专利名称：一种不对称网络间的时间同步与补偿方法或者装置的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种不对称网络间的时间同步与补偿方法或者装置，可适用于通信，智能电网和数据采集领域。本发明公开了一种基于IEEE1588标准规范实现不对称网络间的时间同步与补偿方法或者装置，可适用于通信，电力，工业控制，军事和数据采集领域。
背景技术：
在信息化的世界里，设计信息控制，通信，交换和数据采集等领域，比如信息网络中的大型应用软件、工业生产设备，实时通讯系统，精准的控制系统等，为了提高各分布式控制系统中实时性，必然离不开精准的时间同步，在现有分布式网络环境中，由于网络建设和实际应用导致网络不对称性很多，比如SDH的环网，传统的ATM网络，以太网，ADSL/VDSL(不对称数据链路/甚高速不对称数据链路)，Ρ0Ν (无缘光网络)等都是不对称网络的典型应用，我们的大部分数据都是通过这些不对称网络进行分布式的控制，因此如何实现在不对称网络间实现时间同步显得尤为重要。实际上，我们知道不对称网络存在其必然性，然而不对称性的网络也必然存在线路的不对等，任何网络间都由于制造工艺的现实能力、电器元件的生产工艺能力、芯片自身的处理能力和设计不能保证不同设备间的一致性等，从而导致这些网络间存在传输线路的必然不对等情况，为了保证精确的时间同步能力就必然需要针对不对等网络间的线路做必要的补偿。基于IEEE-1588 PTP(高精度时间协议，Precision Time Protocol)的时钟同步/授时系统是最新的、以IP网络为载体的时钟同步技术，基于IEEE-1588高精度时间协议标准建立的授时系统，可在现有局域网络上提供纳秒级的授时精度。相对于现有的授时系统，基于IEEE-1588授时系统具有不受地形限制、且成本低、覆盖面广的优点，可用现有的IP网络作为承载体。基于以上的优点，基于IEEE 1588标准的时钟同步/授时系统将成为今后网络高精度授时系统的主流解决方案。但基于IEEE 1588 PTP(vl和v2)的时钟同步/授时系统所能达到的主从时钟同步精度取决于承载时钟报文的2层或3层网络的配置和负载情况，也即IEEE1588时钟报文在从主时钟(Grandmaster Clock)到从时钟(Slave Clock)的传播路径上，IEEE1588时钟报文所经过的2层交换机或者3层路由器的跳数、背景流量的高低、突发背景流量毛刺的存在都会最终影响主从时钟同步精度是否达到纳秒级(ns)、微秒级(us)或者毫秒级(ms)。如果主从时钟同步精度不能达到预期的精度，相关的信息系统或设备的性能将会受到严重影响，甚至不能正常工作。因此，为信息系统提供高精度的主从时钟同步测量技术以使时钟同步/授时系统及时进行时钟校准，从而得到更高精度的输出时钟成为必要。基于IEEE 1588规范，结合本发明的实现方法，实现精准的网络时间同步技术，同时针对不对等的网络延时进行必要的补偿，从而最终实现网络时间同步，为通信，电力，工业控制，军事和数据采集等领域提供了有效的时间同步技术，从而为其它各方面的应用提供了有效的时间保障，如精确控制，实时通信，故障采集和数据建模等。PTP包含4种报文:同步报文(Sync)、跟随报文(FellowUp)、延迟请求报文(DelayReq)和延迟响应报文(DelayRes)。主时钟每隔一段时间发送一次同步报文，发送报文的时间间隔选取也比较关键。间隔太短，会使网络负担比较严重，间隔太长又影响同步的精度，通用的标准规范中可支持I个/秒或者32个/秒或者64个/秒的报文发送速率。在发送的同时，主时钟记录下发送同步报文的时问戳为Tml。从时钟收到主时钟发送的同步报文后记录下收到时的时问戳为Tsl。主时钟发送完同步报文后接着发送一条跟随报文，跟随报文中把时间戳Tml发送给从时钟。之后从时钟会发送一条延迟请求报文给主时钟，从时钟需要记录发送请求报文的时间戳记为Ts2。主时钟收到请求报文后会记录收到时的时间戳为Tm2，并接着发送响应报文，把Tm2传给从时钟用于从时钟时间更新。经过以上四条报文的传输，从时钟就可以计算物理线路上的延迟Delay。Delayl=Tsl-Tml-Offsetl (I)
Delay2=Tm2-Ts2+ offset2 (2)
在物理线路上传输报文的延迟近似认为是相等的，所以认为Delay]等于Delay2，这样就有:
Delay=(Tsl-Tml+Tm2-Ts2) / 2 (3)offset=(Tsl一Tml) 一Delay (4)
依据上述公式进而可以推算出时间修正的通用公式，如公式(5)所示，为第k次同步时的时钟修正的公式。offset =Tsk-Tmk-Delay (5)
上面描述的是一种标准IEEE1588 PTP实现二步同步模式的实现方法，由于时间戳是要在同步过程的前端发送，通常的MCU实现方案，由于其固有的特性，无法实现在发送PTP报文前就打上本地的时间戳，因此在发送Sync报文之后，由系统记录本次发送Sync报文的时亥IJ，通过后面的FellowUp报文把Sync报文发送的时间戳发送给从端，从而实现从的获知Sync报文的发送主钟的时刻Tml。目前基于IEEE1588 PTP实现可采用一步模式，即在发送Sync报文的同时，把时间戳打在IEEE1588规范指定的同步码的后面，如此可减少FellowUP报文的发送。
发明内容
为了提供精确的时钟同步或授时系统，本发明提供了一种网络时钟同步的系统和方法，为IEEE1588 PTP(vl和v2)网络时间同步和补偿提供了一个较好的解决方案，以解决如何评估网络时间同步的精度这一重要问题提供先决的条件。为了实现前述发明目的，本发明所提供的一种网络时间同步的系统是通过以下的技术方案实现的:
一种不对称网络间的时间同步和补偿方法或者装置，所述方法或者装置包
括:
脉冲计数模块，用来计算主时钟和从时钟的脉冲次数差，所述主时钟为标准的高精度的网络时钟装置(如IEEE1588主时钟，如symmetricom-TimeProvider TP5000 )或者模块，所述从时钟通过网络与主时钟同步从而与远程基准时钟同步；
时间计数器模块，用来计算所述主时钟和从时钟的时间差；
同步计算模块，用来根据所述时间差和脉冲次数差进行网络时钟同步参数的计算，输出时间同步参数。时间误差计算模块，用来计算本地系统时间与所述主时钟的时间误差；时间计数模块，用来记录分别来自主、从网络的时钟报文的发送和接收时间戳，并根据所述时间误差和时间戳分别计算单向报文传输时间；计算主时钟和从时钟的脉冲次数差，所述主时钟为标准的高精度的网络时钟装置(如IEEE1588主时钟,如symmetricom-TimeProviderTP5000 )或者模块，从时钟通过网络与主时钟同步；
具体实现方式如下:
首先，主从网络间的时间同步，要求1588 PTP报文可达网络，本发明方法需保证网络中的主时钟在发送Sync报文支持一步模式，即发送Sync报文的同时带上时间戳，同时要求从网络需支持同样的接收Sync报文和时间戳的能力。本发明方法需在发送Sync报文的同时，记录此刻发送Sync报文的时间戳Tml，并触发主时钟的本地同步计数器开始计数。从端收到主端发送过来的Sync报文时，获得了主端发送Sync时刻的时间戳Tml，记录此刻从端的时刻Ts I，并启动从端的本地同步计数器。当主端同步计数器计数到一定数值后，如计数值满1000后发送FellowUP报文，并携带此刻时间戳Tml+countermlOOOT给从端。当从端计数器同 步计数器计数到一定数值后，如计数值满1000后发送DelayReq，并携带此时刻的从端时间戳(Tml+delayl+counterslOOOT)或者为Ts2给主端。当主端收到DelayReq报文后,包收到DelayReq的时刻记录下来,并通过DelayRes报文发送给从端。当从端收到主端的DelayResp报文后，即可获得如下信息:
Tsl-Tml = Delayl+offsetl (6)
0ffset=Tm2+Delay2- (Tml+Delayl+counterslOOOT) (7)
Tm2=Tml+counterml000T (8)
Ts2=Tml+delayl+countersl000T (9)
Tm3_Ts2 = Delay3-offset2 (10)
其中Delayl和Delay2为从主到从的Sync报文的延时和FellowUP报文的延时； Delay3为从到主的DelayReq报文的延时；
Ts2为从发送DelayReq报文，同时记录此时的时刻。由于Tml的时刻，主端启动了计数器开始计数，即之前Tmcounter计数器清除为O后开始计数，当到特定的时刻，如上所述，假设系统RTC计数脉冲为1000MHz，那么计数1000后约lus，那么此时主时钟发送FellowUP报文时刻应该为Tml+lus ;当从端收到Sync报文后，其保存此时的Tml时刻，并清除本地计数器为O开始计数，计数到1000后，记录此时Tml+累加的从端时刻，假设从端系统RTC脉冲计数器也为1000M，但是其与主之间存在每秒100ns的偏差，也就是说，如果此时从端计数器到达1000后，很可能此时的时刻为Tml+lus+100nsX1000/1000000000 也可能 Tml+lus-100nsX1000/1000000000。也就是说，根据主从在同一时刻启动同步计数器，当从端获知主端在某一时刻开始计数并计数一定数值Counter后，告知其此时刻的时间刻度，从端在获知主端开始计数时刻后，也启动计数器，计数相同数值Counter后，把此时刻的从端和收到主法人时刻后累加到Counter后的最终时间减去主端的累加至Couner的时刻，即可得主从之间的偏差数值，即 Offset。由于主从间的Offset，通常假设主的Offset为0，那么所有的Offset都是从端针对主端而设定的。因此从端相对与主端的Offset，因此如上(6)，(7)，(8)，(9)，( 10)所述的Offset都为同一 Offset,即从相对于主的Offset。在较短的时间内， 通常网络的单向延时可以近似为相对，假设我们的计数器的计数值非常小，从而可以保证Delayl和Delay2近似相等，即为主到从的单向延时，这是可以保证的，因此这里把Delayl=Delay2=Delayms带入(6)，(7), (8), (9), (10)所述的公式；此外Delay3为从到主端的单向延时,后面替换为Delaysm。如此即可得如下可以计算的实际数据，其中所有数据从端都可得到，主端也可以得到。Offset=CountersT-CountermT ； (11)
Delayms=Tsl-Tml-Offset;(12)
Delaysm =Tm3-Ts2+0ffset;(13)。依据上述公式进而可以推算出时间修正的通用公式，如公式(14) (15) (16)所示，为第k次同步时的时钟修正的公式。Offset =CountersT-CountermT; (14)
Delayms=Tskl-Tmkl-Offset;(15)
Delaysm =Tmk3-Tsk2+0ffset;(16)。根据所述时间差和脉冲次数差进行网络时钟同步参数的计算，输出时间同步参数，从而实现网络间的时间同步，同时针对不对称网络的可进行实时的动态的补偿。记录分别来自两个主从时钟的同步时钟报文的发送和接收时间戳计算本地系统时间与所述主时钟的时间误差；根据所述报文的传输时间戳和时间误差，根据Offset保证从端准确跟随主端进行高精度的时间同步，分别计算单向报文传输单向延时；根据所述单向报文传输延时，并对网络进行准确的延时补偿，从而可以实现不对称网络间的精确时间同步和补偿。本发明以上实施例可以被用来基于IEEE 1588网络的时钟同步网络在各个节点所能达到的时钟频率同步精度和时间同步精度。同时可根据不同网络的不对称性进行双向的时间同步与补偿。
权利要求
1.一种不对称网络间的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述系统包括: 脉冲计数模块,用来计算主时钟和从时钟的相同脉冲次数后,所述主时钟与从时钟的实际所达到的时间偏移量，所述从时钟通过网络与主时钟同步； 时间计数模块，用来统计相同计数值后所述主时钟和从时钟的时间值； 同步计算模块，用来根据所述时间差和脉冲次数差进行网络时钟同步实际数值进行计算，从而计数出准确的时间偏差值，即从相对主端的偏差值Offset，并根据Offset准确计算出主到从端的时间延时delayms和从到主之间的时间延时delaysm。
2.根据权利要求1所述的不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述主时钟和从时钟需支持IEEE 1588 一步模式要求，即主端发送Sync报文的同时需携带发送时刻的时间戳。
3.根据权利要求2所述的不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述主时钟和所述测量网络时钟同步的系统存在于一个时钟同步网络中，所述主从时钟都支持不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置。
4.根据权利要求3所述的不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述主时钟与从时钟的时间差为从时钟在收到主时钟发来的Sync报文后开始计数N后的时间计数模块，要求主端需在FellowUP报文中把时间戳带上发送给从端，从端根据计数N后的时间减去主时钟在发送Sync时刻开始计数N后之间的时间偏差，脉冲计数器都是为主从本地时间偏差Offset,从而根据Offset进行相应的同步与补偿。
5.根据权利要求1至4项所述不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述时间同步参数包括时间间隔误差、最大时间间隔误差、时间偏移、报文时延偏移或频率偏移。
6.不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述系统包括: 时间误差计算模块，用来计算本地系统时间与所述主时钟的时间误差； 时间计数模块，用来记录分别来自两个主时钟的同步时钟报文的发送和接收时间戳，并根据所述时间误差和报文的传输时间戳分别计算单向报文传输时间； 同步计算模块，用来根据所述根据所述单向报文传输时间，进行网络时钟同步计算，同时根据同步计数模块进行计数。
7.不对称网络的时间同步与补偿方法或者装置，其特征在于，所述方法包括: 计算主时钟和从时钟的脉冲次相同，所述主时钟与远程基准时钟同步，所述从时钟通过网络与所述主时钟同步； 计算所述主时钟和从时钟的时间差； 根据所述时间差和脉冲次数差进行单向网络时间同步与补偿计算，输出时间同步参数和补偿参数。
全文摘要
本发明公开一种解决在现有的不对称网络间实现时间同步的方法或者装置，结合本发明的校准与同步计算方法，实现主从之间的精准对时，同时可实现不对称网络的实时单向延时计算，为推动全网，跨网间的不对称网络间实时同步提供有效的解决方法。根据本发明的技术方案，能够提高主从对时精度和效率，可以为现有中国电信，移动和联通等家庭基站的入户提供了有效时钟同步保证。
文档编号H04J3/06GK103117829SQ20121055818
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者不公告发明人 申请人:杨德朝