Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチタイミングおよび同期コンフィギュレーションガイド

ネットワーク同期用の全地球航法衛星システム

産業用ネットワークでの GNSS との時刻同期

産業用オートメーションと制御システム、電力ネットワーク、および軍事ネットワークでは、ネットワーク内にある大量のデバイスの時刻を正確かつ同期された状態に保つ必要があります。

Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチには、ルータに次のことを可能にする組み込みの GNSS 受信機があります。

自身の場所を決定する
衛星コンステレーションから正確な時間を取得する

GNSS 機能は、柔軟でレジリエンスに優れた時間を階層ネットワークに送信することにより、ネットワーク同期を合理化します。スイッチは、正確な時間を受信するとグランドマスタークロックとして機能し、ネットワーク全体に正確なタイミングを配信できます。

（注）

IE9320 GE Fiber（IE-9320-22S2C4X-E および IE-9320-22S2C4X-A）スイッチにのみ GNSS 受信機があります。

GNSS 受信機は IE9320 GE Fiber スイッチの前面にあり、機能のステータスをモニターできる LED があります。詳細については、『Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチハードウェア設置ガイド』の「GNSS Antenna」のセクションを参照してください。

GNSS ハードウェア

各 IE9320 GE Fiber スイッチには、4G および 5G 基地局の同期用に正確な時間パルスを提供するように設計された受信機モジュールがあります。各システムには、外部 GNSS アンテナを接続するための SMA コネクタがあります。アクティブ（増幅）アンテナに電力を供給するための電流制限された電力を提供できます。詳細については、このガイドのGNSS シグナリングを参照してください。

次の図は、IE9320 GE Fiber スイッチの前面パネルにあるコネクタの配置を示しています。図では、受信機が丸で囲まれています。

GNSS 受信機は、次の表に示すように、複数の衛星コンステレーションをサポートしています。


帯域	周波数	コンステレーション
L1	1602 MHz 1575.42 MHz	Auto、GPS、GLONASS、QZSS、Galileo
L1	1561.098 MHz	BeiDou

コネクタの上にある LED を使用して、GNSS ステータスをモニターできます。


LED	色	システムステータス
GPS	消灯	GNSS は設定されていません。
	緑色の点灯	衛星 FIX がアクティブです。
	緑色の点滅	衛星 FIX を取得しようとしています。
	橙色の点滅	アンテナ障害があります。

GNSS ソフトウェア

GNSS 機能は、IE9320 GE Fiber（IE-9320-22S2C4X-E および IE-9320-22S2C4X-A）スイッチの基本ライセンスで使用できます。GNSS ソフトウェアでは、次の機能が実行されます。

GNSS 受信機を設定します。
受信機がロックを取得後、以下の機能を 1 秒に 1 回実行します。
- 新しい日時を読み取ります。
- ハードウェアから対応する PPS タイムスタンプを読み取ります。
- 時刻/日付と PPS タイムスタンプを GNSS 用のタイムサービス SW 仮想クロック/サーボにフィードします。
  
  GNSS SW 仮想クロック時間は、PTP 出力を駆動するために使用できます。

GNSS シグナリング

GNSS 受信機が衛星を捕捉し、ホストシステムにタイミング信号を提供するプロセスには 2 つの段階があります。

自己測量モード
過剰決定クロックモード

Summary

GNSS シグナリングは、位置データを計算および保存して安定した基準を確立し、信頼性の高いネットワーク同期用に正確なタイミング信号を提供します。これは、自己測量モードおよび過剰決定クロックモードによって実現できます。

Workflow

表 1. GNSS 受信機モード
モード	説明
自己測量	このモードでは、位置計算、結果の保存、動作モードへの高速な移行が自動化されます。リセット後、GNSS 受信機は自己測量モードに入り、少なくとも 4 個の衛星にロックオンした後に 3D 位置を計算します。 35 分間で約 2,000 ヵ所の位置が計算されます。完了すると、タイミング信号が生成され、通常（GPS にロック）モードに切り替わります。自己測量モードの結果は受信機のフラッシュメモリに保存され、過剰決定クロックモードへの移行が速くなります。新しく得られた自己測量の結果は、それぞれフラッシュメモリ内の以前の結果を上書きします。 gnss self-survey restart コマンドを使用して自己測量を手動で再起動できます。
過剰決定クロック	自己測量が完了し、位置データが不揮発性メモリに保存されると、デバイスは過剰決定クロックモードに入ります。このモードでは、GNSS 受信機は、自己測量モードで取得した衛星位置に基づいてタイミング情報を提供します。自己測量モード中のタイミング信号には最大 20 秒の誤差が生じる可能性があるため、Cisco IOS は過剰決定クロックモードでのみ PPS 信号を収集します。次のシナリオでは、GNSS 受信機は過剰決定クロックモードを維持し、自己測量を再開できます。（自動的に）アンテナが 100 m を超えて移動した場合（手動で） gnss self-survey restart コマンドを使用した場合

GNSS 受信機は、衛星システムにロックすると、10 ミリ秒幅の PPS（Pulse Per Second）パルスと現在の時刻と日付を Cisco IOS タイムサービスに送信します。

GNSS アンテナの要件

GNSS RF 入力

GNSS 入力で最適なパフォーマンスを得るには、低ノイズ増幅器（LNA）が組み込まれた GPS/GNSS 受信アンテナが必要です。LNA は、受信した衛星信号を次の目的で増幅します。

ケーブル損失を補償するため
受信機のフロントエンドに最適な範囲に信号の振幅を拡大するため

必要な増幅は、22dB 利得 + ケーブル損失 + コネクタ損失です。

受信機入力のコネクタでの LNA 利得の推奨範囲（LNA 利得 - すべてのケーブルとコネクタの損失）は 22dB ～ 30dB で、最小は 20dB、最大は 35dB です。
スイッチの GPS/GNSS 入力は、同じ RF コネクタを介してアンテナに 3.3 または 5VDC（ソフトウェア設定可能）を提供します。アンテナには 10 ～ 100 mA が必要です。電流が 10mA 未満のアンテナでは、アンテナが正常に動作している場合でも、誤って「アンテナオープン」障害が報告される可能性があります。

電源入力

危険な環境に導入する場合、アンテナは単一のスイッチからの RF 入力によって提供される電力のみを使用する必要があります。アンテナおよび関連機器に追加の電力を供給することはできません。

注意

電源付きスプリッタや増幅リピーターなどを使用して追加の電力を供給すると、爆発性雰囲気を発火させることのあるアークの生成に十分なエネルギーが提供される可能性があります。

Attention :

L’ajout d’un dispositif d’alimentation électrique, comme un répartiteur électrique ou un répéteur amplifié, peut générer suffisamment d’énergie pour créer un arc qui pourrait enflammer une atmosphère présentant un risque d’explosion.

サージ保護

GNSS 入力には ESD 保護が組み込まれていますが、屋外アンテナが接続されている場合は、最終製品が取り付けられる国の避雷に関する規則と基準に適合するために、追加のサージ保護が必要になります。

避雷は、アンテナケーブルが建物に入る場所に取り付ける必要があります。一次避雷は、危険と考えられるすべての電気エネルギーを PE（保護接地）に伝導できる必要があります。サージアレスタは DC パスをサポートし、低 RF 減衰の GPS/GNSS 周波数範囲に適している必要があります。

注意

アンテナ端末は、ANSI/NFPA 70、National Electrical Code（NEC）、特に 820.93 項「同軸ケーブルの外部導電性シールドの接地」に従って、建物入口に接地する必要があります。

Attention :

La borne de l’antenne doit être mise à la terre à l’entrée du bâtiment conformément à la norme ANSI/NFPA 70 et au National Electrical Code (NEC), en particulier l’article 820.93, « Grounding of Outer Conductive Shield of a Coaxial Cable » (mise à la terre du blindage externe conducteur d’un câble coaxial).

アンテナの天空可視性

GPS 信号を得るためにはアンテナと衛星の間に障害物があってはなりません。アンテナはできるだけ全天が見える場所に設置する必要があります。固定設置の場合、最初の時刻取得のためには 4 つの衛星が見える必要がありますが、その後の更新はより少ない衛星で可能になる場合があります。

GNSS時刻源の制約事項

IE9320 GE ファイバ（IE-9320-22S2C4X-E および IE-9320-22S2C4X-A）スイッチで GNSS を時刻源として使用し、GNSS の関連イベントを監視する場合は、以下のガイドラインを参照してください。

GNSS は、PTP Default プロファイルと Power プロファイルの時刻源としてのみ使用できます。
GNSS は、PTP が GMC-BCのデフォルトモードの場合にのみ、PTP の時刻源として使用できます。
GNSS イベントでサポートされている syslog メッセージは次のとおりです。
- entering self-survey mode（自己測量モードを開始中）
- reaching the OD mode（OD モードに到達中）
- firmware upgrade status—start, complete, or fail（ファームウェアのアップグレードのステータス: 開始、完了、または失敗）
スイッチが PTP GMC として動作中にアンテナ信号を失った場合、次のことが起こります。
- クロック品質の低下
- GMC スイッチオーバーの発生
GPS アンテナアラームは、外部リレーアラームをトリガーしません。
GNSS を Auto に設定するには、GPS や全地球航法衛星システム（GLONASS）などの有効な主要な GNSS ごとに少なくとも 8 個の衛星が追跡されていることを確認します。
アンテナオープンアラームは、ハードウェアに問題がなくてもトリガーされる場合があります。このようなシナリオでは、コンステレーションを AUTO から GPS またはその地域で利用可能な別のコンステレーションに設定できます。

GNSS 受信機の機能

Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチは、GNSS 受信機を使用して、正確な周波数および位相出力をホストシステムに提供します。外部 GNSS アンテナに接続すると、受信機は自動的に次の動作を行います。

毎秒 1 パルス（PPS）の正確な信号を配信する
周波数 10 MHz の安定した出力を提供する
GNSS 衛星信号を取得する
最大 32 個の衛星を追跡する
次の項目を算出する
- location
- speed
- heading
- time

GNSS 受信機とそのタイミング信号の詳細については、「GNSS シグナリング」を参照してください。

GNSS は次の周波数帯域をサポートしています。

AUTO：GPS、QZSS、および GLONASS（デフォルト）
GPS
GLONASS
BeiDou
Galileo

GNSS 機能

次の表に、Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチの GNSS 機能を示します。

表 2. Cisco Catalyst IE9300 高耐久性シリーズスイッチの GNSS 機能
機能	説明
時刻モード	受信機の位置が固定されている場合のモードで、利用可能なすべての衛星を使用して時刻のみが計算されます。
survey-in	時刻モードを有効にする前に実行される手順。すべての有効な 3D 位置ソリューションを対象とした時間の経過に伴う平均を算出することにより、静止した受信機の位置を決定します。受信機は次の動作を行います。事前定義された標準偏差に達するまで、時間の経過に伴う平均位置を計算する最小観測時間が経過したことを確認する固定モードに切り替えるタイミング機能を自動的にアクティブにする
survey-in と位置固定測時	低い信号レベルでもタイミングジッターが削減受信できる衛星が一つだけであっても同期を維持
時間パルス精度	晴天：20 ns 屋内：500 ns
秒あたりのアクティビティ	受信機が信号にロックオンすると、ルータは次の動作を 1 秒ごとに実行します。更新された日時を読み取ります。 PPS タイムスタンプをハードウェアから読み取ります。時刻、日付、および PPS タイムスタンプを GNSS 仮想クロックまたはサーボに送信します。GNSS 仮想クロックは PTP 出力を駆動します。

constellation コマンドを使用して、これらのコンステレーション（全地球測位システム（GPS）および全地球航法衛星システム（GLONASS））から選択します。コンステレーションを変更すると、survey-in プロセスが再起動して、新しいコンステレーションにロックオンします。詳細については、GNSS 用の衛星コンステレーションの設定を参照してください。

GNSS LED

GNSS LED（ケーブル側と電源側の両方の LED に「GPS」のラベルが付いています）は、GNSS ステータスを示します。次の表に、LED の色とその意味を示します。

表 3. GNSS LED
色	ステータス
緑色の点滅	衛星 FIX を取得しようとしています。
緑色の点灯	GNSS には有効な信号または FIX があります。
橙色の点滅	アンテナ障害があります。
消灯	GNSS は設定されていません。

GNSS 用の衛星コンステレーションの設定

GNSS 用の衛星コンステレーションを設定するには、次の手順を実行します。

手順

ステップ 1

configure terminal を使用して、コンフィギュレーションモードに入ります。

例:

Router# configure terminal

グローバルコンフィギュレーションモードを開始します。

ステップ 2

gnss コマンドを使用して GNSS を有効にします。

例:

Router(config)# gnss

GNSS が有効になると、PPS タイムスタンプ情報が収集されます。

GNSS が無効になっている場合、チップの機能は正常に動作しますが、タイムスタンプ情報と PPS 情報を収集するソフトウェアプロセスは実行されません。

ステップ 3

constellation コマンドを使用して、GNSSコンステレーションを設定します。

例:

Router(config-gnss)# constellation gps

（オプション）GNSS コンスタレーションを設定します。デフォルトは auto（GPS+GLONASS+QZSS）です。アクティブなコンスタレーションは常に 1 つだけです。

コマンドの構文は次のとおりです。[no] constellation { auto | galileo | gps | glonass | beidou }

ステップ 4

exit コマンドを使用して、GNSS コンフィギュレーションモードを終了します。

例:

Router(config-gnss)# exit

ステップ 5

（オプション）GNSS ステータスを表示するには、show gnss status コマンドを使用します。この操作は、GNSS 受信機が自己測量モードを完了し、衛星システムからのタイミング情報を提供した後に可能です。

例:

Router# show gnss status
  GNSS status:
  GNSS status: Enable
  Clock Progress: Locked (GnssFixOK)
  GNSS Fix Type: time only fix
  Constellation: GLONASS
  Satellite count: 9
  PDOP: 99.989998  TDOP: 0.350000
  HDOP: 99.989998  VDOP: 99.989998
  Major Alarm: False
  Minor Alarm: False

この表は、GNSS が取りうる値とその受信機のステータスを示しています。

表 4. 取りうる値
ステータス値	受信機の値
有効無効	受信機ステータス	auto：2D/3D の自動モード 1SV：単一の衛星 2SV：水平（2D） 3SV：フルポジション（3D） OD：過剰決定
	アラーム	アンテナオープンアンテナショート衛星を追跡していません測量中保存された位置がありませんうるう秒保留中
	測量の進行状況	このフィールドには、測量の進行状況が、これまでに収集された FIX の割合として表示されます。自己測量の進行状況が100%に達すると、自己測量は完了です。
	位置付け	PDOP：位置精度低下率 HDOP：水平精度低下率 VDOP：垂直精度低下率 TDOP：時間精度低下率

（注）

アラーム状態の GNSS がある場合、スイッチは衛星システムからのタイミング情報を提供していない可能性があります。

アラームは自動的に解除されます。

ステップ 6

（オプション）GNSS が追跡する衛星のステータスを表示するには、show gnss satellite コマンドを使用します。

例:

Router# show gnss satellite all
All Satellites Info:

SV ID  Channel  Eph Flag  SV Used  CNR  Azimuth  Elevation  Health  Quality

----------------------------------------------------------------------------------
   19        6         1        -   24      260          1       1        4
   18        6         1        -   31      219          2       1        7
   15        6         1     Used   46      223         42       1        7
   14        6         1     Used   44      340         73       1        7
   13        6         1     Used   36       22         20       1        7
    4        6         1     Used   48      349         27       1        7
    3        6         1     Used   48       53         51       1        7
    2        6         1     Used   45      114         24       1        7

コマンドの構文は次のとおりです。 show gnss satellite { all | satellite-number }

キャリア対雑音密度（C/N0）は、信号強度を表示します。信号強度の単位は dB-Hz で、単位帯域幅（Hz）あたりのキャリア電力とノイズ電力（dB）の比率を表します。受信した衛星信号の電力は、ユーザーのアンテナ利得、衛星の垂直方向の角度、および衛星の経過時間によって異なります。標準的な C/N0 の範囲は 35 ～ 55 dB-Hz です。

ステップ 7

（オプション）GNSS 時間を監視するには、 show gnss time コマンドを使用します。

例:

Router## show gnss time
  Current GNSS Time:
  Time: 2021/12/09  07:11:59 UTC

ステップ 8

（オプション）GNSS の場所を表示するには、 show gnss location コマンドを使用します。

例:

Router## show gnss location
  Current GNSS Location:
  LOC: 12:56.187572 N  77:41.742096 E  832.44 m

ステップ 9

（オプション） GNSS デバイス情報を監視するには、show gnss device コマンドを使用します。

例:

Router# show gnss device
  GNSS device:
  Model: NEO-M8T-0
  Software version: EXT CORE 3.01 (111141)
  Hardware version: 00080000
  Protocol version: 22.00
  Firmware version: TIM 1.10
  Unique Chip ID: 311652325097
  Major GNSS Satellites supported: GPS;GLO;GAL;BDS

PTP 時刻源としての GNSS の設定

PTP の時刻源を選択するには、次の手順を実行します。

ソースが設定され、クロックがアクティブで、GNSS が通常の状態の場合、GNSS PPS とタイムスタンプ文字列が PTP への入力として使用されます。

始める前に

PTP クロックがアクティブで、GNSS が有効になっており、通常の状態であることを確認します。PTP 設定の詳細については、このガイドの「高精度時間プロトコル」の章を参照してください。

手順

プロファイルに応じて、以下のいずれかの手順を実行します。

オプション	説明
次を選択できます。	下記を実行
Default プロファイル	次の例に示すコマンドを入力します。 `switch# ptp clock boundary domain 0 profile default`
Power プロファイル	次の例に示すコマンドを入力します。 `switch# ptp clock boundary domain 0 profile power`

GNSS の機能履歴

以下の表に、このガイドに記載されている機能のリリースおよび関連情報を示します。これらの機能は、特に明記されていない限り、導入されたリリース以降のすべてのリリースで使用できます。


リリース	機能	機能情報
Cisco IOS XE ダブリン 17.12.x	全地球航法衛星システム（GNSS）	IE9320 GE ファイバスイッチには、GNSS 受信機が組み込まれています。この受信機により、スイッチは自分の位置を特定し、衛星コンステレーションから正確な時刻を取得できます。

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