Построение системы единого времени на основе синхронных сетей

[Admin]

Построение системы единого времени на основе синхронных сетей

О.К. ВАСИЛЬЕВ, заведующий лабораторией общесетевых проблем связи ВНИИАС
Е.О. НОВОЖИЛОВ, главный конструктор отделения связи
А.В. РЫЖКОВ, главный специалист ЗАО «Компания ТрансТелеКом»

В «АСИ», 2006 г., № 4 в статье «Система единого времени в АСУ ОАО «РЖД»» рассматривалась проблема реализации единого времени в рамках отдельной АСУ, а также общие вопросы построения системы единого времени (СЕВ) для ОАО «РЖД». Продолжая тему, предлагаем читателям познакомиться с особенностями и перспективами реализации СЕВ ОАО «РЖД» при использовании сетей связи синхронной цифровой иерархии, поскольку передача сигналов времени по синхронным сетям электросвязи является перспективным направлением для сетей операторского класса.

Актуальность передачи сигналов точного времени обусловлена развитием автоматизированных систем управления, биллинговых систем, систем безопасности, электронного документооборота, а также совершенствованием телекоммуникационного оборудования в условиях перехода к сетям нового поколения.

Под системой единого времени (СЕВ) часто понимают локальные хронометрические системы, осуществляющие, например, часофикацию предприятия или синхронизацию деятельности лаборатории или программно-технического комплекса по времени. Для железнодорожного транспорта система единого времени представляет собой автоматизированный территориально распределенный комплекс программно-технических средств, осуществляющих воспроизведение, хранение единиц времени и частоты, выдачу сигналов времени (СВ) с заданной точностью, соответствующих шкале координированного времени Российской Федерации, а также стандартных частот.

Гражданским точным временем в большинстве стран мира, включая Россию, является координированное время, воспроизводимое национальным эталоном. В России источником сигналов точного времени служат государственные эталоны Госстандарта [1]. Для передачи единиц времени пользователю применяются различные телекоммуникационные средства, включая радиостанции, спутниковые радионавигационные системы (СРНС), сети передачи данных, телефонные линии и др.

Известно, что при распространении СВ по линиям передачи происходит их задержка, из-за чего информация о времени может поступить к пользователю с некоторым опозданием. Применяются различные методы компенсации задержки.

В зависимости от применяемых средств и методов распространения СВ обеспечивается их различная точность. Она характеризуется величиной отклонения (погрешностью) получаемого значения времени от соответствующего значения времени эталона. Точность сигналов является одной из важнейших характеристик СЕВ.

Рассмотрим методы и средства распространения сигналов времени от эталонного источника до пользователя, а также средства формирования и хранения шкалы времени, на основе которых целесообразно построение СЕВ ОАО «РЖД».

МЕТОДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Существуют два основных метода распространения СВ от источника до пользователя: передача в одном направлении и двунаправленная (дуплексная).

При первом методе погрешность получаемых СВ определяется задержкой сигнала в оборудовании и среде передачи. Задержка сигнала в среде передачи (радиоэфире, электрическом кабеле, оптическом волокне) зависит от скорости его распространения в этой среде и линейно возрастает с увеличением длины соединения. При известных длине соединения и величине задержки, вносимой оборудованием, задержка распространения сигнала может быть компенсирована на стороне пользователя.

Преимущество метода заключается в простоте его реализации, существенный недостаток - зависимость скорости распространения сигнала от температуры в некоторых средах передачи. К тому же задержку сигнала, вносимую оборудованием на передающем и приемном концах, довольно трудно оценить или измерить.

При втором методе задержка получаемых СВ компенсируется по данным измерения так называемой круговой задержки сигнала - времени распространения сигнала в последовательно включенных каналах прямого и обратного направления. Метод измерения круговой задержки подробно описан в [2]. Для реализации этого метода формируются две шкалы времени: одна - на стороне источника СВ, другая - пользователя.

Достоинство метода заключается в его высокой точности, недостаток определяется неравенством задержек распространения сигнала в прямом и обратном направлениях (асимметрия задержек). Из-за этого шкала времени пользователя приобретает погрешность относительно шкалы источника, равную половине асимметрии задержек. Асимметрию задержек формируют как линии связи, так и оборудование систем передачи.

Следует отметить, что в литературе при описании синхронизации сигналов времени с использованием двунаправленного метода распространения практически не уделяется внимание влиянию асимметрии задержки.

Относительно применения рассмотренных методов можно сказать, что однонаправленное распространение сигналов используется в основном в радиосистемах (радиостанции, СРНС), двунаправленное - в проводных (фиксированных) системах связи, а также в системах TWSTFT (Two-way Satellite Time and Frequency Transfer - двунаправленная спутниковая передача времени и частоты).

Сравнение методов показывает ряд преимуществ второго из них. Величина задержек распространения в телекоммуникационном оборудовании не регламентируется нормативными документами, а асимметрия задержки двунаправленного канала, в частности сети синхронной цифровой иерархии, по экспериментальным данным, полученным авторами [3], значительно меньше величины задержки распространения сигнала в одном направлении (см. таблицу). Согласно данным таблицы можно предположить, что у этого метода отсутствует прямая зависимость погрешности от длины соединения.

СРЕДСТВА РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Наиболее широкое применение для распространения сигналов времени получили два типа средств: СРНС и сети передачи данных TCP/IP.

В качестве источников СВ в нашей стране и за рубежом применяются СРНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Проектируется европейская СРНС ГАЛЛИЛЕО. Преимущества СРНС состоят в высоких характеристиках точности СВ, доступности в любой точке земного шара, освоении производства приемного оборудования многими изготовителями. Однако эти системы имеют недостатки, не всегда заметные на первый взгляд.

Для системы GPS - это принадлежность иностранному государству. В России ее сигналы допускается использовать лишь в качестве резервных [4].

Отечественная система ГЛОНАСС не имеет полной группировки спутников, а ее развитие и восполнение в большой степени зависят от экономического состояния государства. К тому же установлено [5], что между шкалой системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU) расхождение не должно превышать 10-3 с, но некоторые пользователи могут предъявлять более высокие требования к точности привязки. Это соответственно потребует привлечения дополнительных средств.

Следует подчеркнуть, что на сегодняшний день отсутствуют нормативно-правовые документы, гарантирующие качество координатно-временной информации, получаемой от СРНС. По предварительным данным такие требования планируется предъявить к системе ГАЛЛИЛЕО.

Сигналы систем ГЛОНАСС и GPS имеют у поверхности Земли уровень около -160 дБВт, при котором несложно создать преднамеренные помехи приему сигналов [6]. Кроме того, возможно влияние индустриальных и непреднамеренных помех.

К тому же для обеспечения надежности СВ при неисправности приемника СРНС или временной недоступности сигналов приемное устройство должно применяться совместно с хранителем шкалы времени, что значительно увеличивает стоимость системы при большом количестве пользователей (рис. 1). Хранение шкалы времени значительно повышает надежность СЕВ и является одной из основных ее задач.

В последнее время широкое распространение получила передача СВ по сетям TCP/IP с использованием протокола NTP (Network Time Protocol - Сетевой протокол времени, по RFC 1305) и серверов времени NTP, образующих иерархическую структуру (рис. 2). Серверы NTP уровня 1 (Stratum 1) являются аппаратно-программными и имеют входы для получения СВ от эталонного источника, а также опцию хранения шкалы времени. В литературе приводятся точности синхронизации по времени, достигаемые средствами NTP: 1 мс - в локальных сетях, 10 мс - в сети Интернет. Протокол PTP (Precise Time Protocol - Протокол точного времени по IEEE 1588) при определенных условиях обеспечивает точность синхронизации времени в локальных сетях до 1 мкс.

Протоколы NTP и РТР используют распространение Св по двунаправленному каналу и синхронизацию шкал времени.

На практике в зависимости от пропускной способности и трафика вычислительной сети точность синхронизации по времени может быть гораздо хуже приведенной. Причем микросекундная точность СВ в асинхронных сетях TCP/IP нуждается в метрологической проверке и подтверждении, поскольку сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, как и всякое телекоммуникационное оборудование, имеют ненулевую асимметрию задержки, приводящую к систематической погрешности. Допустимые значения задержек, а также их асимметрии не регламентированы нормативными документами. К тому же авторам, к сожалению, не удалось обнаружить в литературе описания проверки точности синхронизации по времени серверных и клиентских средств NTP (PTP).

Наиболее часто для построения СЕВ применяют комбинацию рассмотренных технических средств, при которой серверы NTP получают в качестве опорных СВ сигналы, принятые приемником СРНС. Применение различных средств обусловлено стремлением к компромиссу между сложностью и стоимостью системы, с одной стороны, и информационной безопасностью, надежностью и точностью - с другой.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИНХРОННЫХ СЕТЕЙ

Альтернативным решением для использования в качестве средства распространения СВ являются цифровые сети электросвязи. При этом сети синхронной цифровой иерархии (СЦИ) обладают рядом преимуществ по сравнению с другими фиксированными сетями связи. Они имеют синхронный режим передачи, регулярные фазовые соотношения между нагрузкой и заголовком и отсутствие выравнивания скоростей компонентных сигналов, что обусловливает постоянство задержек распространения. Наличие системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) дает возможность точного формирования и хранения шкалы времени на каждом узле. Кроме того, сеть СЦИ обеспечивает высокую точность передачи сигналов (до 10-7 с), а использование в качестве среды передачи волоконно-оптических линий создает высокую электромагнитную защищенность.

Передача СВ по сетям СЦИ по показателям точности не уступает СРНС, но одновременно с этим достигается более высокая степень информационной безопасности и независимость от электромагнитного влияния. При этом возможна передача СВ непосредственно от Государственного эталона времени до потребителя, что позволяет осуществлять метрологический контроль СЕВ государственной, межрегиональной и межотраслевой службами времени и частоты.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о целесообразности построения СЕВ ОАО «РЖД» на основе сетей связи СЦИ.

РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ЕДИНОГО ВРЕМЕНИ

Целесообразно построение СЕВ с двухуровневой архитектурой. Верхний уровень (опорная сеть СЕВ) -между государственным эталоном времени и узлами сети - будет отвечать жестким требованиям по качеству характеристик, нижний - между узлом сети СЦИ и пользователями - учитывать требования последних.

Если пользователю СЕВ потребуется высокая точность сигналов времени (0,01...1 мс), на нижнем уровне возможно предусмотреть их распространение по каналам электросвязи, так же, как на верхнем. При необходимости от узла сети до пользователя может быть проложен вОк и установлено оборудование систем передачи. Если высокая точность не требуется, на нижнем уровне целесообразно применение средств NTP в рамках локальной сети с переходом в перспективе на протокол PTP. Сервер NTP/PTP в локальной сети будет получать сигналы от эталонного источника верхнего уровня, что обеспечит высокую точность времени. В этом случае отпадает необходимость наличия на серверах функции хранения шкалы времени, поскольку она будет осуществляться на верхнем уровне.

Для реализации верхнего уровня СЕВ ОАО «РЖД», отвечающей современным требованиям по точности и информационной безопасности, предусматривается использование государственного эталона времени в качестве основного источника СВ, приемников СРНС ГЛОНАСС как резервных опорных источников. Для формирования и хранения местных шкал времени на узлах СЕВ - применение сигналов ТСС сети СЦИ, для распространения СВ - каналов сети связи СЦИ. Синхронизация местных шкал времени узлов СЕВ со шкалой государственного эталона - методом двунаправленного распространения сигнала.

Таким образом, опорная сеть СЕВ состоит из узлов, на каждом из которых формируется местная шкала времени на основе сигналов системы ТСС, получаемых от сетевых элементов или непосредственно от генераторного оборудования. Узел СЕВ образует аппаратура распределения сигналов времени, осуществляющая формирование и хранение шкалы времени, а также распространение сигналов времени между узлами по двунаправленным цифровым каналам Е1 сети СЦИ (рис. 3).

Специально разработанная аппаратура распределения сигналов времени, реализующая методы формирования и хранения шкалы времени на основе сигналов ТСС, а также распространения СВ с использованием двунаправленного канала Е1 сети СЦИ, показала потенциально высокие характеристики точности при компенсации асимметрии задержек в канале передачи.

Следует отметить, что авторами подана заявка на патент «Способ построения системы единого времени с использованием двунаправленных цифровых каналов электросвязи».

ЛИТЕРАТУРА

1. Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» № 4871-1 от 23 апреля 1993 г.

2. Mills D.L. Improved Algorithms for Synchronizing Computer Network Clocks // IEEE Trans. Networks. - 1995. -Jun.

3. Р ы ж к о в А. В., Н о в о ж и л о в Е. О., Л е г о -т и н Н. Н., К о л т у н о в М. Н., Е р е м и н Е. В. Наземный сегмент Государственной службы времени и частоты. // Электросвязь.-2007. - № 2. - C. 42-44.

4. Приказ № 44 от 15.03.99 г. Госкомсвязи и информатизации РФ «Об использовании отечественной глобальной спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС на сетях связи Российской Федерации».

5. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ (Редакция 5.0). Москва, 2002.

6. Ж о л н е р о в В. С., М а л ю к о в С. Н., Ш а б ш а ев и ч Б. В. Оценка доступности и целостности интегральной радионавигационной системы // Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 13.- 2005. - С. 182-191.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin