Hajautetut vikasietoiset kelloverkot (2500M-0099) Anders Wallin, VTT, MIKES Metrologia. kesto: 2018/ /02 MATINE-rahoitus 100 keur

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Hajautetut vikasietoiset kelloverkot (2500M-0099) Anders Wallin, VTT, MIKES Metrologia. kesto: 2018/ /02 MATINE-rahoitus 100 keur"

Katariina Mäki
5 vuotta sitten
Katselukertoja:

Hajautetut vikasietoiset kelloverkot (2500M-0099) Anders Wallin, VTT, MIKES Metrologia kesto: 2018/04 2019/02

1 Hajautetut vikasietoiset kelloverkot (2500M-0099) Anders Wallin, VTT, MIKES Metrologia kesto: 2018/ /02 MATINE-rahoitus 100 keur 21/11/2018 VTT beyond the obvious 1 Toteutus: VTT Yhteistyössä: Aalto yliopisto, Maanmittauslaitos, CSC

2 Tarkan ajan tarpeet Tietoliikenne 5G TDD verkot Finanssiala MIFID-2 regulaatio Sähköverkot Digitaaliset sähköasemat : GPS hyppy 13us Uhka: Lisääntynyt GNSS-häirintä! 21/11/2018 VTT beyond the obvious 2

3 Hankkeen tavoitteet 1 Kelloverkon toteutus yhteydet, laitteisto, tiedonkeruu 2 Vähäkohinaiset solmukkohdan laitteet Ajansiirto, mittaus, signaaligenerointi 3 Vikasietoiset kellojoukkoalgoritmit Verkkonoodin mittaus, laskenta, ja ohjaus ohjelmisto 21/11/2018 VTT beyond the obvious 3

4 Kelloverkko V-V: vaihevertailija joka mittaa WR-ajan ja paikallisen kellon erotusta. ALGO: kellojoukkoalgoritmi Valokuituyhteys noodien välillä MS: MicroStepper, korkearesoluutionen 1-kuitu vs. 2-kuitu signaaligeneraattori jolla atomikellon PTP White Rabbit kytkin ajansiirtoon mitattu/mallinnettu taajuusvirhe kompensoidaan Atomikellot UTC_X: Solmukohdan X UTC-aika jota voidaan Mittaus/ohjaus jakaa eteenpäin GNSS vaihtoehtoisena ajansiirtomenetelmänä Voi perustua koko verkon kelloihin Vikatilanteessa vain paikallisiin solmun tietyissä solmuissa kelloihin 21/11/2018 VTT beyond the obvious 4

5 Kelloverkon noodi esimerkki: MIKES/Otaniemi Metsähovi testbed DWDM SFP 100km 1Gbit 2m fibrepair BiDir MUX At remote end: Measurement computer Distribution amplifier Multiplexer Time-interval counter Standard WR-switch Low-jitter WR-switch DWDM SFP 100km 1Gbit 50km Single Darkfibre 21/11/2018 VTT beyond the obvious BiDir 5 MUX

6 Kelloverkon noodi WR-kytkin 1PPS/10MHz jakeluvahvistin Aikaerolaskuri, resoluutio n. 20 ps Multiplexeri Paikallinen mittausverkko Mittaustietokone WR-kytkimen valvonta Laskurin tiedonkeräys Multiplexerin ohjaus (Lämpötila/kosteus/paine mittaus) (atomikellon valvonta) (MicroStepperin ohjaus) Kellojoukkoalgoritmi 21/11/2018 VTT beyond the obvious 6

7 Vähäkohinaiset kelloverkkonoodin laitteet Vaihevertailija Laskuri n. 1s Vaihevertailija 1s 21/11/2018 7

Vähäkohinaiset kelloverkkonoodin laitteet MicroStepper Micro Stepper kompensoi vetymaserin ikääntymisen

Taajuusresoluution oltava <1e-16 Kaupalliset laitteet kalliita ARTIQ avoin elektroniikka/ohjelmisto

vaiheresoluutio 0,6 ps 1 GHz ~100 MHz /1024 0,6 fs ~10 khz Microstepperissä luodaan signaali jonka

8 Vähäkohinaiset kelloverkkonoodin laitteet MicroStepper Micro Stepper kompensoi vetymaserin ikääntymisen esim. 1e-16 / päivä. Taajuusresoluution oltava <1e-16 Kaupalliset laitteet kalliita ARTIQ avoin elektroniikka/ohjelmisto ympäristö alustana kehitykselle ARTIQ järjestelmä Pääperiaate: 10MHz CLK 10 MHz x10 DDS 14-bit vaiheresoluutio 0,6 ps 1 GHz ~100 MHz /1024 0,6 fs ~10 khz Microstepperissä luodaan signaali jonka vaihetta voi säätää femtosekuntitasolla DDS:n ja taajuusjakajan yhdistelmällä ARTIQ DDS-kortti Rovera Ascarrunz 21/11/2018 8

9 3. Hajautettu vikasietoinen kellojoukkoalgoritmi CLK_1 x 12 CLK_2 x 13 CLK_3 x 1M. CLK_M x M 1, x M M 2, x 3 mittaus Kellon tilavektori kello1 kello2 M kpl kelloa M-1 mittausta x_n-m Kellomalli: Laskennallinen yhdistelmä-kello vaihe taajuus ikääntyminen kohinaprosessi Kellojoukon laskennallinen stabiilisuus voi olla parempi kuin yksittäisen kellon stabiilisuus! 21/11/2018 9

10 Hajautettu vikasietoinen kellojoukkoalgoritmi Kalman Filter Iteratiivinen algoritmi, 1 mittauspiste/päivä ennuste kellotila Kellojen kohinamalli mittausten kohinamalli mittaukset Haasteita M tuntematonta tilavektoria, M-1 mittausta BIPM Circular-T ohjaus Kellojen vaihe/taajuus hypyt, aikalinkkien viat, laitteistoviat Outlier-detection Kellomallin kohinalähteiden mallinnus Adaptiivinen kohinamalli joka mukautuu kellotyypin mukaan 21/11/

11 Kelloverkon algoritmit Taajuus Taajuuden muutos KF, ei ohjausta KF, ohjattu ~300 pv 21/11/2018 VTT beyond the obvious 11

Kelloverkon Sovellukset Satelliittijärjestelmien uhkakuvat Häirintä Harhautus Hajautettu mittausjärjestelmä/tutka Satelliittiriippumaton paikka ja aika

12 Kelloverkon Sovellukset Satelliittijärjestelmien uhkakuvat Häirintä Harhautus Hajautettu mittausjärjestelmä/tutka Satelliittiriippumaton paikka ja aika Vaihtoehtoiset PNT-lähteet Pseudoliitit LF-radiolähete 21/11/2018 VTT beyond the obvious 12 [Satellite-derived Time and Position: A Study of Critical Dependencies]

13 Kelloverkon Visio mittanormaalilaboratorio Teleoperaattori? Internet Exchange? Sähköverkko-operaattori? Yhteensä 10+ atomikelloa Tieteellinen laboratorio mittanormaalilaboratorio Haasteet: Epäsymmetriset verkko-yhteydet Tietoturva Asennusten turvallisuusluokitus Tilojen lämpötila/kostes jne. ymäristö-olosuhteet Hajautettu tarkka aikapalvelu: Televerkot Sähköverkot E-kauppa Jne. muut käyttäjät 21/11/2018 VTT beyond the obvious 13

14 Jatkosuunnitelmat / Status Kelloverkon rakentaminen Jatkuu yhteistyökumppanien kanssa 10 kellon verkko on jo olemassa Vähäkohinaiset komponentit WR low-jitter switch testissä Otaniemi-Metsähovi linkillä. Ohjelmistoradiopohjainen vaihevertailija testausvaiheessa. DDS-pohjainen microstepper testausvaiheessa Kellojoukkoalgoritmi Matlab toteutus perustuen oikeaan mittausdataan Työn alla: ohjaus, outlier-detection, adaptiivinen kohinamalli. Käyttöönotto kelloverkossa loppuvuodesta > algoritmin testijakso 2019 alussa.

15 Kiitos. 21/11/2018 VTT beyond the obvious 15

Samankaltaiset tiedostot

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Hajautetut vikasietoiset kelloverkot

TIIVISTELMÄRAPORTTI. Hajautetut vikasietoiset kelloverkot 2018 / 2500M-0099 ISSN 1797-3457 (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) 978-951-663-049-9 TIIVISTELMÄRAPORTTI Hajautetut vikasietoiset kelloverkot Anders Wallin (anders.wallin@vtt.fi), Thomas Lindvall, Kalle Hanhijärvi,