劉建成

（朗訊科技光網(wǎng)絡(luò)有限公司 上海研發(fā)中心，上海201206）

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用越來(lái)越普及。為了確保分布式網(wǎng)絡(luò)化的終端能夠?qū)崿F(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)，需要整個(gè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的參考時(shí)間，并且應(yīng)該使所有分布式終端的本地時(shí)鐘與該系統(tǒng)時(shí)間保持同步。越來(lái)越多的工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的精度要求也越來(lái)越高，尤其是在大多數(shù)以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中，已經(jīng)對(duì)時(shí)鐘同步提出了微妙級(jí)的同步要求。特別是在分布式控制系統(tǒng)中，考慮到實(shí)時(shí)性的調(diào)度和控制，對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的要求就更為嚴(yán)格。傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network time protocol,NTP）已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這種精度要求，比如對(duì)時(shí)鐘同步精度要求非?？量痰腡DSCDMA網(wǎng)絡(luò)就采用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行授時(shí)，雖然精度可以保證，但是GPS系統(tǒng)造價(jià)昂貴、安裝復(fù)雜、兼容性差的缺點(diǎn)使得運(yùn)營(yíng)商不得不考慮其替代方案。

為了徹底解決分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，很多研究機(jī)構(gòu)和測(cè)控公司紛紛投入人力、物力進(jìn)行這方面的研究與實(shí)驗(yàn)。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)開(kāi)發(fā)并發(fā)布了“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems)”，即IEEE1588協(xié)議，簡(jiǎn)稱(chēng)為精確時(shí)間同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)。 IEEE1588協(xié)議的發(fā)展和成熟提供了一種低成本高精度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步解決方案。IEEE1588定義了一種用于由網(wǎng)絡(luò)通訊、本地計(jì)算和分布式對(duì)象等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議。該協(xié)議支持系統(tǒng)范圍的時(shí)鐘同步，即可以用于廣域的以太網(wǎng)中，也可用于支持多點(diǎn)歡送的局域網(wǎng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微妙級(jí)的時(shí)間同步精度。IEEE1588協(xié)議采用了發(fā)布者和接收者的P/S模式，主時(shí)鐘擔(dān)當(dāng)時(shí)間發(fā)布者的角色，從時(shí)鐘擔(dān)當(dāng)接受者的角色。IEEE1588精確時(shí)鐘同步算法由于其高同步精度、低成本實(shí)現(xiàn)、方便安裝與維護(hù)等優(yōu)越性，在供電管理、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)通信等鄰域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 IEEE1588同步原理

IEEE1588通過(guò)交換報(bào)文來(lái)確定主時(shí)鐘Master和從時(shí)鐘Slave之間的時(shí)間偏差及報(bào)文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。首先，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)Master端周期性的發(fā)送同步報(bào)文 (Sync消息)給從時(shí)鐘Slave端，Sync消息中包括其離開(kāi)主時(shí)鐘時(shí)的時(shí)間t1，如果采用兩步機(jī)制，則將同步包文時(shí)間戳t1打包到跟隨報(bào)文（Follow Up消息），緊接著發(fā)送Follow Up消息。Slave接收后記錄該消息到達(dá)時(shí)間戳t2；從時(shí)鐘發(fā)Delay_Req消息給主時(shí)鐘，并記錄Delay_Req的離開(kāi)時(shí)刻t3；主時(shí)鐘記錄Delay_Req到達(dá)時(shí)間t4，并通過(guò)Delay_Resp把t4發(fā)回給從時(shí)鐘Slave。從時(shí)鐘Slave根據(jù)時(shí)間戳t1,t2,t3,t4來(lái)計(jì)算主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差及傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲，并用時(shí)間偏差調(diào)整自身時(shí)鐘，直到與主時(shí)鐘同步，如圖1所示。

圖1 同步過(guò)程Fig.1 Synchronization process

這里我們把主從時(shí)鐘的時(shí)間偏差記作△toffset，而發(fā)送同步報(bào)文Sync消息傳輸需要的時(shí)間記作△tdelay12，發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時(shí)間記作△tdelay34,則它們有公式(1)關(guān)系。

從而得到主從時(shí)間偏差

在IEEE1588協(xié)議里假設(shè)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸是對(duì)稱(chēng)的，我們標(biāo)記平均傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲為△tdelay，即公式(3)

從而得到公式（4）中的主從時(shí)間偏差以及平均傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲：

從原理中可以看出傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲嚴(yán)重影響時(shí)鐘同步精度。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲包含協(xié)議棧、存貯轉(zhuǎn)發(fā)及物理網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)延。物理網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的線路延時(shí)一般是穩(wěn)定的，而協(xié)議棧及存貯轉(zhuǎn)發(fā)在運(yùn)行過(guò)程中由于受不確定因素影響會(huì)產(chǎn)生較大的抖動(dòng)，這對(duì)同步的精度有較大的影響。為此IEEEl588協(xié)議提出了一種基于軟件和硬件相結(jié)合的時(shí)間同步方法，將時(shí)間戳的標(biāo)記點(diǎn)下移到MAC層和PHY層之間，即圖2中的A點(diǎn)，降低協(xié)議棧及業(yè)務(wù)流量對(duì)同步時(shí)間的影響，使同步過(guò)程中的主要延時(shí)為物理層延時(shí)，目前已經(jīng)有很多Switch芯片、PHY芯片都支持硬件打時(shí)間戳。

2 時(shí)鐘同步算法的改進(jìn)

圖2 硬件打時(shí)間戳模型Fig.2 Timestamp generation model

只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸是完全對(duì)稱(chēng)的，即△tdelay=△tdelay12=△tdelay34時(shí)，才能夠保證同步的精確性。但在現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中這只能是一種理想情況，在網(wǎng)絡(luò)上有較大負(fù)載的情況下，這種假設(shè)很難保證。為了有效減小遠(yuǎn)程末端的串?dāng)_，目前使用網(wǎng)絡(luò)電纜在設(shè)計(jì)時(shí)就采用了一些非對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)，而許多收發(fā)器采用的也是不對(duì)稱(chēng)的傳送和接收路徑。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，不同傳輸方向上延遲Delay越不可能相等，這樣就會(huì)使計(jì)算出的延時(shí)與實(shí)際的主從延時(shí)相差較大。另外，如果主時(shí)鐘和從時(shí)鐘使用的收發(fā)器的時(shí)間特性不同，這種不對(duì)稱(chēng)性將是無(wú)法補(bǔ)償?shù)?，從而?yán)重影響時(shí)鐘同步精度?，F(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲肯定是非對(duì)稱(chēng)的，根據(jù)IEEE1588的規(guī)定，上文中給出的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲的式（3）可在必要時(shí)作出修改，以滿(mǎn)足實(shí)際情況的需要。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的不對(duì)稱(chēng)性，以及發(fā)送同步報(bào)文Sync消息傳輸需要的時(shí)間△tdelay12和發(fā)送Delay_Req消息傳輸需要的時(shí)間△tdelay34具有不同的更新周期，可以考慮一種基于加權(quán)平衡的同步改進(jìn)算法，所以若將網(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay取為△tdelay12和△tdelay34的加權(quán)平均值，則可具有較好的精確度。不妨標(biāo)記傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay34為網(wǎng)絡(luò)延遲△tdelay12的w倍（w的測(cè)量計(jì)算不在本文討論,文獻(xiàn)[1]給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法）

從而得到公式(6)中的主從時(shí)間偏差以及傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲：

在時(shí)間源穩(wěn)定運(yùn)行下，主從時(shí)鐘間的時(shí)間偏差△toffset測(cè)量值在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論上符合正態(tài)分布，或者分布近似高斯分布。根據(jù)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)同步算法計(jì)算得出的時(shí)間偏差測(cè)量值△toffset，若簡(jiǎn)單認(rèn)為就是主從時(shí)鐘間的相位差而直接進(jìn)行相位的調(diào)整，由于時(shí)間偏差△toffset符合正態(tài)分布，則會(huì)出現(xiàn)從時(shí)鐘相位的正負(fù)矢量方向上的無(wú)間歇運(yùn)動(dòng)，時(shí)鐘的運(yùn)行將很不穩(wěn)定，不但起不到適中同步的效果，反而可能使系統(tǒng)的時(shí)間發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)亂。故在實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步算法的時(shí)間同步系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等不可確定因素的影響，計(jì)算得出的主從時(shí)鐘偏差測(cè)量值與理論值存在一定誤差，為進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度,一般運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算大量主從時(shí)鐘偏差樣本的算術(shù)平均值,無(wú)限逼近主從相位偏差的數(shù)學(xué)期望值，即式（7）。不足的是當(dāng)采集到的△toffest測(cè)量值不夠理想時(shí)，計(jì)算出的算術(shù)平均值可能會(huì)遠(yuǎn)離其期望值，或者在主時(shí)鐘源時(shí)間發(fā)生跳變時(shí)，通常的調(diào)相操作可能會(huì)使得從時(shí)鐘相位發(fā)生較大位移，降低同步精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通常來(lái)講，可以把主時(shí)鐘源認(rèn)為是運(yùn)行極其穩(wěn)定的系統(tǒng)，但時(shí)鐘系統(tǒng)都會(huì)有參數(shù)調(diào)整，比如在閏秒操作，就會(huì)造成主時(shí)鐘源“輕微”的時(shí)間跳躍。所以，授時(shí)的主時(shí)鐘信號(hào)是可能存在跳變的非穩(wěn)定基準(zhǔn)信號(hào)。由于無(wú)法確定過(guò)于偏離期望值的數(shù)據(jù)是變質(zhì)的樣本還是參數(shù)調(diào)整后可能更優(yōu)的信號(hào)，倘若把參數(shù)調(diào)整后更優(yōu)的“標(biāo)準(zhǔn)”信號(hào)簡(jiǎn)單舍棄，將造成從時(shí)鐘系統(tǒng)向主時(shí)鐘信號(hào)同步鎖定的滯后。而快速向其靠攏顯然也是不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@樣將可能使得從時(shí)鐘的相位發(fā)生較大的位移，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。時(shí)間同步操作時(shí)正確的做法應(yīng)是逐漸信任并逐漸靠攏。這里考慮用方差閾值濾波的方法，只有當(dāng)N個(gè)的方差 D（公式8）小于方差閾值 DThreshold，則第 N個(gè)時(shí)間偏差△tdelay[N]才被接受，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)計(jì)算。為了加快算法收斂速度同時(shí)又保證穩(wěn)定性,可根據(jù)算法狀態(tài)調(diào)整時(shí)間窗N的大小,在初始時(shí)算法還未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置為較小值，調(diào)整時(shí)間窗為N/2.這樣既保證了在從時(shí)鐘與主時(shí)鐘偏差較大時(shí),算法能很快做出響應(yīng),盡快收斂,同時(shí)又保證在從時(shí)鐘與主時(shí)鐘同步穩(wěn)定時(shí),不用頻繁調(diào)整從時(shí)鐘。

3 時(shí)鐘同步性能測(cè)試

Alcatel-Lucent 1850業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)TSS5R是一款簡(jiǎn)潔，模塊化的包交換光傳輸PTN系統(tǒng)，支持IEEE1588時(shí)鐘同步。2012年TSS5R通過(guò)了中國(guó)移動(dòng)PTN測(cè)試，TSS5R時(shí)鐘同步性能表現(xiàn)穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)室里，我們將兩個(gè)TSS5R網(wǎng)元背靠背光纖連接來(lái)測(cè)試時(shí)間同步。測(cè)試設(shè)備連接如圖3，時(shí)間測(cè)量?jī)xTimeAcc接收GPS信號(hào)，同時(shí)輸出1PPS+TOD信號(hào)給TSS5R主時(shí)鐘Master網(wǎng)元，輸出10 MHz頻率參考信號(hào)給綜合測(cè)試儀HP37718，而綜合測(cè)試儀HP37718則提供2 MHz的頻率信號(hào)給主時(shí)鐘Master網(wǎng)元。從時(shí)鐘Slave網(wǎng)元與主時(shí)鐘Master網(wǎng)元利用SYNCE相位調(diào)頻，保持主從時(shí)鐘的頻率同步，利用IEEE1588進(jìn)行時(shí)間同步，同時(shí)從時(shí)鐘Slave網(wǎng)元輸出1PPS+TOD到時(shí)間測(cè)量?jī)xTimeAcc，在時(shí)間同步算法收斂穩(wěn)定后做了長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間性能監(jiān)控試驗(yàn)，測(cè)試的時(shí)間性能如圖4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明時(shí)鐘同步具有穩(wěn)定的性能，在主從同步穩(wěn)定后，時(shí)間偏差達(dá)到亞微妙級(jí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖3 測(cè)試配置框圖Fig.3 Test configuration

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Result of experiment

本文在深入研究IEEE1588精確時(shí)間同步原理的基礎(chǔ)上，給出一種改進(jìn)的時(shí)間同步方法，該改進(jìn)的時(shí)鐘同步算法使時(shí)鐘同步性能更穩(wěn)定更抗干擾。該改進(jìn)算法被應(yīng)用在Alcatel-Lucent包交換光傳輸TSS5R系統(tǒng)中，并通過(guò)了中國(guó)移動(dòng)基于分組網(wǎng)絡(luò)的分組時(shí)間同步特性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TSS5R系統(tǒng)IEEE1588時(shí)鐘同步具有穩(wěn)定的性能，同步精度達(dá)到亞微秒級(jí)，可滿(mǎn)足PTN產(chǎn)品高精度時(shí)鐘同步的要求。

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