Experimentelle Bewertung der Synchronisationsgenauigkeit von IEEE 802.1AS für variierende Temperaturbedingungen

Transkript

1 Experimentelle Bewertung der Synchronisationsgenauigkeit von IEEE 802.1AS für variierende Temperaturbedingungen Andreas Kern (Daimler AG) Helge Zinner (Continental Automotive GmbH) Thilo Streichert (Daimler AG) Josef Nöbauer (Continental Automotive GmbH) Jürgen Teich (Universität Erlangen-Nürnberg) Seite 1

2 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 2

3 Motivation Mögliche Einsatzgebiete von Ethernet/IP im Automobil Ethernet/IP interessant für eine zunehmende Anzahl von Anwendungen im Automobil - Diagnose - Software Download auf Steuergeräte (Flashen) - Kameraanwendungen aus dem Bereich der Fahrerassistenz - Sensoren mit hohen Anforderungen an den Netzwerkdurchsatz Zugleich Zunahme von verteilten zeitsensitiven Anwendungen - Synchronisation von Aktionen (Sensorfusion) - Bestimmung von Aufnahmezeitpunkten - Reihenfolge von Ereignissen Globale Zeitbasis wird als Grundlage benötigt! Seite 3

4 Motivation Gängige Protokolle zur Zeitsynchronisation Protokoll Typische Einsatzgebiete Erreichbare Genauigkeit Global Positioning System (GPS) Fabrikanlagen ms Network Time Protocol (NTP) WANs ms Precision Time Protocol (PTP) Version 1 (IEEE ) LANs µs PTP Version 2 (IEEE ) LANs < 1 µs AVB (IEEE 802.1AS) LANs < 1 µs Gründe für die Wahl von AVB (IEEE 802.1AS) Hohe Synchronisationsgenauigkeit IEEE 802.1AS ist PTP Version 2 Profil mit Anforderungen an einfache Umsetzbarkeit und kostengünstige Implementierung Verfügbarkeit von prototypischer Hardware Seite 4

5 Motivation Generelle Einflüsse auf die Synchronisationsgenauigkeit Implementierung der Synchronisationsendpunkte - lokale Oszillatoren (z.b. ± ppm) - Zeitstempelgenauigkeit (z.b. PHY/MAC/Software Zeitstempelgenerierung) Netzwerktopologie - Anzahl von Router und Switches - Unterstützung von Spezialmechanismen (z.b. Transparent/Boundary Clock) Netzwerklast - Variation der Paketverzögerung (z.b. Pufferung) - Überlastszenarien (z.b. Paketverlust) - Zeitliche Asymmetrie zwischen Synchronisationsknoten Temperatureinflüsse durch niedrige und hohe Temperaturen sowie Temperaturwechsel Verfügbarkeit von Untersuchungen zu diesem Themengebieten Keine Untersuchungen zum Verhalten von AVB für Automotive- Temperaturanforderungen (von -40 C bis 85 C) bekannt Seite 5

6 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 6

7 Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Ethernet AVB Audio Video Bridging (AVB) erweitert Ethernet um - synchronisierte Uhren in Endpunkten mittels eines Paket-basierten Synchronisationsprotokolls (802.1AS), - erweiterte Methodiken zur Pufferung und Weitergabe von Paketen (802.1Qav), - und Mechanismen zur dynamischen Verwaltung von Ressourcereservierungen (802.1Qat). AVB als CE-Technologie derzeit in der Entwicklung ohne Automotive- Qualifizierung (z.b. erweiterte Temperaturbereiche) Standard Ethernet (IEEE 802.3) Antennencluster + IEEE 802.1AS + IEEE 802.1Qav ABS/Motor SG + IEEE 802.1Qat Ethernet AVB (IEEE 802.1) Seite 7

8 Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Zeit Master Zeit Slave Offset Offset & Delay 50 s 30 s Sync (50?) 52 s 32 s Follow Up (50!)???? 54 s 34 s 50-32= s? 56 s 52 s Sync (56?) Follow Up (56!) 54 s 56 s?? 54 s 58 s 56-56=0 M-S-Delay: 0 60 s 62 s Delay Request 60 s 62 s 60 s 62 s 64 s Del. Response (62) 64 s 64 s 66 s 66 s 64-60=4 S-M-Delay: 4 68 s 66 s (0+4)/2=+2 68 s Seite 8

9 Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Talker Eingangssignal lokaler Takt globale Zeit ADW* Zeitstempel Generator 900,000, ,667,668 IEEE 1722 Daten IEEE 1722 Datenstrom Messung des Jitters des rekonstruierten Takts gegenüber dem lokalen Takt des Talker. synchronisierte Uhren Zeitstempel Vergleicher DAW* * Taktgenerator globale Zeit Ausgangssignal rekonstruierter Takt Listener * Analog/Digital Wandler ** Digital/Analog Wandler Seite 9

10 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 10

11 Testfall 1 Testaufbau Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Zwei direkt verbundene AVB Endkonten jeweils in einem Klimaschrank AVB 1 und AVB 2: -10 C; dann AVB 1: +70 C; dann AVB 2: +70 C 3 Streams, und wurden vermessen und wurden 5 mal pro Temperaturpaar neu aufgesetzt und für 30 Sekunden gemessen lief über die gesamte Messdauer, also auch während den Temperaturänderungen der Klimaschränke (maximal 2 K pro Minute) Clock 1 Clock 2 AVB Endknoten 1 AVB Endknoten 2 Clock 1 Clock 2 Triggerpunkt gemessener jitter Zeit Seite 11

12 Testfall 1 Messergebnisse (1/2) Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Seite 12

13 Testfall 1 Messergebnisse (2/2) Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Seite 13

14 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 14

15 Testfall 2 Testaufbau Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Zwei AVB Endkonten mit jeweils einem Switch in den Klimaschränken AVB 1: -10 C und AVB 2: +40 C; dann AVB 1: +40 C 2 Streams und wurden vermessen und wurden 5 mal pro Temperaturpaar neu aufgesetzt und für 30 Sekunden gemessen Clock 1 Clock 2 AVB Endknoten 1 AVB Endknoten 2 Clock 1 Clock 2 Triggerpunkt gemessener jitter Zeit Seite 15

16 Testfall 2 Messergebnisse Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Seite 16

17 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 17

18 Testfall 3 Testaufbau und Messergebnisse Dauerlauftest Zwei direkt verbundene AVB Endkonten jeweils in einem Klimaschrank Stetige Temperaturwechsel von -10 C zu +70 C und umgekehrt; auch gegenläufig 1 Stream wurden über eine Gesamtdauer von 3 Stunden 40 Minunten vermessen Clock 1 Clock 2 AVB Endknoten 1 AVB Endknoten 2 Seite 18

19 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 19

20 Testfall 4 Testaufbau Schocktest Zwei direkt verbundene AVB Endknoten Ein AVB Endknoten bei Raumtemperatur Ein AVB Endknoten im Klimaschockschrank Klimaschockschrank bestehend aus zwei Temperaturzonen (-10 C und +70 C); Temperaturwechsel innerhalb von 5 Sekunden AVB 1: Raumtemperatur (~ 23 C) und AVB 2: -10 C +70 C und umgekehrt 2 Streams und wurden mehrfach vermessen Clock 1 Clock 2 AVB Endknoten 1 AVB Endknoten 2 Clock 1 Clock 2 Triggerpunkt gemessener jitter Zeit Seite 20

21 Testfall 4 Messergebnisse (1/2) Schocktest Seite 21

22 Testfall 4 Messergebnisse (2/2) Schocktest Seite 22

23 Überblick Motivation Zeitsynchronisation mit AVB im Überblick Testfall 1: Statische und langsam variierende Temperaturen ohne Switches Testfall 2: Statische und langsam variierende Temperaturen mit Switches Testfall 3: Dauerlauftest Testfall 4: Schocktest Zusammenfassung Seite 23

24 Zusammenfassung Abhängigkeit der Synchronisationsgenauigkeit von veränderlichen Temperaturen gegeben Gemessene Synchronisationsgenauigkeit bei kleinen Netzwerken deutlich besser als spezifiziert IEEE 802.1AS ist vielversprechender Ansatz für Anwendungsfälle im Automobil Seite 24

25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Seite 25