Einheitliche Zeit- und Frequenzlösung für die intelligente Verkehrsbranche

Vereinheitlichte Zeit- und Frequenzlösungen für die intelligente Verkehrsbranche

Intelligente Verkehrslösung mit einheitlicher Zeit und Frequenz

Ein flächendeckendes präzises Zeitsystem, das die städtische Verkehrssteuerung, den intelligenten Hochgeschwindigkeitsverkehr, den Schienenverkehr und die Zusammenarbeit zwischen Fahrzeug und Straße umfasst.

Es besteht ein klarer hierarchischer Bedarf an Zeitsynchronisationsgenauigkeit innerhalb des ITS, der nach Geschäftsmerkmalen klassifiziert werden kann:

Submikrosekunden und Nanosekunden:Es eignet sich für Vehicle-to-Guideway Collaboration (V2X), partielle Gleissignalisierungssysteme, präzise Ereigniskorrelation und hochpräzise Positionsfusion.
Sub-Millisekunden und Mikrosekunden:Geeignet für die Steuerung von Signalen in Städten (Koordinierung grüner Wellen, Buspriorität), Forensik von elektronischen Polizei- und Kardinalgeräten, Abrechnung von Portalen, Erkennung von Ereignissen auf Straßenebene usw.
Millisekunden:Geeignet für Videoüberwachung, Informationsverteilung, Verwaltungsplattformen, Bürosysteme usw.

Die drei oben genannten Nachfragetypen koexistieren in ein und derselben Stadt und ein und demselben Straßennetz, und es ist nicht möglich, alle Szenarien mit einer einzigen Präzision und einem einzigen Protokoll abzudecken, so dass es notwendig ist, sie durch eine einheitliche Zeitbasis und eine hierarchische Zugangsstrategie aufeinander abzustimmen.

Typische Probleme des derzeitigen Netzes

Die folgenden Probleme sind im gegenwärtigen Netz des städtischen Verkehrsmanagements sowie bei intelligenten Autobahn- und Eisenbahnprojekten landesweit vorherrschend:

Große generationenübergreifende Spannweite der Ausrüstung

Die Core-Router und einige Aggregations-Switches unterstützen bereits PTP;
Bulk Stock Access Switches unterstützen nur die grundlegende Layer-3-Weiterleitung und nicht die PTP-Hardware-Zeitstempelung oder BC/TC-Funktionen;
Die von den Front-End-Geräten unterstützten Protokolle sind nicht einheitlich, einige unterstützen PTP, andere nur NTP oder die Zeitmessung über die serielle Schnittstelle.

Gemischte Verwendung von Zeitmessgeräten, uneinheitliche Protokollstapel

Koexistenz mehrerer Zeitsteuerungssysteme innerhalb desselben Netzes
Die Zeitquellen werden nicht einheitlich verwaltet, und es gibt Abweichungen von Sekunden und sogar Minuten zwischen den Systemen.

Mangel an einheitlichen Überwachungs-, Betriebs- und Wartungsinstrumenten

Fehlende visuelle Überwachung der Qualität der oberen Zeitquellen (BeiDou, GPS, übergeordnetes PTP);
Fehlen einer zentralen Überwachung der Abweichung und des Jitters von nachgeschalteten PTP/NTP-Clients;
Im Falle eines Ausfalls der grünen Welle, eines forensischen Streits oder einer Rechnungsbeschwerde ist es schwierig, schnell festzustellen, ob die Zeitsynchronisation die Ursache ist.

Segmentierung des Sicherheitsbereichs und Fragmentierung der Zeitbasis

Physikalische oder logische Isolierung gibt es für öffentliche Sicherheitsnetze, spezielle Videonetze, Regierungsnetze und spezielle Netze für die Zusammenarbeit von Fahrzeugen und Straßen;
Die Zeitmessgeräte werden oft unabhängig voneinander in den einzelnen Sicherheitsbereichen eingesetzt, was zu uneinheitlichen Zeitbasislinien führt;
Fehlende technische Mittel, um eine einheitliche Zeitreferenz im Zusammenhang mit dem "nicht angeschlossenen Netzverkehr" zu erreichen.

Gestaltungsprinzipien

Die Gesamtkonzeption des Programms orientiert sich an den folgenden drei Grundsätzen:Harmonisierung der Benchmarks,Stufenweiser Zugang,reibungsloser Ablauf

Gesamtstruktur

Kernschicht

Er besteht aus dem Uhrenserver T830 und bietet eine intelligente Auswahl von mehreren Referenzquellen, zwei PTP/NTP-Engines und mehrere Schnittstellenausgänge (PTP, NTP, 1PPS, 10 MHz, IRIG-B usw.);
Bietet mehrere Ethernet-Ports, alle Ports haben das gleiche Betriebssystem und die gleiche Sicherheitsgrenze, können logisch in Servicenetzwerksegmente innerhalb der gleichen Sicherheitsdomäne unterteilt werden und bieten eine einheitliche Zeitbasis für verschiedene Service-VLANs/Subnetze.

Transportschicht

Die Übertragung von PTP/NTP-Autorisierungsverkehr kann verwendet werden:
PTP-Backbone mit BC/TC-Unterstützung;
Unicast-PTP auf der Grundlage von 8275.2;
NTP in bestehenden Layer-3-Netzen.

Zugangsschicht

Für bestimmte geschäftliche Endpunkte, einschließlich:
Stadtsignale, Radar, RSUs, Portalkontrollgeräte, Gleissignalanlagen;
E-Polizei, Bajonett, Video-Frontend, PIS, AFC, Verwaltungsplattform, usw;
Wählen Sie die PTP- oder NTP-Zugangsmethode nach Servicelevel.

Teilsysteme der Industrie

Städtisches Verkehrsmanagement, intelligenter Hochgeschwindigkeitsverkehr, Schienenverkehr, Fahrzeug-Straßen-Kooperation usw. sind über ihre jeweiligen Spezialnetze oder dedizierten Netze mit der Kernschicht verbunden, um eine einheitliche Zeitreferenz zu nutzen.

Systemarchitektur

Die Kernschicht besteht aus dem Hochleistungs-Uhrenserver T830, der eine einheitliche Zeitreferenz und Multiprotokoll-Ausgabefähigkeit bietet und unter anderem folgende Hauptmerkmale aufweist

1、Multireferenzquelle und intelligente Quellenauswahl

Es werden verschiedene vorgelagerte Referenzquellen unterstützt: BeiDou-Timing-Signale, andere GNSS wie GPS, PTP der oberen Ebene (von der Gruppe oder anderswo bereitgestelltes PTP-Datum) und drahtgebundene Referenzquellen wie terrestrische 1PPS/10 MHz.

2、PTP/NTP-Dual-Engine-Architektur

PTP-Engine
- Implementierung der IEEE 1588v2 PTP Grandmaster/BC-Funktionalität auf der Grundlage von Hardware-Zeitstempeln;
- Unterstützt Multi-Domain, Multi-Profile (z. B. G.8275.1, G.8275.2) und kann unabhängige PTP-Zeitdomänen für verschiedene Geschäftsbereiche bereitstellen;
- Unterstützt konfigurierbare Parameter für Nachrichtenrate, Verzögerungsmechanismus und Priorität.
NTP-Engine
- Integrierter NTP-Server mit hoher Gleichzeitigkeit, der die gleichzeitige Zeitmessung großer Terminals unterstützt;
- Unterstützt die Kontrolle von Zugriffsquellen (ACLs) in Verbindung mit netzseitigen Sicherheitsrichtlinien.

Beide Engines nutzen dieselbe Atomuhr als lokale Zeitquelle und verwenden denselben intelligenten Algorithmus für die Auswahl mehrerer Referenzquellen, um sicherzustellen, dass die PTP- und NTP-Ausgaben auf derselben Zeitbasis liegen.

3、Multi-Netzanschluss-Ausgang

Das T830 bietet mehrere Ethernet-Ports für die logische Partitionierung von Geschäftsnetzwerksegmenten auf demselben Gerät:

Portunabhängige Konfiguration
- Jeder physische Netzwerkanschluss kann unabhängig konfiguriert werden: IP-Adresse und Subnetz, Zugangskontrollpolitik; PTP-Funktionsschalter, Profiltyp, Nachrichtenrate;
- Die Netzwerkparameter für verschiedene Ports sind unabhängig voneinander.
Isolierung der Netzwerkebene
- Alle physischen Netzwerkanschlüsse nutzen dasselbe Betriebssystem und denselben Sicherheitsbereich;
- Jeder Netzanschluss wird auf der Netzebene nur als Ausgang für Zeitdienste verwendet;

Harmonisierung der Zeitrahmen
- Der PTP/NTP-Stack für alle Ports verwendet intern die gleiche Atomuhr und den gleichen Algorithmus für mehrere Referenzquellen;
- Bereitstellung einer einheitlichen Zeitbasis für mehrere Geschäftsnetzsegmente, die einer logischen Partitionierung unterliegen.
Erklärung über die Grenzen der Verwendung von Sicherheitsbereichen
- Ein Multi-Port-Design ist nicht dasselbe wie die physische Isolierung eines Geräts über Sicherheitsdomänen hinweg;

Für verschiedene Sicherheitsdomänen, die in der Sicherheitsspezifikation eine physische Isolierung erfordern (z. B. öffentliches Sicherheitsnetz und externes Netz), sollten T830 oder andere Isolierungsmittel in jeder Sicherheitsdomäne getrennt eingesetzt werden, und das Timing sollte nicht von einer einzigen T830 gleichzeitig für alle Domänen bereitgestellt werden.

4. die Fähigkeit zur Zeitmessung und die Ausgabeschnittstelle

Pünktlichkeit:

Optionale thermostatische Quarze oder Rubidium-Uhren sorgen für stunden- bis tagesgenaue Zeitmessung, falls eine vorgeschaltete Referenzquelle ausfällt;
Auf der Ausgabeseite werden schrittbegrenzende und schrittweise Konvergenzstrategien verwendet, um die Auswirkungen von Zeitsprüngen auf das Geschäftssystem zu vermeiden.

Ausgang Schnittstelle:

IP-Protokoll-Ausgang: PTP, NTP;
Physikalischer Signalausgang: 1 PPS, 10 MHz, IRIG-B (Code-Typ optional);

Erfüllen Sie die Anforderungen eines multiprofessionellen Systemzugangs wie Signalisierung, Elektrizität und schwache Leistung.

Die Transportschicht ist für die Übertragung des Zeitprotokollverkehrs innerhalb desselben Sicherheitsbereichs oder routenfähigen Netzes zuständig und wird modelliert:

1 Modus A: PTP BC/TC Trunk (Multicast)

- Voraussetzung: PTP BC/TC und SyncE werden von Core-, Aggregations- und Access-Switches universell unterstützt;
- Netzwerktopologie: Core T830 als GM, Ausdehnung der PTP-Domänen nach unten durch mehrstufige BC/TC;
- Anwendbare Szenarien:
  - Neue Demonstrationsgebiete;
  - Orbitales Signalisierungsnetz;
  - Spezielle Netze, die eine Genauigkeit im Submikrosekunden- bis Nanosekundenbereich erfordern, wie z. B. spezielle Netze für die Zusammenarbeit zwischen Fahrzeugen und Straßen.

2. modus B: Unicast PTP (G.8275.2)

Bedingung: Das zwischengeschaltete Transportnetz unterstützt nur die normale Schicht-3-Weiterleitung und verfügt nicht über PTP BC/TC-Funktionen;
Netztopologie: Die T830 oder die PTP-Grenzuhr baut über G.8275.2 eine eins-zu-eins PTP-Sitzung mit dem Terminal oder der Edge-Miniclock auf. Das zwischengeschaltete Gerät übernimmt nur die IP-Weiterleitung;
Anwendbare Szenarien: städtisches Verkehrsmanagement-Bestandsnetz, Aggregation/Zugang unterstützt nicht einheitlich PTP; Hochgeschwindigkeits-Straßenabschnitte über die Privatleitung des Betreibers oder mehrstufige dreistufige Netz-Schlüsselverbindungen; Zielgenauigkeit von Mikrosekunden bis Sub-Mikrosekunden-Szenarien.

Modus C: reiner NTP-Modus

Bedingung: Das Netz ist nur in der Lage, grundlegende IP-Konnektivität zu bieten und eignet sich nicht für die Einführung von PTP;
Netzwerktopologie: Das T830 fungiert als vorgeschalteter NTP-Server, der Endpunkte oder untergeordnete NTP-Server direkt zeitlich steuert;
Anwendbare Szenarien: Videoüberwachung, Verwaltungsplattform, Bürosystem; Randgebiete, unabhängige Kreuzungen, kleine Mautstationen und andere Bereiche mit eingeschränkten Netzbedingungen;
Erfordert Zeitgenauigkeit im Millisekunden- bis Sub-Millisekundenbereich.

Die drei Verkehrsträger können in derselben Stadt oder innerhalb desselben Straßennetzes parallel existieren, wobei die Kombinationen je nach Netzbedingungen und Dienstleistungsniveau gewählt werden.

Zugangsebene zu allen Arten von Geschäftsterminals, entsprechend dem Genauigkeitsgrad und den Protokollfähigkeiten des Entwurfs der Zugangsmethode:

1. das PTP-Zugangsterminal

Einschließlich: Signalmaschine, RSU, Gleissignalanlage, Teil der Portalsteuerung, hochpräzises Radar und so weiter;

Zugriffsmethode: In Modus A-Netzen als PTP-Client für den Zugriff auf den PTP-unterstützenden Access-Switch; in Modus B-Netzen für den direkten Aufbau einer Sitzung mit der T830 oder der Border-Clock über Unicast-PTP.

2. hybride PTP/NTP-Terminals

Dazu gehören: multifunktionaler elektronischer Polizei-Hauptrechner, die Kernausrüstung des Bajonettsystems usw;

Zugriffsmethode: PTP-Zugriff für Kerngeräte; NTP-Zugriff für Peripheriegeräte, die einheitlich auf die Zeitachse des T830 verweisen.

NTP-Zugangsterminal

Dazu gehören: Kameras, PIS, AFC, Verwaltungsplattform, Büroterminals usw;

Zugriffsmethode: Zugriff auf den lokalen T830- oder untergeordneten NTP-Server über NTP-Client.

Die Zugangsschicht wird nach dem Prinzip konfiguriert:Bei kritischen Steuergeräten hat PTP Vorrang, bei Aufzeichnungs- und Anzeigegeräten NTP, und alle Terminals sind so vereinheitlicht, dass sie auf einige wenige T830-Knoten oder die ihnen untergeordneten Server als Upstream-Uhrquelle verweisen..

Topologie des städtischen Straßenverkehrs

In dieser Topologie wird PTP Unicast für den direkten Front-End-Zugang für Signalkontrolldienste (Tier 1) und NTP konvergierter Zugang für elektrische Polizei-/Videodienste (Tier 2/3) verwendet.

Das Szenario des städtischen Verkehrsmanagements lässt sich anhand der Netztopologie in vier Ebenen unterteilen:

Zentrale Computerraum-EtageRaum der Kommandozentrale der Verkehrspolizei, Einsatz des T830, Zugang zum zentralen Switch.
Regionale KonvergenzschichtAggregations-Switches für Zweigstellen oder regionale Unterzentren, von denen die meisten nur Layer-3-Weiterleitungsgeräte sind, wobei einige neuere Geräte PTP unterstützen.
ZugangsschichtEine große Anzahl von Access-Switches in Straßen-/Kreuzungsschränken sind Standardgeräte, die PTP nicht unterstützen.
EndschichtSignalmaschine, Radar, elektronisches Polizei-Front-End, Bajonett-Front-End, Kamera, Intelligenztafel, usw.

Intelligente Hochgeschwindigkeits-Dreistufen-Kaskadenarchitektur

Entsprechend dem Betriebs- und Wartungsmanagement und dem Netzlayout wird bei intelligenten Hochgeschwindigkeitsstrecken meist die dreistufige Topologie "Provinzzentrum - Straßenabschnittszentrum - Mautstelle/Gateway" verwendet. Das Zeitsteuerungssystem folgt dieser Topologie für die Kaskadierung:

1. auf Ebene der Provinzzentren

Stellen Sie das Provincial Centre T830 in den Hochgeschwindigkeits-Gruppen-Rechenzentren der Provinz auf:
Upstream-Zugang zu Beidou/GPS, überlegenes PTP oder 1PPS/10 MHz;
Der Downstream stellt PTP/NTP für jedes Segmentzentrum über das private IP-Netz der Gruppe oder das Transportnetz bereit.

2. mittlere Ebene des Straßenabschnitts

In jedem Straßenmanagementzentrum wird ein T830 eingesetzt:
Der Uplink fungiert als PTP-Client oder NTP-Client, der mit dem Provincial Centre T830 getaktet ist;
Der Downlink dient als Hauptuhr für diesen Abschnitt und liefert PTP/NTP für die Mautstellen und -brücken.

3. die Baustellenebene (Mautstelle / Portal / Servicebereich / Maschinensaal am Tunneleingang)

Die Computerräume der Mautstellen sind über Standleitungen oder Glasfaserkabel mit dem Netz der Straßenabschnittszentren verbunden;
Die Portalsteuerungen, Fahrspursteuerungen und das Video-/Managementsystem der Station sind über einen lokalen Switch mit dem Computerraum der Mautstation verbunden;
Die Tunnelportalschränke sind über Glasfaserkabel mit dem nächstgelegenen Maschinenraum der Mautstation verbunden.

Intelligente Hochgeschwindigkeits-Dreistufen-Kaskadenarchitektur

Architektur des Eisenbahntaktsystems

Herkömmliche Stand-alone-Mutteruhrsysteme gibt es auf bestehenden Linien oder in Erweiterungs- und Renovierungsszenarien:

Die Entwicklung der T830 zu einer erstklassigen Hauptuhr, die eine herkömmliche Hauptuhr ersetzt, kann wie folgt erreicht werden:
1. Anfangsphase: Die ursprüngliche primäre Hauptuhr bleibt in Betrieb, das T830 stellt dafür eine vorgelagerte Uhr in Form von IRIG-B oder 1PPS bereit, um den reibungslosen Austausch von "Hauptuhr zu Hauptuhr" zu ermöglichen;
2. Übergangsphase: Neue Bahnhöfe oder neue Streckenabschnitte verwenden direkt T830 als primären Haupttakt, alte Strecken behalten den ursprünglichen sekundären Haupttakt bei, einheitliche Taktung von T830;
3. Abschlussphase: Vollständige Umstellung auf das T830-System und Außerbetriebnahme des alten Hauptuhrensystems.

Beibehaltung der Topologie "einheitliche primäre Hauptuhr, Verteilung der sekundären Hauptuhr" während des gesamten Lebenszyklus, ohne Änderung der ursprünglichen Sicherheitsklassifizierung und des Schnittstellenmodus des Schienenverkehrs.

Fahrzeug-Schaltkreis-Uhrensystem

Das Fahrzeug-Straßen-Kollaborationssystem besteht aus einer Demonstrationsgebietsleitstelle, einer straßenseitigen Einheit (RSU), einem MEC, Sensoren und Fahrzeugterminals mit der folgenden Zeitbereichstopologie:

Das T830 wird im Leitstellenraum als Taktgeber für das VRS-Dienstnetz eingesetzt;
Das T830 ist mit dem dedizierten Netz für die Zusammenarbeit zwischen Fahrzeug und Straße über einen unabhängigen Dienstenetzanschluss verbunden, der keine L2/L3-Weiterleitung mit anderen Dienstenetzanschlüssen im Gerät vornimmt und eine logische Partition auf der Netzebene bildet;
Switches in der Leitstelle, Aggregations-Switches und straßenseitige Zugangs-Switches bilden das PTP-Fähigkeitsnetz;
RSUs, MECs und einige hochpräzise Sensoren treten dem Zeitbereich als PTP-Clients bei.

Die T830-Multiport-Fähigkeit wird zur Unterscheidung verschiedener Servicenetzsegmente verwendet, und alle Netzwerk-Ports haben dasselbe Betriebssystem und dieselbe Sicherheitsgrenze. Bei unterschiedlichen Sicherheitsdomänen (z. B. Fahrzeug-Straßen-Kooperationsnetz und andere Dienstnetze) liegt die Isolierung in der Verantwortung der Netz- und Sicherheitsausrüstung der oberen Schicht, und dieses Gerät übernimmt keine physischen Isolierungsfunktionen.

Checkliste zur Konfiguration

Konfigurationsebene	Typische Anwendungsszenarien	T830 Konfiguration (dual oder nicht, Quarz-Typ)	Switch/PTP-Anforderungen	Typische Zeitmuster	Typische End-to-End-Zeitgenauigkeit
Flaggschiff	Provinziale Zentren, Zentren für Hochgeschwindigkeitsgruppen, kommunale Verkehrspolizeizentren, OCCs für den Schienenverkehr, Zentren für die Koordinierung von Fahrzeug und Straße zu Demonstrationszwecken	Einsatz mehrerer Computer (Master/Standby oder Dual-Master), Atom- oder Rubidium-Taktung, logische Partitionierung von Multi-Service-Ports (Signalisierungs-/Video-/Management-Segmente innerhalb desselben Sicherheitsperimeters)	Kern-/Aggregations-/Kritische-Zugangs-Switches unterstützen PTP BC/TC und SyncE; das vollständige PTP-Netz wird für die Zusammenarbeit zwischen den Fahrzeugkreisen und die Signalsysteme verwendet	PTP (Multicast/BC) primär, Unicast ergänzend, NTP und IRIG-B/1PPS parallele Ausgänge	Mikrosekunde: 1-5 μs (Zusammenarbeit zwischen Fahrzeug und Straße, Gleissignalisierung); Millisekunde: 1-5 ms (Signalsteuerung, Schilderbrücken); NTP-Terminal 10-50 ms
Hauptstrom (eines Flusses)	Verkehrsüberwachungsunterzentren auf Bezirks- und Kreisebene, Zentren für die Verwaltung von Straßenabschnitten, Zentren für große Mautstationen, allgemeine städtische Demonstrationsstraßenabschnitte	Einzelne T830, Rubidium-Uhr oder hochstabile Quarz-Zeitmessung, logische Partitionierung von Multi-Service-Ports (Front-End/Plattform usw. Segmente innerhalb desselben Sicherheitsperimeters)	Kern-/Teilaggregations-Switches unterstützen PTP BC/TC; die Zugriffsschicht kann aus gewöhnlichen Layer-3-Switches bestehen; Schlüsselknoten können direkt mit Unicast PTP verbunden werden	Kernschicht PTP (Multicast/BC) + Zugangsschicht Unicast PTP + NTP Hybrid	Key-PTP-Endgeräte 10 μs bis 1 ms; Unicast-PTP-Endgeräte 1-5 ms; NTP-Endgeräte 10-50 ms
Wirtschaft	Randmautstellen, kleine, eigenständige Schaltschränke, abgelegene Servicebereiche, örtlich begrenzte alte Bereiche	Einzelne T830, normale temperaturkompensierte Quarzzeitmessung, einzelner Netzwerkanschluss oder eine kleine Anzahl von Netzwerkanschlüssen (keine Segmentaufteilung erforderlich)	Vorhandene Switches müssen nur die grundlegende IP-Weiterleitung unterstützen, keine PTP-Anforderungen	Reine NTP-Zeitmessung (mit einer kleinen Anzahl von 1PPS/IRIG-B-Ausgängen)	Die Zeitabstände zwischen den Terminals konvergieren auf 10-100 ms für den Log-Abgleich und grundlegende forensische Untersuchungen

Unter der Prämisse einer einheitlichen Uhrenreferenz wird in diesem Programm T830 verwendet, um eine Zeit- und Frequenzsystemarchitektur mit "einheitlicher Basis, Multimode-Schnittstelle und optimalem Algorithmus" aufzubauen: Durch die hierarchische Topologie von Mutteruhr/Segmentzentrum/Regionalknoten kann je nach den geschäftlichen Anforderungen in abgestufter Weise auf PTP, NTP, IRIG-B und 1PPS zugegriffen werden, so dass die Zeitsynchronisationsgenauigkeit von Schlüsseldiensten auf die Ebene von Mikrosekunden bis Millisekunden konvergiert werden kann, ohne dass das gesamte Netz umgestellt werden muss. Unter der Bedingung, dass nicht das gesamte Netz umgewandelt werden muss, wird die Zeitsynchronisationsgenauigkeit von Schlüsseldiensten auf die Ebene von Mikrosekunden bis Millisekunden konvergiert, wodurch eine technisch realisierbare Zeitvereinheitlichungslösung für das städtische Verkehrsmanagement, den intelligenten Hochgeschwindigkeitsverkehr, den Schienenverkehr und die Fahrzeug-Straßen-Koordination geschaffen wird.