Gütegarantien für Zeitsynchronisationsgenauigkeit in IEEE 1588-Netzwerken durch standardisierte Gerätequalifizierung

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1 Gütegarantien für Zeitsynchronisationsgenauigkeit in IEEE 1588-Netzwerken durch standardisierte Gerätequalifizierung Sebastian Schriegel, Holger Flatt und Jürgen Jasperneite Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation IOSB-INA Lemgo Die Güte der mit dem Standard IEEE 1588 erreichbaren Zeitsynchronisationsgenauigkeit ist stark von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Geräte und den Umgebungsbedingungen wie Temperaturstabilität abhängig. Beides macht es dem Anwender schwer, Synchronisationsgütegarantien für ein Netzwerk zu geben, da die Geräteleistungsfähigkeit häufig unbekannt ist und keinem Standard oder einer Leistungszertifizierung unterliegt. Zusätzlich sind Einflussfaktoren wie Temperaturschwankungen, welche über die Quarzoszillatoren in das verteilte Zeitsystem einkoppeln schwer quantifizierbar sind. Um eine solche Bewertbarkeit herzustellen, wurde ein Verfahren für die Standardisierung von Tests und Testmetriken in Kombination mit einer Leistungsklassifizierung konzipiert. Drei Leistungsklassen bilden dabei steigende Anforderungslevel für Gerätespezifika wie Zeitstempelauflösung und Netzlastrobustheit ab. Die höchste, vierte Leistungsklasse sieht zusätzlich ein Standardreaktionsverhalten vor, also eine einheitliche Implementierung der Geräte sowie eine auf kognitive Methoden basierende Kompensation von Frequenzabweichung im Zeitbereich unterhalb des Synchronisationsintervalls. Die Konzepte haben das Potenzial, auch IEEE 1588-Netzwerke mit höchsten Synchronisationsgütegarantieanforderungen einfach umsetz- und bewertbar zu machen. 1 Einleitung und Motivation Technische Systeme basieren zunehmend auf verteilten, vernetzten Einheiten, die auch als Cyber Physical Systems (CPS) bezeichnet werden. Die Anforderungen an die Vernetzung sind umfassend und beinhalten Autokonfiguration und Wandelbarkeit, Durchsatz und Determinismus, Sicherheit und Datenschutz sowie Fehlerrobustheit, Redundanz und Zeitsynchronisation. Mit wachsender Breite auf Vernetzung basierender technischer Systeme entwickeln sich auch diese Anforderungen weiter. So wird im Bereich der Zeitsynchronisation seit Jahren die Weiterentwicklung von Protokollen immer neu entfacht. Neben Broadcast-Funksignalen wie dem DCF77 (in Deutschland seit 1959 aktiv) oder der Nutzung von GPS nimmt die Bedeutung von Synchronisation über lokale Netzwerke und globale Netzwerke wie dem Internet immer stärker zu wurde für diesen Zweck zunächst das Network Time Protokoll (NTP) definiert. Für höhere Genauigkeitsanforderungen wurde 2002 der Standard PTP (Precision Time Protokoll) und 2008 eine Weiterentwicklung als PTPv2 im Standard IEEE 1588 festgelegt [1]. Im Jahr 2013 ha-

2 ben IEEE-Arbeitskreise ihre Arbeit für die Standardisierung einer weiteren Revision von PTP aufgenommen. Die vielfältigen Anwendungsgebiete wie Energienetzautomatisierung (Substation Automation), Fertigungs- und Prozessautomatisierung, Antriebstechnik, Audio- und Videoübertragung sowie Finanztranskationen und Automotive- und Avionik anwendungen haben in den letzten Jahren zudem zu einer ausgeprägten Profilbildung und Substandards geführt. Der ebenfalls in der Standardisierung befindliche Echtzeit-Ethernet-Kommunikationsstandard IEEE TSN (Time Sensitive Networks) versucht weiterhin einen einheitlichen IEEE-Standard zu setzten, der eine hohe Bandbreite der genannten Anwendungen bedienen kann und seine Zeitsynchronisation im Standard IEEE 802.1AS beschreibt. Diese breite Verwendung von Zeitsynchronisation schärft die Anforderung auch unter extremen Umgebungseinflüssen wie mechanischen Belastungen (Vibrationen) und Temperaturschwankungen eine hohe Genauigkeit zu garantieren. Gleichzeitig sind insbesondere Anwendungsgebiete wie Automotive sehr kostensensitiv. Kostensensitivität und hohe Genauigkeit unter Umgebungseinflüssen stehen dabei in einem harten Zielkonflikt: Günstige Quarzoszillatoren sind unter Temperatur- und Vibrationseinflüssen sehr (kurzzeit-) instabil [2], was schnell Zeitabweichungen verursacht. Das PTP definiert eine zyklische Übertragung der Zeit im Synchronisationsintervall (Sync n+1 Sync n) vom Zeitmaster (Grand Master GM) zum Zeitslave (Ordinary Clock OC) um diese Abweichungen (t GM - t OC ) fortlaufend zu kompensieren. Abbildung 1 zeigt, wie ein Regler in diesem Intervall die durch einen Oszillatorfrequenzdrift von 1 ppm verursachte Zeitabweichung ausgleicht. Eine Frequenzänderung wird mit diesem Verfahren also immer erst frühestens im nächsten Intervall erkannt und ausgeregelt. t [ns] Synchronisationsintervalle Sync n Sync n t offset = t GM - t OC Frequenzdrift von 1ppm t [ms] - 2 Abbildung 1: Regelung der Slavezeit im Synchronisationsintervall Um für eine Anwendung eine bestimmte Zeitsynchronisationsgenauigkeit zu garantieren ist nun ein umfassendes Wissen über die Eigenschaften der verwendeten Geräte (Reglerund Filtereigenschaften, Zeitstempelauflösungen), der Netzwerktopologie, den eingesetzten Quarzoszillatoren und den Umgebungsbedingungen notwendig. Diese Informationen stehen dem Anwender aber (1) häufig nicht zur Verfügung und (2) die Ableitung der Synchronisationsgüte aus diesen Daten extrem komplex und einem Anwender nicht zumutbar. Die Bestimmung der Synchronisationsgenauigkeit durch Messtechnik an realen Netzwerken ist häufig nur für einen Betriebspunkt und eine Gerätekonfiguration repräsentativ und nicht auf andere Netze übertragbar. Synchronisationstestsysteme welche teilweise auch Konzepte für die Emulation von Betriebs- und Umgebungsbedingung

3 einbeziehen, werden in [3], [4] und [5] beschrieben, bieten aber keine einheitliche Basis für Testmethoden und Metriken und definieren keine einzuhaltenden Grenzen. Im Gegensatz dazu sind zum Beispiel für Ethernet-Switches Leistungstests auf Basis von genormten Testmetriken und Methoden als RFC genormt [8]. Standards aus dem Bereich der industriellen Automation gehen noch weiter und bieten Zertifizierungstests, die Netzwerkkomponenten auf Netzlastrobustheit [9] und auf ein bestimmtes Synchronisationsverhalten [10] abprüfen. In diesem Beitrag wird dargestellt und diskutiert, wie Gütegarantien für hochgenaue IEEE 1588-Netzwerken erreicht werden können. Für Synchronisationsstöreffekte im Frequenzbereich oberhalb des Synchronisationsintervalls wird ein Konzept einer einheitlichen Qualifizierung der Geräteleistungseigenschaften vorgestellt. Störeffekte unterhalb des Synchronisationsintervalls sollen durch eine Kurzzeitfrequenzstabilisierung kompensiert werden. Dazu werden in Kapitel 2 zunächst die Grundlagen und Probleme der Frequenzstabilität beschrieben. Kapitel 3 zeigt, wie eine IEEE 1588 Bridge arbeitet. Kapitel 4 stellt das Konzept standardisierter Gerätequalifizierung vor. Aufbauend soll eine zusätzlich höchste Leistungsklasse die Vereinheitlichung des Geräteverhaltens und der Kurzzeitfrequenzstabilisierung robuste Synchronisationsgenauigkeit garantieren. Kapitel 5 zeigt, wie so eine Kurzzeitfrequenzstabilisierung in diesem Umfeld arbeiten kann. Insbesondere die Wirkung der Kombination der beiden Maßnahmen Kurzzeitfrequenzstabilisierung und Standardreaktion durch Standardgerätequalifizierung wird in der abschließenden Zusammenfassung in Kapitel 6 betrachtet. 2 Stabilität von Taktquellen Quarzoszillatoren verwenden Schwingquarze (Kristalle), welche durch elektrische Spannung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Die mechanische Schwingung erzeugt dabei wiederum eine elektrische Spannung. Oszillatorbeschaltungen koppeln die erzeugte Schwingung des Quarzkristalls auf die Erregerschwingung zurück. Dies bewirkt, dass die Schaltung mit der Resonanzfrequenz, welche konstant aber temperaturabhängig ist, schwingt. Für eine bessere Frequenzstabilität können temperaturkompensierte Oszillatoren, so genannte TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) oder OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) eingesetzt werden. Wie Umgebungstemperatur oder mechanische Belastung auf einen Quarzoszillator einwirken, liegt auch an der Art der Montage, z.b. durch Löten (siehe Abbildung 3), der Platine selbst, dem Gehäuse in dem die Elektronik untergebracht ist sowie der Stabilität der Versorgungsspannung. Abbildung 2: Quarzoszillator mit Beschaltung

4 Weitere negative Effekte sind kapazitive und induktive Belastung, welche durch die Leitungsführung und Beschaltungselementen eingekoppelt werden können. Quarze und TCXO zeigen weiterhin bei einer schnellen Temperaturänderung (hohes dϑ/dt) Überschwingeffekte [11] wie Abbildung 4 veranschaulicht. Bei einem Temperaturschock von -40 auf +80 Grad Celsius wurden in [2] Frequenzänderungsgeschwindigkeiten von bis zu 3 ppm/32 ms gemessen. T T 1 T 2 t f f 2 f 1 t t 1 Abbildung 3: Überschwingen der Frequenz bei Temperaturänderung 3 Synchronisation von verteilten Uhren mit IEEE 1588 Sync frame Zeitsynchronisation verteilter Uhren mit IEEE 1588 verwendet als Grundprinzip das zyklische Versenden von Zeitinformationen von einem Zeitgeber (Grandmaster GM) zu Zeitslaves (Ordinary Clocks OC) [1]. Die OC s synchronisieren ihre Uhr auf die empfangene Zeit. Abbildung 4 zeigt die für eine OC notwendigen Signalflüsse und Berechnungen. Peer delay f Oszillator Quarzoszillatoeinflüsse Umgebungs- t GM t offset Filter t Δ/T_slave + + Regler t OC t rxstamp_n + PPS-Signal Zeitstempel Abbildung 4: Signalflüsse und Berechnungen einer IEEE 1588 OC Durch Integration der Frequenz des Quarzoszillators wird die fortlaufende Zeit gebildet (Formel 1). ( ) ( ) (1) In der Realisierung wird ein diskreter Addierer implementiert (Abbildung 4). Dieser ermöglicht es auch den Integrationswert einzustellen (siehe Formel 2: eine Servouhr mit einstellbarer Gangweite (Geschwindigkeit) der Uhr. ). So entsteht ( ) ( ) (2)

5 Formel 3 zeigt welche Aufgabe der Regler erfüllen muss. Die Abweichung (Offset) zwischen GM und OC soll zu jedem Zeitpunkt möglichst gering sein. Die Frequenzänderungen wirken dem entgegen. ( ) ( ) ( ) (3) Die Übertragungszeit der Synchronisationszeittelegramme wird bestimmt und kompensiert. Im Bereich der höchsten Synchronisationsgenauigkeitsanforderungen wird mit der Einzelbestimmung der Leitungsverzögerungen und der Verzögerungen der Telegramme in den Bridges gearbeitet. Diese Zeitkompensation findet in jeder Bridge statt, welche als Transparent Clocks (TC) bezeichnet werden. Abbildung 5 zeigt die notwendigen Signalflüsse und Berechnungen einer IEE 1588-Transparent Clock. d dt f soll Filter t Δ/T_slave + t TC Quarzoszillator Umgebungseinflüsse t rxstamp_tc_n Peer delay + + t bridge t delaynew_n t txstamp_n t delayold_n Zeitstempel Zeitstempel lesen schreiben Ethernet Port 1 Sync frame Speicher Ethernet Port 2 Sync frame Abbildung 5: Signalflüssen einer IEEE 1588-Bridge (TC) Die Übertragung der Zeittelegramme über das Netzwerk wirkt als Totzeit auf die Dynamik der Kopplung zwischen GM und OC. Die Qualität der Zeittelegramme wird während der Übertragung reduziert; je nach Güte der Geräte entstehen Jitter und Offsets. Bei der Implementierung von IEEE 1588-Bridges ist deshalb eine hohe Anzahl an Faktoren zu berücksichtigen, um eine gute Zeitsynchronisation zu erreichen. Die technischen Designziele, stabile Oszillatoren zu verwenden, eine gute Zeitstempelauflösung zu implementieren, eine priorisierte Behandlung von Sync Frames in den Switches und dem Softwarestack sind eindeutig. Aber wie zeichnet sich ein guter Regler und Filter aus? Ist ein guter Regler träge oder dynamisch und was bringen Prädiktivregler oder Zustandsregler? Dies ist stark von den Einsatzumgebungen des Gerätes und der Anforderung der Applikation abhängig und heute weder normiert noch eindeutig beantwortbar. Abbildung 6 zeigt als Beispiel dazu die Reaktion von zwei verschiedenen PROFINET Geräten auf einen Zeitsprung des GM. Die von PROFINET verwendete Zeitsynchronisation wird als PTCP bezeichnet und ist ein zu IEEE 1588v2 Peer Delay und Transparent Clocks mathematisch äquivalentes Protokoll, es bedient sich aber einem kleineren Synchronisationsintervall von 30 ms. Ein Gerät zeigt eine dynamische, das andere eine trägere Reaktion. Beide Geräte sind für PROFINET zertifizierbar [3]. Ein einheitliches Ansprechen von OC auf eine Zeitänderung des GM ist für die Anwendungen von Vorteil, die eine gute Synchronisation der OC untereinander von höherer Bedeutung ist als ein vorüber-

6 gehendes Offset zum Grandmaster. Ein Beispiel ist PROFINET mit dem synchronisierten Medienzugriff und Frameaufbauprotokoll Dynamic Frame Packing (DFP) [13]. Abbildung 6: Unterschiede in der Reaktion zweier OC auf einen Zeitsprung von 200ns Eine weitere spezielle Möglichkeit der Synthonisation verteilter Uhren ist die Nutzung der synchronen Datenübertragung auf der ISO/OSI-Schicht 1 (physikalische Übertragung). Hier wird die aus dem Datenstrom zurückgewonnen Sendefrequenz in den OC als Uhrfrequenz genutzt und in TC an Nachbargeräte weitergegeben [13] [15]. Die Technik wird auch als White Rabbit bezeichnet und derzeit als High Precision Profile für einen neue Revision des IEEE 1588 Standards diskutiert. Nachteile der Technik sind die Inkompatibilität zur heutigen Geräten, Synchronisation in redundanten Strukturen (Links, Ringe, mehrere GM). 4 Standardisierung des Reaktionsverhaltens mit Standardsynchronisationsleistungstests und Klassifizierung Dieses Kapitel behandelt die Standardisierung von Gerätereaktionen und betrachtet die Bewertbarkeit der Synchronisationsleistung von IEEE 1588-Implementierungen. Für eine übertragbare Qualifizierung und Bewertung sind einheitliche Testmetriken und Methoden für den Test der Leistungsfähigkeit notwendig [12]. Zu den Testmetriken gehören (Standard-) Stimulationsdaten und die erwarteten (Standard-) Reaktionen sowie eine qualitative Einordnung der Reaktionsdaten. Abbildung 7 zeigt, dass zu den Stimulationsdaten die PTP-Frames mit Frequenzänderung des GM und Jitter, Umgebungsschwankungen und die Versorgungsspannung gehören. Die Reaktion zeigt sich in den PTP-Frames, die gesendet werden (Verhalten der TC) und im PPS-Signal (Verhalten der OC). Stimulation PTP-Frames: Frequenzänderung, Jitter, Zeitoffset Temperatur, Elektromagnetische Felder, Vibration/ mechanische Belastung Versorgungsspannung Ethernet RX Gehäuse Kontakte System PTP Bridge Ethernet TX PPS- Signal Abbildung 7: Stimulation und Reaktion einer PTP Bridge Reaktion Applikation Frequenzänderungen, Jitter, Offset, Filter- und Reglerverhalten Ein Konzept für die Herleitung solcher Testmetriken zeigt Abbildung 8 und wurde in

7 [12] vorgestellt. Die Stimulationsdaten sollen dabei durch regelmäßige Datenaufnahmen an marktverfügbaren IEEE 1588-Geräte abgeleitet werden. So können im Mittel in realen Netzwerken erwartbare Systembedingungen wie zum Beispiel ein Standardjitter (Sync Telegramme) oder Frequenzdrifts genormt und aktualisiert werden. Messungen an heterogenen Netzwerken Plugfest (IEEE 1588 Test Handbook) Definition von Standards: Stimulationsdaten und Geräteraktionen Konsortium Geräte implementieren und optimieren Hersteller Gerätequalifizierung mit Standardtests und Standarddaten Hersteller und Testlabore Abbildung 8: Aktualisierungskreislauf für Standardstimulationsdaten Die Einordnung der Standardreaktionen erfolgt in Gerätegüteklassen. Diese Gerätegüteklassen sind für den Anwender eine einfache Benutzersicht bzw. ein Modell einer komplexen, simulativen oder mathematischen Betrachtung, die bei der Auslegung und Gütebewertung des IEEE 1588-Netzwerkes unterstützt. Abbildung 10 zeigt gegenüber [12] nun eine Einteilung in vier anstatt drei Klassen, für die jeweils bestimmte Stimulationen zu Reaktionen in entsprechenden Grenzen führen müssen. Höhere Klassen inkludieren dabei alle Eigenschaften der niedrigeren Klassen. Die neue höchste Leistungsklasse 4 ist nun eine Klasse bei der eine Standardreaktion des Reglers gefordert wird. Damit können insbesondere Anwendungen wie zum Beispiel in [13] beschrieben robuster und leistungsfähiger betrieben werden. Durch eine einheitliche Parametrierschnittstelle könnte diese Standardreaktion in einem Netzwerk auch einheitlich eingestellt werden. Standardreaktionen Frequenzstabilisierung mit lernenden Funktionen Servouhr Priorisierung für IEEE 1588 Frames Adaptive Zeitregler One Step Transparent Clock Peer Delay Antwortverzögerung < 1s Verzögerung < 1s Genauigkeit < 1µs Leistungsklasse 1: Standard Netzlast Peer Delay Antwortverzögerung < 100ms Verzögerung < 100ms Genauigkeit < 100ns Leistungsklasse 2: Mittel Gerichtete Netzlast Peer Delay Antwortverzögerung < 1ms Verzögerung < 1ms Genauigkeit < 10ns Leistungsklasse 3: Hochgenau Abbildung 9: Abbildung von Reaktionsdaten auf Güteklassen = Leistungsklasse 3 Leistungsklasse 4: Hochgenau und Standardreaktionen Für diese höchste Leistungsklasse ist allerdings die lokale Kurzzeitfrequenzstabilität sehr kritisch. Eine Standardreaktion auf das Zeitsignal des GM hat keine Wirkung auf die Frequenzänderung des lokalen Quarzes innerhalb des Synchronisationsintervalles. Im Bereich dieser Synchronisationsleistungsklasse muss also entsprechend mit hochkurzzeitstabilen Oszillatoren gearbeitet werden oder es müssen Maßnahmen zur Kurzzeitfrequenzstabilisierung vorgenommen werden, um eine robuste Synchronisation garantieren

8 zu können. Kapitel 5 beschreibt dazu eine Möglichkeit zur Erkennung von Frequenzabweichungen mit multiplen Taktquellen. 5 Frequenzstabilisierung durch Erkennung von Anomalien Bei Frequenzstabilisierung geht es um eine Kurzzeitstabilisierung im Zeitbereich unterhalb des Synchronisationsintervalls bzw. des Ansprechverhaltens des lokalen Reglers (vgl. Abbildung 1). Ein Ansatz das Oszillatorverhalten zu kompensieren ist die Überwachung des Arbeitstaktes oder Primärtaktes f P (t) mit Referenz- bzw. Vergleichstakten f Sek_n (t). Diese Takte können zum Beispiel von redundanten, möglichst diversitären, Oszillatoren bezogen werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der durch die Empfangstaktrückgewinnung erzeugten Takte der Ethernet-PHYs f RX_n (t), welche auch von der so gennannte White Rabbit-Technologie verwendet wird [14][16]. Basis für die Kurzzeitfrequenzstabilisierung ist alle zur Verfügung stehenden Takte über einen Zeitraum zu beobachten und zunächst das Standardbetriebsverhalten zu lernen. Dass sind zunächst die mittleren (Langzeit-) Offsets (Formel 4) und die Allan-Varianzen (Formel 5) aller Takte untereinander. ( ) ( ) ( ), T > Synchronisationsintervall (4) ( ) [( ) ] (5) Aufbauend darauf können auftretende Kurzzeitänderungen auf Basis einer Anomalieerkennung schnell erkannt werden. Es entsteht so eine kognitive Frequenzanomalieerkennung. Abbildung 7 zeigt den Signalfluss. Der Beobachter wird als Hardware implementiert. Für das Lernen des Normalverhaltens ist Software ausreichend und kann im einfachsten Fall ein Tiefpass sein. Der Abgleich des Normalverhaltens mit den aktuell beobachteten Frequenzverhalten, also die Anomalieerkennung selbst muss je nach Kompensationszyklus in Hardware oder Software erfolgen. Primäre Taktquelle Takt Linkpartner [1..n] (Empfangsfrequenz PHY) Diversitäre, sekundäre, lokale Taktquellen [1..m] f P (t) f RX_n (t) f Sek_n (t) Beobachter Frequenzoffset Allan-Varianz Lernen des Normalverhaltens Anomalieerkennung Frequenzkompensationsregelung Abbildung 10: Kognitive Frequenzanomalieerkennung Wird eine solche Frequenzanomalie erkannt, kann dieses Wissen dem lokalen Zeitregler zugeführt werden oder die Abweichungen mit einem unterlagerten Frequenzstabilisierungsregelkreis kompensiert werden. Weiterhin können die Frequenzanomalien über das Netzwerk kommuniziert werden, um Diagnosen oder Reaktionen durch andere Geräte auszulösen. Um solche Funktionen zu nutzen ist die Definition entsprechender Dienste im Standard notwendig. Abbildung 11 evaluiert in einer Fallstudie den positiven Effekt eines solchen unterlagerten Kurzzeitfrequenzoptimierung. Das Synchronisationsintervall

9 beträgt 30 ms. Die unterlagerte Frequenzkompensation mit einem als ideal angenommenen Referenztakt arbeitet dabei mit einem Intervall von 10 ms. Der Frequenzdrift von 1 ppm wird mit der Frequenzkompensation reduziert. Das Fallbeispiel verwendet dabei einen einfachen Mittelwert zwischen f P und f RX. Die maximale Abweichung wird deutlich kleiner. t [ns] 10 Synchronisationsintervall Kurzzeitfrequenzstabilisierungsintervall 8 t Offset_OC 6 t Offset_OC mit Kurzzeitfrequenzstabilisierung Frequenzdrift von 1ppm t [ms] - 2 Abbildung 11: Validation der Kurzeitfrequenzstabilisierung 6 Zusammenfassung und Ausblick Die Güte der mit dem Standard IEEE 1588 erreichbaren Zeitsynchronisationsgenauigkeit ist stark von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Geräte und den Umgebungsbedingungen wie Temperaturstabilität abhängig. Beides macht es dem Anwender schwer, Synchronisationsgütegarantien für ein Netzwerk zu geben, da einerseits die genannte Leistungsfähigkeit von Geräten häufig unbekannt ist und keinem Standard oder Leistungszertifizierung unterliegt, andererseits Einflussfaktoren wie Temperaturschwankungen und mechanische Belastungen welche über die Quarzoszillatoren in das verteilte Zeitsystem einkoppeln schwer quantifizierbar sind. Dieser Beitrag hat gezeigt, wie höchste Synchronisationsgenauigkeit für verschiedene Betriebsumgebungen und spezialisiert auf Anwendungen realisierbar und bewertbar werden kann. Einheitliche Leistungstests und Testmetriken sowie einheitliche Gerätereaktionen machen die Leistung von IEEE 1588-Geräten anwendertransparent. Für Hochpräzisionsanforderungen kann eine Kurzzeitstabilisierung der Oszillatorfrequenz im Zeitbereich unterhalb des Synchronisationsintervalls zusätzliche Anwendersicherheit für den robusten Synchronisationsbetrieb in rauen Betriebsumgebungen bieten. Drei Geräteleistungsklassen bilden dabei steigende Anforderungslevel für Gerätespezifika wie Zeitstempelauflösung und

10 Netzlastrobustheit ab. Die höchste, vierte Leistungsklasse sieht zusätzlich das Standardreaktionsverhalten und die Kompensation der Frequenzabweichung vor. In der weiteren Arbeit sollen Stimulations- und Reaktionsdaten definiert werden. Im Bereich der kognitiven Frequenzstabilisierung sollen Funktionen und Algorithmen für das Lernen des Frequenznormalverhaltens und der Frequenzanomaliererkennung evaluiert werden. Literaturverzeichnis [1] IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, IEEE Std , [2] Schriegel, S.; Jasperneite, J.: Investigation of industrial environmental influences on clock sources and their effect on the synchronization accuracy of IEEE In: International IEEE Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication (ISPCS), 2007 [3] Schriegel, S.; Kirschberger, D.; Trsek, H.: Reproducible IEEE 1588-Performance Tests with Emulated Environmental Influences. In: 2010 International IEEE Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication (ISPCS), 2010 [4] Schriegel, S.: Reproduzierbare IEEE 1588-Leistungstests unter Umwelteinflüssen. In: 1. Fachkolloquium Kommunikation in der Automation (KommA), 2010 [5] Hallas, C.; Kirschberger, D.; Schriegel, S.: IEEE 1588-Leistungstester mit Emulation von Umwelteinflüssen. In: Echtzeit Eingebettete Systeme GI-Fachausschuß (FA) Echtzeitsysteme, 2010 [6] Schriegel, S.; Gerstung, H.: IEEE 1588 Test Handbook. In: Lemgo, 2011 [7] IXIA, IxNetwork IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP) Emulation, Document P/N: Rev E, [8] Network Working Group, RFC 2544: Benchmarking Methodology for Networking Interconnection Devices [9] Profibus International: PROFINET IO Net load, V 1.0 Order No: 7.302, 2010 [10] Profibus International: PROFINET - Test Specification for PROFINET IO-Devices, Version: 2.3.5, Order No.: 2.372, 2012 [11] Bernd Neubig & Wolfgang Briese Das Grosse Quarzkochbuch, Feldkirchen: Franzis- Verlag, 1997 ISBN [12] Flatt, Holger; Schriegel, Sebastian; Jasperneite, Jürgen: Reliable Synchronization Accuracy in IEEE 1588 Networks Using Device Qualification with Standard Test Patterns. In: International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS 2013) Lemgo, Sep [13] Schumacher, Markus; Wisniewski, Lukasz; Schriegel, Sebastian; Jasperneite, Jürgen: Node to Node Synchronization Accuracy Requirements of Dynamic Frame Packing. In: International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS 2013) Lemgo, Sep [14] Maciej Lipinski, Tomasz Włostowski, Javier Serrano, Pablo Alvarez: White Rabbit: a PTP Application for Robust Sub-nanosecond Synchronization. In: International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS 2011) Munich, Sep [15] D.B Sullivan, D.W. Allan, D.A. Howe, F.L. Walls, Characterization of Clocks and Oscillators. NIST Technical Note, [16] White Rabbit.