专利名称：基于设备互联协议组的双向传递时间信息的方法
技术领域：
本发明涉及一种时间信息的传递方法，确切地说，涉及一种基于设备互联协议组(IRIG)的双向传递时间信息的方法，属于数据通信技术领域。
背景技术：
在通信领域，“同步”的概念是指频率的同步，即网络中的各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络中各个节点的时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的年、月、日、时、分、秒的时刻信息和时间间隔相互一致。
时间同步主要用于通信系统、数据处理系统、导弹及航天等系统的数据时序关联。随着社会信息化的发展，在电子系统中实现精确的时间同步变得越来越重要。
精确的时间传递技术是各系统之间在时钟标准上能够精确对准的前提，目前，常用的时间传递技术主要有全球定位系统GPS(Global Positioning System)、网络时间协议NTP(Network Time Protocol)、设备互联协议组IRIG(Inter RangeInstrumentation Group)和微波传输时间信息等，它们各有特色，分别用于不同的特定场合。其中IRIG是一种单向时间传递技术，主时间服务器在连续的IRIG时间码中写入自己的参考时间，经传输到达从时间服务器后，被用作基准时间来校准其本地时间(参见图1)。由于IRIG有着相对低廉的价格和很高的精确度，在专用的主从两个时间服务器之间的时间传递方面获得了广泛应用。
IRIG时间传递技术是由IRIG标准化组织于1956年开始制定相应帧格式，并在其间多次修改更新，目前为止的最新版本为IRIG 200-95。IRIG时间传递技术可以得到微秒级(10-6)的同步精度。现在，IRIG时间码的帧格式已经有系列标准，包括IRIG-A、B、D、E、G、H，它们的主要区别在于帧速率、载波速率、时间码含义等方面不同。
参见图2，介绍其中的IRIG-B的帧格式比特率为100PPS，共有3类码字位置标示比特(P0～P9)、帧参考比特Pr和信息比特(1、0)，且各类码字有不同的脉冲持续时间“P0～P9”和“Pr”为8ms，信息比特中的“1”为5ms，“0”为2ms，因此在IRIG中是依靠脉冲持续时间以及相对位置来确定码字的。帧速率为1帧/秒，帧起始标志为P0Pr，时间信息字段有BCD和SBS两种时间信息编码，其中BCD编码(起始于Pr，终止于P5)是采用2进制分别表示秒(7比特)、分(7比特)、时(6比特)、天(10比特)，每年一个循环；SBS编码(起始于P8，终止于P0)为可选的附加信息，表示当天的秒时刻，共有17比特，每天一个循环；控制功能字段(开始于P5，终止于P8)共有27比特，用于扩展用途，标准中未作规范。
由于IRIG最初只是用于通用时间的校准，主要应用场合是计量测试领域，因此，其编码格式中没有年份、闰秒、夏令时等信息。为了将其能够用于长期持续的时间校准服务，IEEE标准化组织在1995年发布的IEEE Std 1344-1995中对IRIG-B进行了扩展。在IEEE Std 1344-1995的附录F《(定时与同步格式)》中对扩展方法作了说明。为了后向兼容性，IEEE只对IRIG-B的控制功能字段作了扩展，而对其它字段未进行任何改动。
IRIG-B控制功能字段有27比特，IEEE Std 1344-1995只对其中第1～4、6～24共23个比特进行了定义，用于传递年份、闰秒、夏令时、时区、时钟质量等信息。第5、25～27共4个比特没有使用，正常状态下置零。
从图1中可以看出，IRIG作为一种单向时间传递技术，从时间服务器在校准本地时间时，只能以主时间服务器发送的时间信息作为基准，没有、也不可能将信号的传输时延计算在内。对于在楼内或彼此非常邻近的两座建筑物之间等短距离应用情况下，由于传输时延一般非常小(通常不足1μs)，可以忽略不计，这种单向时间传递技术可以达到足够高的精确度。但是对于长距离应用，通常其传输时延也比较大，例如2000千米SDH传输的时延为12ms，如果通过ATM、FR进行传输的时延则更大，由于IRIG不能将传输时延计算在内，从而限制了该技术在长距离下的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于设备互联协议组IRIG的双向传递时间信息的方法，该方法通过对现有IRIG技术的扩展，在标准IRIG帧格式的控制功能字段中加入标识信息和时延信息，用于在IRIG中携带传输时延信息，使得从时间服务器在进行本地时间校准时，能够对传输时延进行补偿，这样即使在长距离传输情况下，IRIG依然有非常高的精确度，从而将IRIG技术的应用扩展到长距离。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于设备互联协议组IRIG的双向传递时间信息的方法，其特征在于在主、从两个时间服务器中分别增加反向IRIG端口和处理模块，进行双向通信，在标准IRIG帧格式的控制功能字段中加入标识信息和时延信息，分别表示该帧格式用于时延测量的工作状态、模式和传输时延的数值，实现了在IRIG的帧格式中携带传输时延信息，使得从时间服务器在进行本地时间校准时，能够以该传输时延来补偿和消除其与主时间服务器之间由于长距离传输引入的时间偏差。
所述主从时间服务器之间的单向传输时延d＝[(T3-T2)+(T1-T0)]/2，式中T0、T3分别为从时间服务器发送时延测量请求及其接受到主时间服务器应答信息的本地时间戳；T1、T2分别为主时间服务器接收到从时间服务器的时延测量请求及其发送时延测量请求应答信息的本地时间戳；因IRIG的两个方向传输时延相同，则从时间服务器校准后的正确时间T＝T2+d＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2；式中，从时间服务器在本地接收“应答”的时间T3和主时间服务器在“应答”中的时间戳T2对于从时间服务器都是已知信息，只要获知“T1-T0”的数值即可进行精确的时间校准。
所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中设有三个信息比特分别用作该帧格式的工作状态标识位、工作模式标识位和该控制功能字段中的所有比特奇偶校验位；其余的信息比特皆为时延信息存储区，用于记录传输时延“T1-T0”的数值。
所述工作状态标识位的两个二进制数值分别表示该帧格式处于标准工作状态或时延测量状态；所述工作模式标识位的两个二进制数值分别表示该帧格式为时延测量请求信息或时延测量请求的应答信息。
所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为标准工作状态时，该控制功能字段中的其它比特在IRIG-B中，表示由IEEE Std 1344-1995定义的相关兼容信息；而在IRIG-A、D、E、G、H中，这些比特没有意义。
所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为时延测量状态、工作模式标识位为时延测量请求信息时，则该控制功能字段中的其它比特没有意义。
所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为时延测量状态、工作模式标识位为时延测量请求应答信息时，则该控制功能字段中除了奇偶校验位以外的其它比特都是时延信息存储区，用于记录主时间服务器插入的“T1-T0”的数值。
所述方法包括下列步骤(1)主从时间服务器之间进入标准IRIG同步工作状态；(2)从时间服务器周期性地进入时延测量状态，向主时间服务器发送时延测量请求信息，该请求信息通过IRIG标准帧格式中的BCD时间信息字段携带有该时延测量请求的发送时刻T0；(3)主时间服务器在T1时刻接收到该时延测量请求信息，计算“T1-T0”的数值，并将该数值记录在该主时间服务器返回的应答帧的控制功能字段中的时延信息存储区，该应答帧通过标准IRIG帧格式中的BCD时间信息字段携带有该应答帧的发送时刻T2；(4)从时间服务器在T3时刻接收到应答帧后，校准本地时刻T＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2，结束时延测量状态，进入标准IRIG同步工作状态。
所述步骤(2)中从时间服务器进入时延测量状态的周期是根据包括但不限于业务要求、传输线路距离、负载和线路质量状况进行设置或调整的。
所述方法适用于IRIG-A、IRIG-B、IRIG-D、IRIG-E、IRIG-G、或IRIG-H，它们的区别之处只是其时延信息存储器所能表示的时延范围不同，的容量不同，分别为0～16777215微秒、0～16777215微秒、0～63微秒、0～4398046511103微秒、0～8589934591微秒、0～63微秒。
本发明是一种基于IRIG的双向传递时间信息的方法，其最大的特点是扩展了现有的IRIG单向传递时间信息的技术，实现了时间信息的双向传递，从而可以在时间校准时，能够对传输时延进行补偿。为此，本发明在多方面进行了改进，关键是在IRIG的帧格式的控制功能字段中增添了标识信息和时延信息，前者能够表示该帧格式分别是标准工作状态或时延测量状态，在时延测量工作状态时，还能够标识该帧格式分别为时延测量请求信息或时延测量请求的应答信息；后者用于存储传输时延的数值，从而使得在双向传送的IRIG帧格式中能够携带传输时延数值，这样在从时间服务器进行本地时间校准时，能够快速得到传输时延，能够以该传输时延来补偿和消除其与主时间服务器之间由于长距离传输引入的时间偏差，从而较好地解决了以往长距离传输的时间信息无法精确同步的问题。而且，本发明方法兼容性好，扩展的装置可以与原有的IRIG设备一起工作；本发明是在原有IRIG时间帧格式的预留控制功能字段进行扩展，不影响原有工作机制的正常进行，支持本发明的设备可以和原有设备一起工作，只是这时候将无法利用本发明提供的时延测量功能。当与不支持本发明的原有设备互联时，支持本发明的设备可以通过人工命令方式关闭本发明的双向时延测量功能，从而工作于标准的IRIG单向同步方式。此外，本发明适应性强，能够适用于包括IRIG-A、IRIG-B、IRIG-D、IRIG-E、IRIG-G、或IRIG-H的各种不同标准的时间码。本发明能够使IRIG在长距离传输情况下，时间信息依然具有非常高的精确度，消除了它对传输距离的限制。因此，本发明的应用前景非常看好。
图1是传统IRIG的时间传递方式示意图。
图2是IRIG-B规定的帧格式中各个信息比特的格式示意图。
图3是本发明基于IRIG双向传递时间信息的方法中传输时延的计算方法示意图。
图4是本发明基于IRIG双向传递时间信息的方法中规定IRIG-B扩展功能字段中各个信息比特含义的位置图。
图5是本发明基于IRIG双向传递时间信息的方法中的工作流程示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
目前的IRIG时间传递技术主要用于楼内等短距离应用场合，为了将IRIG扩展到长距离应用，必须有一种机制能够携带传输时延信息，在主从时间服务器相互独立的情况下，时延信息的携带只有通过双向通信来解决。
为了在时间校准时对传输时延进行补偿，需要双向通信来计算传输时延。参见图2，简要介绍和说明本发明采用的计算原理和计算方法，图中T0、T3分别为从时间服务器发送时延测量请求及其接受到主时间服务器应答信息的本地时间戳；T1、T2分别为主时间服务器接收到从时间服务器的时延测量请求及其发送时延测量请求应答信息的本地时间戳。
设从时间服务器相对于主时间服务器的时间偏差为a，单向传输时延为d，由于两个方向的传输时延相同(IRIG通过对称数字专线进行传输)，则有T1＝T0+d+a； T3＝T2+d-a；从而得到传输时延d＝[(T3-T2)+(T1-T0)]/2；因此，从时间服务器校准后的正确时间为T＝T2+d＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2。
对于从时间服务器，由于T3是已知的(本地接收到“应答”的时间)，T2也是已知的(主时间服务器在“应答”中附加的时间戳)，只要知道“T1-T0”的数值即可进行精确的时间校准。
为了后向兼容已有的IRIG设备和系统，本发明只利用了原有IRIG的控制功能字段，下面以IRIG-B为实施例进行具体说明，而IRIG-A、D、E、G、H格式基本相同，其区别只是时延信息的存储字段的长度不同而已。
IRIG-B中，P5～P8之间的27个比特为预留扩展字段，在目前的现有技术中没有利用，因此，本发明对其进行了如下定义参见图4，本发明在标准IRIG帧格式的控制功能字段中设有三个信息比特分别用作该帧格式的工作状态标识位S、工作模式标识位M和该控制功能字段中的所有比特奇偶校验位P；其余的信息比特20～223皆为时延信息存储区，用于记录传输时延“T1-T0”的数值。在IRIG-B实施例中，该工作状态标识位S、工作模式标识位M和奇偶校验位P分别是P5～P8之间的第25、26、27个比特。
其中S表示工作状态，当S＝0表示处于标准工作状态，此时在IRIG-B中，控制功能字段的其它比特由IEEE定义，表示IEEE Std 1344-1995规定的相关兼容信息；而在IRIG-A、D、E、G、H中，控制功能字段的其它比特没有意义，可以全部都置零；当S＝1表示处于时延测量工作状态的条件时，帧格式取决于表示工作模式M的数值M＝0表示为从时间服务器发起的时延测量请求信息；M＝1表示为主时间服务器的时延测量请求应答信息。
P为奇偶校验比特，表示控制功能字段中其它26个比特的奇偶校验和。
时延信息存储区中的信息比特20～223皆用于记录传输时延“T1-T0”的2进制数值，单位是微秒。其中当M＝0时，20～223无意义，各比特置零；当M＝1时，20～223表示由主时间服务器计算和插入的“T1-T0”传输时延数值，可以表示的最大值为16777215微秒。
对于IRIG-A、D、E、G、H，其控制功能字段长度分别为27、9、45、36、9，对其的三个标识比特S、M、P的定义与IRIG-B是相同的，唯一不同点是其所能表示的“T1-T0”的2进制值数值不同，分别为20～223、20～25、20～241、20～232、20～25，即16777215微秒、63微秒、4398046511103微秒、8589934591微秒、63微秒。
参见图5，介绍本发明方法的工作流程(1)主从时间服务器之间进入标准IRIG同步工作状态。
(2)从时间服务器周期性地进入时延测量状态，向主时间服务器发送时延测量请求信息，该请求信息通过IRIG标准帧格式中的BCD时间信息字段携带有该时延测量请求的发送时刻T0；其进入时延测量状态的周期是根据包括但不限于业务要求、传输线路距离、负载和线路质量状况进行设置或调整的。
(3)主时间服务器在T1时刻接收到该时延测量请求信息，计算“T1-T0”的数值，并将该数值记录在该主时间服务器返回的应答帧的控制功能字段中的时延信息存储区，该应答帧通过标准IRIG帧格式中的BCD时间信息字段携带有该应答帧的发送时刻T2。
(4)从时间服务器在T3时刻接收到应答帧后，校准本地时刻T＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2，结束时延测量状态，进入标准IRIG同步工作状态。
本发明已经进行了实现双向IRIG时间传递的实施试验，主要改进措施是在主从时间服务器中增加反向IRIG端口和相应处理模块，同时扩展IRIG帧中的控制字段，使其携带新定义的比特和传输时延数值。试验是成功的，实现了发明目的。
权利要求
1.一种基于设备互联协议组IRIG的双向传递时间信息的方法，其特征在于在主、从两个时间服务器中分别增加反向IRIG端口和处理模块，进行双向通信，在标准IRIG帧格式的控制功能字段中加入标识信息和时延信息，分别表示该帧格式用于时延测量的工作状态、模式和传输时延的数值，实现了在IRIG的帧格式中携带传输时延信息，使得从时间服务器在进行本地时间校准时，能够以该传输时延来补偿和消除其与主时间服务器之间由于长距离传输引入的时间偏差。
2.根据权利要求1所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述主从时间服务器之间的单向传输时延d＝[(T3-T2)+(T1-T0)]/2，式中T0、T3分别为从时间服务器发送时延测量请求及其接受到主时间服务器应答信息的本地时间戳；T1、T2分别为主时间服务器接收到从时间服务器的时延测量请求及其发送时延测量请求应答信息的本地时间戳；因IRIG的两个方向传输时延相同，则从时间服务器校准后的正确时间T＝T2+d＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2；式中，从时间服务器在本地接收“应答”的时间T3和主时间服务器在“应答”中的时间戳T2对于从时间服务器都是已知信息，只要获知“T1-T0”的数值即可进行精确的时间校准。
3.根据权利要求1所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中设有三个信息比特分别用作该帧格式的工作状态标识位、工作模式标识位和该控制功能字段中的所有比特奇偶校验位；其余的信息比特皆为时延信息存储区，用于记录传输时延“T1-T0”的数值。
4.根据权利要求3所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述工作状态标识位的两个二进制数值分别表示该帧格式处于标准工作状态或时延测量状态；所述工作模式标识位的两个二进制数值分别表示该帧格式为时延测量请求信息或时延测量请求的应答信息。
5.根据权利要求4所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为标准工作状态时，该控制功能字段中的其它比特在IRIG-B中，表示由IEEE Std 1344-1995定义的相关兼容信息；而在IRIG-A、D、E、G、H中，这些比特没有意义。
6.根据权利要求4所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为时延测量状态、工作模式标识位为时延测量请求信息时，则该控制功能字段中的其它比特没有意义。
7.根据权利要求4所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述标准IRIG帧格式的控制功能字段中的工作状态标识位为时延测量状态、工作模式标识位为时延测量请求应答信息时，则该控制功能字段中除了奇偶校验位以外的其它比特都是时延信息存储区，用于记录主时间服务器插入的“T1-T0”的数值。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述方法包括下列步骤(1)主从时间服务器之间进入标准IRIG同步工作状态；(2)从时间服务器周期性地进入时延测量状态，向主时间服务器发送时延测量请求信息，该请求信息通过IRIG标准帧格式中的BCD时间信息字段携带有该时延测量请求的发送时刻T0；(3)主时间服务器在T1时刻接收到该时延测量请求信息，计算“T1-T0”的数值，并将该数值记录在该主时间服务器返回的应答帧的控制功能字段中的时延信息存储区，该应答帧通过标准IRIG帧格式中的BCD时间信息字段携带有该应答帧的发送时刻T2；(4)从时间服务器在T3时刻接收到应答帧后，校准本地时刻T＝[(T1-T0)+(T3+T2)]/2，结束时延测量状态，进入标准IRIG同步工作状态。
9.根据权利要求8所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述步骤(2)中从时间服务器进入时延测量状态的周期是根据包括但不限于业务要求、传输线路距离、负载和线路质量状况进行设置或调整的。
10.根据权利要求1所述的双向传递时间信息的方法，其特征在于所述方法适用于IRIG-A、IRIG-B、IRIG-D、IRIG-E、IRIG-G、或IRIG-H，它们的区别之处只是其时延信息存储器所能表示的时延范围不同，的容量不同，分别为0～16777215微秒、0～16777215微秒、0～63微秒、0～4398046511103微秒、0～8589934591微秒、0～63微秒。
全文摘要
一种基于设备互联协议组IRIG的双向传递时间信息的方法，是在主、从两个时间服务器中分别增加反向IRIG端口和处理模块，进行双向通信，在标准IRIG帧格式的控制功能字段中加入标识信息和时延信息，分别表示该帧格式用于时延测量的工作状态、模式和传输时延的数值，实现了在IRIG的帧格式中携带传输时延信息，使得从时间服务器在进行本地时间校准时，能够以该传输时延来补偿和消除其与主时间服务器之间由于长距离传输引入的时间偏差。该方法扩展了现有的IRIG技术，使得在长距离传输情况下，IRIG依然有非常高的精确度，从而将IRIG技术的应用扩展到长距离。
文档编号H04L29/06GK1710908SQ20051008414
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者陆立, 杜春生, 刘萱 申请人:广东省电信有限公司研究院