CN102347814B - 基于主时钟频率差值的从时钟调整方法 - Google Patents

Abstract

一种基于主时钟频率差值的从时钟调整方法，涉及网络通信技术领域，所解决的是缩小主时钟切换过程中的暂态对时精度误差的技术问题。该方法包括主时钟设备、准主时钟设备和从时钟设备，所述从时钟设备设有伺服时钟；其特征在于：主时钟设备发送给从时钟设备的报文及准主时钟设备发送给从时钟设备的报文中包含有主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值；当网络最佳主时钟发生变化时，从时钟设备根据当前网络最佳主时钟所发布的报文中所包含的频率差值信息调整自身伺服时钟的时钟频率，来弥补因网络最佳主时钟切换而产生的时钟频率漂移。本发明提供的方法，系统成本低，且能尽量保持从时钟原控制结构。

Description

基于主时钟频率差值的从时钟调整方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术，特别是涉及一种基于主时钟频率差值的从时钟调整方法的技术。

背景技术

IEEE1588协议又称PTP（Precision Time Protocol）协议，是一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议，能够在测量和控制系统中实现时钟同步，该协议采用了网络通信、本地运算及分布式对象（distributed objects）技术，适用于基于网络报文的通信系统，能实现在异构系统中包括不同精度、分辨率及稳定性时钟的同步，在消耗极少网络及当地时钟计算资源条件下，系统范围的同步精度可达亚微秒级。

PTP系统是依靠主时钟设备定时地发布Sync（同步）报文来实现时钟同步的，从时钟设备接收到Sync报文后，先计算出网络延时和与主时钟设备之间的时间偏移量，再根据计算出的时间偏移量修正本地时间。在整个PTP系统的时钟同步过程中，各个网络节点均存在着一些不确定因素，比如网络节点晶振所产生的内部时间抖动会给Sync报文时间戳带来不确定性，网络负荷及传输过程中的缓冲延迟会造成时间偏移量的不确定性，因此从时钟设备都会使用一个伺服时钟（PI控制器）来调整时间偏差及在稳态条件下由于主从时钟相对频率漂移所带来的误差。

但是，PTP系统还必须考虑最高主时钟发生故障时主时钟切换所产生的影响，具体地说，就是由于从时钟设备中的伺服时钟未能及时地作出相应的调整而导致的暂态时间精度误差增大。故障发现到产生新的主时钟重新调整，从时钟设备的伺服时钟整个调整过程所需时间过长（大于几十秒），在主时钟切换过程中伺服时钟通常需先回到初始值，然后再重新开始控制调整。针对这些问题，PTP协议定义了两个可选项：主时钟群（master cluster）和准主时钟（alternate master）。

主时钟群选项能够在不消耗有效的网络资源条件下，尽早地发现故障主时钟，从一定的角度解决了切换时间长的问题，但是需要在PTP系统中有多个主时钟设备，这会增加系统成本，同时该方法也没有解决暂态时间精度误差增大的问题。

准主时钟选项允许准主时钟设备（非当前最佳主时钟）与从时钟设备交换PTP系统的时间信息，给出了解决主时钟切换过程中保持时间精度的方法，但是由于准主时钟与主时钟之间也存在着频率偏差，因此也没有解决暂态时间精度误差增大的问题。

除了上述的方法外，还有冗余从时钟控制系统方案及民主主时钟群的解决方案。

冗余从时钟控制系统方案提出了同时使用两个最高主时钟的同步控制系统，该系统有效地控制了主时钟切换时所产生的误差。但是该解决方案需要两个最高主时钟同时传输同步报文，这会增加网络负荷，而且从时钟设备的冗余控制会增加从时钟软硬件的复杂性。

民主主时钟群的解决方案利用由多个主时钟设备组成的主时钟群构成一个虚拟最高主时钟， 从时钟设备与该虚拟最高主时钟同步，在主时钟群内部的各主时钟设备广播各自的时间，并通过一个收敛函数寻求共同的时间点，使用容错平均方法将故障主时钟影响消除。该解决方案需要4个以上主时钟设备，与主时钟群相连的交换机也需作相应调整，因此该解决方案的系统成本相对较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种系统成本低，且能在尽量保持从时钟原控制结构的基础上缩小主时钟切换过程中所带来的暂态对时精度误差，保持从时钟与主时钟对时精度的基于主时钟频率差值的从时钟调整方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于主时钟频率差值的从时钟调整方法，包括主时钟设备、准主时钟设备和从时钟设备，所述从时钟设备设有伺服时钟；

主时钟设备定时发布Sync报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce报文至从时钟设备；

准主时钟设备定时发布Sync报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce报文至从时钟设备；

从时钟设备定时接收到主时钟设备发布的Announce报文时，即按最佳主时钟算法将主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据主时钟设备所发布的Sync报文调整本地时间信息；

从时钟设备定时接收到准主时钟设备发布的Announce报文，且未能定时接收到主时钟设备发布的Announce报文时，即按最佳主时钟算法将准主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据准主时钟设备所发布的Sync报文调整本地时间信息；

其特征在于：主时钟设备和准主时钟设备定时互发包含有自身频率信息的报文给对方，并根据对方所发布的报文中的频率信息计算出自身频率与对方频率之间的频率差值，或定时互发Sync报文给对方，并根据对方发布的Sync报文计算出对方的频率信息，再进一步计算出自身频率与对方频率之间的频率差值；

主时钟设备通过Sync报文或Announce报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

准主时钟设备通过Sync报文或Announce报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

当网络最佳主时钟发生变化时，从时钟设备根据当前网络最佳主时钟所发布的报文中所包含的当前网络最佳主时钟与前一网络最佳主时钟之间的频率差值，调整自身伺服时钟的时钟频率，来弥补因网络最佳主时钟切换而产生的时钟频率漂移缩短从时钟设备的自身频率调整时间。

本发明提供的基于主时钟频率差值的从时钟调整方法，在发送给从时钟设备的报文中增加了主时钟间的频率差值信息，从时钟设备能根据该频率差值信息直接或间接地调整内部伺服时钟参数，来弥补因网络最佳主时钟切换而产生的时钟频率漂移，从而在使用相对较少的主时钟及网络资源，并尽量地保持原有从时钟控制系统结构的前提下，缩小了主时钟切换过程中所带来的暂态对时精度误差，能在主时钟切换过程中保持从时钟与主时钟对时精度，其系统成本也相对较低。

附图说明

图1是本发明实施例的基于主时钟频率差值的从时钟调整方法中，主时钟设备与从时钟设备之间的传输路径处于正常状态时的网络通信原理图；

图2是本发明实施例的基于主时钟频率差值的从时钟调整方法中，主时钟设备与从时钟设备之间的传输路径处于故障状态时的网络通信原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-图2所示，本发明实施例所提供的一种基于主时钟频率差值的从时钟调整方法，包括主时钟设备、准主时钟设备和从时钟设备，所述从时钟设备设有伺服时钟；

主时钟设备定时发布Sync（同步）报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce（公告）报文至从时钟设备；

准主时钟设备定时发布Sync（同步）报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce（公告）报文至从时钟设备；

从时钟设备定时接收到主时钟设备发布的Announce（公告）报文时，即按最佳主时钟算法（BMC）将主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据主时钟设备所发布的Sync（同步）报文调整本地时间信息；

从时钟设备定时接收到准主时钟设备发布的Announce（公告）报文，且未能定时接收到主时钟设备发布的Announce（公告）报文时，即按最佳主时钟算法（BMC）将准主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据准主时钟设备所发布的Sync（同步）报文调整本地时间信息；

其特征在于：主时钟设备和准主时钟设备定时互发包含有自身频率信息的报文给对方，并根据对方所发布的报文中的频率信息计算出自身频率与对方频率之间的频率差值，或定时互发Sync（同步）报文给对方，并根据对方发布的Sync（同步）报文计算出对方的频率信息，再进一步计算出自身频率与对方频率之间的频率差值；

主时钟设备通过Sync（同步）报文或Announce（公告）报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

准主时钟设备通过Sync（同步）报文或Announce（公告）报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

当网络最佳主时钟发生变化时，从时钟设备根据当前网络最佳主时钟所发布的报文中所包含的当前网络最佳主时钟与前一网络最佳主时钟之间的频率差值，调整自身伺服时钟的时钟频率，来弥补因网络最佳主时钟切换而产生的时钟频率漂移缩短从时钟设备的自身频率调整时间。

本发明实施例中，所述从时钟设备的伺服时钟为现有技术，在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，PID控制器是通过对误差信号                                               

进行比例、积分和微分运算，其结果的加权，得到控制器的输出

，该值就是控制对象的控制值，PID控制器的数学描述为：

；

式中，

为控制输入，

为误差信号，

为输入量，

为输出量，是比例系数，

是积分时间常数，

是微分时间常数；

PID的控制作用包括PD控制、PI控制、PID控制，本发明实施例主要采取设计PI控制来提高系统按稳态误差，针对从时钟设备的伺服控制模型，设计相应的PI控制器，通过选择适当的参数、

来保证闭环系统稳定并且实现系统同步时钟需求，PI控制器的设计满足如下微分方程：

；

其中，

是计算延时，有；

其中的采样和被控时钟对应的连续系统函数为：

   

；

式中

为和时钟模型相关的常量，对上式经过变换和麦克劳林基数展开等数学变换，可以确定当

和

时，所选的参数既可以防止过冲又可以实现系统的快速同步。

Claims (1)

1.一种基于主时钟频率差值的从时钟调整方法，包括主时钟设备、准主时钟设备和从时钟设备，所述从时钟设备设有伺服时钟；

主时钟设备定时发布Sync报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce报文至从时钟设备；

准主时钟设备定时发布Sync报文，及包含有网络最高主时钟信息的Announce报文至从时钟设备；

从时钟设备定时接收到主时钟设备发布的Announce报文时，即按最佳主时钟算法将主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据主时钟设备所发布的Sync报文调整本地时间信息；

从时钟设备定时接收到准主时钟设备发布的Announce报文，且未能定时接收到主时钟设备发布的Announce报文时，即按最佳主时钟算法将准主时钟设备确定为网络最佳主时钟，并根据准主时钟设备所发布的Sync报文调整本地时间信息；

其特征在于：主时钟设备和准主时钟设备定时互发包含有自身频率信息的报文给对方，并根据对方所发布的报文中的频率信息计算出自身频率与对方频率之间的频率差值，或定时互发Sync报文给对方，并根据对方发布的Sync报文计算出对方的频率信息，再进一步计算出自身频率与对方频率之间的频率差值；

主时钟设备通过Sync报文或Announce报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

准主时钟设备通过Sync报文或Announce报文将主时钟设备与准主时钟设备之间的频率差值信息传递给从时钟；

当网络最佳主时钟发生变化时，从时钟设备根据当前网络最佳主时钟所发布的报文中所包含的当前网络最佳主时钟与前一网络最佳主时钟之间的频率差值，调整自身伺服时钟的时钟频率。

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