Chuẩn đồng bộ thời gian IEEE 1588

29/06/2021
adobestock-234658970

Chuẩn đồng bộ thời gian IEEE 1588 (hay còn gọi là giao thức đồng bộ thời gian PTP – Precision Time Protocol) ra đời từ năm 2002, được dùng để đồng bộ thời gian cho mạng máy tính với độ chính xác đến cấp micro-giây, đáp ứng cho nhu cầu của các hệ thống đo lường và điều khiển trong công nghiệp, năng lượng…

IEEE 1588-2002 được thiết kế để lấp đầy khoảng trống giữa 2 phương pháp đồng bộ thời gian NTP (cấp mili-giây) và GPS (cấp micro-giây) nó được thiết kế để đồng bộ thời gian cho các trạm ở xa với độ chính xác mà NTP không đáp ứng được, với chi phí thấp hơn phương pháp thu tín hiệu GPS hoặc tại những nơi không thu được tín hiệu GPS.

Đến năm 2008, chuẩn IEEE 1588-2008 (hay còn gọi là PTPv2 hoặc IEEE 1588v2) ra đời, với độ chính xác được cải thiện mạnh mẽ, đạt đến cấp nano-giây, phục vụ cho nhu cầu đồng bộ thời gian của các mạng viễn thông với khuyến nghị ITU-T G.8265.1 (Telecom Profile) và hiện vẫn đang được phát triển tiếp với mục tiêu đạt đến cấp chính xác pico-giây.

Đối với lĩnh vực năng lượng, IEEE-1588v2 cũng được ứng dụng cho nhu cầu đồng bộ thời gian cho các hệ thống đo lường, lưới điện thông minh qua khuyến nghị IEEE C37.238-2011 (Power Profile) Chi tiết về ứng dụng của IEEE 1588v2 cho lưới điện sẽ được đề cập trong một bài viết riêng tiếp sau đây.

Kiến trúc:

IEEE 1588 sử dụng kiến trúc Master-Slave đa cấp để phân phối tín hiệu đồng bộ thời gian. Theo kiến trúc này, một hệ thống phân phối tín hiệu đồng bộ bao gồm một hoặc nhiều phương tiện truyền thông (các phân đoạn mạng) với một hoặc nhiều đồng hồ

IEEE 1588_1
Hình 1: Kiến trúc master-slave đa cấp của IEEE 1588
IEEE 1588_2
Hình 2: IEEE 1588v2 với transparent clock

Một đồng hồ thông thường là một thiết bị với một kết nối mạng và có thể là điểm phát (master) hoặc điểm nhận (slave) tín hiệu đồng bộ. Một đồng hồ ranh giới (boundary clock) có nhiều kết nối được dùng để kết nối và chuyển tiếp các tín hiệu đồng bộ thời gian đến/đi các phân đoạn mạng khác. Nó cũng được chọn để cấp tín hiệu đồng bộ hóa cho mỗi phân đoạn mạng trong hệ thống. Trong cả mạng sẽ có một hoặc nhiều thiết bị được sử dụng làm thiết bị phân phối thời gian gốc (grandmaster) để cung cấp thời gian cho các đồng hồ ranh giới (boundary clock).

Với tiêu chuẩn IEEE 1588v2, một đồng hồ kết hợp với thiết bị mạng được sử dụng để để chuyển tiếp tín hiệu đồng bộ thời gian một cách trong suốt (transparent clock – TC) khi chúng đi qua các thiết bị đó thông qua việc điều chỉnh lại tín hiệu thời gian đi qua các thiết bị mạng. Kiến trúc này giúp cải thiện độ chính xác bằng cách “đền bù” khi chuyển giao tín hiệu đồng bộ qua mạng.

Thuật toán BMC (best master clock):

Đồng hồ chủ tốt nhất cho mỗi phân đoạn mạng được thuật toán BMC lựa chọn trong các đồng hồ ứng cử viên tốt nhất dựa trên các thuộc tính đồng hồ sau:

+ Định danh: Một số định danh duy nhất trong toàn hệ thống mạng cho mỗi đồng hồ thường được xây dựng dựa trên địa chỉ MAC của thiết bị.

+ Chất lượng: Cả hai phiên bản của IEEE 1588 đều nỗ lực để định lượng chất lượng đồng hồ dựa trên dự kiến ​​về độ lệch thời gian, công nghệ được sử dụng của đồng hồ hoặc vị trí trong một sơ đồ đa tầng. PTPv1 chỉ có sử dụng tầng trường dữ liệu còn PTPv2 xác định chất lượng tổng thể đồng hồ bằng cách sử dụng các trường clockAccuracy và clockClass.

+ Uu tiên: Là các gợi ý được sử dụng bởi thuật toán BMC để lựa chọn một grandmaster cho cả domain PTP. IEEE 1588-2002 sử dụng một biến boolean duy nhất để chỉ ra thiết bị được ưu tiên. IEEE 1588v2 có hai biến ưu tiên 8-bit.

Hoạt động:

Thông qua việc sử dụng các thuật toán BMC, PTP chọn một nguồn thời gian chủ cho một miền PTP và cho mỗi phân đoạn mạng trong miền.

Đồng hồ sẽ xác định khoảng bù đắp giữa nó và đồng hồ chủ (master). Đối với một thiết bị slave nhất định, bù đắp o(t) tại thời điểm t được xác định bởi: o(t) = s(t) – m(t) với s(t) đại diện cho thời gian được đo bằng đồng hồ slave, và m(t) đại diện cho thời gian được đo bằng đồng hồ master vào thời điểm t.

Đồng hồ master sẽ phát tín hiệu thời gian tới các đồng hồ khác theo chu kỳ, với chuẩn IEEE 1588-2002 là một lần mỗi giây còn theo IEEE 1588v2, chu kỳ được nâng lên đến 10 lần mỗi giây.

IEEE 1588_3
Hình 3: Phương thức điều chỉnh thời gian trong giao tiếp master/slave

Mỗi chu kỳ phát tín hiệu bắt đầu từ thời gian T1 với một thông điệp Sync do đồng hồ master gửi cho tất cả các đồng hồ trong miền, đó là một thông điệp multicast với nhãn thời gian T1. Một đồng hồ slave nhận được thông báo này có lưu ý về thời gian T1’ tại vị trí của nó khi thông điệp này được nhận

Để việc đồng bộ hóa được thực hiện một cách chính xác, đồng hồ slave phải xác định được độ trễ của tín hiệu khi chuyển các thông điệp Sync. Độ trễ được xác định gián tiếp bằng cách đo thời gian đi từ mỗi đồng hồ slave đến đồng hồ master của nó và ngược lại. Các đồng hồ bắt đầu một cuộc trao đổi với master của mình để đo thời gian trễ đó. Trao đổi bắt đầu với một đồng hồ slave bằng cách gửi thông điệp lúc T2. Đồng hồ master nhận được thông điệp có nhãn thời gian T2 rồi đáp ứng với một thông điệp trả lời được gán nhãn thời gian T2′.

Với d là thời gian cố định cho việc chuyển thông điệp, ta sẽ có: T1’ – T1 = {o} + d ; T2’ – T2 = -{o} + d

Thông qua đó, chúng ta sẽ tính được rằng: {o} = ( T1′ -T1 – T2 ‘+ T2 ) / 2 và đồng hồ slave bây giờ đã biết được {o} trong các phiên giao dịch này để có thể tự điều chỉnh thời gian mà mình nhận được từ đồng hồ master

Một giả định là các trao đổi này thông điệp sẽ xảy ra trong một khoảng thời gian quá nhỏ mà giá trị bù đắp này có thể được coi là hằng số trong giai đoạn đó. Giả định khác là thời gian chuyển một thông điệp đi từ master đến slave bằng với thời gian đi từ slave đến master. Cuối cùng, cũng phải giả định rằng cả master và slave có thể đo chính xác thời gian chúng gửi hoặc nhận tin nhắn.

Mức độ mà những giả định giữ này đúng đến mức nào quyết định tính chính xác của đồng hồ tại các thiết bị slave. Đây chính là lý do dù NTP cũng có cùng phương pháp điều chỉnh thời gian nhưng lại có độ chính xác kém hơn nhiều do thông điệp thời gian đi từ master đến các slave phải đi qua một loạt các thiết bị trung gian như Switch, Router, Converter,…

(SNTP là phiên bản rút gọn, đơn giản hóa của NTP với việc bỏ qua thao tác điều chỉnh thời gian, tín hiệu đồng bộ trong mỗi chu kỳ được gửi một lần duy nhất từ master đến slave)

Ứng dụng của IEEE 1588 v2 trong mạng viễn thông di động:

IEEE 1588_4
Hình 4: Ước tính chi phí mở rộng mỗi kết nối của TDM và IP theo từng năm

Phát triển về công nghệ đã mở ra nhiều dịch vụ và ứng dụng mới cho thông tin di động. Các dịch vụ và ứng dụng mới này đòi hỏi ngày càng nhiều hơn tài nguyên băng thông. Mạng Mobile backhaul với truyền dẫn TDM truyền thống không còn khả năng đáp ứng và đỏi hỏi chi phí cao khi mở rộng. Đồng thời, xu thế phát triển của IP đang tạo đà cho xây dựng và phát triển các mạng truyền dẫn với băng thông lớn và cực lớn cho phép truyền dẫn từ vài Gbps đến hàng trăm Gbps. Việc dịch chuyển Mobile backhaul dựa vào mạng truyền dẫn TDM truyền thống sang các mạng truyền dẫn băng thông lớn phù hợp hơn với IP là xu thế tất yếu.

Trong hệ thống viễn thông, đồng bộ là yếu tố cực kỳ quan trọng quyết định độ chính xác của thông tin, dữ liệu được chuyển tải, tránh cho các luồng dữ liệu thời gian thực không bị trôi, trượt… Trong hệ thống di động, việc BTS nhận đồng bộ từ BSC là bắt buộc. Với hạ tầng mạng TDM kết nối qua các kênh E1/T1 thì đồng bộ là chuyện đơn giản bởi luồng E1/T1 luôn dành riêng time slot để chuyển tải dữ liệu đồng bộ.

Khi chuyển qua All-IP, NodeB không còn giao diện E1/T1 nữa mà là IP. Như vậy, việc triển khai mạng Mobile backhaul trên nền All-IP đồng nghĩa với việc mất nguồn đồng hồ TDM. Các giải pháp triển khai đồng bộ thời gian trên mạng IP thường được sử dụng là:

IEEE 1588_5
Hình 5: Mạng Mobile backhaul trên nền All-IP

+ Synchronous Ethernet (Sync-E): Sử dụng tín hiệu đồng bộ ngoài Sync-E hoạt động trên lớp vật lý, có độ chính xác ±100ppm (tương tự qua SDH). Ưu điểm của giải pháp này là tín hiệu đồng bộ ghép đồng thời cùng lưu lượng, tín hiệu đồng bộ của Cell có thể bám tín hiệu đồng bộ của mạng lõi. Tuy nhiên, việc truyền tín hiệu đồng bộ từ thiết bị đầu cuối đến đầu cuối đều yêu cầu Sync-E mà hiện tại các NodeB đều không có giao diện Sync-E. Ngoài ra, giải pháp này phụ thuộc phần lớn vào chất lượng truyền tải Sync-E. Do vậy, giải pháp này chỉ được sử dụng cho các tuyến có Sync-E được đảm bảo trong toàn tuyến.

IEEE 1588_6
Hình 6: Đồng bộ cho Mobile backhaul bằng Sync-E

+ Giải pháp sử dụng tín hiệu GPS: Sử dụng giải pháp này sẽ hỗ trợ chuyển đổi nhanh sang mạng All-IP, đồng thời có khả năng cung cấp đồng thời tín hiệu tần số và thời gian với độ chính xác cao. Thêm vào đó, các NodeB độc lập với mạng lõi. Tuy nhiên, chi phí thực hiện giải pháp này khá cao, công tác quản lý vận hành tưng phần tử là không tập trung, phụ thuộc phần lớn vào hệ thống GPS của Mỹ. Do vậy, giải pháp này không được áp dụng rộng rãi.

IEEE 1588_7
Hình 7: Đồng bộ cho Mobile backhaul bằng GPS

+ Giải pháp đồng độ theo IEEE 1588v2: Đây là giải pháp được cho là có nhiều ưu điểm nhất, bao gồm: là giải pháp tiêu chuẩn trong kết nối nội bộ mạng. Tín hiệu đồng bộ thời gian cũng được truyền cùng lưu lượng. Nhiều hãng cung cấp thiết bị NodeB đã tích hợp PTP Client vào trong thiết bị. Tín hiệu đồng bộ có thể phục hồi để hỗ trợ mạng có nhiều kết nối và rộng. Chất lượng của tín hiệu đồng bộ được quản lý với độ chính xác rất cao, đạt đến cấp nano-giây:

IEEE 1588_8
Hình 8: Đồng bộ cho Mobile backhaul bằng IEEE 1588v2

Với các ưu điểm trên, IEEE 1588v2 đã được ứng dụng rỗng rãi cho nhu cầu đồng bộ thời gian cho các mạng Mobile backhaul. Cuối năm 2009, tức chỉ một năm sau khi ra đời, đã có 25 nhà mạng ứng dụng IEEE 1588v2, con số này đến cuối năm 2011 là khoảng 100 nhà mạng và tính đến cuối năm 2013, đã có tới 58% nhà mạng trên thế giới sử dụng IEEE 1588v2.

Tại Việt Nam, các nhà mạng hiện cũng đã ứng dụng rộng rãi IEEE 1588v2 cho hệ thống của mình. Ngay trong năm 2009, IEEE 1588v2 đã được VinaPhone ứng dụng, và sau đó VNPT đã đưa khuyến nghị ITU-T G.8265.1 trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với toàn bộ hệ thống của VNPT thông qua quyết định số 2207/QĐ-QLKTNV ngày 11/12/2012.

Mời các bạn theo dõi thêm các bài viết cùng chủ đề:

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact