CN102474410A - 高精度同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涉及在第一参考时钟和从动于参考时钟频率的第二时钟之间的时钟同步方法，两个时钟共享公共时钟，所述方法包括下列步骤：根据参考时钟和公共时钟计算时间戳的整数部分；使用参考时钟来生成本地系统时钟；计算系统时钟信号和参考时钟信号之间的相移；计算系统时钟信号和公共时钟信号之间的相移；计算时间戳的小数部分；将十进制时间戳发送给第二时钟；使用公共时钟和所接收的时间戳强制同步第二时钟。

Description

高精度同步方法和系统

技术领域

本发明涉及时间数据管理的技术领域，更具体地，本发明涉及时钟同步。

背景技术

同步是分布式系统中实时应用的正确操作所必不可少的关键问题之一。“分布式系统”是通过诸如通信网络(有线或移动)、计算机网络或多处理器硬件架构的网络进行通信的实体的任意网络集合。此外，在下文中，“实体”涉及任意处理器、应用、节点，或更概括地涉及请求时间信息的方法或系统。

通常，在分布式系统中，在多个请求公共时间概念的实体之间进行区别。为了实现这一点，第一步是：

让所有实体涉及单一共享的全局时钟；或

给全部这些实体配置精确的同步时钟。

然而，在空间中这些实体的分布导致传输时间从一个实体到另一实体发生变化，从而对于共享时钟的即时全局视图产生危害。此外，以同相开始的两个时钟将永不再保持同步。环境因素(例如温度、气压、海拔高度、经过多普勒效应的移动性、电源电压)中的短期变化、或诸如一个时钟相对于另一个时钟老化的长期变化，导致或多或少的显著偏移(最多可达每天几秒钟)，从而使第二可替换的时间不精确。

因此，在分布式系统的实体之间使用同步方法是重要的。

在对分布式系统中的节点集合进行同步的两个方法之间进行区分。将基于使用外部参考时钟的第一个方法称为外部同步。将意在保持一组时钟同步的第二个方法称为内部同步。

内部同步方法意在将分布式系统中的所有时钟收敛至相同的时间。这不是真实的时间。这是满足所有时钟之间多个折中的时间。

在外部同步方法中，分布式系统的不同实体的时钟试图尽可能地靠近公共时钟(系统时钟，或系统外部的时钟)。例如，可以将公共时钟设置为GPS(全球定位系统)时间或LORAN(远程导航)时间。

时钟主要包括振荡器和计数器。振荡器有规律地产生时钟“滴答”，从而计数器增加一个单位。其结果是计数器输出的数量必须将指定时间作为因素(例如，如果已知100个滴答对应1秒钟，则仅需要对计数器除以100来获得秒内的时间)。振荡器的特征由振荡频率来表示，并通常进行整形以获得方波周期信号。在这种情况下，时钟滴答例如可以对应于方波信号的上升沿或下降沿。

更概括地，考虑同步问题的标准情况，考虑属于两个通信实体的两个时钟的同步，其中一个时钟是用于第二实体的参考时钟。

当其是公共时钟时，通过将在公共时钟的时间窗内记录的参考时钟的滴答数量发送给第二时钟，使得两个远程时钟同步。已知该数为时间戳。从而，接收时钟通过使用所接收的时间戳和公共时钟调整其节奏。

然而，所发送的时间戳是参考时钟震荡周期的自然整数，从而忽略了参考时钟信号周期的任何一部分。其结果是最大同步精度大约是参考时钟的一个周期。

已知的系统和方法是不完美的，特别是它们的低精度。它们具有的时间分辨率不小于参考时钟的周期。它们不能详细描述公共时钟的时间窗内观测的参考时钟脉冲数量。

发明内容

本发明的一个目的是提升两个时钟之间的同步精度。

本发明的另一目的是减少分布式网络中的两个实体之间的时间漂移。

本发明的另一目的是获得等于或小于参考时钟的一个周期持续时间的分辨能力。

本发明的另一目的是将同步精度提高到参考时钟脉冲周期的一小部分。

本发明的另一目的是减少携带同步消息的通信网络中的抖动。

本发明的另一目的是在从参考时钟向第二时钟传送少量的时间戳时，确保高同步精度。

本发明的另一目的是在有限的观测时间窗内确保高同步精度。

本发明的另一目的是减少同步方法的精度依赖于公共时钟频率的程度。

本发明的另一目的是限定同步调整功能。

本发明的另一目的是消除影响同步方法不确定性的根源，避免必须对几个时间戳求平均值。

根据第一方面，本发明公开了一种用于在第一参考时钟和受控于参考时钟频率的第二时钟之间进行时钟同步的方法，两个时钟共享公共时钟，本方法包括下列步骤：

使用参考时钟和公共时钟来计算时间戳的整数部分；

生成参考时钟本地的系统时钟；

计算系统时钟信号和参考时钟信号之间的相移；

计算系统时钟信号和公共时钟信号之间的相移；

计算时间戳的小数部分；

将小数的时间戳发送给第二时钟；

使用公共时钟和所接收的时间戳控制第二时钟。

根据第二方面，本发明公开了一种在第一参考时钟和从属于参考时钟频率的第二时钟之间的时钟同步系统，两个时钟共享公共时钟，本系统包括：

参考时钟本地的系统时钟；和

参考时钟本地的数控振荡器。

附图说明

通过阅读下面的优选实施方式，并参照附图，本发明的其它特点和优势会变得更清楚和非常明显，其中：

图1和图2以图解的方式示出了现有技术；

图3以图解的方式示出了根据本发明的计算时间戳的方法。

具体实施方式

在下面描述的高精度时钟同步方法和系统中，假设分布式系统至少包括：

第一实体1，其时钟11将用作至少一个第二实体2的参考，其中第二实体2配备有时钟12；以及

公共时钟3。公共时钟的实施例包括GPS(全球定位系统)时间，LORAN(远程导航)时间和任意其它被认为是精确的并且是实体1和2可访问的时间。

两个实体之间的关系通常涉及客户机-服务器关系或主-从关系，其中第二实体2的时钟12受控(slave)于第一实体1的时钟11。需要说明的是，实体可同时为主控或从控的。

同步取决于时间戳4从第一实体1至第二实体2的常规传输。时间戳包含反映参考时钟11在公共时钟3的观测时间窗内进行的时钟滴答的整数数量的自然整数。

例如，图2描述了

具有指定频率的参考时钟11；

具有优选地高于参考时钟频率的频率的公共时钟3，和

在公共时钟3的时间间隔对来自参考时钟11的信号进行采样5。采样5确定时间戳4的内容。

需要说明的是，在该实施例中，

时钟滴答对应于时钟信号的任意上升沿，和

公共时钟3的时间的观测时间窗等于来自公共时钟3的信号周期的3倍。

结果是在来自公共时钟3信号的每3个信号周期，将时间戳发送给第二实体2。在采样时间51和52得到的时间戳4分别等于2和4。时间戳4对应于观测窗中确定的来自参考时钟11信号中上升沿的数量，用公共时钟3的多个周期来表示。

在一个变形中，时间戳4包括在最近发送的时间戳中检测的上升沿的数量。在这种情况下，时间戳在采样时间51和52的值分别等于2和2。

需要说明的是，在采样时间E1和E2的不精确的记录值分别为51和52。这些不精确值是来自参考时钟11的信号周期的一小部分。

E1和E2表示来自参考时钟11的信号和来自公共时钟3的分别在采样时间51和52的信号的相移。

因此，E是来自时间戳4在观测窗中不考虑的参考时钟的信号周期的一小部分的总和。需要说明的是，该总和是代数的，换句话说，在观测窗的末端，可以对来自参考时钟11的信号周期增加一小部分或减小一小部分。

位于参考时钟11本地的系统时钟6用于考虑来自参考时钟11的信号周期的一小部分E，如图3所示。

系统时钟6的频率大于或等于参考时钟11。这样的时钟可以由提供有优选地与公共时钟3和参考时钟11失去同步的本地时钟的FPGA(现场可编程门阵列)容易地进行管理。

系统时钟6利用在公共时钟3的时间窗内观测到的参考时钟11的周期对小部分E进行量化。

至此，将NCO(数控振荡器)用于计算：

系统时钟6和参考时钟11之间的相移；和

系统时钟6和公共时钟3之间的相移。

以这种方式使用NCO，除上升沿之外，还可允许时钟振荡器的相位。

计数器与每个相移计计算器相关联。第一计数器在系统时钟6的每个上升沿增加，其步长等于来自系统时钟6的信号周期和来自参考时钟11的信号周期之间的比率。第二计数器在系统时钟6的每个上升沿增加，其步长等于来自系统时钟6的信号周期和来自公共时钟3的信号周期之间的比率。

在每个采样时间51、52，分别从系统时钟6和系统时钟11之间的相移、以及系统时钟6和公共时钟3之间的相移导出要发送的时间戳的小数部分。

要发送的时间戳的小数部分等于通过下列操作获得的量的小数部分

“第一计数器增加步长”乘以“参考时钟11的频率和公共时钟3的频率之间的比率”，减去

由第一计数器在采样时间的值。

发送到受控于参考时钟11频率的第二时钟12的时间戳包括，

由公共时钟的时间窗中的上升沿数量确定的第一整数部分；和

由系统时钟6和参考时钟11的信号之间的相移和系统时钟6和公共时钟3之间的相移导出的小数部分。

作为变量，使用第一和第二计数器的值，由两个连续采样时间内计算的值之间的差别确定的时间戳的值。

需要说明的是，系统时钟能够对来自参考时钟11的信号和来自公共时钟3的信号进行过采样，导致更好的描述，从而导致同步方法更好的精度。

使用具有小数值的时间戳可以获得有限观测时间窗内参考时钟11的滴答的更详细的量。

需要说明的是，这样增加的精度取决于可用于对小数部分进行编码的比特数量。

在接收时，第二接收实体2使用PLL(锁相环)发现参考时钟11的振荡频率。该PLL将第二实体2中的时钟12的频率从动于参考时钟11的频率。

需要说明的是，还可将其它处理加入到该同步方法中以考虑由于传输信道导致的干扰，例如分组延迟变化，或分组丢失。

Claims (9)

1.一种用于在第一参考时钟(11)和从动于参考时钟频率的第二时钟(12)之间进行时钟同步的方法，两个时钟共享公共时钟(3)，其特征在于所述方法包括下列步骤：

使用参考时钟(11)和公共时钟(3)计算时间戳的整数部分；

生成参考时钟(11)本地的系统时钟；

计算系统时钟信号(6)和参考时钟信号(11)之间的相移；

计算系统时钟信号(6)和公共时钟信号(11)之间的相移；

计算时间戳(4)的小数部分；

将十进制时间戳发送给第二时钟；

使用公共时钟(3)和所接收的时间戳强制同步第二时钟(12)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统时钟(6)与参考时钟(11)和公共时钟(3)失去同步。

3.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，系统时钟(6)的频率高于或等于参考时钟(11)的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用数控振荡器计算系统时钟的信号和参考时钟的信号之间或系统时钟的信号和公共时钟的信号之间的相移。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统时钟(6)由现场可编程门阵列管理。

6.一种第一参考时钟(11)和从动于参考时钟频率的第二时钟(12)之间的时钟同步系统，两个时钟共享公共时钟(3)，其特征在于所述系统包括：

参考时钟本地的系统时钟(6)；和

参考时钟(11)本地的数控振荡器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，系统时钟(6)由现场可编程门阵列管理。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，数控振荡器计算系统时钟信号(6)和参考时钟信号(11)之间的相移。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，数控振荡器计算系统时钟信号(6)和公共时钟信号(3)之间的相移。

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