Distributed control systems based on high accurate timing synchronization

Resumen

Esta tesis se centra en las tecnologías de sincronización de alta precisión y su utilización en diferentes tipos de aplicaciones desde las instalaciones científicas hasta las infraestructuras industriales. El objetivo principal es el desarrollo de sistemas que incluyan dispositivos System-on-Chip (SoC) de nueva generación combinando capacidades de alto ancho de banda junto con protocolos de alta precisión usando una misma red. En las secciones iniciales, se presenta una revisión completa del estado del arte en relación con las técnicas de sincronización temporal considerando sus ventajas y desventajas. Algunas de ellas están basadas en señales de temporización como las ondas cuadradas o sinusoidales de 10 MHz o las de 1 pulso por segundo (PPS). Otras alternativas despliegan sistema global de navegación por satélite (GNSS) [1] con múltiples receptores creando una red de sincronización con enlaces inalámbricos. En contraste con las soluciones que incluyen señales de temporización, existen protocolos basados en paquetes estándares como el protocolo de tiempo en red (NTP) [2] [3] o el protocolo de tiempo preciso (PTP) [4] que se utilizan de forma habitual en redes con tecnología Ethernet. Sin embargo, la precisión de estas soluciones está limitada a la escala de los milisegundos y microsegundos respectivamente. Si bien es cierto que existen soluciones metrológicas que pueden proporcionar precisiones de hasta unos pocos picosegundos, estas requieren equipos muy específicos y caros y no pueden ser fácilmente adaptadas para su uso en muchas aplicaciones. En este contexto, una nueva solución estándar basada en paquetes ha surgido para solventar el problema de rendimiento en la sincronización temporal: La tecnología White Rabbit (WR) [5] [6] . Se basa en la segunda versión del PTP e incluye algunas mejoras para alcanzar una precisión en la sincronización temporal sub-nanosegundo con una estabilidad de pocos picosegundos. Actualmente, la tecnología WR ha sido integrada satisfactoriamente en muchas aplicaciones científicas especialmente en el contexto de la física de alta energía (HEP) y en infraestructuras para aplicaciones en astrofísicas como el Matriz de Telescopios de Kilómetro Cuadrado (SKA) [7] y el Matriz de telescopios Cherenkov (CTA) [8]. Posteriormente, se ha realizado el diseño y desarrollo de una nueva familia de dispositivos para sistemas WR basados en dispositivos SoC programables de nueva generación en un marco de estrecha colaboración con la industria. En este contexto, se ha utilizado una plataforma para implementar un nodo WR mejorado aprovechando la precisión de sincronización que aporta WR y, al mismo tiempo, ofreciendo características software avanzadas. Debido a la bondad de esta solución, ha sido propuesta para ser utilizada en SKA, concretamente para su sistema de distribución de PPS. Además del desarrollo, se han realizado algunas pruebas para caracterizar el sistema en términos de precisión de la sincronización, escalabilidad y los efectos en el mismo debido a las variaciones de temperatura. Dichos resultados garantizan que el sistema propuesto cumple las necesidades de SKA. Además del tema relacionado con la sincronización temporal, se han estudiado las redes de alto ancho de banda de datos y, especialmente, su aplicación a sistemas de adquisición de datos (DACQ). Estos están normalmente compuestos de muchos sensores distribuidos que generan datos que son generalmente procesados en un servidor central. En consecuencia, se deben implementar mecanismos de agregación de datos para unir distintas conexiones de red provenientes de los sensores en un solo canal para alcanzar el servidor central. Por otra parte, los sistemas DACQ también requieren un canal de comunicación completamente configurable y flexible entre el servidor central y los sensores para tareas de control y monitorización. Estos requisitos son muy específicos para las redes convencionales de alto ancho de banda que no pueden ser utilizadas de forma satisfactoria para muchos de los sistemas de DACQ. En este contexto, se ha propuesto una nueva y genérica arquitectura de red asimétrica para solventar este problema proporcionando capacidades de agregación y enrutado. Gracias a la flexibilidad y el diseño optimizado de esta solución, ha sido seleccionada para su utilización en la infraestructura de CTA, concretamente en la cámara compacta de alta energía (CHEC). En este contexto, se han realizado distintas pruebas para verificar que esta solución cumple los requisitos de CTA obteniendo unos resultados que los satisfacen de manera holgada. Además, la solución propuesta ha sido integrada satisfactoriamente en la CHEC en el Sincrotón de Electrones Alemán (DESY) [9] en un marco colaborativo con una entidad participante en el proyecto CTA. En colaboración con la industria, otra contribución importante de la tesis ha consistido en la actualización de la tecnología WR para trabajar con redes de alto ancho de banda como las basadas en 10 Gigabit Ethernet (10G). Este desarrollo es necesario para solventar las limitaciones de WR en relación con el ancho de banda de datos y la interoperabilidad, permitiendo su utilización en otras aplicaciones en las que hasta ahora no era una opción posible como sistema de sincronización temporal. En este respecto, se ha desarrollado una solución completamente modular teniendo en cuenta los conceptos aprendidos de los desarrollos basados en dispositivos SoC y el diseño basado en redes asimétricas dando como resultado una arquitectura unificada para datos y sincronización. Esta es capaz de proporcional sincronización temporal de alta precisión junto con servicios de transferencia de datos de alto ancho de banda. Además, esta solución se ha validado obteniendo una precisión temporal comparable o incluso mejor en algunos aspectos que la presentada por los dispositivos estándar de WR. Adicionalmente, se ha realizado una caracterización del sistema midiendo el ancho de banda, la latencia y la interoperabilidad con dispositivos comerciales basados en 10G obteniendo resultados satisfactorios. Finalmente es importante remarcar que por primera vez en la literatura, se ha presentado un sistema capaz de proporcionar unos mecanismos de sincronización de alta precisión y una distribución de datos 10G, evitando el despliegue de diferentes redes separadas sincronización y transferencia de datos.