ITMI20101504A1 - Sistema per la sincronizzazione dei segnali su una rete ditelecomunicazioni - Google Patents

Description

Descrizione del breveto per invenzione industriale

Titolo: “SISTEMA PER LA SINCRONIZZAZIONE DEI SEGNALI SU UNA RETE DI TELECOMUNICAZIONI”

La presente invenzione riguarda un sistema alternativo per la sincronizzazione dei segnali su una rete di telecomunicazioni.

Con l'obbligatorio passaggio al Digitale Terrestre, sono state sviluppate soluzioni altamente performanti, in grado di venire incontro a qualsiasi esigenza di broadcaster e di System integrator in questo ambito. Tra i prodoti che hanno avuto maggiormente successo, si possono citare gli apparati GPS-DS-8, GPS-SU-8, GPS-DR-6 e GPS-LC-8 sviluppati dalla richiedente.

Tuti questi apparati sono dei generatori multiuscita di segnali di riferimento tempofrequenza (PPS, 10 MHz) ad alta stabilità, disciplinati mediante GPS. Il GPS ha sviluppato una precisione tale da risultare lo strumento otimale per il controllo di segnali, garantendo una testata affidabilità; il rovescio della medaglia è rappresentato dal fato che tale sistema è gestito dal Dipartimento della Difesa degli USA, ed in quanto tale, soggeto a rischi di natura tecnica e geopolitica. Affidare una tecnologia sempre più presente, diretamente o indiretamente, in un numero sempre maggiore di setori della vita quotidiana, ad un solo ente, comporta un rischio intrinseco, per cui diventa necessario poter disporre di adeguate alternative.

Nell'ambito della ricerca di alternative al GPS, esistono nel mondo alcuni progeti analoghi, proposti dalle principali potenze mondiali: per cui l'Unione Europea sta sviluppando GALILEO, la Russia sta restaurando e aggiornando GLONASS, e le emergenti potenze asiatiche di Cina ed India stanno sviluppando rispetivamente BeiDou e IRNSS. Tuti questi sistemi, nonostante sulla carta abbiano grandissime potenzialità, poiché si poggiano sulle spalle del gigante GPS e sull'esperienza da esso acquisita, integrata con le molteplici ricerche e sviluppi otenuti negli anni dalle università e centri di ricerca di tuto il mondo, non sono tutora in grado di porsi ad alternativa, e molto probabilmente non lo saranno ancora per alcuni anni.

Attualmente, l'alternativa maggiormente in grado di coniugare l'efficienza di funzionamento con la rapidità di realizzazione ed i costi risulta essere il satellite, poiché è ampiamente diffuso ed in grado di coprire integralmente il territorio.

Per risolvere questa problematica, la richiedente ha sviluppato il sistema della presente invenzione, che mira a garantire la sincronizzazione dei segnali mediante satellite, a fianco della tecnologia canonica.

A questo scopo, è stato progettato l’apparato denominato GPS-MXS, dispositivo in grado di coniugare la tecnologia sviluppata precedentemente basata su GPS, con sorgenti alternative, in modo tale che il funzionamento dei segnali di riferimento di tempo e frequenza necessari alla sincronizzazione dei segnali su una rete, come può essere la SFN (Single Frequency Network) per il Digitale Terrestre, sia in ogni caso garantito.

L'apparato GPS-MXS è stato realizzato come efficiente strumento di misura per validare sistemi di trasporto di segnali di riferimento alternativi al GPS, operando mediante algoritmi che strutturano l'apparato in modo tale che fornisca informazioni sulla qualità dei segnali di tempo e frequenza sul territorio, mediante acquisizioni confrontate con un segnale GPS ad alta stabilità.

GPS-MXS prevede quattro distinti ingressi per quattro tipologie di sorgente, ed attualmente è in fase di realizzazione una quinta, basata su ricevitore satellitare:

<■>GPS: La sorgente tradizionale, e finora utilizzata più in generale per le operazioni di sincronizzazione.

<■>External Reference (Ext): Supporta varie tipologie di segnale Tempo (1 PPS) e Frequenza (1 MHz, 2 MHz, 2.048 MHz, 5 MHz, 10 MHz) che possono essere fornite indipendentemente. A tali ingressi possono essere forniti segnali provenienti da orologi ad alta precisione come Cesio, Rubidio o MASER, in funzione della tipologia di rete.

<■>IEEE 1588: Riferimento di frequenza e di tempo trasportato su reti ethernet; allo stato attuale, vista la complessità di reti standardizzate IEEE 1588, si ritiene di sviluppare in seguito tale tecnologia, nonostante l'apparato sia già strutturato per questo scopo.

<■>El/Tl: Questo segnale, standardizzato dalla Conferenza Europea delle Poste e Telecomunicazioni (CEPT) e successivamente adottato dalla International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T), opera al valore nominale di 2.048 Mbps ed è ampiamente utilizzato nelle telecomunicazioni digitali in tutto il mondo al di fuori del Giappone. E un segnale facilmente trasportabile su reti SDH e l'esperienza sul campo ha dimostrato la buona fruibilità nei centri trasmittenti principali di tale riferimento. In particolare, l'apparato GPS-MXS è in grado di inserire riferimenti di tempo su flussi El/Tl sia come capo catena sia in modalità slave. Non da ultimo, si ritiene altamente utilizzabile tale metodologia a seguito del buon esito ottenuto con la sperimentazione della trasportabilità di segnali tempo-frequenza nello standard sopra citato.

Quest'ultimo viene inoltre utilizzato come standard di comunicazione per diffondere la sincronizzazione da un apparato collegato ad una sorgente di ottima qualità (GPS se possibile, oppure orologio atomico al Cesio/Rubidio), utilizzato come Master, agli altri apparati sparsi sul territorio (Slave). Lo schema di funzionamento dell’apparato GPS-MXS è illustrato nella Fig. 1 dei disegni annessi.

Ulteriore peculiarità di GPS-MXS, è la possibilità di caratterizzare la qualità delle sorgenti fornite in ingresso all’apparato attraverso l’analisi del rapporto f/f (variazione del valore di frequenza sulla frequenza nominale) di ciascuna fonte. A tutti gli effetti, il dispositivo si presenta come uno strumento di misura capace di essere controllato a distanza tramite applicativi web-based e/o SNMP. Questa caratteristica, risulta estremamente utile in fase di installazione e verifica della trasportabilità di segnali alternativi al GPS.

Analisi statistiche e relative distribuzioni, tempo di transito, varianza del tempo di transito e molte altre applicazioni, sono implementate di default, garantendo all'utente la possibilità di scegliere e valutare in dettaglio la reale fattibilità di trasporto.

GPS-MXS sarà lo strumento principale per la realizzazione di un sistema di Ricezione/Trasmissione di segnali mediante satellite, attualmente in fase di test e validazione presso la richiedente, poiché ha riscontrato un buon successo per quanto riguarda il trasporto di segnali di tempo e frequenza su flussi El/Tl. La richiedente ha peraltro messo a punto un sistema alternativo tramite utilizzo di tecnologia satellitare; a tale scopo, vista la disponibilità di sistemi di Modulazione/Demodulazione (MODEM) satellitari in ambito telefonico, si è pensato di sfruttare la segnalazione El/Tl via satellite, ma poiché occupa un'enorme quantità di banda, si stanno ricercando sistemi alternativi per ottenere risultati analoghi, ma con flussi di minor capacità.

In questa fase, il segnale generato dal dispositivo, viene trattato mediante un MODEM tra i più performanti disponibili sul mercato, in modo tale da poter effettuare l'uplink satellitare tra il teleporto ed il satellite. In tal modo si potranno sincronizzare e controllare i segnali che andranno a governare i dispositivi GPS-MXS operanti in modalità slave presenti sul territorio, deputati a gestire le postazioni trasmittenti.

E importante sottolineare la scelta della richiedente di dotarsi di un teleporto, strumento necessario per effettuare una ricerca e sviluppo adeguato, svincolato da dipendenze da terzi, ed eventualmente poter offrire un servizio di sincronizzazione autosufficiente e specializzato in questo ambito, per aziende e reti radiotelevisive che ne abbiano necessità.

Vista l'importanza strategica delle reti isocrone, la richiedente si è dotata di tecnologia satellitare per ottimizzare l'hardware necessario e sufficiente per le applicazioni di trasferimento di segnali tempo-frequenza. A tal fine si pensa di poter integrare la parte di ricezione satellitare all'interno del GPS-MXS, dotando quest'ultimo del quinto ingresso utilizzabile come segnale di sincronizzazione. Il principio di funzionamento del sistema della presente invenzione viene illustrato nella Fig. 2 dei disegni annessi.

Si prevede, in un momento successivo, l’integrazione all’interno dei dispositivi destinati alla ricezione, di un sistema di Modulazione/Demodulazione, in modo tale da garantire l’autosufficienza di questi, mantenendo altre le prestazioni, ma con prezzi più accessibili rispetto all’attuale situazione di mercato.

Criteri di applicazione e installazione dei dispositivi sul territorio

In base a quanto visto sinora, lo scopo principale di GPS-MXS è quello di permettere una sincronizzazione di rete estremamente affidabile su un territorio che può essere anche di dimensioni non modeste. Una rete non adeguatamente progettata e con punti deboli tecnologici, indipendentemente dalla bontà dei segnali di sincronizzazione, può portare a risultati disastrosi, come una situazione di buio in zone abitate da milioni di persone (basti pensare all’eventualità che un problema tecnico di questo tipo coinvolga anche sono una parte della Lombardia). Diventa quindi necessario sincronizzare in maniera efficace i trasmettitori collocati sul territorio. Si ritiene che il satellite sia lo strumento adatto a questa operazione. E previsto l’utilizzo dei satelliti Hotbird (13 E) e Atlantic Bird 3 (5 W) dell’operatore francese Eutelsat.

In questo modo, l’apparato master allineerà tramite satellite i dispositivi slave sul territorio, in seguito ad un accurato studio sul tempo di propagazione dei segnali. GPS-MXS è stato progettato in modo tale che possa generare il segnale PPS in differenti istanti, a seconda del tempo impiegato dal segnale a giungere da master a slave. Dal momento che ci sono delle variazioni significative nella posizione orbitale dei satelliti, è necessario progettare un sistema ad anello ad aggancio di frequenza, e quindi di tempo, per correggere le variazioni temporali mobili.

Nella figura 3 dei disegni annessi è rappresentato un esempio di rete su scala regionale, nella quale si può vedere un impianto principale (MASTER) e molteplici impianti secondari (Slave). Il segnale PPS di sincronizzazione Master è controllato in fase - o posizione temporale - da un sistema analogo al PLL, che tiene conto delle variazioni della posizione del satellite, ricevendo se stesso come segnale di riferimento, comparando il tempo di propagazione in tempo reale. Disciplinando il segnale PPS principale, verranno disciplinati i PPS secondari distribuiti nel territorio, che partiranno chiaramente in istanti differenti rispetto al Master, a causa della distanza geografica da quest'ultimo.

La stima degli errori sul posizionamento

Per poter determinare in maniera più accurata possibile il tempo di propagazione dei segnali tra la postazione master e le molteplici slave, sarà necessario tener conto delle cause di ritardi e di errori intrinseci e ambientali che tale stima comporta.

In base ai dati delle effemeridi relative al mese di Luglio 2010, gentilmente fomiti da Eutelsat, è stato possibile effettuare una stima sulle distanze geometriche via satellite tra alcune città italiane, tenendo conto della variazione di posizione del medesimo, stimata ogni 30 minuti.

In questo modo, una volta calcolato il tempo di percorrenza relativo all'uplink ed al downlink, si è potuta verificare la coerenza dei valori ottenuti, del tutto in linea con le previsioni teoriche, ottenuti mediante stime particolarmente raffinate che sfruttino il modello matematico World Geodetic System - 1984 (WGS84), che tiene conto della reale forma del geoide terrestre, (vedere la Fig. 4).

Esso è composto da:

Origine → Centro di massa della Terra

Asse Z → Direzione del Polo Terrestre Convenzionale (CTP)

Asse X → Intersezione del meridiano di riferimento di Greenwich con l’equatore

Asse Y Asse perpendicolare al piano ZX e passante per il continente Asiatico Per effettuare i calcoli sulle distanze fra punti è stato quindi operata la conversione dal sistema a coordinate sferiche (latitudine Φ, longitudine λ e altezza h) a quello cartesiano (X, Y, Z) mediante la seguente formula:

con

Dove il parametro a indica il semiasse maggiore, e il fattore di schiacciamento e h indica l’altezza del punto dall’ellissoide, che per semplicità verrà fatta coincidere con l’altezza H dal geoide, in quanto ininfluente nei conti (vedere la Fig. 5).

In seguito sarà necessario trattare con le dovute tecniche e con dati ottenuti per via sperimentale gli errori dovuti principalmente a:

• Errori nella stima delle effemeridi.

• Effetti relativistici, tra i quali il principale risulta essere lEffetto Sagnac, relativo alla rotazione terreste.

• Errori atmosferici: è generalmente oggetto di approfondimento l'interazione tra i segnali e la troposfera e la ionosfera. Tenendo conto che le frequenze di trasmissione saranno tra i 12 e i 14.2 GHz, per quanto riguarda la prima, sono comunque troppo basse per poter considerare la propagazione non-dispersiva, mentre per la seconda, sono comunque abbastanza alte per interagire con gli elettroni liberi in essa presenti, a causa delle dimensioni della lunghezza d'onda, dando origine ad effetti rifrattivi. Quest'ultimo potrebbe eventualmente essere compensato con una maggiore potenza del segnale, ma l'eventualità deve ancora essere adeguatamente studiata.

• Errori dovuti alla risoluzione del trasmettitore e del ricevitore ed al rumore del sistema di aggancio di fase (PLL - Phase Locked Loop e DLL - Delay Locked Loop).

• Errori elettromagnetici dovuti all'effetto del multipath.

• Errori generici statistici nella valutazione delle distanze.

Alla luce di quanto elencato, sono in corso studi per sviluppare metodologie necessarie ad effettuare una stima accurata dei suddetti errori, per poter sincronizzare i segnali garantendo un'alta efficienza dei dispositivi.

Allo stato attuale, basandosi sui valori effemeridali tabulati, sono state effettuate delle stime approssimate, relative alle città di Roma e Torino, che hanno portato ai grafici successivamente riportati nelle Fig. 6-10.

I primi due grafici delle Figg. 6, 7 ed 8 sono relativi alle distanze tra i centri cittadini e la posizione del satellite calcolata punto per punto con un tempo di acquisizione di 30 minuti dal 26 giugno al 14 luglio 2010. Analizzando lo storico presente sul sito di Eutelsat (nella parte riservata ai soli operatori di rete terrestre), si può vedere come generalmente per gli stessi periodi di tempo vengano effettuate diverse stime, che mostrano variazioni anche piuttosto significative tra loro.

Nel grafico successivo della Fig. 9, è stata effettuata una stima della distanza del satellite nell'arco della giornata su quattro giorni continui rispetto alla sede della richiedente.

L'andamento è chiaramente di tipo sinusoidale.

Nell'ultimo grafico della Fig. 10 sono stati plottati i valori temporali, istante per istante, riguardanti il tempo di percorrenza del segnale tra la postazione delle richiedente ed il satellite. La variazione giornaliera è inferiore ai 100 microsecondi, una quantità assolutamente trattabile in tempo reale dall'elettronica di GPS-MXS.

L’attuazione del sistema dell’invenzione

Una volta posizionati i dispositivi nelle postazioni interessate, sarà necessario trattare il segnale di sincronizzazione tenendo conto di due aspetti fondamentali del medesimo: distributivo e rigenerativo dell’originale.

- Distributivo

Per quanto riguarda il primo, bisognerà tenere conto del tempo di propagazione relativo ad un punto pre-determinato. Per fissare le idee, si può considerare la figura 11 dei disegni annessi, che sintetizza il percorso del segnale da master a slave.

A livello di rete, è di fondamentale importanza il tempo relativo, ossia la differenza nel tempo impiegato dal segnale per arrivare ad un master di riferimento e ai vari slave. Viene trascurato qui il tempo di comunicazione tra master e satellite (andata e ritorno).

Per quanto riguarda il master:

e ai sistemi slave nel territorio (due nell’esempio):

hi ~ h ^4

Da cui, in funzione della posizione del satellite:

In questo modo, si può considerare il tempo assoluto come la somma di un contributo statico, valutato mediante statistiche sulla posizione media del satellite (gross delay), e la relativa correzione dinamica, stimata in tempo reale (fine delay):

t — t 1

Analizzando un caso pratico, basato sull’analisi effettuata internamente della richiedente, si suppone che da Roma venga effettuata una trasmissione satellitare. Il segnale, dopo aver raggiunto il satellite, viene rilevato a terra dal teleporto di origine (Roma) al tempo to e al sito ricevente posto a Torino al tempo t3.

Si vuole quindi conoscere come varia nel tempo la differenza di queste due misure: t = t3 -ti in seguito ai movimenti del satellite.

Nei seguenti due grafici delle Figg. 12 e 13 si può vedere questa stima in termini di distanza (km) e tempo (s) rispettivamente.

Dalla ri elaborazione dei dati in possesso della richiedente, si può affermare che tale valore oscilla in un intervallo di 4 ps, che corrisponde a circa 1 Km, per il periodo di riferimento di tre settimane preso in esame.

Dati che vengono confermati anche per un’acquisizione più lunga di sei mesi come si vede dai grafici delle Figg. 14 e 15.

Spostando il teleporto da Roma a Milano la variazione nella differenza della distanza scende a 400 metri, come mostrato in Fig. 16.

Relativamente alla simulazione della rete che verrà poi applicata su scala nazionale, sono state analizzate, oltre a Roma, considerata come centro rete e dunque sede del master, altre sei città italiane posti in zone differenti tra loro, sia per latitudine che per longitudine: Milano, Torino, Venezia, Bologna, Bari e Messina, come mostrato dalla cartina geografica della Fig. 17 e dalle stime in grafico delle Figg. 18 e 19.

- Rigenerativo dell’originale

Volendo ricostruire il segnale PPS originale è inoltre necessario conoscere il tempo totale di percorrenza del segnale dal teleporto al sito ricevente. In tal modo sarà possibile rigenerare localmente un segnale PPS che sia sincrono a quello inizialmente distribuito e con quelli eventualmente già disponibili in loco (vedere la Fig. 20).

Nel grafico della Fig. 21 viene riportato il tempo di percorrenza di un segnale inviato da Roma a Torino via satellite.

Dal grafico si nota come tale delay vari nel corso della giornata all’interno di una finestra di 150 ps.

A tale latenza occorrerà poi sommare i tempi di modulazione e demodulazione introdotti a valle e a monte della trasmissione e altri eventuali ritardi fissi definibili a priori.

Per poter calcolare il tempo di tratta è necessario che ogni apparato conosca la propria posizione geografica, quella del teleporto e quella del satellite utilizzato. Alcune informazioni saranno aggiornate in tempo reale over-the-air per rispondere ai cambiamenti nella struttura dinamica della rete (ad esempio cambio di teleporto o aggiornamento della posizione del satellite).

Nella Fig. 22 vengono graficati i tempi di tratta relativi alle città precedentemente individuate come significative. Dall’immagine si può notare come tra una città del nord Italia (Milano) e una del sud Italia (Messina) vi sia una differenza in termini assoluti di circa 3 ms.

Può essere utile riassumere in tabella alcuni dei valori descritti in precedenza.

Di seguito sono quindi stati riportati i tempi di percorrenza del segnale dal teleporto al

satellite e dal satellite alle varie città. Per ciascuna tratta sono indicati i valori massimi, medi e

minimi in base al movimento del satellite.

E’ stata poi confrontata la variazione nel tempo delle differenze nella propagazione del

segnale fra le varie città.

Δ (Km) Torino Milano Venezia Bologna Roma Bari

Torino

Milano 0,361299352

Venezia 0,914010790 0,557811783

Bologna 0,592209389 0,417043987 0,413485165

Roma 1,084090057 0,927497836 0,899489108 0,560994577

Bari 1,902436858 1,741333729 1,297789731 1,324289741 0,830789726

Messina 2,167457680 2,013952828 1,681419700 1,614852649 1,086454992 1,034403813 Δ (μβ) Torino Milano Venezia Bologna Roma Bari Torino

Milano 1,205164916

Venezia 3,048811821 1,860659827

Bologna 1,975397889 1,391109003 1,379238050

Roma 3,616135189 3,093799765 3,000372706 1,871276486

Bari 6,345846293 5,808464097 4,328960573 4,417355094 2,771216233 Messina 7,229860600 6,717823529 5,608612409 5,386568628 3,624023764 3,450399720

Dalla precedente descrizione dettagliata del sistema, risulta evidente che esso risolve brillantemente il problema di distribuzione e rigenerazione dei segnali di riferimento tempofrequenza senza l’utilizzo, del GPS fornendo pertanto uno strumento di sicuro aiuto per le compagnie emittenti radiotelevisive che abbiamo l’esigenza di poter disporre della maggior sicurezza possibile per la sincronizzazione di rete.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema per la sincronizzazione dei segnali su una rete di telecomunicazioni, comprendente un dispositivo (master) operante da un teleporto, collegato ad una sorgente di segnali di sincronizzazione che diffonde i segnali di sincronizzazione per via satellitare ad altri apparati riceventi (slave) sparsi sul territorio, deputati a gestire le postazioni trasmittenti.
2. 2) Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un MODEM ad alte prestazioni che tratta i segnali generati dal dispositivo per effettuare l’uplink satellitare e sincronizzare e controllare i segnali per governare i dispositivi operanti in modalità slave presenti sul territorio.
3. 3) Sistema secondo le rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo (master) genera il segnale in differenti istanti a seconda del tempo impiegato dal segnale per giungere all’apparato (slave) tramite un sistema ad anello ad aggancio di frequenza e tempo, per correggere le variazioni temporali mobili dovute alle variazioni della posizione orbitale dei satelliti.
4. 4) Sistema secondo le rivendicazioni precedenti, in cui viene effettuata una stima degli errori di posizionamento sfruttando il modello matematico WGS 84 per il calcolo delle distanze tra apparati e satellite e dei tempi di percorrenza deH’uplink e del downlink satellitare.