CN102291233B - 用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，包括步骤：选择一个子系统作主子系统；选择一个辅子系统，主子系统在t₁时刻发送秒脉冲，线路传输延迟t_pdBA后到达该辅子系统；辅子系统收到后，开启定时寄存器；辅子系统从当前时间值，结合计数时间值Δt′，得出辅子系统时间滞后主子系统t_pdAB；在t₂时刻，辅子系统向主子系统发送秒脉冲；经过线路传输延迟t_pdBA到达主子系统时，记录此时主子系统的时间值t₃；主子系统和辅子系统的单向延迟t_pd，通过t_pd＝(t_pdBA+t_pdAB)/2＝(t₃-t₂)/2得出。该方法能够准确获得系统中单向或者双向精确线路传输延迟，便于后续对延迟作出补偿。

Description

用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法

技术领域

本发明涉及数据通信领域，具体来讲是一种用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法。

背景技术

通信领域中，传统2G网络时间同步采用GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)的方案，存在成本高、维护困难以及安全隐患。随着包交换技术的发展，包交换技术日臻成熟，越来越多地取代了TDM(Time Division Multiplex，时分复用)技术，被广泛应用于通信网络的接入层、汇聚层和核心层。而许多电信业务的正常运营，仍然需要传统TDM电信网所具有的特征，特别是对于3G/4G无线通信IP射频接入网，要求通信设备满足精确时间同步，时间同步精度要小于1μs。

采用IP包交换技术后，时间同步要求在通信设备系统上运行PTP(Precision Time Protocol，精确时间协议)。对于分布式通信系统来讲，PTP要求系统的每个子系统能够精确时间同步。系统内部同步方式由于没有统一的时间源，每个子系统时间和CPU的计算延迟都存在不确定性，时间戳也不确定，导致其精度和抖动都不能满足业务运营的要求。而系统内部线路传输延迟(为了简便起见，本说明书中线路传输延迟即包括：信号线路传输延迟和开关电路的开关延迟)就不能精确计算。但是在时延计算过程中，必须通过软件的方式交互，互通发送时间戳，从而计算单向和双向时延。为了提供高精度的时间戳信息，就必须通过硬件的方式来实现。相对来说，硬件能够提供精确的脉冲信号，提供高精度的时间戳，同步精度可以达到纳秒级，抖动也小，能够满足系统要求，但也存在系统内部线路传输延迟的问题。系统内部信号在传输过程中，电子信号通过导体时大概是每纳秒传输8cm(实际的传输速度要由导体的材料，尺寸以及其它外部因素来决定)。由于传输经过一定的距离，导致信号到达到目的时会有传输延迟。特别是在大型机架系统上，该传输距离甚至达到50cm左右。另外，在线路传输过程中，为了增加线路的驱动能力或者需要对输入输出进行信号的选择，会在线路上添加逻辑或者开关集成电路芯片，而集成电路开关或者信号在集成电路中传输，也会有相应的时间延迟。

如图1所示，是分布式通信系统时间精确同步的示意图。分布式通信系统包含多个子系统，各子系统通过一根传输线路互联，此处以两个子系统为例，假设子系统1和子系统2对整个系统具有普遍适应性。

在该线路上使用秒脉冲进行所有子系统的秒级同步。可配置多个子系统中的任意一个作为发送秒脉冲，这个子系统称为主子系统；其他作为辅，称辅子系统，图1中将子系统1定义为主子系统，体统2定义为辅子系统。主子系统此时可以从外部时间系统、内部高频率高精度晶体振荡器、GPS、PTP的GrandMaster其中之一获得精确的时间源，该时间源信息主要包括秒脉冲和ToD(Time of Day，当前时间)值。当主子系统获得精确ToD以后，向其他子系统发送秒脉冲，此处为子系统1向子系统2发送秒脉冲；同时CPU控制平面通过控制平面通道，在1秒时间内通告其他所有子系统该秒的具体ToD，如图1所示通告子系统2具体ToD。系统每个子系统在本地维护一个ns级定时时钟(定时寄存器)，每个子系统收到秒脉冲后，通过定时时钟开始计时。当CPU控制平面从控制平面通道收到秒脉冲的时间值后，再加上定时时钟的值，就是本地的时间。主子系统到辅子系统存在单向线路和芯片开关的延迟t_pd，而辅子系统此时的时间值还没有计入t_pd，所以还不是精确时间。由于芯片开关电路延迟具有不确定性，不同的个体差异很大，并且其开关电路延迟甚至可以达到ms级，所以需要在得到本地时间后，对线路传输时延t_pd进行补偿，才能得到精确时间。综上所述，系统在运行PTP协议之前，需要获得主辅子系统之间的延迟。

但是在软件方式能够交互时间戳而精度达不到要求、硬件方式能够提供高精度时间戳而不能交互时间戳的情况下，系统都无法计算出单向或者双向精确延迟，没有办法获得延迟，就无法对所述延迟做出补偿，进而导致系统时间不同步，对整个网络来讲，延迟积累也会导致业务不能正常运营。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，能够准确获得系统中单向或者双向精确延迟，便于后续对延迟作出补偿，进而保证整个通信系统设备内部的精确时间同步，从而满足网络业务正常运营的要求。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，包括如下步骤：

步骤1，分布式通信系统的所有子系统中，选择一个子系统作为主子系统，其余的子系统作为辅子系统；

步骤2，选择需要获得延迟的一个辅子系统，主子系统在t₁时刻向辅子系统发送秒脉冲，经过线路传输延迟t_pdBA后，到达该辅子系统；

步骤3，所述辅子系统收到秒脉冲后，开启辅子系统内的定时寄存器；

步骤4，辅子系统从主子系统接收到该秒脉冲的当前时间值，并结合所述定时寄存器内的计数时间值Δt′得出辅子系统的时间值，计算得出辅子系统时间滞后主子系统t_pdAB；

步骤5，将所述辅子系统和主子系统身份对调，令秒脉冲信号和数据流向从辅子系统到主子系统；

步骤6，在t₂时刻，辅子系统向主子系统发送秒脉冲；

步骤7，当秒脉冲经过线路传输延迟t_pdBA到达主子系统时，记录此时主子系统的时间值t₃；

步骤8，不失一般性，t_pdBA＝t_pdAB，主子系统和辅子系统的单向延迟t_pd，通过t_pd＝(t_pdBA+t_pdAB)/2＝(t₃-t₂)/2得出。

在上述技术方案的基础上，主子系统在t₁时刻发送秒脉冲时，位于主子系统内的定时寄存器开始计时，同时主子系统通过控制平面通告向辅子系统通告时间值t₁。

在上述技术方案的基础上，步骤2中的线路传输延迟t_pdBA包括信号线路传输延迟和开关电路的开关延迟。

在上述技术方案的基础上，步骤7中时间值t₃等于主子系统的当前时间值与其时钟寄存器值之和。

在上述技术方案的基础上，当主子系统计算出单向延迟t_pd后，通过控制平面通道向辅子系统通告两者之间的单向延迟，在精确时间协议同步计算时，计入所述单向延迟t_pd。

在上述技术方案的基础上，在精确时间协议同步计算时，对所述单向延迟t_pd进行补偿。

本发明的有益效果在于：由于子系统在启动PTP的任务之前，要求知道各子系统之间的延迟，获得该延迟后，才能启动PTP任务；因此本发明通过记录时间戳，计算主子系统和辅子系统之间的时延值，计算线路传输延迟，准确获得系统中单向或者双向精确延迟，为后续对延迟的补偿起到关键作用，便于后续对延迟作出补偿，进而保证整个通信系统设备内部的精确时间同步，从而满足网络业务正常运营的要求。

附图说明

图1为背景技术中分布式通信系统示意图；

图2为本发明所应用的分布式机架式通信系统示意图；

图3为本发明获得时间同步中精确线路传输延迟的方法的示意流程图；

图4为本发明子系统1向子系统2发送秒脉冲的系统示意图；

图5为图4的秒脉冲示意图；

图6为本发明子系统2向子系统1发送秒脉冲的系统示意图；

图7为图6的秒脉冲示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，为本发明实施例所应用的分布式机架式通信系统示意图，其包括两个主控单元，具有大容量的交换能力，负责通信数据平面数据交换；同时系统控制平面CPU单元也在主控单元，负责系统配置和分布式通信协议的计算。所述分布式机架式通信系统采用PTP进行精确时间同步，背板通过秒脉冲对各个单元(即线卡)进行直接的物理互联，控制平面通常采用以太网互通各子系统信息。所述分布式机架式通信系统可作为PTP的BC(Boundary Clock，边界时钟)或者TC(Transparent clock，透明时钟)使用。系统在以下情况下，系统作为TC、主控有PTP的slave(从属设备)接收精确时间或者外部GPS提供精确时间时，秒脉冲可从主控发出，主控作为该发明的主子系统，其他作为辅子系统，主控发送秒脉冲。当BC模式下，线卡有一个端口作为PTP的slave，该线卡配置成该发明的主子系统，其他作为辅子系统，该线卡发送秒脉冲。

用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其包括步骤如下：

步骤1，分布式通信系统的所有子系统中，选择一个子系统作为主子系统，其余的子系统作为辅子系统；

步骤2，选择需要获得延迟的一个辅子系统，主子系统在t₁时刻向辅子系统发送秒脉冲，经过线路传输延迟t_pdBA后，到达该辅子系统；

步骤3，所述辅子系统收到秒脉冲后，开启辅子系统内的定时寄存器；

步骤4，辅子系统从主子系统接收到该秒脉冲的当前时间值，并结合所述定时寄存器内的计数时间值Δt′得出辅子系统的时间值，计算得出辅子系统时间滞后主子系统t_pdAB；

步骤5，将所述辅子系统和主子系统身份对调，令秒脉冲信号和数据流向从辅子系统到主子系统；

步骤6，在t₂时刻，辅子系统向主子系统发送秒脉冲；

步骤7，当秒脉冲经过线路传输延迟t_pdBA到达主子系统时，记录此时主子系统的时间值t₃；

步骤8，不失一般性，t_pdBA＝t_pdAB，主子系统和辅子系统的单向延迟t_pd，通过t_pd＝(t_pdBA+t_pdAB)/2＝(t₃-t₂)/2得出。

下面通过具体实施例将本发明更具体描述。

如图3、图4和图5所示，子系统1为主子系统，子系统2为辅子系统，二者的CPU控制平面中都具有定时寄存器，信号和数据流向为从子系统1到子系统2。子系统1能够提供精确的时间信息，向子系统2发送秒脉冲，系统中的线路传输延迟为t_pdAB，该线路传输延迟t_pdAB包括信号线路传输延迟和开关电路的开关延迟。子系统1在t₁时刻发送秒脉冲，即其定时寄存器开始计录，子系统1发送秒脉冲时点A的时间值，并通过控制平面通道向子系统2通告发送秒脉冲的时间值t₁。子系统1通过秒脉冲经过线路传输延迟t_pdBA后到达子系统2，子系统2收到秒脉冲后，开启ns级定时寄存器计数；同时，子系统2通过控制平面通道从子系统1接收到该秒脉冲的ToD值，并依据此ToD值和其定时寄存器的计数时间值Δt′，得出子系统2的时间值为T_B1＝t₁+Δt′。由于子系统1在发送秒脉冲以后，也开始计时，子系统2得时间值T_B1时，子系统1的时间值T_A1为t₁+Δt′+t_pdAB。所以，子系统1始终比子系统2时间超前值为：T_A1-T_B1＝(t₁+Δt′+t_pdAB)-(t₁+Δt′)＝t_pdAB，这样，子系统2的时间同步到子系统1，但时间滞后子系统1为t_pdAB。

此时，还不能计算单向或者双向线路传输延迟。可以通过反向的方式，子系统2通告子系统1的当前时间来计算线路传输延迟，即将所述辅子系统和主子系统身份对调。由于所有的1PPS(秒脉冲)共享信号线，同时只能由1个子系统作为输出，其他作为输出；变更主、辅子系统时，必须对信号的输入、输出关系进行重新配置；否则的话，多个输出会使1PPS失效。经过一段时间(时间间隔可以任意)后，要改变系统主、辅关系，需要对系统进行重新配置。

如图3、图6和图7所示，将系统更改设置，子系统2配置成主子系统，子系统1配置成辅子系统，信号和数据流向从子系统2到子系统1。子系统2以图4配置所得到的同步时间为基准，当子系统2的时钟寄存器到达秒的整数倍时，在t₂时刻，向子系统1发送秒脉冲，同时子系统2通过控制平面通道向子系统1通告发送秒脉冲的时间t₂。当秒脉冲经过线路传输时延t_pdBA到达子系统1时，记录此时子系统1的时间值t₃，此时t₃等于子系统1的ToD值与起时钟寄存器数值之和，也就是说t₃是已知的。当子系统1接收到从子系统2发送过来的t₂时，记录该值，从上面的分析可以得出：t_pdBA+t_pdAB＝t₃-t₂。不失一般性，t_pdBA＝t_pdAB；则子系统1和子系统2的单向延迟t_pd可表示为：

t_pd＝(t_pdBA+t_pdAB)/2＝(t₃-t₂)/2；

此时，子系统1已知t₃和t₂，则由上式可求得单向线路传输延迟t_pd。

在进行PTP的延迟计算时，要求计入从主子系统到辅子系统的单向线路传输延迟t_dp，对这部分延迟进行补偿后，才能做到精确的时间同步。因此，如前面所述，当子系统1计算出t_pd后，可以通过控制平面通道向子系统2通告两者之间的单向延迟t_pd。，以便在PTP的同步计算是，计入该单向延迟。

如图3所示，子系统1和子系统2之间的延迟检测任务的消息通告有3类：SYN_REQ，SYN_ACK，DELAY_NOTIFY。消息通告采用UDP(UserDatagram Protocol，用户数据包协议)，端口号可以根据要求定义。消息格式定义如下：

4bit s	1bit	3bits	56bits
				MESSAGE_TYPE	MS	Reserved	TIMING

UDP的payload(即上述消息内容)由8个字节组成，4位表示消息类型，1位表示延迟检测任务处于主或者辅状态，56位表示ToD值或者单向延迟。

MESSAGE_TYPE的定义如下：

enum{

SYN_REQ＝1，//同步请求；

SYN_ACK＝2，//同步确认；

DELAY_NOTIFY//当主子系统完成时延计算后，通告给辅子系

统；}；

MS表示发送消息的子系统是主子系统还是辅子系统。

MS＝1时，主子系统；MS＝0时，辅子系统。

TIMING是ToD或者时延值。

当消息类型为SYN_REQ时，TIMING表示发送消息的子系统在发送秒脉冲时刻的ToD值；当消息类型为SYN_ACK时，TIMING值为空；当消息类型为DELAY_NOTIFY时，TIMING值为主辅子系统之间的单向延迟值。

当SYN_REQ消息发送完后，在设定的时间内没有收到对方的响应，要求重发带有秒脉冲时刻ToD值的SYN_REQ消息。

当主子系统完成延迟计算以后，在设定的时间内，周期性向辅子系统发送DELAY_NOTIFY消息；完成延迟计算和获得单向延迟以后，完成秒脉冲配置信号的配置，然后系统可以开始PTP任务。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，分布式通信系统的所有子系统中，选择一个子系统作为主子系统，其余的子系统作为辅子系统；

步骤2，选择需要获得延迟的一个辅子系统，主子系统在t₁时刻向辅子系统发送秒脉冲，经过线路传输延迟t_pdBA后，到达该辅子系统；

步骤3，所述辅子系统收到秒脉冲后，开启辅子系统内的定时寄存器；

步骤4，辅子系统从主子系统接收到该秒脉冲的当前时间值t₁，并结合所述定时寄存器内的计数时间值Δt′得出辅子系统的时间值T_B1＝t₁+Δt′，由于主子系统在发送秒脉冲以后，也开始计时，辅子系统的时间值T_B1时，主子系统的时间值T_A1为t₁+Δt′+t_pdAB，主子系统始终比辅子系统时间超前值为：T_A1-T_B1＝(t₁+Δt′+t_pdAB)-(t₁+Δt′)＝t_pdAB，这样，辅子系统的时间同步到主子系统，但时间滞后主子系统为t_pdAB；

步骤5，将所述辅子系统和主子系统身份对调，令秒脉冲信号和数据流向从辅子系统到主子系统；

步骤6，在t₂时刻，辅子系统向主子系统发送秒脉冲；

步骤7，当秒脉冲经过线路传输延迟t_pdBA到达主子系统时，记录此时主子系统的时间值t₃；

步骤8，不失一般性，t_pdBA＝t_pdAB，主子系统和辅子系统的单向延迟t_pd，通过t_pd＝(t_pdBA+t_pdAB)/2＝(t₃-t₂)/2得出；

主子系统在t₁时刻发送秒脉冲时，位于主子系统内的定时寄存器开始计时，同时主子系统通过控制平面通告向辅子系统通告时间值t₁。

2.如权利要求1所述的用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其特征在于：步骤2中的线路传输延迟t_pdBA包括信号线路传输延迟和开关电路的开关延迟。

3.如权利要求1所述的用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其特征在于：步骤7中时间值t₃等于主子系统的当前时间值与其时钟寄存器值之和。

4.如权利要求1所述的用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其特征在于：当主子系统计算出单向延迟t_pd后，通过控制平面通道向辅子系统通告两者之间的单向延迟，在精确时间协议同步计算时，计入所述单向延迟t_pd。

5.如权利要求1所述的用于获得时间同步中精确线路传输延迟的方法，其特征在于：在精确时间协议同步计算时，对所述单向延迟t_pd进行补偿。

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