Czas i synchronizacja w telekomunikacji 5G i Przemyśle 4.0
Wraz ze smartfonami i smartwatchami zanikła potrzeba regulowania zegarków. Ufając technice, przyzwyczajono się do automatycznej synchronizacji czasu i daty z siecią GSM. Dlatego tak zaskakujący jest widok komórek, leżących obok siebie, zalogowanych do różnych operatorów, na których dostrzegamy inną godzinę na wyświetlaczach.
O ile rozbieżności minutowe nie mają dla ludzi wielkiego znaczenia, to tworzą problem dla przemysłu, wkraczającego w erę zautomatyzowanej gospodarki przyszłości. Powodów zróżnicowania czasu między operatorami jest wiele, ale muszą one zniknąć, zanim Przemysł 4.0 na dobre oprze się na rozwiązaniach 5G i całkowicie od nich uzależni. Od tego zależeć będzie bezpieczeństwo i satysfakcja użytkowników najnowszych technologii. W Industry 4.0 zależności między producentem, dostawcą a odbiorcą tworzą „inteligentny” ekosystem oparty na predykcji (przewidywaniu) kolejnych wydarzeń, tych dobrych i tych złych, i pozwalający „na czas” wdrożyć postępowanie optymalizujące lub zastępcze. Tu w realizacji spotykają się modne dziś terminy Big Data, Machine Learning i Sztuczna Inteligencja, a gwarantem poprawnego i stabilnego działania całej tej automatyki będzie czas i synchronizacja.
W telefonii 2G/3G, za wyjątkiem zapewnienia chronologii zapisu zdarzeń systemowych (LOG) oraz pomijając rolę czasu i daty w bilingach, nie było konieczności precyzyjnej synchronizacji. W starej telekomunikacji ważna była częstotliwość, niezbędna do utrzymania stabilności kanałów transmisyjnych sieci radiowej – te zaś wpływały na wydajność (przepustowość), a w konsekwencji decydowały o jakości usługi. Tylko była ona jak sekundnik w zegarku nieposiadającym wskazówek minut i godzin. Jeżeli występowały efekty takie jak echo własnego głosu w trakcie rozmowy, zrywanie połączeń lub transmisji danych podczas podróży, to były one najprawdopodobniej skutkiem niewystarczającego zgrania rozproszonych stacji bazowych (BTS) i urządzeń telekomunikacyjnych.
Sytuacja uległa poprawie z nadejściem 4G/LTE. Telekomy, instalując odbiorniki satelitarne z wzorcem czasu w węzłach i w BTSach, znacząco udoskonaliły synchronizację. Niestety, okazywało się, że coraz częściej opisywane w mediach kłopoty związane z satelitami, powodują niezgodności wskazań czasu między operatorami, a nawet zdarzało się, że różnicują go wewnątrz sieci jednej firmy. A przecież zegar w telefonie wskazuje najczęściej godzinę pobieraną z najbliższego punktu dostępowego.
Okazuje się także, że czas satelitarny nie jest uniwersalny i zależy od konkretnego systemu GNSS (Global Navigation Satelite System) oraz od rodzaju odbiornika tzn. od producenta, modelu, a niekiedy od wersji firmware’u. Różnice nie są duże, ale np. 30-40 nanosekundowa rozbieżność między amerykańskim GPS a rosyjskim GLONASS to istotna komplikacja dla telefonii 5G, a w konsekwencji dla Przemysłu 4.0.
Co prawda, operatorzy GSM posiadają też własne zegary atomowe, a to sugerowałoby, że kwestia zgodności czasu powinna rozwiązywać się samoczynnie. Niestety tak nie jest, bo nie zawsze wzorzec dociera do miejsca, gdzie loguje się telefon użytkownika. Nawet gdyby wskazania z zegarów atomowych docierały do całej infrastruktury, problem nadal by pozostawał chociaż w mniejszym stopniu. Zegary atomowe są stabilne, spóźniają się lub przyspieszają 1 sekundę raz na kilkaset lat, ale dysponują jedynie substytutem zegarowego sekundnika. Nastawienie pozostałych „wskazówek” i kalendarza wymaga ciągle GNSS.
Bez zgodności czasu na dużym obszarze, niemożliwym staje się precyzyjne strojenie pasm radiowych ani zarządzanie kanałami transmisyjnymi. Można by było ratować się wprowadzaniem dodatkowych zabezpieczeń, ale odbywałoby się to kosztem posiadanego pasma, zakupionego przecież za duże pieniądze. W konsekwencji obniżałaby się wydajność, a niestabilność zmniejszałaby szybkość transmisji oraz liczbę jednocześnie obsługiwanych abonentów, w tym urządzeń telemetrii bezprzewodowej M2M. Dlatego w telekomunikacji 5G wymagana jest bardzo dokładana synchronizacja na poziomie milionowych części sekundy (1µs – mikrosekunda). Od urządzeń synchronizacyjnych, np. produkowanych przez polską Elpromę (www.elpromatime.com) serwerów PTP IEEE1588, oczekuje się dokładności sięgających nawet rzędu miliardowych ułamków sekundy – nanosekund. Rodzima aparatura uchodzi zresztą za jedną z najlepszych i cenionych na świecie. Jest ona także lepiej dopasowana do lokalnych zagrożeń i sytuacji geopolitycznej niż produkty z Chin, Niemiec, a także z USA. Fakt ten jest istotny w aspekcie cyberbezpieczeństwa firmy telekomunikacyjnej, gdyż wiadomo, że czasem GNSS można manipulować i go destabilizować. Na przykład, w Polsce używanie prywatnych wzmacniaczy GSM może być niebezpieczne dla samej sieci i jest ograniczone prawnie, a co dopiero, gdy mamy do czynienia z profesjonalnym zakłócaniem konkretnych sygnałów GNSS (ang. jamming). W przypadku infrastruktury pracującej w oparciu o GNSS możliwy jest także atak i fałszowanie sygnału satelitarnego (ang. spoofing).
Świadomości opinii publicznej umykają także rzadkie, ale groźne awarie całych systemów satelitarnych które mogą destabilizować nie tylko 5G, ale wprost mogą wpływać na funkcjonowanie przemysłu. W 2017 r. awarii uległ system czasu GALILEO (https://spacenews.com/rash-of-galileo-clock-failures-cast-doubt-on-timing-of-upcoming-launches/ ), a latem 2019 centrum kontroli utraciło łączność z satelitami GALILEO odzyskując ją dopiero po tygodniu. Do najgroźniejszych należą także zakłócenia wewnętrzne, jak ta z dnia 26/01/2016, znana jako problem satelity nr. 23 – SVN23 (https://www.itnews.com.au/news/satellite-failure-caused-global-gps-timing-anomaly-414237), które wprowadziły na wiele godzin do całego GPS błąd 13,5 mikrosekundy. Tak duże fałszywe wskazania mogą spowodować utratę synchronizacji, co zdezorganizuje stabilność działania krytycznych struktur od telekomunikacji, przez energetykę po sektor giełdowo-finansowy. Dyskutując kwestię zagrożeń należy pamiętać też, że z wyjątkiem europejskiego GALILEO, wszystkie pozostałe systemy, tzn. amerykański GPS, rosyjski GLONASS, chiński BEIDOU, indyjski IRNSS, to infrastruktura wojskowa niemogąca zapewnić usługi w sytuacjach kryzysowych.
Dlatego też od kilku lat, w wielu krajach, coraz częściej buduje się specjalnie wydzielone, zapasowe centra czasu. Stanowią one alternatywne, dla satelity, źródło czasu. Po podłączeniu światłowodem do centrum, użytkownicy, m.in. operatorzy 5G (a poprzez nich beneficjenci Industry 4.0), energetyka smart-grids czy instytucje finansowe, otrzymują atomowy cezowy wzorzec czasu w formie czasu „z gniazdka” (TaaS – Time-as-a-Service). Zastępuje on bądź wspiera infrastrukturę silnie uzależnioną dziś od GNSS i używającą satelitarnego wzorca dla obecnej synchronizacji. Takie płatne usługi są już uruchomione w USA i w Wielkiej Brytanii, a w kolejnych państwach trwają prace wdrożeniowe.
Czytaj wcześniejsze artykuły:
Czas i pieniądze
Czas i energetyka
