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IEEE1588在降低成本和风险的同时提高了计时性能

2022-04-28 来源:义乌市机械信息网

IEEE 1588在降低成本和风险的同时提高了计时性能

GPS和GNSS已经成为网络定时的标准,但是它们存在安全问题。主时钟和IEEE 1588可降低风险并降低安装成本。

全球导航卫星系统(GNSS)提供了网络正确运行并无缝协调语音,数据和视频流量的关键基本参考时钟中国机械网okmao.com。网络与这些时钟同步,然后在整个网络中分配这些时钟。尽管GNSS可以提供可靠而准确的时序,但它们存在一些问题,尤其是在应用于5G mmWave安装时。

每个GNSS卫星都包含多个高精度原子钟,这些原子钟为GNSS信号提供了精确的时间数据。GNSS接收器对来自多个卫星的这些信号进行解码,从而将每个接收器与卫星中的原子钟同步。以此方式,GNSS接收器可以将时间精确定位为优于10 -9秒,而无需昂贵的本地原子钟。除了通信网络外,GNSS定时还可以为电网,证券交易所,数据中心,公共安全网络,海上运输和航空业提供精确的操作。全世界有多个GNSS网络,包括美国的GPS卫星网络,在中国运行的北斗导航卫星系统,在欧盟运行的伽利略和在俄罗斯运行的全球导航卫星系统(GLONASS)。

但是,与GNSS相关的网络安全风险和技术挑战不断增加。首先,GNSS信号很容易被干扰。对于低于$ 100,黑客可以购买GPS干扰与或模拟GNSS信号干涉(图1)。例如,2019年在特拉维夫本古里安(Ben Gurion)机场附近飞行的几架飞机报告其卫星导航系统受到干扰,阻止其着陆并起飞,直到威胁被隔离为止。尽管此类故意的干扰事件可能成为头条新闻,但也可能发生意外干扰,例如由于故障设备辐射意外信号而引起的干扰,对GNSS可用性产生相同的影响。

图1. GNSS / GPS干扰器插入USB端口和车辆附件插座。

与GNSS相关的另一种网络安全威胁是欺骗,该欺骗利用目标附近的无线电发射器发出伪造的GNSS信息,从而干扰其运行。GNSS信号的信号强度相对较低,因此容易受到这种故意干扰的影响。2019年,数十艘在黑海中航行的船只报告接收到错误的位置数据,报告这些船只距离其真实位置多达25-30英里。该地区使用GNSS进行计时的任何设备都将关闭100微秒以上,这对于电信网络来说是一个巨大的错误。这种欺骗性攻击后来归因于俄罗斯的军事黑客入侵,破坏了全球导航系统。

GNSS技术还带来了多个技术和实践挑战。GNSS需要同步到四颗或更多颗卫星,以准确查明每个接收器的位置并恢复精确的时间,这一过程称为三边测量。在纽约等主要大都市中心,天际线点缀着摩天大楼和其他可能阻挡无线信号的建筑物。在人口稠密的城市环境中,甚至在室内,尤其是在室内,并非总是能够与足够的GNSS卫星建立直接的视线连接。从在精心设计的位置使用广泛分布的宏基站到在5G部署中使用密集的小型蜂窝这一转变已成为一个日益严重的问题。此外,对于某些应用程序而言,安装和运行GNSS设备的成本可能过高。

随着无线通信行业从4G转向5G,网络同步要求变得越来越严格。大多数4G无线电接入网络(RAN)依靠频分双工(FDD)技术,该技术要求基站频率同步到±50 ppb以内。5G基于更具成本效益和频谱效率更高的时分双工(TDD)技术,该技术要求基站的时间(频率和相位)同步达到绝对时间误差在±1.5 μsec之内。诸如协调多点(CoMP)之类的新应用程序最大限度地减少了基站之间的干扰,而紧急服务的位置定位则要求更严格的时间同步,以使相对时间误差小于= 1微秒。通过降低成本推动5G功能的虚拟化和集中化,进一步推动了需求,

在所有5G RAN站点上安装GNSS的成本并不现实。由于与GNSS相关的网络安全漏洞的数量不断增加,正在专门构建5G RAN和传输网络以减少对GPS / GNSS的依赖。这些网络将不再使用GNSS,而是将越来越多地使用基于IEEE 1588数据包的网络同步。IEEE 1588-2008或精确时间协议(PTP)是基于分组的双向消息交换协议,用于在以太网上共享精确的时序信息。

PTP的主要好处是安全性。可以对数据进行加密,并且可以在网络上传输关键的定时和同步数据,从而大大降低了与GNSS干扰和欺骗相关的网络安全风险。IEEE 1588不能完全替代GNSS –它不能提供时间,只能传输时间(图2)。但是,它的确让一个GNSS接收器为多个设备提供了时间,从而降低了成本和部署挑战。通过包括多个地理位置较远的GNSS接收器,IEEE 1588还减轻了干扰和欺骗的影响。

IEEE 15488握手

网络设备可以通过内部调整其时钟以补偿内部延迟,从而使用IEEE 1588将本地时钟与主要参考时钟同步。然后,可以使用通用网络拓扑(例如星型网络或网状网络),使用IEEE 1588将多个网络元素连接到通用主参考时钟。随着网络元素数量的增加,整个网络上的总时间误差也会增加。另外,由于网络不对称和可变的业务负载条件导致的数据包延迟变化进一步造成了时间误差,从而限制了可以在不超过网络时间误差预算的情况下通过PTP彼此实际连接的节点数量。仔细的网络规划和利用高性能时序解决方案可以帮助减轻这些限制。

5G是一个覆盖网络,已被部署为与现有遗留网络协同工作。这意味着在大多数最初的5G网络部署中,网络中的某些新元素将支持IEEE 1588,而传统设备则可能不支持。IEEE 1588标准通过允许在支持IEEE 1588的和不支持IEEE 1588的网络元素之间承载PTP流量,来适应称为“部分定时支持(PTS)”的通用情况。

现在,无线运营商越来越多地将GNSS和IEEE 1588视为补充技术。GNSS可用于在基站之间提供严格的时间精度。IEEE 1588可以提供具有成本效益的网络同步,同时减少GNSS漏洞。

许多5G网络将利用最近批准的称为辅助部分定时支持(APTS)的IEEE 1588标准,部署GNSS和IEEE 1588技术的混合。图3显示了APTS网络的示例,其中运营商将Edge Grandmaster GNSS放置在无线电接入网络的边缘。GNSS为远程无线电单元提供主要参考时钟,从而确保RAN蜂窝站点之间的高精度和紧密协调。

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