Ethernet TSN（4）時分割多重における時刻精度

【1】1マイクロ秒以下の時刻精度

時分割多重を実現するためには、スイッチなどの伝送装置や、システム構成によっては送受信ノードの時刻同期が必要だ。同じ時刻に全てのスイッチやノードが、一斉に時間帯を切り替えることで時分割多重が実現できる。時分割多重と時刻同期を切り離すことはできない。時刻同期の重要ポイントは「時刻精度」だ。図1 の様に時刻誤差が大きいと、本来 CDT-1 で転送されるフレームが、 CDT- 2 で転送され想定外の遅延が発生する。産業用イーサネットで一般的な、サイクル時間が1ミリ秒、 CDN 時間帯が250マイクロ秒のケースでは、誤差は数マイクロ秒以下に抑えたい。

通信規格を審議・制定する ITU-T では、表1 の時刻精度クラスを規定している。精度レベル1~3 は、誤差が大きく使えない。精度レベル6は部品コストが跳ね上がる。使えそうな精度レベルは、4~5の範囲だ。携帯電話網や従来の産業用イーサネットは、レベル4に準じた PTP( Precision Time Protocol )を採用している。Ethernet TSN もこれに倣いレベル4を採用し、時刻同期プロトコルも PTP をベースとした gPTP ( generalized Precision Time Protocol)を制定した。ちなみに、クライアント/サーバシステムで一般的な NTP(Network Time Protocol)は精度レベル1だ。

表2 は、ITU-T のガイドラインに沿い実際に運用されている時刻同期方式の一覧だ。電力、鉄道や通信ではPTPv2 を使用し、Ethernet TSN では、PTPv2 を簡略化(PTP の機能を削除)した gPTP を使用する。gPTP は機能を削除しすぎたきらいもあり、今後 PTPv2 の機能に近づく可能性もある。 今後の動向によっては、赤枠内の PTPv2 と gPTP の動向には注意が必要だ。実際2019年の Ethernet TSN 改定では、PTP に少し近づいている。

時刻同期技術は鉄道や電力等の様々な産業で使われている。通信用としては、IEEE1588 でイーサネット用通信プロトコルを規定し、一般的に PTP と呼ばれる。通信用のプロファイルは、ITU-T G.8265.1/G.8275.1/G.8275.2 等で規定されている。

モバイル通信網では、異なるキャリア間での多重化を実現するために、日本標準時(JST:Japan Standard Time)や協定世界時(UTC: Coordinated Universal Time)に合わせこみ、末端の携帯基地局迄の誤差時間を規定している。実際は GNSS( Global Navigation Satellite System)の時刻が基準点になる。異なるシステム間での時刻同期では、UTC や JST などの共通した時刻に合わせる必要がある。しかし、 IoT システムや車載システムの様に、他のシステムとの協調動作の必要がない場合は、システム内での時刻同期で十分で、GNSS の時刻に合わせる必要はない。

Ethernet TSN の同期時刻(タイムゾーン)と、統計情報やエラーファイルのタイムスタンプ時刻(タイムゾーン)の不一致が問題になることがある。このような場合は、2つのタイムゾーンを一致させ、GNSS 等を基準とした時刻同期が必要になる。

図3 はモバイル網(LTE)で使用されている例だ。GNSS と最終段のモバイル基地局との時間誤差は1.5マイクロ秒(1500ナノ秒)以内だ。

キャリア PTP 網の BC(第2層スイッチ)は最大10段だ。しかし、1段あたり100ナノ秒以下の時刻精度の実現は簡単ではない。高価な発信器が必要になり、過酷な環境(高温や低温)での動作は更に厳しい。今後は各BC(第2層スイッチ)の時刻精度と段数が、用途ごとに決められると予測している。ちなみに、Ethernet TSN の前身規格であるEthernet AVB では6段、車載ネットワークを意識した Ethernet TSN では3段であった。Ethernet TSN は、工場の自動化や車載分野などの用途ごとにプロファイルを変え、分野ごとに最適化する動きがある。今後は、適用する分野に応じた時刻精度や機能を確認する必要がありそうだ。