приемников сигналов ГНСС. Собственно ГНСС представляет собой канал доставки данных о ШВ от ГЭВЧ к оборудованию потребителей.
Однако необходимо учесть, что работа приемников сигналов ГНСС сильно зависит от внешней помеховой обстановки, от всевозможных индустриальных помех и работы мешающих передатчиков. Таким образом, надежность данного метода зачастую не достаточна для объектов критически важной инфраструктуры и таит в себе опасность потери синхронизации отдельных узлов или целых фрагментов сети связи.
В этой связи особое внимание следует уделить альтернативному спутниковым каналам способу доставки ЭСЧВ с помощью волоконно-оптических систем передачи [6]. Такой подход обладает рядом преимуществ, т.к. он не подвержен электромагнитным воздействиям, включая преднамеренные помехи, и не связан с особенностями размещения антенн спутниковых радионавигационных систем [7]. Основные преимущества систем передачи ЭСЧВ по ВОЛС заключаются в высокой точности, а также возможности проведения измерений в режиме реального времени, в том числе осуществления постоянного мониторинга работы системы единого точного времени (СЕТВ).
Совместное использование выделенных линий ВОЛС и спутниковых каналов обеспечит прослежи
ваемость формируемой шкалы когерентной сети относительно национальной шкалы времени РФ UTC (SU), позволит поддерживать ее точность в масштабе всей сети, включая периоды потери приема сигналов ГНСС, и достичь требуемых метрологических характеристик источников синхронизации частотной и временной синхронизации
Потребность высокоскоростных железнодорожных магистралей в СЕТВ приводит к необходимости перехода от тактовой (частотной) синхронизации к системе частотно-временного обеспечения, которая базируется на новых типах генераторного оборудования, а также к интеграции подсистем частотно-временной синхронизации в оборудование систем связи.

Перспективным направлением является переход от синхронных систем связи к когерентным сетям, в основе которых будет использоваться общая для сетей связи различных операторов система частотно-временного обеспечения, опирающаяся на эталонные сигналы от стандартов времени и частоты ГСВЧ.
Для современных систем частотно-временного обеспечения необходима разработка новой нормативной базы и концепции перехода к когерентным системам синхронизации, организация межведомственного взаимодействия и объединения усилий сообщества производителей оборудования синхронизации, научных и проектных организаций, операторов связи, метрологических лабораторий.
Привязка системы единого и точного времени высокоскоростных железнодорожных магистралей к национальной шкале UTC (SU) служит залогом повышения устойчивости функционирования автоматизированных систем и технологических сетей железнодорожного транспорта, обеспечения безопасности движения высокоскоростных поездов и повышения эффективности перевозочного процесса.

СПИСОК источников

1. АО «Скоростные магистрали»: официальный сайт.' 2022. URL: http://www.hsrail.ru/
2. Обеспечение потребителей эталонными сигналами времени и частоты / С.И. Донченко, И.Ю. Блинов, А.Н. Малимон, Р.И. Балаев, О.В. Колмогоров, В.А. Воронин // Автоматика, связь, информатика. 2019. № 3. С. 12-15.
3. Шварц М.Л., Рыжков А.В. Современные тенденции развития систем сетевой синхронизации в сетях электросвязи. От плезиохронных до когерентных сетей // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2021. № 4. С. 27-39.
4. Научно-исследовательское отделение Главный метрологический центр государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ (НИО-7)) // ФГУП «ВНИИФТРИ»: официальный сайт. 2020. URL: https://www.vniiftri.ru/about/ departments/nauchno-issledovatelskoe-otdelenie-glavnyy-metrologicheskiy-tsentr-gosudarstvennoy-sluzhby-vremeni-i/.
5. Формирование шкал времени устройств частотно-временного обеспечения методом структурного анализа / С.Д. Петров, И.В. Чекунов, В.А. Усачев, А.Г. Топорков, В.В. Корянов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. Вып. 8. С. 7.
6. Балаев Р.И. Современные требования к обеспечению сетей связи нового поколения эталонными сигналами времени и частоты //Альманах современной метрологии. 2021. № 4 (28). С. 109-114.
7. Рыжков А.В., Шварц М.Л. Пути формирования прецизионной шкалы времени национальной сети связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Том 14, № 2. С. 17-24.