DE102010041674A1

DE102010041674A1 - Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern

Info

Publication number: DE102010041674A1
Application number: DE102010041674A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dittrich; Harald Karl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29
Also published as: WO2012041887A1; CN103141040B; US20130189922A1; US9125151B2; CN103141040A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis. Um eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen einfachere und robustere Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern anzugeben, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis, aufweisend zumindest eine Satellitenantenne und eine Empfangseinheit zum Empfang eines eine Uhrzeitinformation aufweisenden Satellitensignals, eine Elektronik zur Gewinnung einer Uhrzeit aus dem Satellitensignal sowie einem Uhrzeitserver mit einem Netzwerkanschluss zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer mittels eines Netzwerkprotokolls. Hierdurch verringert sich zum einen der Geräteaufwand auf nur noch eine Komponente, zum anderen kann die übliche koaxiale Infrastruktur zwischen Empfanal entfallen und durch eine robustere Infrastruktur ersetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis.
Eine derartige Vorrichtung zielt auf Anwendungen, in denen Satellitensysteme wie zum Beispiel das US-amerikanische GPS, das russische GLONASS, das chinesische COMPASS, das europäische GALILEO oder ähnliche Systeme benutzt werden, um mit der aus diesen Systemen verfügbaren Uhrzeitinformation die Anwendung bezüglich Uhrzeit oder Referenzzeit zu synchronisieren, wobei diese Synchronisation der Anlage gewöhnlich über eine Ethernet-Infrastruktur erfolgt.
Bisher sind solche Systeme zur Uhrzeitsynchronisation auf Satellitenbasis mindestens zweistufig gelöst: eine erste Stufe besteht aus einer Satellitenantenne und eventuell integrierten Hochfrequenzverstärker für das Satellitensignal. Diese Stufe ist typischerweise außen montiert. Dieses Signal wird dann über eine separate Verkabelung (typisch: koaxial) in die Anwendung nach innen geführt. Eine zweite Stufe befindet sich innen montiert (typisch: Schaltschrank). Hier wird über die Verkabelung das (unter Umständen verstärkte) Satellitensignal zugeführt. Diese Stufe enthält die Elektronik, um aus diesem Signal die benötigte Uhrzeit zu gewinnen. Sie enthält entweder direkt einen Netzwerkanschluss oder stellt die Uhrzeit einer weiteren Stufe mit Netzwerkanschluss zur Verfügung. Über den Netzwerkanschluss erfolgte die Synchronisation der Anwendung mittels Netzwerkprotokollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen einfachere und robustere Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis, aufweisend zumindest eine Satellitenantenne und eine Empfangseinheit zum Empfang eines eine Uhrzeitinformation aufweisenden Satellitensignals, eine Elektronik zur Gewinnung einer Uhrzeit aus dem Satellitensignal sowie einem Uhrzeitserver mit einem Netzwerkanschluss zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer mittels eines Netzwerkprotokolls.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden alle zur Uhrzeitsynchronisation notwendigen Stufen in einer Einheit integriert. Diese integrierte Einheit ist direkt anstelle der Stufe 1 im obigen Sinne außen montiert, die Netzwerk-Infrastruktur erstreckt sich bis an den Montageort. Somit sind alle notwendigen Stufen, das heißt sowohl die Elektronik, um aus einem Satellitensignal die Uhrzeitinformation zu gewinnen, als auch die Elektronik, um einen Netzwerkanschluss zu betreiben und darüber zu synchronisieren, direkt in dem Gerät, welches die Satellitenantenne enthält, mit integriert. Hierdurch verringert sich zum einen der Geräteaufwand auf nur noch eine Komponente, zum anderen kann die koaxiale Infrastruktur für das Satellitensignal entfallen und durch eine robustere Infrastruktur ersetzt werden.
In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist das Netzwerk als Ethernet ausgebildet. Ein solches Gerät ist dann zum Beispiel direkt am ohnehin vorhandenen Switch der Anlage betreibbar. Die Feldkonfektionierung für Ethernet-Infrastruktur ist durch deren Verbreitung hervorragend gelöst. Koaxiale Infrastruktur wird typischerweise vorkonfektioniert geliefert und ist damit sehr unflexibel, wenn auf individuelle Anforderungen reagiert werden muss.
Bei der koaxialen Infrastruktur bestehen wegen der Arbeitsfrequenz der Satellitensignale signifikante Beschränkungen bezüglich der zulässigen Dämpfung und damit bezüglich der erreichbaren Längen. Höhere Längen müssen entweder durch aufwändigere Kabel (= teurer) oder aber durch zusätzliche Geräte (Verstärker) erkauft werden. Internet-Infrastruktur ist erforderlich, da standardmäßig Längen (100 m für 100 Base-T) erreicht werden können, die in den Anwendungen ausreichen.
Die koaxiale Infrastruktur ist zudem sensibler bezüglich EMV. Solche Systeme haben entweder geringere Verfügbarkeit und/oder höheres Fehlerrisiko. In bezüglich uhrzeitsensiblen Anwendungen sind Systeme auf Ethernet-Basis gemäß der Erfindung den klassischen Koaxialsystemen überlegen.
Ethernet-Infrastruktur hat darüber hinaus gegenüber koaxialer Infrastruktur bessere Eigenschaften bezüglich galvanischer Trennung. Diese wird dort durch Übertrager geleistet. Koaxiale Infrastruktur hat dagegen keine implizite galvanische Trennung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist für eine Stromversorgung Power-over-Ethernet nutzbar. Dies erspart eine separate Stromversorgung, die natürlich denkbar, aber nicht sinnvoll ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Uhrzeitserver als NTP-Server ausgebildet. Somit arbeitet die integrierte Antenneneinheit – die erfindungsgemäße Vorrichtung – als NTP-Server (Network Time Protocol) und ist feldkonfektionierbar an die Ethernet-Infrastruktur anbindbar. Der offensichtliche Vorteil dieser Lösung besteht nun darin, dass kein zusätzlicher Uhrzeitserver oder Protokollumsetzer innerhalb der Anwendung benötigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Uhrzeitserver als hochgenauer Uhrzeitserver ausgebildet. Auf diese Weise wird sogar eine RT-Ethernet-Infrastruktur direkt durch die integrierte Einheit unterstützt. Eine derart ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung ist für Anwendungen notwendig, die eine Genauigkeit erfordern, die höher ist als die durch die Laufzeit klassischer Verkabelung entstehenden Verzögerungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Uhrzeitserver für eine Kommunikation mit einem hochgenauen Uhrzeitserver ausgelegt, der zwischen Uhrzeitserver und Netzwerkteilnehmer angeordnet ist, wobei mittels des Netzwerkprotokolls einer Laufzeitverzögerung zwischen Uhrzeitserver und hochgenauem Uhrzeitserver kompensierbar ist. Eine derart ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung kann direkt ein Ethernet-Protokoll anbieten, was solche Verzögerungen auf Netzwerk-Infrastrukturen bereits berücksichtigt (zum Beispiel PTP ”Precision Time Protocol”, PTCP ”Precision Time Control Protocol”, NTP). Das Gerät kann unabhängig von der sich in der Anwendung tatsächlich einstellenden Verkabelungslänge hochgenau benutzt werden und muss nicht durch zum Beispiel eine fehlerträchtige pauschale Schätzung kompensiert werden. In einem Szenario mit hochgenauem, dedizierten Uhrzeitserver und Protokollwandler in der Anlage kann die vorgestellte Ethernet-Infrastruktur zum integrierten Empfangssystem für RT-Laufzeitkompensation ohne weitere RT-Komponenten genutzt werden, da das Subnetz zu einer Point-to-Point-Topologie zusammenfällt. Typische Anwendungsszenarien benötigen eine derartige Struktur, da der hochgenaue Uhrzeitserver meist noch eine Wandlung auf proprietäre Formate (wie zum Beispiel Referenzimpulse) vornehmen muss.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine einfache erfindungsgemäße Vorrichtung zur Uhrzeitsynchronisation,
2 eine Ausführungsform mit hochgenauem Uhrzeitserver.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern 2 mit einer Satellitenantenne 3, einer Empfangseinheit 4 zum Empfang eines eine Uhrzeitinformation aufweisenden Satellitensignals, eine Elektronik 5 zur Gewinnung einer Uhrzeit aus dem Satellitensignal sowie einem Uhrzeitserver 6 mit einem Netzwerkanschluss 7 zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer 2 mittels eines Netzwerkprotokolls. Die Vorrichtung 1 ist außen (links von der gepunkteten Linie) montierbar und die Netzwerkteilnehmer 2 sind über das Netzwerk, das vorteilhafterweise als Ethernet ausgebildet ist, direkt mit dem Uhrzeitserver 6 verbindbar. Auf diese Weise kann die typischerweise koaxiale Verbindung zwischen Satellitenempfangssystem, das außen montiert ist, und herkömmlichen Uhrzeitserver, der innen montiert ist (typisch: Schaltschrank), entfallen.
Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel weist einen NTP-Server 6 auf. Die Vorrichtung 1 auf Basis der Erfindung kann direkt an einen Power-over-Ethernet-fähigen Switch der Anlageninfrastruktur angeschlossen und außen montiert werden. Die integrierte Antenneneinheit 1 übernimmt also auch die Aufgaben eines herkömmlichen NTP-Servers. Sie ist feldkonfektionierbar an die Ethernet-Infrastruktur anbindbar. Der offensichtliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht nun darin, dass kein zusätzlicher Uhrzeitserver oder Protokollumsetzer innerhalb der Anwendung benötigt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem hochgenauen Uhrzeitserver 8, der zwischen Uhrzeitserver 6 der Vorrichtung 1 und den Netzwerkteilnehmern 2 angeordnet ist, für eine Anwendung, die eine Genauigkeit erfordert, die höher ist als die durch die Laufzeit klassischer Verkabelung entstehenden Verzögerungen. Ein klassischer Aufbau müsste die Verkabelung ausmessen (kein Standard) oder abschätzen, um die Verzögerung zu kompensieren. Ein Gerät 1 auf Basis der Erfindung kann direkt ein Ethernet-Protokoll anbieten, was solche Verzögerungen auf Netzwerk-Infrastrukturen bereits berücksichtigt (zum Beispiel PTP, PTCP, NTP). Das Gerät 1 kann unabhängig von der sich in der Anwendung tatsächlich einstellenden Verkabelungslänge hochgenau benutzt werden und muss nicht durch zum Beispiel eine fehlerträchtige Pauschalschätzung kompensiert werden. Im dargestellten Szenario mit hochgenauem, dedizierten Uhrzeitserver 8 (und Protokollwandler) in der Anlage kann die vorgestellte Ethernet-Infrastruktur zum integrierten Empfangssystem für RT-Laufzeitkompensation ohne weitere RT-Komponenten genutzt werden, da das Subnetz zu einer Point-to-Point-Topologie zusammenfällt.
Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Lösung sogar so weit ausbaubar, dass die RT-Ethernet-Infrastruktur direkt durch die integrierte Einheit 1 unterstützt wird. Typische Anwendungsszenarien benötigen jedoch eine wie in dieser Figur dargestellte Struktur, da der hochgenaue Uhrzeitserver 8 meist noch eine Wandlung auf proprietäre Formate (wie zum Beispiel Referenzimpulse) vornehmen muss. Die erfindungsgemäße Lösung ist auch in Ausprägung anderer Kommunikations-Infrastrukturen wie zum Beispiel E1/T1 ausführbar. Wegen der günstigen Komponentenkosten ist jedoch die Ausprägung als Ethernet-Infrastruktur besonders vorteilhaft.
Grundsätzlich eröffnet ein System auf Basis der Erfindung die Möglichkeit, die durch die Verkabelung entstehenden Laufzeiten des Satellitensignals durch die bidirektionale Ausprägung der Ethernet-Infrastruktur hochgenau zu kompensieren. Ein solches System eignet sich hervorragend für Realtime-Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis. Um eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen einfachere und robustere Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern anzugeben, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern eines Netzwerkes auf Satellitenbasis, aufweisend zumindest eine Satellitenantenne und eine Empfangseinheit zum Empfang eines eine Uhrzeitinformation aufweisenden Satellitensignals, eine Elektronik zur Gewinnung einer Uhrzeit aus dem Satellitensignal sowie einem Uhrzeitserver mit einem Netzwerkanschluss zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer mittels eines Netzwerkprotokolls. Hierdurch verringert sich zum einen der Geräteaufwand auf nur noch eine Komponente, zum anderen kann die übliche koaxiale Infrastruktur zwischen Empfangseinheit und Uhrzeitserver für das Satellitensignal entfallen und durch eine robustere Infrastruktur ersetzt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkteilnehmern (2) eines Netzwerkes auf Satellitenbasis, aufweisend zumindest eine Satellitenantenne (3) und eine Empfangseinheit (4) zum Empfang eines eine Uhrzeitinformation aufweisenden Satellitensignals, eine Elektronik (5) zur Gewinnung einer Uhrzeit aus dem Satellitensignal sowie einem Uhrzeitserver (6) mit einem Netzwerkanschluss (7) zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer (2) mittels eines Netzwerkprotokolls.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Netzwerk als Ethernet ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei für eine Stromversorgung Power-over-Ethernet nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Uhrzeitserver (6) als NTP-Server ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Uhrzeitserver (6) als hochgenauer Uhrzeitserver ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Uhrzeitserver (6) für eine Kommunikation mit einem hochgenauen Uhrzeitserver (8) ausgelegt ist, der zwischen Uhrzeitserver (6) und Netzwerkteilnehmer (2) angeordnet ist, wobei mittels des Netzwerkprotokolls eine Laufzeitverzögerung zwischen Uhrzeitserver (6) und hochgenauem Uhrzeitserver (8) kompensierbar ist.