CN102780554A - 一种通过1588协议实现同步的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过1588实现PTP同步的方法及系统，该方法包括：利用一递归算法实时计算偏移值；根据所述偏移值进行同步。通过本发明可以降低同步精度对报文交互频率的依赖。

Description

一种通过1588协议实现同步的方法及系统

技术领域

本发明涉及数据通信领域，特别是涉及提供了一种通过1588实现PTP(精确时钟同步协议)同步的方法及系统。

背景技术

目前通过1588进行时钟同步的设计方案主要分下面两类：

方案1、1588实现相位同步，通过1588协议计算主钟和从钟的时间差值，进行相位调整；频率恢复的方式为通过同步以太网技术恢复以太网线路时钟频率；这个方法缺点是相位和频率不同源，网络设备中间节点同步以太发生异常，会导致下游设备频率偏移和相位的跳跃；而且出现问题无法简单的判断是1588的时钟源出现问题还是同步以太网出现问题。

方案2、1588实现相位和频率的同步，不需要网络对同步以太的支持，需要同步设备通过1588报文计算出offset，通过offset进行频率和相位的调整，实现频率和相位的同步。

方案2的优势是降低成本和降低对网络的同步以太的要求，但是为了保证同步精度，一般的厂商采用提高1588报文交互的频率并且稳定的1588交互的频率的方式降低系统设计难度。这样，线路上会有额外1588报文，占用宝贵的线路带宽，同时对网络1588报文交互的稳定性依赖过多，导致系统的抗干扰性差，影响设备的生存力。

方案2的原理如下：

锁相环(Phase-Locked Loop，简称PLL)系统介绍，如图1a：

锁相环电路是一种反馈系统，其作用是通过调整频率使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位和频率同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环的工作原理：

1、压控振荡器(VCO)的输出经过采集并分频后，和基准信号(即参考时钟)同时输入鉴相器(PD)；

2、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；

3、控制VCO，使VCO的频率改变；

图中的FILTER(滤波器)用于过滤噪声以及通过输入的相位差，输出VCO的控制值，实现锁相环的跟踪锁定。

4、这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。

锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。

通过IEEE1588进行频率、相位的同步的原理如图1b，通过1588协议交互计算出offset(偏移)值，将offset值进行相位的采样比转换过滤噪声得到频率控制值，通过频率的调整达到相位和频率的同步。该方法没有考虑频率的漂移，如果交互的时间过长，频率的差会导致计算的offset不够精确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过1588实现PTP同步的方法及系统，以降低同步精度对报文交互频率的依赖。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通过1588协议实现同步的方法，包括：

利用一递归算法实时计算偏移值；

根据所述偏移值进行同步。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述递归算法为：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

进一步地，上述方法还具有下面特点：第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种通过1588协议实现同步的系统，包括：

第一模块，用于利用一递归算法实时计算偏移值；

第二模块，用于根据所述偏移值进行同步。

进一步地，上述系统还具有下面特点：所述递归算法为：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

进一步地，上述系统还具有下面特点：第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

综上，本发明提供一种通过1588实现PTP同步的方法及系统，可以有效降低同步精度对报文交互频率的依赖，以及对同步以太网的依赖，提高授时精度，以及系统的容错能力。

附图说明

图1a为锁相环工作原理图；

图1b为1588锁相环工作原理图；

图2为本发明实施例的通过1588协议实现同步的方法的流程图；

图3为现有技术的1588计算offset的原理图；

图4为本发明实施例的1588计算osffset的原理图；

图5为本发明实施例的通过1588协议实现同步的系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图2为本发明实施例的通过1588协议实现同步的方法的流程图，如图2所示，本实施例的方法包括：

S10、利用一递归算法实时计算偏移值；

S20、根据所述偏移值进行同步。

其中，所述递归算法可以是：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

其中，第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

以下对本发明实施例的递归算法进行详细说明。

如图3为1588计算offset的基本原理，t1、t2、t3、t4为1588基本时间戳，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Delay}=((t2-t1)+(t4-t3))/2\\ \mathrm{Offset}=((t2-t1)-(t4-t3))/2\end{array}\right.---\left(1\right)$

该式中的Delay是指master(主钟)和slave(从钟)之间的链路延迟。

从1588的锁相环的系统来看，要想实现高精度时间同步需要准确的offset以外，还需要对offset的获取频率有一定的要求，但是offset的计算不像普通的锁相环一样获取PD鉴相值那么固定而且周期准确(网络丢包，处理不及时等很多因数影响)，因为PTP(PrecisionTime Protocol，精密时间同步协议)的理论基础是假设四个时间戳交互过程很快，忽略期间频率变化对其时间戳的影响。对于异常网络而言，这个影响扩大以后对精度和稳定性造成更大的影响，所以下面介绍一种算法针对这一情况，有效的提高系统同步精度以及容错能力，计算出准确的offset值。

本实施例的算法原理如图4所示：

t1、t2、t3、t4为1588基本时间戳；

D1为master将sync(同步)报文传递给Slave(从钟)的线路延迟；

D2为Slave将delay_req(延迟请求)报文传递给master的线路延迟；

offset1为t1时刻点，slave和master之间的offset；

offset2为t2时刻点，slave和master之间的offset；

offset3为t3时刻点，slave和master之间的offset；

存在三个offset过程，因为slave和master之间不可能频率完全同步，所以在1588报文交互的过程中，offset是一个变化的过程，受频率差得影响。频率差为Drift。

1、首先建立时间轴的变量对应关系：

$\left\{\begin{array}{c}t2=t1+D1+\mathrm{offset}2\\ t3=t4-D2+\mathrm{offset}3\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}t2=t1+d1+\mathrm{offset}1+\mathrm{Drift}\×D1\\ t3=t4-D2+\mathrm{offset}1+\mathrm{Drift}\×(t4-D2-t1)\end{array}\right.---\left(3\right)$

2、将公式3中相加得：

t2+t3＝t1+t4+(D1-D2)+2×offset1+Drift×(D1-D2+t4-t1)    (4)

3、假设D1和D2非常接近

(t2+t3)-(t1+t4)＝2×offset1+Drift×(t4-t1)              (5)

4、对公式5线性化，k为第k次计算的过程，k-1为k次的上一次计算过程：

[(t2_k+t3_k)-(t1_k+t4_k)]＝2×offset1_k+Drift_k×(t4_k-t1_k)    (6)

其中：

${\mathrm{Drift}}_k=\frac{{\mathrm{offset}}_k-{\mathrm{offset}}_{k-1}}{({t1}_k-{t1}_{k-1})}---\left(7\right)$

所以：

$[({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)]=2\×{\mathrm{offset}1}_k+\frac{{\mathrm{offset}}_k-{\mathrm{offset}}_{k-1}}{({t1}_k-{t1}_{k-1})}\×({t4}_k-{t1}_k)---\left(8\right)$

以offset1为计算offset的基准点，所以offset1_k＝offset_k，

总结递归收敛公式：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}---\left(9\right)$

1、使用标准公式(1)计算大体的offset。

递归需要有初始值，第一个值没办法套用递归的公式，因为当k＝1时k-1＝0没有对应的值，所以从k＝2的开始才启用递归，所以第一次用公式1计算不够精确的offset，以后的就可以使用递归。

2、下一个时刻用offset作为前一时刻的变量，使用公式(9)计算这个时刻的offset_k。

3、以后的每个计算周期都使用公式(9)进行递归运算，得到每组offset的值。

图5为本发明实施例的通过1588协议实现同步的系统的示意图，如图5所示，本实施例的系统包括：

第一模块，用于利用一递归算法实时计算偏移值；

第二模块，用于根据所述偏移值进行同步。

其中，所述递归算法为：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

其中，第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过1588协议实现同步的方法，包括：

利用一递归算法实时计算偏移值；

根据所述偏移值进行同步。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述递归算法为：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

4.一种通过1588协议实现同步的系统，包括：

第一模块，用于利用一递归算法实时计算偏移值；

第二模块，用于根据所述偏移值进行同步。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述递归算法为：

${\mathrm{offset}}_k=\frac{{t1}_k-{t1}_{k-1}}{{t4}_k+{t1}_k-2\×{t1}_{k-1}}\×\{({t2}_k+{t3}_k)-({t1}_k+{t4}_k)+\frac{{\mathrm{offset}}_{k-1}}{{t1}_k-{t1}_{k-1}}\}$

其中，offset_k为第k次计算时的偏移值，t1_k、t2_k、t3_k、t4_k为第k次计算时1588基本时间戳，且k大于等于2。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

第一次计算的偏移值为：

Offset₁＝((t2₁-t1₁)-(t4₁-t3₁))/2，其中，

t1₁、t2₁、t3₁、t4₁为初次计算时1588基本时间戳。

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