高海英 朱望純 高志昊 薛文忠

摘 要： 為了提高測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步精度，在現(xiàn)有IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘基礎(chǔ)上，提出基于自回歸算法的時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)。通過(guò)建立自回歸時(shí)鐘漂移模型，利用一階卡爾曼濾波器對(duì)主從時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差和漂移進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)值對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償和修正，并在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)失去最高主時(shí)鐘信號(hào)的情況下，預(yù)測(cè)時(shí)鐘漂移量以維持主從時(shí)鐘同步。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能有效降低時(shí)間戳獲取精度對(duì)時(shí)鐘同步的影響，使同步精度達(dá)到10 ns，并提高了系統(tǒng)在離線狀態(tài)下的同步可靠性。

關(guān)鍵詞： 時(shí)鐘同步； IEEE 1588協(xié)議； 自回歸； 卡爾曼濾波； 時(shí)鐘漂移預(yù)測(cè)； 測(cè)控網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）13?0100?06

Abstract： On the basis of the network clock conforming IEEE 1588 protocol， the clock synchronization design based on autoregression algorithm is proposed to improve the clock synchronization precision of the measurement and control network. By establishing the autoregression clock offset model， the one?order Kalman filter is used to estimate the clock offset and drift of the master?slave clock. According to the estimation value， the clock is compensated and corrected， and the clock drift is predicted to maintain the synchronization of master?slave clock when the highest signal of master clock is lost in the measurement and control network. The experimental results show that the design can effectively reduce the influence of timestamp acquisition accuracy on clock synchronization， make the clock synchronization accuracy reach up to 10 ns， and improve the system synchronization reliability at offline state.

Keywords： clock synchronization； IEEE 1588 protocol； autoregression； Kalman filtering； clock drift prediction； measurement and control network

0 引 言

隨著信息技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前的測(cè)量和控制要求，分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)。分布式測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有模塊的相互連接，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)終端的時(shí)鐘同步。只有各時(shí)鐘信號(hào)同步，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的測(cè)量和控制任務(wù)才有意義，所以時(shí)鐘同步精度是分布式測(cè)控系統(tǒng)中一個(gè)重要指標(biāo)。

現(xiàn)階段大多數(shù)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)仍是基于GPS和NTP（Network Time Protocol）協(xié)議搭建網(wǎng)絡(luò)。例如，電力監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)仍是無(wú)線網(wǎng)信號(hào)基站的時(shí)鐘同步信號(hào)方式，該時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)能使時(shí)鐘同步信號(hào)精度達(dá)到毫秒級(jí)。但隨著測(cè)控系統(tǒng)在各領(lǐng)域上的廣泛應(yīng)用且日益提高的測(cè)控要求，成本降低和精度上的提高成為必須要考慮的問(wèn)題。GPS模塊成本高、維護(hù)難、安裝施工難度大[1]，且針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步的NTP協(xié)議和SNTP（Simple Network Time Protocol）協(xié)議精度差、可靠性低[2]。另外，隨著報(bào)文背景流量的增大也使得時(shí)間標(biāo)記的誤差和波動(dòng)增加[3]。2008年提出的IEEE 1588v2協(xié)議在IEEE 1588?2002協(xié)議中加入了透明時(shí)鐘（P2P，E2E）和對(duì)等延時(shí)響應(yīng)機(jī)制，可以很好地解決上述問(wèn)題。

本文針對(duì)硬件添加制約了高兼容性的以太網(wǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于自回歸算法的同步時(shí)鐘，利用自回歸時(shí)鐘漂移模型和卡爾曼濾波可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主從時(shí)鐘的時(shí)鐘漂移量和頻率漂移量的估計(jì)，以估計(jì)值對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償和修正，較本地時(shí)鐘同步算法能獲得更高的精度和更平滑的時(shí)鐘偏差曲線。而當(dāng)失去最高主時(shí)鐘信號(hào)后，自回歸時(shí)鐘漂移模型會(huì)根據(jù)之前所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘漂移的估計(jì)，在24 h內(nèi)維持主從時(shí)鐘同步。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的基于自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)，以圖5的接線方式搭建硬件測(cè)試平臺(tái)。使用WireShark軟件獲得主從時(shí)鐘DP83640上的硬件時(shí)間戳，再通過(guò)軟件Origin根據(jù)獲得的時(shí)間戳計(jì)算后得到的值繪制出主從時(shí)鐘漂移曲線。用以計(jì)算估計(jì)值時(shí)鐘模型的漂移設(shè)為3×10-6，時(shí)鐘晶振的振動(dòng)偏差設(shè)為1×10-11，時(shí)鐘偏移模型套用式（7）。測(cè)試條件見表1。

實(shí)驗(yàn)一對(duì)采用自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比采用IEEE 1588v2協(xié)議及同步誤差補(bǔ)償算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘和僅使用IEEE 1588?2002協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，透明時(shí)鐘、對(duì)等延時(shí)響應(yīng)機(jī)制和同步誤差補(bǔ)償有效降低了報(bào)文擁堵，即背景流量的變化對(duì)同步的影響和報(bào)文延時(shí)波動(dòng)帶來(lái)的同步偏差，提高了時(shí)鐘同步精度。如圖6所示，精度分別可以達(dá)到23 ns和17 ns左右，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方差分別為37.49 ns和3.04 ns。但是該系統(tǒng)沒有解決由于時(shí)間積累，在主從時(shí)鐘之間造成的時(shí)鐘漂移積累誤差以及在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中主從時(shí)鐘之間的傳輸延時(shí)不完全對(duì)稱性造成的對(duì)時(shí)鐘同步的延時(shí)補(bǔ)償計(jì)算偏差，降低了時(shí)鐘同步的精度。

圖7為引入了自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘的時(shí)鐘精度?？柭鼮V波算法的觀測(cè)值由時(shí)鐘實(shí)際運(yùn)行所得到的時(shí)間標(biāo)記通過(guò)式（7）計(jì)算獲得。并將每次同步后獲得的數(shù)據(jù)代入迭代式（15）～式（19）中，對(duì)時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘晶振的振動(dòng)偏差進(jìn)行估計(jì)，并通過(guò)估計(jì)值對(duì)時(shí)鐘的偏差進(jìn)行補(bǔ)償和修正。由于解決了時(shí)間積累而造成的時(shí)鐘漂移偏差累積和實(shí)際線路主從延時(shí)不完全對(duì)稱而造成的延時(shí)計(jì)算誤差，較本地時(shí)鐘同步算法的同相和同頻的校準(zhǔn)方式[11]有很大提高，同步精度提高到10 ns左右，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方差降低到2.08 ns。

實(shí)驗(yàn)二是對(duì)基于自回歸算法的時(shí)鐘漂移預(yù)測(cè)，即時(shí)鐘序列預(yù)測(cè)的可行性驗(yàn)證。在長(zhǎng)時(shí)間丟失信號(hào)的情況下（2～24 h），時(shí)間序列預(yù)測(cè)可以保持各節(jié)點(diǎn)的同步。即便經(jīng)過(guò)24 h，且在一些保護(hù)功能被關(guān)閉的情況下，時(shí)間預(yù)測(cè)的最終延遲[θ]仍能保持在大致30 μs的延遲范圍，如圖8所示。

最大延遲[Θ]幾乎按照線性的方式隨時(shí)間增長(zhǎng)，但在24 h內(nèi)仍可以控制在47 μs內(nèi)，如圖9所示。當(dāng)再次接收到時(shí)鐘信號(hào)后，節(jié)點(diǎn)同步也可再次進(jìn)行（替代完全的重新初始化，節(jié)省了資源和時(shí)間），與在寬松的同步精度要求下保持同步的運(yùn)行。然而這種預(yù)測(cè)非常耗時(shí)，且必須在系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。但相比于不采用任何技術(shù)，4 s后就能達(dá)到200 μs的結(jié)果，該方式能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘在離線情況下的同步可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

在測(cè)控系統(tǒng)中，基于IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘雖然能夠使分布式系統(tǒng)的同步精度達(dá)到亞微秒級(jí)，但是忽略了時(shí)鐘漂移的偏差隨時(shí)間積累而隨之改變的問(wèn)題，也忽略了對(duì)主從時(shí)鐘之間傳輸延時(shí)不完全對(duì)稱造成的誤差。本文提出的基于自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)很好地解決了上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘漂移和晶振振動(dòng)偏差的估計(jì)，對(duì)實(shí)際時(shí)鐘運(yùn)行的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，使得時(shí)鐘在各時(shí)間段都能保持最小的誤差。加入了時(shí)鐘序列預(yù)測(cè)也很好地解決了同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)在處于離線狀態(tài)下可靠運(yùn)行的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮傳躍.1588V2時(shí)鐘在天津聯(lián)通無(wú)線網(wǎng)的應(yīng)用[C]//天津市電視技術(shù)研究會(huì)2016年年會(huì)論文集.天津：天津市電視技術(shù)研究會(huì)，2016：49?53.

FENG Chuanyue. The application of 1588V2 clock in China Unicom Tianjin Company wireless network [C]// Proceedings of Tianjin TV Technology Research Association 2016 Annual Meeting. Tianjin， China： Tianjin TV Technology Research Association， 2016： 49?53.

[2] 陳希，滕玲，高強(qiáng)，等. NTP和PTP協(xié)議的時(shí)間同步誤差分析[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2016，36（3）：35?40.

CHEN Xi， TENG Ling， GAO Qiang， et al. Error analysis of time synchronization in NTP and PTP [J]. Journal of astronautic metrology and measurement， 2016， 36（3）： 35?40.

[3] 崔全勝，白曉民，黃畢堯，等.P2P透明時(shí)鐘駐留時(shí)間誤差測(cè)試方法及其在時(shí)鐘測(cè)試儀上的實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，41（1）：322?327.

CUI Quansheng， BAI Xiaomin， HUANG Biyao， et al. Test method for the resident time error of P2P transparent clock and its implementation on the clock tester [J]. Power system technology， 2016， 41（1）： 322?327.

[4] AUGUSTO Ciuffoletti. Preventing the collision of requests from slave clocks in the precision time protocol （PTP） [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2011， 60（6）： 2096?2103.

[5] 陳金鳳.IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，2013.

CHEN Jinfeng. Research and implement of IEEE 1588 network delay measurement [D]. Xian： National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， 2013.

[6] 陳金鳳，華宇，孫中尉. IEEE 1588v2透明時(shí)鐘研究與實(shí)現(xiàn)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2013，33（3）：11?16.

CHEN Jinfeng， HUA Yu， SUN Zhongwei. Research and implement of transparent clock based on IEEE 1588v2 [J]. Journal of astronautic metrology and measurement， 2013， 33（3）： 11?16.

[7] 李學(xué)橋，陳園，梁爽.基于IEEE 1588協(xié)議的精確時(shí)鐘同步算法改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011，33（2）：42?45.

LI Xueqiao， CHEN Yuan， LIANG Shuang. Improvement of the precise time synchronization algorithm based on IEEE 1588 [J]. Computer engineering & science， 2011， 33（2）： 42?45.

[8] 莊曉燕，王厚軍.基于卡爾曼濾波的IEEE 1588時(shí)鐘同步算法[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26（9）：747?751.

ZHUANG Xiaoyan， WANG Houjun. IEEE 1588 clock synchronization algorithm based on Kalman filter [J]. Journal of electronic measurement and instrument， 2012， 26（9）： 747?751.

[9] 劉偉，彭雷，張朕滔，等.基于IEEE 1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)時(shí)算法改進(jìn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016，30（10）：135?140.

LIU Wei， PENG Lei， ZHANG Zhentao， et al. Synchronization algorithm modification of power supervisory system based on IEEE 1588 protocol [J]. Journal of Chongqing University of Technology （nature science）， 2016， 30（10）： 135?140.

[10] TOURNIER J C， YIN Xiao. Improving reliability of IEEE 1588 in electric substation automation [C]// 2008 International IEEE Symposium on Precision Clock. Michigan： IEEE， 2008： 65?70.

[11] 陳金鳳，華宇，孫中尉.基于IEEE 1588頻率漂移補(bǔ)償算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2013，36（3）：141?147.

CHEN Jinfeng， HUA Yu， SUN Zhongwei. Implementation and study of frequency drift compensation based on IEEE 1588 [J]. Journal of time and frequency， 2013， 36（3）： 141?147.