Distribuzione di segnali di sincronizzazione per la Power Quality attraverso ponte radio Microwave

Abstract

La rete di monitoraggio della Power Quality (PQ) sui cui lavora il Laboratorio di Misure è costituita da siti di misura sul territorio di Roma, interconnessi ad un nodo centrale di raccolta del dato di PQ. Ogni postazione di monitoraggio è composta da trasduttori di ten-sione e corrente collegati ad un sistema di acquisizioni dati DAS (“Data Acquisition Sy-stem”), che provvede a raccogliere ed elaborare i dati di PQ per poi trasmetterli al sistema di raccolta centralizzato tramite una connessione Internet. Un ricevitore GPS (“Global Posi-tioning System”) fornisce il timestamp riferito al tempo UTC (“Coordinated Universal Time”) da associare ai dati acquisiti. Le necessità di un siffatto sito di monitoraggio sono: la disponibilità di una connettività adeguata per il trasferimento dei dati e le operazioni di manutenzione remota, un segnale analogico PPS (“Pulse Per Second”) per la sincronizzazione di fase del DAS, la marcatura temporale ed un segnale analogico a 2048 kHz per la generazione della frequenza di cam-pionamento impiegata nel DAS; quest’ultimo segnale, in forma metrologicamente riferibile, è disponibile solamente nei siti ospitati da TIM (“Telecom Italia Mobile”): per questo il DAS è equipaggiato anche con un semplice oscillatore al quarzo che ne permette l’utilizzo anche in altri contesti, sebbene con un livello di accuratezza inferiore. La disponibilità di una connettività dati rimane tuttavia una problematica importante, so-prattutto nelle zone periferiche e rurali non ancora raggiunte dai servizi a banda larga (broad-band); inoltre non è sempre possibile ricorrere all’impiego del GPS come sorgente di riferi-mento, sia per limitazioni ambientali alla piena visibilità del cielo, che per la suscettibilità al disturbo volontario (“jamming”) ed involontario (interferenze). Pertanto, si è deciso di cer-care una soluzione alternativa, o quanto meno di riserva, per portare a distanza ed in modo accurato i segnali di riferimento per il funzionamento del DAS. La scelta dell’impiego di un ponte radio per questo scopo è sembrata particolarmente adatta in quanto gode di tutti i van-taggi del trasporto “wireless”, è un apparato di largo impiego nel settore delle telecomuni-cazioni ed è anche in grado di provvedere alla necessità di un collegamento dati robusto ed affidabile. L’attuale tendenza a livello globale alla convergenza verso sistemi di trasporto dati basati sulle reti a pacchetto, ha indirizzato il mio interesse nei confronti delle due tecniche di sin-cronizzazione più evolute nel panorama delle reti Ethernet: il Synchronous Ethernet (o ABSTRACT iv SyncE) e lo standard IEEE 1588-2008 (noto anche come PTPv2, “Precision Time Protocol version 2”). Il primo è un metodo specifico per la distribuzione del clock ad elevata accura-tezza, basato sulla trasmissione del riferimento di frequenza “in banda”, su flussi di dati sincroni; l’altro è specificamente progettato per trasferire in modo accurato l’informazione di fase e del “Time of Day” mediante uno scambio di messaggi tra orologi nel paradigma Master-Slave. Sebbene anche il PTPv2 sia impiegabile per trasferire un riferimento di fre-quenza, il SyncE è in grado di offrire un livello di accuratezza e stabilità superiori. Queste due tecniche presentano peculiarità tra loro complementari che combinate in una soluzione “ibrida” possono essere impiegate per ottenere un riferimento di fase (PPS) con un livello di accuratezza che può avvicinarsi a quella ottenibile con un ricevitore GPS, oltre che un riferimento di frequenza molto stabile. Per di più, queste due tecnologie si spo-sano bene con i sistemi di collegamento radio Microwave: i ponti radio “hybrid” sono infatti in grado di trasportare contemporaneamente sul frame radio sia un riferimento di frequenza fisico, sia pacchetti di dati. Sfruttando opportunamente questa caratteristica, contestualmente all’impiego di tecniche di classificazione e priorizzazione del traffico (VLAN e QoS), è pos-sibile garantire il servizio di sincronizzazione anche in condizioni radio avverse, dove le funzionalità di “Adaptive Modulation” e “Automatic Transmit Power Control” potrebbero costringere il ponte radio a lavorare in regime di capacità di banda minima. In effetti, consi-derato un collegamento punto-punto in tali condizioni e forzando il ponte ad operare con una modulazione minimale “QPSK Strong” a 50 Mbps, si è verificato che un'iniezione di traffico nel collegamento, crescente fino a saturare la banda a disposizione, non comporta sostanziali scostamenti del segnale PPS in uscita al nodo Slave a valle del collegamento stesso. Si è inoltre verificato che il riferimento di frequenza a 10 MHz ricostruito dallo Slave è ancora di qualità paragonabile alla sorgente di riferimento. Essendo i segnali analogici PPS e clock il reale oggetto d’interesse, si è scelto di valutare le prestazioni del sistema investigando sulle loro proprietà statistiche alle terminazioni di sorgente e di consegna della catena punto-punto. Le metriche scelte per la caratterizzazione del livello di qualità della sincronizzazione sono il “Time Interval Error” dei segnali ed i relativi indici statistici di: valore atteso, devia-zione standard, valori massimo e minimo, ampiezza picco-picco. Le verifiche di cui sopra sono state effettuate su un banco di test specificamente realizzato per lo scopo: due orologi SB-V01, rispettivamente in configurazione “Master” e “Slave”, ABSTRACT v sono messi in comunicazione mediante un ponte radio Huawei OptiX RTN905 operante in guida d’onda a 23 GHz; i dati relativi ai segnali PPS e clock raccolti con un oscilloscopio USB della famiglia PicoScope, sono stati successivamente elaborati numericamente in post-processing mediante l’impiego di script in linguaggio Python 2.7, da me appositamente scritti per questo scopo. Al fine di valutare i limiti d’impiego sul campo della soluzione proposta, si è proceduto inizialmente a stabilire l’effettiva affidabilità e stabilità di sincronizzazione di fase tra due generici ricevitori GPS come quelli ad esempio impiegabili per gli scopi di monitoraggio della Power Quality. Si è verificato che, operando essi sotto le medesime condizioni al con-torno, al variare della disposizione della costellazione di satelliti in vista, la distanza tra i PPS dei ricevitori può raggiungere scostamenti fino ad 80 ns. Per questa verifica sono stati impiegati i soli due apparati disponibili dotati di ricevitore GPS: il SyncSwitch e lo SB-V01. Con la tecnica ibrida PTPv2-SyncE applicata agli apparati SB-V01, che s’ipotizza impie-gare a regime sul campo come Master e Slave, si è dimostrato invece che è possibile rag-giungere una distanza stabile tra PPS attorno ai 77 ns ±2 ns per un collegamento radio di tipo P2P a singolo hop, dopo oltre 48h di collegamento. Questa soluzione dunque si presenta come una possibile alternativa di backup alla co-mune sincronizzazione satellitare, in grado di portare ad una distanza di circa 10 km dalla sorgente di riferimento, sia segnali di fase e frequenza, un collegamento dati della capacità di alcune centinaia di Mbps, utile al trasferimento delle informazioni di Power Quality. Seb-bene lo studio proposto supponga di trasportare con un singolo collegamento i segnali di sincronizzazione ed un canale dati da un sito provvisto di riferimenti primari verso un altro sito periferico, esso offre lo spunto per ipotizzare l’utilizzazione di più ponti radio in cascata. Con essi, operanti ad una frequenza di lavoro più bassa, è possibile coprire distanze nell’or-dine delle decine di chilometri: in questo caso è importante caratterizzare l’intera catena ed adottare le strategie “on-path” per ridurre quanto più possibile il fenomeno della “Packet Delay Variation”, rimanendo in un time-budget ancora accettabile per gli scopi della Power Quality.