CN106603183A - 一种时间戳过滤方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种时间戳过滤方法及装置，用以解决目前基于1588协议的时间戳异常或时间戳精度差而导致时间异常跳变，影响1588时间计算的准确性的问题。其中，时间戳过滤方法包括：定时读取时间戳以及与时间戳对应的修正域；根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，将该补偿值用于时间修正；对读取到的时间戳进行第一滤波处理；将经过第一滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常；如果时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果时间戳正常，则使用时间戳进行时间修正，该方案可以提高了1588时间同步精度。

Description

一种时间戳过滤方法及装置

技术领域

本发明涉及通讯领域，特别是涉及一种时间戳过滤方法及装置。

背景技术

1588v2时钟是一种采用IEEE1588V2协议的高精度时钟，其在行业对高精度授时迫切需求的大背景下孕育而生，以传统的物理时钟方式实现相位对齐，通过1588报文交互实现时间校对。

传统的地面时间同步链路是采用NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)传送方式实现，目前已发展到v4版本，SNTP为NTP的简化版，标准为RFC 2030(SNTPv4)。该协议最大的缺点是只能满足ms级别的时间传递精度，这对于高精度时间同步所需ns级来说，时间的精度是远远不够的。

而采用单向信道的GPS时间同步系统，虽然同步信号的获得稳定可靠、精度高、但其价格高(设备、安装、维护成本)、施工难度大(基站放在地下室)、失效率也高，同时存在政治和安全风险。

与传统授时技术相比，IEEE1588v2有着明显的优势，其采用双向信道、精度为ns级、费用低、能适应不同的接入环境等等。在对精度不断要求提高的行业背景下，1588已成为一种发展的必然趋势。但在某些特殊的情况下，由于存在噪声、时钟抖动、网络延时或其它原因造成逻辑器件提供的1588时间戳异常或时间戳精度差，从而造成时间异常跳变，影响了1588时间计算的准确性。

发明内容

本发明提供一种时间戳过滤方法及装置，用以解决目前基于1588协议的时间戳异常或时间戳精度差而导致时间异常跳变，影响1588时间计算的准确性的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种时间戳过滤方法，包括：定时读取时间同步报文的时间戳以及与时间戳对应的修正域；根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，将该补偿值用于时间修正；对读取到的时间戳进行滤波处理；将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常；如果时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果时间戳正常，则使用时间戳进行时间修正。

其中，根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，并该补偿值用于时间修正，包括：在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内补偿值的累加和未超过预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，确定对定时读取的时间戳进行滤波处理。

其中，根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常，包括：对时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到时间窗内的频率的向量信息；根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏；使用最小二乘法对读取到的时间戳估算出残差，根据残差确定时间戳是否存在跳变；当时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定时间戳异常。

其中，频率的向量信息包括向量的斜率，根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏，包括：在向量的斜率为非零常量时，确定时间戳存在固定频偏。

其中，定时读取时间戳以及与时间戳对应的修正域，包括：从时间同步报文的时间戳生成器中读取时间戳以及时间戳对应的修正域；将补偿值用于时间修正，包括：将补偿值写入时间戳生成器，以使时间戳生成器使用补偿值进行时间修正。

其中，滤波处理包括：中位值平均滤波处理。

根据本发明的第二个方面，提供了一种时间戳过滤装置，包括：读取模块，用于定时读取时间戳以及与时间戳对应的修正域；计算模块，用于根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，修正模块，用于将该补偿值用于时间修正；滤波模块，用于对读取到的时间戳进行滤波处理；估算模块，用于将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；确定模块，用于根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常；过滤模块，用于如果时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果时间戳正常，则使用时间戳进行时间修正。

其中，上述计算模块具体用于：在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内补偿值的累加和未超过预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，确定对定时读取的时间戳进行滤波处理。

其中，确定模块，包括：第一估算单元，用于对时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到时间窗内的频率的向量信息；第一确定单元，用于根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏；第二估算单元，用于使用最小二乘法对读取到的时间戳估算出残差，根据残差确定时间戳是否存在跳变；第二确定单元，用于当时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定时间戳异常。

其中，频率的向量信息包括向量的斜率，确定单元具体用于：在向量的斜率为非零常量时，确定时间戳存在固定频偏。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的方案，针对噪声、抖动、网络延时或其它原因造成逻辑器件提供的1588时间戳存在波动的情况，可对其进行有效的滤除，避免网元时间同步出现波动，同时提高了1588时间同步精度。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的时间戳过滤方法的流程图；

图2是发明实施例2提供的时间戳过滤系统的结构示意图；

图3是本发明实施例2中关于1588时间戳的生成及报文交互示意图；

图4是本发明实施例2提供的时间戳过滤方法的流程图；

图5本发明实施例2中滤波前的时间戳数据分布示意图；

图6本发明实施例2中滤波后的时间戳数据分布示意图；

图7是本发明实施例3提供的时间过滤装置的结构框图。

具体实施方式

为了解决现有技术基于1588协议的时间戳异常或时间戳精度差而导致时间异常跳变，影响1588时间计算的准确性的问题，本发明提供了一种一种时间戳过滤方法及装置，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例1

本实施例旨在提出一种基于1588精确时间协议的异常时间戳过滤方法，1588时间戳是一系列离散的点，通过对时间戳的处理，可以估算出时钟频偏的变化情况以及时间戳的波动情况。本实施例中，对于时钟频偏很小，时间戳波动较小的时间戳进行去抖滤波处理；对于时钟存在频偏或时间戳波动较大的一系列时间戳进行滤除，去除异常时间戳对1588时间计算带来的影响，基于此，可以提高时间同步的精度，通过精确时间协议(PTP)实现通讯设备之间的时间同步。

图1是本发明实施例1提供的时间戳过滤方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：定时读取时间同步报文的时间戳以及与时间戳对应的修正域；

在本实施例中可以使用逻辑器件来产生时间同步报文的时间戳，本实施例中称该逻辑器件为时间戳生成器，基于此，定时读取时间戳以及与时间戳对应的修正域可以包括：从时间同步报文的时间戳生成器中读取时间戳以及时间戳对应的修正域。

步骤102：根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，将该补偿值用于时间修正；

其中，根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，并该补偿值用于时间修正，具体可以包括如下处理：

在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内补偿值的累加和未超过预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，则执行步骤103，确定对定时读取的时间戳进行滤波处理。

步骤103：对读取到的时间戳进行滤波处理；优选的，在本实施例中，该滤波处理为中位值平均滤波处理。

步骤104：将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；

步骤105：根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常；

其中，根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常，包括：

对时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到时间窗内的频率的向量信息；根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏；使用最小二乘法对读取到的时间戳估算出残差，根据残差确定时间戳是否存在跳变；当时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定时间戳异常。其中，频率的向量信息包括向量的斜率，根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏具体可以包括：在向量的斜率为非零常量的情况下，确定时间戳存在固定频偏。

步骤106：如果时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果时间戳正常，则使用正常的时间戳进行时间修正。

在本实施例中进行时间修正具体可以包括：将补偿值写入时间戳生成器，以使时间戳生成器使用补偿值进行时间修正。

实施例2

本实施例在上述实施例1的基础上公开更多的技术细节，对本发明提供的时间戳过滤方法进行进一步阐述。

图2是发明实施例2提供的时间戳过滤系统的结构示意图，如图2所示，该系统主要涉及以太网交换处理单元、CPU处理单元及FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)处理单元(即上述实施例1中所述的时间戳生成器)等几个处理单元，其中CPU处理单元主要负责报文组包、各报文控制使能、1588滤波以及时间计算等功能，FPGA处理单元主要负责给各个报文打时间戳，供CPU进行计算，以太网交换处理单元则负责报文的交换转发等。

本实施例所涉及的时间同步功能的实现主要包含频率同步以及时间同步两个方面的内容：

对于频率同步，采用物理层同步实现，通过SSM(时钟标记)算法建立时钟的跟踪关系，从时钟利用锁定后的系统时钟实现时间计数，进而实现系统时间的相位跟踪。

对于时间同步，首先利用BMC(最佳主时钟算法)算法决策出1588各网元的主从状态，利用1588协议在主网元和从网元之间互发1588报文。同时软件注册并维护1秒定时器，定时读取FPGA的状态，获取时间同步报文的时间戳，例如如图3中所示的，t1、t2、t3、t4时间戳以及各事件戳对应的修正域(correction)数据，对时间戳和修正域进行滤波计算补偿(Offset)，并将该补偿写入FPGA完成时间修正。

图4是本发明实施例2提供的时间戳过滤方法的流程图，如图4所示，本实施例提供的时间戳过滤方法具体可以包括以下步骤：

步骤一，网元上电，配置1588时间同步，并根据BMC算法决策出网元的主从状态；各网元根据自身决策出的主从状态以及配置信息发送相应的报文；

其中，具体配置参数如下：延迟测量方式：一步法；PTP协议包格式：1588OverETH；sync(Synchronous Packet,同步报文)消息发送频率，sync为master->slave方向发送的报文：每秒发送16个包；delay_req(Delay RequestPacket，延时请求报文)消息发送频率，delay_req为slave->master方向的报文：每秒发送16个包；CPU保存该PTP端口的配置数据及状态，用于定时器轮询该PTP端口的时间戳。构造需要发送的sync报文和delay_req报文格式，由CPU预先写FPGA寄存器。CPU根据收发的announce报文决策端口主从状态，并根据端口状态使能相应的报文，实现1588报文的正常交互。

步骤二，CPU处理单元实现一个1S定时器，若本网元是主网元，不进行任何处理；若本网元是从网元，则从FPGA中读取时间戳t1、t2、t3、t4和相应时间戳的修正域correction。

步骤三，软件根据提取到的时间戳和相应的修正域计算offset，并将offset写入FPGA进行时间修正。在该过程中，对offset进行统计，如果在规定的时间内，offset的累加和越限，则认为1588时间没有锁定，不进行滤波处理，继续执行上述步骤三；如果在规定的时间内offset的累加和没有越限，则设置1588锁相环为锁定状态，同时启用滤波算法提高同步精度，转至步骤四，例如，如果30秒的时间内，offset的累加和超过300纳秒，则认为1588时间失锁，不进行滤波处理，继续执行步骤三；如果30秒内offset的累加和小于300纳秒，则设置1588锁相环为锁定状态，同时启用滤波算法提高同步精度，转至步骤四。

其中，Delay＝[T2－T1－T2T1Correction+T4－T3－T4T3Correction]/2；

Offset＝[T2－T1－T2T1Correction－T4+T3+T4T3Correction]/2。

步骤四，对1秒定时器读取到的时间戳首先进行一次滤波处理，初步去除抖动。假设1秒钟可读取到N个时间戳(N可取1、2、4～128)，根据第i个时间戳数据计算得到的时延分别为x(i)和y(i)，则x(i)＝delay+offset＝t2(i)–t1(i)–t2t1correction(i)，y(i)＝delay-offset＝t4(i)–t3(i)–t4t3correction(i)，再分别对两组数据进行中位值平均滤波得到平均时延。

步骤五，对于滤波后的数据，取固定长度估算时间窗(集齐初始时间窗数据就开始计算)，利用最小二乘法进行小窗口线性回归抖动矢量估算。最小二乘估算出斜率为freq，代表短时间窗里频率向量信息。由于时间窗比较短，如果是在锁定固定流量，估算结果是符合正态分布的，均值近似为0，当存在固定频偏时，均值为非0常量。当时延发生变化时，最小二乘估算出的斜率会出现同一方向的较大异常值，持续到跳变发生区间。同时使用最小二乘法对时间戳估算出残差，用来代表时间戳的波动情况。对于时间戳存在固定频偏的情况或者存在异常跳变的情况，认为此时的时间戳存在异常，系统将其丢弃不参与时间修正，同时清空时间窗中的数据重新收集，此时的时间采用系统时钟保持计数；否则则认为收集到正常的时间戳，并取拟合曲线上的点进行时间计算，例如，对于滤波后的数据，取16秒为估算时间窗(集齐3秒的数据就开始计算)，对时间窗中的数据利用最小二乘法进行线性回归估算，其中，滤波前和滤波后的数据分别见附图5和附图6。

步骤六，如果1588时间戳持续异常(例如，连续3次)，则认为1588锁相环失锁，继续执行上述步骤三。如果1588时间戳正常，则用滤波后的时间戳进行offset计算，并将计算出的offset写入FPGA进行时间校正，同时更新步骤四中的时间窗数据。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，具有如下优势：

针对噪声、抖动、网络延时或其它原因造成逻辑器件提供的1588时间戳存在波动的情况，可对其进行有效的滤除，避免网元时间同步出现波动。对于现有缺陷造成时间戳突然出现较大跳变的情况，通过矢量估算可及时发现并滤除，避免异常跳变带来的时间非正常调整。对于采用本发明的时间同步方法，可有效提高1588时间同步精度。

实施例3

本实施例提供了一种时间戳过滤装置，图7是本发明实施例3提供的时间过滤装置的结构框图，如图7所示，该装置70包括如下组成部分：

读取模块71，用于定时读取时间戳以及与时间戳对应的修正域；

计算模块72，用于根据读取到的时间戳和修正域计算补偿值，修正模块，用于将该补偿值用于时间修正；

滤波模块73，用于对读取到的时间戳进行滤波处理；

估算模块74，用于将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；

确定模块75，用于根据线性回归抖动矢量估算的结果确定时间戳是否异常；

过滤模块76，用于如果时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果时间戳正常，则使用时间戳进行时间修正。

其中，上述计算模块74具体用于：在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内补偿值的累加和未超过预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，确定对定时读取的时间戳进行滤波处理。

其中，上述确定模块75具体可以包括：第一估算单元，用于对时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到时间窗内的频率的向量信息；第一确定单元，用于根据频率的向量信息确定时间戳是否具有固定频偏；第二估算单元，用于使用最小二乘法对读取到的时间戳估算出残差，根据残差确定时间戳是否存在跳变；第二确定单元，用于当时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定时间戳异常。

其中，频率的向量信息包括向量的斜率，确定单元具体用于：在存在向量的斜率在同一方向大于预设的异常值的情况下，确定时间戳存在固定频偏。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种时间戳过滤方法，其特征在于，包括：

定时读取时间同步报文的时间戳以及与所述时间戳对应的修正域；

根据读取到的时间戳和所述修正域计算补偿值，将该补偿值用于时间修正；

对读取到的时间戳进行滤波处理；

将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；

根据线性回归抖动矢量估算的结果确定所述时间戳是否异常；

如果所述时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果所述时间戳正常，则使用正常的时间戳进行时间修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据读取到的时间戳和所述修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正，包括：

在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内所述补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内所述补偿值的累加和未超过所述预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，确定对定时读取的所述时间戳进行滤波处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述线性回归抖动矢量估算的结果确定所述时间戳是否异常，包括：

对所述时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到所述时间窗内的频率的向量信息；

根据所述频率的向量信息确定所述时间戳是否具有固定频偏；

使用最小二乘法根据读取到的时间戳估算出残差，根据所述残差确定所述时间戳是否存在跳变；

当所述时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定所述时间戳异常。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述频率的向量信息包括所述频率向量的斜率，根据所述频率的向量信息确定所述时间戳是否具有固定频偏，包括：

在所述频率向量的斜率为非零常量时，确定所述时间戳存在固定频偏。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定时读取时间同步报文的时间戳以及与所述时间戳对应的修正域，包括：

从时间同步报文的时间戳生成器中读取所述时间戳以及所述时间戳对应的修正域；

将所述补偿值用于时间修正，包括：

将所述补偿值写入所述时间戳生成器，以使所述时间戳生成器使用所述补偿值进行时间修正。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波处理包括：

中位值平均滤波处理。

7.一种时间戳过滤装置，其特征在于，包括：

读取模块，用于定时读取时间同步报文的时间戳以及与所述时间戳对应的修正域；

计算模块，用于根据读取到的时间戳和所述修正域计算补偿值，修正模块，用于将该补偿值用于时间修正；

滤波模块，用于对读取到的时间戳进行滤波处理；

估算模块，用于将经过滤波处理后的数据划分为多个时间窗，对各时间窗中的数据进行线性回归抖动矢量估算；

确定模块，用于根据线性回归抖动矢量估算的结果确定所述时间戳是否异常；

过滤模块，用于如果所述时间戳异常，则过滤异常的时间戳，如果所述时间戳正常，则使用正常的时间戳进行时间修正。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算模块具体用于：

在预设时间段内对计算出的补偿值进行统计，如果在预设时间段内所述补偿值的累加和超过预设阈值，则继续根据读取到的时间戳和相应的修正域计算补偿值，并将该补偿值用于时间修正；如果在预设时间段内所述补偿值的累加和未超过所述预设阈值，则设置锁相环为锁定状态，确定对定时读取的所述时间戳进行滤波处理。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块，包括：

第一估算单元，用于对所述时间窗内的数据利用最小二乘法进行线性回归抖动矢量估算，得到所述时间窗内的频率的向量信息；

第一确定单元，用于根据所述频率的向量信息确定所述时间戳是否具有固定频偏；

第二估算单元，用于使用最小二乘法根据读取到的时间戳估算出残差，根据所述残差确定所述时间戳是否存在跳变；

第二确定单元，用于当所述时间戳存在固定频偏和/或异常跳变的情况下，确定所述时间戳异常。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述频率的向量信息包括所述频率向量的斜率，所述确定单元具体用于：

在所述频率向量的斜率为非零常量时，确定所述时间戳存在固定频偏。