CN107070578A - 一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法 - Google Patents

一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，所述方法包括的步骤有：同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子；属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；属于本集群内的输出端SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；遍历完所述同步域集群中其他集群，保证同步域集群中各个集群之间的主从时钟达到同步。利用本发明方法提供时间准确度校准服务，并且建立多级的时间准确度校准机制，可扩展到多同步域网络，为大规模时间触发网络提供时钟校准服务。

Description

一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法
技术领域
本发明涉及一种应用于时间触发以太网中的时钟同步的方法，更特别地说，是指一种针对多同步域时间触发网络的主从时钟同步的方法。
背景技术
在《电光与控制》2014年12月第21卷第12期公开的“时间触发以太网时钟同步的仿真与性能验证”，作者王梦迪，何锋等。TTE(Time Trigged Ethernet)协议中设置了3种不同的同步角色(如图2A所示)，分别是同步主控器(Synchronization Master，SM)、同步客户端(Synchronization Client，SC)和压缩主控器(Compression Master，CM)。端系统一般配置为SM和SC，交换机一般配置为CM。同一个同步域内的相同同步优先级的同步设备(SM、SC和CM)组成一个集群(cluster)，同一个同步域的多个同步优先级的集群组成一个多集群时间触发网络。不同同步域的多集群网络组成整个的多同步域时间触发网络。时间触发交换式网络支持主动星形的网络拓扑结构。时间触发交换式网络SAE AS6802标准为单集群时间触发交换式网络的时钟同步规定了两步同步方法。第一步，SM在同步启动时刻向集群内的CM发送协议控制帧(protocol control frame，PCF)，请求同步；第二步，CM固化并压缩来自本集群内的SM发来的PCF，计算压缩校正因子得到基准时钟，然后发送压缩的PCF到SM和SC中，SM和SC根据基准时钟校正本地时钟，同时CM根据基准时钟调整本地时钟，从而完成集群内所有同步设备的时钟同步操作。协议控制帧(PCF帧)的格式(如图2B所示)参考了“航空标准化与质量”，2013年第5期《时间触发以太网标准研究》，作者兰杰，朱晓飞，陈亚，李峭。对于满足SAE AS6802标准定义了复杂的协议状态机，通过启动或重启动建立综合循环。在每个综合循环开始时TTE网络提供同步服务。综合循环内的同步操作如图2C所示。
在TTE网络运行中，执行内部时钟(也是本地时钟)同步的时间触发网络随着时间的推移将发生群组漂移现象，因此必须通过外部时钟源(如：原子钟)对集群内的时钟进行校准，以提高集群内基准时钟的时间准确度。
发明内容
为了使TTE网络的本地时钟与外部参考时间保持同步，本发明提出一种适用于多同步域时间触发网络的主从时钟同步方法。该方法能够为多同步域时间触发以太网提供时钟准确度校准服务，级数较低的集群中的同步设备根据级数较高的集群同步设备发送的协议控制帧校正本地时钟，提高集群基准时钟的时间准确度。
本发明是一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，该方法包括有通过高精度外部时钟向多个同步域集群集FCA发送PCF帧的过程和所述同步域集群集FCA依据接收到的PCF帧携带的信息进行任意一组同步域集群FCa内部的集群时间准确度校正及时钟同步因子修正的过程；其特征在于：
高精度外部时钟在时间校准周期T校准的T派发时刻发送PCF帧到所有同步域集群集FCA中；
同步域集群FCa中各个集群cl之间的主从时钟同步的处理包括有：
步骤一：同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；
步骤二：属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；
步骤三：属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子；
步骤四：属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；
步骤五：属于本集群内的输出端SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；
属于同步域集群FCa中的任意一集群cl中的输出端同步设备SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻PTSM为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；其中内部PCF帧中的综合循环数IC以同步设备SM收到的外部PCF帧中的综合循环数IC，内部PCF帧中同步优先级则配置为当前集群cl的同步优先级；
步骤六：遍历完所述同步域集群中其他集群，保证同步域集群中各个集群之间的主从时钟达到同步；
采用步骤一至步骤五对同步域集群FCa中的其他集群进行遍历，遍历完成属于同步域集群FCa的所有集群后，从而达到集群之间的主从时钟同步。
本发明适用于多同步域时间触发网络的主从时钟同步方法的优点在于：
(1)本发明方法充分考虑到时间触发以太网络的时钟同步特性，提供的主从时钟同步方法适用于以星形拓扑连接的时间触发以太网络，并且兼容时间触发以太网络现有的集群内部分布式同步机制。
(2)本发明方法考虑到时间触发以太网络的特征，提供构建时间触发网络同步拓扑的体系架构方法，可以扩展到多同步域时间触发网络以适应大规模的时间触发网络需求。
(3)本发明方法考虑到时间触发以太网时钟同步机制的特性，提出了主从时钟同步方法校准网络内同步设备的本地时钟，提高全网内的同步设备本地时钟的时间准确度。
(4)本发明方法提供的时钟校准机制，能够限制并减小集群网络因运行时间长所产生的群组漂移，为上层应用提供准确的时钟服务。
附图说明
图1是本发明同步域集群与集群级数的分布结构示意图。
图2A是传统TTE网络的结构框图。
图2B是PCF帧的格式。
图2C是TTE一个综合循环内的同步操作流程图。
图2D是属于同一集群的同步设备拓扑图。
图2E是属于同一集群的另一同步设备拓扑图。
图3是本发明提出的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步的流程图。
图4A是外部PCF帧在同步设备中的固化处理示意图。
图4B是本发明利用外部PCF帧在同步设备SM中进行的时间准确度校正示意图。
图4C是本发明利用外部PCF帧在同步设备CM中进行的时间准确度校正示意图。
图5是实施例1的拓扑结构图。
图6A是集群中SM1采用本发明方法的时间准确度仿真图。
图6B是集群中SM1采用未本发明方法的时间准确度仿真图。
图7A是集群中SM2采用本发明方法的时间准确度仿真图。
图7B是集群中SM2采用未本发明方法的时间准确度仿真图。
图8A是集群中SC1采用本发明方法的时间准确度仿真图。
图8B是集群中SC1采用未本发明方法的时间准确度仿真图。
图9A是集群中CM1采用本发明方法的时间准确度仿真图。
图9B是集群中CM1采用未本发明方法的时间准确度仿真图。
SM1.第一个同步主控制器 SM2.第二个同步主控制器 SM3.第三个同步主控制器
SM4.第四个同步主控制器 SM5.第五个同步主控制器 SM6.第六个同步主控制器
SM7.第七个同步主控制器
SC1.第一个同步客户端 SC2.第二个同步客户端 SC3.第三个同步客户端
CM1.第一个压缩主控器 CM2.第二个压缩主控器 CM3.第三个压缩主控器
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
集群级数采用集合形式记为Level＝{l0，l1，l2，…，lk-1，lk，lk+1，…，lc}，Level表示集群级数，l0表示最高级数，l1表示次高级数，也是位于l0之后的第一个级数，l2表示位于l0之后的第二个级数，lk表示位于l0之后的第k个级数，k表示级数的标识号，且k∈1,2,…,c，lk-1表示位于lk之前的级数，lk+1表示位于lk之后的级数，lc表示最低级数，也是位于l0之后的最后一个级数，c表示除l0以外的总级数，为了方便说明，lk也表示位于l0之后的任意一个级数。
在本发明中，设第0级为高精度的外部时钟源(如：原子钟)，其定时精度应远高于网络内部的本地时钟，也应高于或至少不低于任一集群中分布式算法得到的网络全局时钟，但由于外部时钟源价格昂贵(如：原子钟)或信号抗摧毁能力差(如：GPS)无法在网络范围内大规模部署。
在本发明中，时间触发以太网典型的级数配置不超过7级，则集群级数采用集合形式记为Level＝{l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6}，l0表示最高级数，l1表示位于l0之后的第一个级数(简称为l1级数)，l2表示位于l0之后的第二个级数(简称为l2级数)，l3表示位于l0之后的第三个级数(简称为l3级数)，l4表示位于l0之后的第四个级数(简称为l4级数)，l5表示位于l0之后的第五个级数(简称为l5级数)，l6表示最低级数。集群级数Level＝{l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6}中级数排列顺序为l0＞l1＞l2＞l3＞l4＞l5＞l6，例如l0＞l1的大于符号表示l0级数高于l1级数。
同步域集群的集合记为FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}，FCA表示同步域集群集，FC1表示第一组同步域集群，FC2表示第二组同步域集群，FCa表示最后一组同步域集群，角标a表示同步域集群的标识号，为了方便说明，FCa也表示任意一组同步域集群。在本发明中，同步域集群集也可以表示为
如图1所示，任意一组同步域集群FCa中包括有多个集群cl，采用集合形式记为 表示属于FCa中的第一个集群，表示属于FCa中的第二个集群，表示属于FCa中的第三个集群，表示属于FCa中的第四个集群，表示属于FCa中的第五个集群，表示属于FCa中的第六个集群，表示属于FCa中的第七个集群，表示属于FCa中的第八个集群，表示属于FCa中的第九个集群，表示属于FCa中的最后一个集群，角标b表示属于FCa中集群的标识号，为了方便说明，也表示属于FCa中的任意一个集群。
如图1所示，第一组同步域集群FC1中的多个集群cl，采用集合形式记为 表示属于FC1中的第一个集群，表示属于FC1中的第二个集群，表示属于FC1中的第三个集群，表示属于FC1中的最后一个集群，角标p表示属于FC1中集群的标识号，为了方便说明，也表示属于FC1中的任意一个集群。
如图1所示，第二组同步域集群FC2中的多个集群cl，采用集合形式记为 表示属于FC2中的第一个集群，表示属于FC2中的第二个集群，表示属于FC2中的最后一个集群，角标q表示属于FC2中集群的标识号，为了方便说明，也表示属于FC2中的任意一个集群。
在本发明中，同一条同步拓扑链路上，级数越高的集群cl配置越高的同步优先级PCF帧，所述PCF帧格式参考图2B所示。
在本发明中，同一条同步拓扑链路上，相邻两个集群级数高的集群向级数低的集群发送PCF帧，并进行主从时钟同步。
在时间触发交换式网络中，根据距离高精度外部时钟的跳数Hops远近来对同步域集群(如FCa)中的集群(如)进行集群级数Level＝{l0，l1，l2，…，lc}的划分。在本发明中，将高精度外部时钟作为单个集群，是整个时间触发交换式网络中所有时钟同步域中最高级数的集群，在级数上记为l0级。同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}共用同一高精度外部时钟。高精度外部时钟属于l0级集群同时配置为最高同步优先级的集群。在本发明中，集群级数Level＝{l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6}中级数排列顺序为l0＞l1＞l2＞l3＞l4＞l5＞l6，并且高级数集群向低级数集群在派发时刻派发内部PCF帧。
在时间触发交换式网络中，根据距离高精度外部时钟的跳数Hops来对同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}进行集群级数Level＝{l0，l1，l2，…，lc}的划分，如图1所示，则有：
属于l1级的集群记为属于l1级的集群记为属于l1级的集群记为
属于l2级的集群记为属于l2级的集群记为属于l2级的集群记为属于l2级的集群记为
属于l3级的集群记为属于l3级的集群记为属于l3级的集群记为属于l3级的集群记为
属于l4级的集群记为属于l4级的集群记为
属于l5级的集群记为
属于l6级的集群记为属于l6级的集群记为
在本发明中，时间校准周期T校准的定义可以参照SAE AS6802标准协议的集成周期(integration cycle，集成周期记为T内部)。每个时间校准周期T校准的开启时刻记为原子时钟派发PCF帧的时刻(即T派发)，在所述T派发时刻原子时钟发送最高优先级l0的PCF帧给距离高精度外部时钟跳数Hops最近的集群cl中，其中原子时钟与距离高精度外部时钟跳数Hops最近的集群cl之间为全双工多冗余连接，集群与集群之间也是全双工多冗余连接。由于集群cl属于同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}中任意一同步域集群(如FC1，FC2，…，FCa之一)的任意一集群(如之一)，因此，以距离高精度外部时钟跳数Hops最近的集群cl来接收最高优先级l0的PCF帧(即外部PCF帧)，并辅助内部PCF帧来完成多集群的主从时间同步。
在本发明中，集群时间准确度CTA是指在一个时间校准周期T校准里一个集群(如)内任意一同步设备(即SM、SC和CM)的本地时钟T本地与原子时钟的参考时间T参考之间的最大差值，即CTA＝|T本地-T参考|，如图4B、图4C所示。
在本发明中，预期时刻ETSYD是指为任意一集群(如)中同步设备设置的能够收到高于本集群同步优先级的外部PCF帧的预期固化时刻。所述预期时刻ETSYD中的下角标SYD表示同步设备的身份标识，即可以是SM、SC和/或CM。
在本发明中，预期调度时刻STSYD是指为任意一集群(如)中同步设备设置的能够收到本集群压缩后的内部PCF帧的预期固化时刻。所述预期调度时刻STSYD中的下角标SYD表示同步设备的身份标识。
在本发明中，利用SAE AS6802标准协议中的容错平均算法(fault-tolerant
average)进行选取的拾取值，记为FTA。
本发明提出了一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，该方法包括有通过高精度外部时钟向多个同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}发送PCF帧的过程和所述同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}依据接收到的PCF帧携带的信息进行任意一组同步域集群内部的集群时间准确度校正及时钟同步因子修正的过程，从而保证任意一组同步域集群中的主从时钟同步。所述集群时间准确度校正依据了接收到的外部PCF帧携带的信息，并使用外部PCF帧的固化时刻(Permanence Time，记为PT)来作为向下一级集群发送内部PCF帧的过程。所述时钟同步因子修正依据了内部PCF帧携带的信息，并使用压缩后内部PCF帧的固化时刻(Compression Permanence Time，记为CPT)获得时钟同步因子，且借助时间准确度校正因子来修正时钟同步因子，从而保证多集群之间的主从时钟同步，不影响集群内部的时钟同步过程。
在本发明中，外部PCF帧是指高于当前级数的集群cl发来的PCF帧。利用外部PCF帧的透明时钟T透明获得外部PCF帧的固化时刻PT。经CM转发后的外部PCF帧在SM和SC中的固化时刻记为PTSM、PTSC，在CM中外部PCF帧的固化时刻记为PTCM。根据所述PT与预期时刻ETSYD之间的差值记为时间准确度校正因子然后利用所述与综合循环数NIC来校正本地时钟的时间。中的下角标SYD表示同步设备的身份标识。
在本发明中，内部PCF帧是指集群cl依据SAE AS6802标准中SM向CM发送的PCF帧，且经CM压缩处理后返回至SM和SC的PCF帧，具体处理如图2C所示。内部PCF帧经CM压缩后的时刻记为CPT。经CM压缩后的内部PCF帧在SM和SC中的固化时刻分别记为CPTSM←CM和CPTSC←CM，在CM中内部PCF帧的压缩时刻记为CPTCM。
在本发明中，时间触发以太网的原子时钟向同步域集群FCA发送PCF帧；所述PCF帧中至少携带有透明时钟(Transparent clock)信息，通过该透明时钟能够计算集群内部的时间准确度校正值。
在本发明中，利用了协议控制帧(protocol control frame，PCF)中携带的透明时钟(记为T透明)、综合循环数(记为IC)、同步优先级(记为SP)。PCF帧中的透明时钟T透明存储了PCF帧从发送节点到当前节点操作所经历的时间，当PCF帧经过支持透明时钟T透明的TTE设备时，由硬件将从输入到输出的时间值记录并累加到该字段，这样，接收节点可以得到各段传输延迟的累加值。压缩主控器CM根据透明时钟T透明可以重建各个PCF帧的派发次序和计算相对时间。在本发明中，同步优先级SP是一个数值，用于标识外部PCF帧的源端集群的同步优先级。
在本发明中，任意一集群cl由满足TTE协议的同步设备(SM、CM和SC)构成。所述集群cl至少由图2D所示的第一同步主控器SM1、第二同步主控器SM2、第一同步客户端SC1和第一压缩主控器CM1构成。或者，所述集群cl由图2E所示的第三同步主控器SM3、第四同步主控器SM4、第五同步主控器SM5、第六同步主控器SM6、第七同步主控器SM7、第二同步客户端SC2、第三同步客户端SC3、第二压缩主控器CM2和第三压缩主控器CM3构成。在本发明设置的时间触发以太网中，任意一集群cl是通过输入端的同步主控器SM来接收PCF帧，并由输出端的同步主控器SM来发送PCF帧。
在本发明设置的时间触发以太网中，任意一集群cl是通过同步设备中的CM接收外部PCF帧，并由CM广播外部PCF到同一集群cl中的各个SM和SC，而输出端的同步主控器SM收到外部PCF帧后，立即派发内部PCF帧到下一级集群中。依据SAE AS6802标准，在任意一集群cl的同步周期开启时刻，同步设备内的SM发送内部PCF帧到CM，CM经固化压缩后，发送压缩后的内部PCF帧到同一集群cl中的各个SM和SC中。
参见图1、图2D、图2E所示，令第一组同步域集群中的集群由如图2E所示的同步设备构成，所述中的集群由如图2D所示的同步设备构成。令第二组同步域集群中的集群由如图2D所示的同步设备构成。令任意一组同步域集群中的集群和由如图2E所示的同步设备构成，所述中的集群由如图2D所示的同步设备构成。
在图2D所示中，第一压缩主控器CM1用于接收外部PCF帧，并广播外部PCF帧到SM1、SM2和SC1。第一同步主控器SM1用于接收CM1广播的外部PCF帧，第二同步主控器SM2用于接收CM1广播的外部PCF帧，并发送内部PCF帧到下一级集群中。
在图2E所示中，第二压缩主控器CM2用于接收外部PCF帧，并广播外部PCF帧到SM3、SM4、SM5、SM6、SM7、SC2和SC3。第三压缩主控器CM3用于接收外部PCF帧，并广播外部PCF帧到SM3、SM4、SM5、SM6、SM7、SC2和SC3。第四同步主控器SM4、第五同步主控器SM5和第七同步主控器SM7都用于接收CM2和CM3广播的外部PCF帧，第三同步主控器SM3和第六同步主控器SM6用于接收广播的外部PCF帧，并发送内部PCF帧到下一级集群中。
在本发明中，高精度外部时钟发送PCF帧到所有同步域集群集中。
如图1、图3所示，高精度外部时钟在时间校准周期T校准的T派发时刻发送PCF帧(即外部PCF帧)到所有同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}中。
也可以说，同步域集群集FCA＝{FC1，FC2，…，FCa}中的同步域集群(如FC1，FC2，…，FCa)内的跳数Hops距离高精度外部时钟最近的一集群(如 )来接收高精度外部时钟在时间校准周期T校准的开启时刻(即T派发)发送的PCF帧，距离高精度外部时钟最近的一集群(如)从接收到的外部PCF帧中获得固化时刻。
参见图3所示，同步域集群中各个集群之间的主从时钟同步的处理包括有下列步骤：
步骤一：同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；
步骤二：属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；
步骤三：属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子；
步骤四：属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；
步骤五：属于本集群内的输出端SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；
在本发明中，属于同步域集群FCa中的任意一集群cl中的输出端同步设备SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻PTSM为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中。其中内部PCF帧中的综合循环数IC以同步设备SM收到的外部PCF帧中的综合循环数IC，内部PCF帧中同步优先级则配置为当前集群cl的同步优先级。
步骤六：遍历完所述同步域集群中其他集群，保证同步域集群中各个集群之间的主从时钟达到同步；
在本发明中，采用步骤一至步骤五对同步域集群FCa中的其他集群进行遍历，遍历完成属于同步域集群FCa的所有集群后，从而达到集群之间的主从时钟同步。
本发明提出的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，对多个同步域集群中的集群可以同时进行主从时钟同步操作，能够为TTE网络提供准确的时间准确度校准服务，并且建立多级的时间准确度校准机制。
步骤一：同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；
集群级数Level＝{l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6}中级数排列顺序为l0＞l1＞l2＞l3＞l4＞l5＞l6，并且高级数集群向低级数集群在派发时刻派发内部PCF帧。
具体地说，距离高精度外部时钟跳数最近的集群用于接收外部PCF帧；参见图1、图2D、图2E、图3所示，集群距离高精度外部时钟的跳数(Hops＝1)最少，因此由来接收高精度外部时钟(最高级数l0)发送的PCF帧，即由来接收高于所述级数(l1级数)的集群(高精度外部时钟作为单个集群，为l0级)派发的外部PCF帧。
同理，距离高精度外部时钟跳数最近的集群用于接收外部PCF帧；参见图1、图2D、图2E、图3所示，集群距离高精度外部时钟的跳数(Hops＝1)最少，因此由来接收高精度外部时钟(最高级数l0)发送的PCF帧，即由来接收高于所述级数(l1级数)的集群(高精度外部时钟作为单个集群，为l0级)派发的外部PCF帧。
同理，距离高精度外部时钟跳数最近的集群用于接收外部PCF帧；参见图1、图2D、图2E、图3所示，集群距离高精度外部时钟的跳数(Hops＝1)最少，因此由来接收高精度外部时钟(最高级数l0)发送的PCF帧，即由来接收高于所述级数(l2级数)的集群(高精度外部时钟作为单个集群，为l0级)派发的外部PCF帧。
在同一同步域集群(如FCa)中的集群是高级数集群向低级数集群在派发时刻派发内部PCF帧的，如图1所示，向 和在派发时刻派发内部PCF帧。
步骤二：属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；
在本发明中，集群cl是由满足TTE协议的SM、CM和SC的同步设备构成；集群中输入端的SM将接收到的外部PCF帧传输给CM，CM对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTCM；所述固化时刻PTCM也作为CM向本集群cl内SM和SC派发外部PCF帧的派发时刻，如图4A所示。
例如，同步域集群FCa中的集群由如图2E所示的满足TTE协议的5个SM、2个CM和2个SC的同步设备构成；集群中输入端的SM4、SM5、SM7将接收到的外部PCF帧传输给CM2、CM3；
CM2对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM2处理的固化时刻所述也作为CM2向本集群内SM和SC派发外部PCF帧的派发时刻。
CM3对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM3处理的固化时刻所述也作为CM3向本集群内SM和SC派发外部PCF帧的派发时刻。
例如，同步域集群FC1中的集群由如图2D所示的满足TTE协议的1个SM、1个CM和1个SC的同步设备构成；集群中输入端的SM1将接收到的外部PCF帧传输给CM1；CM1对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAEAS6802标准中的容错平均算法获得CM1处理的固化时刻所述也作为CM1向本集群内SM和SC派发外部PCF帧的派发时刻。
步骤三：属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子；
在本发明中，集群cl中的SM将接收到CM转发的外部PCF帧，并对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTSM。集群cl中的SC也将接收到CM转发的外部PCF帧，并对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAEAS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTSC，如图4B、图4C所示。
集群cl中同步设备CM的固化时刻PTCM与预期时刻ETCM之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrCM，且time_corrCM＝PTCM-ETCM。
集群cl中同步设备SM的固化时刻PTSM与预期时刻ETSM之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrSM，且time_corrSM＝PTSM-ETSM。
集群cl中同步设备SC的固化时刻PTSC与预期时刻ETSC之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrSC，且time_corrSC＝PTSC-ETSC。
例如，针对集群中同步设备的时间准确度校正因子分别为：
集群中同步设备SM3对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SM3处理的固化时刻同步设备SM3的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SM4对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SM4处理的固化时刻同步设备SM4的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SM5对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SM5处理的固化时刻同步设备SM5的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SM6对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SM6处理的固化时刻同步设备SM6的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SM7对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SM7处理的固化时刻同步设备SM7的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SC2对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SC2处理的固化时刻同步设备SC2的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备SC3对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得SC3处理的固化时刻同步设备SC3的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为且
集群中同步设备CM2的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为属于集群的CM2的时间准确度校正因子且
集群中同步设备CM3的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时间准确度校正因子，记为属于集群的CM3的时间准确度校正因子且
步骤四：属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；
在本发明中，集群cl中的同步设备在下一个时钟同步周期开启时刻，按照SAEAS6802标准协议发送内部PCF到CM，进行集群内部的时钟同步操作；然后对本地时钟进行时间准确度校正操作，同时添加一个时间准确度校正窗(如图4B、图4C所示)，在时间准确度校正窗内，不允许进行其他类型流量的发送。
步骤401：进行集群内的同步设备的时间准确度校正操作；
在本发明中，集群cl的时间准确度校正操作是指将时间准确度校正因子time_corrSYD添加至本地时钟中，即LCSYD_后＝LCSYD_前+time_corrSYD，LCSYD_后表示集群cl中同步设备校正后的本地时钟，LCSYD_前表示集群cl中同步设备校正前的本地时钟。
在本发明中，属于集群cl的同步设备根据外部PCF帧的综合循环数IC校准本地时钟的同步循环数LICSYD，且LICSYD＝IC×q，q为时间校准周期T校准与集群的同步周期T内部之间的比值所述q取值一个正整数。
在本发明中，一个时间准确度窗宽是一个集群时间准确度CTA单位。
通过对同步设备的本地时钟进行时间准确度校正，使得同步设备的本地时钟的时间与高精度外部时钟的时间对齐。
步骤402：获取时钟同步因子；
依据SAE AS6802标准协议，集群cl的中SM和SC将接收到CM发来的压缩后的内部PCF帧，并对压缩后的内部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，分别获得压缩后的内部PCF帧的固化时刻CPTSM←CM和CPTSC←CM。同时CM自身也将根据压缩后的内部PCF帧获得压缩后的内部PCF帧的固化时刻(如图4B、图4C所示)，即SAE AS6802标准中所述的压缩时刻点CPTCM。
集群cl的同步设备利用压缩后的内部PCF帧的固化时刻CPTSYD与预期时刻STSYD之间的差值获得时钟同步因子，记为集群cl的时钟同步因子clock_corrSYD，且clock_corrSYD＝CPTSYD-STSYD，下角标SYD表示同步设备的身份标识，即可以是SM、SC和/或CM。如果此时SM或SC收到来自CM的内部PCF帧不在预期的接收窗内，仍然对该内部PCF帧进行处理获得时钟校正因子。
步骤403：修正时钟同步因子；
由于集群cl的同步设备已经对本地时钟的时间准确度进行了校正，因此此时同步设备得到的时钟同步因子需要修正，即在原来的基础上减去时间准确度值。即clock_corrSYD_后＝clock_corrSYD_前-time_corrSYD，clock_corrSYD_后表示集群内同步设备校正后的时钟同步因子，clock_corrSYD_前表示集群内同步设备校正前的时钟同步因子。
步骤404：筛选修正后的时钟同步因子；
集群cl的同步设备获得修正后的时钟校正同步因子，然后判断修正后的时钟因子的绝对值是否小于集群的同步精度。即|clock_corrSYD_后|≤γ，γ是集群依据SAE AS6802标准定义的时钟同步精度。
将满足条件|clock_corrSYD_后|≤γ的修正后的时钟同步因子保留，并依据SAEAS6802标准中的容错平均算法进行选取，得到最终的clock_corrSYD_FTA_后,下角标SYD表示同步设备的身份标识，即可以是SM、SC和/或CM，上角标FTA表示同步设备依据SAE AS6802标准中的容错平均算法(fault-tolerant average)进行选取的拾取值，最后使用clock_corrSYD_FTA_后对本地时钟进行校正，即LLCSYD_后＝LLCSYD_前+clock_corrSYD_FTA_后，LLCSYD_后表示集群cl中同步设备修正后的本地时钟，LLCSYD_前表示集群cl中同步设备修正前的本地时钟。
例如，针对集群中同步设备SM3的时间准确度校正操作描述如下：
步骤401：进行集群内的同步设备的时间准确度校正操作；
集群中同步设备SM3的时间准确度校正操作为属于集群的同步设备SM3根据外部PCF帧的综合循环数NIC校准本地时钟的同步循环数且
步骤402：获取时钟同步因子；
属于集群的同步设备SM3利用CM2发来的压缩后的内部PCF帧的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时钟校正因子，记为属于集群的CM2对SM3的时钟同步因子且
属于集群的同步设备SM3利用CM3发来的压缩后的内部PCF帧的固化时刻与预期时刻之间的差值获得时钟校正因子，记为属于集群的CM3对SM3的时钟同步因子且
步骤403：修正时钟同步因子；
同步设备SM3对获得的所述进行时钟同步修正，得到修正后的属于集群的CM2对SM3的时钟同步因子 表示修正前的属于集群的CM2对SM3的时钟同步因子。
同步设备SM3对获得的所述进行时钟同步修正，得到修正后的属于集群的CM3对SM3的时钟同步因子 表示修正前的属于集群的CM3对SM3的时钟同步因子。
步骤404：筛选修正后的时钟同步因子；
判断同步设备SM3修正后的时钟同步因子和的绝对值是否小于集群的同步精度。即和若和满足上述条件，则依据SAE AS6802标准中的容错平均算法进行选取，得到最终的且
最后使用对本地时钟进行校正，即 表示集群中同步设备SM3修正后的本地时钟，表示集群中同步设备SM3修正前的本地时钟。
属于集群中的SM4、SM5、SM6、SM7、SC2和SC3同步设备采用SM3相同的处理方式进行在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子。
例如，针对集群中同步设备CM2的时间准确度校正操作描述如下：
步骤401：进行集群内的同步设备的时间准确度校正操作；
集群中同步设备CM2的时间准确度校正操作为属于集群的同步设备CM2根据外部PCF帧的综合循环数IC校准本地时钟的同步循环数且
步骤402：获取时钟同步因子；
属于集群的同步设备CM2利用压缩后的内部PCF帧的固化时刻与预期时刻T调度之间的差值获得时钟校正因子，记为属于集群的CM2的时钟同步因子且
步骤403：修正时钟同步因子；
同步设备CM2对获得的时钟同步因子进行修正，得到修正后的属于集群的CM2的时钟同步因子
其中表示集群中的同步设备CM2修正后的时钟同步因子，表示集群中的同步设备CM2修正前的时钟同步因子。
步骤404：筛选修正后的时钟同步因子；
使用对本地时钟进行校正，即 表示集群中同步设备CM2修正后的本地时钟，表示集群中同步设备CM2修正前的本地时钟。
属于集群中的CM3同步设备采用CM2相同的处理方式进行在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子。
实施例1
在OMNET++4.3仿真软件对本发明所述的方法进行仿真实验，其同步拓扑结构如图5所示。TTE系统由高精度外部时钟和同步域集群集FC1，其中同步域集群集群采用图2E所示的拓扑结构，集群 和采用图2D的拓扑结构。
针对图5所示同步拓扑结构的仿真设置的参数如下表所示：
参见图6A、图6B、图7A、图7B、图8A、图8B、图9A和图9B所示，通过两幅图进行对比说明应用本发明方法与未采用本发明方法的同步域集群中各个同步设备的本地时钟时间与高精度时钟同步时间。由于中各个集群的仿真图近似，因此仅给出了针对集群的由上述仿真图。通过对比仿真图可知，采用本发明的方法之后，集群的时间准确度有了很大的提高。假设在集群中，将集群内的同步精度设为(属于集群依据SAE AS6802标准定义的时钟同步精度)，集群内的同步周期设为集群的最大传输延迟设备集群内任意同步设备的本地时钟的漂移率满足ρ表示本地时钟的漂移率，表示属于集群内同步设备的最大漂移率，则属于的同步设备的时间准确度的校准误差为
假设在集群中，将集群内的同步精度设为(属于集群依据SAEAS6802标准定义的时钟同步精度)，集群内的同步周期设为集群的最大传输延迟设备集群内任意同步设备的本地时钟的漂移率满足ρ表示本地时钟的漂移率，表示属于集群内同步设备的最大漂移率，则属于的同步设备的时间准确度的校准误差为
属于集群的时间准确度的累计校准误差为属于集群的时间准确度为
属于集群的时间准确度的累计校准误差为属于集群的时间准确度为说明全双工多冗余连接的两个集群，低级数集群的时间准确度的累计校准误差是高级数集群的时间准确度的校准误差的累计之和。
依据集群与集群的说明，能够同理得到，在同步域集群中的集群的时间准确度的累计校准误差为属于集群的时间准确度为说明全双工多冗余连接的两个集群，低级数集群的时间准确度的累计校准误差是高级数集群的时间准确度的校准误差的累计之和。
本发明是一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，所要解决的是如何保持TTE网络的本地时钟与外部参考时间的同步的技术问题，该方法能够为多同步域时间触发以太网提供时钟准确度校准服务，低级数集群中的同步设备根据高级数集群同步设备发送的协议控制帧校正本地时钟，提高集群基准时钟的时间准确度。通过在TTE网络中执行本发明方法，获得多级集群的主从时间得到同步的技术效果。

Claims (10)

1.一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，该方法包括有通过高精度外部时钟向多个同步域集群集FCA发送PCF帧的过程和所述同步域集群集FCA依据接收到的PCF帧携带的信息进行任意一组同步域集群FCa内部的集群时间准确度校正及时钟同步因子修正的过程；其特征在于：
高精度外部时钟在时间校准周期T校准的T派发时刻发送PCF帧到所有同步域集群集FCA中；
同步域集群FCa中各个集群cl之间的主从时钟同步的处理包括有：
步骤一：同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；
步骤二：属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；
步骤三：属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子；
步骤四：属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；
步骤五：属于本集群内的输出端SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；
属于同步域集群FCa中的任意一集群cl中的输出端同步设备SM以接收到的外部PCF帧的固化时刻PTSM为派发时刻，派发内部PCF帧到属于同一同步域集群的下一级集群中；其中内部PCF帧中的综合循环数IC以同步设备SM收到的外部PCF帧中的综合循环数IC，内部PCF帧中同步优先级则配置为当前集群cl的同步优先级；
步骤六：遍历完所述同步域集群中其他集群，保证同步域集群中各个集群之间的主从时钟达到同步；
采用步骤一至步骤五对同步域集群FCa中的其他集群进行遍历，遍历完成属于同步域集群FCa的所有集群后，从而达到集群之间的主从时钟同步。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：在步骤一中，同步域集群中距离高精度外部时钟跳数最近的集群接收外部PCF帧；集群级数Level＝{l0，l1，l2，…，lk-1，lk，lk+1，…，lc}中级数排列顺序为从大至小排序，并且高级数集群向低级数集群在派发时刻派发内部PCF帧；l0表示最高级数，l1表示次高级数，l2表示位于l0之后的第二个级数，lk表示位于l0之后的第k个级数，k表示级数的标识号，且k∈1,2,…,c，lk-1表示位于lk之前的级数，lk+1表示位于lk之后的级数，lc表示最低级数，c表示除l0以外的总级数。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：对于时间触发以太网配置有7级集群级数，即集群级数Level＝{l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6}，其中级数排列顺序为l0＞l1＞l2＞l3＞l4＞l5＞l6，并且高级数集群向低级数集群在派发时刻派发内部PCF帧。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：在步骤二中，属于本集群内的CM广播外部PCF帧到本集群内的各个同步设备；集群cl是由满足TTE协议的SM、CM和SC的同步设备构成；集群中输入端的SM将接收到的外部PCF帧传输给CM，CM对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAEAS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTCM；所述固化时刻PTCM也作为CM向本集群cl内SM和SC派发外部PCF帧的派发时刻。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：在步骤三中，属于本集群内的同步设备接收外部PCF帧，并计算时间准确度因子。
集群cl中的SM将接收到CM转发的外部PCF帧，并对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTSM；集群cl中的SC也将接收到CM转发的外部PCF帧，并对外部PCF帧中携带的透明时钟依据SAE AS6802标准中的固化方法进行处理，然后依据SAE AS6802标准中的容错平均算法获得CM处理的固化时刻PTSC；
集群cl中同步设备CM的固化时刻PTCM与预期时刻ETCM之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrCM，且time_corrCM＝PTCM-ETCM；
集群cl中同步设备SM的固化时刻PTSM与预期时刻ETSM之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrSM，且time_corrSM＝PTSM-ETSM；
集群cl中同步设备SC的固化时刻PTSC与预期时刻ETSC之间的差值获得时间准确度校正因子，记为time_corrSC，且time_corrSC＝PTSC-ETSC。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：在步骤四中，属于本集群的同步设备在下一个时钟同步周期开启时，进行时间准确度校正；同时在该同步周期的时钟校正时刻点修正时钟同步因子；具体步骤有：
步骤401：进行集群内的同步设备的时间准确度校正操作；
集群cl的时间准确度校正操作是指将时间准确度校正因子time_corrSYD添加至本地时钟中，即LCSYD_后＝LCSYD_前+time_corrSYD，LCSYD_后表示集群cl中同步设备校正后的本地时钟，LCSYD_前表示集群cl中同步设备校正前的本地时钟；
属于集群cl的同步设备根据外部PCF帧的综合循环数IC校准本地时钟的同步循环数LICSYD，且LICSYD＝IC×q，q为时间校准周期T校准与集群的同步周期T内部之间的比值所述q取值一个正整数；
一个时间准确度窗宽是一个集群时间准确度CTA单位；
步骤402：获取时钟同步因子；
集群cl的同步设备利用压缩后的内部PCF帧的固化时刻CPTSYD与预期时刻STSYD之间的差值获得时钟同步因子，记为集群cl的时钟同步因子clock_corrSYD，且clock_corrSYD＝CPTSYD-STSYD，下角标SYD表示同步设备的身份标识，即可以是SM、SC和/或CM；如果此时SM或SC收到来自CM的内部PCF帧不在预期的接收窗内，仍然对该内部PCF帧进行处理获得时钟校正因子；
步骤403：修正时钟同步因子；
由于集群cl的同步设备已经对本地时钟的时间准确度进行了校正，因此此时同步设备得到的时钟同步因子需要修正，即在原来的基础上减去时间准确度值；即clock_corrSYD_后＝clock_corrSYD_前-time_corrSYD，clock_corrSYD_后表示集群内同步设备校正后的时钟同步因子，clock_corrSYD_前表示集群内同步设备校正前的时钟同步因子；
步骤404：筛选修正后的时钟同步因子；
集群cl的同步设备获得修正后的时钟校正同步因子，然后判断修正后的时钟因子的绝对值是否小于集群的同步精度；即|clock_corrSYD_后|≤γ，γ是集群依据SAEAS6802标准定义的时钟同步精度；
将满足条件|clock_corrSYD_后|≤γ的修正后的时钟同步因子保留，并依据SAEAS6802标准中的容错平均算法进行选取，得到最终的clock_corrSYD_FTA_后,下角标SYD表示同步设备的身份标识，即可以是SM、SC和/或CM，上角标FTA表示同步设备依据SAE AS6802标准中的容错平均算法(fault-tolerant average)进行选取的拾取值，最后使用clock_corrSYD_FTA_后对本地时钟进行校正，即LLCSYD_后＝LLCSYD_前+clock_corrSYD_FTA_后，LLCSYD_后表示集群cl中同步设备修正后的本地时钟，LLCSYD_前表示集群cl中同步设备修正前的本地时钟。
7.根据权利要求6所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：集群cl中的同步设备在下一个时钟同步周期开启时刻，按照SAE AS6802标准协议发送内部PCF到CM，进行集群内部的时钟同步操作；然后对本地时钟进行时间准确度校正操作，同时添加一个时间准确度校正窗，在时间准确度校正窗内，不允许进行其他类型流量的发送。
8.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：通过对同步设备的本地时钟进行时间准确度校正，使得同步设备的本地时钟的时间与高精度外部时钟的时间对齐。
9.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：能够对多个同步域集群中的集群同时进行主从时钟同步操作。
10.根据权利要求1所述的一种适用于多同步域时间触发以太网的主从时钟同步方法，其特征在于：全双工多冗余连接的两个集群，低级数集群的时间准确度的累计校准误差是高级数集群的时间准确度的校准误差的累计之和。
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