谷士鵬，劉　明，支高飛

（中國飛行試驗研究院，西安　710089）

不同機載測試網(wǎng)絡環(huán)境對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)性能的影響分析

谷士鵬，劉明，支高飛

（中國飛行試驗研究院，西安710089）

為深入研究不同機載測試網(wǎng)絡環(huán)境對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)性能的影響，提出了使用正態(tài)分布曲線描繪時鐘同步誤差的方法；通過分析IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的工作原理，決定采用硬件方式測量時鐘同步誤差分布，并利用統(tǒng)計學的分析方法，分析不同的機載測試網(wǎng)絡環(huán)境對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)性能的影響；分析結果表明網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡節(jié)點負載和外部環(huán)境溫度都對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的性能有一定影響，其中網(wǎng)絡拓撲結構的變化對IEEE 1588時鐘同步精度的影響比較大；這一研究成果對網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的設計與使用具有一定的借鑒意義。

IEEE 1588；機載測試網(wǎng)絡環(huán)境；統(tǒng)計學；誤差分布

0　引言

隨著飛行試驗中測試需求的急速增長，傳統(tǒng)的PCM機載測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)容量和傳輸效率上都無法滿足測試任務的需求。中國飛行試驗研究院自2012年開始逐步構建起網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)，以替代傳統(tǒng)的PCM機載測試系統(tǒng)，并采用了IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)完成系統(tǒng)授時。IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)具有精度高、無需專用的對時網(wǎng)絡、實現(xiàn)方便的優(yōu)點，可以達到100納秒級的同步精度［1］。

然而，網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)在實際應用中呈現(xiàn)出網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡節(jié)點負載和外部使用環(huán)境各不相同的情況。如何避免因網(wǎng)絡拓撲結構和網(wǎng)絡節(jié)點負載設計不合理而導致的時鐘同步系統(tǒng)性能下降，是網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)設計中必須考慮的問題。同時，外部使用環(huán)境對時鐘同步系統(tǒng)同步性能的影響也是不容忽視的問題。

本文從中國飛行試驗研究院網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的實際使用情況出發(fā)，研究不同網(wǎng)絡環(huán)境對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)性能的影響。

1　IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)工作原理及誤差分析

1.1IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)工作原理

IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)通過主從設備間報文消息傳遞，計算時間偏差來達到主從設備時鐘同步。通過最佳主時鐘BMC（Best Master Clock）算法，可以確定域內的主時鐘。主時鐘以固定的周期發(fā)送包含有時間戳的同步報文（Sync）；需要同步的從時鐘向主時鐘發(fā)送延遲請求報文（Delay-Req），并根據(jù)收到的跟隨報文（Follow-up）、延遲應答報文（Delay-Resp）和自身發(fā)送消息的時間，計算出與主時鐘的時間偏差和線路延遲。

IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)在進行時鐘同步之前，需要先進行調諧，并利用調諧的結果修正從時鐘產(chǎn)生的時間戳［4］。整個同步過程如圖1所示。在這里，假設數(shù)據(jù)傳輸線路是對稱的。

主時鐘周期性的發(fā)出同步報文。從時鐘接受同步報文并記下接收到同步報文的時間值T 2，主時鐘緊接著發(fā)送跟隨報文，它將同步報文發(fā)出時的準確時間T1傳送給從時鐘。為了防止報文發(fā)送時產(chǎn)生碰撞，在從時鐘接收到跟隨報文后并不是立即發(fā)送延遲請求報文，而是隨機的等待一段時間。從時鐘記錄下發(fā)出延遲請求報文的時間值T 3，主時鐘接收到延遲請求報文后記錄下時間值T 4，并通過延遲請求響應報文將T4值傳送回給從時鐘。這樣從時鐘就擁有了4個時間值：T 1、T2、T3、T 4［5］。

圖1　IEEE 1588時鐘同步協(xié)議基本原理

T 1-Toffset+Tdelay=T2從時鐘與主時鐘之間的時間偏差記為Toffset，線路延遲記為Tdelay，則T 1+Toffset+Tdelay=T 2（1.1）T 3+Toffset+Tdelay=T 4（1.2）

由上述方程可得

從時鐘根據(jù)Toffset和Tdelay的值調整本地時鐘就可以實現(xiàn)與主時鐘的同步。

1.2時鐘同步誤差分析

由IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)工作原理可知，IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的同步誤差與主從時鐘調諧一致性、時間戳的生成方式、主時鐘的基準時間、通信路徑的對稱性、網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡節(jié)點負載情況等密切相關。

主從時鐘調諧一致性是進行時鐘同步的基礎。在高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從時鐘可以迅速跟蹤到主時鐘的時間變化率，從時鐘通過改變自身定時器的計數(shù)值可以實現(xiàn)主從時鐘調諧。

IEEE 1588時鐘同步協(xié)議是利用硬件來記錄報文離開和進入的時間點，即在最靠近網(wǎng)口的物理層來記錄時間點，這樣就大大地減少了網(wǎng)絡協(xié)議棧的延遲與抖動給時間同步精度造成的影響。這也是IEEE 1588時鐘同步協(xié)議比NTP協(xié)議具有更高時間同步精度的主要原因。

在網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)中，主時鐘的基準時間主要由GPS提供，高精度的GPS時間可以保障基準時間的穩(wěn)定和可靠。

網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的通信路徑一般不會發(fā)生變動，在通信路徑不對稱性相對固定的情況下，可以忽略鏈路延遲在傳輸方向上的差異。

在IEEE 1588時鐘同步的過程中，點對點的連接可以提供主時鐘和從時鐘之間最佳的同步精度。然而，在網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的實際組網(wǎng)情況中，存在一個主時鐘對多個從時鐘進行時鐘同步的情況。在IEEE 1588時鐘同步協(xié)議中，為解決上述問題引入了邊界時鐘的概念。邊界時鐘一般是一個網(wǎng)絡交換機，含有多個PTP時鐘端口，主時鐘先與邊界時鐘的一個PTP時鐘進行同步，此時邊界時鐘扮演的是從時鐘的角色。等邊界時鐘與主時鐘完成時鐘同步之后，邊界時鐘將作為主時鐘與連接到其上面的各從時鐘進行時間同步，整個過程如圖2所示。在網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)中，由于邊界時鐘的存在而導致的時鐘抖動將會影響時鐘同步精度。

在理想的IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)中，適中的網(wǎng)絡負載不會影響報文消息的交互。但是隨著網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣率大幅提高，網(wǎng)絡負載呈現(xiàn)高增長的模式，若主從時鐘對報文消息接收出現(xiàn)遲滯，那么就會影響主從時鐘的對時精度。

在此，本文主要分析網(wǎng)絡拓撲結構和網(wǎng)絡節(jié)點負載情況對IEEE 1588時鐘同步誤差的影響。在實際使用中，外部使用環(huán)境對網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)產(chǎn)生多方面的影響，也必將對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的性能有一定影響。

圖2　主從層級關系示意圖

2　時鐘同步誤差測量

2.1建立不同的網(wǎng)絡環(huán)境

對于網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)，網(wǎng)絡環(huán)境分為網(wǎng)絡本身環(huán)境和外部使用環(huán)境兩種。網(wǎng)絡本身環(huán)境可以分為以下幾種情況，如表1所示。

表1　幾種網(wǎng)絡本身環(huán)境

外部環(huán)境溫度可以分為低溫 （-30℃）、常溫 （10～25℃）、高溫（70℃）3種情況。

本文首先以網(wǎng)絡拓撲結構為基礎設計對比試驗，分別研究網(wǎng)絡拓撲結構和網(wǎng)絡節(jié)點負載對時鐘同步精度的影響，之后研究表1中Ⅳ情況下外部環(huán)境溫度對時鐘同步精度的影響。實驗室建立的星形網(wǎng)絡的結構示意圖如圖3左側所示，樹形網(wǎng)絡結構的結構示意圖如圖3右側所示。其中，DAU表示網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集單元。

圖3　兩種網(wǎng)絡結構示意圖

2.2測量時鐘同步誤差

IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的同步誤差主要有兩種獲取手段：軟件測量和硬件測量。軟件測量首先在主時鐘和從時鐘內保存同步報文、跟隨報文、延遲請求報文和延遲響應報文中的時間戳，然后通過特定的算法計算出時鐘同步誤差。硬件測量通過外部的高帶寬示波器，直接測量網(wǎng)絡節(jié)點的主幀脈沖輸出，通過比對主幀脈沖輸出計算出時鐘同步誤差。本文選擇使用硬件測量的方法測量時鐘同步誤差。

如圖3所示，網(wǎng)絡交換機作為時鐘同步的主時鐘源，使用高精度GPS時間去同步其他設備的時鐘。將主、從時鐘的時鐘同步1PPS主幀脈沖輸出連接到示波器，利用高帶寬示波器，可以非常清楚地測量出兩個時鐘同步1PPS主幀脈沖的上升沿時間差Δ，此上升沿時間差即為時鐘同步誤差。我們將主時鐘的同步報文發(fā)送周期設定為2秒，發(fā)送周期太長則不能保證足夠的同步精度［6］。

一組典型的IEEE 1588時鐘同步誤差測量如圖4所示。

圖4　IEEE 1588時鐘同步誤差測量示意圖

為了保證時鐘同步誤差測量的準確性，在每組對比試驗中，每隔4 s記錄一次時鐘同步誤差，每組對比試驗共記錄500個誤差數(shù)據(jù)。足夠多的誤差樣本才能保障后續(xù)利用統(tǒng)計學的規(guī)律進行數(shù)據(jù)分析。示波器具有的單一序列功能可以實現(xiàn)時鐘同步誤差的瞬時測量和記錄。

3　數(shù)據(jù)結果分析

3.1計算平均值和標準差

由于時鐘同步誤差屬于不確定性信號，我們使用統(tǒng)計學中的平均值和標準差來進行數(shù)據(jù)結果分析。標準差是方差的算術平方根，是一組數(shù)據(jù)平局之分散程度的一種度量，在概率統(tǒng)計中常用于反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。對于IEEE 1588時鐘同步誤差，其平均值越小說明時鐘同步精度越高；其標準差越小，說明時鐘同步的抖動性越小［7］。

本文通過對每組對比試驗記錄下的500個時鐘同步誤差求取平均值和均方差，以此來評估IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡環(huán)境下的性能和不同網(wǎng)絡環(huán)境對時鐘同步誤差的影響。所有實驗組誤差數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后如表2所示。

表2　不同網(wǎng)絡環(huán)境下時鐘同步誤差的平均值和標準差

3.2網(wǎng)絡節(jié)點負載影響

在網(wǎng)絡拓撲結構固定時，將對比實驗組數(shù)據(jù)處理結果在MATLAB中畫出正態(tài)分布曲線，如圖5所示。

圖5　網(wǎng)絡節(jié)點負載對IEEE 1588時鐘同步精度的影響

圖5中，深色曲線與淺色曲線分別代表網(wǎng)絡節(jié)點低負載與高負載的情況?？梢钥闯觯W(wǎng)絡節(jié)點負載對IEEE 1588時鐘同步精度有一定影響，當網(wǎng)絡節(jié)點負載提高時，IEEE 1588時鐘同步誤差有所增大，時鐘抖動也略有增加。

3.3網(wǎng)絡拓撲結構影響

在網(wǎng)絡負載一定的情況下，我們分析一下網(wǎng)絡拓撲結構對IEEE 1588時鐘同步精度的影響。

圖6所示為星形網(wǎng)絡拓撲結構和樹形網(wǎng)絡拓撲結構的時鐘同步誤差數(shù)據(jù)處理結果。藍色曲線與綠色曲線分別代表星形網(wǎng)絡拓撲結構與樹形網(wǎng)絡拓撲結構的情況，在路由層級相同的情況下，樹形網(wǎng)絡拓撲結構中IEEE 1588時鐘同步性能有所下降。

圖6　網(wǎng)絡節(jié)點負載對IEEE 1588時鐘同步精度的影響（1）

圖7所示為在樹形網(wǎng)絡拓撲結構不同層級的時鐘同步誤差數(shù)據(jù)處理結果。網(wǎng)絡節(jié)點的情況如圖3右側所示。由圖7可以看出，隨著路由層級的增加，IEEE 1588時鐘同步性能不斷下降，IEEE 1588時鐘同步誤差不斷增大，時鐘抖動迅速增加。

圖7　網(wǎng)絡節(jié)點負載對IEEE 1588時鐘同步精度的影響（2）

3.4外部環(huán)境溫度影響

最后，我們分析一下外部環(huán)境溫度對IEEE 1588時鐘同步精度的影響。如圖8所示，外部環(huán)境溫度的升高導致IEEE 1588時鐘同步性能下降，IEEE 1588時鐘同步誤差有所增大，時鐘抖動增加。

圖8　外部環(huán)境溫度對IEEE 1588時鐘同步精度的影響

3.5結論

通過以上幾組數(shù)據(jù)的分析，可以看出，網(wǎng)絡節(jié)點負載增大和外部環(huán)境溫度升高對IEEE 1588時鐘同步精度都有一定的影響，而網(wǎng)絡拓撲結構的變化對IEEE 1588時鐘同步精度的影響比較大。這是因為在復雜的網(wǎng)絡拓撲結構中，邊界時鐘引起的時鐘抖動對時鐘同步的精度有比較大的影響。為了改善邊界時鐘引起的時鐘抖動，在V2版本中增加了透明時鐘的概念。

因此，在網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)設計中，需要重點關注網(wǎng)絡交換機的使用。為了保證采集數(shù)據(jù)的時間相關性，應盡量使用簡單的網(wǎng)絡拓撲結構。即使因為減少了交換機的使用而導致網(wǎng)絡節(jié)點的負載增大，由于負載增大帶來的影響相對于網(wǎng)絡拓撲結構帶來的影響要小的多。

同時，需要關注高溫環(huán)境對IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)所帶來的影響，高溫環(huán)境下IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的性能明顯變差。

4　總結

高精度的時間同步系統(tǒng)是網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的需要。本文首先分析了IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)的工作原理和誤差來源，然后明確了時鐘同步誤差的測量方法。在獲取到誤差樣本數(shù)據(jù)之后，本文通過統(tǒng)計學的分析方法，給出了各組試驗中的平均值和標準差，并使用Matlab繪制了正態(tài)分布曲線。從實驗室測試的情況來看，網(wǎng)絡節(jié)點負載和外部環(huán)境溫度對IEEE 1588時鐘同步精度有一定影響，而復雜的網(wǎng)絡拓撲結構會使時鐘同步精度迅速下降。本文的研究成果具有普適性，對于規(guī)避不合理的網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)的設計和使用提供了經(jīng)驗，同時為進一步研究IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)作用機理奠定了基礎。

［1］師偉，劉昕，萬曉東.基于IEEE 1588同步協(xié)議的高空臺采集同步系統(tǒng)開發(fā)［J］.計算機測量與控制，2010，18（2）：476-472.

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［3］楊傳順，彥廷江.IEEE 1588協(xié)議在網(wǎng)絡測控系統(tǒng)中的應用 ［J］.電訊技術，2011，51（11）：84-88.

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Lmpact Analysis for Capability of IEEE 1588 Clock Synchronization System from Different Flight Test Networked Condition

Gu Shipeng，Liu Ming，Zhi Gaofei
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an710089，China）

In order to study impact analysis for capability of IEEE 1588 clock synchronization system from different flight test networked condition，the method of using the normal distribution curve to depict clock synchronization error is proposed.By analyzing the theory of the precision of IEEE 1588 clock synchronization system，the method of hardware way is decided to measure the error distributing of the clock synchronization system.By the statistic analysis means，impact for capability of IEEE 1588 clock synchronization system from different flight test networked condition is analyzed.The data result indicates that networked topology、network node load and exterior temperature all have same effect on capability of IEEE 1588 clock synchronization system.And network topology changes will affect a large extent IEEE 1588 clock synchronization accuracy.The research results have certain significance to the design and use of airborne network test system.

IEEE 1588；networked flight test system；statistics；error distributing

1671-4598（2016）05-0025-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.008

TP311

A

2015-10-27；

2015-12-15。

谷士鵬（1989-），男，碩士，工程師，主要從事飛行試驗、測試系統(tǒng)方向的研究。