ГЛОБАЛЬНАЯ ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2001 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно к проектированию высокоскоростных глобальных цифровых систем телекоммуникаций.

Известны системы телекоммуникаций, основанные на представлении данных в виде цифровых сигналов и включающие устройства частотно-временной синхронизации, обеспечивающие относительно высокую надежность приема/передачи данных. К таким системам относятся, например, "Устройство и способ передачи данных" (PCT/US 95/01421 и ее аналог RU 96118492, опубл. 27.11.1998 г.). В данном техническом решении устройство для передачи данных содержит средство представления данных в виде последовательности цифровых сигналов символов, причем цифровые сигналы символов выбираются из набора, который включает более двух уникальных цифровых сигналов символов, каждый из которых характеризуется продолжительностью символа, средство, генерирующее код прямой последовательности расширения спектра, средство умножения, обеспечивающее перемножение кода прямой последовательности расширения спектра с цифровыми сигналами символов для получения модулированного сигнала, средство передачи модулированного сигнала. При этом средство, генерирующее тактирующие сигналы, включает средство синхронизации по входному сигналу для обеспечения синхронизации тактирующего сигнала с входным сигналом.

Основным недостатком такой системы является низкая степень синхронизации, привязанная к коммерчески доступным эталонам точного времени.

Поскольку степень синхронизации напрямую связана с уровнем шумов в телекоммуникационном канале и, таким образом, с пропускной способностью канала, то для совершенствования систем связи необходимо разработать более эффективные способы синхронизации сигналов.

Этот вывод наглядно подтверждается следующими выкладками. Пропускная способность канала связи характеризуется количеством двоичных символов, передаваемых за единицу времени, и определяется формулой Шеннона: П = Flog₂(1+P_S/P_N), где F - полоса пропускания канала, P_S и P_N - средняя мощность сигнала и шума на конечном интервале времени T = T_П + Т_С + Т_S. Для систем с использованием встроенных синхроимпульсов или самосинхронизирующихся кодов необходимо осуществить поиск синхросигнала за время Т_П, войти в режим синхронизма за время Т_C и поддерживать его с погрешностью ΔT. При постоянной средней мощности шума на интервале Т средняя мощность сигнала выражается как P_S= P_И(1+(T_П+ T_C)/T). Для синхронизации системы затраты времени на поиск синхросигнала и вхождение в синхронизм близки к нулю и отношение сигнал/шум близко к максимальному значению, равному отношению средней мощности P_И информационного сигнала к средней мощности шума.

В синхронизованной системе отношение сигнал/шум зависит от относительной погрешности синхронизации ΔT/T_t и определяется выражением где Т_t - период тактирующего сигнала. Для канала связи с тактовой частотой 1 ГГц и периодом 1 нс допустимую погрешность синхронизации можно оценить величиной 100 пс при потерях отношения сигнал/шум, равных 10% от максимального значения.

В настоящее время задача синхронизации решается с использованием высокостабильных стандартов частоты - рубидиевых, цезиевых, водородных и перспективных оптических стандартов частоты с нестабильностью до 10 в минус 18 степени. Синхронизация шкал времени осуществляется с помощью космических навигационных систем GPS и ГЛОНАСС с погрешностью 100 нс.

Межрегиональный обмен данными осуществляется с использованием плезиохронных методов синхронизации потоков данных. По мере возрастания скоростей обмена данными размеры синхронизирующих буферов могут стать технически нереализуемыми.

Известно также устройство синхронизации часов, уменьшающее аномальные ошибки при измерении временных интервалов посредством использования радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами и в службе единого времени и частоты (см. , например, заявку RU 94022542, опубликованную 27.01.1996 года). Это устройство содержит ретранслятор, размещаемый на искусственном спутнике Земли (ИCЗ), и два наземных пункта, содержащих эталоны частоты и времени, а также приемопередающие комплексы.

Известны и другие способы синхронизации каналов связи (например, см. патент РФ N 2099888, опубликованный 20.12.1997 г.), в котором повышение помехоустойчивости синхронизации канала связи достигается за счет использования временного и частотного сдвигов в преобразовании Фурье.

Недостатком двух вышеуказанных способов является относительно малая точность используемых эталонов времени, что не позволяет их использования в глобальных высокоскоростных системах телекоммуникаций.

Заявляемое изобретение решает техническую задачу многократного повышения пропускной способности существующих волоконно-оптических и спутниковых каналов связи большой протяженности (магистральных) за счет использования единой глобальной прецизионной системы частотно-временной синхронизации, которая бы обеспечивала формирование, хранение и передачу эталонных частот с относительной погрешностью до 10 в минус 15 степени и сигналов точного времени с погрешностью лучше 0,1 нс в масштабах всей планеты.

В основу изобретения положен новый подход, исключающий необходимость решать неразрешимую традиционными для связи методами задачу создания и поддержания глобального синхронизма. Изобретение, в частности, предусматривает использование метода когерентного приема и обработки сигналов от внегалактических источников на основе радиоинтерферометрических измерений со сверхдлинными базами (РСДБ).

При этом предусматривается функциональное объединение глобальной РСДБ-сети, выполняющей роль базовой системы фундаментального координатно-временного обеспечения (ФКВО), и олигархической синхронной сети (ОСС) интегрального цифрового обслуживания путем размещения узловых магистральных центров коммутации и синхронизации глобальной сети на опорных станциях РСДБ-сети единой системы ФКВО, интеграция технических средств и создание единой системы магистральных каналов для передачи в режиме реального времени цифровых потоков (данных).

На приведенной блок-схеме (фиг. 1) показано взаимодействие глобальной системы телекоммуникаций и глобальной системы частотно-временной синхронизации, обеспечивающее решение поставленной технической задачи.

Элементы схемы обозначены следующим образом:
МВОСК - международная внегалактическая опорная система координат,
МЗОСК - международная земная опорная система координат,
КНС - космическая навигационная система,
СЛНС - система лазерных наблюдений спутников,
ДСН - доплеровская система наблюдений,
СЧВС - система частотно-временной синхронизации,
ОСС - олигархическая синхронная система,
СИЦО - система интегрального цифрового обслуживания,
РСДБ - радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами,
ФКВО - система фундаментального координатно-временного обеспечения,
УМЦКС - узловой магистральный центр коммутации и синхронизации.

На практике заявляемое изобретение может быть реализовано следующим образом.

Глобальная система частотно-временной синхронизации реализуется на базе единой ФКВО, включающей действующий РСДБ-комплекс КВАЗАР, сеть радиотелескопов системы наземного метрологического обеспечения космических навигационных систем GPS, ГЛОНАСС и вновь создаваемой GNSS2/GALILEO, геостационарные спутники-ретрансляторы магистральной связи для формирования наложенной глобальной наземно-космической пространственно когерентной (синхронной) магистральной транспортной системы связи.

Единая система ФКВО обеспечивает устойчивый координатно-временной базис высшей точности со следующими параметрами:
определение трехмерной земной опорной системы координат с точностью до 3 мм;
определение небесной системы координат с точностью не хуже 0.1 мс дуги;
определение параметров вращения Земли (ПВЗ) с точностью 20-30 мкс дуги для координат полюса, 1 мкс - для всемирного времени, 0.1 мс дуги - для нутаций;
определение ПВЗ с внутрисуточным разрешением;
синхронизация удаленных шкал времени с точностью 50-100 пс.

Используемая в рамках единой ФКВО радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ) обеспечивает проведение текущих координатно-временных измерений и используется для поддержания сверхточного эталона времени, являющегося производной от глобальной частотно-временной синхронизации. В настоящее время точность хранения времени на несколько порядков превышает точность его распространения. Так, российский водородный стандарт частоты Ч1-75 имеет суточную нестабильность около 5·10^-15, т.е. суточные вариации его временной шкалы не превышают 0.5 нс, что находится на уровне лучших мировых образцов, а передача моментов времени на большие расстояния производится с точностью около 100 нс. Именно по этой причине затруднено решение задач ОСС и КВО на современном уровне.

Таким образом, в настоящее время проблема создания системы единого времени состоит в том, чтобы иметь возможность не только хранить его в разных пунктах территории России со стабильностью порядка 0.1 нс/сутки, но и воспроизводить, передавать и принимать шкалы времени с такой же точностью. Такая постановка прямо следует из принципа единства координатно-временных измерений в глобальном масштабе. Действительно, во всех случаях, когда координатные определения делаются путем относительных измерений псевдодальности между двумя точками околоземного пространства, точнее - промежутков времени прохождения сигнала между ними, всегда требуется предварительная синхронизация шкал времени этих пунктов.

При создании ОСС на необходимом уровне точности глобальной синхронизации используется новый подход к организации наземных координатно-временных измерений. Для его реализации предлагается:
создать на обширной территории (например, на территории России и, по возможности, в странах ближнего зарубежья) сеть фундаментальных опорных пунктов (ФОП);
определить геоцентрические координаты всех фундаментальных опорных пунктов относительно пунктов РСДБ (например, входящих в комплекс КВАЗАР) как базовых;
осуществлять непрерывную синхронизацию часов ФОП по отношению к хранителям времени РСДБ (например, комплекса КВАЗАР) и международного (или Государственного) эталона времени и частоты;
подключить с помощью оптоволоконных и спутниковых каналов транспортные системы связи основных операторов и потребителей (например, РОСТЕЛЕКОМ, PAO EC, ТрансТелеком, Газтелеком и др.) к сети фундаментальных опорных пунктов.

Поставленные практические задачи решаются с помощью следующих вспомогательных средств РСДБ (например, комплекса КВАЗАР):
системы СИРИУС для РСДБ-наблюдений спутников GPS и ГЛОНАСС;
системы ДУПЛЕКС для синхронизации часов по отечественным каналам спутниковой связи.

Испытания этих систем показали, что они могут действовать как независимо, так и совместно в составе передвижной станции и способны давать результаты с точностью 1-10 см/сутки для разностей координат и 0.1-1.0 нс/мин для разностей показаний часов.

На фиг. 2 представлена блок-схема практического объединения ряда подсистем в высокоскоростную глобальную сеть, на которой изображены постоянно действующая РСДБ-сеть, основанная на трех действующих станциях комплекса КВАЗАР, центр управления, сбора и обработки информации, включающий специализированный центр корреляционной обработки данных наблюдений, телекоммуникационная система для связи наблюдательных станций с центром обработки и другими станциями и центрами данных международной глобальной сети CORE/IVS, олигархическая синхронная магистральная сеть (ОСС), система распространения координатно-временной информации потребителям.

Элементы блок-схемы обозначены следующим образом:
ОСС - олигархическая синхронная система,
СПД - система передачи данных,
СПКВИ - система передачи координатно-временной информации,
ЦКОД - центр корреляционной обработки данных,
УМЦКС - узловой магистральный центр коммутации и синхронизации,
СЧВС - система частотно-временной синхронизации.

На практике наблюдательная сеть станций комплекса КВАЗАР состоит из трех обсерваторий:
Светлое (Ленинградская область);
Зеленчукская (Карачаево-Черкессия);
Бадары (Бурятия),
расположенных с достаточным широтным и долготным распределением для получения всех параметров ФКВО с необходимой точностью.

Для обеспечения заявленной точности определения координатно-временных данных и их оперативной обработки обсерватории сети КВАЗАР оснащены:
специально разработанными для РСДБ-измерений радиотелескопами РТФ-32;
высокочувствительными малошумящими радиометрами S/X диапазона;
атомными групповыми стандартами времени и частоты Ч1-80;
системами регистрации MARK-IV и S2;
современными системами контроля и управления пунктом наблюдений на базе системы MARK-IV Field System, принятой в качестве международного стандарта и дополненной специфическими системами управления аппаратурой пункта, разработанными в ИПА РАН;
локальными компьютерными сетями с выходом в сеть Internet;
постоянно работающими GPS и ГЛОНАСС приемниками для связи систем координат и дополнительной синхронизации шкал времени с Госэталоном и международной шкалой времени ТАI;
аппаратурой коммутации и управления ОСС;
волоконнооптическими магистральными каналами;
локальными геодезическими сетями для контроля элементов комплекса и его привязки к государственной геодезической сети и глобальной сети ITRF.

Центр корреляционной обработки функционирует на базе работающего в ИПА РАН трехбазового коррелятора стандартов MARK-III/S2 ТИСС-1М. После модернизации на основе разработанных в ИПА РАН новых специализированных СБИС он будет иметь возможность обрабатывать данные формата MARK-IV.

Преимуществами заявляемой системы ОСС являются:
- глобальная синхронизация магистральных узлов коммутации и управления с наивысшей точностью, доступной при использовании потенциала ФКВО, и повышение пропускной способности существующих магистральных систем связи;
- экономия средств за счет отказа от создания ведомственных и иных дублирующих ФКВО систем синхронизации магистральных сетей связи;
- непрерывное повышение точности синхронизации по мере развития координатно -временного базиса ФКВО;
- независимость и безопасность эксплуатации ОСС, основанной на использовании российской национальной системы ФКВО в сочетании с возможностью международной интеграции систем связи;
- сохранение возможностей интегрального цифрового обслуживания по передаче данных, созданию частных каналов связи, использованию телекоммуникационных услуг сетей SONET/SDH, Gigabit Ethernet, ATM, Frame Relay, ISDN, SMDS и других.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно к проектированию высокоскоростных глобальных цифровых систем связи. Технический результат состоит в повышении точности синхронизации. Изобретение предусматривает использование метода когерентного приема и обработки сигналов от галактических источников на основе радиоинтерферометрических измерений со сверхдлинными базами (РСДБ). При этом предусматривается функциональное объединение глобальной РСДБ-сети, выполняющей роль базовой системы фундаментального координатно-временного обеспечения (ФКВО), и олигархической синхронной сети (ОСС) интегрального обслуживания путем размещения узловых магистральных центров коммутации и синхронизации глобальной сети на опорных станциях РСДБ-сети единой системы ФКВО, интеграция технических средств и создание единой системы магистральных каналов для передачи в режиме реального времени цифровых потоков данных. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Глобальная высокоскоростная телекоммуникационная система, включающая систему фундаментального координатно-временного обеспечения (ФКВО) для определения координатно-временных данных и их оперативной обработки, основанную на трех наблюдательных станциях, предназначенных для связи с центром корреляционной обработки данных, опорные станции ФКВО и синхронную сеть интегрального обслуживания, содержащую узловые магистральные центры коммутации и синхронизации, отличающаяся тем, что узловые магистральные центры коммутации и синхронизации размещены на опорных станциях ФКВО, которые интегрированы в единую систему магистральных каналов для передачи цифровых данных в режиме реального времени. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что система ФКВО предусматривает использование метода когерентного приема и обработки сигналов от внегалактических источников.