时钟同步方法及装置与流程

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种时钟同步方法及装置。

背景技术：

随着通信速度要求的提高，时钟设备同步精度的要求也越来越高。现有的时钟同步网络通常是主参考时间设备通过全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)将基准参考时钟(Primary Reference Clock，简称PRC)发送给时钟网络中的第一级网络节点，然后第一级网络节点将时钟往下级发送，形成一个星型网络。

时钟网络中的第一级的网络节点通过GPS获取PRC中的基准参考时间，然后将时钟发送给第二级的网络节点，进而使整个时钟网络的时钟同步。这种时钟同步方案存在以下问题：

1)非常依赖GPS。GPS丢失或者信号不好时，第一级网络节点失去参考或者参考时钟存在延迟，进而导致整个星型网络与基准参考时钟之间的同步精度降低；

2)误差叠加。每一级的网络节点的参考时钟都只是其上一级的网络节点的时钟，因此，底层的网络节点与顶层的网络节点之间的时间差较大。例如，第一级网络节点将时钟发送到第二级网络节点，时钟传递期间产生第一误差；第二级网络节点将时钟发送到第三级网络节点，时钟传递期间产生第二误差。那么，第一级网络节点与第三级网络节点之间的传递误差就是第一误差和第二误差的和。

3)时钟网络的稳健性差。一旦某个网络节点出现异常，其下游的网络节点均会因为失去上级参考时钟而导致无法实现时钟同步。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于：提供一种时钟同步方法，能提高时钟网络的同步精度和稳健性。

本发明的另一个目的在于：提供一种时钟同步装置，能提高时钟网络的同步精度和稳健性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种时钟同步方法，包括：

根据IEEE1588协议，在第一时钟节点中建立第一主节点和若干第一从节点，在若干第二时钟节点的每个第二时钟节点中建立第二主节点和第二从节点；

每个第二时钟节点的第二主节点均与第一时钟节点的一个第一从节点建立映射关系，获取已建立映射关系的第一时钟节点与第二时钟节点之间的第一相差；

至少有一个第二时钟节点的第二主节点与另一个第二时钟节点的第二从节点建立映射关系，获取已建立映射关系的两个第二时钟节点之间的第二相差；

根据第一相差和第二相差对第一时钟节点和第二时钟节点的时钟进行调整。

进一步地，

第一从节点的数量≥第二时钟节点的数量；

第二从节点的数量≥[第二时钟节点的数量×(第二时钟节点的数量-1)+2]/2。

作为一种优选的实施方式，

第一相差＝第一主节点与第一从节点之间的相差+第一从节点与第二主节点之间的相差。

作为一种优选的实施方式，任意两个第二时钟节点间均建立映射关系。

作为一种优选的实施方式，两个第二时钟节点间只建立一个映射关系。

进一步地，所述根据第一相差和第二相差对第一时钟节点和第二时钟节点的时钟进行调整包括：

计算第一相差与第二相差的平均值，将所述平均值作为平均相差；

以第一主节点或者任一第二主节点的相位作为校准相位，对第一时钟节点和第二时钟节点的时钟进行调整。

作为一种优选的实施方式，所述第一主节点通过GPS与基准参考时钟连接。

作为一种优选的实施方式，至少有一个第二主节点通过GPS与基准参考时钟连接。

第二方面，提供一种时钟同步装置，包括：

第一时钟节点，用于根据IEEE1588协议，建立第一主节点和若干第一从节点；

若干第二时钟节点，用于根据IEEE1588协议，在每个第二时钟节点中建立第二主节点和第二从节点；

第一映射模块，用于将每个第二时钟节点的第二主节点与第一时钟节点的一个第一从节点建立映射关系，获取已建立映射关系的第一时钟节点与第二时钟节点之间的第一相差；

第二映射模块，用于将至少一个第二时钟节点的第二主节点与另一个第二时钟节点的第二从节点建立映射关系，获取已建立映射关系的两个第二时钟节点之间的第二相差；

调整模块，用于根据第一相差和第二相差对第一时钟节点和第二时钟节点的时钟进行调整。

进一步地，所述调整模块包括：

平均相差计算模块，用于计算第一相差与第二相差的平均值，将所述平均值作为平均相差；

调节模块，用于根据平均相差，对第一时钟节点和第二时钟节点的时钟进行调整。

本发明的有益效果为：提供一种时钟同步方法及装置，通过让每一个网络节点都与其他所有的网络节点建立映射关系，可以：

1)避免GPS丢失时，整个时钟网络失去主参考时间而无法实现同步的问题；

2)测量出时钟网络中所有的网络节点之间的相差，为每一个网络节点提供多个参考时钟；

3)网络节点的时钟出现异常时，可以通过其他网络节点的时钟进行自动恢复时间；

4)时钟同步精度达到20ns～50ns，远高于GPS的同步精度100ns。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为实施例一所述的时钟同步装置的拓扑图；

图2为实施例一所述的时钟同步装置的连接示意图；

图3为实施例二所述的时钟同步装置的结构示意图。

图中：

1、第一时钟节点；101、第一主节点；102、第一从节点；

2、第二时钟节点；201、第二主节点；202、第二从节点；

3、GPS连接设备；

4、第一映射模块；

5、第二映射模块；

6、调整模块；601、平均相差计算模块；602、调节模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本实施例提供一种时钟同步方法及装置，包括：

S10：根据IEEE1588协议，在第一时钟节点1中建立第一主节点101和若干第一从节点102，在若干第二时钟节点2的每个第二时钟节点2中建立第二主节点201和第二从节点202。

S20：每个第二时钟节点2的第二主节点201均与第一时钟节点1的一个第一从节点102建立映射关系，获取已建立映射关系的第一时钟节点1与第二时钟节点2之间的第一相差。

具体地，IEEE1588协议，其中文全称为“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。现有技术，IEEE1588协议主要应用于测量上级时钟节点与下级时钟节点之间的相差。而于本实施例中，则将IEEE1588协议应用于测量时钟网络中同一级时间节点之间的相差。

具体应用方法为：在第一时钟节点1中建立一个或者多个主节点和若干个第一从节点102。从第一时钟节点1的主节点中选择一个主节点作为第一主节点101，第一主节点101用于与第一从节点102建立联系。由于同在第一时钟节点1设备内部，所以可以直接获取第一主节点101与第一从节点102之间的相差。

在每一个第二时钟节点2中建立一个或者多个主节点和若干个第二从节点202。从第二时钟节点2的主节点中选择一个主节点作为该第二时钟节点2的第二主节点201，第二主节点201用于与第一从节点102建立映射关系，进而获取第一从节点102与第二主节点201之间的相差。

如图1和图2所示，时钟网络中包括m1～m6共计6个时钟节点设备，将m1设备设为第一时钟节点1，将m2～m6设备设为第二时钟节点2。在m1中建立一个第一主节点101和五个第一从节点102；在m2中建立一个第二主节点201和四个第二从节点202；在m3中建立一个第二主节点201和三个第二从节点202；在m4中建立一个第二主节点201和两个第二从节点202；在m5中建立一个第二主节点201和1个第二从节点202；在m5中建立一个第二主节点201和1个第二从节点202。由于第一主节点101和第一从节点102均在m1设备内部，所以可以直接获取第一主节点101和第一从节点102之间的相差。由于m2设备的第二主节点201和第二从节点202均在m2设备内部，所以可以直接获取m2设备的第二主节点201和第二从节点202之间的相差。同理，可以获得m3～m6设备内部的第二主节点201与第二从节点202之间的相差。

其中，第一个第一从节点102与m2的第二主节点201建立映射关系，进而可以获取第一个第一从节点102与m2的第二主节点201之间的相差；第二个第一从节点102与m3的第二主节点201建立映射关系，进而可以获取第二个第一从节点102与m3的第二主节点201之间的相差；第三个第一从节点102与m4的第二主节点201建立映射关系，进而可以获取第三个第一从节点102与m4的第二主节点201之间的相差；第四个第一从节点102与m5的第二主节点201建立映射关系，进而可以获取第四个第一从节点102与m5的第二主节点201之间的相差；第五个第一从节点102与m6的第二主节点201建立映射关系，进而可以获取第五个第一从节点102与m6的第二主节点201之间的相差。

然后计算：

m1和m2之间的相差P_m1，m2＝第一主节点101与第一个第一从节点102的相差+第一个第一从节点102与m2的第二主节点201之间的相差；

m1和m3之间的相差P_m1，m3＝第一主节点101与第二个第一从节点102的相差+第二个第一从节点102与m3的第二主节点201之间的相差；

m1和m4之间的相差P_m1，m4＝第一主节点101与第三个第一从节点102的相差+第三个第一从节点102与m4的第二主节点201之间的相差；

m1和m5之间的相差P_m1，m5＝第一主节点101与第四个第一从节点102的相差+第四个第一从节点102与m5的第二主节点201之间的相差；

m1和m6之间的相差P_m1，m6＝第一主节点101与第五个第一从节点102的相差+第五个第一从节点102与m6的第二主节点201之间的相差。

S30：至少有一个第二时钟节点2的第二主节点201与另一个第二时钟节点2的第二从节点202建立映射关系，获取已建立映射关系的两个第二时钟节点2之间的第二相差。

由于引入了IEEE1588协议计算m1和m2之间的相差，所以当第一个第一从节点102与m2的第二主节点201建立映射关系后，求取第一个第一从节点102与m2的第二主节点201之间的相差时，数据交换处理是在m1和m2设备的物理层进行的，于本实施例中，所述物理层指第一个第一从节点102与m2的第二主节点201连接的端口。

一般数据交换是先通过物理层，再进入芯片的。所以在物理层进行数据处理精度要高于在芯片处进行数据处理，至少避免了从物理层到芯片处会导致的传递延迟和误差。

由于在物理层就进行了数据处理，求取了第一个第一从节点102与m2的第二主节点201之间的相差，所以本实施例中的P_m1，m2测量精度较高，可达20ns～50ns，远高于GPS的同步精度100ns。

同理，P_m1，m3、P_m1，m4、P_m1，m5和P_m1，m6均具有较高精度，可达20ns～50ns，远高于GPS的同步精度100ns。

具体地，执行S10和S20之后，数据处理主要在物理层进行，相差的测量精度较高。再使至少一个第二时钟节点2与另一个第二时钟节点2建立映射关系，则可以有效的增加整个时钟网络的稳健性，当第一时钟节点1出现异常或者与基准参考时钟失去联系时，可以由与其它第二时钟节点2建立映射关系的第二时钟节点2提供参考。

例如，如图1所示，m2设备的第二从节点202与m3设备的第二主节点201建立映射关系，因此可以获取m2与m3之间的相差P_m2，m3。当m1设备出现异常无法测量m1与各第二时钟节点2设备之间的相差时，就可以使用m2设备与m3设备之间的相差作为调整各个网络时钟节点的时钟的参考依据。当m1设备可以正常测量m1与各第二时钟节点2设备之间的相差时，m2设备也可以提供更多的相差测量数据，以提高测量准确度，减少偶然误差。

原理上，只需要在第二时钟节点2间建立一个映射关系，就可以提高时钟网络的稳健性和获取第二相差。优选地，第二时钟节点2之间建立的映射关系越多，相差的测量数据就越多，整个时钟网络规避偶然误差和抗干扰能力就越强。

于本实施例中，使第二时钟节点2间两两间就建立映射关系，即：任意两个第二时钟节点2间均建立映射关系。m2的四个第二从节点202分别与m3、m4、m5和m6建立映射关系；m3的三个第二从节点202分别与m4、m5和m6建立映射关系；m4的两个第二从节点202分别与m5和m6建立映射关系；m5的第二从节点202与m6建立映射关系。

于本实施例中，为了提高资源利用效率，任意两个时钟节点间只建立一个映射关系。例如：当m1的第一从节点102与m2的第二主节点201建立了映射关系，则m2的第二从节点202无需再和m1的第一主节点101建立映射关系。又如：当m2的第二从节点202与m3的第二主节点201建立了映射关系，则m3的第三从节点无需再和m2的第二主节点201建立映射关系。

于其它实施例中，为了获取更多测量数据，也可以在两个时钟节点间建立两个甚至更多个映射关系。例如：当m1的第一从节点102与m2的第二主节点201建立了映射关系，m2的第二从节点202再和m1的第一主节点101建立映射关系。又如：当m2的第二从节点202与m3的第二主节点201建立了映射关系，m3的第三从节点再和m2的第二主节点201建立映射关系。

于本实施例中，第一从节点102的数量等于第二时钟节点2的数量。于其它实施例中，第一从节点102的数量大于第二时钟节点2的数量，然后从中选取数量与第二时钟节点2的数量相等的第一从节点102与第二时钟节点2建立映射关系。

于本实施例中，由于任意两个第二时钟节点2间均建立映射关系，一共有五个第二时钟节点2，所以m2的第二从节点202的数量为4，m3的第二从节点202的数量为3，m4的第二从节点202的数量为2，m5的第二从节点202的数量为1，m6的第二从节点202的数量为1。可以推知，如果有k个第二时钟节点2，第二从节点202的数量为n，则：

n＝(k-1)+(k-2)+(k-3)+……2+1+1

＝[(k-1)+1]×(k-1)/2+1

＝[k(k-1)+2]/2

于其它实施例中，也可以根据实际需要建立的映射关系的数量改变需要建立的第二从节点202的数量。使n＞[k(k-1)+2]/2，或者使n＜[k(k-1)+2]/2。

同样的，第二时钟节点2间的数据处理均在物理层进行，相差的测量精度可达20ns～50ns。

S40：根据第一相差和第二相差对第一时钟节点1和第二时钟节点2的时钟进行调整。

具体地，所述S40包括：

S401：计算第一相差与第二相差的平均值，将所述平均值作为平均相差；

S402：以第一时钟节点1的相位作为校准相位，结合平均相差，对第二时钟节点2的时钟进行调整；

S403：重复执行S401和S402，直至平均相差满足要求。

例如，m1的五个第一从节点102可分别获取m1与m2～m6的五个第一相差，m2的四个第二从节点202可以获取四个第二相差，m3可以获取三个第二相差，m4可以获取两个第二相差，m5可以获取一个第一相差。将以上第一相差和第二相差求平均值，得到平均相差。

例如第一次计算得到：平均相差为100ns。其中，m1与m2之间的相差为130ns，m1与m3之间的相差为-130ns，m1与m4之间的相差为120ns，m1与m5之间的相差为-125ns，m1与m6之间的相差为150ns；

保持第一时钟节点1的相位不变，m2、m4和m6的时钟往正方向调整100ns，m3和m5的时钟往负方向调整100ns；

然后再次计算得到平均相差为60ns。其中，m1与m2之间的相差为60ns，m1与m3之间的相差为-70ns，m1与m4之间的相差为500ns，m1与m5之间的相差为-605ns，m1与m6之间的相差为40ns；

保持第一时钟节点1的相位不变，m2、m4和m6的时钟往正方向调整60ns，m3和m5的时钟往负方向调整60ns；

如此重复，直至平均相差达到本实施例中的≤25ns的要求，则认为所有时钟已经实现同步。

于其它实施例中，也可以保持m2或者m3～m6中任一时钟节点的时钟相位不变，对其它时钟节点进行调整。

于其它实施例中，也可以同时调整m1～m6的相位，结合平均相差，通过其它收敛算法，使m1～m6中的相位趋向一致，直至平均相差满足要求。

于本实施例中，m1设备的主节点通过GPS连接设备3与基准参考时钟连接，当GPS连接设备3信号较好时，可以采用基准参考时钟作为整个时钟网络的同步标准，当GPS连接设备3信号不好的时候，则采用本实施例中的同步方法，使顶层的时钟节点的时间通过收敛算法逐渐趋向一致，进而使整个网络中的网络节点的时间趋向一致，达到时钟同步的目的。于其它实施例中，为了提高整个时钟网络的稳健性，也可以是一个或者多个第二时钟节点2设备通过GPS连接设备3与基准参考时钟连接；也可以是如图2所示，第一时钟节点1和第二时钟节点2均通过GPS连接设备3与基准参考时钟连接。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种时钟同步装置，包括：第一时钟节点1、若干第二时钟节点2、第一映射模块4、第二映射模块5和调整模块6。

其中，

第一时钟节点1，用于根据IEEE1588协议，建立第一主节点101和若干第一从节点102。

若干第二时钟节点2，与第一时钟节点1连接，用于根据IEEE1588协议，在每个第二时钟节点2中建立第二主节点201和第二从节点202。

第一时钟节点1与第二时钟节点2均与第一映射模块4连接，第一映射模块4具体用于将每个第二时钟节点2的第二主节点201与第一时钟节点1的一个第一从节点102建立映射关系，获取已建立映射关系的第一时钟节点1与第二时钟节点2之间的第一相差。

至少有一个第二时钟节点2与另一个第二时钟节点2连接；

第二时钟节点2与第二映射模块5连接，第二映射模块5具体用于将至少一个第二时钟节点2的第二主节点201与另一个第二时钟节点2的第二从节点202建立映射关系，获取已建立映射关系的两个第二时钟节点2之间的第二相差。

第一时钟节点1、第二时钟节点2、第一映射模块4和第二映射模块5均与调整模块6连接，所述调整模块6具体用于从第一映射模块4获取第一相差，从第二影射模块获取第二相差，根据第一相差和第二相差对第一时钟节点1和第二时钟节点2的时钟进行调整。

进一步地，所述调整模块6具体包括：

平均相差计算模块601，与第一映射模块4和第二映射模块5连接，用于计算第一相差与第二相差的平均值，将所述平均值作为平均相差；

调节模块602，与平均相差计算模块601、第一时钟节点1和第二时钟节点2连接，用于以第一主节点101或者任一第二主节点201的相位作为校准相位，根据平均相差对第一时钟节点1和第二时钟节点2的时钟进行一次到多次的收敛调整，直至第一时钟节点1和第二时钟节点2的时钟趋向一致，平均相差满足要求。

进一步地，所述第一时钟节点1和/或至少一个第二时钟节点2通过GPS连接设备3与基准参考时钟连接。

本文中的“第一”、“第二”仅仅是为了在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。