[논문]정밀 시각 프로토콜 동기 성능 평가

이영규; 양성훈; 이창복; 이종구; 박영미; 이문석

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0025

문제 정의

본 논문에서는 PTP (Precise Time Protocol) 방식을 이용하여 종속 클락의 시각을 주 클락의 시각에 동기 시킬 때의 시각동기 성능에 대해서 논하였다. 이를 위해서 먼저 이론적인 동기 성능에 대해서 살펴보았고, 다음으로는 상용으로 제공되는 PTP 모듈을 이용한 동기 실험 결과에 대해서 나타내었다.
위에서 살펴 본 것과 같이 기존의 NTP 방식을 이용한 시각동기보다 더 우수한 성능이 필요한 곳에서는 PTP 방식을 사용해야하고 이의 응용분야는 갈수록 확대되어 가고 있는 추세이다. 본 논문에서는 전송지연 불확도 및 클락 드리프트의 값이 평균 0인 가우시안 분포를 갖는다는 가정하에서 PTP 방식을 사용하였을 때의 이론적인 성능에 대해서 분석하였다. 또한 상용으로 제공되는 PTP 모듈을 사용하여 동기 실험을 수행한 결과에 대해서 분석하였다.

가설 설정

먼저, 이론적인 성능 분석은 3 가지 종류의 오실레이터, 즉 수정 오실레이터(XO: Crystal Oscillator), 온도 보상된 오실레이터(TCXO: Time Compensated XO) 및 오븐 제어된 오실레이터(OCXO: Oven Controlled XO)에 대해 전송지연 불확도 및 클락 드리프트가 평균이 0인 가우시안 잡음을 갖는다는 가정하에서 수행하였다. 분석 결과를 요약하면, 첫 번째로 XO 레벨의 클락을 사용할 경우에는 재동기 주기가 성능에 지대한 영향을 미치며, 재동기 주기가 2 초 이내 및 전송지연 불확도가 100 ns 이내인 경우에 있어서는 PTP 방식에서 요구하는 1 us 이하의 성능을 만족하는 것을 관찰할 수 있었다.
성능의 모의실험을 위해서 δ와 ρ 는 모두 평균 0인 백색 가우시안 확률분포 (PDF: Probability Density Function)를 갖고 ρ 에 대한 추정치는 1 %의 에러를 갖는다고 가정하였다.

제안 방법

다음으로, PTP 모듈을 이용하여 구할 수 있는 실제적인 성능을 분석하기 위해서 상용으로 제공되는 모듈을 사용하여 동기 실험을 수행하였다. 상용 모듈을 이용한 동기 실험에서는 주 클락에 하나의 종속 클락을 랜 케이블을 이용하여 직접 연결, 하나의 허브를 통한 연결 및 두 개의 허브를 통해서 연결하였을 때의 성능에 대해서 고찰하였다.
동기 주기의 선택은 PTP 표준에서 정하고 있는 동기 메시지 재전송의 주기 log2(1/2128) ∼log2127 초 이내 및 동기 프로세스가 수십 ms 이상이 소요될 수 있다는 점을 고려하여 설정하였다[1].
본 논문에서는 전송지연 불확도 및 클락 드리프트의 값이 평균 0인 가우시안 분포를 갖는다는 가정하에서 PTP 방식을 사용하였을 때의 이론적인 성능에 대해서 분석하였다. 또한 상용으로 제공되는 PTP 모듈을 사용하여 동기 실험을 수행한 결과에 대해서 분석하였다.
모의실험은 동기 주기(Tp)가 0.2에서 2 초 사이에서 변하고 전송지연 불확도(δ)가 5에서 100 나노초 사이에서 변할 때에 대해서 수행 되었다.
본 장에서는 상용으로 제공되는 PTP 모듈을 이용해서 동기 실험을 수행한 결과 및 이의 성능에 대해서 분석한다.
다음으로, PTP 모듈을 이용하여 구할 수 있는 실제적인 성능을 분석하기 위해서 상용으로 제공되는 모듈을 사용하여 동기 실험을 수행하였다. 상용 모듈을 이용한 동기 실험에서는 주 클락에 하나의 종속 클락을 랜 케이블을 이용하여 직접 연결, 하나의 허브를 통한 연결 및 두 개의 허브를 통해서 연결하였을 때의 성능에 대해서 고찰하였다. 동기 실험 결과, 첫 번째로 모든 경우에 있어서 히스토그램이 근사적으로 가우시안 모양을 하고 있음을 관찰할 수 있었다.
주 클락과 종속 클락 사이의 시각차 값은 자동적으로 PC에 저장되며 이를 통해서 동기 성능을 분석할 수 있다. 실험은 그림 6에 나타낸 것과 같이 먼저 종속 클락을 주 클락에 직접 연결한 상황에 대해서 수행하였고, 다음으로 하나의 허브 및 2 개의 허브를 통해서 연결한 상황에 대해서 수행하였다.
본 논문에서는 PTP (Precise Time Protocol) 방식을 이용하여 종속 클락의 시각을 주 클락의 시각에 동기 시킬 때의 시각동기 성능에 대해서 논하였다. 이를 위해서 먼저 이론적인 동기 성능에 대해서 살펴보았고, 다음으로는 상용으로 제공되는 PTP 모듈을 이용한 동기 실험 결과에 대해서 나타내었다.

성능/효과

상용 모듈을 이용한 동기 실험에서는 주 클락에 하나의 종속 클락을 랜 케이블을 이용하여 직접 연결, 하나의 허브를 통한 연결 및 두 개의 허브를 통해서 연결하였을 때의 성능에 대해서 고찰하였다. 동기 실험 결과, 첫 번째로 모든 경우에 있어서 히스토그램이 근사적으로 가우시안 모양을 하고 있음을 관찰할 수 있었다. 두 번째로, 허브의 개수가 증가하면 대체적으로 최대 시간간격 에러(MTIE: Maximum Time Interval Error) 값이 증가하고 모든 경우에 있어서 1000 초의 관측 시간에 대해 110 ns 이내의 값을 가짐을 관찰하였다.
4 ns이고 이는 가우시안 확률분포를 가정할 때 68 %의 확률로 대략 15 ns 이내의 시각동기가 가능하다고 추정할 수 있음을 의미한다. 두 개의 허브를 통해서 연결 되었을 경우에도 평균 17.8 ns에 표준 편차가 10.8 ns로 68 %의 확률로 대략 50 ns 이내의 시각동기가 가능함을 알 수 있다. 다음으로 전송지연의 경우에 대해서 살펴보면, 직접 연결의 경우에 있어서 평균 값은 수백 ns에 이르지만 표준편차가 1.
첫 번째로, XO 레벨 클락에 있어서 재동기 주기가 2 초 이내 및 전송지연 불확도가 100 ns 이내인 경우에 있어서는 PTP 방식에서 요구하는 1 us 이하의 성능을 보이는 것을 관찰할 수 있다. 두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있다. 세 번째로, OCXO 레벨의 클락을 사용하면 2초 이내의 모든 재동기 주기에 대해서, 전송지연 불확도가 15 ns 이내일 때에는 30 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 알 수 있다.
분석 결과를 요약하면, 첫 번째로 XO 레벨의 클락을 사용할 경우에는 재동기 주기가 성능에 지대한 영향을 미치며, 재동기 주기가 2 초 이내 및 전송지연 불확도가 100 ns 이내인 경우에 있어서는 PTP 방식에서 요구하는 1 us 이하의 성능을 만족하는 것을 관찰할 수 있었다. 두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있었다. 세 번째로, OCXO 레벨의 클락을 사용하면 2초 이내의 모든 재동기 주기에 대해서 전송지연 불확도가 15 ns 이내일 때에는 30 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 관찰할 수 있었다.
첫 번째로, 모든 경우에 있어서 히스토그램이 근사적으로 가우시안 모양을 하고 있음을 알 수 있고, 따라서 이동 평균과 같은 방법을 사용하여 출력 값을 필터링 한다면 더욱 좋은 성능을 얻을 수 있음을 추론할 수 있다. 두 번째로, 연결되는 허브의 수가 증가함에 따라서 데이터가 평균에서 넓게 퍼져 있음을 알 수 있으며, 이는 분산 값이 커지기 때문에 필터링 효과가 다소 감소 할 수 있음을 의미한다.
동기 실험 결과, 첫 번째로 모든 경우에 있어서 히스토그램이 근사적으로 가우시안 모양을 하고 있음을 관찰할 수 있었다. 두 번째로, 허브의 개수가 증가하면 대체적으로 최대 시간간격 에러(MTIE: Maximum Time Interval Error) 값이 증가하고 모든 경우에 있어서 1000 초의 관측 시간에 대해 110 ns 이내의 값을 가짐을 관찰하였다. 또한 직접 연결했을 경우에는 관측 시간 1000 초 이내에서 90 ns 이하로 동기 시킬 수 있음을 볼 수 있었다.
세 번째로, OCXO 레벨의 클락을 사용하면 2초 이내의 모든 재동기 주기에 대해서, 전송지연 불확도가 15 ns 이내일 때에는 30 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 알 수 있다. 마지막으로, XO 레벨의 클락은 재동기 주기에 의해서 그리고 OCXO 레벨의 클락에 있어서는 전송지연 불확도의 변동에 의해서 성능에 큰 영향을 받는다. 따라서 XO 레벨의 클락을 이용하여 PTP 알고리즘을 적용할 경우에는 재동기 주기를 짧게 가질 수 있도록 하고, OCXO 레벨의 클락을 사용할 경우에는 허브나 라우터의 사용을 가급적이면 피하고 최소 개수의 허브를 사용하며, 알고리즘 수행을 위한 전용 통신 라인을 설치하는 등 전송지연 불확도를 최소화할 수 있는 방향으로 시스템을 설계하도록 해야 한다.
표 3에는 각각의 경우에 대한 위상 오프셋 및 전송지연 값에 대한 평균과 표준편차 값을 나타내었다. 먼저 표에 나와 있는 위상 오프셋 값에 대한 특성에 대해서 살펴보면, 직접 연결 했을 경우에는 평균 4.0 ns에 표준편차 8.4 ns이고 이는 가우시안 확률분포를 가정할 때 68 %의 확률로 대략 15 ns 이내의 시각동기가 가능하다고 추정할 수 있음을 의미한다. 두 개의 허브를 통해서 연결 되었을 경우에도 평균 17.
먼저, 이론적인 성능 분석은 3 가지 종류의 오실레이터, 즉 수정 오실레이터(XO: Crystal Oscillator), 온도 보상된 오실레이터(TCXO: Time Compensated XO) 및 오븐 제어된 오실레이터(OCXO: Oven Controlled XO)에 대해 전송지연 불확도 및 클락 드리프트가 평균이 0인 가우시안 잡음을 갖는다는 가정하에서 수행하였다. 분석 결과를 요약하면, 첫 번째로 XO 레벨의 클락을 사용할 경우에는 재동기 주기가 성능에 지대한 영향을 미치며, 재동기 주기가 2 초 이내 및 전송지연 불확도가 100 ns 이내인 경우에 있어서는 PTP 방식에서 요구하는 1 us 이하의 성능을 만족하는 것을 관찰할 수 있었다. 두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있었다.
두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있었다. 세 번째로, OCXO 레벨의 클락을 사용하면 2초 이내의 모든 재동기 주기에 대해서 전송지연 불확도가 15 ns 이내일 때에는 30 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 관찰할 수 있었다.
두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있다. 세 번째로, OCXO 레벨의 클락을 사용하면 2초 이내의 모든 재동기 주기에 대해서, 전송지연 불확도가 15 ns 이내일 때에는 30 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 알 수 있다. 마지막으로, XO 레벨의 클락은 재동기 주기에 의해서 그리고 OCXO 레벨의 클락에 있어서는 전송지연 불확도의 변동에 의해서 성능에 큰 영향을 받는다.
여기에서 특이 하다는 표현을 사용한 것은 일반적으로 생각할 수 있는 통념과는 다른 현상을 실제적인 실험을 통해서 발견하였다는 것을 의미한다. 즉, 1 개의 허브를 사용하였을 때보다 2 개의 허브를 사용하였을 때 통계적인 평균과 표준편차의 값이 동시에 증가하여야만 하는 것이 직관적으로 통용될 수 있는 일반적인 현상인데, 반드시 그렇지만은 않다는 것을 관측하였다는 것을 말한다. 이는 평균적인 지연은 또 하나의 장치를 사용하여서 더욱 커질 수 있지만 안정도 측면에서는 이러한 전체 평균값에 대해 개별적으로 측정된 각각의 데이터의 편차가 오히려 작아지는 방향으로도 작용할 수도 있음을 나타내는 것이다.
그림을 통해서 관측한 사항들을 요약하면 다음과 같다. 첫 번째로, XO 레벨 클락에 있어서 재동기 주기가 2 초 이내 및 전송지연 불확도가 100 ns 이내인 경우에 있어서는 PTP 방식에서 요구하는 1 us 이하의 성능을 보이는 것을 관찰할 수 있다. 두 번째로, TCXO 레벨의 클락을 사용하면 동기 주기가 2 초 이내이고 전송지연 불확도가 50 ns 이내일 경우에는 대략 100 ns 이하의 동기를 이룰 수 있음을 볼 수 있다.
첫 번째로, 모든 경우에 있어서 히스토그램이 근사적으로 가우시안 모양을 하고 있음을 알 수 있고, 따라서 이동 평균과 같은 방법을 사용하여 출력 값을 필터링 한다면 더욱 좋은 성능을 얻을 수 있음을 추론할 수 있다.
따라서 이러한 이상 데이터를 제외하고 통계 처리를 하는 것이 오히려 더 높은 신뢰성을 부여할 수 있게 되는 것이다. 한 가지 예로써, 직접연결의 경우에 있어서 클락이 안정화되는 5,000 초 이상의 데이터에서부터 시작하고 10,750 ~ 10,850 사이의 데이터에 대해서 이를 이상데이터로 처리해서 평균 값(또는 중간 값)으로 대체할 수 있다고 가정한다면, 대략 30 ns 정도의 MTIE 값을 보이며 이는 기존의 90 ns와 비교할 때 3 배 이상으로 성능이 향상되어질 수 있음을 보여주는 것이다.

후속연구

본 논문에서 구해진 결과는 통신망 동기 또는 실내 측위를 위한 시각동기 분야에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정밀한 클락 동기를 요구하는 PTP 시각 동기의 응용 분야는?	∙ 통신 노드 사이의 정밀한 시각동기를 요구하는 시각(time)에 민감한 원거리 통신 서비스 ∙ 자동화된 조립 프로세스를 제어하기 위한 분산 제어망의 센서 및 작동장치에 대해서 정밀 시각 동기가 필요한 산업용 망 허브 ∙ 전력의 유연한 전송이 가능하도록 하기 위해 넓은 범위에 걸쳐 분산된 전력 그리드 허브를 통한 동기가 필요한 전력선 망 ∙ 서로 다른 다양한 운영 환경 하에서 테스트를 하기 위해 정확한 동기를 유지해야만 하는 실험 및 측정 장비
	IEEE1588 표준은?	IEEE1588 표준은 네트워크를 이용하는 측정 시스템을 위한 정밀 시각 프로토콜(PTP: Precise Time Protocol)이다. IEEE1588 PTP 방식은 이더넷 망을 통해서 분포된 클락들이 타임 스탬프된 메시지를 교환하는 프로세스를 사용하여 정확하게 동기될 수 있도록 해준다[1,2].
	IEEE1588 PTP 방식의 특징은?	IEEE1588 표준은 네트워크를 이용하는 측정 시스템을 위한 정밀 시각 프로토콜(PTP: Precise Time Protocol)이다. IEEE1588 PTP 방식은 이더넷 망을 통해서 분포된 클락들이 타임 스탬프된 메시지를 교환하는 프로세스를 사용하여 정확하게 동기될 수 있도록 해준다[1,2]. 일반적으로 PTP 방식을 이용하면 정밀한 타임스탬프를 사용하여 수 나노초 이하로 측정된 값을 기록하는 것이 가능하고 기존의 네트워크 시각 프로토콜(NTP: Network Time Protocol) 보다 더욱 정밀한 동기 성능을 제공할 수 있다.

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