CN105634641B - 基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统及方法；包括：主设备和串联的从节点设备，主设备与第一个从节点设备连接，每个的从节点设备均与第三方设备连接；主设备对与主设备连接的第一个从节点设备进行时钟同步；每个从节点设备由上一个的从节点设备通过协议报文进行实行授时；每一个的从节点设备对与之相连的第三方设备进行时钟同步；每一个从节点设备均支持网络交换功能，从节点设备与从节点设备彼此之间手拉手形成级联交换网络。本发明利用协议报文同时结合高速硬件电路的方式，通过设备间和设备内的时钟同步，实现设备间时间差的补偿，同时使得系统内部各个设备的时钟一致。从而实现了系统内部各个设备的高精度的时钟同步。

Description

基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统及方法

技术领域

本发明涉及一种网络通信领域，尤其涉及一种基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统及方法。

背景技术

随着经济、技术的高速发展，网络已成为人们日常生活中必不可少的一部分。随着网络的日趋繁杂，不准确的时钟会对网络结构和程序运行带来较大影响，对时钟同步的要求越来越高。尤其在电信、电力等行业中，时钟同步的重要性不言而喻。

目前常见的时钟同步技术主要有GPS同步、北斗卫星同步、NTP、IEEE1588V2。

其中GPS同步，天线必须室外安装，不适合布设与地下空间等环境；有安全隐患，GPS卫星导航系统隶属美国，一旦信号关闭，将会导致授时系统瘫痪。

北斗卫星同步方式，天线必须室外安装，不适合布设与地下空间等环境，精度比GPS系统低。

网络时间协议NTP时钟精度为ms级，不能满足电力系统要求。

IEEE1588V2(PTP精确时钟同步协议)，要求全网设备支持，必须全网部署，属于新技术，要求硬件支持，协议较复杂，部署成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统及方法，此方法可以利用协议报文同时结合高速硬件电路的方式，通过设备间和设备内的时钟同步，实现设备间时间差的补偿，同时使得系统内部各个设备的时钟一致。从而实现了系统内部各个设备的高精度的时钟同步，最高授时精度可达到次纳秒级，小于1纳秒。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于交换架构可级联网络通信的精确校时系统，包括：主设备和串联的从节点设备，

所述主设备与第一个从节点设备连接，每个的从节点设备均与第三方设备连接；所述主设备对与主设备连接的第一个从节点设备进行时钟同步；每个从节点设备由上一个的从节点设备通过协议报文进行实行授时；每一个的从节点设备对与之相连的第三方设备进行时钟同步；每一个从节点设备均支持网络交换功能，从节点设备与从节点设备彼此之间手拉手形成级联交换网络。

所述主设备包括主设备的MCU单元、时钟源和第一以太网接口单元；主设备的MCU单元为主控单元，主设备的MCU单元分别与时钟源和第一以太网接口单元连接。

时钟源采用GPS时钟或者原子钟。

第一以太网接口单元实现主设备与第一个从节点设备的连接和通信。

所述从节点设备，包括从节点设备的MCU单元、第二以太网接口单元、第三以太网接口单元、本地时钟单元、时钟发生器和上行以太网单元；时钟发生器的输出分别与第二以太网接口单元和第三以太网接口单元连接，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元均与从节点设备的MCU单元连接，本地时钟单元和上行以太网单元作为时钟发生器的输入与时钟发生器相连；从节点设备的MCU单元与上行以太网接口单元连接。

从节点设备的MCU单元实现网络交换和数据处理，上行以太网接口单元、第二以太网接口单元和第三以太网接口单元用于实现同步报文协议解析、数据接收及发送。

上行以太网接口单元用于实现本从节点设备与上一个从节点设备或者主设备的通信。

第二以太网接口单元用于实现本从节点设备与下一个从节点设备的通信。

第三以太网接口单元用于实现本从节点设备与第三方设备的通信。

上行以太网接口单元与上行设备连接，进行数据双向通信，并接收来自上行设备的同步报文信息，解码后送给从节点设备的MCU单元，由从节点设备的MCU单元控制第二以太网接口单元和第三以太网接口单元与上行以太网接口单元进行绝对时间同步；同时上行以太网单元将上行设备的以太网时钟，送给时钟发生器，由时钟发生器分成两路同步时钟信号分别送给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，进行相位同步。至此，绝对时间与时间相位实现同步。

所述主设备与从节点设备之间通过以太网电缆连接。

基于交换架构可级联网络通信的精确校时方法，采用设备间的时钟同步和设备内的时钟同步两个步骤来实现；

其中，设备间的时钟同步方法为：

所述设备间时钟同步，指的是主设备与从节点设备之间的时钟同步、从节点设备与从节点设备之间的时钟同步：

方法11：从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，上行以太网接口单元确定从节点设备自身的PTP时钟；

同时从节点设备通过上行以太网接口单元接收到主设备的PTP时钟信号，从节点设备测量其自身的PTP时钟与主设备发送的PTP时钟信号之间的时间差异；

校准从节点设备自身的PTP时钟信号与主设备时钟一致，达到时钟同步。

所述从节点设备与从节点设备之间的时间同步的步骤和主设备与从节点设备之间的时钟同步的步骤是一样的。

其中，设备间的时钟同步方法可以替换为：

方法12：从节点设备通过上行以太网接口单元从主设备接收到数据，从接收到的数据中恢复出，来自主设备的时钟信号，并以来自主设备的时钟信号作为本地时钟单元的输入时钟信号；

然后本地时钟单元基于主设备的时钟信号，确定出从节点设备自身的PTP时钟，从而实现了从节点设备与主设备的时钟同步。

其中，设备内的时钟同步方法为：

所述设备内部的时钟同步，是指从节点设备内部的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元三者之间的时钟同步：

方法21：从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，从节点设备的时钟发生器的输出信号，分别提供给从节点设备的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，此时上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元的时钟完全一致；

上行以太网接口单元计算出自身的PTP时钟，然后与来自时钟发生器的信号相比较，得出差异信息，将差异信息传递给从节点设备的MCU单元，从节点设备的MCU单元再将差异信息传递给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，实现第二以太网接口单元和第三以太网接口单元的PTP时钟校准，从而实现从节点设备上行以太网接口单元、第二以太网接口单元和第三以太网接口单元三者之间的时钟同步。

所述差异信息包括时间差、传输延时、频率比率。

其中，设备内的时钟同步方法可以替换为：

方法22：从节点设备通过上行以太网接口从主设备接收到数据，从接收到的数据中恢复出来自主设备的时钟信号，作为上行以太网接口单元的PTP时钟，上行以太网接口单元将PTP时钟信号输出，作为时钟发生器的输入时钟信号；

从节点设备的时钟发生器的输出时钟信号，分别提供给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，此时从节点设备上的三个以太网单元的时钟都锁定到其主设备的时钟，从而实现设备内部时钟同步。

各从节点设备与主设备的同步精度与他们之间跨接的节点数有关，

假设某一从节点设备与主设备间跨接的从节点设备数为N,

选用的时钟发生器的误差为T1,

则，当从节点设备的上行以太网接口单元选择方法12时，从节点设备与主设备的时钟差最小为X：

X＝100ps*(N-1)+T1*(N-1)；(1)

当从节点设备的上行以太网接口单元选择方法11时，从节点设备与主设备的时钟差最小为Y：

Y＝8ns*(N-1)+T1*(N-1)；(2)。

系统链路包括主设备和节点设备，而主设备和从节点设备是由相对位置决定的，每一级设备的上级设备称为本设备的主设备，每一级设备的下级设备称为本设备的从节点设备。

本发明的有益效果：

1、本系统由各从节点设备通过手拉手级联组成，网络拓扑简单，各节点间仅通过一根以太网电缆连接，易于布设。

2、各设备仅对其子节点及第三方设备进行时钟同步，上下行链路完全对称，可以根实现高精度的时钟同步。

3、各从节点设备均具备网络交换功能，无需其他设备，简单可靠，成本低。

4、本系统具有远距离时钟同步精度高的特点

5、针对隧道、管沟等环境进行设计，特别适用于这种链型的应用环境。

附图说明

图1为本发明主设备硬件框图；

图2为本发明从节点设备硬件框图；

图3为本发明的一种实施连接图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，主设备包括主设备的MCU单元，高精度的时钟源和第一以太网接口单元。MCU单元为主控单元，分别与高精度的时钟源和第一以太网接口单元连接。高精度的时钟源采用GPS时钟或者原子钟产生。第一以太网接口单元实现主设备与从节点设备的连接和通信。

如图2所示，从节点设备，至少包括从节点设备的MCU单元，从节点设备的MCU单元与上行以太网接口单元连接。还包括第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，本地时钟电源，时钟发生器。

从节点设备的MCU单元实现网络交换功能、数据处理，第二以太网接口单元、第三以太网接口单元和上行以太网接口单元实现同步报文协议解析、数据接收及发送。

上行以太网单元实现本从节点设备与上级从节点设备或者主设备的连接和通信。

第二以太网接口单元实现本从节点设备与下级从节点设备的连接和通信。

第三以太网接口单元实现本从节点设备与第三方设备的连接和通信。

上行以太网接口单元与上行设备连接，进行数据双向通信，并接收来自上行设备的同步报文信息，解码后送给从节点设备MCU单元，由从节点设备MCU单元控制第二以太网接口单元、第三以太网接口单元与上行以太网接口单元进行绝对时间同步；同时上行以太网单元将上行设备的以太网时钟，送给时钟发生器，由时钟发生器分成多路同步时钟信号分别送给其他两个以太网接口单元，进行相位同步。至此，绝对时间与时间相位实现同步。

如图3所示，主设备包含一个以太网接口，用于与第一个从节点设备的连接；从节点设备采用三个以太网接口，一个接口与上级设备连接，一个接口与下级设备连接，还有一个用于与第三方设备连接，实现时间同步和通信时间的交换。

为了实现一个系统内部各个设备之间的时钟同步，一种基于交换架构可级联网络通信的精确校时方法，采用了设备间的时钟同步和设备内的时钟同步两步骤来实现，具体如下：

1、设备间时钟同步

所述设备间时钟同步，指的是主设备与从节点设备之间的时钟同步，从节点设备与从节点设备之间的时钟同步，其同步的实现有两种方法：

方法1：从节点设备上行以太网接口单元工作在普通模式，其模式的设置由从节点设备的MCU单元控制，此时，从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，上行以太网接口单元按照自身的算法，确定从节点设备PTP时钟。同时从节点设备通过上行以太网接口单元接收到主设备的PTP时钟信号，从节点设备测量其自身的PTP时钟与主设备发送的PTP时钟信号之间的时间差异，校准自身的PTP时钟信号与主设备时钟一致，达到同步的效果。本方法可以实现最高一个PTP时钟周期，即8ns的同步精度。

方法2：从节点设备的上行以太网接口单元工作在同步以太网模式，从节点设备通过上行以太网接口从主设备接收到数据，从中恢复出来自主设备的时钟信号，并以此信号作为本地时钟单元的输入时钟信号，然后本地时钟单元按照自身的算法，基于主设备的时钟信号，确定出从节点设备的PTP时钟，基于这种同步以太网的工作模式，从节点设备与主设备的时钟实现了高度一致，精度也大大提高，最高可达到100ps。

2、设备内时钟同步

所述设备内部的时钟同步，是指从节点设备内部的3个以太网单元之间的同步，其同步的实现有以下两种方法：

方法1：从节点设备上行以太网接口单元工作在普通模式，其模式的设置由从节点设备的MCU单元控制，此时，从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，其输出信号，分别提供给从节点设备的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，此时三路以太网接口单元的时钟几乎完全一致。上行以太网接口单元根据自身的算法，计算出PTP时钟，然后与来自时钟发生器的信号相比较，得出差异信息，将差异信息传递给MCU单元，MCU单元再将其差异信息传递给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，实现此两个单元的PTP时钟校准，从而实现了从节点设备三个以太网接口单元之间的时钟同步。

方法2：从节点设备的上行以太网接口单元工作在同步以太网模式，从节点设备通过上行以太网接口从主设备接收到数据，从中恢复出来自主设备的时钟信号，并以此信号作为本地时钟单元的输入时钟信号，从节点设备的时钟发生器的输出信号，分别提供给从节点设备的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，从节点设备的三路以太网接口单元根据算法，计算出自身的PTP时钟，由此算出的PTP时钟解除完全一致。

为了校准，上行以太网单元接收到时钟发生器提供的时钟信号以后，根据自身的算法，计算出PTP时钟，然后与来自时钟发生器的信号相比较，得出差异信息，将差异信息传递给MCU单元，MCU单元再将其差异信息传递给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，实现此两个单元的PTP时钟校准，从而实现了从节点设备三个以太网接口单元之间的时钟同步。

通过以上的方法，可以实现级联网络通信设备之间的精确校时，但是各从节点设备与主设备的同步精度与他们之间跨接的节点数有关，

假设某一节点与主设备间跨接的从节点设备数为N

选用的时钟发生器的误差为T1

则，当选择同步以太网模式时，从节点设备与主设备的时钟差最小为(设备间与设备内同步误差之和)

100ps*(N-1)+T1*(N-1)

当选择普通模式时，从节点设备与主设备的时钟差最小为(设备间与设备内同步误差之和)

8ns*(N-1)+T1*(N-1)

举例：时钟发生器采用Ti公司的LMK03000芯片(误差400fs)，每个设备间隔100m，共50级从节点设备，则主设备与最后一级从节点设备相距5KM，两种模式下的两者的时钟误差分别为

同步以太网模式：100ps*49+400fs*49≈4.919ns

普通模式：8ns*49+400fs*49≈392.019ns

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.基于交换架构可级联网络通信的精确校时方法，其特征是，采用设备间的时钟同步和设备内的时钟同步两个步骤来实现；

设备间的时钟同步方法为：

所述设备间时钟同步，指的是主设备与从节点设备之间的时钟同步、从节点设备与从节点设备之间的时钟同步：

方法11：从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，上行以太网接口单元确定从节点设备自身的PTP时钟；

同时从节点设备通过上行以太网接口单元接收到主设备的PTP时钟信号，从节点设备测量其自身的PTP时钟与主设备发送的PTP时钟信号之间的时间差异；

校准从节点设备自身的PTP时钟信号与主设备时钟一致，达到时钟同步；

所述从节点设备与从节点设备之间的时间同步的步骤和主设备与从节点设备之间的时钟同步的步骤是一样的；

设备间的时钟同步方法可以替换为：

方法12：从节点设备通过上行以太网接口单元从主设备接收到数据，从接收到的数据中恢复出，来自主设备的时钟信号，并以来自主设备的时钟信号作为本地时钟单元的输入时钟信号；

然后本地时钟单元基于主设备的时钟信号，确定出从节点设备自身的PTP时钟，从而实现了从节点设备与主设备的时钟同步；

设备内的时钟同步方法为：

所述设备内部的时钟同步，是指从节点设备内部的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元三者之间的时钟同步：

方法21：从节点设备的时钟发生器以本地时钟单元作为输入时钟信号，从节点设备的时钟发生器的输出信号，分别提供给从节点设备的上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，此时上行以太网接口单元，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元的时钟完全一致；

上行以太网接口单元计算出自身的PTP时钟，然后与来自时钟发生器的信号相比较，得出差异信息，将差异信息传递给从节点设备的MCU单元，从节点设备的MCU单元再将差异信息传递给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，实现第二以太网接口单元和第三以太网接口单元的PTP时钟校准，从而实现从节点设备上行以太网接口单元、第二以太网接口单元和第三以太网接口单元三者之间的时钟同步；

设备内的时钟同步方法为：

方法22：从节点设备通过上行以太网接口从主设备接收到数据，从接收到的数据中恢复出来自主设备的时钟信号，作为上行以太网接口单元的PTP时钟，上行以太网接口单元将PTP时钟信号输出，作为时钟发生器的输入时钟信号；

从节点设备的时钟发生器的输出时钟信号，分别提供给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，此时从节点设备上的三个以太网单元的时钟都锁定到主设备的时钟，从而实现设备内部时钟同步；

所述方法所采用的系统，包括：主设备和串联的从节点设备，所述主设备与第一个从节点设备连接，每个的从节点设备均与第三方设备连接；所述主设备对与主设备连接的第一个从节点设备进行时钟同步；每个从节点设备由上一个的从节点设备通过协议报文进行实行授时；每一个的从节点设备对与之相连的第三方设备进行时钟同步；每一个从节点设备均支持网络交换功能，从节点设备与从节点设备彼此之间手拉手形成级联交换网络；

所述主设备包括主设备的MCU单元、时钟源和第一以太网接口单元；主设备的MCU单元为主控单元，主设备的MCU单元分别与时钟源和第一以太网接口单元连接；

所述从节点设备，包括从节点设备的MCU单元、第二以太网接口单元、第三以太网接口单元、本地时钟单元、时钟发生器和上行以太网单元；时钟发生器的输出分别与第二以太网接口单元和第三以太网接口单元连接，第二以太网接口单元和第三以太网接口单元均与从节点设备的MCU单元连接，本地时钟单元和上行以太网单元作为时钟发生器的输入与时钟发生器相连；从节点设备的MCU单元与上行以太网接口单元连接；

从节点设备的MCU单元实现网络交换和数据处理，上行以太网接口单元、第二以太网接口单元和第三以太网接口单元用于实现同步报文协议解析、数据接收及发送；

上行以太网接口单元用于实现本从节点设备与上一个从节点设备或者主设备的通信；

第二以太网接口单元用于实现本从节点设备与下一个从节点设备的通信；

第三以太网接口单元用于实现本从节点设备与第三方设备的通信；

上行以太网接口单元与上行设备连接，进行数据双向通信，并接收来自上行设备的同步报文信息，解码后送给从节点设备的MCU单元，由从节点设备的MCU单元控制第二以太网接口单元和第三以太网接口单元与上行以太网接口单元进行绝对时间同步；同时上行以太网单元将上行设备的以太网时钟，送给时钟发生器，由时钟发生器分成两路同步时钟信号分别送给第二以太网接口单元和第三以太网接口单元，进行相位同步；至此，绝对时间与时间相位实现同步。