Retención en aplicaciones de sincronización

Dos relojes independientes, una vez sincronizados, se desincronizarán indefinidamente. ^{[ 1 ]} Para que muestren la misma hora, sería necesario resincronizarlos a intervalos regulares. El período entre sincronizaciones se denomina retención , y el rendimiento durante la retención depende de la calidad del oscilador de referencia, el diseño del PLL y los mecanismos de corrección empleados. ^{[ 2 ]}

La sincronización es tan importante como la energía en el sitio de la celda. ^{[ 3 ]}

La cita anterior sugiere que se puede pensar en la función de retención en las aplicaciones de sincronización como análoga a funcionar con una fuente de alimentación de respaldo.

Los sistemas modernos de comunicación inalámbrica requieren, como mínimo, el conocimiento de la frecuencia y, a menudo, también el de la fase para funcionar correctamente. Las estaciones base necesitan saber la hora, y normalmente obtienen esta información del exterior (de un receptor GPS de hora y frecuencia o de una fuente de sincronización en algún punto de la red a la que están conectadas).

Pero si se pierde la conexión con la referencia, la estación base tendrá que determinar la hora por sí sola. La estación base necesita un método para establecer la frecuencia y la fase con precisión (para saber qué hora es) utilizando recursos internos (o locales), y ahí es donde la función de retención de hora cobra importancia.

Una aplicación clave del GPS en telecomunicaciones es proporcionar sincronización en estaciones base inalámbricas. Las estaciones base dependen de la sincronización para funcionar correctamente, especialmente para la transferencia que ocurre cuando un usuario se mueve de una celda a otra. ^{[ 4 ]} En estas aplicaciones, se utiliza la función de retención en las estaciones base para garantizar el funcionamiento continuo cuando el GPS no está disponible y para reducir los costos asociados con las reparaciones de emergencia, ya que la retención 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 se deben mantener objetivos de precisión de fase tan bajos como 1 μs 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 inalámbrica, así como de los sistemas alámbricos, ^{[ 7 ]} y se ha sugerido que la búsqueda de soluciones de sincronización fiables y rentables fue impulsada por la necesidad de que CDMA compitiera con soluciones de menor coste. ^{[ 8 ]}

Dentro de la estación base, además de las funciones estándar, la sincronización precisa y los medios para mantenerla mediante retención son de vital importancia para servicios como el E911 ^{[ 5 ].}

El GPS como fuente de sincronización es un componente clave no solo en la sincronización en 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 donde la alta precisión de sincronización (y los medios para mantenerla mediante retención) es importante es en el uso de sincrofasores en la industria eléctrica para detectar fallas en las líneas. ^{[ 12 ]}

El GPS es sensible a las interferencias debido a que los niveles de señal son muy bajos ^{[ 13 ]} y pueden verse fácilmente saturados por otras fuentes, ya sean accidentales o deliberadas. ^{[ 14 ]} Además, dado que el GPS depende de señales de línea de visión, puede verse afectado por los efectos de los cañones urbanos , lo que hace que el GPS solo esté disponible en algunas ubicaciones en ciertos momentos del día, por ejemplo.

Sin embargo, una interrupción del GPS no representa inicialmente un problema, ya que los relojes pueden entrar en modo de retención ^{[ 15 ],} lo que permite mitigar la interferencia en la medida en que lo permita la estabilidad del oscilador que proporciona dicha retención ^{[ 4 ]} . Cuanto más estable sea el oscilador, más tiempo podrá funcionar el sistema sin GPS.

En la sincronización en aplicaciones de telecomunicaciones , ETSI define la retención de sincronización como:

Condición de funcionamiento de un reloj que ha perdido su entrada de control y utiliza datos almacenados, adquiridos durante el funcionamiento en modo bloqueado, para controlar su salida. Los datos almacenados se utilizan para controlar las variaciones de fase y frecuencia, lo que permite reproducir la condición de bloqueo dentro de las especificaciones. El modo de retención comienza cuando la salida del reloj deja de reflejar la influencia de una referencia externa conectada, o la transición desde ella. El modo de retención finaliza cuando la salida del reloj vuelve a la condición de modo bloqueado. ^{[ 16 ]}

Se puede considerar entonces el efecto de retención como una medida de la precisión o el error que adquiere un reloj cuando no existe una referencia externa de control para corregir cualquier error.

MIL-PRF-55310 ^{[ 17 ]} define la precisión del reloj como:

${\displaystyle T(t)=T_{0}+\int _{0}^{t}R(t)\,dt\ +\epsilon (t)=T_{0}+(R_{0}t+{\frac {1}{2}}At^{2}+...)+\int _{0}^{t}E_{t}(t)\,dt+\epsilon (t)}$

Dónde${\displaystyle T_{0}}$es el error de sincronización en${\displaystyle t=0}$;${\displaystyle R(t)}$es la diferencia de frecuencia fraccionaria entre dos relojes que se comparan;${\displaystyle \epsilon (t)}$¿El error se debe al ruido aleatorio?${\displaystyle R_{0}}$es${\displaystyle R(t)}$en${\displaystyle t=0}$;${\displaystyle A}$es la tasa de envejecimiento lineal y${\displaystyle E_{1}(t)}$es la diferencia de frecuencia debida a efectos ambientales.

De manera similar, la norma ITU G.810 ^{[ 18 ]} define el error de tiempo como:

${\displaystyle x(t)=x_{0}+y_{0}t+{\frac {D}{2}}t^{2}+{\frac {\phi (t)}{2\pi \nu _{nom}}}}$

Dónde${\displaystyle x(t)}$es el error de tiempo;${\displaystyle x_{0}}$es el error de tiempo en${\displaystyle t=0}$;${\displaystyle y_{0}}$es el error de frecuencia fraccional en${\displaystyle t=0}$;${\displaystyle D}$es la tasa de deriva de frecuencia fraccional lineal;${\displaystyle \phi (t)}$es el componente de desviación de fase aleatoria y${\displaystyle \nu _{nom}}$es la frecuencia nominal.

En aplicaciones que requieren sincronización (como estaciones base inalámbricas), se suelen utilizar relojes GPS , conocidos en este contexto como GPSDO (oscilador sincronizado por GPS) o GPS TFS (fuente de tiempo y frecuencia GPS). ^{[ 19 ]}

El NIST define un oscilador disciplinado como:

Un oscilador cuya frecuencia de salida se ajusta continuamente (a menudo mediante un bucle de enganche de fase ) para que coincida con una referencia externa. Por ejemplo, un oscilador sincronizado con GPS (GPSDO) suele constar de un oscilador de cuarzo o rubidio cuya frecuencia de salida se ajusta continuamente para que coincida con las señales emitidas por los satélites GPS. ^{[ 20 ]}

En un GPSDO se utiliza una señal GPS o GNSS como referencia externa que controla un oscilador interno. ^{[ 13 ]} En un GPSDO moderno, tanto el procesamiento GPS como la función de control se implementan en un microprocesador, lo que permite una comparación directa entre la señal de referencia GPS y la salida del oscilador. ^{[ 8 ]}

Entre los bloques de construcción de una solución de tiempo y frecuencia GPS, el oscilador es un componente clave ^{[ 11 ]} y normalmente se construyen 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 al menos una influencia igual de fuerte en la estabilidad del oscilador de cuarzo. Lo que a menudo se denomina inestabilidad de "paseo aleatorio" 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 de envejecimiento ^{[ 21 ].} Durante el Holdover, cualquier error de reloj restante causado por el envejecimiento y la inestabilidad de la temperatura se puede corregir mediante mecanismos de control. ^{[ 22 ]} Una combinación de oscilador de referencia basado en cuarzo (como un OCXO ) y algoritmos de corrección modernos puede dar buenos resultados en aplicaciones Holdover. ^{[ 23 ]}

La capacidad de retención se proporciona entonces mediante un oscilador local de funcionamiento libre o un oscilador local controlado con software que conserva el conocimiento de su rendimiento anterior. ^{[ 23 ]} La primera documentación de tal esfuerzo proviene de la entonces Oficina Nacional de Estándares en 1968 [Allan, Fey, Machlan y Barnes, "Un sistema de sincronización de tiempo ultra preciso diseñado mediante simulación por computadora", Frequency], donde una computadora analógica que constaba de integradores de disco de bola implementó un bucle de control de tercer orden para corregir el envejecimiento de frecuencia de un oscilador. La primera implementación de este concepto con microprocesador ocurrió en 1983 [Bourke, Penrod, "Análisis de un estándar de frecuencia disciplinado controlado por microprocesador", Frequency Control Symposium] donde se utilizaron transmisiones Loran-C para disciplinar osciladores de cuarzo de muy alta calidad como reemplazo de cesio en la sincronización de redes de telecomunicaciones alámbricas. El objetivo básico de un mecanismo de dirección es mejorar la estabilidad de un reloj u oscilador, minimizando al mismo tiempo la cantidad de veces que necesita calibración. ^{[ 1 ]} En Holdover, el comportamiento aprendido del OCXO se utiliza para anticipar y corregir el comportamiento futuro. ^{[ 2 ]} Dicho mecanismo puede proporcionar una compensación de envejecimiento y temperatura efectiva ^{[ 24 ]} y el diseñador del sistema se enfrenta a una gama de opciones de algoritmos y técnicas para realizar esta corrección, incluyendo extrapolación, interpolación y filtros predictivos (incluidos los filtros de Kalman ). ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Una vez eliminadas las barreras del envejecimiento y los efectos ambientales, la única limitación teórica para el rendimiento de retención 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 ]}

La complejidad de intentar predecir los efectos en Holdover debido a efectos sistemáticos como el envejecimiento y la estabilidad de la temperatura, y a influencias estocásticas como el ruido de paseo aleatorio, ha dado lugar a la introducción en el mercado de soluciones de osciladores Holdover a medida . ^{[ 28 ]}

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