NTP / PTP IEEE1588 GNSS Time Servern
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Robuste
Synchronisation
&
Kritische
Infrastrukturen
Synchronisation bei
5G und Industry 4.0
MIT
NTP / PTP IEEE1588
GNSS Time Servern
Timing bei 5G
KEYWORDS Telecom &
ITU-I G8275.1 & 2 Industry 4.0
TSN SMART GRIDS IED PMU
Synchronisation
von 2G/3G vs 4G/Lte
Waldemar Sielski Time Domain Operation 5G
Tomasz Widomski
Backup Time Center
TaaS - Time as a Service
www.elpromatime.com
Time & Telecom 5G www.elpromatime.com
Synchronisation für Industry 4.0
Autoren
Waldemar Sielski Microsoft Poland CEO 1992-2000
Von 1985 bis 1989 arbeitete er als Computerberater im Büro der UNIDO (Organisation der
Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung) in Warschau. In der Zeit von 1991 bis 1992
war er im Warschauer Olivetti-Büro beschäftigt. Von 1992 bis 2000 General Manager von
Microsoft Polen. Er schuf die in Polen ansässige Struktur der Microsoft Corporation und war
federführend für die Unternehmenspolitik in den ersten acht Jahren ihres Bestehens auf
dem polnischen Markt. Im Januar 2000 erhielt er für seinen Beitrag zum Wachstum des
polnischen Marktes die Auszeichnung INFOSTAR '99 Mann des Jahres in der Software-
Geschäftsentwicklung. Stellvertretender Vorsitzender des Programmausschusses des 3.
Kongresses für polnische Informationstechnologie. Derzeit Investor in den Bereichen
Computer, Immobilien und Landwirtschaft. Er war auch als Experte im Projekt lnterkl@sa
tätig und war aktiver Teilnehmer der polnischen Plattform für mobile und drahtlose
Kommunikationstechnologie sowie des Vorstands der polnischen Kammer für
Informationstechnologie und Telekommunikation. Derzeitiges und ehemaliges Mitglied des
Aufsichtsrats mehrerer Unternehmen wie: Sport Medica S.A., MCI Management S.A.,
Logotec S.A., Inteliwise S.A., Ka-Na Sp. Z oo. z o.o. Absolvent der Fakultät für Mathematik,
Informatik und Mechanik der Universität Warschau und der postgradualen
Außenhandelsstudien an der Warschauer Schule für Planung und Statistik.
Elproma CEO 1992-2014 (profile PDF) Tomasz Widomski
Er hat einen Abschluss in Informatik (Technische Universität Warschau, Polen, 1990) und
einen Abschluss in Wirtschaftswissenschaften, eine Methode zur Unternehmensbewertung
an der Warsaw School of Economics 2013. Der CEO von ELPROMA (1992-2014) ist derzeit
Mitglied des Aufsichtsrats. Erfinder von Synchronisationslösungen mit über 30 Jahren
Erfahrung in der IT. Er überwacht die NTP / PTP IEEE1588-Timeserverlinie bei ELPROMA und
erzielte bei Forschung und Entwicklung einige große internationale Erfolge, darunter:
DEMETRA Horizon 2020-Projekt (2014-2016) / Mitentwicklung der gesicherten UTC-
Bodenzeitverbreitung für GALILEO / CERN White Rabbit (2009) -2014) - das hochgenaue
PTP-Protokoll der nächsten Generation. Er war aktiv bei Facebook / NVIDIA OCP-TAP, als
Berater der Polnischen Akademie für Wissenschaft, Pik-Time und Thales Alenia Space und
leistete einen Beitrag zur Netzwerksynchronisation für den 1. EU-GALILEO-Empfänger beim
Projekt GIANO, das von der GSA veranstaltet wird. Er ist seit 2003 Mitglied der Atomic Time
Scale Laboratories in Polen (TA) und Berater für professionelle Synchronisation an den
Finanzmärkten MiFID II, Stromverteilung IEC61850 und Telekom 5G. Ab 2019 arbeitet er mit
dem Elproma-Team an den ersten osteuropäischen ePRTC / cnPRTC-Hochuhren.Time & Telecom 5G www.elpromatime.com
Synchronisation für Industry 4.0
Waldemar Sielski
Tomasz Widomski
Timing bei Telecom 5G
und Industry 4.0
Durch Smartphones und Smartwatches müssen wir fast keine
Uhren mehr stellen. Wir haben uns an die automatische
Synchronisation von Uhrzeit und Datum über mobile Netze
gewöhnt und vertrauen der dargestellten Uhrzeit. Wie
überraschend deshalb, wenn nebeneinander liegende
Mobiltelefone, die bei verschiedenen Betreibern angemeldet
sind, auf ihren Displays eine unterschiedliche Zeit anzeigen!
Während kleine Diskrepanzen für uns Menschen nicht von großer Bedeutung
sind, stellen sie ein Problem für die automatisierte Industrie der Zukunft dar. Was
auch immer die Gründe für zeitliche Unterschiede zwischen den Netzbetreibern
sind - sie müssen verschwinden, bevor die Industrie 4.0 vollständig von 5G-
Lösungen abhängig wird. Die Sicherheit und Zufriedenheit der Benutzer der
neuen Technologien wird davon abhängen. In Industrie 4.0 schaffen die
Abhängigkeiten zwischen Hersteller, Lieferant und Empfänger ein "intelligentes"
Ökosystem, das auf der Vorhersage zukünftiger guter und schlechter Ereignisse
basiert und es ermöglicht, Optimierungs- oder Ersatzverfahren "rechtzeitig" zu
implementieren. In diesem Bereich treffen sich heute die Trendbegriffe Big Data,
Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz. Die Garantien für den korrekten
und stabilen Betrieb all dieser Automatisierung werden Zeit und Synchronisation
sein.
Die Synchronisation von 2G / 3G
im Vergleich zu Lte / 4G
Die Telekommunikation zu 2G und 3G Zeiten stellte abgesehen von der Sicherstellung der
Chronologie der LOG-Dateien und der Rolle von Uhrzeit und Datum in
Abrechnungssystemen keine großen Anforderungen an eine genaue Synchronisation. In
der „alten“ Telekommunikation war die Frequenz wichtig, da die Stabilität der Funk-
Übertragungskanäle aufrechterhalten werden musste - diese wiederum beeinflussten die
Effizienz (Bandbreite) und folglich die Servicequalität. Im Grunde lag das Interesse auf
einem Sekundenzeiger einer Uhr ohne Minuten- oder Stundenzeiger. Effekte, wie ein
Echo der eigenen Stimme während eines Anrufs oder Unterbrechungen von
Sprachverbindungen oder Datenübertragungen auf Reisen waren höchstwahrscheinlich
das Ergebnis einer unzureichenden Harmonisierung von verteilten Basisstationen (BTS)
und Telekommunikationsgeräten.
Die Situation verbesserte sich mit dem Auftreten von 4G / LTE. Die Telekommunikations-
Unternehmen haben das Timing erheblich verbessert. Satellitenempfänger wurden als
Zeitreferenz an den Knoten und Basisstationen installiert . Leider führen Probleme im
Zusammenhang mit den präzisen aber auch empfindlichen Zeitsignalen der Satelliten
immer häufiger zu Inkonsistenzen bei den Zeitangaben zwischen Netz-Betreibern. Es
kommt sogar vor, dass die Zeit innerhalb des Netzwerks eines Unternehmens differiert.
Wobei die Uhr am Telefon normalerweise die Zeit anzeigt, die vom nächsten BTS-
Zugangspunkt heruntergeladen wurde.Time & Telecom 5G www.elpromatime.com
Synchronisation für Industry 4.0
Pflege der Time Domain
Zu bedenken ist auch, dass die Satellitenzeit nicht grundsätzlich universell
ist und sowohl vom empfangenen GNSS-System (Global Navigation
Satellite System) als auch von der Ausstattung des Empfängers abhängt,
also dem Hersteller, Modell und manchmal der Firmware-Version. Die
Unterschiede sind nicht groß, aber die 30-40-Nanosekunden-Diskrepanz
beispielsweise zwischen dem amerikanischen GPS und dem russischen
GLONASS ist eine signifikante Komplikation für die 5G-Telefonie und
folglich für Industrie 4.0.
Richtig ist, dass GSM-Betreiber auch ihre eigenen Atomuhren haben. Das könnte
bedeuten, dass sich das Problem der Zeitkonformität automatisch von selbst lösen sollte.
Dies ist aber leider nicht der Fall, da die Zeitangabe nicht immer die Stelle erreicht, an
der sich das Telefon des Benutzers anmeldet. Selbst wenn die Werte der netzeigenen
Atomuhr die gesamte Infrastruktur erreichen würden, würde das Problem bestehen
bleiben, wenn auch in geringerem Maße. Atomuhren sind stabil, gehen hochgerechnet
alle paar hundert Jahre um eine Sekunde vor oder nach, aber sie sind nur der Taktgeber
für die Sekunde. Das Einrichten der verbleibenden "Zeiger" und des Kalenders erfordert
weiterhin das GNSS.
Ohne eine sehr genaue Zeitsynchronisation über einen weiten Bereich wird es unmöglich, die
Funkbänder oder die Übertragungskanäle fein aufeinander abzustimmen. Zusätzliche Absicherung
würde auf Kosten der Bandbreite gehen, die für viel Geld gekauft wird. Die Leistung würde
abnehmen und die Instabilität würde die Übertragungsgeschwindigkeit und die Anzahl der
gleichzeitig bedienten Teilnehmer verringern, einschließlich drahtloser M2M-Telemetriegeräte. Die
5G-Telekommunikation erfordert eine sehr genaue Synchronisation auf der Ebene von
Millionstelsekunden (1 µs). PTP IEEE1588-Timeserver, wie beispielsweise die der polnischen Firma
Elproma (www.elpromatime.com) erreichen eine Genauigkeit von Nanosekunden.
Eine möglichst nationale oder zumindest europäische Lösung wäre wichtig für die Cybersicherheit
der Telekommunikationsunternehmen. Die Signale der Navigationssatelliten können manipuliert
und destabilisiert werden. Schon die Verwendung privater GSM-Repeater kann für das Netz selbst
gefährlich sein und bedarf deshalb der Erlaubnis des Mobilfunkanbieters. Ein anderes Thema ist die
professionelle Störung bestimmter GNSS-Signale. Bei einer auf GNSS basierenden Infrastruktur sind
Angriffe und Spoofing des Satellitensignals möglich.
Nicht im öffentlichen Bewusstsein angekommen sind auch seltene, aber gefährliche Ausfälle ganzer
Satellitensysteme, die nicht nur 5G destabilisieren, sondern auch die Funktionsweise der Branche
direkt beeinträchtigen können. Am gefährlichsten sind interne Störungen wie die vom 26.01.2016,
bekannt als Satellitenproblem Nr. 23 - SVN23 (https://www.itnews.com.au/news/satellite-failure-
caused-global-gps-timing-anomaly-414237), der viele Stunden lang einen 13,5-Mikrosekunden-
Fehler im gesamten GPS verursachte. Solche großen falschen Messwerte können zu einem
Synchronisationsverlust führen, der die Betriebsstabilität kritischer Strukturen von der
Telekommunikation über den Energiesektor bis hin zum Börsen- und Finanzsektor beeinträchtigt.
Bei einer Erörterung der Bedrohungslage sollte berücksichtigt werden, dass mit Ausnahme des
europäischen GALILEO alle anderen Systeme, also das amerikanische GPS, das russische GLONASS,
das chinesische BEIDOU und das indische IRNSS, militärische Infrastrukturen sind, die in
Krisensituationen den kommerziellen Betrieb einstellen könnten .
Ein großer Vorteil für die europäische GALILEO Lösung.Time & Telecom 5G www.elpromatime.com
Synchronisation für Industry 4.0
Backup Time Center
TaaS – Time as a Service
Aus diesem Grund werden in vielen Ländern seit mehreren Jahren
immer häufiger dedizierte Backup-Zeitzentren eingerichtet. Sie
stellen alternative Zeitquellen zur Satellitenzeit dar. Über
Lichtwellenleiter verbunden können die Abnehmer, beispielsweise
5G-Betreiber - und durch sie die Nutznießer von Industrie 4.0 -
Energie-Smart-Grids oder Finanzinstitute die Standard Atomzeit
als TaaS (Time as a Service) Service erhalten. Es ersetzt oder
unterstützt eine Infrastruktur, die derzeit noch zu stark von einer
Synchronisation durch GNSS abhängig ist. Solche kostenpflichtigen
Dienste werden bereits in den USA und in England (z. B. London
NPL) eingeführt. Auch in anderen EU-Ländern laufen
Umsetzungsarbeiten.
Die Synchronisation im TaaS-Dienst erfolgt heute mit dem Precision Time Protocol PTP
IEEE1588. Zuvor wurde NTP (Network Time Protocol) verwendet und ist heute noch auf jedem
Computer vorhanden. Die große Leistung von NTP bestand darin, dass es Unix-, BSD-,
Netware-, Linux-, OSX / OS11- und Microsoft Windows-Standards kombinierte. Das PTP-
Protokoll bietet eine höhere Synchronisationsgenauigkeit auf lokaler Ebene innerhalb von
Infrastrukturen und Rechenzentren, die CLOUD / EDGE- und FOG-Computing unterstützen,
einschließlich Microsoft Azure. Sowohl NTP- als auch PTP-Lösungen sind in der Betriebstheorie
ähnlich, die jeweiligen Vor- und Nachteile sind diskutabel. Die Einschränkung von PTP ist die
Verwendung nur in lokalen LAN / WAN-Netzwerken und nicht im Internet. Der Vorteil ist eine
viel bessere Synchronisationsgenauigkeit, die nicht so sehr auf das Protokoll selbst
zurückzuführen ist, sondern auf seinen Bezug zur Netzwerkkarte. Durch diese Integration ist es
möglich, die internen Verzögerungen zu berechnen. Die Weitergabe der Zeit findet auf einem
niedrigen Protokoll-Layer statt und wird im technischen Slang als Hardware-Zeitstempel
bezeichnet. Dank diesem erreicht die Präzision das Niveau von Nanosekunden (Milliardstel
Sekunden). Derzeit kommen News aus dem Hause Siemens, das alte NTP durch
Neuentwicklungen des Standards um den Faktor 10 in der Genauigkeit zu verbessern.
Der Rekord für hochgenaue Zeit gebührt jedoch der White Rabbit-Technologie des CERN, die
im Pikosekundenbereich (Billionstelsekunde) arbeitet. Dies nicht nur ein Erfolg der Schweizer
Uhrmacher (CERN ist in der Schweiz), sondern auch ein bedeutender polnischer und
spanischer Beitrag zur Weltsynchronisationstechnologie. Das weiße Kaninchen (WR) ist eine
der Figuren von Alice im Wunderland. Alice hat Probleme mit der Pünktlichkeit und trifft auf
das weiße Kaninchen, das sie ins Wunderland bringt. Das Protokoll wurde in der Anfangsphase
unter anderem von Absolventen der Technischen Universität Warschau, Tomasz Włostowski
(CERN), Grzegorz Daniluk (Elproma, jetzt CERN) und Maciej Lipiński (CERN) unter Beteiligung
der polnischen Unternehmen Creotech ( www.creotech.pl) und Elproma
(www.elpromatime.com) entwickelt. Auch das spanische Unternehmen Seven Solutions hat
einen großen Beitrag geleistet. Elproma und Tomasz Widomski (ELPROMA) haben sich
zunächst der schwierigen Herausforderung gestellt, das Protokoll 2012 bei PTTI / ION
einzuführen: https://elpromatime.com/wp-content/uploads/2018/10/PTTI-2011-White-
Rabbit.pdf
Die White Rabbit Technologie, die zunächst einen sofortigen Erfolg versprach, blieb im
Standardisierungsprozess leider zurück. Erst im Mai 2020 wurde das Protokoll standardisiert
und in den Standard PTP IEEE1588: 2019 aufgenommen und während des DEMETRA
Horizon2020-Projekts verwendet. Möglicherweise ist dies die Richtung, die für eine robuste
Synchronisation von 5G Anwendungen berücksichtigt werden muss.
Waldemar Sielski
Tomasz WidomskiSie können auch lesen
