Методика и модели формирования сети синхронизации в оптических транспортных сетях со спектральным разделением каналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Прошин Федор Алексеевич

• Прошин Федор Алексеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Прошин Федор Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ФОРМИРОВАНИЯ СЕТИ СИНХРОНИЗАЦИИ НА ТРАНСПОРТНОМ УРОВНЕ

1.1 Общая характеристика ОТК как технологии транспортного уровня

1.2 Анализ технологий построения сетей синхронизации

1.3 Особенности синхронизации в OTN

1.4 Анализ функциональности OTN с точки зрения единой системы частотно-временного обеспечения

1.5 Анализ нормативной документации в области синхронизации

сетей связи

1.6 Анализ проблем применения пакетных методов синхронизации

1.7 Предлагаемая архитектура сети синхронизации на базе OTN

1.8 Формализованная постановка задачи научного исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 2 МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЛОКА СИНХРОНИЗАЦИИ И ПРОЦЕССА СИНХРОНИЗАЦИИ ШКАЛ ВРЕМЕНИ

2.1 Анализ подходов к моделированию процесса синхронизации узлов телекоммуникационной сети

2.2 Модель функционирования блока синхронизации при нарушении

режима устойчивой синхронизации

2.2.1 Аналитическая модель

2.2.2 Имитационная модель

2.3 Модель синхронизации шкалы времени с передачей меток через

уровень нагрузки OTN

2.3.1 Модель шкалы времени

2.3.2 Соединение без промежуточных узлов ОТК

2.3.3 Соединение с промежуточными узлами ОТК

2.4 Модель синхронизации шкалы через канал сообщений

синхронизации OTN

Выводы по главе

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ СЕТИ СИНХРОНИЗАЦИИ ОТК

3.1 Описание методики

3.2 Состав цепей синхронизации

3.3 Установление иерархии часов

3.4 Алгоритм кластеризации Маркова

3.4.1 Понятие случайного блуждания на графе

3.4.2 Параметры алгоритма кластеризации и его применение

Выводы по главе

ГЛАВА 4 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ БЛОКА СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ В ОТК

4.1 Структура блока синхронизации

4.1.1 Модуль временной синхронизации

4.1.2 Модуль тактовой синхронизации

4.2 Аппаратно-программная реализация

4.2.1 Анализ подходов к реализации РТР

4.2.2 Выбор электронно-компонентной базы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ Исследование процессов синхронизации на разработанном стенде

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика и модели формирования сети синхронизации в оптических транспортных сетях со спектральным разделением каналов»

Актуальность темы исследования

Современные телекоммуникационные сети представляют собой сложный комплекс, который включает сетевые узлы и станции, а также линии передачи, которые создают сетевые тракты и логические каналы передачи. Нагрузка на каналы существующих систем передачи постоянно возрастает, при этом также меняется структура передаваемой информации, что проявляется в разнородности обслуживаемого трафика - значительную часть составляют данные пакетных сетей, выходящих с уровня доступа на транспортный уровень, передающих преимущественно трафик Ethernet, в том числе используемый для передачи голоса и организации конференций, управления технологическими процессами и энергетическими объектами, передачи данных в сетях мобильной связи различных поколений. При этом важность предоставления традиционных телефонных каналов, критичных к задержкам, также сохраняется. Соответственно, каждый пользователь должен обслуживаться в соответствии с требованиями по точности синхронизации и допустимой задержке обработки, задаваемыми конкретным сервисом, что требует от сети обеспечения соответствующих механизмов переноса сигналов синхронизации и технических средств, реализующих их обработку.

Прекращение ведущими производителями телекоммуникационного оборудования разработок в области оборудования синхронной цифровой иерархии (СЦИ) и, соответственно, поддержки функционирования сетей тактовой сетевой синхронизации (ТСС) на основе данной технологии поднимают вопрос об обеспечении тактовой синхронизацией существующих потребителей в условиях перехода к технологии оптической транспортной сети (англ. - Optical Transport Network, OTN) и пакетным технологиям канального уровня. Тем не менее, тактовая синхронизация важна для обеспечения стабильности функционирования сети. Кроме того, растущая потребность в сигналах точного времени также требует обеспечения синхронизации фазы и времени на уровне узлов OTN, к которым присоединяются участки сетей или непосредственно потребители,

функционирование которых возможно только при синхронизации шкал времени с высокой точностью.

Оборудование ОТК, само по себе, асинхронно, а это сказывается на точности передачи сигналов синхронизации, которые уровень ОТК должен прозрачно передать до присоединяемого потребителя или присоединяемой сети для последующей передачи конечному пользователю. Следовательно, задача формирования сетевой синхронизации на уровне ОТК, способной обеспечить единство шкалы времени на каждом узле, становится актуальной, особенно, в условиях непрерывного роста количества передаваемых данных, скорости их обработки, повышения требований к точности передачи данных, связанных с критичными ко времени приложениями. Также актуальность данной задачи объясняется активным внедрением технологии ОТК для построения опорных сетей сотовой связи. Следует учитывать, что постоянно расширяется спектр требовательных ко времени сервисов и сфер применения, использующих ОТК в качестве транспортной сети, а технология ОТК внедряется не только на уровне магистральных сетей в сотни километров, но и в условиях городской инфраструктуры.

Кроме того, действующие зарубежные, в том числе [1, 2], и отечественные [3] нормативные документы в области синхронизации сетей связи утверждают, что уровень ОТК не предназначен для работы с сигналами синхронизации, за исключением прозрачной передачи тактовой частоты с пользовательскими цифровыми потоками. При этом в ряде документов, регламентирующих синхронизацию по фазе и времени [4, 5], можно найти предпосылки к созданию единых механизмов переноса сигналов синхронизации на уровне цифровой структуры ОТК, что говорит об актуальности исследований в данной области.

Таким образом, выявлены следующие противоречия:

- практическое - между наличием потребности в частотной, фазовой и временной синхронизации сервисов и приложений (потребителей) через ОТК в условиях полного перехода на пакетные технологии канального уровня и

отсутствием технической возможности со стороны оборудования OTN в штатном режиме обрабатывать сигналы синхронизации;

- теоретическое - между имеющейся со стороны клиентов потребностью в получении синхронизации через OTN и отсутствием методики и моделей формирования сети синхронизации в OTN.

Степень разработанности проблемы. Вопросам анализа структуры, построения и эксплуатации сетей синхронизации посвящены работы Давыдкина П. Н., Колтунова М. Н., Рыжкова А. В., С. Брени. Кроме того, труды Рыжкова А. В., Шварца М. Л. внесли значительный вклад в исследование проблематики систем частотно-временного обеспечения (ЧВО) и методику измерения параметров синхронизации шкал времени, в их работах обосновывается положительный эффект от совместного применения тактовой и временной синхронизации. Работы Канаева А. К. направлены на решение вопросов в области применения протоколов временной синхронизации в условиях перехода к сетям на основе коммутации пакетов, а также на формирование аппарата моделирования процесса функционирования сетей связи. Фундаментальные исследования, связанные с синхронизацией сетей связи проведены зарубежными авторами J.-L. Ferrant, M. Gilson, S. Jobert. V. Mayer, L. Montini, V. Ouelette, S. Rodrigues, S. Ruffini. Следует отметить труды D. D. Chowdhury, рассматривающего проблемы синхронизации применительно к сетям следующего поколения.

Несмотря на внушительный объём нормативных документов, исследований, проведённых в области синхронизации сетей связи, и большой практический опыт эксплуатации сетей, необходимость построения единой структуры сети синхронизации на уровне OTN в них либо не рассматривается, либо обозначается как перспективное направление для дальнейшего исследования. При этом отсутствуют нормативные документы и научные работы, в которых описывается состав оборудования OTN, реализующего обработку сигналов синхронизации, функциональные требования к нему, а также методика построения сети синхронизации.

Гипотеза исследования заключается в том, что организация сети синхронизации в ОТК возможна при адаптации существующих и создании новых технических средств в сочетании с разработкой моделей синхронизации шкалы времени и методики формирования сети синхронизации.

Целью диссертационной работы является обеспечение синхронизации шкал времени узлов сети ОТЫ в условиях полного перехода на пакетные технологии канального уровня.

Научная задача сформулирована следующим образом: разработка моделей процессов частотно-временной синхронизации узлов ОТЫ и методики формирования сети синхронизации в ОТК Для решения поставленной задачи сформулированы и решены частные задачи исследования:

1. Произведён анализ зарубежной и отечественной нормативной базы в части построения сетей синхронизации и требований к передаче сигналов синхронизации через ОТК

2. Разработана архитектура сети синхронизации, построенной на базе ОТЫ, с учётом новой сформированной группы сетевых элементов.

3. Разработаны аналитическая и имитационная модель процесса функционирования блока синхронизации ОТК в условиях пропадания сигналов синхронизации.

4. Разработаны модели процессов синхронизации локальной шкалы времени на мультиплексоре ОТК и устройствах, присоединяемых к ОТК.

5. Разработана методика формирования сети синхронизации в ОТЫ, в составе которой реализован Марковский алгоритм кластеризации для формирования доменной структуры.

6. Разработана структура блока синхронизации мультиплексора ОТК, обеспечивающего формирование на узле локальной шкалы времени, поддерживаемой сигналами частотной и временной синхронизации.

Объектом исследования является сеть синхронизации в оптической транспортной сети со спектральным разделением каналов.

Предметом исследования являются модели процесса частотно-временной синхронизации шкал времени и методика формирования сети синхронизации в сети ОТК

Научная новизна заключается в получении новых результатов, а именно:

1. Разработанной архитектуре сети синхронизации в ОТК, отличающейся наличием механизмов взаимодействия устройств ОТК с системой частотно-временного обеспечения, позволяющая передавать и обрабатывать сигналы частотной и временной синхронизации.

2. Разработанных предложениях по формированию новой группы элементов сетей синхронизации в сетях OTN, что способствует развитию нормативной документации в части профилей синхронизации.

3. Разработанных моделях процесса функционирования блока синхронизации с разделением функций тактовой и временной синхронизации, отличающихся включением блока в состав мультиплексора ОТК и разделением на модули частотной и временной синхронизации.

4. Разработанных моделях синхронизации шкалы времени, отличающихся от известных тем, что:

- учитывают многоуровневость структуры ОТК, позволяющей использовать для передачи сигналов синхронизации пользовательские и сервисные каналы;

- позволяют подобрать конфигурацию цепей синхронизации, при который обеспечивается заданная точность синхронизации;

- учитывают отклонение локальных часов в составе блока синхронизации, интегрированного в мультиплексор ОТК, вследствие дрейфа частоты генератора.

5. Разработанной методике формирования сети синхронизации в ОТК, отличающейся включением узлов ОТК в качестве элементов частотно-временного обеспечения, а также применением Марковского алгоритма кластеризации -метода кластеризации графов, учитывающего наличие физических маршрутов между сетевыми узлами.

6. Научно-технических предложениях по формированию структуры блока синхронизации мультиплексора ОТК, отличающегося наличием непосредственного доступа к служебным и пользовательским каналам, используемым в процессе синхронизации шкал времени, и сформированных рекомендациях по его аппаратно-программной реализации.

Теоретическая значимость заключается в том, что разработан комплекс математических моделей для новой предметной области, относящейся к процессам частотно-временной синхронизации шкал времени в оптических транспортных сетях со спектральным разделением каналов, а также создана методика формирования сети синхронизации в ОТК, которая с учётом научно-технических предложений расширяет теоретическую базу в области синхронизации телекоммуникационных сетей.

Практическая значимость работы состоит в применимости полученных результатов к проектированию сетей синхронизации в условиях применения ОТО.

Практическая значимость разработанных математических моделей заключается в возможности формирования требований к сети синхронизации в соответствии с вероятностно-временными характеристиками отдельных подпроцессов на этапе модернизации и проектирования сети синхронизации при различных условиях функционирования сетевых элементов.

Практическая значимость методики формирования сети синхронизации в ОТЫ состоит в возможности сформировать доменную структуру по критериям точности синхронизации и количества обслуживаемых устройств, а разработанные научно-технические предложения позволяют реализовать функциональность в части ЧВО непосредственно на оборудовании ОТК

Методы исследования. При проведении исследований использованы теоретические и экспериментальные методы.

Теоретические методы строятся на положениях теории систем, теории вероятностей, теории графов и сетей, теории надёжности и включают: системный, сетевой и кластерный анализ, синтез.

Экспериментальные методы, использованные в работе: лабораторный эксперимент с использованием разработанного макета и специализированного программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модели функционирования блока синхронизации мультиплексора OTN и процессов синхронизации шкал времени на узлах оптической транспортной сети.

2. Методика формирования сети синхронизации в составе сети OTN, реализующей частотно-временное обеспечение узлов транспортного уровня.

3. Научно-технические предложения по аппаратной и программной реализации блока синхронизации для мультиплексоров в сети OTN.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность результатов исследования подтверждается соответствием вероятностно-временных характеристик, полученных с помощью аналитического моделирования с применением аппарата топологического преобразования стохастических сетей, и результатов имитационного моделирования в среде AnyLogic. Кроме того, полученные данные не противоречат результатам, опубликованным в работах отечественных и зарубежных авторов, а также экспериментальным данным по результатам моделирования на разработанном автором лабораторном стенде.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертации докладывались на конференции IEEE «Systems of Signals Generating and Processing In the Field of On Board Communication», Москва, 2021; на XIV и XV Международных конференциях «Наука и образование - транспорту», Самара, 2021, 2022; на X, XI, XII, XIII Международных научно-технических и научно-методических конференциях «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО)», Санкт-Петербург, ежегодно с 2021 по 2024; на 76-й, 77-й, 78-й, 79-й научно-технических конференциях Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова, посвящённых Дню радио в секциях «Системы передачи

информации», Санкт-Петербург, 2021, «Телекоммуникации на железнодорожном транспорте», 2022 (2 доклада), 2023, 2024, Санкт-Петербург; на Международной научно-технической конференции, посвящённой юбилею СамГУПС, 2023.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи опубликованы в изданиях из списка рекомендованных ВАК для публикации результатов научных исследований и 1 статья опубликована в издании, индексируемом в международной базе данных Scopus.

Реализация и внедрение работы. Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях: ЗАО «Институт телекоммуникаций», АО «НИИ «Масштаб», а также при организации учебного процесса в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» на кафедре «Электрическая связь» для проведения занятий по дисциплинам «Многоканальная связь на железнодорожном транспорте», «Измерения в технике связи».

Структура и объём исследования. Диссертационная работа состоит и введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, списка сокращений, одного приложения, изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц и 57 рисунков.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ФОРМИРОВАНИЯ СЕТИ СИНХРОНИЗАЦИИ НА ТРАНСПОРТНОМ УРОВНЕ

1.1 Общая характеристика OTN как технологии транспортного уровня

Технология оптической транспортной сети (Optical Transport Network, OTN) на настоящее время представляет собой наиболее эффективный метод построения транспортного уровня сети, сочетая функции управления цифровыми потоками и разделение оптических каналов на физическом уровне. Прозрачность для передаваемого трафика позволяет, с одной стороны, использовать существующую инфраструктуру для повышения пропускной способности систем передачи, а с другой - обеспечить совместимость с существующими сетевыми технологиями, которые продолжают функционировать на различных участках телекоммуникационных сетей. Данная технология предоставляет функции управления цифровыми и оптическими каналами в системах передачи, использующих мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing - WDM). Главный принцип OTN заключается в размещении сигналов различного формата в стандартные байт-ориентированные структуры, называемые оптическими блоками.

На рисунке 1.1 приводится структура тракта OTN [6], показывающая особенности работы с оптическими и цифровыми каналами.

Рисунок 1.1 - Схема построения тракта OTN

Согласно [7] оптический блок нагрузки k-го порядка (Optical Payload Unit level k, OPUk) представляет собой байт-ориентированную циклическую цифровую структуру, которая предназначена для размещения сигналов, выступающих по отношению к OTN полезной нагрузкой. Блок состоит из поля нагрузки и заголовка (Overhead, OH), используемого для записи информации о типе и способе размещения данных. Для дальнейшей передачи через тракт сформированный OPUk преобразуется до оптического блока данных порядка k (Optical Data Unit level k, ODUk), который включает информационную составляющую в виде OPUk и служебную ODU OH, где содержится информация о маршруте передачи данных через OTN. На уровне ODU обеспечивается цифровая кросс-коммутация, при которой производится переключение между направлениями. После коммутации ODUk дополняется служебной информацией, связанной с контролем целостности и сигналами цикловой (англ. - Frame Alignment Signal, FAS) и сверхцикловой синхронизации (англ. - MultiFrame Alignment Signal, MFAS), до оптического транспортного блока порядка k (Optical Transport Unit level k, OTUk), при формировании которого также реализуется алгоритм упреждающей коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC).

Для перевода в оптическую среду OTUk проходит через модулятор, на выходе которого появляется сформированный оптический сигнал (Optical Channel, OCh), распространяющийся в оптической среде. При этом в OTN выделяются секции уровня оптического мультиплексирования (Optical Multiplex Section, OMS) и оптической передачи (Optical Transmission Section, OTS). Как видно из рисунка 1.1, OTU действует между точками ЭЯ-регенерации, в то время как ODU и OPU сохраняются до точек OTN-коммутации и выделения сигналов клиента, соответственно. Структура OTN-мультиплексора с функцией коммутации подробно рассмотрена в главе 4.

Для удобства отображения уровневой модели и разграничения функций цифровой структуры и оптической среды целесообразно воспользоваться диаграммой, изображённой на рисунке 1.2, полученной с учётом стандартной диаграммы уровней OTN [6].

Рисунок 1.2 - Структура уровней обработки сигналов в ОТК и взаимосвязь с моделью ОБ!

Каждый уровень связан с определённым типом сигналов. Уровни OPU, ODU, OTU работают с цифровым сигналом, представляющим собой байт-ориентированную структуру в виде кадров, которые формируют мультикадры. Технология OTN, с точки зрения эталонной модели взаимодействия открытых систем (англ. - Open Systems Interconnection, OSI) [8], относится первому уровню, тем не менее, продолжаются дискуссии о необходимости выделения нулевого уровня, относящегося к оптическим несущим, что позволит распределить структуру OTN между нулевым и первым уровнями. Вложенность данных уровней указывает на границы функционирования данных структур, что показано на рисунке 1.1. Соответствие уровней и скоростей передачи приводится в таблице 1. 1 [6, 7].

Таблица 1.1 - Блоки ODU и соответствующие нагрузки

ODU сервер Сигнал пользователя

ODUO 1,25 Гбит/с

ODU1 2,5 Гбит/с

ODU2 10 Гбит/с

ODU3 40 Гбит/с

ODU4 100 Гбит/с

ODUflex сигналы с постоянной скоростью более 2,5 Гбит/с; потоки пакетов со скоростями более 1,25 Гбит/с

ODUCn их 100 Гбит/с

Структура OTN складывается из цифровой и оптической составляющих [7]. На рисунке 1.3 показана цифровая структура, которая основывается на трёх основных типах транспортных блоков: OTUk, OTU25 и OTU50, OTUCn.

Сигналы клиента (STM-N, Ethernet, IP, MPLS и др.)

/ > / \ /

OPUj \

ODUj

OPUk

ODUk

OTU25 OTU50 OTUk, OTU4-SC, OTUk-v OTUkV OPUCn

OTU25-RS OTU5Q-RS ODUCn

OTUCn

FlcxO

Рисунок 1.3 - Цифровая структура OTN

Формат ОТПк представляет собой байт-ориентированную последовательность - кадр, который состоит из 4080 столбцов (включая 256 занимаемых FEC) и 4 строк. Индекс к указывает на уровень, определяющий скорость его передачи. При этом кадр формата ОТПк считается полностью стандартизованным, а форматы ОТПк-у и ОТПкУ - только функционально стандартизованными [7], что позволяет настроить некоторые параметры, например, БЕС в соответствии с условиями применения.

Форматы ОТи25 и 0ти50 также представляют собой кадры, но включают только 3824 столбца, так как БЕС для них не применяется. Сигналы такого формата используются для работы на скоростях 25 и 50 Гбит/с, что указано в их обозначении.

Формат ОТи Схп Гбит/с (ОТиСп) отличается от ОТШ5 (ОТШО) тем, что состоит из п перемежающихся кадров (интерливинг), каждый из которых содержит по 3824 столбца и 4 строки. Подобная структура, подверженная интерливингу,

передаётся со скоростью, в n раз большей скорости OTUC через соответствующий интерфейс Flexible OTN (FlexO) [9].

Оптическая структура [7] определяется с точки зрения применения оптических служебных каналов (заголовков):

а) отсутствие оптического заголовка (интерфейс «точка-точка»);

б) оптический заголовок, передаваемый в одном волокне с трибутарным оптическим сигналом (оптический сетевой интерфейс типа I);

в) оптический заголовок, передаваемый через выделенную сеть вне волокна, где передаётся трибутарный сигнал (оптический сетевой интерфейс типа II).

На рисунке 1.4 показана непосредственно оптическая структура [10]. При этом оптический заголовок (Overhead, -O) подразделяется на три логических уровня: OCh-O (OTSiG-O), OMS-O, OTS-O. Для обслуживания оптического канала используется заголовок OCh-O, действующий между модулятором и демодулятором. Заголовок OMS-O используется на протяжении секции мультиплексирования (OMS), то есть на участке между точками оптического мультиплексирования. Следовательно, заголовок OTS-O соответствует оптической секции передачи, которая располагается между оптическими усилителями или между оптическим мультиплексором и последующим линейным усилителем.

ODU

OTU

Цифровые уровни

OTSiA

Оптические сигналы

Конструкции среды передачи; OMS-, OTS-единицы управления оптическим каналом; информация, передаваемая с несвязанным заголовком

Уровень среды передачи

Рисунок 1.4 - Оптическая структура OTN

Технология OTN предоставляет возможность организации отдельного оптического заголовка, под передачу которого выделяется оптический канал. При этом использование данного канала предполагает наличие технической возможности его обработки и функций оптической коммутации [7].

1.2 Анализ технологий построения сетей синхронизации

Классически сетевая синхронизация решает задачи распределения сигналов частоты и времени по сетевым элементам, которые составляют единую сеть, распределённую на значительной территории [11]. Более точно следует сказать, что синхронизация представляет собой процесс подстройки значащих моментов цифрового сигнала с целью достижения и поддержания заданных временных соотношений [12]. Для сети это означает, что обеспечивается непрерывность передачи информации при сохранении целостности и однозначности обработки данных. Сеть синхронизации необходимо рассматривать как «сеть внутри сети» [13] с собственной архитектурой, логикой функционирования и устройствами для обеспечения стабильной и непрерывной работы сети в целом. При различных видах сетевой синхронизации обеспечивается синхронизация часов в сети, по которой распределяются сигналы абсолютного времени, которые используются для целей управления [14].

Непрерывное развитие технологий построения сетей, их функциональное назначение и особенности реализации обусловливают многообразие подходов к вопросу синхронизации на уровне сети. Следовательно, в силу того, что сеть синхронизации есть структура, «наложенная» непосредственно на сеть связи, различие технологий для передачи синхронизирующих сигналов обусловливается непрерывным развитием технологий передачи в зависимости от требований конечных потребителей.

Классификация синхронизации может производиться по разным признакам в зависимости от назначения и особенностей реализации. Для систем передачи важное значение имеет синхронизация по символам, по тактам и по циклам, а для

систем коммутации необходимо обеспечивать тактовую и цикловую синхронизацию. Для систем передачи с коммутацией каналов, в том числе СЦИ, обязательно требуется тактовая синхронизация [15], а в системах с коммутацией пакетов выделяют частотную, фазовую и временную синхронизацию [16, 17], что показано в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Классификация видов синхронизации

Вид синхронизации Физический смысл Содержание

частотная распределение эталонных сигналов по узлам в предположении, что обеспечивается равенство их частоты (в пределах заданной точности и стабильности) в течение одинакового периода в различных сигналах проходит равное количество импульсов (символов)

фазовая распределение эталонных сигналов по узлам сети, при котором обеспечивается равенство значащих моментов (в пределах заданной точности) различные сигналы идут с одинаковой частотой и время начала и окончания интервала их следования одинаково

временная распределение сигналов единого времени по узлам сети различные сигналы имеют одинаковую частоту, фазу, а импульсы идут в одинаковой последовательности

Частотная синхронизация, или синтонизация, не зависит от порядка следования импульсов, и от момента начала и окончания каждого импульса. При этом разделение на системы с частотной автоподстройкой частоты (ЧАПЧ) и фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) связано с тем, что поддерживается постоянным в интервале наблюдения. Согласно [13] при реализации ЧАПЧ разность частот двух систем сохраняется в пределах заданной величины, в то время как накопление фазовой ошибки не ограничено. Реализация ФАПЧ подразумевает, что разность фазы двух систем на протяжении длительного времени сохраняется постоянной. Следует заметить, что ФАПЧ не предполагает обязательного наличия фазовой синхронизации, так как фазы сигналов различаются на постоянную величину, которая, в общем, может быть неизвестна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Прошин Федор Алексеевич, 2025 год

- 20 с.

37. ITU-T Recommendation G.8266/Y.1376 (11/2016). Timing characteristics of telecom grandmaster clocks for frequency synchronization. - Geneva : ITU, 2017. -16 p.

38. ITU-T Recommendation G.8263/Y.1363 (08/2017). Timing characteristics of packet-based equipment clocks. - Geneva : ITU, 2017. - 36 p.

39. Рекомендация МСЭ-Т G.8261.1/Y.1361.1. Сетевые пределы изменения задержки пакета, применимые к методам на основе пакетов (Синхронизация по частоте). - Женева : МСЭ, 2016. - 18 с.

40. ITU-T Recommendation G.8272/Y.1367 (11/2018). Timing characteristics of primary reference time clocks. - Geneva : ITU, 2019. - 28 p.

41. ITU-T Recommendation G.8272.1 (01/2024). Timing characteristics of enhanced primary reference time clocks. - Geneva : ITU, 2024. - 32 p.

42. ITU-T Recommendation G.8272.2 (01/2024). Timing characteristics of coherent network primary reference time clocks. - Geneva : ITU, 2024. - 24 p.

43. ITU-T Recommendation G.8271.1/Y.1366.1 (11/2022). Network limits for time synchronization in packet networks with ful timing support from the network. -Geneva : ITU, 2023. - 74 p.

44. ITU-T Recommendation G.8271.2/Y.1366.2 (05/2021). Network limits for time synchronization in packet networks with partial timing support from the network. -Geneva : ITU, 2021. - 26 p.

45. ITU-T Recommendation G.8275.2/Y.1369.2 (11/2022). Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with partial timing support from the network. - Geneva : ITU, 2023. - 70 p.

46. ITU-T Recommendation G.8275 (01/2024). Architecture and requirements for packet based time and phase distribution. - Geneva : ITU, 2024. - 70 p.

47. ITU-T Recommendation G.8271/Y.1366 (03/2020). Time and phase synchronization aspects of telecommunication networks. - Geneva : ITU, 2020. - 54 p.

48. ITU-T Recommendation G.8273/Y.1368 (06/2023). Framework of phase and time clocks. - Geneva : ITU, 2023. - 42 p.

49. ITU-T Recommendation G.8273.2/Y.1368.2 (06/2023). Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time synchronous clocks for use with full timing support from the network. - Geneva : ITU, 2023. - 78 p.

50. ITU-T Recommendation G.8273.3/Y.1368.3 (10/2020). Timing characteristics of telecom transparent clocks for use with full timing support from the network. - Geneva : ITU, 2021. - 24 p.

51. ITU-T Recommendation G.8273.4 (08/2024). Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time synchronous clocks for use with partial timing support from the network. - Geneva : ITU, 2025. - 49 p.

52. ITU-T Recommendation G.798 (09/2023). Characteristics of optical transport network hierarchy equipment functional blocks. - Geneva : ITU, 2024. - 482 p.

53. Прошин Ф. А. Методы синхронизации в сетях связи / Ф. А. Прошин, М. Н. Сторожук, Н. Л. Сторожук // Первая миля. - 2024. - № 2(118). - С. 62-69. -DOI 10.22184/2070-8963.2024.118.2.62.69.

54. Методы математического моделирования систем и процессов связи / В. Н. Куделя, А. А. Привалов, О. В. Петриева, В. П. Чемиренко; под общ. ред. В. П. Чемиренко. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 368 с.

55. Канаев А. К. Имитационная модель функционирования транспортной сети связи в условиях реализации сетевых и компьютерных атак / А. К. Канаев, А. А. Привалов, А. Н. Иванин // Информация и космос. - 2020. - № 1. - С. 18-26.

56. Привалов А. А. Математическая модель процесса передачи команд управления по радиоканалам автоматизированных систем / А. А. Привалов, А. М. Болдинов, А. А. Привалов // Информация и космос. - 2023. - № 4. - С. 71-83.

57. Ануфренко А.В. Модель воздействия злоумышленника на фрагмент транспортной сети связи на основе технологии Carrier Ethernet / А. В. Ануфренко, А. К. Канаев, Э. В. Логин // Труды учебных заведений связи. 2018. - Т. 4, № 3. - С. 17-25. - DOI: 10.31854/1813-324X-2018-4-3-17-25.

58. Кравцов А. О. Модель процесса передачи пакетов данных в сети MPLS-TP в условиях компьютерных атак при редкоследующем входящем потоке / А. О. Кравцов, А. А. Привалов, М. А. Ракк // Автоматизация процессов управления. -2019. - № 2(56). - С. 44-52.

59. Киселёва М. В. Имитационное моделирование систем в среде AnyLogic : учебно-методическое пособие / М. В. Киселёва. - Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2009. - 88 с.

60. Маликов Р. Ф. Практикум по имитационному моделированию сложных систем в среде AnyLogic 6 : учеб. пособие / Р. Ф. Маликов. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2013. - 296 с.

61. Привалов А. А. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для анализа систем связи ВМФ; под ред. д.в.н., проф. Чемиренко В.П. - СПб.: ВМА, 2000. -166 с.

62. Прошин Ф. А. Моделирование процесса привязки локальной шкалы времени через узлы оптической транспортной сети / Ф. А. Прошин // Известия Петербургского ун-та путей сообщения. - 2024. - Т. 21, № 4. - С. 981-992. - DOI: 10.20295/1815-588X-2024-04-981 -992.

63. Giorgi G. Modeling and Simulation Analysis of PTP Clock Servo / G. Giorgi, C. Narduzzi // 2007 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication, Vienna, Austria, 2007. - pp. 155-161. - DOI: 10.1109/ISPCS.2007.4383791.

64. Liu Y. OMNeT++ based modeling and simulation of the IEEE 1588 PTP clock / Y. Liu, C. Yang // 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering, Yichang, China, 2011. - pp. 4602-4605. - DOI: 10.1109/ICECENG.2011.6057471.

65. Ye W. IEEE1588 Clock servo algorithm / W. Ye // 2009 9th International Conference on Electronic Measurement & Instruments, Beijing, China, 2009. - pp. 1341-1-344. - DOI: 10.1109/icemi.2009.5274861.

66. Correll K. Design Considerations for Software Only Implementations of the IEEE 1588 Precision Time Protocol / K. Correll, N. A. Barendt, M. S. Branicky // Conference on IEEE 1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, 2005. - vol. 1588. - pp. 11-15.

67. A Software-based Low-Jitter Servo Clock for Inexpensive Phasor Measurement Units / P. Tosato [et al.] // 2018 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS), Geneva, Switzerland, 2018. - pp. 1-6. - DOI: 10.1109/ISPCS.2018.8543082.

68. A New Design of Clock Synchronization Algorithm / J. Liu [et al.] // Advances in Mechanical Engineering, 2014. - pp. 1-9. - DOI: 10.1155/2014/958686.

69. Прошин Ф. А. Моделирование процесса размещения нагрузки в блоках OTN с учётом передачи пакетов PTP /Ф. А. Прошин, Е. В. Казакевич // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022) : сб. науч. статей в 4-х томах, Санкт-Петербург, 15-16 февраля 2022 г. Т. 1. - СПб: СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, 2022. - С. 514-519.

70. ITU-T Recommendation G.7041/Y.1303 (08/2016). Generic framing procedure. - Geneva : ITU, 2017. - 80 p.

71. Моделирование процесса обработки меток времени на устройствах транспортной сети / А.К Канаев, Е.В. Казакевич, М. А. Сахарова, Ф.А. Прошин // Труды учебных заведений связи. - 2024. - Т. 10, № 2. - С. 34-47.

72. Богданова Е. Г. Транспортная сеть 5G/IMT-2020 / Е. Г. Богданова // Первая миля. - 2019. - № 7(84). - С. 40-47. - DOI 10.22184/20708963.2019.84.7.40.47.

73. Богданова Е. Г. Оптическая маршрутизация в транспортной сети IMT-2020/5G / Е. Г. Богданова // Первая миля. 2020. №1. С. 62-70. - DOI 10.22184/20708963.2020.86.1.62.70

74. Precision Time Transfer using IEEE 1588 over OTN through a Commercial Optical Telecommunications Network / Weiss M. [et al.] // 2016 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS), Stockholm, Sweden, 2016. - pp. 1-5. - DOI: 10.1109/ISPCS.2016.7579503.

75. Clock Synchronization Algorithms Over PTP-Unaware Networks: Reproducible Comparison Using an FPGA Testbed / I. Freire [et al.]. // IEEE Access, 2021. - vol. 9, pp. 20575-20601. - DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3054164.

76. Analysis and Evaluation of End-to-End PTP Synchronization for Ethernet-Based Fronthaul / I. Freire [et al.] // 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Washington, DC, USA, 2016. - pp. 1-6. - DOI: 10.1109/GLOCOM.2016.7841597.

77. IEEE 1588 Packet Timestamper and Clock and 1 Gbps Parallel-to-Serial MII Converter // MAX24288 datasheet. - USA : Microsemi Corporation, 2019.

78. OTU2 I.9 FEC IP Core // IP-OTU2EFECI9 datasheet. - USA : Altera Corporation, 2015.

79. Прошин Ф. А. Предложения по формированию сетевой синхронизации в оптической транспортной сети и построению блока синхронизации мультиплексора OTN / Ф. А. Прошин // Информация и Космос. - 2024. - № 4. - С. 28-34.

80. Kanaev A. K. Conceptual Model of Perspective Carrier Ethernet Transport Communication Network Control System for Public Joint Stock Company «Russian

Railways» / A. K. Kanaev, E. V. Login, F. A. Proshin [Концептуальная модель перспективной системы управления транспортной сетью связи Carrier Ethernet ОАО «РЖД» / А. К. Канаев, Э. В. Логин, Ф. А. Прошин]// 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications - Conf. Proc., Moscow. - 2022. -pp. 1-7. - DOI: 10.1109/IEEECONF53456.2022.9744359.

81. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход ; пер. с англ. под ред. Г. Гаврилова / Н. Кристофидес. - М.: «Мир», 1978. - 432 с.

82. Xia F. Random Walks: A Review of Algorithms and Applications / F. Xia [et al.] // IEEE Transactions on Emerging Topics in Computational Intelligence. - vol. 4, no. 2. - pp. 95-107. - DOI: 10.1109/TETCI.2019.2952908.

83. Dongen S. Graph Clustering vai a Discrete Uncoupling Process / S. van Dongen // Siam Journal on Matrix Analysis and Applications. - vol. 30, no. 1.- 2008. -pp. 121-141. - DOI: 10.1137/040608635.

84. Al-Dyani W. Z. Adaptive Markov Clustering Algorithm for Optimal Event Detection From Heterogeneous News Documents / W. Z. Al-Dyani // IEEE Access. -vol. 12, pp. 72079-72097. - 2024. - DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3403506.

85. Manolova A. V. White Paper: OTN Capabilities in the NREN Environment / A. V. Manolova // DTU Library, White Paper. - 2011 [Online]. - URL: http://www.geant.net/Media_Centre/Media_Library/Media%20Library/GN3-11 -

211 _OTN-WhitePaper_JRA 1T1_v5.1. pdf (дата обращения: 10.06.2025).

86. Ульянов А. В. Мультиплексоры сетей OTN/DWDM / А. В. Ульянов // Информационные технологии и телекоммуникации. - 2016. - Т. 4, № 3. - С. 85-94.

87. Arteaga A. A Survey on IEEE 1588 Implementation for RISC-V Low-Power Embedded Devices / A. Arteaga [et al.] // Electronics 13, no. 2(458). - DOI: https://doi.org/10.3390/electronics13020458.

88. Cochran R. Design and implementation of a PTP clock infrastructure for the Linux kernel / R. Cochran, C. Marinescu // 2010 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication, Portsmouth, NH, USA, 2010. - pp. 116-121. -DOI:10.1109/ispcs.2010.5609786.

89. Patoli A. A. FPGA-Based System Implementation of IEEE 1588 Precision Time Protocol: A Review / A. A. Patoli, G. Fortino // IEEE Sensors Journal, 2025. - vol. 25, no. 11, pp. 18624-18642. - DOI: 10.1109/JSEN.2025.3557277.

90. Pfeifer P. On comparison of configurable encoders in Xilinx and Altera FPGAs / P. Pfeifer, F. Hosseinzadeh, H. T. Vierhaus // 2017 International Conference on Applied Electronics (AE), Pilsen, Czech Republic, 2017. - pp. 1-4. -DOI: 10.23919/ae.2017.8053605.

91. Zynq-7000 SoC Product Selection Guide (XMP097) // AMD Technical Information Portal [Online]. - URL: https://docs.amd.com/r/en-US/ug585-zynq-7000-SoC-TRM (дата обращения: 10.06.2025).

92. Moreira N. On the Utilization of System-on-Chip Platforms to Achieve Nanosecond Synchronization Accuracies in Substation Automation Systems / N. Moreira [et al.] // IEEE Transactions on Smart Grid, 2017. - vol. 8, no. 4. - pp. 1932-1942. -DOI:10.1109/tsg.2015.2512440.

93. Henning W. Network Time Synchronization of the Readout Electronics for a New Radioactive Gas Detection System / W. Hennig [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019. - vol. 66, no. 7. - pp. 1182-1189. -DOI:10.1109/tns.2018.2885488.

94. Jimenez-Lopez M. WR-ZEN: Ultra-accurate synchronization SoC based on Zynq technology / M. Jimenez-Lopez [et al.] // 2016 European Frequency and Time Forum (EFTF), York, UK, 2016. - pp. 1-4. - DOI:10.1109/eftf.2016.7477790.

95. Meier S. PtpOrdinaryClock Reference Manual v2.9 / S. Meier // NetTimeLogic GmbH, 2025. - URL: https://www. nettimelogic. com/resources/Ptp_OrdinaryClock_ReferenceManual.pdf (дата обращения: 10.06.2025).

96. Meier S. PtpTransparentClock Reference Manual v2.5 / S. Meier // NetTimeLogic GmbH, 2024. - URL: https://www.nettimelogic.com/resources/Ptp_TransparentClock_ReferenceManual.pdf (дата обращения: 10.06.2025).

97. Meier S. PtpHybridClock Reference Manual v2.8 / S. Meier // NetTimeLogic GmbH, 2015. - URL: https://www.nettimelogic.com/resources/Ptp_HybridClock_ReferenceManual.pdf (дата обращения: 10.06.2025).

98. 2G5 GFP-F (Framer) // Product Brief, Aliathon Technology. URL: https://www. aliathon. com/wp-content/uploads/2016/12/06-PB_2G5_GFPF_Framer_web.pdf (дата обращения: 05.06.2025).

99. 8-channel universal frequency translator // 8A34041 datasheet, Renesas. -URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34041 -datasheet?r=455971 (дата обращения: 10.06.2025).

100. Four-Channel Universal Frequency Translator // 8A34042 datasheet, Renesas. - URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34042-datasheet?r=455986 (дата обращения: 10.06.2025).

101. 8-Channel Universal Frequency Translator // 8A34043 datasheet, Renesas. - URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34041-datasheet?r=455971 (дата обращения: 10.06.2025).

102. Four-Channel Universal Frequency Translator // 8A34044 datasheet, Renesas. - URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34044-datasheet?r=456016 (дата обращения: 10.06.2025).

103. Two-Channel Universal Frequency Translator // 8A34045 datasheet, Renesas. - URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34045-datasheet?r=456031 (дата обращения: 10.06.2025).

104. SETS for SyncE and OTN // 8A34046 datasheet, Renesas. - URL: https://www.renesas.com/en/document/dst/8a34046-datasheet?r=464571 (дата обращения: 10.06.2025).

105. Quad Clock Translator // ZL30165 datasheet. - CA, USA : Microsemi Corporation, 2015.

106. Tiny 3-Input, 3-Output Clock Translator for OTN // ZL30169 datasheet. -CA, USA : Microsemi Corporation, 2019.

107. PTP&SyncE Network Synchronizers with up to 5 Channels, 10 Inputs, 20 Outputs, DS20006629A // ZL30731-ZL30735 Product Brief. - CA, USA : Microsemi Corporation, 2021. ISBN: 978-1-5224-9390-7.

108. IEEE 1588 & Synchronous Ethernet Packet Clock Network Synchronizers // ZL30771, ZL30772, ZL30773 datasheet. - CA, USA : Microsemi Corporation, 2019.

109. Packet Clock Network Synchronizers // ZL30791, ZL30793, ZL30795 datasheet. - CA, USA : Microsemi Corporation, 2019.

110. 3-Input, 4-Output, Single DPLL Timing IC with Sub-ps Output Jitter and 1588 Clock // DS31415 Short Form Datasheet. - CA, USA : Microsemi Corporation, 2012.

111. Mark A. Yoder. BeagleBone Cookbook v2.1 // BeagleBoard.org Foundation, 2025. - URL: https://docs.beagleboard.org/beaglebone-cookbook.pdf (дата обращения: 10.06.2025).

112. RC112-GE (A) series 10/100/1000 auto negotiation Copper-to-Fiber Media Converter// User Manual. - Pekin, China : Raisecom Technology Co., Ltd.

113. chrony.conf(5) Manual Page // chrony project. - URL: https://chrony-project.org/doc/3.4/chrony.conf.html (дата обращения: 10.06.2025).

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВЗГ - Вторичный задающий генератор

МЗГ - Местный задающий генератор

МСЭ-Т - Сектор телекоммуникаций Международного союза электросвязи

ОЗУ - Оперативное запоминающее устройство

ПЛИС - Программируемая логическая интегральная схема

ПСС - Преобразователь сигналов синхронизации

ПЦИ - Плезиохронная цифровая иерархия

ПЭГ - Первичный эталонный генератор

ПЭИВЧ - Первичный эталонный источник времени и частоты

РСС - Распределитель сигналов синхронизации

СВ - Случайное время

СЕВ - Система единого времени

СнК - Система-на-Кристалле

СЦИ - Синхронная цифровая иерархия

СШВ - Синхронизация шкалы времени

ТПСС - Топологическое преобразование стохастических сетей

ТСС - Тактовая сетевая синхронизация

уВЗГ - Усовершенствованный ВЗГ

уПЭГ - усовершенствованный ПЭГ

уПЭИВЧ - улучшенный ПЭИВЧ

ФАПЧ - Фазовая автоподстройка частоты

ФР - Функция распределения

ЧАПЧ - Частотная автоподстройка частоты

ЧВО - Частотно-временное обеспечение

1PPS - One Pulse per Second

A-BTCA - Alternate BTCA

ARM - Advanced RISC Machine

AXI - Advanced eXtensible Interface

BC - Boundary Clock

BTCA - Best timeTransmitter Clock Algorithm

CDMA - Code Division Multiple Access

DSP - Digital Signal Processor

ePRTC - enhanced PRTC

FAS - Frame Alignment Signal

FDD - Frequency Division Duplex

FEC - Forward Error Correction

FIFO - First-In, First-Out

FPGA - Field-Programmable Gate-Arrays

GFP-F - Generi Framing Procedure, Frame mapped

GM - Grandmaster

GSM - Global System for Mobile Communications

ID - Identifier

IP-core - Intellectual Property Core

LTE - Long-Term Evolution

LTE-A - LTE-Advanced

LUT - Look-Up Table

MAC - Media Access Control

MCL - Markov Cluster Algorithm

MDI - Media Dependent Interface

MFAS - MuliFrame Alignment Signal

MII - Media Independent Interface

MIMO - Multiple Input Multiple Output

NTP - Network Time Protocol

O-BC - OTN Boundary Clock

OC - Ordinary Clock

OCh - Optical Channel

ODUk - Optical Data Unit level k

OMS - Optical Multiplex Section

OPUk - Optical Payload Unit level k

OSC - Optical Supervisory Channel

O-SC - OTN Slave Clock

OSI - Open Systems Interconnection

OSMC - OTN Synchronization Message Channel

OTN - Optical Transport Network

OTS - Optical Transmission Section

OTSiA - Optical Tributary Signal Assembly

OTSiG - Optical Tributary Signal Group

OTUk - Optical Transport Unit level k

PCS - Physical Coding Sublayer

PHC - PTP Hardware Clock

PHY - Physical Layer Protocol

PMA - Physical Medium Attachment

PMD - Physical Medium Dependent

PRTC - Primary Reference Time Clock

PTP - Precision Time Protocol

SoC - System-on-Chip

SSM - Synchronization Status Message

STM-N - Synchronous Transport Module level N

SyncE - Synchronous Ethernet

TDD - Time Division Duplex

TD-SDMA - Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

ToD - Time-of-Day

UDP - User Datagram Protocol

WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access

WDM - Wavelength Division Multiplexing

168

ПРИЛОЖЕНИЕ Исследование процессов синхронизации на разработанном стенде

Для определения задержки передачи сообщений PTP и оценки расхождения шкал времени с использованием платформы BeagleBone Black и медиа-конвертеров WDM был разработан лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс передачи меток времени PTP через оптическую сеть со спектральным разделением каналов. Целью исследования является определение вероятностно-временных характеристик процесса синхронизации и сравнение полученных результатов с полученными в работах других авторов.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке П.1.

BeagleBone Black Master BeagleBone Black Slave

Raisecom " Raisecom RC1I2-GE RC112-GE

Рисунок П.1 - Схема экспериментальной установки

Краткие характеристики платформы BeagleBone Black приведены в таблице П.1 [111], конвертера Raisecom RC112-GE - в таблице П.2 [112]. Таблица П.1 - Технические характеристики BeagleBone Black

Характеристика Описание

Процессор Sitara AM335x ARM Cortex-A8 1 ГГц

Графический процессор Power SGX530

Объём оперативной памяти 512 Мбайт DDR3L 800 МГц

Объём встроенной памяти 4 Гбайт embedded MMC (eMMC)

Power Management Integrated Circuit (PMIC) TPS65217C

Питание miniUSB

Последовательный порт UART0 6 pin 3,3 В

Порт Ethernet RJ45 10; 100 Мбит/с

Таблица П. 2 - Технические характеристики Raisecom RC112-FE

Модуль Оптический интерфейс Скорость интерфейса

приём (Rx) передача (Tx)

RC112-GE-SS24 1550 нм 1490 нм 10; 100; 1000 Мбит/с

RC112-GE-SS25 1490 нм 1550 нм

На платформе BeagleBone Black установлена операционная система Debian 11.7, на основе которой реализован проект LinuxPTP версии 4.2. Данная платформа выполняет функции часов PTP. На схеме П.1 ведущие часы (слева) представлены в виде BeagleBone Black Master и оснащены приёмником ГНСС, который подключён на внешние выводы интерфейса ввода-вывода общего назначения (англ. - General Purpose Input/Output, GPIO) для передачи меток формата 1 PPS. Управление процессом синхронизации от ГНСС выполнено с помощью современной реализации протокола NTP - фоновой программы chronyd [113]. Взаимосвязь аппаратных и системных часов соответствует условиям, которые описаны в главе 4. Следует заметить, что BeagleBone Black поддерживает аппаратную запись меток времени.

По витой паре ведущие часы соединены с конвертером WDM Raisecom RC112-GE-SS24(25), который преобразует входной поток Ethernet 100 Мбит/с в оптический сигнал на длине волны Ал, на которой передаётся на сторону ведомых часов BeagleBone Black Slave. На ведомых часах поток формата Ethernet, получаемый по витой паре от конвертера используется для синхронизации аппаратных часов через ptp4l, а далее с помощью phc2sys корректируется системное время. Отправка сообщений на ведущие часы выполняется аналогично, но на длине волны А2 от конвертера на стороне ведомых часов.

На рисунке П.2 показан фрагмент данных, получаемых на выходе при запуске ptp4l на ведомых часах (Slave).

ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4 ptp4

303.894]

307.895]

307.901]

309.896]

309.897] 310.896]

311.896]

312.897]

313.896]

314.897]

315.897]

316.898]

317.898]

318.899]

319.899] 320. 899]

321.900] 322.900] 323.900]

324. 901]

325. 901]

326. 901]

327.902]

328.902]

329.903] 330.903]

331.903] 332. 904]

333.904]

334. 905]

335. 905]

336. 905]

337. 906] 338.906] 339. 906]

port 1 (ethO) selected best

port 1 (ethO)

master offset

port 1 (ethO)

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

master offset

new foreign master 648cbb.fffe.f921d5-l master clock 648cbb.fffe.f921d5 MASTER to U NCALIВ RATE D ОП RS_SLAVE

1730 S2 U NCALIВ RATE D -242 S2 -961 s2 -860 s2 -493 S2 -445 s2 -370 s2 -252 S2 -154 s2 -196 s2 -224 S2 -175 s2 -210 S2 -210 s2 -220 s2 -248 S2 -223 s2 -194 s2 -293 S2 -252 s2 -243 S2 -197 s2 -241 s2 -340 S2 -375 s2 -310 s2 -279 S2 -336 s2 -324 S2 -350 s2 -225 s2

req +17495 path delay 23709 О SLAVE ОП MASTER_CLOCK_SELECTED

req +16042 path de

req +15251 path de

req +15063 path de

req +15172 path de

req +15073 path de

req +15014 path de

req +15021 path de

req +15043 path de

req +14955 path de

req +14868 path de

req +14850 path de

req +14763 path de

req +14700 path de

req +14627 path de

req +14533 path de

req +14483 path de

req +14445 path de

req +14288 path de

req +14241 path de

req +14175 path de

req +14148 path de

req +14045 path de

req +13873 path de

req +13736 path de

req +13689 path de

req +13627 path de

req +13486 path de

req +13397 path de

req +13274 path de

req +13294 path de

ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay

23709 23832 23832 23709 23697

23697 23693 23689 23689 23693 23693 23693 23693 23693 23693

23698 23695 23695 23700

23700

23701 23703 23703

23707

23708 23708 23708 23705 23708

23699

Рисунок П.2 - Вывод данных в процессе работы ptp4l (ведомые часы)

При инициализации ptp4l выбран порт ethO в качестве порта, участвующего в процессе синхронизации и начат поиск лучших часов. Сообщение о том, что найден лучший мастер говорит о том, что указанное устройство выбирается в качестве ведущего, а запись формата «offset +/-XXXX» означает, что сдвиг шкалы относительно ведущего составляет XXXX наносекунд.

Аналогично, запись вида «freq +/-XXXX» показывает отклонение частоты ведомых часов. Данные о задержке передачи отображаются в «path delay XXXX». Процесс измерений продолжается непрерывно с интервалом, который задаётся в соответствии с настройками.

Было проведено 2 эксперимента:

а) при = 1490 нм, А2 = 1550 нм;

б) при = 1550 нм, А2 = 1490 нм.

При проведении эксперимента 1 и эксперимента 2 вводятся следующие допущения:

а) на каждом BeagleBone Black запускается стандартный профиль PTP с параметрами конфигурации, наиболее существенные из которых указаны в таблице П.3 и таблице П. 4;

б) использовано оптическое волокно Sumitomo Electric PureBand, соответствующее требованиям G.652.D;

в) время каждого эксперимента составляет 250 с.

Таблица П.3 - Параметры запуска программы ptp4l

Опция Заданное значение

Профиль и файл конфигурации Стандартный, default.cfg

twoStepFlag 1

clientOnly 0

clockAccuracy 0xFE

clockClass 248

dataset comparison ieee1588

domainNumber 0

dscp event 0

dscp general 0

free-running 0

frea est interval 1

G.8275.defaultDS.localPriority 128

maxStepsRemoved 255

offsetScaledLogVariance 0xFFFF

priorityl 128

priority2 128

socket_priority 0

twoStepFlag 1

utc offset 37

Таблица П.4 - Параметры настройки PTP-серво

Опция Заданное значение

clock-servo Pi

first step threshold 0.00002

max frequency 900000000

msg interval request 0

ntpshm segment 0

pi integral const 0.0

pi integral exponent 0.4

pi intgral norm max 0.3

pi integral scale 0.0

pi_proportional exponent -0.3

pi_proportional norm max 0.7

pi_proportional scale 0.0

sanity freq limit 200000000

servo num offset values 10

servo offset threshold 0

Опция Заданное значение

step threshold 0.0

write_phase_mode 0

На рисунке П.3 показан график зависимости расхождения шкал от времени наблюдения для каждого из экспериментов. На рисунке П.4 показано распределение задержки передачи в прямом и обратном направлениях.

-

-Эксперимент 2 -Эксперимент 1

1 .

.........................

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

Время наблюдения, с

Рисунок П.3 - Расхождение шкал времени в каждом эксперименте

а)

б)

30

о 25

20

15

10

^ лСГ л^

Ь ф ^ ^

Задержка, нс

ДЧ) ДЧ)

Ф ф ф ф & & ф

гср = 23708,09 нс о = 3,89 нс гср = 23705,63 нс о = 5,33 нс

Рисунок П.4 - Гистограммы распределения задержки в прямом (а) и обратном (б) направлениях

5

0

По полученным результатам видно, что при использовании спектрального разделения каналов с РТР наблюдается асимметрия в пределах нескольких наносекунд, что подтверждает целесообразность применения РТР совместно с технологией ОТМ Кроме того, полученные в ходе измерений результаты задержки передачи сообщений РТР не противоречат данным, опубликованным отечественными и зарубежными авторами и рассмотренным в главе 2 опубликованным. Следовательно, принятые для моделирования исходные данные подтверждены экспериментально.