Software-based clock synchronization over IEEE 802.11 wireless LAN and its role in wired-wireless networks : investigations for wireless clock synchronization in a wired-wireless network using open source software and commercial-off-the-shelf devices

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Uhrensynchronisation in IEEE 802.11 Funknetzwerken unter Verwendung von kommerziell erhältlichen WLAN Adaptern basierend auf Software-Zeitstempelung. Dieser Ansatz ermöglicht eine kostengünstige Lösung für bestehende und neue Funkapplikationen, die über keine Hardwareunterstüzung zur Zeitstempelung verfügen. Unter Verwendung von Open-Source Software und dem Precision Time Protocol (PTP) werden in dieser Arbeit verschiedene Aspekte der software-basierten Synchronisation analysiert.<br />Synchronisation in paketorientieren Netzwerken basiert auf der Bestimmung des Ankunfts- und Absendezeitpunkts mittels Zeitstempelung.<br />Die Genauigkeit dieser Zeitstempel hat einen deutlichen Einfluss auf die erreichbare Genauigkeit der Synchronisation. Software-Zeitstempel werden auf einer höheren Netzwerkschicht im Protokolstack gezogen und sind somit mit dem Jitter aus allen darunterliegenden Protokollschichten belastet. Zur Analyse und Quantisierung dieses Jitters wird eine einfache Messanordnung vorgeschlagen, die eine Uhr verwendet um Hardware-Zeitstempel zu ziehen, wenn das Interrupt-Signal gesetzt wird, und Software-Zeitstempel innerhalb der nachfolgenden Interrupt-Behandlungsroutine zu generieren. Die Differenz zwischen Hardware- und Software-Zeitstempel wird zur Analyse des Zeitstempel-Jitters verwendet. Diese Arbeit unterstreicht, dass der Großteil des Synchronisationsoffsets von dem WLAN-Adapter selbst stammt und nicht durch den Funkkanal verursacht wird. Deshalb ist es möglich, den Synchronisationsoffset durch Kalibrieren der Hardware und Bestimmung der Verzögerungen des Chipsatzes und des Betriebssystems effizient zu entfernen. Durch Analyse des Reglers zur Uhrzeitnachführung und optimierter Reglerdimensionierung wird gezeigt, dass die Regelabweichung der Slave-Uhr verringert werden kann. Insbesondere erweist es sich als günstig, mehr auf die Stabilität des Oszillators zu vertrauen als auf die Qualität der Zeitstempel, da somit eine verbesserte Synchronisationsgenauigkeit erreicht wird.<br />Mit diesen Erkenntnissen wird die Rolle der drahtlosen Synchronisation in einem drahtgebundenen/drahtlosen Hybrid-System analysiert. Für ein solches Hybridnetzwerk muss PTP entsprechend angepasst werden, nicht nur damit PTP in zwei verschiedenen Medien verwendet werden kann, sondern auch um Erfordernisse von Funksystemen wie Mobilität (zwischen den Access Points) und Skalierbarkeit zu erfüllen. Im Hinblick auf die End-to-End Synchronisationsgenauigkeit in einem Hybrid-System wird gezeigt, dass sich die Genauigkeit mit der Anzahl der kaskadierten drahtlosen Segmente verschlechtert aufgrund der Akkumulation des Jitters aus den Software-Zeitstempeln und des Nicht-Echtzeit-Verhaltens des Betriebssystems.<br />

This thesis deals with the design and implementation of clock synchronization over IEEE 802.11 WLAN with commercial off-the-shelf devices using software timestamps. Such a mechanism provides a cost-effective solution for existing and new wireless applications which cannot perform hardware timestamping for synchronization. By employing existing open source software support and using the Precision Time Protocol (PTP) as the synchronization protocol, various open issues to the problem of software-based synchronization are addressed.<br />Packet-based synchronization relies upon determining the time of arrival or departure of a packet by means of timestamping. The accuracy of these timestamps has a major influence on the achievable synchronization precision. Software timestamps are drawn higher in the protocol stack and contain jitter from lower protocol layers. To analyse and quantify this jitter, a simple measurement setup is proposed which uses a clock to draw hardware timestamps whenever an interrupt signal occurs, and takes a software timestamp in the subsequent interrupt handling routine.<br />The difference between hardware and software timestamps is then used to analyse the timestamping jitter. This work also underscores that major sources for bias in such a synchronization system occur inside the WLAN device rather than on the wireless channel. Therefore, the synchronization bias can be removed efficiently by calibrating the hardware and determining the delays inside the chipset and in the operating system. Lastly, by analysing the design of the servo clock for synchronization, it is demonstrated that optimised servo dimensioning can improve slave's tracking performance. In particular, by trusting the oscillator more than the timestamps, the effect of the jitter from the software timestamps is minimised and an improvement in synchronization precision is achieved.<br />Using this knowledge about software-based synchronization, the role of wireless synchronization in a wired-wireless hybrid system is analysed.<br />In a hybrid system, PTP must be adapted accordingly so that not only it can operate in two different media, but also complement features like mobility and scalability which are associated with the wireless communication. For the synchronization performance, it is shown that the end-to-end synchronization precision in a hybrid system with multiple wireless hops decreases because of the accumulation of the jitter from the software timestamps and the non real-time behaviour of the operating system.