Zakład Systemów Radiowych (Z-1)

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 wir- 4

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 trak- 11

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 eks- 13

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 Czujnik zegara w/1588 Element wykonawczy zegara w/1588 Element wykonawczy zegara w/1588 Przełącznik/ repeater Sterownik zegara w/1588 Synchronizacja zewnętrzna (np. GPS) Zegar brzegowy 1588 Router Przełącznik/ repeater Czujnik zegara w/1588 Czujnik zegara w/1588 Element wykonawczy 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