一种多节点通信网络的脉冲同步方法与流程

1.本发明涉及同步脉冲技术领域，尤其是一种多节点通信网络的脉冲同步方法。


背景技术：

2.在复杂的通信系统中，各处理单元需要统一时间标准进行执行机构的控制。常见的应用场景是通过硬件检测到某种系统状态时，触发一次脉冲信号，该脉冲信号再同步到系统中的其他处理单元，从而统一通信系统中所有处理单元对该系统的状态处理。传统的脉冲同步方法是通过硬件线缆连接各处理单元，该方法原理简单，但布线复杂且抗干扰能力差，在电磁环境恶劣的应用场景中使用效果差。
3.为解决强电磁环境下的脉冲同步干扰问题，通过电磁屏蔽措施增加线缆的抗干扰能力在方法上是可行的，但会导致成本的提高且效果一般；采用光纤替代传统铜质线缆是一个更为优质的技术路径，但需要解决光纤通信和光纤组网的问题。
4.光纤通信具有良好的抗干扰特性，结合部分通信协议还具有低延迟的优点，在军事和民用领域均应用广泛。光纤通道航空环境(fc-ae：fiber channel avionics environment)是光纤通道(fiber channel)标准开发组织制定的一簇协议族，用于详细定义可用于光纤通道航空电子环境上的专用系统。该协议将快速可靠的通道技术与灵活、可扩展的网络技术有机融合在一起。基于fc-ae的光纤通信方法将同步脉冲转换为通信数据帧并在接收端进行恢复，不仅抗干扰特性好，还能借助于通信网络大大降低专用于脉冲同步硬件布线带来的工程复杂度。然而，基于fc-ae光纤通信的多节点通信系统的脉冲同步尤其是同步脉冲源信号丢失后的脉冲同步问题，仍然并没有特别好的解决方案。


技术实现要素：

5.针对多节点通信系统的同步脉冲尤其是同步脉冲源信号丢失后的同步脉冲问题，本发明提供一种多节点通信网络的脉冲同步方法。
6.一种多节点通信网络的脉冲同步方法，通信网络由m台fc-ae交换机级联组成，每台交换机独立连接有fc-ae通信节点，m个通信节点中的n个通信节点连接有外部输入的同步脉冲源，其中n≤m；网络运行过程中，n个同步脉冲源有且仅有1个同步脉冲源作为主同步源，并将该主同步源同步至网络内的其他通信节点；当网络监测到任何一个通信节点的同步脉冲源丢失时，触发主同步源搜寻，交换机与各个通信节点经过帧交互之后，至少接收到其中一个通信节点上报的存在同步源的反馈信息，并从中选择最优端口下的同步脉冲源作为新的主同步源，并根据新的主同步源自动进行延迟补偿。
7.进一步的，系统刚上电时的同步脉冲包括以下步骤：
8.步骤a1，上电初始，所有同步脉冲源均尚未进入工作状态，所有连接同步脉冲源的通信节点均检测到同步脉冲源信号丢失，进而主动向对应交换机发送脉冲请求帧，对应交换机接收到脉冲请求帧后，向通信节点反馈脉冲配置帧，并向其他端口广播该脉冲配置帧，请求配置主同步源；
9.步骤a2，通信节点接收到脉冲配置帧后，停止发送脉冲请求帧，当某个通信节点监测到其接入的同步脉冲源有效后，向其对应交换机回复脉冲确认帧，对应交换机接收到脉冲确认帧后，向其他端口广播该脉冲确认帧；
10.步骤a3，交换机接收脉冲确认帧后，解析并记录同步脉冲源所在交换机的索引标号，当若交换机接收到来源于多个同步脉冲源的脉冲确认帧，则选择最优端口下的同步脉冲源作为主同步源。
11.进一步的，网络运行中，某一通信节点监测到其连接的同步脉冲源丢失后的同步脉冲包括以下步骤：
12.步骤b1，网络运行中，通信节点k监测到其连接的同步脉冲源丢失，主动向交换机k发送脉冲请求帧，交换机k接收到脉冲请求帧后，向通信节点k反馈脉冲配置帧，并向其他端口广播该脉冲配置帧；
13.步骤b2，通信节点k接收到脉冲配置帧后，停止发送脉冲请求帧，其他连接有效同步脉冲源的通信节点，向其对应交换机回复脉冲确认帧，对应交换机接收到脉冲确认帧后，向其他端口广播该脉冲确认帧；
14.步骤b3，交换机k接收脉冲确认帧后，解析并记录同步脉冲源所在交换机的索引标号，若交换机k接收到来源于多个同步脉冲源的脉冲确认帧，则选择最优端口下的同步脉冲源作为主同步源。
15.进一步的，自动延迟补偿包括以下步骤：
16.步骤c1,对级联交换机进行顺序索引编号，通信节点在交换机初始化后，通过fc-ae通信获取其所在交换机的索引编号和端口号，通过索引编号和fc-ae通信固定通信延迟计算同步脉冲信号间的相对延迟；最优端口所在的交换机索引编号记为dev_main，当前交换机索引编号记为dev_current，fc-2p层间固定通信延迟为p_delay，则不同交换机接收到的同步脉冲信号间的相对延迟ev_delay(dev_current)＝p_delay
×
|dev_main-dev_current|；
17.步骤c2，通信节点获取其所在交换机对应的dev_delay(dev_current)值，并将接收到的同步脉冲信号进行与之对应的延迟，实现相对延迟补偿；
18.步骤c3,计算同步脉冲源信号与同步脉冲信号间的相对延迟sd_delay＝p_delay
×
max(num_sw
–
1-dev_main，dev_main)，主同步源提前sd_delay时刻发出同步脉冲源信号，实现同步脉冲源信号与不同交换机接收到的同步脉冲信号间的相对延迟补偿。
19.进一步的，同步脉冲信号采用底层k码传输，包括以下步骤：
20.步骤d1,连接主同步源的通信节点p检测到同步脉冲源信号的上升沿，在fc-ae协议的fc-2p层插入k码1；检测到同步脉冲源信号的下升沿，在fc-ae协议的fc-2p层插入k码2；
21.步骤d2,交换机逻辑检测到k码1和k码2后，立刻将编码插入正在转发的业务帧或在转发空闲时单独组帧，通过fc-2p层广播至所有端口；
22.步骤d3,其他通信节点逻辑检测到交换机转发的k码1时，将低电平拉高成高电平，产生1个上升沿，直至逻辑检测到k码2时，再将高电平拉低回低电平，产生1个下降沿。
23.本发明的有益效果：1、相比于硬件连接的脉冲同步方法，本发明通过并发fc-ae帧交互，快速实现脉冲同步源的主备切换，大大提升了同步系统的可靠性；2、提出适应主备切
换的自动且精确的延迟补偿算法，实现fc-ae通信节点输出的同步脉冲信号间和同步脉冲源与同步脉冲信号间的高精度同步；3、通过k码插入和解析的方式传递和恢复脉冲信号，可在业务数据帧传输的任意时刻将同步脉冲的信息传递到fc-ae交换机和通信节点，一方面弥补了普通fc-ae通信需等待业务帧传输完毕才能进行脉冲信息交互的缺点，另一方面可适应不同频率和占空比的脉冲同步源，对脉冲同步源的频率和占空比具有优异的跟随性能。
附图说明
24.图1为实施例1所示多节点通信网络示意图；
25.图2中实施例1所示多节点通信网络未补偿的同步脉冲信号延迟示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
27.实施例1
28.本实施例1以图1所示网络为例，对本发明公开的多节点通信网络的脉冲同步方法进行展开论述。图1所示网络包括4台16端口的fc-ae交换机，每台交换机的1#端口均连接有通信节点，并通过15#端口和16#端口级联，实现交换机间的级联通信。网络对级联交换机进行顺序索引编号，本实施例中，级联的4台依序编码为1-4；通信节点2-4输入有同步脉冲源信号。为了便于表述，直接默认3个同步脉冲源的优先级顺序为同步脉冲源1＞同步脉冲源2＞同步脉冲源3。
29.图1所示网络，上电初始，同步脉冲源1-3均尚未进入工作状态，通信节点2-4均检测到同步脉冲源信号丢失，进而分别主动向交换机2-4发送脉冲请求帧，交换机2-4接收到脉冲请求帧后，再分别向通信节点2-4反馈脉冲配置帧，并向其他端口广播该脉冲配置帧(传输至其他交换机)，帧中的消息配置字段设置为0x01，表示请求配置主同步源。
30.通信节点2-4接收到脉冲配置帧后，停止发送脉冲请求帧。同步脉冲源1-3进入工作状态后，通信节点2-4监测到其接入的同步脉冲源有效后，分别向交换机2-4回复脉冲确认帧，交换机2-4接收到脉冲确认帧后，向其他端口广播该脉冲确认帧(传输至其他交换机)。
31.交换机接收脉冲确认帧后，解析并记录同步脉冲源所在交换机的索引标号，当若交换机接收到来源于多个同步脉冲源的脉冲确认帧，则选择最优端口下的同步脉冲源作为主同步源。在本实施例中的设定中，很显然，同步脉冲源1是最优的选择，因此选择其为主同步源。
32.通信节点3接入的同步脉冲源1为主同步源，图2中的同步脉冲信号1为主同步源输入通信节点3的未补偿的同步脉冲源信号，同步脉冲信号2-5分别为通信节点14输出的未补偿的脉冲同步信号，可见如果不进行延迟补偿，4台交换机接收到的同步脉冲信号间存在一
定的相对延迟。延迟补偿是脉冲同步技术中常用的技术手段，本发明核心技术点是当切换主同步源时，延迟补偿如何自动随之变动的问题。
33.假定fc-2p层间固定通信延迟为235ns，则交换机1-4计算得到的通信节点间的相对延迟值为：
34.交换机1dev_delay(0)＝235ns
×
|2-0|＝470ns；
35.交换机2dev_delay(1)＝235ns
×
|2-1|＝235ns；
36.交换机3dev_delay(2)＝235ns
×
|2-2|＝0ns；
37.交换机4dev_delay(3)＝235ns
×
|2-3|＝235ns；
38.同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟为sd_delay＝235ns
×
max(4-1-2，2)＝470ns。
39.交换机完成同步脉冲信号间的相对延迟和同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟的计算后，向除15#端口和16#端口以外的其他端口广播脉冲配置帧，该脉冲配置帧携带计算出的相对延迟值，帧中的消息配置字段设置为0x02，表示同步参数设置。这些过程均有交换机自主完成，无需人工干预。
40.通信节点1从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为470ns，并给接收到的同步脉冲信号添加470ns延迟；通信节点2从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为235ns，并给接收到的同步脉冲信号添加235ns延迟；通信节点3从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为0ns，则不作补偿；通信节点4从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为235ns，并给接收到的同步脉冲信号添加235ns延迟；通信节点3连接的同步脉冲源发出设备通过spi通信获得同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟为470ns，从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为470ns，并给接收到的同步脉冲信号添加470ns延迟。此外，同步脉冲源发出设备，提前470ns给出同步脉冲同步源，从而实现原始同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟补偿。
41.当通信节点3监测到其接入的同步脉冲源1丢失时，再次触发主同步源搜寻，主动向交换机3发送脉冲请求帧，交换机3接收到脉冲请求帧后，再向通信节点3反馈脉冲配置帧，并向其他端口广播该脉冲配置帧(传输至其他交换机)，帧中的消息配置字段设置为0x01，表示请求配置主同步源。通信节点3接收到脉冲配置帧后，停止发送脉冲请求帧。
42.通信节点2、4接入的同步脉冲源有效后，分别向交换机2、4回复脉冲确认帧，交换机2、4接收到脉冲确认帧后，向其他端口广播该脉冲确认帧(传输至其他交换机)。
43.交换机接收脉冲确认帧后，解析并记录同步脉冲源所在交换机的索引标号，当若交换机接收到来源于多个同步脉冲源的脉冲确认帧，则选择最优端口下的同步脉冲源作为主同步源。在本实施例中的设定中，很显然，此时同步脉冲源2是最优的选择，因此选择其为主同步源。
44.同样假定fc-2p层间固定通信延迟为235ns，则交换机1-4计算得到的通信节点间的相对延迟值为：
45.交换机1dev_delay(0)＝235ns
×
|3-0|＝705ns；
46.交换机2dev_delay(1)＝235ns
×
|3-1|＝470ns；
47.交换机3dev_delay(2)＝235ns
×
|3-2|＝235ns；
48.交换机4dev_delay(3)＝235ns
×
|3-3|＝0ns；
49.同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟为sd_delay＝235ns
×
max(4-1-3，3)＝705ns。
50.交换机完成同步脉冲信号间的相对延迟和同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟的计算后，向除15#端口和16#端口以外的其他端口广播脉冲配置帧，该脉冲配置帧携带计算出的相对延迟值，帧中的消息配置字段设置为0x02，表示同步参数设置。这些过程均有交换机自主完成，无需人工干预。
51.通信节点1从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为705ns，并给接收到的同步脉冲信号添加705ns延迟；通信节点2从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为470ns，并给接收到的同步脉冲信号添加470ns延迟；通信节点3从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为235ns，并给接收到的同步脉冲信号添加235ns延迟；通信节点4从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为0ns，不作补偿；通信节点4连接的同步脉冲源发出设备通过spi通信获得同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟为705ns，从脉冲配置帧解析出同步脉冲信号间的相对延迟值为705ns，并给接收到的同步脉冲信号添加705ns延迟。此外，同步脉冲源发出设备，提前705ns给出同步脉冲同步源，从而实现原始同步脉冲源与同步脉冲信号间的相对延迟补偿。
52.显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。