Dos relojes independientes, una vez sincronizados, se alejarán el uno del otro sin límite. [1] Para que se muestren a la misma hora, sería necesario volver a sincronizarlos a intervalos regulares. El período entre sincronizaciones se denomina régimen libre y el rendimiento bajo régimen libre depende de la calidad del oscilador de referencia, el diseño PLL y los mecanismos de corrección empleados. [2]
Importancia
La sincronización es tan importante como la energía en el sitio de la celda. [3]
La cita anterior sugiere que se puede pensar en el remanente en las aplicaciones de sincronización como algo análogo a la ejecución con energía de respaldo.
Los sistemas de comunicación inalámbrica modernos requieren al menos conocimiento de frecuencia y, a menudo, también conocimiento de fase para funcionar correctamente. Las estaciones base necesitan saber qué hora es y, por lo general, obtienen este conocimiento del mundo exterior de alguna manera (de un receptor GPS de tiempo y frecuencia o de una fuente de sincronización en algún lugar de la red a la que están conectadas).
Pero si se pierde la conexión con la referencia, la estación base estará sola para establecer qué hora es. La estación base necesita una forma de establecer la frecuencia y la fase precisas (para saber qué hora es) utilizando recursos internos (o locales), y ahí es donde la función de retención se vuelve importante.
La importancia del cronometraje derivado del GPS
Una aplicación clave del GPS en las telecomunicaciones es proporcionar sincronización en estaciones base inalámbricas. Las estaciones base dependen de la sincronización para operar correctamente, particularmente para el traspaso que ocurre cuando un usuario se mueve de una celda a otra. [4] En estas aplicaciones, el régimen libre se utiliza en las estaciones base para garantizar el funcionamiento continuo mientras el GPS no está disponible y para reducir los costos asociados con las reparaciones de emergencia, ya que el modo autónomo permite que el sitio continúe funcionando correctamente hasta que se pueda realizar el mantenimiento en un momento conveniente. [5]
Algunos de los requisitos más estrictos provienen de la nueva generación de estaciones base inalámbricas, donde los objetivos de precisión de fase tan bajos como 1μs deben mantenerse para un funcionamiento correcto. [6] Sin embargo, la necesidad de una sincronización precisa ha sido una parte integral de la historia de los sistemas de comunicación inalámbricos, así como de los sistemas alámbricos, [7] y se ha sugerido que la búsqueda de soluciones de sincronización confiables y rentables fue impulsada por la necesidad para que CDMA compita con soluciones de menor costo. [8]
Dentro de la estación base, además de las funciones estándar, la sincronización precisa y los medios para mantenerla a través del régimen libre son de vital importancia para servicios como E911 [5]
El GPS como fuente de sincronización es un componente clave no solo en la sincronización en las telecomunicaciones, sino también en la infraestructura crítica en general. [9] De los 18 sectores de recursos críticos e infraestructura clave (CIKR [10] ), 15 utilizan la sincronización derivada del GPS para funcionar correctamente. [11] Una aplicación notable en la que la precisión de la sincronización de alta precisión (y los medios para mantenerla a través del régimen libre) es de importancia es el uso de sincrofasores en la industria de la energía para detectar fallas en la línea. [12] Otro es el de las aplicaciones comerciales de baja latencia en los mercados de capitales.
Cómo puede fallar el cronometraje derivado del GPS
El GPS es sensible a interferencias e interferencias porque los niveles de señal son muy bajos [13] y pueden ser fácilmente saturados por otras fuentes, que pueden ser accidentales o deliberadas. [14] Además, dado que el GPS depende de las señales de la línea de visión, puede verse afectado por los efectos del cañón urbano , por lo que el GPS solo está disponible para algunas ubicaciones en determinados momentos del día, por ejemplo.
Sin embargo, una interrupción del GPS no es inicialmente un problema porque los relojes pueden entrar en modo remanente, [15] permitiendo que la interferencia se alivie tanto como lo permita la estabilidad del oscilador que proporciona el remanente. [4] Cuanto más estable sea el oscilador, más tiempo podrá funcionar el sistema sin GPS.
Definición de remanente
En Sincronización en aplicaciones de telecomunicaciones , el ETSI define el régimen autónomo como:
Una condición de funcionamiento de un reloj que ha perdido su entrada de control y está utilizando datos almacenados, adquiridos mientras está en funcionamiento bloqueado, para controlar su salida. Los datos almacenados se utilizan para controlar las variaciones de fase y frecuencia, lo que permite que la condición de bloqueo se reproduzca dentro de las especificaciones. El modo remanente comienza cuando la salida del reloj ya no refleja la influencia de una referencia externa conectada o la transición desde ella. El remanente termina cuando la salida del reloj vuelve a la condición de modo bloqueado. [dieciséis]
Se puede considerar el remanente como una medida de precisión o error adquirido por un reloj cuando no hay una referencia externa de control para corregir cualquier error.
MIL-PRF-55310 [17] define la precisión del reloj como:
Dónde es el error de sincronización en ; es la diferencia de frecuencia fraccional entre dos relojes comparados; es el error debido al ruido aleatorio; es a ; es la tasa de envejecimiento lineal y es la diferencia de frecuencia debida a efectos ambientales.
De manera similar, la UIT G.810 [18] define el error de tiempo como:
Dónde es el error de tiempo; es el error de tiempo en ; es el error de frecuencia fraccional en ; es la tasa de deriva de frecuencia fraccional lineal; es el componente de desviación de fase aleatoria y es la frecuencia nominal.
Implementar el remanente
En aplicaciones que requieren sincronización (como estaciones base inalámbricas), los relojes GPS se utilizan a menudo y, en este contexto, a menudo se conocen como GPSDO (oscilador disciplinado GPS) o GPS TFS (fuente de frecuencia y hora de GPS). [19]
NIST define un oscilador disciplinado como:
Un oscilador cuya frecuencia de salida se dirige continuamente (a menudo mediante el uso de un bucle de bloqueo de fase) para coincidir con una referencia externa. Por ejemplo, un oscilador disciplinado por GPS (GPSDO) generalmente consiste en un oscilador de cuarzo o rubidio cuya frecuencia de salida se dirige continuamente para coincidir con las señales transmitidas por los satélites GPS. [20]
En un GPSDO se utiliza una señal GPS o GNSS como referencia externa que dirige un oscilador interno. [13] En un GPSDO moderno, la función de dirección y procesamiento del GPS se implementan en un microprocesador que permite una comparación directa entre la señal de referencia del GPS y la salida del oscilador. [8]
Entre los componentes básicos de una solución GPS de tiempo y frecuencia, el oscilador es un componente clave [11] y normalmente se construye alrededor de un oscilador de cristal controlado por horno ( OCXO ) o un reloj basado en rubidio . Se considera que los factores dominantes que influyen en la calidad del oscilador de referencia son el envejecimiento y la estabilidad de la temperatura. Sin embargo, dependiendo de la construcción del oscilador, la presión barométrica y la humedad relativa pueden tener una influencia al menos igual de fuerte en la estabilidad del oscilador de cuarzo. [ cita requerida ] Lo que a menudo se denomina inestabilidad de "caminata aleatoria" es en realidad un efecto determinista de los parámetros ambientales. Estos se pueden medir y modelar para mejorar enormemente el rendimiento de los osciladores de cuarzo. La adición de un microprocesador al oscilador de referencia puede mejorar la estabilidad de la temperatura y el rendimiento del envejecimiento [21] Durante el modo de mantenimiento, cualquier error de reloj restante causado por el envejecimiento y la inestabilidad de la temperatura puede corregirse mediante mecanismos de control. [22] Una combinación de oscilador de referencia basado en cuarzo (como un OCXO ) y algoritmos de corrección modernos puede obtener buenos resultados en aplicaciones de Holdover. [23]
La capacidad de retención la proporciona un oscilador local de ejecución libre o un oscilador local que se dirige con un software que retiene el conocimiento de su desempeño anterior. [23] La documentación más antigua de tal esfuerzo proviene de la entonces Oficina Nacional de Estándares en 1968 [Allan, Fey, Machlan y Barnes, "Un sistema de sincronización de tiempo ultrapreciso diseñado por simulación por computadora", Frecuencia], donde una computadora analógica que consiste de los integradores de disco de bola implementaron un bucle de control de tercer orden para corregir el envejecimiento de frecuencia de un oscilador. La primera implementación de microprocesador de este concepto ocurrió en 1983 [Bourke, Penrod, "An Analysis of a Microprocessor Controlled Disciplined Frequency Standard", Frequency Control Symposium] donde se utilizaron transmisiones Loran-C para disciplinar osciladores de cuarzo de muy alta calidad como reemplazo del cesio en Sincronización de redes de telecomunicaciones alámbricas. El objetivo básico de un mecanismo de dirección es mejorar la estabilidad de un reloj u oscilador mientras se minimiza el número de veces que necesita calibración. [1] En Holdover, el comportamiento aprendido del OCXO se utiliza para anticipar y corregir el comportamiento futuro. [2] Un mecanismo de este tipo puede proporcionar una compensación eficaz del envejecimiento y la temperatura [24] y el diseñador del sistema se enfrenta a una serie de opciones de algoritmos y técnicas para realizar esta corrección, incluida la extrapolación, la interpolación y los filtros predictivos (incluidos los filtros de Kalman ). [25] [26]
Una vez que se eliminan las barreras del envejecimiento y los efectos ambientales, la única limitación teórica para el rendimiento remanente en un GPSDO de este tipo es la irregularidad o el ruido en la tasa de deriva, que se cuantifica utilizando una métrica como la desviación de Allan o la desviación de tiempo . [27] [ fuente no confiable? ]
La complejidad de tratar de predecir los efectos en el Holdover debido a efectos sistemáticos como el envejecimiento y la estabilidad de la temperatura y las influencias estocásticas como el ruido de Random Walk ha dado como resultado la introducción en el mercado de soluciones de oscilador Holdover hechas a medida . [28]
Ver también
- Sincronización
- Sincronización en redes ópticas síncronas
- Transferencia de tiempo
- Cronometraje en el sistema de posicionamiento global
- Protocolo de tiempo de precisión
Referencias
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enlaces externos
- Sistemas de tiempo y frecuencia
- Módulos de oscilador disciplinado GPS con compensación de remanente
- Osciladores remanentes
- Opciones de oscilador disciplinadas