HIgh Precision and RObustness in Network Synchronization

Die hochgenaue und zuverlässige Synchronisation von verteilten Prozessen auf der Basis lokaler, synchronisierter Uhren ist eine wesentliche Grundlage für viele moderne, großräumige Systeme in der Informationsverarbeitung und Automation, wie beispielsweise Smart Grids, Mobilkommunikations-Infrastruktur, Fabriks- und Prozessautomation, Verkehrsleitsysteme, Finanzdienstleistungen oder Lokalisierung und Steuerung mobiler Geräte. In diesen Anwendungen werden aus Effizienzgründen nahezu ausschließlich paketorientierte Netzwerke verwendet. Die Uhrensynchronisation wird über spezielle Protokolle wie NTP (Network Time Protocol) oder PTP (Precision Time Protocol) realisiert, wobei diese speziell in großen Netzwerken entweder die erforderliche Genauigkeit nicht erreichen können oder für viele Anwendungen nicht ausreichende Verfügbarkeit und Robustheit aufweisen.

Das Ziel von HiProSync ist, im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen  robuste und genaue Synchronisation in den Endknoten selbst zu erreichen, ohne dabei spezielle Anforderungen an die Netzwerkinfrastruktur zu stellen. Der Endknoten wird dabei um eine Synchronisationslogik (Clock Engine) erweitert, die im Gegensatz zu normalen Endknoten auf multiple Referenzuhren (Master Clocks) gleichzeitig synchronisieren kann. Die unterschiedlichen Referenzen werden kontinuierlich überwacht und hinsichtlich der Qualität ihrer Zeitinformation bewertet. Die im Rahmen des Projekts zu erforschenden Algorithmen ermöglichen, ohne temporären Synchronisierungsverlust einen Ausfall oder fehlerhafte Zeitinformation von einer oder mehrerer Zeitreferenzen zu erkennen. Dazu werden insbesondere Statistiken der Paketlaufzeiten zwischen Endknoten im Netzwerk erstellt und zur Bewertung des Netzwerks herangezogen. Durch die Kombination der Information von mehreren HiProSync-Knoten können damit unterschiedliche Fehlerzustände wesentlich genauer und schneller bestimmt werden, wodurch die Robustheit der Uhrensynchronisation im Gesamtnetzwerk wesentlich gesteigert werden kann.

Die im Rahmen des Projekts erforschten Konzepte und Algorithmen werden mittels Simulationsstudien evaluiert. Dazu werden zunächst realistische und effiziente Modelle für Oszillatoren und die stochastischen Eigenschaften von Datennetzen erforscht, die durch entsprechende Messungen kalibriert und optimiert werden können. Diese Modelle bilden die Basis für die simulationstechnische Validierung der Synchronisationsalgorithmen im Hinblick auf Robustheit und Genauigkeit unter verschiedensten Szenarien. Im Zuge von Versuchsreihen im Labor und an dislozierten Standorten werden die entworfenen Algorithmen schließlich getestet. Der in HiProSync verfolgte Ansatz, Robustheit und Genauigkeit ausschließlich durch Maßnahmen im Endknoten zu etablieren, erleichtert eine spätere Umsetzung in praktische Anwendungen, da eine vorhandene Netzwerkinfrastruktur nicht verändert werden muss.


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Das Projekt HiProSync (High Precision and Robustness in network-based Clock Synchronization, FFG 848467) wird von der FFG im Rahmen des Brückenschlagprogrammes in der Programmlinie Bridge 1 gefördert.

Details

Duration 01/04/2015 - 30/09/2017
Funding FFG
Program bridge 1
Department

Department for Integrated Sensor Systems

Center for Distributed Systems and Sensor Networks

Principle investigator for the project (Danube University Krems) Dipl.-Ing. Albert Treytl
Project members Dipl.-Ing. Thomas Bigler Anetta Nagy, MSc Dipl.-Ing. Felix Ring

Publications

Schlesinger, R.; Springer, A.; Sauter, T. (2018). Concept for the coexistence of standard and Real-time Ethernet. IEEE, proceedings WFCS 2018: 1-10, IEEE, Imperia

Bello, L.; Behnam, M.; Pedreiras, P.; Sauter, T. (2017). Guest Editorial Special Section on Communications in Automation–Innovation Drivers and New Trends. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 13(2): 841-845

Elwischger, B.; Sauter, T. (2017). Efficient Ambiguity Resolution in Wireless Localization Systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 13(2): 888-897

Mahmood, A.; Exel, R.; Sauter, T. (2017). Performance of IEEE 802.11’s Timing Advertisement Against SyncTSF for Wireless Clock Synchronization. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 13(1): 370-379

Mahmood, A.; Exel, R.; Trsek, H.; Sauter, T. (2017). Clock Synchronization Over IEEE 802.11—A Survey of Methodologies and Protocols. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 13(2): 907-922

Wollschlaeger, M.; Sauter, T.; Jasperneite, J. (2017). The Future of Industrial Communication: Automation Networks in the Era of the Internet of Things and Industry 4.0. IEEE Industrial Electronics Magazine, 11(1): 17-27

Mitaroff-Szécsényi, J.; Priller, P.; Sauter, T. (2017). Compensating Software Timestamping Interference from Periodic Non-Interruptable Tasks. IEEE, 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies And Factory Automation (ETFA): 1-4

Lectures

Communication aspects in distributed sensor systems

Seminar on Energy Efficient Distributed Sensor Systems for the Internet of Things, National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan, 10/05/2017

Team

Dipl.-Ing. Thomas Bigler

Center for Distributed Systems and Sensor Networks

Anetta Nagy, MSc

Center for Distributed Systems and Sensor Networks

Dipl.-Ing. Felix Ring

Projektpartner

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