Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 14 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Организация обмена по сети Ethernet на контроллерах STM32F107

Тактовые генераторы с малым джиттером для быстродействующих сетей

Постоянный рост частот тактовых генераторов приводит к сокращению запаса устойчивости схем по джиттеру. Для решения этих проблем предназначены современные ИС синхронизации смешанных сигналов, о которых и пойдет речь в статье.

Проектирование надежных систем связи по линиям электропередачи

Технология PLC (power-line-communication) использует линии высокого напряжения в качестве транспортной среды. Данные передаются по той же линии электропередачи, что обеспечивает подачу электричества в дома или автомобили, избавляя от необходимости использовать дополнительные провода. Технология PLC все чаще применяется во многих приложениях, в т.ч. в интеллектуальных энергосистемах, управлении солнечными панелями, счетчиках энергии, домашних сетях для передачи видео и электромобилях.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

21 ноября

Особенности синхронизации протокола IEEE 1588-2008

В статье описаны основные особенности протокола Precision Time Protocol 1588-2008.



И

спользование протокола PTP (Precision Time Protocol), определенного IEEE под номером 1588-2008, связано со значительным изменением распределения временных ресурсов и частотных каналов глобальной сети (WAN — wide-area network). В то же время в телекоммуникационной сфере наблюдается переход на пакетный формат передачи данных. Для стандарта 1588-2008 особенно перспективным является сектор мобильной связи.

Синхронизация в сети

В транспортных сетях предъявляются повышенные требования к стабильности частоты, чтобы обеспечить возможность мультиплексирования, шифрации и дешифрации данных, а также проведения замеров QoS.
Все узлы сети должны работать синхронно. Частота транспортной сети с временным мультиплексированием и частота всех генераторов в узлах сети должны совпадать с частотой главных часов с погрешностью не хуже 10–11. При временном мультиплексировании частота сети непостоянна. Это касается и тактирования. Применяются синхронизирующие устройства, которые устраняют джиттер и дрейф, повышая стабильность частоты.
Технологии передачи меняются с переходом на широкополосный формат, особенно это касается широкополосных мобильных услуг. В сетях с пакетной передачей по IP (internet protocol) увеличивается полоса частот и снижается стоимость в пересчете на переданный бит. Пакетные сети L2/L3 связаны с протоколами Carrier Ethernet и IP, которые в настоящее время применяются широко и соответствуют целям инвестирования.
В сетях L2/L3 не требуется синхронизация пакетов. С одной стороны, это упрощает обмен, а с другой — к таким сетям неприменимы понятия «синхронизация» и «качество обслуживания» (QoS), поэтому их следует с осторожностью встраивать в систему.
Для многих служб синхронизация необходима, особенно для беспроводных базовых станций, для которых частотное и временное распределение имеет первостепенную важность. Стабильность частоты между сотовой станцией и абонентским устройством обеспечивает бесперебойную передачу голоса.
В таблице 1 перечислены требования к частоте работы и тактирования для беспроводных сетей. Видно, что стабильность частоты должна быть не хуже, чем 5·10–8, независимо от типа протокола или поколения сотовой технологии. Возможно, это единственное требование, одинаковое для всех трех поколений.

 

Табл. 1. Требования к стабильности сигнала в различных беспроводных сетях

Стандарт мобильной связи

Час­тота, 10–7%

Время/фаза

CDMA2000

50

<3…10 мкс

GSM

50

 

WCDMA

50

 

T-SCDMA

50

Фазовый сдвиг между ячейками 3 мкс

LTE (FDD)

50

 

LTE (TDD)

50

Фазовый сдвиг между ячейками 3 мкс

LTE MBMS

50

Фазовый сдвиг между ячейками 5 мкс

Обратная транспортировка

16

 

 


Система обратной транспортировки (Backhaul) осуществляет передачу голосовых или информационных данных между базовой станцией и центральным контроллером сети. Массовое использование широкополосных технологий в мобильных телефонах привело к переходу с технологии временного мультиплексирования (TDM) на стандарт Сarrier Ethernet, изолирующий базовые станции от синхронизирующих часов. Переход на Ethernet неизбежен, поэтому требуется новый недорогой способ синхронизации базовых станций.

Обмен по протоколу 1588

Первая редакция стандарта 1588 вышла в 2002 г. В ней были установлены требования к точности тактирования внутри локальной сети для измерительных и испытательных приложений, а также систем управления производством. Для таких задач требуется обширные распределенные сети датчиков и исполнительных механизмов с единой точкой временных отсчетов, чтобы измерения и контроль производились скоординировано и без применения избыточных схем синхронизации. Сигнал тактирования передается в той же полосе, что и сигналы датчиков.
Стандарт IEEE 1588 позволяет с малой погрешностью передавать сигнал точного времени от главных часов к клиентским часам по асинхронной сети с пакетной передачей. Устройства IEEE 1588 имеют древовидную иерархию. Главные часы располагаются в центральном помещении, а подчиненные устройства (клиенты) расположены в отдалении.
Для установления сеанса связи производится установление отношений между сервером и клиентом, после чего осуществляется передача сигнала точного времени, как показано на рисунке 1. Главное и подчиненное устройства обмениваются сообщениями Sync и Delay_Req, в которых записано время отправления пакета (t1, t3) и время прибытия (t2, t4). Сообщение Sync содержит время отправления из главных часов.
Заранее сложно предугадать точный момент времени отправления пакета, поэтому часто применяется более сложная схема, когда в сообщении Sync передается расчетное значение t1, а в сообщении Follow_ Up — фактическое t1, чтобы избежать ошибок при расчете. Подчиненное устройство использует значения t1, t2, t3 и t4 для расчета общей задержки распространения сигнала в прямом и обратном направлении и разницы между ходом часов на сервере и у клиента.
Предположим, что задержка прохождения сети в одном направлении (ЗД1) равна половине двусторонней задержки. Тогда отклонение подчиненных часов можно вычислить следующим образом: ЗД1 = [(t2 − t1) + (t4 – − t3)]/2; отклонение = (t2 − t1) − ЗД1. Корректировка подчиненных часов производится с помощью методов сглаживания и полученных значений отклонения. Предусмотрена возможность восстановления частоты с помощью часов истинного времени. Процесс корректировки повторяется много раз в секунду, сохраняя синхронизацию часов.
Примем, что задержка распространения для сообщения Sync такая же, как и для Delay_Req, т.е. задержка распространения сигнала в прямом и обратном направлениях равны. В действительности это не так, однако, погрешность, возникающая вследствие данного допущения приемлема для систем передачи данных.
Во избежание непредсказуемых задержек и очередей на обработку, в пакеты аппаратно вписываются отсчеты времени на физическом уровне (см. рис. 2). Джиттер пакета, или PDV (изменение задержки пакета), также учитывается при расчете отклонения подчиненных часов.

 

Рис. 1. Процедура синхронизации

Рис. 2. Запись временного отсчета в пакет

 

Точность 1588-2008

В первой редакции протокола 1588 был разработан эффективный метод передачи сигнала точного времени по локальной сети. Во второй редакции, IEEE 1588-2008 (РТР 2), упор сделан на глобальные сети. Стандарт содержит ряд улучшений, чтобы удовлетворить строгим требованиям телекоммуникационных сетей. В частности увеличена скорость передачи сообщений, укорочен формат пакета, повышена надежность работы, добавлены аппаратные временные отсчеты, индивидуальная передача и профили 1588. Более высокие скорости передачи нужны для сохранения стабильности работы, поскольку при использовании недорогих генераторов в оборудовании абонента обновление приходится делать чаще. Исправленный PTP стандарт поддерживает до 128 транзакций в секунду, это намного превышает изначальную максимальную скорость в 1 транзакцию в секунду.
Аппаратные временные отсчеты на главных и подчиненных часах обеспечивают требуемую точность на субмикросекундном уровне, хотя их использование необязательно.
Для сужения занимаемой полосы частот длина пакета сокращена с 165 октетов (8 разрядов) до 44 за счет удаления информации об источнике тактирования и качестве сигнала. Эти данные передаются в отдельном сообщении Announce.
Первая редакция стандарта предусматривала только многоадресный обмен. В IEEE 1588-2008 добавлена поддержка индивидуальных сообщений, что позволяет использовать процессоры с меньшей мощностью и более дешевое клиентское оборудование. Кроме того, одноадресная рассылка позволяет устанавливать индивидуальные отношения между клиентом и сервером, например различные скорости обмена, внутриполосный статус и мониторинг производительности.
Сервис класса Carrier — это расхождение на несколько минут в год. В действительности на некоторых путях прохождения пакета происходят случайные сбои. В сетях L2/L3 предусмотрено изменение маршрута передачи данных, однако прерывания в потоках IEEE 1588 имеют более высокий приоритет. Клиентское оборудование, соответствующее требованиям 1588, может выбрать альтернативное главное устройство сети, если основное дает сбой.
Протокол предназначен для приложений различных типов и позволяет настраивать множество опций, в т.ч. выбирать одноадресный или многоадресный режим. Для обеспечения правильного взаимодействия устройств разработаны профили приложений. В них установлены все настройки опций клиента, а также правила взаимодействия между сервером и клиентом.
Для приложений промышленной автоматизации в стандарте IEEE 1588 определен только профиль по умолчанию. Для передачи данных используется профиль, соответствующий рекомендациям ITU-T G.8265. Правильный выбор профиля так же важен, как и соответствие стандарту в целом.

Влияние на производительность

Часто сложно сделать различие между управлением параметрами сети и управлением производительностью 1588. Статистики пакетов недостаточно для управления и предоставления отчетов в систему синхронизации.
Кроме поведения сети на производительность влияет стабильность генераторов. Если она высока, частота и фаза выходного сигнала не имеют отклонений. Разработчик должен найти компромисс между стоимостью генератора и желаемым качеством работы.

Оборудование 1588

Стандарт IEEE 1588 может стать таким же повсеместным, как и NTP (Network Time Protocol). Простота, масштабируемость и функциональная совместимость компонентов — это те факторы, от которых зависит распространенность того или иного стандарта.
Значительным преимуществом 1588 является частотно-временной подход. Частота и время задаются главными часами (сервером). Опорный сигнал для главных часов генерируется надежной системой, например GPS или T1/E1. Поскольку, в основном, в серверах используются GPS-приемники, то система 1588 может быть представлена как распределенная навигационная сеть. В главных часах должны применяться только высококачественные генераторы, чтобы точность работы при кратковременной потере опорного сигнала сохранялась.
Главные часы обслуживают несколько синхронных потоков, идущих к большому количеству клиентов, поэтому быстродействие сервера должно быть высоким. Так, если сеть, состоит из 300 абонентов, выполняющих 64 транзакций в секунду, сервер должен обрабатывать 39 000 сообщений в секунду. Передача временных отсчетов и сообщений Sync и Delay_Req также является задачей сервера.
Для сервера первостепенное значение имеет стабильность тактирования. Недопустимы даже единичные сбои. Качественные серверы снабжены резервными источниками питания, резервными тактовыми генераторами и схемой защиты от помех. Кроме того, в них должна быть предусмотрена возможность удаленной диагностики, управления и модернизации.
Сервер является ключевым узлом в схеме синхронизации, поэтому он должен работать точно, стабильно и надежно.
К клиентскому оборудованию также предъявляются повышенные требования — оно должно справляться с тем, что происходит в облаке (объем передаваемых данных, возможные сбои или изменение маршрута) и с тем, что происходит в сети, например изменение температуры или перебои с питанием. Главнейшим критерием для клиентского оборудования стандарта PTP-2 является качество генераторов, их стоимость и форм-фактор. Чем лучше генератор, тем лучше он справляется с помехами. Однако хорошие генераторы стоят дорого и не могут применяться в дешевых системах.
Достаточно, чтобы передатчик клиента поддерживал скорость обмена до 128 сообщений в секунду и использовал аппаратные временные отсчеты, в соответствии с которыми регулируется частота генератора. При правильном проектировании и учете всех нюансов приемлемое качество работы можно получить даже при использовании недорогих термостатированных кварцевых генераторов.
В качественном клиентском оборудовании PTP-2 используются самые эффективные алгоритмы синхронизации и индивидуальная передача. Во-первых, это позволяет уменьшить расхождение тактового сигнала при изменении маршрута и обеспечивает возможность регулирования скорости передачи. Если клиенты приписываются главным часам вручную, то оператору известны последствия потери синхронизации для каждого клиента. Еще одна удобная функция для слежения за качеством тактирования — это статус производительности, когда клиенты сообщают серверу их уровень производительности. Данная возможность обеспечивается только в том случае, если используются узлы одного и того же производителя.
Слежение за клиентами производится программно приложением. Разработчики 1588 предусмотрели управляющие сообщения для внутриполосного контроля с помощью сервера. Контрольные устройства сети имеют доступ к клиентам и могут следить за ними через сервер. Такие функции, как автоматическое обнаружение клиента или обновление прошивки позволяют масштабировать сеть.
При построении сети следует руководствоваться простыми правилами. Во-первых, главные (серверные) часы должны иметь высокое быстродействие и надежность, чтобы охватить требуемое количество клиентов. Во-вторых, клиентское оборудование должно поддерживать используемые протоколы, например, Ethernet, Ethernet over SDH (synchronous digital hierarchy), microwave и xDSL. Хотя встраиваемое оборудование в перспективе будет более распространено, использование автономных клиентов снижает риск раннего внедрения. Кроме того, автономная аппаратура применяется в большинстве устаревших устройств, которые принимают только тактовый сигнал T1/E1. Следующий шаг — это расположение серверов с учетом скорости передачи сообщений и PDV для каждого клиента. Из соображений экономии предпочтительнее устанавливать меньше серверов, работающих через большее количество коммутаторов и маршрутизаторов. С точки зрения устойчивости системы, наоборот, следует увеличивать количество серверов и минимизировать количество связей между сервером и абонентом. Компромисс между этими требованиями устанавливается приложением. Так, для передачи данных приоритет имеет устойчивость системы.
Мощность главного сервера можно определить, разделив максимальную скорость передачи на количество клиентов и количество транзакций в секунду. Если требования превышают мощность сервера, то следует добавить модули или еще один сервер, чтобы распределить нагрузку. Обслуживаемые клиенты — это те клиенты, которые синхронизует сервер. Если локальный тактовый генератор дает сбой, клиент выставляет запрос на обслуживание. На случай сбоя каждый клиент должен иметь доступ к резервному тактовому генератору.

Области применения

Протокол IEEE 1588 — это новый инструмент, который пока применяется только в сетях. В будущем в него будет включена поддержка всех сетевых приложений, служб и устройств. Для каждого приложения будет разработан отдельный профиль.
Наибольший интерес к стандарту проявляется со стороны сотовых систем обратной транспортировки. Эта отрасль является двигателем развития высокопроизводительных технологий, которые будут применимы для любых типов сетей.
Среди других областей применения IEEE 1588-2008 можно назвать автоматизацию производства, распределенные системы испытаний и измерений, военное оборудование. Это далеко не весь перечень, однако он уже демонстрирует широкую сферу применения IEEE 1588 вне сектора телекоммуникаций.
Наличие встроенного клиента IEEE 1588 — это естественный критерий различия между однотипными продуктами производителей сетевого оборудования.
Время выхода устройств на рынок имеет очень важное значение, поэтому производители, как правило, не разрабатывают собственные клиенты, а покупают готовые. Клиент — это самый важный и сложный элемент сети, поэтому его изготовление лучше предоставить специалистам.
Напоследок заметим, что расчет PDV зависит от технологии передачи (Ethernet, microwave или xDSL). Это необходимо учитывать при выборе клиента.

Заключение

Стандарт IEEE 1588-2008 описывает еще один способ передачи временного сигнала по глобальной или локальной сети. Он позволяет восстановить синхронизацию сети в пакетных сетях. В целом протокол уже готов, в настоящее время ведется работа по созданию профилей приложений и разработке эффективных алгоритмов автоматического обнаружения клиентских устройств. Приоритетным направлением станет определение параметров, по которым можно судить о способности сети поддерживать стандарт 1588, после чего будут разработаны средства измерения этих параметров и вся необходимая справочная документация.
Протокол IEEE 1588 — это новый способ для передачи сигнала точного времени и частоты по сети с пакетной передачей. Он предназначен для различных применений, в т.ч. в области связи. Существующие альтернативы 1588 удовлетворяют только части приложений, универсального решения нет. Стабильность сигнала превосходит 16·10–7%, а точность фазы составляет 3 мкс для сети Ethernet. Это наиболее эффективный протокол, особенно для режимов TDD (time-division-duplex) и MBMS (multimedia-broadcast/multicast-service) технологии LTE.
Сетевое оборудование, критичное к стабильности частоты и тактирования, отличается наличием встроенного модуля клиента IEEE 1588. Использование готовых клиентов позволяет быстро создавать высокопроизводительное оборудование и не выходить из графика.

Литература

1. Marais A. «IEEE 1588-2008 perspectives and opportunities»//EDN, октябрь 2010 г.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Борис Вербенин, технический консультант, «ИД Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты