Badania nad synchronizacją czasu i częstotliwości w systemach

Transkrypt

Zakład Systemów Radiowych (Z-1)
Badania nad synchronizacją czasu i częstotliwości
w systemach telekomunikacyjnych, prace badawcze
na rzecz wykorzystania dla telekomunikacji
i teleinformatyki w Polsce systemu nawigacyjnego Galileo
Zadanie realizowane w roku 2005:
Wykorzystanie naziemnych i satelitarnych (Galileo, GPS) źródeł
sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu dla potrzeb synchronizacji sieci telekomunikacyjnych oraz lokalizowania wywołań
alarmowych
Praca nr 01300095
Warszawa, grudzień 2005
Badania nad synchronizacją czasu i częstotliwości w systemach telekomunikacyjnych, prace badawcze na rzecz wykorzystania dla telekomunikacji i teleinformatyki w Polsce systemu
nawigacyjnego Galileo
Zadanie realizowane w roku 2005:
Wykorzystanie naziemnych i satelitarnych (Galileo, GPS) źródeł sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu dla potrzeb synchronizacji sieci telekomunikacyjnych oraz lokalizowania
wywołań alarmowych
Praca nr 01300095
Słowa kluczowe (maksimum 5 słów): synchronizacja, Galileo, GPS, NTP, PTP
Kierownik pracy: mgr inż. Andrzej Stachnik
Wykonawcy pracy:
inż. Andrzej Stefański
tnk. Małgorzata Felczak
Kierownik Zakładu Systemów Radiowych: mgr inż. Aleksander Orłowski
© Copyright by Instytut Łączności, Warszawa 2005
Spis treści
1. Wstęp...................................................................................................................................... 1
2. Określenie teoretycznych podstaw do realizacji kompleksowego systemu synchronizacji i
utrzymania jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych i informatycznych,
wskazanie krajowych użytkowników oraz zestawienie ich potrzeb ..................................... 1
2.1. Synchronizacja sygnałów taktujących w systemach telekomunikacyjnych ze
zwielokrotnieniem czasowym ........................................................................................ 1
2.2. Przesyłanie sygnałów czasu w synchronicznych sieciach telekomunikacyjnych .......... 2
2.2.1. Właściwości sieci PDH i SDH istotne dla przenoszenia sygnałów czasu ....................... 2
2.2.2. Analiza czynników wpływających na powstawanie skoków fazy w strumieniach
2 Mbit/s przesyłanych przez sieć SDH........................................................................... 4
2.3. Satelitarne systemy nawigacyjne.................................................................................... 7
2.3.1. System GPS...................................................................................................................... 7
2.3.2. System Galileo ................................................................................................................. 8
2.4. Przesyłanie informacji o czasie w sieciach informatycznych ...................................... 10
2.4.1. Protokoły NTP................................................................................................................ 10
2.4.2. Precyzyjny protokół czasu PTP według standardu IEEE 1588...................................... 12
2.5. Krajowi użytkownicy wysokostabilnych sygnałów częstotliwości i czasu oraz
zestawienie ich potrzeb................................................................................................. 28
3. Zastosowanie wyników projektu na rzecz wykorzystania synchronicznych, naziemnych
sieci radiokomunikacyjnych oraz satelitarnych systemów nawigacyjnych (Galileo, GPS)
dla potrzeb lokalizacyjnych związanych z obsługą numeru 112......................................... 29
4. Uzyskanie kompetencji do brania czynnego udziału w koordynowanych przez CBK PAN
pracach Centrum Doskonałości oraz Punktu Informacyjnego w zakresie wykorzystania
systemu Galileo oraz partycypowanie w projektach zamawianych i celowych
realizowanych przez konsorcja skupione wokół tych ośrodków......................................... 32
5. Przygotowanie merytoryczne i organizacyjne do udziału w projektach UE i ESA objętych
6. PR w zakresie wykorzystania satelitarnych systemów nawigacyjnych GNSS oraz
projektach UE objętych 6. i 7. PR w zakresie bezpieczeństwa infrastruktury technicznej. 34
6. Ekspertyzy i doradztwo na rzecz administracji państwowej................................................ 35
7. Uzyskanie kompetencji do wykonywania prac dla operatorów telekomunikacyjnych ....... 36
8. Podsumowanie i wnioski...................................................................................................... 36
Bibliografia ............................................................................................................................. 39
3
1. Wstęp
W ramach zadania są prowadzone prace badawcze nad synchronizacją czasu oraz częstotliwości w sieciach telekomunikacyjnych i informatycznych. Prace te zmierzają do oceny możliwości technicznych zbudowania w kraju niezawodnego i o dużym stopniu autonomiczności
systemu synchronizacji częstotliwości oraz czasu w tych sieciach.
W tym celu poddano ocenie przydatność różnych dróg i metod przesyłania sygnałów synchronizacyjnych. Przyjęto założenie, że nie można polegać na jednym systemie, nawet jeśli
inne nie dorównują mu w pełni pod względem parametrów jakościowych.
Rozpatrzono kilka tematów szczegółowych składających się na całość zagadnienia.
Pierwszy z nich jest związany z synchronizacją częstotliwości taktowania w sieciach telekomunikacyjnych wyposażonych w systemy plezjochroniczne i synchroniczne działające ze
zwielokrotnieniem czasowym, a następny temat dotyczy przesyłania sygnałów czasu również
w tego typu sieciach.
Kolejne tematy są związane z wykorzystaniem sygnałów czasu uzyskanych z satelitarnych
systemów nawigacyjnych GPS i Galileo.
Następny temat obejmuje problematykę precyzyjnego przesyłania sygnałów czasu w sieciach
asynchronicznych wykorzystujących transmisję pakietów. Jest to temat nowy i o dużym znaczeniu badawczym i praktycznym.
Omówiono również bieżące tendencje i uwarunkowania techniczne oraz ekonomiczne związane z zagadnieniem lokalizacji telefonu komórkowego, z którego zainicjowano wywołanie
alarmowe.
Oprócz prezentacji tematów o charakterze technicznym omówiono zagadnienia udziału Instytutu Łączności w konsorcjach i zespołach opiniodawczych związanych z przedstawioną tematyką.
2. Określenie teoretycznych podstaw do realizacji kompleksowego systemu synchronizacji i utrzymania jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych i informatycznych,
wskazanie krajowych użytkowników oraz zestawienie ich potrzeb
2.1. Synchronizacja sygnałów taktujących w systemach telekomunikacyjnych ze zwielokrotnieniem czasowym
Synchronizacja częstotliwości taktowania w systemach ze zwielokrotnieniem czasowym
TDM (Time Divide Multiplexing) jest obecnie realizowana w kraju na zasadzie synchronizacji
bezpośredniej lub pośredniej zegarów •) urządzeń transmisyjnych i komutacyjnych
w odniesieniu do nielicznej grupy zegarów pierwotnych PRC (Primary Reference Clock) wyposażonych we wzorce cezowe. Pozostałe zegary są uszeregowane w warstwy hierarchiczne
i w zależności od rangi węzła sieci telekomunikacyjnej, w której są umiejscowione jest im
przypisana odpowiednia klasa jakościowa, z czym związana jest również ich cena. Zegary
węzłów sieci dzielą się na dwie klasy, pierwsza jest przeznaczona dla węzłów tranzytowych,
a druga dla węzłów lokalnych. Za węzeł lokalny w najprostszej postaci można uważać krotnicę systemu transmisyjnego z centralą telefoniczną albo stacją bazową telefonii komórkowej.
•)
w teletransmisji i komutacji zegarami (od ang. clock ) są nazywane generatory sygnałów taktujących i w przeciwieństwie do zegarów czasu rzeczywistego nie wskazują one czasu.
W kraju w pełni zsynchronizowaną siecią stacjonarną dysponuje Telekomunikacja Polska S.A. Znaczna część prac koncepcyjnych i badawczych związanych z synchronizowaniem
tej sieci była realizowana w ramach zawartych z Instytutem Łączności umów przez wykonawców podlegającego sprawozdaniu zadania.
Mniej dostępne są dane odnośnie synchronizacji sieci innych operatorów, jednak generalnie
w sieciach stacjonarnych zagadnienie jest rozpoznane i zorganizowanie przez operatora lepszego lub gorszego jakościowo systemu synchronizacji jest kwestią ilości wydanych na ten
cel pieniędzy. Pewne dodatkowe trudności z synchronizacją mogą występować w sieciach,
w których znaczna część sygnałów jest przesyłana za pośrednictwem linii radiowych.
Ze względu na omówienie tych spraw w sprawozdaniach z realizacji zadań w latach poprzednich, wątki techniczne tego zagadnienie nie będą tu szczegółowo rozwijane.
2.2. Przesyłanie sygnałów czasu w synchronicznych sieciach telekomunikacyjnych
2.2.1. Właściwości sieci PDH i SDH istotne dla przenoszenia sygnałów czasu
Poza systemami o znaczeniu lokalnym obecnie do przesyłania sygnałów związanych z usługami tradycyjnymi lub przekazywaniem danych większość sygnałów jest przesyłanych
w sieciach transmisyjnych synchronicznych – SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Pracują
jednak jeszcze liczne starszej generacji systemy plezjochroniczne PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), najczęściej 34 Mbit/s lub 140 Mbit/s. W sieciach synchronicznych SDH i plezjochronicznych PDH przesyłanie sygnałów czasu może odbywać się przy wykorzystaniu
strumieni 2 Mbit/s lub 64 kbit/s.
Sygnały czasu składają się ze znacznika czasu oraz jego opisu. Znacznikiem na ogół jest charakterystyczny fragment sygnału (niemal zawsze określone zbocze impulsu) elektrycznego,
świetlnego lub akustycznego przekazywany wraz z opisem, wskazującym czas rzeczywisty
(epokę). Informacja stanowiąca opis może być przekazywana za pośrednictwem innego łącza
i na ogół wymogi na czas przekazu opisu nie są krytyczne. Jako przykłady można podać radiowe sygnały czasu nadawane w programach radiofonicznych o pełnych godzinach, gdy
początek szóstego impulsu jest znacznikiem czasu, natomiast opisem jest informacja podana
przez spikera albo, w innym przykładzie, przednie zbocze sygnału jednosekundowego (1 pps)
GPS wyprowadzonego na wydzielone dla tego sygnału wyjście odbiornika, dla którego opis
jest przesyłany za pośrednictwem łącza szeregowego RS 232C.
Znaczniki czasu wysyłane w regularnych odstępach czasowych na ogół służą do wyznaczania
różnicy czasu (lub skal czasu) pomiędzy zegarami czasu rzeczywistego. W systemach informatycznych znacznikami czasu są również charakterystyczne sekwencje danych wysyłane
w trybie konwersacyjnym do wyspecjalizowanego komputera (jeśli jest to jego jedyne zadanie, to jest nazywany serwerem czasu), na które zwrotnie jest wysyłana informacja o czasie
otrzymania zapytania. Zapytania są wtedy wysyłane nieregularnie, losowo, a uzyskana odpowiedź jako znak czasu jest zapisywana w dokumentach. Zapis ten jest pospolicie nazywany
stemplem czasowym (time stamp). Rola i znaczenie stempli czasowych szybko wzrasta, są
one umieszczane m. in. jako integralna część dokumentów opatrzonych podpisem elektronicznym. Precyzja stempli czasowych jest uwarunkowana dokładnością odtworzenia czasu
w komputerach wystawiających stemple czasowe oraz stałością czasu propagacji sygnałów
w łączach informatycznych. System przerwań stosowany w komputerach sprawia, że przy
średnim błędzie znakowania zdarzeń stemplami czasowymi wynoszącym pojedyncze milisekundy zdarzają się sporadycznie jednostkowe błędy sięgające nawet kilku sekund.
2
Przy ocenie dokładności czasu, który reprezentuje odebrany znacznik należy rozpatrzyć dwa
warianty wprowadzania znaczników czasu do systemu transmisyjnego.
W pierwszym, znacznik czasu po wprowadzeniu do systemu transmisyjnego inicjuje wysłanie
charakterystycznego bitu lub charakterystycznej sekwencji bitów sygnału 2 Mbit/s i ciąg bitów strumienia 2 Mbit/s jest wtedy wysyłany synchronicznie z ciągiem znaczników. Sytuacja
taka jest jednak spotykana rzadko, gdyż krotnice nie wnoszą stałego przesunięcia fazy sygnału taktującego. Faza sygnału wyjściowego na skutek działania pętli fazowej nadąża za fazą
sygnału wejściowego, jednak wykazuje nieoznaczoność względem fazy sygnału wejściowego.
Druga możliwość, spotykana najczęściej, polega na tym, że wprowadzanie znaczników czasu
odbywa się w sposób nieskorelowany z przesyłanym sygnałem cyfrowym. Powstaje wówczas
dodatkowy błąd, polegający na tym, że sygnał reprezentujący znacznik czasu jest wprowadzony do pamięci buforowej i może oczekiwać na wysłanie do 488 ns przy korzystaniu ze
strumienia 2 Mbit/s i do 15,625 μs przy korzystaniu ze strumienia 64 kbit/s. Błąd ten można
znacznie zmniejszyć, gdy w oparciu o pomiar za znacznikiem czasu jest przesyłana informacja o różnicy pomiędzy znacznikiem czasu, a charakterystycznym punktem sygnału cyfrowego, np. początkiem ramki.
Przy poprawnej pracy systemu synchronicznego systemu transmisyjnego SDH lub plezjochronicznego PDH należy oczekiwać, że sygnały synchronizacyjne w sieci nie będą wykazywały fluktuacji fazy większej niż 1 μs i dobowy dryft fazy (czasu fazowego) również nie
przekroczy 1 μs, a na ogół jest o rząd wielkości mniejszy. Źródła sygnałów synchronizacyjnych mogą zatem stanowić podstawę czasu dla zegarów czasu rzeczywistego i również
w synchronicznych sieciach SDH lub PDH mogą być przesyłane znaczniki czasu służące do
synchronizacji zegarów czasu rzeczywistego. Zegary te mogą więc wskazywać czas z dokładnością rzędu 1 μs i do utrzymania czasu z tą dokładnością są wystarczające aplikacje
sprzętowe, bez konieczności korzystania ze sprzętu informatycznego.
Mechanizm umożliwiający przesyłanie w jednym strumieniu PDH o większej przepływności
(np. 38 lub 140 Mbit/s) strumieni 2 Mbit/s o różniących się, jednak pozostających w zakresie
dopuszczalnych tolerancji częstotliwościach taktowania nazywany jest dopełnianiem.
W systemach PDH powyżej 2 Mbit/s stosuje się dopełniania bitowe dodatnie, co oznacza, że
po stronie nadawczej są wysyłane pewne nadmiarowe bity na ogół nie niosące informacji i są
one usuwane po stronie odbiorczej. Jeśli jednak przepływność dopływowego strumienia
2 Mbit/s była większa od nominalnej to do przesłania większej liczby bitów wykorzystuje się
bity nadmiarowe. Jeśli przepływność jest mniejsza od nominalnej, to oprócz bitów nadmiarowych dodatkowo pewna liczba bitów po stronie odbiorczej jest usuwana. W sieciach PDH
skoki fazy wywołane działaniem systemu dopełniań są niewielkie, rzędu pojedynczych nanosekund i w praktyce są do pominięcia, z tego względu nie będą tu szczegółowo omawiane.
Obecnie w sieciach telekomunikacyjnych nawet niezbyt dalekiego zasięgu są stosowane wyłącznie synchroniczne systemy transmisyjne SDH. Systemy SDH mają dwie istotne funkcje
z punktu widzenia rozsyłania sygnałów służących za podstawę czasu zegarów czasu rzeczywistego i również dla znaczników czasu przesyłanych w utworzonych w ramach systemu kanałach (np. 64 kbit/s). Pierwsza, to zegary SSU podtrzymujące wytwarzanie sygnałów
w przypadku przerwania łańcucha synchronizacyjnego prowadzącego od zegara pierwotnego
PRC. Zegar SSU stosowany w węzłach tranzytowych powinien wytwarzać sygnały, które
wprowadzone jako sygnał podstawy czasu do zegarów czasu rzeczywistego nie spowodują
narastania błędu wskazywanego czasu większego niż 23 μs w ciągu doby i odpowiednio
3
większego niż 115 μs w ciągu doby w odniesieniu do zegarów SSU stosowanych w węzłach
lokalnych.
Drugą funkcją jest właściwość polegająca na przesyłaniu przez rozsynchronizowana sieć
SDH strumieni np. 2 Mbit/s z zachowaniem własnej przepływności, jednak obarczonych po
stronie wyjściowej znacznymi fluktuacjami fazy. Fluktuacje te powstają w wyniku działania
systemu dopełniań dodatnio-ujemnych. W obrębie sieci SDH są możliwe 3 przypadki powstawania dopełniań i odpowiednio do miejsca ich powstawania różna jest ich wielkość.
2.2.2. Analiza czynników wpływających na powstawanie skoków fazy w strumieniach
2 Mbit/s przesyłanych przez sieć SDH
W rozwiązaniach, w których strumienie 2 Mbit/s są przesyłane za pośrednictwem systemów
SDH mogą występować skoki fazy utrudniające bądź uniemożliwiające wykorzystanie tych
strumieni do synchronizacji zegarów innych urządzeń telekomunikacyjnych, takich jak centrale, krotnice, przełącznice. W myśl ogólnie przyjętych zasad synchronizacji opartych na
zaleceniach międzynarodowych (ITU-T, ETSI) jest niedopuszczalne wykorzystanie do synchronizacji sygnału taktującego odtworzonego ze strumienia 2 Mbit/s przenoszonego przez
sieć SDH.
Dane o tych skokach fazy będą wykorzystane do oszacowania błędu odtworzenia czasu rzeczywistego w miejscu odbioru, wynikającego ze zmienności czasu propagacji sygnału w sieci
SDH. Poniżej zostaną omówione czynniki wpływające na powstawanie skoków fazy
w sygnale taktującym odzyskanym ze strumienia 2 Mbit/s przesyłanego za pośrednictwem
systemów transmisyjnych SDH. Zostaną omówione tylko te systemy SDH, których struktura
zwielokrotnienia jest najczęściej spotykana w krajowej sieci telekomunikacyjnej
i odpowiednia do bezpośredniego wprowadzania i wyprowadzania strumieni 2 Mbit/s
(C-12 => VC-12=> TU-12 => TUG-2 => TUG-3 => VC-4 => AU-4 => STM-N).
Dopełnianie bitowe dodatnio-ujemne w obrębie kontenera wirtualnego VC-12
W przypadku występowania różnicy pomiędzy częstotliwością taktowania strumienia dopływowego 2 Mbit/s, a częstotliwością taktowania sygnału zbiorczego STM-N w pierwszej kolejności uaktywnia się system dopełniań dodatnio-ujemnych bitowych. W ramce kontenera
wirtualnego VC-12 jest umieszczone sześć bitów sterujących dopełnianiem: trzy bity C1
i trzy bity C2. W zależności od kierunku, procedura dopełniania jest realizowana przez bit S1
lub S2. Ponieważ kontener wirtualny VC-12 o czasie trwania 500 μs gromadzi informacje
zawarte w czterech ramkach sygnału 2 Mbit/s (4 x 32 bajty), prócz tego zawiera informacje
nagłówkowe i wskaźnikowe (4 x 3 bajty), a więc kontener ten zawiera 1120 bitów. Do przesłania jednego bitu jest wymagany czas: 500 μs/ 1120 bitów = 446 ns i taki właśnie skok fazy
(błąd przedziału czasu) jest wywołany działaniem dopełniania bitowego w obrębie kontenera
VC-12. Efektywność wyrównywania przepływności wynosi więc jeden bit na cztery ramki
sygnału 2 Mbit/s. System dopełniań bitowych w pełni pokrywa potrzeby w zakresie wyrównywania przepływności sygnałów 2 Mbit/s wprowadzonych za pośrednictwem pary przewodów na porty wejściowe urządzeń transmisyjnych.
Dopełnianie bajtowe dodatnio-ujemne w obrębie kontenera wirtualnego VC-12
Jeśli wymagany zakres wyrównywania przepływności nie może być zrealizowany za pośrednictwem sytemu dopełniań bitowych, albo w krotnicy nie występuje tworzenie kontenerów
VC-12 ze strumieni 2 Mbit/s (wprowadzonych „po drucie”), wówczas uaktywnia się system
dopełniań dodatnio-ujemnych bajtowych działający w obszarze dopasowania kontenera wir4
tualnego VC-12 do jednostki składowej TU-12. Dopełniania te umożliwiają przesłanie dodatkowo lub pominięcie przy przesyłaniu jednego bajtu informacji użytecznej w każdej z jednostek składowych TU-12. Ponieważ jednostka TU-12 o czasie trwania 500 μs gromadzi informacje zawarte w czterech ramkach sygnału 2048 kbit/s (4 x 32 bajty), prócz tego zawiera
informacje nagłówkowe i wskaźnikowe (4 x 4 bajty), dlatego do przesłania jednego bajtu jest
wymagany czas: 500 μs/ 144 bajtów = 3,47 μs. Zmiana wskaźnika początku kontenera VC-12
o jedność (pomimo, że zmiana wskaźników jest skutkiem, a nie przyczyną, przyjęło się nazywanie działania dopełniań bajtowych jako przetwarzanie wskaźników - w ang. pointer adjustment) powoduje rozpoczęcie odczytywania kontenera o jeden bajt wcześniej lub później
w stosunku do bajtu, od którego rozpoczęto odczyt w poprzedniej jednostce TU-12. Wynika
stąd, że skok fazy w strumieniu 2 Mbit/s wychodzącym z systemu transmisyjnego wynosi
w rozpatrywanym przypadku 3,47 μs. Efektywność wyrównywania przepływności wynosi
w tym przypadku jeden bajt na cztery ramki sygnału 2 Mbit/s. Ze względu na ustaloną strukturę czasową jednostek TU-12 w kontenerze wyższego rzędu: VC-4, różnica częstotliwości
taktowania jednego ze strumieni 2 Mbit/s nie wywołuje skoków fazy w innych strumieniach
2 Mbit/s przesyłanych za pośrednictwem tego samego systemu transmisyjnego.
Dopełnianie bajtowe dodatnio-ujemne w obrębie kontenera wirtualnego VC-4
W przypadku występowania różnicy pomiędzy częstotliwością taktowania strumienia dopływowego STM-1, a częstotliwością taktowania sygnału zbiorczego STM-N uaktywnia się system dopełniań dodatnio-ujemnych działający w obszarze dopasowania kontenera wirtualnego
VC-4 do jednostki administracyjnej AU-4. Dopełniania te umożliwiają przesłanie dodatkowo
lub pominięcie przy przesyłaniu trzech bajtów informacji użytecznej w każdej z jednostek
administracyjnych AU-4. Ponieważ jednostka AU-4 o czasie trwania 125 μs gromadzi informacje zawarte w 2430 bajtach, dlatego do przesłania jednego bajtu jest wymagany czas:
125 μs/ 2430 bajtów = 51,44 ns. Ze względu na przyjęty system adresowania zmiana wskaźnika o jedność powoduje rozpoczęcie odczytywania kontenera VC-4 o trzy bajty wcześniej
lub później w stosunku do bajtu, od którego rozpoczęto odczyt w poprzedniej jednostce
AU-4. Wynika stąd, że skok fazy w strumieniu 2 Mbit/s wychodzącym z systemu transmisyjnego wynosi w rozpatrywanym przypadku 3 x 51,4 ns = 154,3 ns. Należy zauważyć, że nie
ma możliwości powstania tego typu skoków, jeśli zwielokrotnienie następuje bezpośrednio do
poziomu STM-4, bez przechodzenia przez poziom STM-1.
5
Rys. 1. Szybkie zmiany fazy sygnału 2 Mbit/s wynikające z odstrojenia sygnału względem
częstotliwości taktowania systemu transmisyjnego SDH: STM-1 i STM-4
Rys. 2. Szybkie zmiany fazy sygnału 2 Mbit/s wynikające z rozstrojenia biorących udział
w przenoszeniu sygnału systemów transmisyjnych SDH: STM-1 i STM-4
W systemach SDH istnieje możliwość przesyłania sygnałów czasu w nagłówkach, wtedy ze
względu na stałą częstotliwość ramkowania, 8 kHz, w sygnałach tych nie występują skoki
fazy wynikające z działania systemu dopełniań bajtowych (przetwarzania wskaźników).
W nagłówku systemu SDH STM-N istnieją 2 kanały komunikacji danych. Pierwszy z nich,
wykorzystujący bajty: D1 ÷ D3 (DCCR), tworzy kanał o przepływności 192 kbit/s, a drugi,
wykorzystujący bajty: D4 ÷ D12 (DCCM), tworzy kanał o przepływności 576 kbit/s.
6
Możliwy jest podział tych kanałów w celu wydzielenia kanału o mniejszej przepływności
wykorzystywanego wyłącznie do przesyłania znaczników czasu i ewentualnych informacji
towarzyszących (opis znacznika, poprawki do wyznaczenia przesunięcia znacznika względem
początku ramki).
Wskazane jest, aby system przesyłania znaczników czasu umożliwiał zwrotny odbiór znaczników czasu w miejscu wysłania, co pozwalałoby na dokładniejsze oszacowanie czasu propagacji. W większości rozwiązań połowa sumarycznego czasu propagacji sygnału w obydwie
strony jest dodawana do czasu wysłanego w odpowiedzi na zapytanie. Czas propagacji może
być różny przy przesłaniu znaczników w każdym z dwóch kierunków transmisji, jednak jest
to użyteczna informacja, gdyż błąd wyznaczenia czasu nie jest wtedy większy od połowy sumarycznego czasu propagacji.
W podsumowaniu można stwierdzić, że sieci telekomunikacyjne opierające się na wykorzystaniu kabli światłowodowych zakopanych w ziemi, wyposażone w systemy transmisyjne
PDH lub SDH dobrze nadają się do przenoszenia sygnałów czasu. Nie można wykluczyć
fluktuacji fazy przenoszących się na niedokładność czasu odtwarzanego w oparciu o przesyłane w tych sieciach znaczniki i osiągającą wartość kilkunastu mikrosekund, jednak w warunkach praktycznych występujących w dobrze utrzymanych sieciach niedokładność ta nie powinna przekraczać wartości 1 mikrosekundy.
2.3. Satelitarne systemy nawigacyjne
2.3.1. System GPS
Zasady działania amerykańskiego satelitarnego systemu nawigacyjnego GPS są dziś powszechnie znane, dlatego zostaną przytoczone w wielkim skrócie. Choć ilościowo większość
zastosowań wiąże się z lokalizacją, to jednak w dziedzinie precyzyjnego wyznaczania czasu,
a pośrednio również synchronizacji, znaczenie systemu jest również nie do przecenienia.
System GPS składa się z konstelacji 24 satelitów (liczba ta może być przejściowo
o 1 ÷ 2 mniejsza) oraz naziemnego segmentu kontrolnego. Użytkownicy są wyposażeni
w wyspecjalizowane terminale, stanowiące połączenie odbiornika GPS z częścią aplikacyjną
o dedykowanym przeznaczeniu. Większość użytkowników jest zainteresowana bardziej lub
mniej precyzyjną lokalizacją (nawigacja morska lub samochodowa, ratownictwo, geodezja
itp.), ale liczna jest grupa użytkowników zainteresowana wyznaczaniem czasu lub synchronizacją sieci telekomunikacyjnych.
Określanie trójwymiarowe położenia obiektu (mówiąc ściśle: anteny odbiornika) odbywa się
przy użyciu metod triangulacyjnych, na zasadzie obliczania odległości od trzech satelitów
o znanym położeniu, najlepiej szeroko rozstawionych. Odległość odbiornika od satelity jest
wyznaczana na podstawie precyzyjnych pomiarów wzajemnych różnic czasu odebrania sygnałów z poszczególnych satelitów. Jeśli nie jest znane położenie obiektu, to do wyznaczenia
czasu jest konieczne śledzenie sygnałów z czterech satelitów, ale po wyznaczeniu położenia
wystarczy śledzenie sygnałów z jednego satelity. Do wyznaczania czasu preferuje się śledzenie satelitów obserwowanych pod dużymi kątami elewacji, w pobliżu zenitu. Obecne odbiorniki mają możliwość jednoczesnego śledzenia sygnałów nawet z 12 satelitów.
W typowych wykonaniach z odbiornika GPS jest bezpośrednio dostępny sygnał jednosekundowy (1 pps) stanowiący ciąg znaczników sekundowych, a za pośrednictwem łącza RS 232C
jest przesyłany opis tej sekundy oraz szereg innych danych, najczęściej według skonfigurowania odbiornika przeprowadzonego przez użytkownika. Przy odtwarzaniu w oparciu o GPS
7
częstotliwości sygnału taktującego niezbędne jest pośrednictwo generatora kwarcowego lub
rubidowego wyposażonego w cyfrową pętlę fazową.
Operatorzy sieci telekomunikacyjnych i informatycznych często wykorzystują sygnały systemu nawigacyjnego GPS do synchronizacji częstotliwości taktowania oraz do utrzymania jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych i informatycznych. Wynika to z faktu, że
w odbiorniku GPS jest możliwe odtworzenie skali czasu tego systemu z dokładnością
ok. ± 100 ns przy pomiarach krótkoterminowych i ok. ± 5 ns przy pomiarach uśrednionych za
okres jednej doby. Dodatkową zaletą jest utrzymywanie skali czasu GPS w taki sposób, aby
minimalizować różnicę pomiędzy skalą czasu GPS a skalą czasu UTC. Choć nie podjęto w tej
sprawie żadnych zobowiązań, to w praktyce różnica nie przekracza 20 ns. Tak dużej dokładności otworzenia czasu UTC na obszarze całego globu i przy tak niewielkich kosztach nie
zapewnia żadna inna metoda.
Przy korzystaniu z sygnałów systemu GPS należy jednak mieć na względzie, że system ten
jest w pierwszym rzędzie zorientowany na zaspokojenie potrzeb militarnych Stanów Zjednoczonych i w przypadku konfliktu interesów wojskowych z cywilnymi jego sygnały mogą być
zakodowane stając się bezużyteczne dla nieautoryzowanych użytkowników.
2.3.2. System Galileo
Wychodząc z tych przesłanek państwa skupione w Unii Europejskiej postanowiły zbudować
własny satelitarny system nawigacyjny, zarządzany przez władze cywilne i zorganizowany za
zasadach komercyjnych. System ten, nazwany Galileo, będzie dostarczał m.in. sygnałów służących do synchronizacji sieci telekomunikacyjnych oraz utrzymania jednolitego czasu
w tych sieciach, przy czym – w przeciwieństwie do systemu GPS – usługi polegające na dostarczaniu do użytkowników wykorzystywanych przez nich sygnałów będą objęte gwarancją
utrzymania określonego poziomu jakościowego. Prócz tego świadczone usługi będą posiadały
certyfikat pełnej legalności z punktu widzenia prawodawstwa europejskiego.
Definitywne decyzje przystąpienia do budowy zapadły w 2001 roku. Jednostką odpowiedzialną za zbudowanie i wdrożenie sytemu do użytku jest Europejska Agencja Kosmiczna
ESA. Bezpośrednie koszty uruchomienia systemu są obecnie oceniane na 4,5 mld euro,
a dalsze nakłady poniesione już przez użytkowników na wyposażenie w terminale
i urządzenia współpracujące z systemem Galileo są szacowane na kwotę przynajmniej dwukrotnie wyższą.
Cywilny zarząd nad eksploatacją oraz utrzymanie systemu na zasadach komercyjnych sprawia, że gwarancje ciągłości dostępu do sygnałów systemu Galileo są znacznie większe niż
w przypadku GPS, jednak i tu przewiduje się w warunkach kryzysowych możliwość zawieszenia świadczenia niektórych usług. Odrzucono jednak opinie popularne zwłaszcza po atakach terrorystycznych w Ameryce z 2001 roku, że dostęp do systemów nawigacyjnych należy
ograniczać ze względu na możliwość posługiwania się nimi przez terrorystów. Pomimo, że
z politycznego punktu widzenia system Galileo będzie stanowił przeciwwagę dla amerykańskiego systemu GPS, to jednak uzgodniono nawiązanie współpracy polegającej na wspólnym
wykorzystaniu obydwu systemów, przewiduje się również włączenie do współpracy rosyjskiego systemu Glonass.
Użytkownik systemu Galileo przy pomocy odbiornika będzie mógł korzystać w pełni
z możliwości stwarzanych przez system niezależnie od bieżącego ułożenia konstelacji satelitów. Dzięki dwuczęstotliwościowemu systemowi lokalizacyjnemu Galileo będzie w stanie
dostarczać w czasie rzeczywistym informacji o pozycji z dokładnością do kilku metrów, co
8
jest nieosiągalne przy korzystaniu z istniejących systemów. Przewiduje się duży stopień gwarancji ciągłości dostępu do systemu, w każdej chwili użytkownik będzie znajdował się w zasięgu co najmniej dwóch satelitów, których kąt elewacji (widoczności) będzie większy niż
25°. W ekstremalnych przypadkach użytkownik w ciągu kilku sekund uzyska informacje
o uszkodzeniach i wynikających stąd ograniczeniach w świadczeniu usług. Będzie to bardzo
istotne dla zastosowań związanych z bezpieczeństwem, takich jak przykładowo: bieg pociągów, prowadzenie samochodów czy lądowanie samolotów.
Pierwszy eksperymentalny satelita miał być wprowadzony na orbitę w końcu 2004 roku
w ramach budowania stanowiska do testowania systemu, ostatnio podano, że satelita będzie
wyniesiony na orbitę w dn. 28.12. 2005 roku. Zadaniem tego eksperymentalnego satelity będzie wyznaczenie i testowanie punktów krytycznych zastosowanych technologii oraz potencjalnych miejsc powstawania problemów technicznych. Zagadnienia te będą rozwiązywane,
a większość już jest, w oparciu o kontrakty z ESA. Kolejne 4 satelity o właściwościach roboczych, miały być umieszczenia na orbitach w latach 2005 ÷ 2006. Ich zadaniem będzie zweryfikowanie poprawności działania przestrzennych i naziemnych elementów systemu. Trudności finansowe i koordynacyjne, częściowo o podłożu politycznym sprawiły, że obserwuje
się blisko dwuletnie opóźnienie w realizacji systemu i przesunięcie na rok 2009 ÷ 2010 terminu uzyskania przez system Galileo pełnej zdolności operacyjnej.
Po zakończeniu fazy budowy system będzie składał się z 30 satelitów (27 roboczych
+ 3 aktywnych rezerwowych) okrążających Ziemię na wysokości 23616 km nad jej powierzchnią. Satelity te będą rozmieszczone na 3 orbitach kołowych (po 10 satelitów na każdej
orbicie) leżących na płaszczyznach przechodzącej przez środek Ziemi, nachylonych do płaszczyzny równika pod kątem 56º. Dzięki takiemu rozstawieniu satelitów sygnały nawigacyjne
systemu będą pokrywały obszar aż do 75º szerokości geograficznej, co na półkuli północnej
odpowiada przylądkowi Nord Cape w Skandynawii. Okres obiegu satelity dookoła Ziemi
będzie wynosił ok. 14 godzin. Znaczna liczba satelitów łącznie z optymalizacją konstelacji
sprawia, że uszkodzenie jednego satelity nie przyniesie znacznego uszczerbku dla prowadzonych służb, tym niemniej znajdujący się na każdej orbicie satelita rezerwowy może być przesunięty w taki sposób, że zastąpi satelitę uszkodzonego.
Zarządzanie systemem będzie realizowane z dwóch położonych na terenie Europy centrów
sterujących (GCC). Dane uzyskane z globalnej sieci, w skład których wchodzi 20 stacji pomiarowych (GSS), będą przesyłane do centrów przez redundancyjną sieć telekomunikacyjną.
Centra te w oparciu o przetworzone dane pomiarowe będą prowadziły synchronizację sygnałów czasu wytwarzanych przez wszystkie wchodzące w skład systemu zegary, zarówno naziemne, jak i satelitarne. Przesyłanie danych z centrów GCC do satelitów będzie prowadzone
przez specjalne, jednokierunkowe stacje. Pięć takich stacji pracujących w paśmie mikrofalowym S oraz dziesięć takich stacji pracujących w paśmie C będzie rozmieszczonych na obszarze całego globu. System Galileo będzie prowadził zadania poszukiwawcze i ratownicze
o zasięgu globalnym. Jednak, wbrew początkowym zamierzeniom, również w tym zakresie
informacje oraz dane do systemu będą przekazywane za pośrednictwem infrastruktury naziemnej, częściowo w ramach istniejących już systemów ratownictwa. Nową jakością będzie,
że osoba wymagająca pomocy będzie po przesłaniu zgłoszenia do służb ratowniczych otrzymywała aktualizowane informacje, że jej sytuacja jest monitorowana i znajduje się pod kontrolą oraz że pomoc jest w drodze. Obecne systemy ratownicze nie pozwalają na przesyłanie
tego typu informacji zwrotnej.
W odniesieniu do usług związanych z synchronizacją i utrzymaniem jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych i informatycznych, to nie zajdą tu znaczące zmiany w stosunku do
9
obecnego stanu rzeczy tam, gdzie wykorzystuje się do tych celów odbiorniki GPS. Nowym
elementem będą komunikaty nadawane z orbity o niespełnieniu ustalonego poziomu jakościowego lub ograniczeniach użyteczności sygnałów. Szczegółowe informacje na ten temat
będą jednak dostępne prawdopodobnie dopiero po wyprodukowaniu odbiorników sygnałów
systemu Galileo.
2.4. Przesyłanie informacji o czasie w sieciach informatycznych
2.4.1. Protokoły NTP
Przesyłanie sygnałów czasu w zamkniętych lub otwartych sieciach informatycznych odbywa
się sztafetowo od serwera z wyższej hierarchicznie warstwy do serwera lub komputera z niższej hierarchicznie warstwy w strukturze o kształcie odwróconego drzewa. Oprócz najwyższej
hierarchicznie warstwy stratum 0 wyróżnia się trzy niższe warstwy oznaczone odpowiednio
od stratum 1 do stratum 3. Urządzenia pracujące w każdej z tych warstw mogą pełnić zarówno rolę źródła sygnałów czasu dla warstw niższych jak i końcowego klienta całego systemu.
Na ogół nie ma ograniczeń odnośnie wykorzystywania sygnałów czasu przesyłanych bezpośrednio z serwerów znajdujących się w wyższych warstwach hierarchicznych, jednak ograniczone są wówczas możliwości zweryfikowania dróg przesyłania sygnałów czasu,
a niejednokrotnie również wiarygodnej identyfikacji źródła.
Należy mieć na względzie, że podczas przesyłania sygnały czasu podlegają opóźnieniom pozwalającym na odtworzenie w komputerze czasu systemowego z ograniczoną dokładnością.
Ze względu na stosowane w komputerach systemy przerwań możliwości dokładnego znakowania zdarzeń są ograniczone i nie przekraczają 0,001 ÷ 0,01 s. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że częste i wymagające utrzymywania się w nieelastycznym rastrze czasowym przerwania zmniejszają zdolności komputera w zakresie realizacji przypisanych komputerowi
zadań i w skrajnym przypadku mogą doprowadzić do tego, że komputer będzie realizował
tylko funkcje związane z wyznaczaniem czasu.
Do uzgadniania w sieciach czasu wskazywanego przez zegary systemowe komputerów jest
wykorzystywany wyspecjalizowany protokół NTP. Pakiety NTP korzystają z tych samych
dróg przesyłania co pakiety zawierające informacje użytkowe.
Protokół NTP jest obecnie powszechnie obowiązującym standardem. Założenia dotyczące
jego architektury zostały szczegółowo opisane m.in. w dokumentach RFC-1305 i RFC-2030.
Wszystkie urządzenia używające NTP do synchronizacji swoich zegarów wymieniają między
sobą komunikaty. W praktycznie realizowanych sieciach informatycznych do rozsyłania sygnałów czasu wykorzystywane są serwery czasu pracujące w warstwie stratum 1. Najczęściej
wykorzystują one sygnały radiowe emitowane przez satelitarny system nawigacyjny GPS.
System GPS umożliwia w każdym punkcie globu odtworzenie czasu UTC z dokładnością
rzędu ± 100 ns (p. 2.3.1.). Ze względu jednak na przekazywanie sygnałów drogą radiową korzystanie z tego systemu jest obarczone charakterystycznymi dla tego rodzaju sygnałów wadami.
Oprogramowanie potrzebne do uruchomienia NTP jest ogólnodostępne dla wszystkich na
zasadach Open Source m.in. ze strony http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp. Szczegółowa
dokumentacja pozwala na samodzielną konfigurację pracy urządzenia w trybie klienta lub
serwera w zależności od potrzeb. Poza tym ilość darmowego oprogramowania dostępnego
w sieci Internet powinna zadowolić większość użytkowników. Dotyczy to zwłaszcza systemu
Windows, gdyż w przypadku systemów UNIX wszelkie narzędzia niezbędne do uruchomienia czy monitorowania usługi synchronizacji czasu są dostarczane wraz z systemem, często
10
łącznie z wersjami źródłowymi, zarówno w przypadku gdy chcemy skonfigurować klienta
synchronizującego się z wzorcem czasu lub serwerem, jak i dla konfiguracji serwera.
Zasada działania NTP jest dosyć prosta. Wszystkie urządzenia korzystające z usługi synchronizacji za pomocą tego protokołu są przydzielone do jednej z czterech warstw określającej
poziom w hierarchii źródeł synchronizacji czasu. Na poziomie najwyższym (stratum 0) znajdują się znane i ogólnodostępne serwery czasu renomowanych laboratoriów utrzymania czasu
(NIST, USNO, PTB, NPL) oraz system nawigacyjny GPS.
Adresy serwerów czasu pracujących na poziomie stratum 1 i stratum 2 można znaleźć pod
adresami
WWW:
http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/clockl.htm
oraz
http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/clock2.htm. Udostępniają one publicznie usługę synchronizacji czasu. Źródła czasu pracujące na najwyższym poziomie hierarchicznym stratum 0
wyznaczają czas z dokładnością nanosekundową oraz dodatkowo mogą synchronizować się
między sobą. Czas propagacji pakietu niosącego informację o czasie podlega w sieciach pakietowych znacznym zmianom, dlatego użytkowa dokładność odtworzonego w komputerze
czasu jest o 6 ÷ 7 rzędów wielkości mniejsza.
W polach pakietu protokołu NTP (wersji NTPv4) przesyłane są następujące informacje:
− LI (Leap Indicator)
−
−
−
−
VN (Version Number)
Mode
Stratum
Pool Interval
− Precision
− Root Delay
− Root Dispersion
−
−
−
−
−
−
Reference Identifier
Reference Timestamp
Originate Timestamp
Receive Timestamp
Transmit Timestamp
Authenticator
2-bitowy kod sygnalizujący o liczbie sekund, które muszą być
dodane/odjęte do/od ostatniej minuty (dodatkowa sekunda będzie dodana na zakończenie 2005 roku);
3-bitowe pole podające numer wersji protokołu;
8-bitowe pole określające tryb działania;
8-bitowe pole określające poziom w hierarchii lokalnego zegara;
pole określa maksymalną liczbę sekund między kolejnymi, odebranymi z sukcesem, pakietami;
dokładność lokalnego zegara;
czas, w sekundach, określający czas potrzebny pakietowi na
dotarcie i powrót (roundtrip time) do głównego źródła;
nominalny błąd, w sekundach, w stosunku do głównego źródła
odniesienia;
32-bitowe pole identyfikujące poszczególne źródła odniesienia;
czas ostatniej korekty lokalnego zegara;
czas wysłania ostatniego zapytania do serwera;
czas otrzymania zapytania przez serwer;
czas wysłania odpowiedzi przez serwer;
opcjonalnie (jeśli używany jest mechanizm autoryzacji zawiera
identyfikator klucza).
Urządzenia końcowe, z którymi już bezpośrednio komunikują się stacje robocze użytkowników oraz pozostałe serwery, obliczają przesunięcie w stosunku do czasu UTC na podstawie
informacji o strefie czasowej, w jakiej się znajdują i rozsyłają informację w postaci czasu lokalnego.
Urządzenia pracujące w warstwach niższych (stratum 2, 3, 4) synchronizują się ze źródłami
pracującymi w warstwie położonej bezpośrednio nad nią, ale mogą komunikować się bezpośrednio z serwerem czasu stratum 1. Ograniczenie co do liczby warstw, przez które przenoszona jest sztafetowo informacja o czasie, wynika z możliwości powstawania błędów w trak11
cie przesyłania informacji o czasie przez sieć. Teoretycznie może być do 15 warstw, ale praktycznie stosowaną i implementowaną jest liczba 4 warstw.
Każdy klient NTP powinien określić najbliższy lub najlepszy (w grę wchodzi jakość łącza
i jego obciążenie) dla niego serwer udostępniający synchronizację czasu. Ze względu na możliwość awarii czy brak możliwości zsynchronizowania się z serwerem, korzystnie jest synchronizować dane urządzenie z kilkoma źródłami. Zalecane są co najmniej 3 serwery. Protokół NTP sam dokona wyboru najlepszego źródła, jeśli uzyskuje się te same wskazania, na
podstawie:
− informacji, w której warstwie pracuje dane urządzenie;
− najmniejszego opóźnienia w komunikacji z danym urządzeniem;
− zakładanej precyzji.
Istnieją trzy tryby konfiguracji urządzenia korzystającego z protokołu NTP. Pierwszy z nich
zakłada, że urządzenie oprócz tego, że będzie synchronizowało się z wybranym wzorcem
samo też będzie pozwalało na synchronizację z nim innym urządzeniom (unicast mode). Pełni
ono wówczas również rolę serwera i stosowanie tego trybu jest korzystne, gdy jest wymagana
gwarancja dostępu do któregokolwiek z redundantnych urządzeń. W drugim trybie, konwersacyjnym, do serwera jest wysyłane ze strony klientów zapytanie (multicast mode). Konfiguracja ta jest dość często spotykana. Jej główną wadą jest dodatkowe generowanie ruchu
w sieci i obciążanie serwera, natomiast zaletą szybszy start procesu klienta bez czekania na
komunikaty rozsyłane przez serwer, co ma istotne znaczenia w momencie uruchamiania urządzenia, np. stacji roboczej. Trzeci tryb pracy klienta (anycast mode) powoduje wysłanie zapytania do grupy urządzeń (komunikat typu multicast) lub do wszystkich urządzeń w segmencie
sieci (komunikat typu broadcast) i oczekiwanie na pierwszą, dowolną odpowiedź.
Każdy z tych trybów pracy jest przystosowany do innych potrzeb. Pierwszy z nich znajduje
na pewno zastosowanie w dużych sieciach, gdzie dokładny czas jest istotny i jest wymagana
gwarancja, że zawsze będzie dostępne jedno źródło czasu, z którym klienci będą mogli się
synchronizować. Większość użytkowników preferuje drugi lub trzeci tryb pracy, a jego wybór zależy wyłącznie od lokalnych potrzeb.
Ze względu na to, że dla niektórych usług synchronizacja czasu powinna być niepodważalna,
NTP oferuje również mechanizmy zabezpieczające przed modyfikowaniem wskazań zegarów
przez strony trzecie (TTP). Można określić z jakich sieci i adresów będą rozpatrywane pakiety przy ustalaniu czasu i czy pakiety mają zawierać sumy kontrolne generowane przez algorytm MD5 (Message Digest 5) lub DES (Data Encryption Standard).
Protokoły NTP używane w realnym środowisku sieci informatycznych pozwalają uzyskać
dokładność znaków czasu zawierająca się w przedziale: 10 ms ÷1 s, przy czym dokładność
rzędu 10 ms można uzyskać jedynie w niezbyt intensywnie obciążonych sieciach wydzielonych (np. korporacyjnych), w których pakietom niosącym informacje o czasie można nadać
najwyższy priorytet i niewiele jest innych pakietów w sieci o tak wysokim priorytecie.
2.4.2. Precyzyjny protokół czasu PTP według standardu IEEE 1588
2.4.2.1. Potrzeby wprowadzenia precyzyjnej synchronizacji czasu w sieciach pakietowych
Utrzymanie jednolitego czasu rzeczywistego w rozległych sieciach telekomunikacyjnych
i informatycznych ma na celu zaspokojenie dwóch rodzajów potrzeb.
12
Pierwsze są związane z ewidencją zdarzeń i w tym celu zapisy poszczególnych zdarzeń są
opatrywane znakiem czasu (stemplem czasowym), który w dowolnym czasie po dokonaniu
zapisu pozwala na rozpoznanie kolejności lub jednoczesności występowania zdarzeń albo
odpowiednich faz procesów. Oczywiste jest znaczenie znaków czasu dla niepodważalności
działania instytucji związanych z obrotem pieniężnym (bankowość, giełda), ale krąg użytkowników jest znacznie szerszy.
W telekomunikacji znaki czasu są użyteczne przy rozpoznawaniu miejsca powstania rozległych awarii oraz do rozliczeń finansowych z klientami lub innymi operatorami, jeśli wartość
zrealizowanych usług jest zależna od czasu ich trwania lub pory świadczenia. Mniej oczywiste jest, że tylko precyzyjne znaki czasu pozwalają ustalić przyczyny niezrealizowania połączeń pomiędzy sieciami dwóch operatorów, co bywa często przyczyną wzajemnych oskarżeń
o niesprawność urządzeń, a nawet o działania celowe.
Drugi rodzaj potrzeb wiąże się ze sterowaniem urządzeniami lub systemami w rozległych
sieciach. Jednym z pierwszych i do dziś bardzo istotnym obszarem działalności technicznej,
gdzie wystąpił problem utrzymania jednolitego czasu w rozległych sieciach, przy braku możliwości przesyłania informacji za pośrednictwem własnej sieci, była energetyka.
Specyfika sterowania sieciami energetycznymi jest zbliżona do specyfiki sterowania
i sprawowania nadzoru nad sieciami informatycznymi, gdzie ze względu na asynchroniczny
tryb pracy precyzja przenoszenia sygnałów czasu we własnej sieci może być niedostateczna
w stosunku do potrzeb. Pionierski charakter działań energetyki wynika stąd, że potrzebny jest
bardzo wysoki stopień gwarancji utrzymania jednoczesności realizacji pewnych działań, gdyż
niezachowanie tego wymogu grozi fizycznym zniszczeniem sieci energetycznej.
W telekomunikacji taka groźba nie występuje i chociaż dojrzewa świadomość konieczności
utrzymania jednolitego czasu w sieciach na potrzeby systemu zarządzania i sterowania przepływem danych, to jednak dotychczas nie były podejmowane zdecydowane działania w tej
dziedzinie.
Jeśli chodzi o potrzeby związane z dokumentowaniem zdarzeń, to przez wiele lat urządzenia
do zapisywania sekwencji zdarzeń SOE (Sequence Of Events) zapisywały czas wystąpienia
zdarzeń w sposób scentralizowany tak długo, jak rejestracja zdarzeń była prowadzona w jednym dla całego systemu urządzeniu rejestrującym, nie było problemu z synchronizacją zegarów. W pewnym stopniu podobna sytuacja występowała w kraju jeszcze kilka lat temu, gdzie
jedynym łatwo dostępnym źródłem znaków czasu była zegarynka (TP S.A.) i w niektórych
służbach publicznych zapis zegarynki dołączano do zapisu rejestrowanych rozmów. Nawet
kilkudziesięciosekundowa różnica czasu w odniesieniu do czasu UTC nie odgrywała większej
roli, gdyż kolejność zdarzeń można było z zapisów odtworzyć.
Pozostały jednak problemy utrzymania jednolitego czasu dla potrzeb sterowanie. Ze względu
na dobre udokumentowanie i pionierski charakter zostaną w skrócie przedstawione działania
nad wykorzystaniem sieci informatycznych do sterowania sieciami energetycznymi. Wiodąca
rolę w tym zakresie utrzymuje amerykański Instytut Badawczy Energetyki EPRI (Electric
Power Research Institute – California), który wydaje dokumenty normalizacyjne honorowane
na całym świecie.
Pierwszy standard (RP 3599) związany z utrzymaniem jednolitego czasu w sieciach energetycznych został przez EPRI wydany w 1996 roku, gdy w aplikacjach użytkowych zaczęto
definiować procedury dla zintegrowanych zabezpieczeń podstacji, systemów akwizycji danych i sterowania w systemach przesyłowych dużej mocy. Nakładał on wymóg jednoczesności podejmowania pewnych działań sterujących z dokładnością do 1 milisekundy. Przy eks13
ploatacji energetycznych linii przesyłowych nie należało dopuścić do ograniczeń
w możliwościach analizowania groźnych dla sieci stanów nieustalonych (odbić lub relaksacji)
wynikających z niedostatecznej rozdzielczości znaków czasu. Było oczywiste, że przy komunikacji ośrodków sterujących przez ówczesne sieci LAN uzyskiwana dokładność stempli czasowych była zbyt mała, stąd Instytut EPRI wydał wspomniane zalecenie RP 3599 zobowiązujące do utrzymania zegarów ośrodków sterujących z dokładnością do 0,1 milisekundy, tak
aby wymóg zachowania jednoczesności jednomilisekundowej był w sposób wiarygodny
utrzymany.
Większa dokładność czasu jest wymagana przy prowadzeniu prac pomiarowych. Dla synchronizacji sieci energetycznych pomiar czasu, w którym nastąpiło przejście napięcia przez
wartość zerową musi być przeprowadzony z dokładnością do 0,1 ms przy dokładności zegara
0,01 s, gdyż 0,1 ms dla przebiegu napięcia o częstotliwości 60 Hz jest odpowiednikiem zmiany fazy o 2,2°. W synchrofazorach, urządzeniach pomiarowych wykorzystywanych do
utrzymania stanu synchronizacji urządzeń prądotwórczych w rozległych sieciach energetycznych, próbki muszą być opisane znakami czasu z dokładnością do 1 μs. Wiele innych wymagań wynikających z dokumentu RP 3599 a dotyczących pomiarów jest łagodniejszych i nadal
odnosi się do nich dokładność czasu wynosząca 1 ms na przeprowadzenie czynności pomiarowych i 0,1 ms na zegar służący do przypisania stempli czasowych.
Przed przystąpieniem do prób użycia do przenoszenia sygnałów czasu sieci LAN wykorzystujących Ethernet 10 lub 100 Mbit/s oczekiwano, że możliwe będzie wiarygodne i powtarzalne
utrzymania synchronizacji zegarów z dokładnością 0,1 ms. Niestety, nie udało się uzyskać
takich rezultatów nawet w warunkach laboratoryjnych, nie mówiąc już o sieciach rzeczywistych. Przy zastosowaniu metody zwrotnej synchronizacji czasu (backward time synch method) z użyciem specjalnych kart Ethernet uzyskano dokładność synchronizacji wynoszącą
1 ÷ 2 ms, ale jest to o rząd wielkości gorzej niż zakładały wyspecyfikowane wymagania.
Powstała alternatywa, czy korzystać w pracujących sieciach energetycznych z systemów nie
gwarantujących uzyskania dokładności 0,1 ms, czy też nadal korzystać z sygnałów GPS, specjalistycznych stacji radiowych lub doprowadzać sygnały czasu dedykowanym, wykorzystywanym tylko do tych celów łączem.
Podobne rozważania prowadzono w wielu dziedzinach działalności technicznej i nie zawsze
dotyczyło to dużych sieci, ale częściej stosunkowo niewielkich obiektów, takich jak zakłady
produkcyjne, statki, samoloty. Potrzeby w zakresie transportowania i przetwarzania coraz
większej liczby danych w coraz krótszym okresie czasu wzrastają szybko i taką tendencję
w pierwszym rzędzie dostrzeżono w technologiach związanych z automatyką. Stosowanie
jednej odpowiednio rezerwowanej magistrali komunikacyjnej do transportu danych pozwoliło
by na uniknięcie setek czy tysięcy dedykowanych połączeń, czyli wiązek drutów lub kabli
trudnych w montażu i później uciążliwych w utrzymaniu.
Z tego powodu, również na tym polu, na okres przewidywalnej przyszłości jako dominująca
technologia transportowa został przyjęty Ethernet. Oprócz właściwości sieci typu Ethernet
takich jak: prędkość transmisji czy łatwość skonfigurowania, przy rozpatrywaniu możliwości
sieci należy szczegółowo rozpatrzyć, jakie znaczenie ma określenie czas rzeczywisty podawane w specyfikacjach urządzeń czy systemów. Dla poprawnej pracy tych urządzeń lub systemów automatyki ważna jest bowiem precyzja synchronizacji czasu w różnych urządzeniach
końcowych.
Pierwszym dostępnym standardem, który umożliwia synchronizację zegarów w różnych
urządzeniach końcowych połączonych za pośrednictwem sieci pakietowej z dokładnością
14
osiągającą pojedyncze części 1 μs są Precyzyjne Protokoły Czasu IEEE 1588 (Precise Time
Protocol).
Jeśli są określone sztywne wymagania odnośnie czasu rzeczywistego, to system komunikacyjny musi być zdolny do deterministycznego, powtarzalnego zachowania. Oznacza to, że
zawsze jest w stanie przetworzyć wymaganą wielkość danych w zdefiniowanym wstępnie
czasie i jest zdolny do wprowadzenia mechanizmów pozwalających na bardzo precyzyjnie
zsynchronizowanie wszystkich zegarów uczestniczących w realizacji zadania.
Obecnie jedynie kilka magistral lub innych wyspecjalizowanych rozwiązań pozwala na osiągnięcie cykliczności korekcji czasu z okresem mniejszym niż 1 milisekunda lub utrzymanie
wartości fluktuacji czasu (jitter) w zakresie pojedynczej mikrosekundy. Aby rozwijać tendencję do używania sieci Ethernet w zastosowaniach związanych z automatyką muszą być spełnione warunki odnośnie zagwarantowania utrzymania w sieci jednolitego czasu przy utrzymaniu wymienionych wyżej parametrów jakościowych.
W sieciach Ethernet czas propagacji podlega zmianom podczas trwania transmisji. Rozwiązaniem gwarantującym zdeterminowany sposób zachowań sieci i związanych z nią systemów
tam, gdzie jest to związane z jednoczesnym spełnieniem określonych sekwencji czasowych,
należy we wszystkich urządzeniach końcowych dysponować precyzyjnym zegarem zsynchronizowanym z wszystkimi innymi w systemie. Jeśli działania wykonawcze są odniesione
do takiego precyzyjnego zegara, wtedy realizacja procesu może być rozdzielona od wpływu
czasu propagacji sygnału w systemie lub sieci.
Spełnienie tych wymogów odnosi się zwłaszcza do współpracy systemów, które muszą startować do specyficznych akcji jednocześnie. Przykładowo, jeśli kilka robotów wykonuje
wspólne zadanie, np. transport ciężkich przedmiotów, to zadanie ruchu robotów muszą być
ściśle ze sobą dopasowane pod względem czasu.
2.4.2.2. Charakterystyka protokołów PTP
Opublikowany przez IEEE nowy standard IEEE 1588 precyzyjnych protokołów czasu PTP
stwarza szerokie możliwości utrzymania bardzo precyzyjnej synchronizacji czasu w sieciach
wykorzystujących Ethernet. Protokół był pierwotnie opracowany przez firmę Agilent dla dystrybucji sygnałów obsługi i sterowania aparaturą pomiarową. Protokół opublikowano w listopadzie 2002 roku.
Przy użyciu protokołu IEEE 1588 po raz pierwszy uzyskano możliwość synchronizacji czasu,
w zakresie pojedynczych części mikrosekundy, lokalnych zegarów w sterownikach, elementach wykonawczych i innych urządzeniach końcowych, używając tej samej sieci transportowej co do transportu danych. Bez takiego standaryzowanego protokołu synchronizacyjnego,
który charakteryzuje się możliwością stosowania z każdym protokołem transportowym (nie
tylko Ethernet), nie było by prawdopodobnie możliwe synchronizowanie z taką precyzją zegarów lokalnych w terminalach końcowych wytworzonych przez różnych producentów. Istniejące protokoły do synchronizacji czasu, takie jak NTP i SNTP nie osiągnęły wymaganej
dokładności synchronizacji lub szybkości wymiany informacji. Inne próby, tak jak protokół
SynUTC z Uniwersytetu w Wiedniu, nie uzyskały akceptacji na rynku.
Podobnie jak inne protokoły, PTP opierają się na bardzo precyzyjnym pomiarze czasu przesyłania nadawanych i odbieranych pakietów synchronizacyjnych. Odmiennie niż SNTP, znaki
czasu nie muszą być przesyłane w pakietach synchronizacyjnych, ale są przesyłane
w następnym pakiecie. W ten sposób pomiary czasu wysyłania i odebrania pakietów mogą
być rozdzielone.
15
Protokół został zaprojektowany dla małych homogenicznych i heterogenicznych lokalnych
sieci. Projektanci zwrócili szczególną uwagę na oszczędne użycie środków, tak że protokóły
mogą znaleźć zastosowanie również do synchronizacji tanich urządzeń końcowych. Nie ma
szczególnych wymagań odnośnie sprzętu komputerowego (pamięć, procesory), jedynie jest
wymagana minimalna przepływność sieci, dla użytkowników korzystną cechą protokołów są
również niewielkie wymagania pod względem administracyjnym. Domena PTP konfiguruje
się automatycznie przy użyciu algorytmu najlepszego zegara nadrzędnego, jest również tolerancyjna na uszkodzenia. Schemat systemu pomiarowego i sterującego opartego na wykorzystaniu standardu IEEE 1588 jest przedstawiony na rys. 3.
Czujnik
zegara
w/1588
Element
wykonawczy
zegara
w/1588
Czujnik
zegara
w/1588
Przełącznik/
repeater
Synchronizacja
zewnętrzna
(np. GPS)
Zegar
brzegowy
1588
Element
wykonawczy
zegara
w/1588
Sterownik
zegara
w/1588
Router
Przełącznik/
repeater
Czujnik
zegara
w/1588
Element
wykonawczy
zegara
w/1588
Czujnik
zegara
w/1588
Element
wykonawczy
zegara
w/1588
Rys. 3. System pomiarowy i sterujący oparty na wykorzystaniu standardu IEEE 1588
Najważniejszą cechą protokołu jest możliwość uzyskanie synchronizacji w zakresie mikrosekundy lub jej części. Wiele grup potencjalnych użytkowników jest zainteresowanych protokołem IEEE 1588. Największe zainteresowanie zdeterminowanymi sieciami Ethernet narasta
obecnie w automatyce, zwłaszcza w aplikacjach związanych ze sterowaniem przemieszczeniami. Wiele sterowników przemysłowych jest wyposażonych w interfejsy Ethernet, jednak
dotychczas występowały problemy z precyzyjną synchronizacją sterowników połączonych za
pośrednictwem tej sieci. W ostatnim czasie kilka grup sektora przemysłowego zdecydowało
16
się na używanie protokołu IEEE 1588 w magistralach polowych wchodzących w skład sieci
Ethernet.
Oprócz zainteresowań w zakresie automatyki przemysłowej wzrasta zainteresowanie wykorzystaniem protokołu do testów i pomiarów, również zapoczątkowane zostały projekty nad
wykorzystaniem protokołu IEEE 1588 w zastosowaniach militarnych. Inne grupy są zainteresowane wykorzystaniem protokołu w telekomunikacji i dystrybucji energii elektrycznej.
Podstawową regułą działania protokołu IEEE 1588 jest, że najbardziej precyzyjny zegar
w sieci synchronizuje wszystkie pozostałe w sieci zegary. Od strony struktury sieciowej zegary są podzielone na dwie grupy: zegary nadrzędne (master) i zegary podrzędne (slave).
W zasadzie każdy zegar może pełnić funkcję zarówno zegara nadrzędnego, jak i zegara podrzędnego. Zegar z jednym tylko portem sieciowym jest określony jako zegar zwykły.
Precyzja zegara, w największym stopniu wynikająca z jakości źródła sygnału podstawy czasu
(generatora), jest przyporządkowana przez protokół jednej z klas (stratum) jakościowych.
Przyporządkowanie to ma charakter formalny i nie ma związku aktualna precyzją nadawanych za pośrednictwem zegara znaków czasu. Najwyższa klasa jest przypisana zegarowi atomowemu z wartością 1 (stratum 1). Wyselekcjonowanie najlepszego zegara w sieci według
oceny jego faktycznych parametrów w porównaniu z parametrami innych zegarów wchodzących w skład danej sieci jest realizowane automatycznie przy wykorzystaniu algorytmu najlepszego zegara nadrzędnego.
Precyzja synchronizacji jest w dużym stopniu uzależniona od właściwości sieci i elementów
w tej sieci użytych. Z tych powodów przenoszenie znaczników czasu przez mniej deterministyczne elementy, np. routery i przełączniki, jest również możliwe do realizacji przez protokół
przy użyciu zegarów brzegowych, które mają realizowane programowo właściwości filtrujące. Dla celów zarządzania i konfiguracji zegarów w sieci dostępny jest również specjalny
protokół zarządzający.
Protokół PTP nie jest ograniczony do implementacji w sieciach Ethernet. Opiera się on na
komunikacji IP typu multicast i może być użyty do każdego systemu z magistralą transportową używającą systemu multicast, a więc korzystającą z grupowego trybu adresowania pakietów, pozwalającego na transmisję danych z pojedynczego hosta-nadawcy do wielu określonych na podstawie adresów hostów-odbiorców jednocześnie. Zaletą systemu multicast jest
prostota w administrowaniu adresami IP i nie jest wymagana implementacja protokołów PTP
na inne węzły. W efekcie protokołem PTP może być objęta bardzo duża liczbę węzłów.
Każdy zegar podrzędny synchronizuje się do odpowiedniego zegara nadrzędnego przez wzajemną wymianę wiadomości synchronizacyjnych. Proces synchronizacji jest podzielony na
dwie fazy. W pierwszej różnica czasu (przesunięcie) pomiędzy zegarem nadrzędnym
i podrzędnym jest korygowana i wartość tej różnicy podlega pomiarowi. Zasada współdziałania zegarów w pierwszej fazie synchronizacji, obejmującej proces wyrównywania czasu zegarów jest przedstawiona na rys. 4.
17
Zegar nadrzędny
Tm = 1050 s
Zegar podrzędny
Opóźnienie
liniowe = 1 s
TM1
Ts = 1000 s
Sync
Następstwo
TM2
Następstwo
Sync
Ts = 1001
Jeszcze nie znane
TS1 = 1002
Wyrównanie = TS1 - TM1 - Opóźnienie
= 1002 - 1051 - 0 = - 49
Wyrównanie czasu: Ts - Wyrównanie = Ts - (- 49)
Ts = 1052
TS2 = 1053
= 1053 - 1053 - 0 = 0
Wyrównanie czasu: Ts - Wyrównanie = Ts - 0
Rys. 4. Pierwsza faza synchronizacji zegarów – wyrównanie
Podczas fazy korekcji przesunięcia zegar nadrzędny cyklicznie wysyła w określonych odstępach czasu (np. co 2 s) unikalną wiadomość synchronizacyjną SYNC do powiązanych z nim
zegarów podrzędnych. Przesyłane wiadomości synchronizacyjne zawierają oszacowaną wartość czasu w którym wiadomość ta była przeniesiona.
Dla uzyskania dużej dokładności synchronizacji jest stosowany mechanizm, który określa
czas wysłania i odbioru wiadomości PTP z możliwie największą dokładnością, bazujący na
rozwiązaniach sprzętowych. Zegar nadrzędny mierzy dokładny czas wysłania wiadomości
TM1 i zegary podrzędny mierzy dokładny czas odbioru wiadomości TS1. Zegar nadrzędny
wysyła wtedy w drugiej wiadomości, następującej po poprzedniej, dokładny czas wysłania
wiadomości TM1 do zegarów podrzędnych. Po odebraniu wiadomości synchronizacyjnej
i, dla zwiększenia dokładności, po odebraniu drugiej wiadomości z dokładnymi danymi
o czasie wysłania wiadomości TM1, zegar podrzędny oblicza wartość korekcji względem
zegara nadrzędnego uwzględniając w obliczeniach czas odbioru wiadomości oraz dane w tej
wiadomości zawarte. Zegar podrzędny Ts musi wtedy być skorygowany o obliczoną wartość
przesunięcia czasu. Jeśli nie było by żadnego opóźnienia w ścieżce transmisyjnej to obydwa
zegary powinny być zsynchronizowane.
W drugiej fazie procesu synchronizacyjnego wyznacza się opóźnienie lub czas oczekiwania
występujące przy przesyłaniu wiadomości pomiędzy zegarem podrzędnym i zegarem nadrzędnym. Zasada współdziałania zegarów w drugiej fazie synchronizacji, obejmującej proces
wyznaczania opóźnienia (czasu propagacji), jest przedstawiona na rys. 5. Dla wyznaczenia
opóźnienia zegar podrzędny wysyła do zegara głównego pakiet z tzw. żądaniem opóźnienia
i podczas tego procesu wyznacza dokładny czas odbioru wiadomości TS3. Zegar główny generuje znacznik czasu przy odbiorze pakietu i wysyła wiadomość o czasie odbioru z powrotem do zegara podrzędnego w pakiecie odpowiedź o opóźnieniu (delay response).
18
Zegar nadrzędny
Tm = 1070 s
Tm = 1081
TM3 = 1082
Zegar podrzędny
Opóźnienie
liniowe = 1 s
Ts = 1069 s
TS3 = 1080
TM3 Żądanie opóźnienia
Odpowiedź opóźnienia
TM4 = 1083
TM4
Sync
Następstwo
TM5 = 1085
TM5
Następstwo
Sync
Opóźnienie = (TS2 - TM2) + (TM3 -TS3)/2
= 0 + (1082 - 1080)/2 = 1
Ts = 1082
Teraz znane
TS4 = 1083
= 1083 - 1083 - 1 = - 1
Wyrównanie czasu: Ts - Wyrównanie = Ts - (- 1)
Ts = 1085
TS5 = 1086
= 1086 - 1085 - 1 = 0
Synchroniczne
Rys. 5. Druga faza synchronizacji zegarów – wyznaczanie opóźnienia
Z lokalnego znacznika czasu przy wysłaniu wiadomości TS3 i znacznika czasu przy odbiorze
dostarczonego z wiadomością TM3 w zegarze podrzędnym jest obliczane opóźnienie transmisji pomiędzy zegarem podrzędnym a zegarem nadrzędnym.
Pomiar opóźnienia jest przeprowadzany nieregularnie i w większych odstępach czasowych
(przypadkowa wartość pomiędzy 2 a 60 s najczęściej) niż pomiar przesunięcia czasu. Dzięki
temu sieć, a zwłaszcza urządzenia końcowe, nie są obciążone zbytnio. Jednakże symetryczne
opóźnienie transmisji w obydwie strony pomiędzy zegarem nadrzędnym a podrzędnym jest
czynnikiem decydującym dla wiarygodności pomiaru opóźnienia i jego precyzji.
Używając omawianego procesu synchronizacji eliminowane są fluktuacje czasu w elementach
PTP, zwłaszcza te powstające na skutek oddziaływania stosu protokołów oraz zmienności
czasu oczekiwania podczas transmisji pomiędzy zegarem nadrzędnym a zegarem podrzędnym.
W odniesieniu do architektury PTP największe znaczenie ma rozdzielenie elementów
o krytycznych charakterystykach czasowych, zaimplementowanych w sprzęcie i silnie związanych z czasem rzeczywistym od części związanej z oprogramowaniem protokołów własnych. Dlatego działanie protokołu jest umiejscowione w procesie o niskim priorytecie
i w procesorach o niskich wymogach odnośnie działania.
Jednostka urządzeniowa składa się z zegara czasu rzeczywistego o dużej precyzji oraz z zespołu wytwarzania znacznika czasu TSU (time stamp unit). Część programowa realizuje działania wynikające z protokołu IEEE 1588 - w powiązaniu z zegarem czasu rzeczywistego
i sprzętową jednostką znaczników czasu.
Rysunek 6 objaśnia współpracę sprzętowych i programowych składników elementu synchronizacyjnego IEEE 1588.
19
Element synchronizacyjny
IEEE 1588
Protokół PTP
Interfejs (port) sieciowy
Interfejs zegara
Interfejs znacznika czasu
Zespół
programowy SW
Stos protokołu
sieciowego
Zegar czasu
rzeczywistego
Zespół znacznika
czasu
MAC
(x)M II
Zespół urządzeniowy HW
TX
Interfejs warstwy
fizycznej
RX
Rys. 6. Struktura elementu synchronizacyjnego wg protokołu IEEE 1588
Zakładanym celem stawianym przedstawionej architekturze jest niemal niezależne od systemu operacyjnego modelowanie składników programowych. W celu osiągnięcia tej niezależności są wprowadzone trzy warstwy o różnych, abstrakcyjnych poziomach. Warstwa protokołu wprowadza na użytek protokołu PTP własny, niezależny system operacyjny. Warstwa systemu operacyjnego kształtuje interfejs pomiędzy PTP i wybranym systemem operacyjnym.
Funkcje osiągalne dzięki systemowi operacyjnemu – takes/processes, semaphores, timers,
sockets i in. – są zespolone przez warstwę systemu operacyjnego. Rysunek 7 pokazuje współdziałanie poszczególnych warstw.
Zarządzanie PTP
Dyspozytor
(Dispatcher)
IEEE 1588
Protokół PTP
Algorytm
wyznaczania
najlepszego zegara
Synchronizacja
Warstwa
protokołów
niezależnego
systemu
operacyjnego OS
pop
Wywołanie
dyspozytora
Kolejka
push
PTP API
wejście
protokołu
PTP
Interfejs (port)
sieciowy
timer
RX/TX
wiadomość PTP
PTP
Interfejs
znacznika czasu
Sync and Delay Request
Znacznik czasu
20
PTP
Interfejs
zegara
ustaw
i odczytaj
Warstwa
abstrakcyjnego
systemu
operacyjnego OS
Warstwa systemu
operacyjnego OS
Rys. 7. Schemat interakcyjny działania protokołu PTP
Najwyższa warstwa aktywizuje PTP do synchronizacji zegarów w sieci i może być tworzona
z różnych elementów komunikacyjnych (PC, przełącznik, router i itp.). W warstwie tej jest
umiejscowiona „inteligencja” wymagana do synchronizacji poszczególnych elementów komunikacyjnych. W warstwie protokołów są używane funkcje zgodne ze standardami ANSI/ISO C, stąd protokoły można łatwo przekształcać bez głębokiego ingerowania
w funkcjonalność różnych platform. Możliwe jest rozdzielenie funkcji w celu wykonywania
poszczególnych funkcji podczas indywidualnie ukształtowanego procesu. Komunikacja pomiędzy warstwami protokołu i systemu operacyjnego jest realizowana przez kolejkowanie
i trzy dobrze zdefiniowane interfejsy.
Warstwa środkowa oddziela funkcje zależne od systemu operacyjnego, które mogą być adoptowane zależnie od potrzeb. Interfejs znacznika czasu dostarcza do protokołu PTP znaczniki
czasu przechwytywane z wiadomości SYNC i Delay – Request.
Jednak w zależności od stopnia rozbudowy systemu do synchronizacji czasu i związanej
z tym precyzji do generacji znaczników czasu są stosowane zarówno rozwiązania sprzętowe
TSU (Time Stamp Unit), jak i programowe. Najlepszym sposobem programowego generowania znaczników czasu jest korzystanie ze sterowników NIC związanych z systemem operacyjnym.
Przez interfejs zegarowy można odczytywać i modyfikować wskazania zegara lokalnego.
Można też dostosować te funkcje do właściwości platformy transportowej. Wykonanie, które
nie zawiera sprzętowego zegara czasu rzeczywistego używa zegara systemowego danego systemu operacyjnego. Poza ustawianiem lokalnego zegara interfejs ten zawiera algorytmy sterujące, które są odpowiedzialne za jakość synchronizacji czasu.
Interfejs portowy służy do wysyłania lub odbierania wiadomości PTP. Pakiety służące do
przesyłania wiadomości IEEE 1588 są opisane adresami używanymi przez protokoły transportowe typy excluding UDP/IP multicast i dzięki temu mogą być wysłane oraz odebrane
przez interfejsy typu socked przy wykorzystaniu stosów protokołu IP. Można w tym przypadku zaniedbać wymagania pod względem czasu, ponieważ znaczniki czasu są wytwarzane bezpośrednio w medium transportowym. Wejścia i komunikacja z protokołem (konfiguracja,
diagnostyka, pakiety PTP) odbywa się przez PTP API (application program interface).
Przedstawione tu, modularna platforma programowa umożliwia wbudowanie implementacji
protokołów PTP dla systemów operacyjnych Linux, Windows i VxWorks. Implementacje
w Windows i Linux używają znaczników czasu odtwarzanych programowo. W pełni programowe implementacje osiągają dokładność gorszą niż 100 μs i choć wydaje się możliwe uzyskanie dokładności lepszej niż 10 μs, to jednak w każdym przypadku znacznie ustępują rozwiązaniom, w których zegary są realizowane w postaci sprzętowej.
Precyzja synchronizacji zależy głównie od fluktuacji czasu wywołanego oczekiwaniem pakietów i ukrytą topologią sieci. Bezpośrednie połączenia, z punktu do punktu, oferują bardzo
dużą precyzję. Przy bardzo małym obciążeniu sieci, przełączniki warstwy 2 mają bardzo mały
czas przetwarzania, typowa wartość wynosi 2 ÷ 10 μs powiększonej o czas odbioru pakietu.
Nowej konstrukcji przełączniki osiągają nawet czas oczekiwania nie przekraczający 0,4 μs.
Ale przełączniki pracują z kolejkowaniem i kompletowaniem w pamięci pełnych danych
przed wysłaniem dalej (store and forward), stąd tylko kolejkowanie pakietu o maksymalnej
długości powoduje opóźnienie pozostałych pakietów o 122 μs, a w warunkach dużego obciążenia sieci więcej niż jeden pakiet może czekać na swoją kolejkę.
21
Następnym problemem dla precyzji działania protokołu jest założenie, że oczekiwanie jest
w pełni symetryczne w obydwu kierunkach, od zegara podporządkowanego do zegara nadrzędnego i odwrotnie. Spełnienie tego warunku nie może być nigdy zagwarantowane w warunkach znacznego obciążenia sieci. Priorytetowanie pakietów (wg IEEE 802.2D/p) nie stanowi rozwiązania, gdyż bezpośrednio przed pakietem synchronizacyjnym może pojawić się
długi pakiet i fluktuacje czasu transmisji zwiększą się do 122 μs. Obecnie stosowane przełączniki dopuszczają, że w innych kolejkach łącznie może oczekiwać do 8 pakietów priorytetowych. W wyniku tego przy dużym obciążeniu sieci wprowadzone opóźnienie transmisji
może osiągnąć wartość: od 244 μs do 1 ms.
Rozwiązaniem problemu jest wyposażenie przełącznika w zegar brzegowy zgodny ze standardem IEEE1588. W takim przypadku powstaje połączenie punkt-punkt, w którym niemal
nie występują niekorzystne, zmienne opóźnienia w transmisji sygnałów pomiędzy zegarami
oraz nie występują w znaczącym zakresie opóźnienia wynikające z procesu kolejkowania
w przełącznikach.
2.4.2.3. Możliwości wykorzystania protokołów PTP
Wymagania jakościowe w zakresie synchronizacji zegarów w sieciach informatycznych zależą od zastosowań. Potrzeby utrzymania jednolitego czasu występują w wielu dziedzinach
działalności technicznej. Pierwszym polem, na którym rozwiązanie problemu jest najpilniejsze, jest automatyka. Typowe wartości wymaganej dokładności synchronizacji zegarów
podano w tabl. 1.
Tabl. 1. Typowe wartości wymaganej dokładności synchronizacji zegarów
Zakres zastosowań
powolne czujniki (ciśnienie, temperatura)
urządzenia elektromechaniczne (przekaźniki, przerywacze, elektromagnesy, falowniki)
automatyka ogólna (obróbka materiałów, procesy chemiczne)
precyzyjne sterowanie ruchem (szybkie pakowanie, druk, robotyka)
szybkie urządzenia elektryczne (synchrofazory pomiarowe)
elektroniczne systemy nadzoru (wykrywanie błędów, triangulacja)
Wymagana dokładność
synchronizacji czasu
Milisekundy
Milisekundy
Milisekundy
kilka mikrosekund
Mikrosekundy
części mikrosekundy
Jedna mikrosekunda jest czasem propagacji fali elekromagnetycznej (światła) przez odcinek
300 m w wolnej przestrzeni i ok. 200 m w szklanym włóknie światłowodu, ale szybki samolot
myśliwski przemieszcza się w tym czasie zaledwie o ok. 1 mm, a pociąg pędzący z prędkością 300 km/h tylko o 0,1 mm. Największe dokładności są wymagane tam, gdzie konieczne
jest utrzymanie wspólnej podstawy czasu.
Nieco wydzielonym, ale pierwszym chronologicznie obszarem działania, w którym niezbędne
okazało się rozwiązanie problemu synchronizacji czasu rozdzielonych przestrzennie zegarów
były energetyczne sieci przesyłowe. Synchronizacja urządzeń prądotwórczych pozwala
w sposób zamierzony obciążyć poszczególne generatory i – przy rozległych, kontynentalnych
niemal obecnie zasięgach tych sieci – uniknąć groźnych dla sieci zjawisk wynikających ze
stanów nieustalonych (np. kołysania) i dlatego obecnie w piśmiennictwie dotyczącym synchronizacji czasu wciąż wiele uwagi przykłada się do urządzeń diagnostycznych dla sieci
energetycznych – synchrofazorów. Mimo że w sieciach energetycznych są przesyłane duże
moce o potencjalnie silnym charakterze destrukcyjnym, to jednak niewielka jest częstotliwość: 50 lub 60 Hz (długość fali: 6000 lub 5000 km), co sprawia, że wynikowo wymagania
odnośnie dokładności względnej częstotliwości sygnałów nie są zbyt wysokie. Najbardziej
interesujące są jednak stany nieustalone w tych liniach, a zjawiska z tym związane przebiega22
ją znacznie szybciej i wymagają bardziej precyzyjnych narzędzi pomiarowych, do których
należy m.in. wspomniany już synchrofazor.
Obecnie główny kierunek wykorzystania zsynchronizowanych zegarów jest związany
z zaspokojeniem potrzeb automatyki i robotyki w zastosowaniach przemysłowych
o ograniczonym zakresie przestrzennym, podlegających obsłudze przez sieć lokalną LAN.
Jako przykład z ostatnich tygodni 2005 roku można podać znajdujący się w fazie projektu
samolot Boeing 787, w którym zastosowano system testowy realizujący synchronizację zegarów w oparciu o wykorzystanie protokołów IEEE 1588.
Problemy utrzymania jednolitego czasu mają duże znaczenie w zastosowaniach militarnych,
gdzie utrzymanie wspólnej bazy czasu jest nadzwyczaj ważne nie tylko dla jednoczesności
wykonywania działań (np. zakłócania sygnałów radiowych), ale zwłaszcza jednoczesności
prowadzenia pomiarów z rozstawionych stanowisk pomiarowych, np. namierzania przemieszczających się obiektów powietrznych lub obsługi sonarów podmorskich. Obecne zastosowania protokołów PTP odnoszą się do sieci lokalnych LAN i sieci obsługi dla realizacji
wymienionych zadań. Pomimo globalnego zasięgu mają one strukturę sieci LAN z wydłużonymi magistralami komunikacyjnymi. Po zebraniu doświadczeń w tym trybie pracy prawdopodobnie będą czynione wysiłki dla uzyskania podobnych rezultatów z wykorzystaniem protokołów PTP przy komunikacji za pośrednictwem sieci rozległych WAN, dzięki czemu
zmniejszy się liczba magistral komunikacyjnych niezbędnych do obsługi tych samych zadań.
W zastosowaniach telekomunikacyjnych ekspansja pakietowych systemów transmisji sprawia, że czynione są próby zastąpienia w części stacjonarnej sieci komórkowych systemów
transmisyjnych synchronicznych (SDH, PDH) systemami asynchronicznymi opartymi o protokół IP. Brak jest obecnie rozeznania, czy sieć szkieletowa pozostanie synchroniczna
(SDH, PDH – E1), czy też systemy Ethernet 10 Gbit/s będą korzystały z wydzielonych włókien światłowodowych. Jeśli sieć szkieletowa byłaby oparta bezpośrednio na łączach Ethernet, wówczas powstaje problem z utrzymaniem częstotliwości generatorów podstawy czasy
w stacjach bazowych. Generatory te są odpowiedzialne za utrzymanie dokładności częstotliwości sygnałów transmisyjnych wychodzących ze stacji bazowej w stronę części stacjonarnej
sieci, jak i wszystkich emitowanych przez stacje sygnałów radiowych.
Łącza PDH 2 Mbit/s lub n ⋅ 64 kbit/s mogą pełnić rolę nośników sygnałów synchronizacyjnych, niezależnie czy są wykorzystywane do transmisji sygnałów w transmisji o strukturze
synchronicznej, czy o strukturze asynchronicznej (np. ATM/IP). Połączenie pomiędzy sterownikiem a stacją bazową wykorzystujące łącze Ethernet takiej możliwości nie daje.
W przypadku zastosowania takiego rozwiązania stabilizacja częstotliwości generatora podstawy czasu stacji bazowej możliwa jest jedynie przy korzystaniu z sygnałów systemu GPS,
w przyszłości będzie to również możliwe przy wykorzystaniu sygnałów systemu Galileo.
Normy europejskie dotyczące dokładności częstotliwości sygnałów taktujących w synchronicznych sieciach transmisyjnych (np. EN 300 462-7) podają, że generatory sygnałów synchronizacyjnych przeznaczone dla węzłów telekomunikacyjnych lokalnych mogą być bardzo
dobrym źródłem sygnałów podstawy czasu dla stacji bazowych telefonii komórkowe i sugerują, że w normalnych warunkach pracy stacje bazowe powinny zachowywać stałość i dokładność częstotliwości generatora podstawy czasu i emitowanych sygnałów taką jak w pozostałych urządzeniach teletransmisyjnych i komutacyjnych, wynoszącą ± 1 ⋅ 10-11. Normy
szczegółowe dotyczące synchronizacji systemów komórkowych (EN 300 912 V.8.3.1.) podają wymaganą tolerancje częstotliwości dla stacji bazowych wynoszącą ± 5 ⋅ 10-8, a więc blisko
o trzy rzędy wielkości większą od wartości poprzedniej i w normie nie ma zastrzeżeń, że do23
tyczy to jedynie sytuacji awaryjnych podczas pracy generatora w trybie z tzw. podtrzymaniem. Podobne zapisy przyjęto w normie na synchronizację stacji bazowych w systemie TETRA, z tym, że zakres tolerancji jest tu, dla systemów pracujących na częstotliwościach roboczych poniżej 520 MHz, jeszcze większy i wynosi ± 1 ⋅ 10-7.
Odnośnie sieci komórkowych, to przynajmniej dwa czynniki przemawiają za utrzymaniem
dokładnej i stabilnej częstotliwości podstawy czasu w stacjach bazowych.
Do pierwszego czynnika należy zaliczyć większą uciążliwość interferencji sygnałów radiowych szybkozmiennych niż wolnozmiennych. W niekorzystnym przypadku przy dopuszczalnej tolerancji różnicy względnej częstotliwości wynoszącej ± 1 ⋅ 10-11 dudnienia sygnałów
przy częstotliwości roboczej 900 MHz będą odbywały się z częstotliwością ok. 0,02 Hz,
a przy dopuszczalnej tolerancji wynoszącej ± 5 ⋅ 10-8 częstotliwość dudnień może wynosić
100 Hz. Przy silnie prążkowej strukturze widma (ramkowanie sygnałów cyfrowych) szybkozmienne dudnienia utrudniają ustawienie optymalnego wzmocnienia toru odbiornika, co rzutuje na zmniejszenie zasięgów. Mniej regularne, ale podobne w charakterze zjawisko występuje, jeśli sygnał podstawy czasu podlega znacznym fluktuacjom fazy.
Do drugiego czynnika należy zaliczyć utrzymanie dużej stałości i dokładności częstotliwości
stacji bazowej związanej z potrzebami systemów lokalizacji telefonu komórkowego. Zagadnienie to będzie szczegółowo omówione w punkcie 5, jednak zostaną tu przytoczone (tabl. 2)
dane zawarte w normie europejskiej (EN 300 912 V8.3.1) na stałość częstotliwości stacji bazowych pracujących w ramach systemu lokalizacyjnego E-OTD.
Tabl. 2. Częstość raportowania pozycji w zależności od stałości częstotliwości stacji bazowej
pracującej w ramach systemu lokalizacyjnego E-OTD
Okres raportowania
położenia - E-OTD
1 sekunda
3 sekundy
10 sekund
30 sekund
100 sekund
300 sekund
1000 sekund
Maksymalny błąd przedziału czasu – Maksymalny proMTIE, przy prawdopodobieństwie
mień koła błędu
poprawnego oszacowania p = 95%
położenia
dla p = 95%
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
15 metrów
50 ns
30 metrów
100 ns
60 metrów
200 ns
Stałość częstotliwości
stacji bazowej BTS
(znormalizowany błąd
przedziału czasu TIErms )
0.018 μs/s (tj. 1,8 ⋅ 10-8 )
0.036 μs/s
0.072 μs/s
0.006 μs/s
0.012 μs/s
0.024 μs/s
0.0018 μs/s
0.0036 μs/s
0.0072 μs/s
0.0006 μs/s
0.0012 μs/s
0.0024 μs/s
0.00018 μs/s
0.00036 μs/s
0.00072 μs/s
0.00006 μs/s
0.00012 μs/s
0.00024 μs/s
0.000018 μs/s
0.000036 μs/s
0.000072 μs/s
Ze względu na podobne zasady wyznaczania pozycji w metodach korzystających z triangulacji dane te odnoszą się również do innych systemów lokalizacyjnych o dużej precyzji.
24
Zestawione w tabeli dane należy interpretować w ten sposób, że im mniejsza stałość częstotliwości stacji bazowej i sprzężonego z nim lokalizacyjnego zespołu pomiarowego LMU (Location Measurement Unit), tym częściej należy ponawiać pomiar położenia telefonu (stacji
ruchomej). Parametrami są tu: prawdopodobieństwo właściwego oszacowania położenia
(przyjęto 95 %) oraz maksymalny błąd oszacowania położenia (odpowiednio: 15, 30 i 60 metrów).
Przykładowo, przy stałości częstotliwości stacji bazowej BTS wynoszącej 7,2 ⋅ 10-8, maksymalnym promieniu koła błędu położenia wynoszącym 60 m (oszacowanym z prawdopodobieństwem 95 %) zachodzi potrzeba raportowania danych o położeniu co 1 sekundę, a w podobnych warunkach przy stałości częstotliwości stacji BTS wynoszącej 7,2 ⋅ 10-11 wystarcza
zbieranie raportów co 1000 sekund. Zwiększenie stałości częstotliwości stacji do wartości
1,8 ⋅ 10-11 powoduje zmniejszenie maksymalnego promienia koła błędu położenia do 15 m.
W tym kontekście, z punktu widzenia budowy sieci komórkowych w pełni korzystających
z protokołu IP, istotna jest odpowiedź na pytanie, czy jakość sygnałów czasu i częstotliwości
odtworzonych przy wykorzystaniu metod synchronizacji zegarów zgodnych ze standardem
IEEE 1588 jest wystarczająca do stabilizacji częstotliwości generatorów podstawy czasu stacji bazowych, rzutującej na stabilność sygnałów radiowych emitowanych przez tę stację.
Poniżej przytoczono wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych przez firmę Agilent
(rys. 8 i 9). Wyniki badań przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych dają wstępne
rozeznanie co do możliwych do uzyskania rezultatów zastosowania protokołów PTP. Wykresy ilustrują wpływ jakości generatorów kwarcowych oraz parametrów pętli fazowych na jakość sygnału wyjściowego. Nawet w przypadku zastosowania generatora kwarcowego wyższej klasy - 10811D i wolnej pętli fazowej, o większych własnościach filtracyjnych, poziom
fluktuacji częstotliwości jest dość znaczny. Brak jest szczegółowych informacji o warunkach
pomiaru, ale jeśli pomiary przeprowadzono na częstotliwości 10 MHz typowej dla generatora
typu 10811D, to fluktuacje te dyskwalifikują mierzony zestaw jako potencjalne źródło sygnałów synchronizacyjnych np. krotnic SDH lub central telefonicznych. Zestawienia wykresów
potwierdzają też tezę, że obarczonego znacznymi fluktuacjami fazy sygnału nie można poddać filtracji zmniejszających radykalnie międzyszczytową wartość fluktuacji.
Protokół PTP zgodny ze standardem IEEE 1588 jako pierwszy pozwala na podjęcie próby
rozwiązania podobnego typu problemów. Prace nad praktycznym wykorzystaniem protokołów PTP są bardzo świeżej daty. I tak firma Symmetricom, wyspecjalizowana i jedna z dwóch
najbardziej liczących się w skali światowej firm związanych z produkcją urządzeń do synchronizacji częstotliwości i czasu dopiero w październiku 2005 roku zaanonsowała opracowanie pierwszego zgodnego ze standardem IEEE 1588 wysokiej klasy zegara (zwanego
Grandmaster Clock) przeznaczonego do synchronizacji zegarów poprzez sieci pakietowe.
Generalnie protokół znajduje zastosowanie przy uzgadnianiu czasu zegarów w sieciach LAN.
Nie zawsze istotna jest absolutna zbieżność czasu z czasem międzynarodowym UTC, ale często wystarcza wzajemna synchronizacja zegarów np. w obrębie zakładu produkcyjnego wykorzystującego wspólną sieć Ethernet, bez konieczności wykonywania licznych indywidualnych
połączeń pomiędzy elementami sterującymi a wykonawczymi. Istnieje jednak zapotrzebowanie na synchronizację czasu w szerszym terytorialnie zakresie, przy powiązaniu zegarów za
pośrednictwem sieci WAN. Przytoczone wyżej zagadnienie precyzyjnego utrzymania częstotliwości roboczych stacji bazowych w sieciach telefonii komórkowych będzie jednym
z pierwszych tego typu problemów wymagających pilnego rozwiązania.
25
Rys. 8. Wielkość fluktuacji czasu zegara w ocenie statystycznej
Rys. 9. Wielkość fluktuacji czasu zegara w postaci odchylenia fazy
26
Coraz więcej sygnałów wskazuje, że standard IEEE 1588 stał się atrakcyjny dla zastosowań
militarnych.
W podtekście omówionych działań pozostaje sprawa stworzenia alternatywnego w stosunku
do GPS systemu synchronizacji czasu, nawet jeśli uzyskane rezultaty będą ustępowały rezultatom osiągniętym przy zastosowaniu urządzeń korzystających z sygnałów GPS. Uruchomienie europejskiego systemu nawigacyjnego Galileo nie wniesie nowej jakości, co najwyżej
dostępna będzie większa łączna liczba satelitów obydwu systemów, dzięki czemu uniknie się
utraty dowiązania do sygnałów satelitarnych w niekorzystnych warunkach (miasta, wąwozy
itp.). Nie zwiększy się radykalnie odporność na zakłócenia przypadkowe lub celowe, gdyż
obydwa systemy będą pracowały we wspólnym paśmie częstotliwości.
W podsumowaniu można stwierdzić, że precyzyjne protokoły czasu PTP zawierają procedury
pozwalające w szerokim zakresie dystrybuować czas rzeczywisty do zegarów synchronizowanych za pośrednictwem sieci pakietowej (na ogół typu Ethernet).
W sieciach LAN typu Ethernet niemożliwe do przewidzenia są kolizje wynikające z działania
protokołu wielodostępu ze śledzeniem stanu nośnika i wykrywaniem kolizji procedury
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / with Collision Detect). Kolizje te mogą wywoływać opóźnienia pakietów lub nawet ich zgubienie. Dlatego protokóły IEEE 1588 określają
specjalne procedury synchronizacji zegarów. W pierwszej kolejności, zegar nadrzędny przesyła wiadomość SYNC, która zawiera oszacowany czas wysłania. Dokładny czas wysłania jest
przechwytywany przez zegar i wysłany w drugiej wiadomości Follow Up. Opierając się na
pierwszej i drugiej wiadomości oraz danych z własnego zegara odbiornik może obliczyć różnicę czasu pomiędzy zegarem odbiornika a zegarem głównym. Do osiągnięcia najlepszych
rezultatów, znaki czasu powinny być wytwarzane sprzętowo lub związane ze sprzętem tak
blisko, na ile to jest możliwe. Czas przesyłania wiadomości jest określany cyklicznie w powtórnym procesie przesyłania wiadomości pomiędzy zegarem odtwarzającym czas, a zegarem głównym (opóźnienie transmisyjne). Zegar odtwarzający czas może być wtedy skorygowany i uaktywniony do prognozowanego opóźnienia propagacyjnego magistrali.
Sieci PTP konfigurują się i dzielą na segmenty automatycznie, dlatego każdy węzeł używa
algorytmu wyznaczenia najlepszego zegara głównego BMC (Best Master Clock) w celu wyznaczenia najlepszego zegara w segmencie sieci. Każdy zegar PTP przechowuje dane
o właściwościach w specjalnych plikach. Dane o właściwościach zegarów są przesyłane do
innych węzłów w wiadomościach SYNC. Opierając się na tych danych zegary w innych węzłach są w stanie synchronizować się do zegara głównego zgodnie z jego aktualnymi właściwościami. W protokole nie ma rozróżnienia między zegarem sprzętowym a programowym.
Jednak, aby uzyskać synchronizm w zakresie mikrosekund, niezbędne jest posiadanie bazy
sprzętowej. Ogólnie rzecz biorąc, błędy synchronizacji, objawiające się jako fluktuacje czasu
generowane przez oprogramowanie, nie mogą być wyeliminowane. W rozwiązaniach w pełni
programowych (np. systemy Windows), błędy mogą być utrzymane co najwyżej w zakresie
milisekundowym.
Protokoły PTP znajdują się obecnie we wstępnej fazie wdrożenia do powszechnego użytku
i jest niemal pewne, że będą pełniły alternatywną lub uzupełniającą rolę w stosunku do systemów synchronizacji częstotliwości i czasu wykorzystujących obecnie sygnały emitowane
przez systemy nawigacyjne.
27
2.5. Krajowi użytkownicy wysokostabilnych sygnałów częstotliwości i czasu oraz zestawienie ich potrzeb
W ramach prowadzonych prac zebrano dane na temat synchronizacji częstotliwości i czasu
w sieciach telekomunikacyjnych następującej grupy operatorów:
− Exatel S.A.;
− OSP Polpager Sp. z o.o. (Sferia);
− Niezależny Operator Międzystrefowy Sp. z o.o.;
− Netia S.A.;
− Pilicka Telefonia Sp. z o.o.;
− Polkomtel S.A.;
− Polska Telefonia Cyfrowa Sp. z o.o.;
− Polska Telefonia Komórkowa Centertel Sp. z o.o.;
− Telefonia Dialog S.A.;
− Telekomunikacja Kolejowa Sp. z o.o.
− Telekomunikacja Polska S.A;
Odpowiedzi uzyskano od 6 operatorów:
− OSP Polpager Sp. z o.o. (Sferia);
− Pilicka Telefonia Sp. z o.o.;
− Polkomtel S.A.;
− Polska Telefonia Cyfrowa Sp. z o.o.;
− Polska Telefonia Komórkowa Centertel Sp. z o.o.;
− Telekomunikacja Polska S.A;
Operatorzy ci, z których czterech posiada dominującą pozycję na rynku, świadczą usługi telekomunikacyjne o tradycyjnym charakterze (połączenia foniczne w komutowanych kanałach),
większość z nich eksploatuje również sieci służące do transmisji danych.
Odnośnie stabilizacji częstotliwości sygnałów taktujących:
− 3 operatorów korzysta z własnych wzorców cezowych;
− 4 operatorów korzysta z sygnałów GPS;
− TP S.A. nie korzysta z sygnałów synchronizacyjnych doprowadzonych z sieci innych operatorów a pozostałych 5 operatorów korzysta (prawdopodobnie – z TP S.A.);
− jeden z operatorów sieci komórkowych polega na sygnałach uzyskanych od innych operatorów i z GPS;
− jeden z operatorów sieci lokalnych całkowicie polega na sygnałach uzyskanych od innych
operatorów.
Wszyscy wypowiadający się operatorzy deklarują, że jakość używanych obecnie sygnałów
jest wystarczająca.
Z informacji udzielonych przez 5 operatorów odnośnie utrzymania jednolitego czasu wynika,
że:
− 4 operatorów korzysta z sygnałów czasu z odbiornika GPS;
− 5 operatorów korzysta z sygnałów czasu przesłanych za pośrednictwem sieci informatycznych przy wykorzystaniu protokołów NTP;
− odnośnie dopuszczalnych niedokładności odtwarzanego czasu:
• 2 operatorów przyjmuje wartość: 0,01 s;
28
• 2 operatorów przyjmuje wartość: 1 s.
− odnośnie dopuszczalnych przerw w dostarczaniu sygnałów czasu:
• 1 operator przyjmuje wartość: do 1 minuty;
• 1 operator przyjmuje wartość: do 1 godziny;
• 2 operatorów przyjmuje wartość: do 1 doby.
Obecnie nie obowiązują w kraju żadne regulacje prawne dotyczące synchronizacji sieci telekomunikacyjnych ani utrzymania jednolitego czasu. Na przełomie 2004/2005 r. Ministerstwo
Infrastruktury (obecnie: Transportu i Budownictwa) przygotowało projekt rozporządzenia
w sprawie wymagań technicznych dla interfejsów dla synchronizacji w publicznych sieciach
telekomunikacyjnych, jednak do chwili obecnej rozporządzenie nie weszło w życie. Podobnie
nie obowiązują żadne regulacje prawne dotyczące utrzymania jednolitego czasu w sieciach
telekomunikacyjnych.
Wydaje się, że opublikowanie dokumentów regulacyjnych w tym zakresie jest sprawą pilną
i potrzebę uporządkowania tych spraw widzą również niektórzy operatorzy.
3. Zastosowanie wyników projektu na rzecz wykorzystania synchronicznych, naziemnych sieci radiokomunikacyjnych oraz satelitarnych systemów nawigacyjnych (Galileo,
GPS) dla potrzeb lokalizacyjnych związanych z obsługą numeru 112
W ciągu ostatniego roku firmy produkujące sprzęt i oprogramowanie dla sieci komórkowych
prowadziły intensywne prace w celu opracowania systemów oraz aplikacji spełniających
wymogi Federalnej Komisji Komunikacji (FCC) Stanów Zjednoczonych, przewidziane do
wdrożenia do dnia 31.12.2005 r. Z tym dniem kończy się II etap wdrożenia systemu lokalizacji użytkownika telefonu komórkowego inicjującego połączenie z numerem alarmowym 911.
Po zakończeniu tego etapu operator sieci komórkowej jest zobowiązany do określenia miejsca, w którym taki telefon znajduje się z następującą dokładnością:
− przy wykorzystaniu wewnętrznego wyposażenia telefonu: ± 50 metrów dla 67 % wywołań
oraz ± 150 metrów dla 95 % wywołań;
− przy wykorzystaniu wyposażenia sieciowego: ± 100 metrów dla 67 % wywołań oraz
± 300 metrów dla 95 % wywołań.
W Europie podobne działania zostały podjęte odnośnie lokalizacji miejsca, z którego zainicjowano zgłoszenie alarmowego pod paneuropejski numer 112. Została wydana Dyrektywa
2002/22/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 7 marca 2002 r. w sprawie
usługi powszechnej oraz związanych z sieciami i usługami łączności elektronicznej praw
użytkowników (dyrektywa o usłudze powszechnej), której artykuł 26 stanowi:
Jeden europejski numer alarmowy
1. Państwa Członkowskie zapewniają, w uzupełnieniu wszelkich innych krajowych numerów
alarmowych określonych przez krajowe organy regulacyjne, wszystkim użytkownikom końcowym publicznie dostępnych usług telefonicznych możliwość bezpłatnego kontaktu ze
służbami ratunkowymi przy wykorzystaniu jednego europejskiego numeru alarmowego
"112".
2. Państwa Członkowskie zapewniają właściwe odbieranie i zajmowanie się wywołaniami
jednego europejskiego numeru alarmowego "112" w sposób najlepiej odpowiadający kra29
jowej organizacji systemów alarmowych i mieszczący się w granicach technologicznych
możliwości sieci.
3. Państwa Członkowskie zapewniają, aby przedsiębiorstwa, które prowadzą publiczne sieci
telefoniczne, udostępniały władzom zajmującym się ratownictwem informacje o miejscu
przebywania osoby wywołującej, w stopniu technicznie możliwym, w odniesieniu do wywołań jednego europejskiego numeru alarmowego "112".
4. Państwa Członkowskie zapewniają obywatelom odpowiednią informację o istnieniu jednego europejskiego numeru alarmowego "112" i korzystaniu z niego.
Jednak zarówno terminy jak i zakres prac związanych z lokalizacją wywołań z telefonów komórkowych nie są skonkretyzowane tak jak w Ameryce, nie obowiązują też żadne inne ustalenia o charakterze formalno-prawnym.
Różne koleje przechodzi sprawa wyboru systemu lokalizacyjnego w sieciach komórkowych.
Około roku 2000 FCC zaleciła w amerykańskich sieciach komórkowych stosowanie do lokalizacji systemu E-OTD. W systemie tym lokalizacja jest realizowana w telefonie komórkowym i po przetworzeniu dane wynikowe są przesyłane do sieci, gdzie są gromadzone w specjalnych rejestrach. Nowej generacji telefony komórkowe nie wymagają wprowadzenia zmian
sprzętowych, modyfikacji podlega jedynie oprogramowanie. Chęć korzystania z systemu
i warunkujące to korzystanie wyposażenie w odpowiednią wersję telefonu komórkowego wynika przy stosowaniu systemu E-OTD z woli użytkownika i użytkownik ponosi związane
z tym koszty.
Rozpatrując szczegółowo, metoda E-OTD jest oparta na pomiarze opóźnienia czasowego sygnałów docierających do aparatu z trzech stacji bazowych. Pomiar czasu opóźnienia na użytek systemu E-OTD jest nową właściwością wprowadzaną ostatnio do aparatów komórkowych. W sieciach współdziałających z systemem E-OTD wyniki pomiaru czasu są wykonane
przez telefon komórkowy, a następnie są przesyłane do bazy danych SMLC (Serving Mobile
Location Centem) przy użyciu standaryzowanej sygnalizacji LCS (Location Services). Zwrócone wartości opóźnienia są miara odległości każdej ze stacji bazowych od telefonu i wyznaczenie pozycji telefonu odbywa się w oparciu o proste metody trygonometryczne (triangulacja).
Warunkiem dokładnego określenia pozycji telefonu komórkowego przy użyciu metod triangulacji jest dokładne określenie pozycji geograficznej każdej ze stacji bazowych (zaleca się
aby błąd nie przekraczał 10 m). Prócz tego jest wymagane również utrzymanie jednolitej,
dokładnej skali czasu w sieci stacji bazowych pośredniczących w stosowaniu metody E-OTD
(wymagania w tym zakresie zostały przedstawione w p. 2.4.2.3.). Jeśli sieć stacji bazowych
nie jest pod tym względem synchronizowana, wtedy reprezentowany przez stacje bazową
czas wykorzystywany do celów lokalizacyjnych powinien być wyznaczony innym sposobem,
a mianowicie przy użyciu dodatkowej sieci zespołów pomiarowych LMU. Zespoły LMU są
funkcjonalnie zbliżone do stacji ruchomych, jednak są gruntownie zmodyfikowane w celu
umożliwienia pomiaru czasu i w tym celu obecnie na ogół są wyposażone w odbiorniki GPS.
Zespoły LMU, rozmieszczone w miejscach o ustalonych i wyznaczonych dokładnie pozycjach, prowadzą ciągłe pomiary. Dane zawierające wyniki pomiarów są przesyłane do bazy
danych SMLC, gdzie stanowią odniesienie dla wyników pomiarów pozycji telefonów, których pozycja nie jest znana.
Dokładność metody E-OTD zależy od gęstości komórek, planu ich rozmieszczenia, wielodrożności, interferencji i szumów, stosowania sieci zespołów LMU oraz dokładności określenia pozycji umiejscowienia komórki. Dokładność nie ulega znaczącej degradacji
30
w pomieszczeniach. Metoda pozwala na uzyskanie dobrych rezultatów na obszarach o dużej
gęstości rozmieszczenia stacji bazowych, a odwrotnie, rezultaty uzyskane na obszarach
o bardzo małej gęstości rozmieszczenia stacji bazowych są znacznie gorsze.
Dokładność metody E-OTD jest oceniana na 50 m ÷ 150 m w obszarach wiejskich,
50 m ÷ 150 m w obszarach podmiejskich, 50 ÷ 150 m w terenach miejskich. Dobre rezultaty
uzyskuje się na ogół we wnętrzach. W trudnych warunkach miejskich zastosowanie metody
może jednak nastręczać pewne trudności, podobnie jak w obszarach wiejskich o bardzo małej
gęstości rozmieszczenia stacji bazowych (zwłaszcza, jeśli stacje bazowe są rozmieszczone
w jednej osi, np. wzdłuż drogi).
Pomimo preferencji ze strony FCC dla systemu E-OTD w 2003 roku trzech największych
amerykańskich operatorów telefonii komórkowej opowiedziało się za wprowadzeniem innego
systemu lokalizacyjnego: U-TDOA. Za jego wprowadzeniem przemawiały względy ekonomiczne, gdyż chociaż nieco mniej dokładny od systemu E-OTD, to jednak początkowo system U-TDOA wydawał się być tańszy. Obecnie dwóch z tych operatorów, Cingular oraz
T-Mobile USA, wprowadziło system U-TDOA, jednak z zebranych doświadczeń wynika, że
wprowadzenie systemu jest dla operatora znacznie kosztowniejsze niż przypuszczano. Na
wysokie koszty wprowadzenia systemu U-TDOA znacząco wpływa fakt, że wszystkie koszty
ponosi operator. Koszty te wynikają przede wszystkich z konieczności wyposażenia sieci
w utrzymujące jednolitą w obrębie całej sieci skalę czasu oraz znacznie bardziej rozbudowane
niż w systemie E-OTD, a tym samym droższe, lokalizacyjne zespoły pomiarowe LMU. Natomiast przy stosowaniu systemu U-TDOA nie jest wymagana jakakolwiek modyfikacja
w telefonie komórkowym użytkownika.
Zespoły LMU pełnią w systemie U-TDOA funkcję odmienną niż przy stosowaniu systemu
E-OTD. Są one zespolone ze stacjami BTS i pełnią wyłącznie funkcje pomiarowe. Odniesienie do pomiaru czasu stanowi sygnał sekundowy GPS pobierany z lokalnego odbiornika.
W każdym zespole LMU pomiarowi podlega różnica czasu pomiędzy sygnałem jednosekundowym GPS a początkiem ramki zawartej w sygnale emitowanym przez lokalny nadajnik
BTS. Jednocześnie w podobny sposób mierzona jest różnica czasu pomiędzy sygnałem jednosekundowym GPS a początkiem ramki zawartej w sygnałach przychodzących z sąsiednich
stacji BTS oraz z podlegającego lokalizacji telefonu. Dane zebrane z trzech zespołów LMU
pozwalają na wyznaczenie współrzędnych geograficznych z dokładnością do 50 m i zanotowanie tych danych w rejestrze SLMC.
System U-TDOA umożliwia przeprowadzenie pomiaru względem aż do 30 ÷ 50 różnych stacji BTS. Dlatego wykazuje dużą skuteczność w obszarach miejskich o dużym zagęszczeniu
stacji BTS, ponadto jakość wyników nie ulega znaczącej degradacji w pomieszczeniach. Dokładność w obszarach miejskich i podmiejskich oceniana jest na 50 m, a w obszarach pozamiejskich na 80 m. Podobnie jak wszystkie metody oparte na triangulacji gorsze rezultaty
osiąga się w przypadku, gdy stacje BTS są rozmieszczone w jednej osi. Nawet jeśli wyniki
praktyczne bywały nieco gorsze, to spełniają one wymagania FCC dla II etapu wdrożenia
systemu lokalizacji miejsca wywołania skierowanego pod numer telefonu alarmowego 911.
Zaletą systemu U-TDOA, dzięki której zapewne korzysta on z poparcia służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo państwa, jest ciągłość lokalizacji każdego aktywnego telefonu komórkowego niezależnie od woli w tym względzie użytkownika.
Odmiennie potoczyły się losy systemów lokalizacyjnych w sieciach komórkowych
w Europie. Jedyny obecnie stosowany system polega na identyfikacji stacji bazowej, która
obsługuje podlegający lokalizacji telefon komórkowy. Metoda jest określana jako identyfika31
cja komórki Cell ID (Cell Indentification). Jednocześnie powstały liczne aplikacje, które łączą
cechy kilku systemów lokalizacyjnych, a operacje wyznaczania pozycji są przeprowadzane
w telefonie komórkowym w oparciu o wyspecjalizowane oprogramowanie. Wykorzystuje się
tu możliwości pozyskania większej liczby danych w sieciach wyposażonych w nowszy sprzęt
i oprogramowanie. Dotyczy to sektora komórki określonego w wyniku stosowania anten sektorowych (na ogół 3-sektorowych), informacji o czasie propagacji sygnału wykorzystywanej
w metodzie udoskonalonego określenia czasu TA (Timing Advance) oraz ustawień poziomu
mocy związanych z wykorzystaniem sieciowych raportów pomiarowych NMR (Network Measurement Reports). W starszych sieciach nawet jeśli te dane były wykorzystywane do sterowania, to nie były dostępne dla innych aplikacji.
W ten sposób, przy wspomaganiu ze strony sieci, właściwością nowej generacji oprogramowania lokalizacyjnego są własności adaptacyjne, dzięki którym uwzględniane zostają korelacje i specyficzne cechy danego obszaru. Jako przykład można tu podać, że przeprowadza się
korekcję uzyskanych danych odniesioną do tego, że duża liczba połączeń jest realizowana
z autostrady, a nie pasa o szerokości kilkuset metrów albo że dany obszar znajduje się w cieniu radiowym względem najbliższej stacji bazowej i obsługę przejmuje stacja bazowa bardziej oddalona. Zwłaszcza sieci komórkowe, które byłyby przystosowane do lokalizacji cieszącą się ponownie popularnością metodą E-OTD, charakteryzują się podatnością na stosowanie przedstawionych wyżej technik, które dzięki gromadzeniu danych i ich przetwarzaniu
(„system samouczący”) pozwalają na uzyskanie bardzo dobrych rezultatów przy dość niskiej
cenie. Firmy, zajmujące się głównie opracowywaniem oprogramowania wykorzystującego te
techniki podają, że koszt wyposażenia sieci w sprzęt i oprogramowanie umożliwiające prowadzenie lokalizacji telefonów komórkowych wynosi ok. 1 dolara na jednego użytkownika,
podczas gdy wyposażenie sieci w sprzęt i oprogramowanie przy wykorzystaniu metody
U-TDOA wynosi ok. 35 dolarów na jednego użytkownika.
Należy odnotować fakt, że obecnie mniejsze oczekiwania są związane z technikami
A-GPS (Assisted GPS), pomimo że nastąpił znaczny postęp technologiczny w dziedzinie odbiorników GPS (najistotniejsze jest tu obecnie ograniczenie poboru mocy). Z jednej strony
może to być wynikiem wykorzystania w walce konkurencyjnej silnej pozycji operatorów sieci
komórkowych i ich chęci powiązania usług lokalizacyjnych jak najściślej z infrastrukturą sieciową, z drugiej strony systemy A-GPS charakteryzują się dużą dokładnością lokalizacji
w otwartym terenie, a małą w obszarach silnie zurbanizowanych, czyli odwrotnie do potrzeb.
Tym niemniej sieci komórkowe zapewniają wspomaganie dla telefonów wyposażonych
w system A-GPS i raporty pomiarowymi z danymi lokalizacyjnymi uzyskanymi dzięki temu
systemowi są również wykorzystywane do opracowania poprawek korygujących dane lokalizacyjne uzyskane metodami wewnątrzsieciowymi w systemach, które zostały omówione powyżej.
4. Uzyskanie kompetencji do brania czynnego udziału w koordynowanych przez
CBK PAN pracach Centrum Doskonałości oraz Punktu Informacyjnego w zakresie wykorzystania systemu Galileo oraz partycypowanie w projektach zamawianych
i celowych realizowanych przez konsorcja skupione wokół tych ośrodków
Na początku 2005 roku w Centrum Badań Kosmicznych powstał zamiar utworzenia Centrum
Doskonałości pn. Centrum Georeferencyjne dla potrzeb geodezji, telekomunikacji i ekologii,
jednoczące środowisko naukowe i techniczne specjalizujące się w zagadnieniach związanych
z wykorzystaniem możliwości stworzonych przez satelitarne systemy nawigacyjne. Zakres
usług i gwarancje utrzymania określonego poziomu jakościowego świadczonych przez sateli32
tarne systemy nawigacyjne znacznie wzrośnie po uzyskaniu pełnej zdolności operacyjnej
przez nowy, europejski system Galileo. W tym celu powstała inicjatywa zgłoszenia przez
zespolone w Centrum Doskonałości instytucje badawcze projektu zamawianego/celowego
pt. Innowacyjne zastosowania Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnych.
W ramach tego projektu wykonawcy podlegającego sprawozdaniu zadania zgłosili propozycje
wykonania zadań zbieżnych z tematyką prowadzonej pracy statutowej.
Propozycja ta, pod wspólnym tytułem: „Synchronizacja częstotliwości i czasu w sieciach telekomunikacyjnych i teleinformatycznych nowej generacji przy wykorzystaniu systemów
GNSS (Galileo, GPS, GLONASS)” obejmowała:
1) Zagadnienia o charakterze ogólnym:
− wykorzystanie systemów nawigacyjnych GNSS do synchronizacji częstotliwości taktowania systemów telekomunikacyjnych i teleinformatycznych, w których następuje degradacja jakości przenoszonych sygnałów synchronizacyjnych, zwłaszcza:
• systemów transmisyjnych SDH i PDH korzystających z pośrednictwa systemów
DWDM lub linii radiowych;
• sieci komórkowych ogólnego i specjalnego przeznaczenia wykorzystujących
w części stacjonarnej łącza asynchroniczne;
• systemów z dostępem radiowym wykorzystujących łącza stałokanałowe pracujące
w obszarach o dużym poziomie zakłóceń;
• synchronizacji usług wymagających pracy w czasie rzeczywistym, przy połączeniu
terminali za pośrednictwem sieci asynchronicznych (IP/Ethernet, IP/MPLS).
− synchronizacja zegarów czasu rzeczywistego w sieciach teleinformatycznych dla potrzeb własnych tych sieci (zarządzanie, rozładowanie zatorów) oraz na potrzeby użytkowników (stemple czasowe w rozliczeniach billingowych, podpis elektroniczny);
− precyzyjna synchronizacja czasu w sieciach komórkowych dla potrzeb lokalizacyjnych
przy stosowaniu nowej generacji systemów wykorzystujących infrastrukturę sieciową
(U-TDOA i in.);
− kompleksowe systemy synchronizacji podnoszące bezpieczeństwo użytkowania sieci telekomunikacyjnych i teleinformatycznych w przypadku okresowego braku dostępu do
sygnałów GNSS (działania administratorów, przypadkowe lub celowe zakłócenia) lub
prób podstawienia sygnałów fałszywych.
2) Zagadnienia szczegółowe:
− opracowanie metod weryfikacji pomiarowej czasu propagacji sygnałów w sieciach pakietowych (zwłaszcza - w których nie można utworzyć pętli) i rozrzutu tego czasu przy
wykorzystaniu jako odniesienia sygnałów GNSS;
− przygotowanie od strony organizacyjnej i technicznej do prowadzenia testów jakości
sygnałów synchronizacyjnych uzyskanych z systemu Galileo w pierwszej fazie jego
pracy;
− opracowanie modelowego planu synchronizacji sieci telekomunikacyjnej operatora wykorzystującego systemy GNSS jako źródła sygnałów odniesienia.
W uzasadnieniu stwierdzono, że przytoczony opis grupy tematów związanych
z synchronizacją koresponduje z punktem 3 pt. „Rozwój systemów wspomagających dla potrzeb nawigacji, pozycjonowania i geodezji” programu prac dotyczącego GNSS, sformułowanego przez UE i ESA, gdzie wymieniono m.in. łącza telekomunikacyjne, i może stanowić
część zadania pt. „Innowacyjne zastosowania Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej
33
GNSS” przewidzianego do prowadzenia (koordynowania) przez Centrum Doskonałości przy
CBK PAN pn. Centrum Georeferencyjne dla potrzeb geodezji, telekomunikacji i ekologii.
Okazało się jednak, że formuła Centrum Doskonałości była nieskuteczna i propozycja realizacji wymienionych prac nie uzyskała finansowania. Pomimo poparcia ze strony ministra
infrastruktury wyrażonego pismem do ministra nauki i informatyzacji z dn. 21.07.2005 r. zagadnienia satelitarnych systemów nawigacyjnych nie zostały uwzględnione w propozycjach
Krajowego Programu Ramowego (KPR), podobnie zresztą jak i cała tematyka technologii
kosmicznych. W tej sytuacji działania zmierzające do pozyskania źródeł finansowania dla
prac badawczych związanych z upowszechnieniem wykorzystania satelitarnych systemów
nawigacyjnych zostały przeniesione na inne forum, co będzie szczegółowo omówione
w punkcie 5.
Przedstawiciel wykonawców podlegającego sprawozdaniu zadania uczestniczył w pracach
Grupy Roboczej projektu GalileoApp koordynowanego przez CBK PAN. Ze względu na
udział w Grupie m.in. przedstawicieli wszystkich zainteresowanych projektem Galileo instytucji państwowych, Grupa stanowi płaszczyznę wymiany informacji i opinii związanych
z wykorzystaniem w kraju możliwości powstających wraz z budową systemu Galileo. Być
może po ukonstytuowaniu się rolę tę przejmie Zespół Międzyresortowy powołany przez Komitet Europejski Rady Ministrów w dniu 14.10.2005 r. (por. p. 6.). Przedstawiciel wykonawców podlegającego sprawozdaniu zadania został również powołany w skład Zespołu.
5. Przygotowanie merytoryczne i organizacyjne do udziału w projektach UE i ESA objętych 6. PR w zakresie wykorzystania satelitarnych systemów nawigacyjnych GNSS oraz
projektach UE objętych 6. i 7. PR w zakresie bezpieczeństwa infrastruktury technicznej
Po niepowodzeniach związanych z wprowadzeniem tematyki kosmicznej do Krajowego Programu Ramowego środowiska zainteresowane wykorzystaniem technologii kosmicznych
podjęły działania prowadzące do powołania Polskiej Platformy Technologii Kosmicznych
PPTK. Z inicjatywy CBK spotkanie Grupy Założycielskiej PPTK odbyło się we wrześniu
2005 roku, a w następnych miesiącach przeprowadzono szereg konsultacji i uzgodnień w tej
sprawie. Chodziło zwłaszcza o włączenie tematyki kosmicznej do Strategicznych Obszarów
Badawczych oraz Priorytetowych Kierunków Badań wymienionych w załączniku do dokumentu opublikowanego wówczas przez MNiI pn. Krajowy Program Ramowy (KPR),
z przewidywanym budżetem ok. 1 mld zł na 2006 rok.
W celu sprecyzowania zakresu zainteresowań założycieli Platformy PPTK określono
i zgłoszono, podobnie jak inne instytucje badawcze, zakres zainteresowań Instytutu Łączności
oraz poczyniono próby przyporządkowania potencjalnej tematyki prac badawczych, testowych i aplikacyjnych związanych z:
− lokalizacją pojazdów i osób AVL/APL (Automatic Vehicle/Person Location), w tym wysyłających wywołanie pod nr alarmowy 112;
− synchronizacją częstotliwości i czasu w sieciach telekomunikacyjnych;
− wytwarzaniem i monitorowaniem sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu;
do systematyki zadań Europejskiej Agencji Kosmicznej (Space Technology Tree of the European Space Agency) według następującego klucza:
pkt. 6
- RF Payload Systems
B Radio Navigation
D Communication systems
34
pkt. 12 Ground Station System & Networking
A Ground Station System
VI Frequency & Time generation and distribution
VII Station monitor and control (M&C)ss
pkt. 25 User Segment
A Payload Data Exploitation
II Data Dissemination and Application Services
III User Information Services and User Interfaces
B Telecom Ground Segment
III User Terminals
oraz do Krajowego Programu Ramowego:
Strategiczny Obszar Badawczy VII - Technologie informacyjne:
p. 7.1. Rozwój infrastruktury teleinformatycznej, w tym rozwiązań zapewniających jej wysoką funkcjonalność, oraz cyfrowych zasobów informacji
- dotyczy zagadnień synchronizacji oraz wytwarzania i monitorowania
sygnałów wzorcowych częstotliwości i czasu,
p. 7.5. Technologie mobilne - dotyczy lokalizacji.
Finalizacja sprawy związanej z Platformą PPTK jest przewidziana na początek 2006 roku.
Platforma będzie płaszczyzną do podejmowania zadań szeroko związanych z wykorzystaniem
kosmosu, prowadzonych w ramach wymienionych wyżej programów: Europejskiego Programu Kosmicznego oraz Krajowego Programu Ramowego.
Oprócz zagadnień związanych z wykorzystaniem satelitarnych systemów nawigacyjnych
przeprowadzono analizę możliwości udziału w pracach badawczych na rzecz bezpieczeństwa,
które mogłyby być włączone do tematu 9. pn. Bezpieczeństwo i Przestrzeń Kosmiczna (Security and Space) - w ramach VII Programu Ramowego. W tym celu zorganizowano
w Instytucie Łączności spotkanie z udziałem przedstawicieli Głównego Urzędu Miar, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Akademii Obrony Narodowej oraz przedstawicieli firm wytwarzających produkty związane z bezpieczeństwem i obronnością. Omówiono zagadnienia
dotyczące powołania konsorcjum oraz oszacowano możliwości rozszerzenia konsorcjum
o członków z państw ostatnio dołączonych do UE (w grę wchodzi Litwa). Omówiono sposób
wypełnienia wniosków w ramach Programu PARS (Preparatory Action for Security Research) oraz uzyskania dla tych wniosków poparcia instytucji państwowych. Wniosek dotyczy
systemu rozsyłania wysokostabilnych sygnałów częstotliwości i czasu, dzięki któremu uzyska
się wzmocnienie odporności krajowego systemu łączności na zakłócenia i dezorganizację,
wzmacnia również ochronę kryptograficzną. Jednym z elementów systemu rozsyłania wysokostabilnych sygnałów częstotliwości i czasu byłaby stacja radiowa emitująca sygnały czasu.
Praktycznie rzecz biorąc możliwości realizacji zadania są uzależnione od poparcia kompetentnych w tych sprawach instytucji państwowych, a wobec przewidywanych na ostatni kwartał 2005 r. zmian organizacyjnych rzutujących na podział kompetencji, sprawę formalnego
złożenia wniosku przełożono na 2006 rok, poprzedzający okres objęty VII Programem Ramowym.
6. Ekspertyzy i doradztwo na rzecz administracji państwowej
Na przełomie roku 2004/2005 udzielano konsultacji na rzecz Ministerstwa Infrastruktury
(obecnie: Transportu i Budownictwa) w związku z przygotowywanym projektem rozporządzenia w sprawie wymagań technicznych dla interfejsów dla synchronizacji w publicznych
35
sieciach telekomunikacyjnych. Przeprowadzono również w tej sprawie rozmowę z przedstawicielem URTiP i przekazano tekst podobnego rozporządzenia obowiązującego od niedawna
w Czechach. W kraju dokument regulujący sprawy synchronizacji w sieciach telekomunikacyjnych wydaje się być bardzo potrzebny, jednak przygotowany przez MTiB projekt nie
wszedł dotychczas w życie.
Instytut Łączności współuczestniczył w akcji informacyjnej postulującej włączenie w sposób
formalny organów administracji państwowej w działania związane wykorzystaniem w kraju
możliwości stwarzanych przez system nawigacyjny Galileo. Postulat został zrealizowany
i w dniu 14.10.2005 r. Komitet Europejski Rady Ministrów powołał działający pod przewodnictwem Ministerstwa Infrastruktury (obecnie: Transportu i Budownictwa) Zespół Międzyresortowy, którego zadaniem będzie przygotowanie kompleksowego stanowiska rządu w odniesieniu do europejskiego programu nawigacji satelitarnej Galileo. W odpowiedzi na pismo MI
dyrekcja Instytutu Łączności zaproponowała jednego z wykonawców podlegającego sprawozdaniu zadania jako przedstawiciela Instytutu Łączności w Zespole.
7. Uzyskanie kompetencji do wykonywania prac dla operatorów telekomunikacyjnych
Prowadzone w ramach zadania prace pozwoliły na uzyskanie kompetencji do wykonywania
prac dla operatorów telekomunikacyjnych, jednak zapotrzebowanie na prace związane
z synchronizacja i utrzymaniem jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych jest wśród
operatorów małe. Wynika to z braku regulacji prawnych nakładających na operatorów wymóg utrzymania określonych parametrów jakościowych oraz, co jest konsekwencją, brak
nadzoru ze strony państwowych służb inspekcyjnych.
Od wielu lat prace z tej dziedziny zamawiała jedynie, z tzw. wolnej ręki, Telekomunikacja
Polska S.A. i w roku 2005 były zaawansowane rozmowy na temat realizacji dwóch tego typu
prac. Pierwsza z nich była związana z ekspertyzą dotyczącą zapotrzebowanie na sygnały czasu w sieciach telekomunikacyjnych. Jednak wykonawcę pracy zdecydowano wybrać drogą
konkursu ofert i pomimo złożenia oferty nie została ona przyjęta. Druga praca była związana
z badaniami synchronizacji w systemach ze zwielokrotnieniem falowym DWDM, jednak
ostatecznie pracę tę miało zrealizować zaplecze badawcze TP S.A.
Przy dobrze rozbudowanej w TP S.A. w ciągu 12 lat sieci synchronizacyjnej w firmie tej
ostatnio podjęto program oszczędnościowy, wobec czego trudności w pozyskaniu prac są
w tym przypadku bardzo duże.
8. Podsumowanie i wnioski
W sprawozdaniu omówiono teoretyczne podstawy do realizacji kompleksowego systemu
synchronizacji i utrzymania jednolitego czasu w sieciach telekomunikacyjnych oraz informatycznych. Szczegółowej i krytycznej analizie poddano te elementy sieci transmisyjnych i systemów dystrybucyjnych znaków czasu, które mają wpływ na powstawanie niedeterministycznych opóźnień czasu propagacji przenoszonych sygnałów.
Jako pierwsze zagadnienie szczegółowe przedstawiono zasady synchronizacji sygnałów taktujących w systemach telekomunikacyjnych ze zwielokrotnieniem czasowym TDM. Zagadnienie jest dobrze rozpoznane i obecnie jakość synchronizacji w tego typu sieciach jest uzależniona jedynie od nakładów finansowych, jakie operator jest skłonny przeznaczyć na ten
cel.
36
Mniej rozpoznane jest zagadnienie przesyłania czasu w synchronicznych sieciach telekomunikacyjnych. Omówiono czynniki wpływające na powstawanie opóźnień o zróżnicowanej
wartości w sieciach plezjochronicznych PDH oraz w pełni synchronicznych SDH. W szczególności przedstawiono przyczyny i mechanizm powstawania znacznych skoków fazy
w strumieniach 2 Mbit/s przenoszonych w systemach transmisyjnych SDH wywołanych procesem dopełniania. Oszacowano, że w normalnych warunkach eksploatacyjnych niedokładność czasu odtwarzanego w oparciu o przesyłane znaki czasu nie powinna przekraczać 1 μs,
jednak w niekorzystnych warunkach wynikających ze złej synchronizacji sieci transmisyjnej
niedokładność ta może osiągać wartość kilkunastu mikrosekund.
Następnie omówiono działanie satelitarnych systemów nawigacyjnych GPS i Galileo i przedstawiono korzyści wynikające ze stosowania systemu Galileo w porównaniu z systemem
GPS.
Szczegółowo omówiono zagadnienie przesyłania informacji o czasie w sieciach informatycznych. Ze względu na asynchroniczny tryb przesyłania informacji nieskuteczne są metody stosowane w sieciach synchronicznych. Należy uwzględnić, że na skutek kolizji wynikających
z działania protokołu wielodostępu CSMA/CD część pakietów może podlegać opóźnieniom
o trudnej do określenia wartości, oczekiwaniu w kolejkach, a nawet część pakietów może
zaginąć. Pakiety też mogą być przekazywane różnymi drogami o różniących się opóźnieniach.
Przypomniano w skrócie zasady przesyłania znaków czasu przy wykorzystaniu sieciowych
protokołów czasu NTP, pozwalających uzyskać dokładność pojedynczych milisekund.
Natomiast szczegółowo omówiono zasadę działania oraz możliwości wykorzystania precyzyjnych protokołów czasu PTP zdefiniowanych w standardzie IEEE 1588. Jest to najnowszy
kierunek rozwoju systemów synchronizacji czasu niezbędny przy wdrażaniu do eksploatacji
coraz liczniejszych sieci wykorzystujących wyłącznie transmisję pakietową. W ostatnich tygodniach (listopad 2005 r.) wiodące w tej dziedzinie firmy oferują pierwsze aplikacje sprzętowe i programowe pozwalające uzyskać dokładność synchronizacji czasu w sieciach lokalnych LAN rzędu 1 mikrosekundy. Otwarta pozostaje sprawa wykorzystania protokołów PTP
w sieciach rozległych WAN, jakkolwiek potrzeby w tym zakresie narastają w pilnym trybie.
Omówiono, jako przykład ważnego i pilnego problemu, sprawę synchronizacji stacji bazowych telefonii komórkowych w sieciach, w których wykorzystuje się wyłącznie transmisję
pakietową IP.
Obecnie wzrastają wymogi odnośnie poziomu niezawodności i bezpieczeństwa stawiane sieciom informatycznym o istotnym znaczeniu dla funkcjonowania państwa i protokoły PTP są
postrzegane jako zabezpieczenie w zakresie utrzymania synchronizacji zegarów niezbędnych
dla procesów sterowania przepływem danych na wypadek niedostępności sygnałów GPS,
a w przyszłości również pracującego w tym samym paśmie częstotliwości systemu Galileo.
Problemy z dostosowaniem się do nowych wymogów powinny być uwzględnione przy opracowaniu założeń na budowę w kraju kompleksowej Sieci Teleinformatycznej Administracji
Publicznej STAP.
Uwzględniając przytoczone czynniki, zagadnienie synchronizacji przy wykorzystaniu protokołów PTP nosi charakter rozwojowy i jest atrakcyjne pod względem badawczym, ma też
duże znaczenie praktyczne.
Jak się w 2005 roku okazało, nie wdrożono w Ameryce jednego, uzgodnionego wcześniej dla
wszystkich sieci komórkowych systemu lokalizacji telefonów, z których zainicjowano wywołanie alarmowe. Jeszcze większa różnorodność panuje pod tym względem w Europie. Linia
37
podziału stanęła pomiędzy kosztami budowy systemu lokalizacyjnego a istotną dla służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo państwowe cechą funkcjonalną, polegającą na możliwości
określenia pozycji każdego aktywnego telefonu komórkowego niezależnie od woli jego użytkownika. Decyzje przyjmujące jedno z rozwiązań będą nosiły charakter bardziej ekonomiczny niż techniczny, jednak przy podejmowaniu takiej decyzji istotna jest znajomość istniejących uwarunkowań technicznych.
Również to zagadnienie powinno w kraju podlegać monitorowaniu ze strony administracji
państwowej, a rozpatrywanie aspektów badawczych sprawy może być powierzone Instytutowi Łączności.
W sprawozdaniu omówiono również działania związane z próbami pozyskiwania dla prowadzonych prac nowych źródeł finansowania: ze środków VII Programu Ramowego i Krajowego Programu Ramowego.
W podsumowaniu należy stwierdzić, że niemal wszystkie przedstawione w sprawozdaniu
tematy badawcze noszą charakter rozwojowy, a uzyskane rezultaty mają duże znaczenie praktyczne dla niezakłóconego działania w kraju sieci telekomunikacyjnych i informatycznych
oraz gwarancji utrzymania w tych sieciach odpowiedniego poziomu jakościowego świadczonych usług.
38
Bibliografia
[1] Kula S.: Systemy teletransmisyjne. WKŁ, 2004
[2] Miłek J., Natorski A., Pawszak T., Zagrobelny T.: Synchronizacja sieci telekomunikacyjnej. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, listopad 2001
[3] Bregni S.: Synchronization of Digital Telecommunications Networks. John Wiley and
Sons
[4] Allan D. W.: Experts are considering a new definition for Universal Coordinated Time.
GPS World, January 2003
[5] Stefański A., Skonieczny W.: GPS - powszechnie dostępne źródło czasu. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, 2001, nr 11
[6] Pakdaman A., Cooklev T. (San Francisco State University), Eidson J. (Agilent Technologies): IEEE 1588 over IEEE 802.11b for Synchronization of Wireless Local Area Network Nodes.
[7] Parker T. E., Matsakis D.: Time and Frequency Dissemination Advances in GPS Transfer
Techniques. GPS World, November 2004
[8] Azoubib J., Nawrocki J., Lewandowski W.: Independent atomic timescale in Polandorganization and results. Institute of Physics Publishing, Metrologia (40) 2003
[9] Gambioza V., Yuan P.: The IEEE 802.17 Media Access Protocol for High-Speed Metropolitan–Area Resilient Packet Ring. IEEE 802.17 WG, 2004
[10] IEEE Std 1588-2002: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for
Networked Measurement and Control Systems. 8 November 2002
[11] Balasubramanian S., Harris K. R., Moldovansky A.: A Frequency Compensated Clock
for Precision Synchronization using IEEE 1588 Protocol and its Application to Ethernet,
Rockwell Automation. http://ieee1588.nist.gov/z_RA_1_FreqCompClk.pdf
[12] Eidson J. C. (Agilent Laboratories), Fischer M. C. (Fischer Consulting), White J. (U.S.
Naval Research Laboratory): IEEE-1588™ Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. November 8, 2002,
http://ieee1588.nist.gov/PTTI_draft_final.pdf
[13] Mohl D. S.: IEEE 1588: Running Real-time on Ethernet. Hirschmann Electronics, The
OnLine Industrial Ethernet Book, Issue 17, November 2003,
http://ethernet.industrial-networking.com/ieb/articledisplay.asp?id=173
[14] Intel® Network Processors Drive New Communications Capabilities for Rockwell*
Automation Case Study, Intel Corporation, October 2004
http://www.intel.com/design/network/casestudies/rockwell.htm
[15] Horauer M.: Clock Synchronization in Distributed Systems - Architecture and Evaluation
of Ethernet-based Network Interfaces with support for precision clock synchronization.
Vienna University of Technology, 2004
[16] Frost & Sullivan's: The annual growth rate for Ethernet field devices will be 90 percent
from 2002 to 2007. World Ethernet and Fieldbus Markets" report, January 2003
www.frost.com
[17] Choi B., Park K., Kim M.: An Improved Hardware Implementation of the Fault Tolerant
Clock Synchronization Algorithm for Large Multiprocessor System. IEEE Transaction on
Computers 39, 1990
[18] Commission F. C.: FCC requires wireless carriers to forward all 911 calls. December
1997
[19] Cristian F.: Probabilistic Clock Synchronization. Distributed Computing 3, 3, 1989
39
[20] Cristian F., Fetzer C.: Fault-tolerant internal clock synchronization. In Proceedings of
the Thirteenth Symposium on Reliable Distributed Systems, Dana Point, Ca., October
1994
[21] Dewe M., Sankar S., Arillaga J.: The application of satellite time references to HVDC
fault location. IEEE Transactions on Power Delivery 8, 1993
[22] Duda A., Harrus G., Haddad Y., Bernard G.: Estimating global time in distributed systems. Conference on Distributed Computing Systems, Berlin, 1987
[23] Fetzer C., Cristian F.: Integrating External and Internal Clock Synchronization. J. RealTime Systems 12, 2, March 1997
[24] Rappaport T., Reed J., Woerner B.: Position Location Using Wireless Communications
on Highways of the Future. IEEE Communications Magazine, October 1996
[25] Schmid U.: Orthogonal Accuracy Clock Synchronization. Chicago Journal of Theoretical
Computer Science, 2000
[26] Schmid U.: Interval-based Clock Synchronization with Optimal Precision. Information
and Computation 186, 1, 2003
[27] Schmid U., Klasek J., Mandl T., Nachtnebel H., Cadek G., Ker O. N.: A Network Time
Interface M-Module for Distributing GPS-time over LANs. Journal of Real-Time Systems
18, 1, January 2000
[28] Schmid U., Schossmaier K.: Interval-based Clock Synchronization. Journal of Real-Time
Systems 12, 2, March 1997, 173–228
[29] Schossmaier K.: Interval-based Clock State and Rate Synchronization. Dissertation, Vienna University of Technology, Faculty of Technical and Natural Sciences, 1998
[30] Suri N., Hugue M., Walter C.: Synchronization issues in real-time systems. Proceedings
of the IEEE 82, 1, January 1994
[31] Vasanthavada N., Marinos P.: Synchronization of Fault-Tolerant Clocks in the Presence
of Malicious Failures. IEEE Transactions on Computers 37, 1998
[32] Arvind K.: Probabilistic clock synchronization in distributed systems. IEEE Transactions
on Parallel and Distributed Systems 5, 5, May 1994
[33] Materiały informacyjne firm: Symmetricom®, Oscilloquartz S.A., Cisco Systems Inc.
40

Badania nad synchronizacją czasu i częstotliwości w systemach

Transkrypt

Podobne dokumenty

Problem synchronizacji zegarów

Teleinformatyka

Synchronizator US-162

Regulamin. Cele konkursu.

C) Niestosowanie się do znaków i sygnałów drogowych

Zamek Królewski w Warszawie - Muzeum