P FA với một giá trị đã cho của p người thiết kế thường chọn N lớn hơn giá trị được cho bởi các chuỗi Barker và chuỗi Williard Nhiều nhà nghiên cứu đã mỏ phỏng
CUNG CẤP THỜI GIAN CHO CÁC NÚT MẠNG VIÊN THÔNG
6.1 Kẻ h o ạ c h đ ồ n g bộ m ạ n g viễn th ô n g
Cùng với sự phát triển m ạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, tốc độ truyền thông tin cũng ngày càng tăng, ảnh hưởng của mất đồng bộ càng trở nên nghiêm trọng hơn, nhất là đối với các trường hợp thông tin tạo ra các dòng bít liên tục, các dịch vụ thời gian thực như voice, video. M ạng thông tin truvển thống sử dụng các cóng nghệ Internet Protocol(IP) hoặc A synchronous Transfer M ođe(A T M ) để truyền dữ liệu. Khi công nghệ tiến bộ và các chuẩn mới ra đời thì việc truyền voice và video qua mạng chuyển mạch gói ngày càng được ứng dụng rộng rãi, điều đó cũng có nghĩa là cần có thời gian chính xác hơn. Đ ộ chính xác thời gian trong m ạng truyền dữ liệu IP truyền thống không thực sự cần thiết, vì ở đó việc đồng bộ chí cần cho việc khôi phục thời gian từ dòng bít tới. Trong các trường hợp truyền voice và video qua ỈP và ATM, người ta thấy rằng việc đồng bộ trở thành vấn đề sống còn của hệ thống.
* Đ ỏ n g bộ đê c h ô n g trượt(Slip)
Đ ồng bộ - có nghĩa là sự cung cấp tần số ổn định và thời gian chính xác(precision). Với mạng điên thoại chuyển mạch công cộng(PSTN) thì sự thiếu đồng bộ thời gian sẽ gây ra các ván đề về truyền số liệu và chất lượng dịch vụ không tốt, trong trường hợp tồi tệ nhất có thế làm cho mạng không hoạt động. Các vấn đề thời gian mạng càng được thấy rõ hơn trong các hệ thống chuyển m ạch số và các dịch vụ truyền dữ liệu số qua m ạng hợp kênh phân chia theo thời gian (Time Division M ultiplexing:TDM ). Các ứng dụng này yêu cầu phải được đồng bộ để không bị mất thông tin.
Sự trao đổi các bít trong một mạng số nhất thiết phải được kiểm soát bởi các đồng hồ điểu khiển các máy phát và máy thu. Khi các đồng hổ này hoạt động không cùng nhịp, các bít sẽ bị mất. Hiện tượng này được gọi là trượt(slip). Nguyên nhân của trượt là do sự thay đổi pha thời gian của sườn xung ký hiệu gây nên các vân để trong mạch khôi phục định thời và các bộ đệm First-In-First-Out(FIFO). Sự
Ihay dổi có tail so’ nhỏ hơn 10 Hz được gọi là "w ander", lớn hơn 10 H/. được gọi là "jitter” . T hỏnu thường, việc định thời được thực hiện bới PLL bám theo sự thay đổi châm của pha thời gian(wander), vì thế wander không quan sát tháy, nhưng jitter thì
v ẫ n là t h a m sỏ' c ầ n d ư ợ c c h ú V.
Tác hại cùa trượt phụ thuộc vào loại thông tin được truyền. Với âm thanh, ảnh hướng cửa sự trượt có thế không rõ rệt hoặc chí là những tiếng lách tách. Với dữ liệu dược truyền qua PSTN thì sẽ có yêu cầu phát lại nếu có trượt xảy ra. Với dữ liệu tương tự, trượt gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn, ví dụ như trượt trong khi truyền fax sẽ làm mất dòng ở máy thu hoặc làm đứt cuộc gọi. Trong trường hợp của m odem tương tự, trượt làm cho modem phải truyền lại hoặc dừng truyền trong vài ui áy.
Đế chống trượt, công nghiệp viễn thông có hai loại thiết bị đồng bộ : Đơn vị cung cấp đồng bộ (Synchronization Supply Unit:SSƯ) và các nguồn chuẩn đầu (Prim ary Referrence Source:PRS). Các thiết bị này hỗ trợ các mức đồng bộ khác nhau trong mạng. PRS sẽ cung cấp một chuẩn thời gian và tần số tuyệt đối, chủ yếu từ Chuấn thời gian và tần số quốc gia hoặc từ hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System :GPS)của Mỹ.
Một hệ thống đồng bộ thời gian mạng viễn thông có cấu trúc tổng quát như ở hình 6 . 1.
Từ sơ đổ chúng ta thấy rằng :
• các Primary Clock có thể được đồng bộ từ nhiều nguồn thời gian và tần số khác nhau : đồng hồ Ceasium, LO R A N -C , GPS, từ nước ngoài hoặc từ Hệ thống đồng hổ chuẩn quốc gia.
• Các Secondary Clock được đồng bộ từ Primary Clock và từ Hệ thống đồng hồ chuẩn quốc gia.
Tuy nhiên việc lựa chọn nguồn đồng bộ tuỳ thuộc vào k ế hoạch đồng bộ của các nhà quản lý m ạng và các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, còn ở đây chúng ta chi imhiên cứu phương pháp so sánh khả thi cho các ứng dụng cần thời gian và tần số chính xác mà các nút m ạng viễn thông là một trong số đó.
□ I— I \ Hệ thống chuẩn I__ I J thời gian quốc gia
Đổng hổ Ceasiurn LO R A N -C GPS / Quốc, gia khác © U / , Đổng hồ \ sơ c íp \ _Tắag 1 I 0 Ị 75 i I I I Nút ràng J J
Nhà cung / ' Nhà cung / Nhà cung . c íp 1 ^ c ấ p 2 c-íp 3
+ Có cấu trúc, giống nhà cung cấp 1
Hi nh 6.1 Sư đồ tổng quát của kế hoạch đồng bộ m ạng viễn thông.
6.2 X'áy d ự n g p h ư ơ n g p h á p tr u y ề n thời gian c h u ẩ n c h o n ú t m ạ n g viển th ô n g
Việc đồng bộ thơi gian tuyệt đối cho một thực thể có nghĩa là cung cấp cho nó thời gian chính xác ơ một mức độ nào đó. Ớ đây việc đồng bộ thời gian cho các nút mạng được thực hiện thông qua việc so sánh thời gian đưọc duy trì bởi đồng hồ của nút với thời gian chính xác được duy trì bởi chuẩn thời gian tần số quốc gia sử dụng phương pháp GPS CV(GPS Comm on-View ). Trước khi nghiên cứu so sánh thời gian ch ú n g ta sẽ xem xét một số khái niệm về thời gian và chuẩn thời gian quốc gia.
6.2.1 H ệ don vị q u ố c tê - Đ o n vị thòi gian
Phòng thí nghiệm do lường quốc ạia là nưi giữ các chuẩn dầu của quốc gia của các dại lượn Si cư hàn và đụi lượng dẫn xuất thuộc hệ đơn vị quốc tê SI như khôi lượng, dỏ dài, điện, thời gian, nhiệt, dung tích, lưc-độ cứng.v.v.
Bảng 6.1 là dơn VỊ cơ bản của SI
Bảng 6.1
Đại lượng Tên đưn vị Ký hiệu
độ dài mét m
khối lượng kilôgam kg
thời gian giây s
cường độ dòng điện ampe A
nhiệt độ nhiệt động lực kenvin K
lượng chất mol moi
cường độ sáng canđela cd
Pháp lệnh đo lường [1] đã chấp nhận SI là cơ sở của hộ đơn vị đo lường hợp pháp của Việt nam.
Hội nghị cân đo toàn thể lần thứ 11 (11"’ CG PM 1960; CR 86) đã chấp nhận một định nghĩa giây được đề nghị bởi ÍAU dựa trẽn cơ sở của năm tropic. Tuy nhiên thực nghiệm đ ã cho thấy rằng một chuẩn thời gian nguyên tử dựa trên sự cliuyen dịch giữa hai mức năng lượng của các nguyên tử hay phân tử có thể được thể hiện và tái tạo với độ chính xác tốt hơn nhiều. Xét thấy rằng một định nghía thật chính xác đơn vị ihời gian cho hê đơn vị quốc tế SI là rất cần thiết, CGPM lần thứ 13( 1967-1968, Resolution 1; CR, 103 and M etro lo g ia, 1968 4 43) đã thay thế dơn vị cùa giây như sau :
(ỉi áy là k ho áng thời gian bằng 9 192 631 770 chu kỳ bức xạ ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức siêu tinh tê ư trạng thái C Ư bản của ngu yên tử C eas iu m 133.
Tại phiên họp năm 1997. CIPM đã khảng định "định nghĩa này nói đến nguyên tử Ceasium trong trạng thái cơ bản của nó ở nhiệt độ 0 K"
6.2.2 Các t h a n g thời gian thé g ió ỉ(H ìn h 6.2)
• Thang thời gian UTO
Thời gian thế giới UTO là thời gian mặt trời trung binh đã được hiệu dính ảnh hưởng của sự quay không đồng đều của trái đất do góc nghiêng của trục quay.
• T hang thời gian UT1
Trái đất và trục quay của nó không phải cố định, do đó có sự di chuyển chậm một cách tương đối của các cực trái đất so với các đài quan sát thiên văn cố định, điều này làm cho UTO thay đổi. Do vậy người ta đã tính toán ảnh hưởng này và áp dụng nó để hiệu đính UTO đế có UT1. Sự sai khác giữa UTO và UT1 cỡ khoảng 0,3 s.
• Thang thời gian UT2
UT1 có sư thăng giáng theo chu kỳ(khoáng một năm rưỡi) và có thể dự đoán trước. UT1 được hiệu đính để có thang thời gian đồng đều hơn nhiều, đó là UT2. Lượng hiệu dính này cỡ khoáng 0,3 s.
Như vậy tổn tại một họ các thang thời gian thế giới trên cơ sở sự tự quay của trái đất và sự hiệu chỉnh chúng :
UTO là thời gian mặt trời biểu kiến sau khi đã hiệu đính sự không hoàn hảo của quĩ đạo quay và góc nghiêng của trục quay của trái đất.
UT1 là thang thời gian cho các nhà hàng hải có liên quan đến vị trí góc thực tế tương đôi trái đất so với mặt trời.
UT2 là thang thời gian đã được làm trơn và không bị ảnh hưởng của sự thay đổi theo chu kỳ thực tế về vị trí góc của trái đất.
Thời gian mặt trời biểu kiến
Hiệu chỉnh bởi phương trình thời gian và đồng bộ với sự quay của trái đất tại kinh tuyến Greenwich
Thời gian mặt trời trung bình U T 0 Hiệu chỉnh sự di chuyển cực của trái đất. ĨL UT1
Hiệu chinh chu kỳ quay của trái đất.
• T hang thời gian ephem eride
Cuối th ế kỷ 19, Simone N ew com be làm việc ở USNO đã lập ra một tập các bảng ước đoán vị trí tương lai của mặt trời, trái đất và một số hành tinh. Ước đoán của ông dựa trên cơ sở những số liệu tốt nhất và các nguyên lý vật lý thời bấy giờ. N ew coinbe đ ã phát hiện ra rằng có sự lệch dần của các vị trí thực tế xa khỏi các vị trí ước đoán theo cách có thể giải thích được là do lỗi quan sát hoặc do sự làm gần đún g của lý thuyết. Ô ng nhận ra rằng nếu có lỗi thời gian thì sai lệch ở các bảng được quan sát là rất giống nhau. Ông xác định m ột cách chính xác rằng, ngoài các sự thay đổi đã nói đến ở trên còn có sự thăng giáng ngẫu nhiên của tốc độ quay của trái đất.
Ngược lại, các nhà thiên văn đã sử dụng các bảng này của N ew com be để xác định thời gian gọi là thời gian Ephem eride(E phem eride Tim e : ET). Vị trí quĩ đạo của trái đất sẽ xác định thời gian thiên văn và E T sẽ đồng đều hơn thời gian thế giới bởi vì những sự thay đổi hình học của dạng trái đất không ảnh hưởng đến quĩ đạo chuyển động của nó.
E T không tiện cho sử dụng vì để xác định chính xác E T đòi hỏi các nhà thiên văn phải quan sát liên tục trong nhiều năm.
V ào năm 1950, các đồng hồ tiện lợi và chính xác hơn đã được phát triển : đồng hồ nguyên tử. Các đồng hồ nguyên tử không những cho một thang thời gian đồng đều hơn m à còn rất tiện lợi cho sử dụng.
• T hang thời gian nguyên tử quốc tế
Ngàv nay đồn g hồ nguyên tử sử dụng nguyên tử Ceasium để có được độ chính xác nhỏ hơn 10 M.
International A tom ic Tim e(TA I) là thang thời gian nguyên tử được duy trì bởi Bureau International de l ’Heure(BIH) ở Paris(Nay là BIPM). BIH hình thành TAI bằng cách lấy trung bình từ hàng trăm đồng hồ nguyên tử ở nhiều nước trên thế giới. BIH đã đồn g bộ ban đầu TAI với ƯT2 lúc 0 giờ ngày 01 tháng 01 nãm 1958. Từ đó TA I và U T2 đã tích luỹ sự sai khác tới 35 s (tháng 01 năm 1995) do TAI
theo ciụiii nghĩa đã chạy nhanh hơn và UT2 thav đổi theo sự biến đối thất thường trong sự tự quay cùa trái đát.
Xuất hiện hai nhu cầu trái ngược nhau trong việc sử dụng thời gian chuẩn : khoa học, các hệ thống thông tin, các hệ thống định vị điện tử cần độ chính xác và ổn định tuyệt vời của các đồng hồ nguyên tử, ngược lại thiên vãn học và định vị không gian vẫn cần sử dụng thời gian liên quan đến vị trí của trái đất bất chấp sự thay đổi thất thường so với các đồng hồ nguyên tử.
• Thang thời gian th ế giới phối hợp
Để đạt được sự hài hoà giữa các nhu cầu trên, CCIR đã tạo ra thang thời gian tổng hợp gọi là thang thời gian thế giới phối hợp ( Coordinated Universal Time :UTC) bắt đầu có hiệu lực từ ngày 01 tháng 01 năm 1972. Tại thời điểm đó, sự sai khác giữa UTC và TAI là 10 s. Tốc độ của UTC hoàn toàn giống như tốc độ của TAI. Thực tế, “tick” bắt đầu giây TAI và UTC là hoàn toàn đồng bộ. Tuv nhiên, thời man cho một sự kiện theo U TC phải đồng nhất với UT1 (không phải là TAI hay UT2) trong khoảng 0,9 s. Việc dịch TAI một số nguyên giây đê có UTC đáp ứng cá hai yêu cáu trên. Đ ế duy trì quan hệ giữa UTC và UT1, lượng hiệu chỉnh 1 s, gọi là uiày nhuận dược thêm vào UTC khi cần thiết. Vào ngày 01 tháng 01 năm 2000, UTC chậm sau TAI 32 giây.
6.2.3 C h u ẩ n th ò i g ia n q u ố c gia Việt n a m [2]
Hiện nay chuẩn thời gian quốc gia Việt nam gồm 01 đồng hồ nguyên tử Ceasium thương phẩm HP 50 7 1 A và 01 thiết bị so sánh thời gian quốc tế qua GPS(TTR6). Chuẩn này nhằm thực hiện, thể hiện, duy trì đơn vị đo thời gian theo định nghĩa, thiết lập và giữ thang thời gian UTC(VMI), cơ sở cho giờ hợp pháp của Việt nam. T ham số cơ bản của chuẩn thời gian và tần số của VMI :
U TC (V M I) < 3 ụs
6.2.4 Đ ộ c h í n h x á c của C h u ẩ n thòi gian quốc gia
Chuán quốc gia của các dại lượng được sử dụng làm chuán mực so sánh duy trì độ chính xác cho các thiết bị đo của cùng đại lượng và của các dại lượng khác liên quan ờ phạm vi quốc gia.
Một dặc điểm khác biệt của chuẩn thời gian so với chuấn của các đại lượng khác đó sự trôi liên tục theo thời gian. Với đồng hồ nguyên tử Ceasium HP5071A là chuẩn đầu về thời gian được hầu hết các phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng dế duy trì chuẩn thời gian quốc gia thì tốc độ trôi là khoảng 10-H15 ns/day(loai Standard). Do vậy, việc đồng bộ liên tục để duy trì độ chính xác cho đồng hồ là việc làm cần thiết.
Với các ứng dụng khóng đòi hỏi độ chính cao, tín hiệu thời gian có thè được truyền tới người sử dụng qua các đài phát vô tuyến, đường dây điện thoại.
Một phương pháp duy trì độ chính xác cao cho các đồng hồ của người sử dụng như các đổng hồ ngu y ên tử ceasium, rubidium, thạch anh là sử dụng các máy thu tín hiệu vệ tinh đế đồ n g bộ đồng hồ với thời gian của GPS. Với phương pháp này cũng chỉ có thế đạt dược độ chính xác cỡ hàng trăm ns do nhiều nguyên nhân khác nhau. Đê nàng cao độ chính xác, các chuẩn thời gian này khổng sử dụng thời gian GPS dế tự dồng bộ mà chi sử dụng thời gian này làm phương tiện so sánh với chuẩn thời gian quốc gia hăng các máy thu so sánh thời gian chuyên dụng (ví dụ như máy thu Ì T R 6 hoặc các m áy thu đa kênh). Chuẩn thời gian quốc gia hoặc là dược BIPM đánh giá sai số thời gian(nếu quốc gia đó là thành viên của BIPM) hoặc là được so sánh với chuẩn thời gian của một quốc gia đã được liên kết chuẩn với thang thời gian UTC( ví dụ như chuẩn thời gian quốc gia của Nhật UTC(CRL)). Số liệu vé chuẩn thời gian quốc gia của những nước là thành viên của BIPM được công bô hàng tháng trong Circular-T. Số liệu này là độ chính xác của chuẩn thời gian quốc gia được tính 5 ngày 1 lần và chỉ có được 1 tháng sau khi số liệu được gửi tới BIPM.
Hiện nay Việt nam chưa phải là thành viên của BIPM, vì vậy U TC(VM I) dược so sánh với chuẩn thời gian cúa Nhật được gửi đểu đặn tới VMI mỗi tháng một lần.
Trẽn cơ sở của độ dốc của đường so sánh chuẩn thời gian U TC(CRL)-U TC và
đ ó dốc của đường so sánh U TC(V M I)-U TC(CRL) có thể ước đoán được độ lệch
của U TC(V M I) bất kỳ thời điểm nào trong tháng với độ chính xác hàng chục ns. Tóm lại, tính liên kết chuẩn của chuẩn thời gian quốc gia thể hiện ở đỉnh của hình tháp ớ Hình 6.3, lấy giây SI làm chuẩn mực.
Đ ịah . a g h ĩa
/ T/Ũ \ c Lu ẩ a q II ỐC tế
/ư r c ( B iP M j\
ị UTC(VMĨ) C h u ẩ n , q u ổ c g ia
/ 7" Cb-Uẩti —” \ \ C h .u ẩ tic h .ía h .
/ tao. số a g u y ẽ a tír \ \
\ v’3
/ lầ n s ổ ^ h ạ c L ạ ạ h \ \ c k u ỉ a c o a g .ác.