CN103220060A - 时间控制装置、时间控制方法以及程序 - Google Patents

Abstract

一种配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时间控制装置包括：计算单元，用于根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，分别计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上发送第一和第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；选择单元，用于根据多个所计算网络延迟选择所计算候选时间差之一作为时间差；以及调整单元，用于根据所选时间差调整从机的时间信息。

Description

时间控制装置、时间控制方法以及程序

技术领域

本公开涉及时间控制装置、时间控制方法以及程序，尤其涉及适合用在高精度地使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时候的时间控制装置、时间控制方法以及程序。

背景技术

在相关技术中，提供了使连接在网络上的装置的各自内部时间信息同步的结构，以及IEEE 1588 PTP（精确时间协议）被认为是它们的代表（例如，参照JP-A-2010-190635）。

按照IEEE 1588 PTP，通过在连接在网络上的主机（下文称为“PTP主机”）与从机（下文称为“PTP从机”）之间传输PTP消息，可以高达亚微秒精度地使PTP从机的时间信息与PTP主机的时间信息同步。详细地说，使PTP从机的内部振荡频率f2与PTP主机的内部振荡频率f1同步，此后，使PTP从机的时间信息与PTP主机的时间信息同步。

在下文中，将使PTP从机的内部振荡频率f2与PTP主机的内部振荡频率f1同步的处理称为频率同步，将使PTP从机的时间信息与PTP主机的时间信息同步的处理称为时间同步。

图1例示了按照相关技术的使用IEEE 1588 PTP的高精度时间同步处理的概况。

PTP主机根据振荡频率f1在预定时段Δm期间在网络上发送起PTP消息作用的Sync（同步）消息，该PTP消息包括作为PTP主机的时间信息的发送时间T1_i。同时，PTP从机响应从PTP主机发送的Sync消息的接收，提取包括在Sync消息中的发送时间T1_i，并读取作为PTP从机的时间信息的接收时间T2_i。也就是说，每当接收到Sync分组时，PTP从机就获取发送时间T1_i和接收时间T2_i。

另外，PTP从机在网络上向PTP主机发送起PTP消息作用的Delay_req消息，并读取作为PTP从机的时间信息的发送时间T3。同时，PTP主机响应Delay_req消息的接收，读取作为PTP主机的时间信息的接收时间T4，并向PTP从机发送起包括接收时间T4的PTP消息作用的Delay_res消息作为应答。因此，PTP从机通过发送Delay_req消息和接收作为响应Delay_req消息的回答的Delay_res消息获取来自PTP从机的Delay_req消息的发送时间T3和PTP主机的接收时间T4。

这里，假设在网络上发送像Sync消息、Delay_req消息、和Delay_res消息那样的PTP消息所需的时间（下文称为“网络延迟时间”）是不变的，和通常是一致的。

在这种假设下，如果PTP主机的振荡频率f1等于PTP从机的振荡频率f2，则PTP主机的Sync消息的发送间隔Δm=T1₂-T1₁等于PTP从机的Sync消息的接收间隔Δs=T2₂-T2₁。换句话说，在Δm与Δs之间的差值，即，Δm-Δs不是0的情况下，可以认为该情况在PTP主机的振荡频率f1与PTP从机的振荡频率f2之间存在误差，因此，振荡频率不是同步的。

因此，关于频率同步，可以调整PTP从机的振荡频率f2，以便在PTP从机中Δm与Δs之间的差值，即，Δm-Δs（下文称为“频率偏差”）是0。频率偏差Δm-Δs使用如下方程1来计算：

频率偏差Δm-Δs=(T1₂-T1₁)-(T2₂-T2₁)=(T2₁-T1₁)-(T2₂-T1₂)    (1)

关于时间同步，可以在PTP从机中根据Sync消息的发送时间T1₂和接收时间T2₂以及Delay_req消息的发送时间T3和接收时间T4计算显示在方程4中的时间差，以及可以调整内部时钟T2以便在PTP从机中该时间差是0。

Sync消息的网络延迟

=(T2₂–时间差)-T1₂=(T2₂-T1₂)–时间差    (2)

Delay_req消息的网络延迟

=T4-(T3–时间差)=(T4-T3)+时间差    (3)

假设Sync消息的网络延迟=Delay_req消息的网络延迟=一致。因此，关于时间差，通过从方程2中减去方程3导出随后方程4：

时间差={(T2₂-T1₂)-(T4-T3)}/2    (4)

另外，关于网络延迟，通过将方程2与方程3相加导出随后方程5：

网络延迟={(T2₂-T1₂)+(T4-T3)}/2    (5)

发明内容

但是，如果像图像信号那样的高容量分组在PTP主机与PTP从机连接的相关网络上高速流动，则在网络上会发生拥塞，因此PTP消息的上述网络延迟时间可能会发生暂时增加。

例如，如图2所示，可能存在Delay_req消息的网络延迟（T4_j-1-T3_j-1）与Sync消息的网络延迟（T2_i-1-T1_i-1）相比增加的情况。另外，相反，可能存在Delay_req消息的网络延迟（T4_j-T3_j）与Sync消息的网络延迟（T2_i-T1_i）相比减小的情况。

在这些情况下，由于实现不了PTP消息的网络延迟时间一致的上述假设，所以难以使用上述方法精确进行频率同步或时间同步。

因此，最好是能够高精度地在网络上与主机进行时间同步。

本公开的一个实施例针对配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时间控制装置，该时间控制装置包括：多个计算单元，用于根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，分别计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；选择单元，用于根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及调整单元，用于根据所选时间差调整从机的时间信息。

该多个计算单元可以根据从具有不同通信定时的多个第一消息和多个第二消息中组合的第一消息和第二消息的各自发送/接收时间分别计算候选时间差和网络延迟。

该多个计算单元可以包括第一到第三计算单元，第一计算单元可以根据从主机发送和使用从机接收的最近第一消息的发送/接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的最近第二消息的发送/接收时间，计算第一候选时间差和第一网络延迟，第二计算单元可以根据从主机发送和使用从机接收的前一个第一消息的发送/接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的最近第二消息的发送/接收时间，计算第二候选时间差和第二网络延迟，以及第三计算单元可以根据从主机发送和使用从机接收的最近第一消息的发送/接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的前一个第二消息的发送/接收时间，计算第三候选时间差和第三网络延迟。

该选择单元在第一网络延迟小于阈值时可以选择第一候选时间差作为时间差，在第一网络延迟等于或大于阈值而第二网络延迟小于第三网络延迟时可以选择第二候选时间差作为时间差，以及在第一网络延迟等于或大于阈值而第二网络延迟等于或大于第三网络延迟时可以选择第三候选时间差作为时间差。

本公开的另一个实施例针对配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时间控制装置的时间控制方法，该时间控制方法包括：根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及使用所述时间控制装置根据所选时间差调整从机的时间信息。

本公开的又一个实施例针对使配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的计算机起如下作用的程序：多个计算单元，用于根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，分别计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；选择单元，用于根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及调整单元，用于根据所选时间差调整从机的时间信息。

在本公开的实施例中，提供了基于从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送/接收时间以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送/接收时间的多种组合的从机相对于主机的多个候选时间差、和每一个指示在网络上发送第一消息所需的时间和在网络上发送第二消息所需的时间的平均值的多个网络延迟。根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及根据所选时间差调整从机的时间信息。

按照本公开的实施例，可以高精度地在网络上与主机进行时间同步。

附图说明

图1是例示按照相关技术的使用IEEE1588PTP的高精度时间同步处理的概况的视图；

图2是例示网络延迟发生变化的例子的视图；

图3是例示本公开所应用的时间控制装置的配置例子的框图；

图4是例示使用时间控制装置的时间调整处理的流程图；以及

图5是例示计算机的配置例子的框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述实现本公开的方式（下文称为“实施例”）。

按照本公开的实施例的时间控制装置包括在PTP从机（从机）中，该PTP从机以在网络上向/从PTP主机（主机）发送和接收PTP消息的方式使时间信息与PTP主机的时间信息同步。另外，在这种时间同步之前事先进行频率同步，因此使PTP从机的振荡频率f2高精度地与PTP主机的振荡频率f1同步。

[时间控制装置的配置例子]

图3例示了按照实施例的时间控制装置的配置例子。时间控制装置10计算分别与3种类型的时间差O1、O2和O3相对应的网络延迟D1、D2和D3，根据网络延迟D1到D3选择时间差O1、O2和O3之一，并按照所选时间差调整时间信息。

另外，时间差O1和网络延迟D1根据最近Sync消息和最近Delay_req消息的发送/接收时间来计算。时间差O2和网络延迟D2根据前一个Sync消息和最近Delay_req消息的发送/接收时间来计算。时间差O3和网络延迟D3根据最近Sync消息和前一个Delay_req消息的发送/接收时间来计算。

时间控制装置10包括相减单元11和12。进一步，时间控制装置10包括相减单元13、相除单元14、相加单元15、和相除单元16作为用于计算时间差O1和网络延迟D1的配置。另外，时间控制装置10包括延迟单元17、相减单元18、相除单元19、相加单元20、和相除单元21作为用于计算时间差O2和网络延迟D2的配置。另外，时间控制装置10包括延迟单元22、相减单元23、相除单元24、相加单元25、和相除单元26作为用于计算时间差O3和网络延迟D3的配置。更进一步，时间控制装置10包括选择单元27、选择控制单元28、和时间调整单元29。

相减单元11将使用PTP从机接收的最近Sync消息的接收时间T2_i与发送时间T1_i相减，并将结果输出到相减单元13、相加单元15、延迟单元17、相减单元23、和相加单元25。

相减单元12将从PTP从机发送的最近Delay_req消息中PTP主机的接收时间T4_j与发送时间T3_j相减，并将结果输出到相减单元13、相加单元15、相减单元18、相加单元20、和延迟单元22。

相减单元13和相除单元14计算方程4。也就是说，通过将作为相减单元11的输出的（T2_i–T1_i）与作为相减单元12的输出的（T4_j–T3_j）相减并将结果除以2计算时间差O1，并将时间差O1输出到选择单元27。

相加单元15和相除单元16计算方程5。也就是说，通过将作为相减单元11的输出的（T2_i–T1_i）与作为相减单元12的输出的（T4_j–T3_j）相加并将结果除以2计算网络延迟D1，并将网络延迟D1输出到选择控制单元28。

延迟单元17保持作为相减单元11的输出的（T2_i–T1_i）。当随后从相减单元11接收到输入时，延迟单元17将保持到那时的（T2_i-1–T1_i-1）输出到相减单元18和相加单元20。

相减单元18和相除单元19计算方程4。也就是说，通过将作为延迟单元17的输出的（T2_i-1–T1_i-1）与作为相减单元12的输出的（T4_j–T3_j）相减并将结果除以2计算时间差O2，并将时间差O2输出到选择单元27。

相加单元20和相除单元21计算方程5。也就是说，通过将作为延迟单元17的输出的（T2_i-1–T1_i-1）与作为相减单元12的输出的（T4_j–T3_j）相加并将结果除以2计算网络延迟D2，并将网络延迟D2输出到选择控制单元28。

延迟单元22保持作为相减单元12的输出的（T4_j–T3_j）。当从相减单元12接收到输入时，延迟单元22将保持到那时的（T4_j-1–T3_j-1）输出到相减单元23和相加单元25。

相减单元23和相除单元24计算方程4。也就是说，通过将作为相减单元11的输出的（T2_i–T1_i）与作为延迟单元22的输出的（T4_j-1–T3_j-1）相减并将结果除以2计算时间差O3，并将时间差O3输出到选择单元27。

相加单元25和相除单元26计算方程5。也就是说，通过将作为相减单元11的输出的（T2_i–T1_i）与作为延迟单元22的输出的（T4_j-1–T3_j-1）相加并将结果除以2计算网络延迟D3，并将网络延迟D3输出到选择控制单元28。

选择单元27在选择控制单元28的控制下选择从相除单元14输入的时间差O1、从相除单元19输入的时间差O2、和从相除单元24输入的时间差O3的某一个，并将所选时间差输出到时间调整单元29作为时间差O′。

选择控制单元28根据从相除单元16输入的网络延迟D1、从相除单元21输入的网络延迟D2、和从相除单元26输入的网络延迟D3控制使用选择单元27进行的选择处理。

时间调整单元29调整PTP从机的内部时间信息，以便从选择单元27输入的时间差O′是0。

[操作描述]

随后，将描述时间控制装置10的操作。图4是例示使用时间控制装置10进行的时间调整处理的流程图。

时间调整处理按预定间隔周期性地进行。另外，假设在时间调整处理之前进行频率同步。

在步骤S1中，相减单元11计算和输出（T2_i–T1_i）。相减单元12计算和输出（T4_j-1–T3_j-1）。

在步骤S2中，相减单元13和相除单元14计算时间差O1={(T2_i-T1_i)-(T4_j-T3_j)}/2，并将结果输出到选择单元27。相减单元18和相除单元19计算时间差O2={(T2_i-1-T1_i-1)-(T4_j-T3_j)}/2，并将结果输出到选择单元27。相减单元23和相除单元24计算时间差O3={(T2_i-T1_i)-(T4_j-1-T3_j-1)}/2，并将结果输出到选择单元27。

在步骤S3中，相加单元15和相除单元16计算网络延迟D1={(T2_i-T1_i)+(T4_j-T3_j)}/2，并将结果输出到选择控制单元28。相加单元20和相除单元21计算网络延迟D2={(T2_i-1-T1_i-1)+(T4_j-T3_j)}/2，并将结果输出到选择控制单元28。相加单元25和相除单元26计算网络延迟D3={(T2_i-T1_i)+(T4_j-1-T3_j-1)}/2，并将结果输出到选择控制单元28。

另外，实际上，步骤S2中的处理和步骤S3中的处理同时进行。

在步骤S4中，选择控制单元28确定网络延迟D1是否小于预定阈值。如果确定的结果是肯定的，则该处理转到步骤S5。在步骤S5中，选择单元27在使用选择控制单元28进行的控制下选择从相除单元14输入的时间差O1，并将所选时间差O1输出到时间调整单元29作为时间差O′。

如果在步骤S4中进行的确定的结果是否定的，则该处理转到步骤S6。在步骤S6中，选择控制单元28确定网络延迟D2是否小于网络延迟D3。如果确定的结果是肯定的，则该处理转到步骤S7。在步骤S7中，选择单元27在使用选择控制单元28进行的控制下选择从相除单元19输入的时间差O2，并将所选时间差O2输出到时间调整单元29作为时间差O′。

如果在步骤S6中进行的确定的结果是否定的，则该处理转到步骤S8。在步骤S8中，选择单元27在使用选择控制单元28进行的控制下选择从相除单元24输入的时间差O3，并将所选时间差O3输出到时间调整单元29作为时间差O′。

在步骤S9中，时间调整单元29调整PTP从机的内部时间信息，以便从选择单元27输入的时间差O′是0。如上，时间调整处理终止。

按照上述时间调整处理，如果根据认为通信定时最接近，也就是说，网络延迟的变化最小的最近Sync消息和最近Delay_req消息的发送/接收时间计算的网络延迟D1小于阈值，则根据时间差O1调整时间信息。

另外，如果网络延迟D1等于或大于阈值，则将根据前一个Sync消息和最近Delay_req消息的发送/接收时间计算的网络延迟D2与根据最近Sync消息和前一个Delay_req消息的发送/接收时间计算的网络延迟D3相比较。此后，根据与较小相对应的时间差O2或O3调整时间信息。

也就是说，按照时间调整处理，由于与网络延迟的变化较小的Sync消息和Delay_req消息的组合相对应的时间差被选来用于调整时间，所以与相关技术相比可以高精度地使PTP从机的时间信息与PTP主机的时间信息同步。

另外，如果网络延迟D1等于或大于阈值以及网络延迟D2和网络延迟D2的较小者大于预定阈值，则可以不将时间差O′输出到时间调整单元29，并可以将时间信息的调整推迟到随后时间调整处理。

进一步，例如，比较网络延迟D1到D3，并可以将与其最小者相对应的时间差设置成时间差O′。

另外，尽管在本实施例中通过将最近Sync消息与第一Delay_req消息相组合或将最近Delay_req消息与在前Sync消息相组合计算时间差和网络延迟，但本公开不局限于此。例如，可以通过将最近Sync消息与第nDelay_req消息相组合或将最近Delay_req消息与第n在前Sync消息相组合计算时间差和网络延迟。

进一步，尽管在本实施例中时间差O′是从计算的三种类型时间差O1到O3中选择的，但也可以计算四种或更多种类型的时间差并可以从中选择时间差O′。

同时，使用上述时间控制装置10进行的一系列处理可以使用硬件和软件来执行。当使用软件进行该一系列处理时，将包括在软件中的程序安装在计算机中。这里，该计算机包括与专用硬件合并的计算机或，例如，通过安装各种类型的程序可以执行各种类型的功能的通用个人计算机。

图5是例示使用程序进行上述一系列处理的计算机的硬件配置例子的框图。

在该计算机中，中央处理单元（CPU）101、只读存储器（ROM）102、和随机访问存储器（RAM）103经由总线104相互连接。

进一步，输入/输出接口105与总线104连接。输入单元106、输出单元107、存储单元108、通信单元109、和驱动器110与输入/输出接口105连接。

输入单元106包括键盘、鼠标、和麦克风。输出单元107包括显示器、和扬声器。存储单元108包括硬盘和非易失性存储器。通信单元109包括网络接口。驱动器110驱动像磁盘、光盘、磁光盘、或半导体存储器那样的可移动媒体111。

在如上所述配置的计算机中，上述一系列处理以CPU101将存储在，例如，存储单元108中的程序装载到RAM103中，并经由输入/输出接口105和总线104执行程序的方式进行。

使用计算机（CPU101）执行的程序可以记录在起，例如，软件包媒体作用和可以提供的可移动媒体111中。另外，该程序可以经由像局域网、互联网、和数字卫星广播那样的有线或无线传输媒体提供。

在该计算机中，可以通过将可移动媒体111安装在驱动器110上经由输入/输出接口105将程序安装在存储单元108中。另外，程序可以经由有线或无线传输媒体地使用通信单元109来接收，并且可以安装在存储单元108中。另外，程序可以事先安装在ROM102或存储单元108中。

另外，使用计算机执行的程序可以是按照描述在本说明书中的次序依次执行其进程的程序，或可以是并行地或在作出调用的必要定时上执行其进程的程序。

另外，本公开的实施例不局限于上述实施例，可以不偏离本公开的主旨地作出各种类型的修改。

本公开包含与公开在2012年1月24日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2012-011711中的主题有关的主题，特此通过引用并入其全部内容。

本领域的普通技术人员应该明白，只要在所附权利要求书或其等效物的范围之内，视设计要求和其他因素而定，可以作出各种各样的修改、组合、分组合和变更。

Claims (6)

1.一种配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时间控制装置，该时间控制装置包含：

多个计算单元，用于根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，分别计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；

选择单元，用于根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及

调整单元，用于根据所选时间差调整从机的时间信息。

2.按照权利要求1所述的时间控制装置，

其中该多个计算单元根据从具有不同通信定时的多个第一消息和多个第二消息中组合的第一消息和第二消息的各自发送和接收时间分别计算候选时间差和网络延迟。

3.按照权利要求2所述的时间控制装置，

其中该多个计算单元包括第一到第三计算单元，

其中第一计算单元根据从主机发送和使用从机接收的最近第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的最近第二消息的发送和接收时间，计算第一候选时间差和第一网络延迟，

其中第二计算单元根据从主机发送和使用从机接收的前一个第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的最近第二消息的发送和接收时间，计算第二候选时间差和第二网络延迟，以及

其中第三计算单元根据从主机发送和使用从机接收的最近第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的前一个第二消息的发送和接收时间，计算第三候选时间差和第三网络延迟。

4.按照权利要求3所述的时间控制装置，

其中该选择单元在第一网络延迟小于阈值时选择第一候选时间差作为时间差，在第一网络延迟等于或大于阈值而第二网络延迟小于第三网络延迟时选择第二候选时间差作为时间差，以及在第一网络延迟等于或大于阈值而第二网络延迟等于或大于第三网络延迟时选择第三候选时间差作为时间差。

5.一种配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的时间控制装置的时间控制方法，该时间控制方法包含：

根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；

根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及

使用所述时间控制装置根据所选时间差调整从机的时间信息。

6.一种使配备在从机中和使时间信息与连接在网络上的主机的时间信息同步的计算机起如下作用的程序：

多个计算单元，用于根据从主机发送和使用从机接收的第一消息的发送和接收时间、以及从从机发送和使用主机接收的第二消息的发送和接收时间，分别计算从机相对于主机的候选时间差、以及指示在网络上通信第一消息所需的时间和在网络上通信第二消息所需的时间的平均值的网络延迟；

选择单元，用于根据多个所计算网络延迟选择多个所计算候选时间差之一作为时间差；以及

调整单元，用于根据所选时间差调整从机的时间信息。

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