Hlavní navigace

Na návštěvě u atomových hodin: přesnost vylepšuje mobilní sítě

Petr Krčmář

O atomových hodinách slyšel každý, většina lidí tuší, že jde o zdroj velmi přesného času. My jsme se byli na takové hodiny podívat ve společnosti CETIN. Nemají tu zdaleka jen jedny.

Ústřední telekomunikační budově společnosti CETIN na pražských Olšanech se toho ukrývá hodně. Vždyť to taky byla ve své době nejrozsáhlejší stavba v Československu. Mají tu i atomové hodiny, a ne jedny. Průvodcem nám byl Ing. Martin Getmančuk, senior specialista síťové infrastruktury. To on se tu stará o to, aby atomové hodiny spokojeně tikaly.

Ze své kanceláře nás vede dlouhými chodbami do jiné části budovy, tady otevře nenápadné dveře a za nimi je téměř prázdná místnost bez oken, ve které je jen malý stůl s počítačem. Vedle něj jsou další dveře a skleněný průzor do další malé místnůstky s technikou. Říkáme tomu tady laboratoř přesného času a frekvence. Vedle je samotné zařízení, v této místnosti je jen měřicí počítač a NTP server stratum-0, který pak distribuuje čas pro celou síť, vysvětluje nám náš průvodce. Pro odbornou veřejnost byly až do 9. února 2017 dostupné NTP servery stratum-1 na internetových adresách 194.228.72.249 (ntp.ims1.telefonicao2.cz) a 194.228.72.250 s referencí atomových hodin. Provoz těchto serverů byl ukončen, protože IP adresy nám už po rozdělení nepatří.

Měřicí počítač a NTP server v předsálí

Otevírá další dveře a my přicházíme k samotným hodinám. Můžeme normálně dovnitř, oddělené je to z toho důvodu, že se tady udržuje teplota s přesností na desetinu stupně. Když sem někdo vejde, ohřeje prostředí asi o tři desetiny stupně za deset minut. Dospělý člověk podle Martina Getmančuka vyzařuje asi 150 W tepla a na tak malém prostoru je to hned znát. Oddělené je to proto, že když tu něco testuji, potřebuji vidět na displeje, ale nemusím tam zbytečně ovlivňovat prostředí. Ale vy tam klidně můžete.

U atomových hodin

Atomové hodiny vypadají na první pohled docela obyčejně. Svými rozměry připomínají běžný server do racku, liší se ale velkým segmentovým displejem a ovládací klávesnicí na pravé straně. Jsou to výrobky firmy Hewlett-Packard, uvnitř jsou cesiové trubice. Zbytek je vlastně jen potřebná elektronika, popisuje nám Getmančuk. Hodiny provozujeme dvoje, jedny jsou z roku 1993 a druhé z roku 2013. Vedle v místnosti s počítačem jsme zahlédli stejné zařízení. To je náhradní díl, který slouží zároveň jako trenažér pro přípravu zásahů. Jedná se o původní hodiny z roku 1993 bez cesiové trubice.

Tak to jsou ony: cesiové hodiny

Dostáváme se k tomu, jak vlastně takové atomové hodiny fungují. Princip spočívá v tom, že se měří změna energetické hladiny elektronu atomu cesia. Při té změně je potřeba získat energii a ta přesně odpovídá určité frekvenci podle Planckova zákona. Elektromagnetické pole určité frekvence se vytváří v pomocném oscilátoru a podle ní se určuje referenční kmitočet, vysvětluje Martin Getmančuk. Uvnitř trubice je plyn, který se nachází v magnetickém poli a oscilátor dovnitř pouští elektromagnetické impulzy. Elektrony se tím nabudí, naskáčou na vyšší hladinu a pomocí magnetického pole se atomy oddělí od těch nenabuzených, které pak zaznamená detektor. Řízený oscilátor se pak snaží naladit frekvenci tak, aby byl přenos co největší. To je celá ta věda.

Aby bylo možné jevy pozorovat a dostatečně kvalitně měřit, je potřeba připravit správné prostředí. Na čím menším objektu a nižších teplot se to dělá, tím jsou hodiny přesnější. Nejpřesnější by byly, kdybychom ovlivňovali jen jeden atom a jeho stavy bychom dokázali detekovat. Ve skutečnosti je těch atomů cesia v trubici mnoho tisíc. To umožňuje zvýšit měřenou energii, ale na druhé straně to zvyšuje rozptyl hodnot.

U samotných atomových hodin

Hodiny po zapnutí potřebují určitý čas, než se přesvědčíme, že vykazují dostatečně přesné hodnoty. Je dobré jim dát alespoň tři měsíce, než se stabilizují. Stejně náročný je i Mezinárodní úřad pro váhy a míry BIPM sídlící v Paříži, který sbírá data z přibližně dvou stovek podobných cesiových hodin, které se podílejí na tvorbě mezinárodního času UTC. Pokud potřebuji udělat nějakou významnou změnu na hodinách, je nutné takový zásah vždy úřadu oznámit.

Cesiové hodiny jsou velmi přesné, existují ale ještě přesnější metody: cesiové fontány nebo hydrogenové masery. To u nás v Česku nenajdete, nejbližší cesiová fontána je v Německu. Cesiových hodin je podle Martina Getmančuka v Česku více. Dvoje má CETIN, dvoje jsou v Kobylisích v Ústavu fotoniky a elektroniky AVČR. Ty jsou navázány na německou laboratoř PTB v Braunschweigu. Další hodiny má Český metrologický institut, armáda a od roku 2015 také ČVUT FEL.

Měřicí přístroje u hodin, to modré nahoře je teploměr

Ve všech těchto případech jde o takzvané volně běžící hodiny, tedy zcela samostatný zdroj velmi přesné frekvence, který je nezávislý na svém okolí. My je tu monitorujeme, porovnáváme jejich parametry a posíláme data prostřednictvím AVČR do Paříže, kde pak vypočítají světový čas. Do běhu zařízení se vlastně nijak nezasahuje, jen se provádí takzvaný steering, tedy dolaďování frekvence.Korekce času se nastavují ručně z klávesnice. Zpravidla provádíme posun o 200ns až když je potřeba. CETIN udržuje vlastní časovou stupnici, a manipulace s časem je interní proces, vysvětluje Getmančuk. V laboratoři je možné také kalibrovat přístroje nebo provádět vlastní měření.

Životnost atomových hodin je omezena životností cesiové trubice, která se pohybuje okolo dvaceti let. To je doba, během které jsou parametry excelentní. Pak jdou ale velmi rychle dolů a kdybychom trubici používali dále, tak by nám i v Paříži ztrácely váhu na podílu tvorby UTC. Cena nových hodin se pohybuje okolo 1,5 milionu korun a je nutné počítat s náklady na ekologickou likvidaci trubice, která se provádí v USA..

Frekvence synchronizuje síť

V CETIN používají atomové hodiny ke generování přesné frekvence pro prvky sítě. K distribuci času používáme NTP servery. Pro nás je ale dnes důležitější frekvence, čas přijde na řadu až s nasazením LTE Advanced, kdy bude potřeba časová synchronizace. To zatím v Evropě nikdo nevyužívá, vysvětluje Martin Getmančuk.

V současné době se na společnou frekvenci synchronizuje celá síť, včetně IP technologií. Přenos probíhá po fyzické vrstvě optickými vlákny, kde impulzy linkového kódu udávající synchronizační frekvenci. Pro mobilní sítě je synchronizace také velmi důležitá, aby nedocházelo k interferencím mezi BTS a aby nosná frekvence měla dostatečnou stabilitu a neovlivňovala základnové stanice v okolí. Máme i alternativu v podobě paketového přenosu časových značek kvůli starším technologiím, které přenos po fyzické vrstvě ještě nepodporují. Používáme protokol PTP, klasický NTP na to není vhodný. Většina základnových stanic je připojena rádiově, ale všechny používané mikrovlnné spoje podporují synchronizaci na fyzické vrstvě. Pro nano stanice, které jsou připojené po internetu to řešíme tak, že si stanice najde v okolí nejbližší macro BTS a přesnou frekvenci získává od ní.

Distributor posílá signál z hodin do jednotlivých prvků sítě

Synchronizace BTS je důležitá také pro stabilitu spojení s uživatelskými stanicemi, protože do hry vstupuje ještě Dopplerův efekt. Když jedete třeba autem rychlostí 130 km v hodině, dochází k poměrně výraznému posunu frekvence a kdyby byla ještě nosná frekvence stanice posunutá, mohlo by docházet k výpadkům spojení při přechodu na jinou základnovou stanici. Proto je stabilní synchronizace velmi důležitá.

Připojení signálu do konkrétního prvku sítě

Měřicí počítač ve vedlejší místnosti spouští pravidelná hodinová měření, která porovnávají frekvence ze čtyř různých zdrojů. Porovnávají se dvoje cesia, signál z UFE Akademie věd a jako referenci času tu máme ještě GPS. To měříme a provádíme vyhodnocení stability našich hodin, vysvětluje Martin Getmančuk. V místnosti s hodinami jsou také optické vysílače a přijímače, přepínače signálů, distributory 5 MHz synchronizačního signálu a také přenosné rubidiové hodiny. Ty používáme v terénu, jsou o dva řády méně přesné, ale umíme si je tady kalibrovat a pak odvézt tam, kam potřebujeme.

Měřit a hlídat

Počítač provádí měření automaticky, jde o vlastní řešení vyvinuté v CETIN a běžící na Linuxu. Počítač sám vlastně nic neměří, jen po sériové lince komunikuje s měřicími přístroji a přepínačem signálů ve vedlejší místnosti. Spouští se sada měření, která zjišťuje parametry různých signálů a porovnává je mezi sebou. Automaticky se z toho počítá lineární regrese, tedy trend. Počítač také hlídá nastavené limity a pokud jsou překročeny, odesílá obsluze varování o tom, že se něco děje.

Provedená sada měření

Měří se zejména fázový posun různých signálů mezi sebou. Protože hodiny generují 5 MHz signál, je maximální rozlišení 200 ns. Pokud by se signály rozjely více, tak už to na tomto měření nepoznám, ale měříme současně fázový posun sekundových pulzů, takže tam by byl rozdíl vidět, vysvětluje Martin Getmančuk. Zajímavé je, že hodiny jsou schválně posunuté o 200 a 600 ns. Je to kvůli automatickým testům, u kterých se pak jednoduše algoritmizuje vyhodnocení chyby. Kdyby byla chyba záporná, musel by čítač měřit také téměř celý sekundový interval a přesnost by byla horší.

Technologie samotná není příliš náročná a vyžaduje vlastně jen stabilní teplotu. Máme tu speciální klimatizaci, která udržuje teplotu v místnosti na desetinu stupně. Také je potřeba, aby se v okolí nevyskytoval zdroj elektromagnetického rušení. Když tu třeba dělali stavební úpravy a vrtali, nesměli tu zapnout vysavač. Měli ho postavený až na chodbě a sem vedla dlouhá hadice. Stejně tak by tu neměl být v provozu mobilní telefon.

Data z měření GPS přijímače vynesená do grafu

Při nanosekundových přesnostech také záleží na kvalitě kabelů. Stačí někde škrtnout, zavadit a hned jste o 10 nanosekund jinde. Všechny kabely tu mají nálepku, na které stojí, jaké způsobují zpoždění signálu. Každý kabel si připojím na čítač a změřím si ho. Signál se na volném konci odrazí a tím naměřím dvojnásobek zpoždění, tady třeba 2,5 nanosekundy, ukazuje Martin Getmančuk asi půlmetrový kabel.

CETIN nabízí synchronizační signál jako komerční službu, někteří operátoři tedy své technologie synchronizují signálem odvozeným ze zdejších cesiových hodin. Nabízíme to už dvacet let, operátoři to potřebují kvůli tomu, aby dodrželi parametry sítě předepisované ČTÚ pro propojování pevných sítí. Předepsané hodnoty přesnosti frekvencí není možné garantovat jinak než použitím cesiových hodin. Síť samotná by fungovala dobře i s o tři řády horším zdrojem frekvence.

Hodiny jsou pro běh technologií důležité, zejména pro svoji nezávislost na satelitním systému Proto tu také mají dvoje. Ani v případě výpadku obou se ale nic dramatického nestane, protože na sálech jsou ještě umístěny méně přesné rubidiové distributory, které jsou připojené na cesium. Odtud teprve jde signál k jednotlivým prvkům. Rubidia dokáží bez problému běžet samostatně a dodávat síti dostatečně přesnou frekvenci. I kdyby se cokoliv stalo s touto budovou i se všemi hodinami, nic se neděje, protože veškerá distribuce má zálohu v Hradci Králové, říká Getmančuk.

Našli jste v článku chybu?