Holdover en aplicaciones de sincronización

Dos relojes independientes, una vez sincronizados, se distanciarán entre sí sin límite. ^[1] Para que muestren la misma hora, sería necesario volver a sincronizarlos a intervalos regulares. El período entre sincronizaciones se denomina período de tiempo de espera y el rendimiento en ese período 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 la estación base. ^[3]

La cita anterior sugiere que se puede pensar en el remanente en aplicaciones de sincronización como análogo al funcionamiento con energía de respaldo.

Los sistemas de comunicación inalámbrica modernos requieren al menos el conocimiento de la frecuencia y, a menudo, también el conocimiento de la 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 de tiempo y frecuencia GPS 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 tendrá que determinar por sí sola 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.

Una aplicación clave del GPS en las telecomunicaciones es la sincronización en estaciones base inalámbricas. Las estaciones base dependen de la sincronización para funcionar correctamente, en particular para la transferencia de datos que se produce cuando un usuario se mueve de una celda a otra. ^[4] En estas aplicaciones, la sincronización 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 la sincronización 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 cableados, ^[7] y se ha sugerido que la búsqueda de soluciones de sincronización confiables y rentables fue impulsada por la necesidad de 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 durante el mantenimiento 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 sincronización derivada de GPS para funcionar correctamente. ^[11] Una aplicación notable donde la precisión de sincronización altamente exacta (y los medios para mantenerla a través de la señal de reserva) es importante es en el uso de sincrofasores en la industria energética para detectar fallas en la línea. ^[12]

El GPS es sensible a interferencias porque los niveles de señal son muy bajos ^[13] y pueden verse fácilmente inundados por otras fuentes, que pueden ser accidentales o deliberadas. ^[14] Además, dado que el GPS depende de señales de línea de visión, puede verse interrumpido por los efectos del cañón urbano , lo que hace que el GPS solo esté disponible para algunas ubicaciones en ciertos momentos del día, por ejemplo.

Sin embargo, una interrupción del GPS no es inicialmente un problema porque los relojes pueden entrar en un período de espera, ^[15] lo que permite aliviar la interferencia tanto como lo permita la estabilidad del oscilador que proporciona el período de espera. ^[4] Cuanto más estable sea el oscilador, más tiempo podrá funcionar el sistema sin GPS.

En la sincronización en aplicaciones de telecomunicaciones, el holdover se define por ETSI como:

Condición de funcionamiento de un reloj que ha perdido su entrada de control y utiliza datos almacenados, adquiridos durante el funcionamiento bloqueado, para controlar su salida. Los datos almacenados se utilizan para controlar las variaciones de fase y frecuencia, lo que permite reproducir la condición bloqueada dentro de las especificaciones. El período de retención comienza cuando la salida del reloj ya no refleja la influencia de una referencia externa conectada o la transición desde ella. El período de retención finaliza cuando la salida del reloj vuelve a la condición de modo bloqueado. ^[16]

Se puede considerar entonces 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:

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

¿Dónde está el error de sincronización en ; es la diferencia de frecuencia fraccionaria entre dos relojes en comparación; es el error debido al ruido aleatorio; está en ; es la tasa de envejecimiento lineal y es la diferencia de frecuencia debido a los efectos ambientales.$Estilo de visualización T_{0}$${\estilo de visualización t=0}$${\estilo de visualización R(t)}$${\displaystyle \epsilon(t)}$${\estilo de visualización R_{0}}$${\estilo de visualización R(t)}$${\estilo de visualización t=0}$${\estilo de visualización A}$$Estilo de visualización E_{1}(t)}$

De manera similar, la norma UIT 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 está el error de tiempo; es el error de tiempo en ; es el error de frecuencia fraccionaria en ; es la tasa de deriva de frecuencia fraccionaria lineal; es el componente de desviación de fase aleatoria y es la frecuencia nominal.${\estilo de visualización x(t)}$$estilo de visualización x_{0}}$${\estilo de visualización t=0}$${\displaystyle y_{0}}$${\estilo de visualización t=0}$${\estilo de visualización D}$${\displaystyle \phi(t)}$${\displaystyle \nu _{nom}}$

En aplicaciones que requieren sincronización (como estaciones base inalámbricas) a menudo se utilizan relojes GPS y en este contexto se los conoce como GPSDO (oscilador disciplinado 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 controla continuamente (a menudo mediante el uso de un bucle de enganche de fase ) para que coincida con una referencia externa. Por ejemplo, un oscilador disciplinado GPS (GPSDO) generalmente consta de un oscilador de cuarzo o rubidio cuya frecuencia de salida se controla continuamente para que coincida 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, tanto el procesamiento del GPS como la función de dirección 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 de tiempo y frecuencia GPS, el oscilador es un componente clave ^[11] y, por lo general, se construyen alrededor de un oscilador de cristal controlado por horno ( OCXO ) o un reloj basado en rubidio . Los factores dominantes que influyen en la calidad del oscilador de referencia se consideran 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 tan fuerte en la estabilidad del oscilador de cuarzo. ^{[ cita requerida ]} Lo que a menudo se conoce como 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. Una adición de un microprocesador al oscilador de referencia puede mejorar la estabilidad de la temperatura y el rendimiento del 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 un oscilador de referencia basado en cuarzo (como un OCXO ) y algoritmos de corrección modernos pueden obtener buenos resultados en aplicaciones Holdover. ^[23]

La capacidad de retención se obtiene mediante un oscilador local de funcionamiento libre o mediante un oscilador local controlado por software que conserva el conocimiento de su rendimiento anterior. ^[23] La documentación más antigua de un esfuerzo de este tipo proviene de la entonces Oficina Nacional de Normas en 1968 [Allan, Fey, Machlan y Barnes, "Un sistema de sincronización de tiempo ultrapreciso diseñado mediante simulación por computadora", Frequency], donde una computadora analógica que constaba de integradores de disco de bolas implementó un bucle de control de tercer orden para corregir el envejecimiento de frecuencia de un oscilador. La primera implementación de este concepto en un microprocesador ocurrió en 1983 [Bourke, Penrod, "Un 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 del cesio en la sincronización de redes de telecomunicaciones por cable. 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 variedad 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 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 del tiempo . ^{[27] [ ¿ fuente poco confiable? ]}

La complejidad de intentar predecir los efectos sobre el Holdover debido a efectos sistemáticos como el envejecimiento y la estabilidad de la temperatura y las influencias estocásticas como el ruido de caminata aleatoria ha dado como resultado la introducción en el mercado de soluciones de oscilador Holdover hechas a medida . ^[28]

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