5Gネットワーク、モノのインターネット、その他のアプリケーションでは、正確なタイミングに対する要件がますます高まっています。より高速で安定したサービスを提供するために、IEEE 1588 (Precision Timing ProtocolまたはPTPとも呼ばれる) がコンプライアンスの最も重要な標準となっています。この記事では、IEEE 1588の仕様とアプリケーション、およびSilicon Labsが導入したIEEE 1588ソリューションについて説明します。
新たなアプリケーションではタイミングに対する要件がますます厳しくなっている
正確なタイミングは、モバイル通信、ネットワーキング、スマートグリッド、モノのインターネット (IoT)、産業オートメーション、金融技術 (Fintech) などの幅広いアプリケーションや商用インフラストラクチャでますます使用されるようになっています。このようなアプリケーションに正確な時間と周波数を提供するために必要な重要なインフラストラクチャは、ますます拡大しています。この要件は拡大しており、世界中の通信ネットワークや商用インフラストラクチャにますます浸透しつつあります。
さらに、測定および自動化システムでは、特に複数のデバイスが測定に関係する場合、イベントの同期とデータの相関関係が必要になります。このようなデバイスは、共通のソースからのタイミング信号に直接アクセスできます。または、共通のタイム ベースを共有するために、デバイスが個々のクロックをやり取りして同期する方法が必要です。
異なるデバイス間の時間同期
互いに近接し、共通のタイミング信号を共有するデバイスは、時間同期を実現する最も簡単な方法です。たとえば、サーバーまたはアダプタ カードはバックプレーンからの共通のクロック信号を共有できるため、イベントを高精度に同期できます。このような共通のタイミング信号を正確に使用するには、伝播遅延などの問題を補正するための調整が必要になりますが、これらは静的に決定できるため、このような方法の設計は比較的簡単です。
ある意味では、GNSSベースのタイミング (全地球航法衛星システム) は、共通のソース (GNSS信号) からクロック時間を取得する同様の方法です。ただし、デバイス間の距離が離れたり、デバイスが屋内（GNSS信号が届かない場所）に設置されていたり、デバイスが移動して頻繁に場所を変えたりする場合は、共通のタイミング信号を持つことは不可能になります。
このような状況では、専用ネットワークまたは既存のネットワークを使用してクロック同期を分散する必要があります。分散クロック同期の例としては、NTPタイム サーバーに同期されたPCの内部クロックや、PTPグランド マスターからのIEEE 1588 (PTP) プロトコルを使用して同様に同期されたデバイス グループなどがあります。これら両方のプロトコルでは、デバイスは定期的に情報を交換し、ローカルのタイミング ソースを互いに一致するように調整します。
これら両方の時間同期方法では、継続的なクロック調整プロセスが必要です。2つのクロックが完全に調整され、その周波数ソースがまったく同じ速度で動作する場合、それらは無期限に同期されたままになります。しかし、実際には、クロックは限られた精度で設定され、周波数ソースはわずかに異なる速度で動作し、周波数ソースの速度は時間、温度、およびその他の物理的要因によって変化します。現代の電子時計のほとんどは、周波数源として何らかの形の水晶発振器を使用しています。すべての発振器に固有の不安定性により、クロックは周波数と位相が互いに一致するように継続的に同期される必要があります。
IEEE 1588はプロファイルを通じてさまざまなアプリケーション要件を満たします
IEEE 1588は、イーサネットなどのネットワークを介して接続されたクロックを同期するための標準プロトコルを概説しています。2002年に標準としてリリースされたIEEE 1588は、ネットワーク帯域幅のオーバーヘッド、処理能力、管理設定をほとんど必要とせずに、異種ネットワーク クロック間でフォールト トレラントな同期を実現するように設計されています。IEEE 1588は、高精度時間プロトコル (PTP) と呼ばれるプロトコルを定義することでこれを実現します。この規格は大幅な改良を経て、基本的なIEEE 1588を複数の「プロファイル」に進化させる特別な機能を追加することで、さまざまなアプリケーションに対応するために使用されてきました。
PTPプロトコルは、ネットワーク内で最高品質のクロックを使用するために、さまざまな機能を持つすべての参加クロックを同期するフォールト トレラントな方法を提供します。IEEE 1588はクロック特性の標準セットを定義します。ベスト マスター クロック アルゴリズム (BMC) と呼ばれる分散アルゴリズムを実行することにより、ネットワーク内の各クロックは最高品質のクロックを識別し、自己調整ネットワークは最適なクロック ソースを使用して最適なモードで実行できます。このようにして、IEEE 1588は、常に最適に同期された状態を維持する、シンプルな自己調整クロック ネットワークを作成します。
IEEE 1588のこの精密な同期機能は、モバイルおよび通信インフラストラクチャ、データ センター、スマート電力および電力インフラストラクチャ、サイバー フィジカル システム/産業用IoT、テストおよび測定、工場自動化、ロボット制御、金融ネットワークなどの分野で幅広く使用できます。
ドリフトを低減するために高安定性タイミングソースが使用される
IEEE 1588を使用して達成可能な同期レベルの精度には、多くの要因が影響します。同期パケット間の時間中、システム内の個々のクロックは、ローカル タイミング ソースの周波数の変化により、互いにずれていきます。明らかに、このドリフトは、より安定したタイミング ソースを使用し、同期パケット間の間隔を短くすることで軽減できます。
安定性の順に並べると、温度制御水晶発振器 (TCXO)、オーブン制御水晶発振器 (OCXO)、または原子時計は、市販の標準水晶発振器よりも高い安定性を提供します。これに加えて、クロックの解像度と、PTP同期メッセージで送信されるタイムスタンプの適切な実装も重要な要素です。より高解像度のクロックを備えたデバイスは、より正確にメッセージをタイムスタンプできます。問題の大きな原因は、変動するトラフィックによってもたらされるパケット遅延の変動によって発生するネットワーク遅延の変動と、ハブやスイッチなどの中間ネットワーク デバイスがすべて組み合わさって達成可能な同期レベルが低下することです。
IEEE 1588の完全なソリューションがシステム統合を加速
シリコンラボは、IEEE 1588の実装を簡素化するために設計された新しい完全なソリューションを発表しました。シリコンラボのClockBuilder Pro TM 業界をリードする非常に汎用性の高いソフトウェア ツールであるこのソフトウェアを使用すると、PTPプロファイルの選択、PTPネットワーク構成、物理層クロック/ポート構成を単一の統合ソフトウェア ユーティリティに組み合わせることで、設計者はIEEE 1588システム統合の開発を加速できます。
IEEE 1588パケットベースの時間同期の採用は、通信ネットワークを超えて、システム設計者がタイミングと同期に関する経験が限られている可能性のあるさまざまな新興アプリケーションに広がっています。エンジニアが直面している重要な設計上の課題の1つは、IEEE 1588システム レベルのパフォーマンス、ボード レベルのハードウェア/ソフトウェア設計の機能、およびトラフィック負荷の変化によって発生するパケット遅延の変動などのネットワーク障害を最適化することです。
Silicon LabsのClockBuilder Proは、PTPプロファイルの選択、クロック/ポート プログラミング、およびSilicon LabsのAccuTimeTM IEEE 1588ソフトウェアのシンプルな制御を組み合わせて、さまざまなネットワーク条件とトポロジーに応じた動作を構成する、堅牢で信頼性の高いソリューションを提供します。Silicon LabsのIEEE 1588モジュールは、電気通信 (G.8265.1、G.8275.1、およびG.8275.2)、電力 (IEEE C37.238-2011および2017)、放送ビデオ (SMPTE 2059.2)、およびデフォルト プロファイルの標準に準拠しており、ITU-T G.8261、G.8273.2 (T-BC、T-TSC)、G.8273.4 (T-BC-PおよびT-TSC-P)、G.8262、G.812、G.813、およびTelcordia GR-1244-CORE/GR-253-COREに概説されている厳格なタイミングおよび同期要件を満たしています。
結論
IEEE 1588により、正確なタイミング同期を実現できます。Silicon Labsが提供するIEEE 1588ソリューションは、業界がIEEE 1588の実装を加速するのに役立ちます。ClockBuilder ProソフトウェアとIEEE 1588モジュールのサポートにより、顧客は市場投入までの時間を短縮し、統合レベルの低いソリューションによってもたらされるシステム設計の課題を克服することができ、関連アプリケーションのクロック同期機能にとって最適な選択肢となります。