CN107947848B - 基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法 - Google Patents

基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法，可实现网控板卡与基带调制解调板卡分离，既实现同步目的，亦实现拉远网控中心方便运营，基于将网控板卡与基带调制解调板卡分离后的网络结构，提出卫星通信地面同步仿真系统，包括模拟信关站、模拟基带和模拟终端，模拟信关站与模拟基带之间通过IEEE 1588v2协议计算主时钟和从时钟之间的传输延迟和时间偏差；模拟终端通过DVB‑RCS2卫星回传链路协议，在模拟信关站规划的时隙回发信令和业务数据，保证模拟终端和模拟信关站的同步，实现整个仿真系统的同步。

Description

基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法
技术领域
本发明涉及一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法，属于通信应用技术领域。
背景技术
目前，宽带多媒体卫星通信系统多采用MF-TDMA主流体制，整个系统对时间同步有较高的要求。IEEE 1588v2时间同步协议是目前业界成熟的时间传递标准，它是网络测量和控制系统的精密时间同步协议标准，采用PTP(Precision Time Protocol，精确时间同步)协议，精度可以达到亚微秒级，其同步精确度允许小于1ns。此标准的目的是为了精确地把系统中分散、独立运行的时钟同步起来，IEEE 1588v2协议为地面承载网传送时间同步信息提供了依据，同步定时信号通过以太网/光纤的有线方式传送。
在一个PTP系统中，普通时钟或边界时钟通过两个时钟通信链路上交换PTP时间报文实现同步。
报文交换流程依下列各项所示：
(a)主时钟在时间点t1发送Sync报文给从时钟。
(b)从时钟在时间点t2接收Sync报文。
(c)主时钟传递给从时钟时间戳t1：
(c1)时间戳t1嵌入Sync报文中。这需要硬件高精确度和准确度的处理。
(c2)时间戳t1嵌入Follow_Up报文中。
(d)从时钟在时间点t3发送Delay_Req报文给主时钟。
(e)主时钟在时间点t4接收Delay_Req报文。
(f)主时钟嵌入Delay_Resp报文传递给从时钟时间戳t4。
偏移量和延迟时间的计算：假定主从传播时间t-ms和从主传播时间t-sm相等。
模型为：
t2＝t1+delay+offset，t4＝t3+delay-offset
经上式可计算得到：
Figure BDA0001470183110000021
Figure BDA0001470183110000022
在算法校正过程中，对从时钟的校正是通过校正offset实现的，Delay通常影响Offset的值，因此要通过测量这个延迟值来修正Offset。得到offset和delay就可以知道两个时钟系统的偏差，通过补偿达到系统同步。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种克服现有技术不足，能够达到降低网控和基带之间的强耦合性，实现物理分离的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统。
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，基于网控板卡与基带调制解调板卡分离，并通过同步以太网，实现网控板卡与基带调制解调板卡之间链路相连的网络架构，提出卫星通信地面同步仿真系统，包括模拟信关站、模拟基带和模拟终端，其中，
模拟信关站包括信关站基带解调板以及与模拟基带交互的同步时钟模块；
模拟信关站与模拟基带之间通过IEEE 1588v2协议进行通信，由模拟信关站基于同步时钟模块，针对其与模拟基带之间，计算主时钟和从时钟之间的传输延迟与时间偏差；
模拟信关站根据传输延迟与时间偏差，向模拟终端发送信关站基带解调板接收终端站所发送数据包的规划时隙；
模拟终端根据来自模拟信关站的规划时隙，向信关站基带解调板回传信令和业务数据，保证模拟信关站与模拟终端的同步，实现仿真系统的同步。
作为本发明的一种优选技术方案：所述模拟信关站还包括资源分配模块，用于发送消息的时间同步验证。
作为本发明的一种优选技术方案：所述模拟终端根据来自所述模拟信关站的规划时隙，基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，向信关站基带解调板回传信令和业务数据。
另外，本发明还提供一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，在降低网控和基带之间强耦合性、实现物理分离的同时，保证模拟信关站与模拟终端的同步，实现仿真系统的同步。
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，包括信关站侧同步计时方法，步骤如下所示：
步骤A1，所述模拟信关站作为主时钟，所述模拟基带作为从时钟，通过IEEE1588v2协议的Sync消息、FollowUp消息、DelayReq消息、DelayResp消息交互，计算出delay链路延迟和offset偏移，并将此两参数发送至所述模拟终端；
步骤A2，模拟信关站按照DVB-RCS2卫星回传链路协议，向模拟终端发送预设N个超帧，并在第N个超帧的第一个BBFrame帧中保存第N-2个超帧的发送时间，其中，N>2；
步骤A3，模拟信关站发送终端突发计划时间TBTP2信令给模拟终端，规划控制突发CB时隙；
步骤A4，模拟终端根据时隙要求发送CR请求；
步骤A5，模拟信关站收到CR请求后进行CB解析，且发送TBTP2信令，规划业务数据时隙；
步骤A6，模拟信关站记录接收到RLE数据的时间，并且和期望时间做差值，并将此差值在本超帧中的第一个BBFrame帧中发送给模拟终端；
步骤A7，模拟信关站执行步骤步骤A3至步骤A7。
作为本发明的一种优选技术方案，还包括终端站侧同步计时方法，步骤如下所示：
步骤B1，1.28s定时器触发，根据业务量生成CB信令，并将数据存储；
步骤B2，解析FCT、BCT、SCT、TBTP2，获取模拟信关站为CB信令分配的时隙信息，并存储；
步骤B3，根据当前TBTP2中携带的第N-2个TBTP2发送时间和模拟终端收到N-2个超帧数据的时间差计算网口延迟和两台PC机系统时间偏差，并存储；
步骤B4，根据CB时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算CB发送时间，发送数据；
步骤B5，模拟信关站收到CB信令后进行业务时隙规划，并计算CB信令预期到达时间与实际到达时间差delPCR，封装在TBTP2中下发；
步骤B6，解析FCT、BCT、SCT、TBTP2，获取模拟信关站为业务数据分配的时隙信息；
步骤B7，根据业务时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算业务数据发送时间，发送数据。
本发明的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法，与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法克服了现有技术的不足，从根本上解决了网控板卡与基带调制解调板卡强相关限制问题，在网控子系统配置时钟同步模块，硬件控制实现整个网络的时间同步，通过网控子系统下发携带有时间戳的信令消息，实现信关站内网控与基带系统的同步；然后基带模块在发送数据时将数据包的发送时刻携带在数据中下发给终端，终端根据网控发来的时间参数将终端的时钟频率调整至信关站时钟频率，并依据信关站规划的数据到达时刻计算数据包的发送时刻，保证终端站回传数据到达信关站的时刻同信关站规划的数据到达时刻同步；该仿真结果表明，基于IEEE 1588v2协议和DVB-RCS2卫星回传链路协议，终端系统，信关站系统，基带系统可以达到ms级的时间同步。方法实现简单，为以后整个硬软件系统同步提供了依据和基础。
附图说明
图1是本发明中的网控板卡与基带调制解调板卡分离的网络架构示意图；
图2是本发明中的信关站侧同步计时方法的数据流程图；
图3是本发明中的终端站侧同步计时方法的数据流程图。
具体实施方式
以下，结合说明书附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
IEEE 1588v2时间同步协议是目前业界成熟的时间传递标准，它是网络测量和控制系统的精密时间同步协议标准，采用PTP(Precision Time Protocol，精确时间同步)协议，精度可以达到亚微秒级，其同步精确度允许小于1ns。此标准的目的是为了精确地把系统中分散、独立运行的时钟同步起来，IEEE 1588v2协议为地面承载网传送时间同步信息提供了依据，同步定时信号是通过以太网/光纤的有线方式传送。
在一个PTP系统中，普通时钟或边界时钟通过两个时钟通信链路上交换PTP时间报文实现同步。
报文交换流程依下列各项所示：
(a)主时钟在时间点t1发送Sync报文给从时钟。
(b)从时钟在时间点t2接收Sync报文。
(c)主时钟传递给从时钟时间戳t1：
(c1)时间戳t1嵌入Sync报文中。这需要硬件高精确度和准确度的处理。
(c2)时间戳t1嵌入Follow_Up报文中。
(d)从时钟在时间点t3发送Delay_Req报文给主时钟。
(e)主时钟在时间点t4接收Delay_Req报文。
(f)主时钟嵌入Delay_Resp报文传递给从时钟时间戳t4。
偏移量和延迟时间的计算：假定主从传播时间t-ms和从主传播时间t-sm相等。模型为：t2＝t1+delay+offset，t4＝t3+delay-offset
经上式可计算得到：
Figure BDA0001470183110000061
在算法校正过程中，对从时钟的校正是通过校正offset实现的，delay通常影响offset的值，因此要通过测量这个延迟值来修正offset。得到offset和delay就可以知道两个时钟系统的偏差，通过补偿达到系统同步。
基于上述，本发明设计了一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，如图1所示，基于网控板卡与基带调制解调板卡分离，并通过同步以太网，实现网控板卡与基带调制解调板卡之间链路相连的网络架构，提出卫星通信地面同步仿真系统，实际应用中，具体包括模拟信关站、模拟基带和模拟终端(VSAT)。
其中，模拟信关站中包括信关站基带解调板、资源分配模块，以及与模拟基带交互的同步时钟模块；其中，同步时钟模块：通过增加携带有时间戳标签的信令消息，将系统中分散、独立运行的时钟同步起来，时间戳用于计算驻留时间和基于本地时钟产生时间戳的链路延迟。从时钟利用这些累积的驻留时间和链路延迟调整到主时钟的时间。主时钟周期性地组播包含时间戳的信息，需进行同步的从时钟向主时钟发送消息，然后从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的发送时刻信息，计算出与主时钟的时间偏差和链路延迟。
资源分配模块：主要用于发送消息的时间同步验证，基于时钟同步，为了确保资源的管理和使用，模拟信关周期的广播TBTP信令，对登录到系统的终端进行网络资源分配，以提供尽可能多的用户接入，且保证接入用户的链路质量是信道分配技术的目的，用于验证系统同步。
模拟基带：本发明设计仿真方法中，只模拟了IEEE 1588v2协议中Sync，Follow-Up，Delay_Req，Delay_Resp与模拟信关站交互的四条信令，计算主从时钟偏差和时延，模拟基带的调制解调功能不在仿真目的中，未模拟。
模拟信关站与模拟基带之间通过IEEE 1588v2协议进行通信，由模拟信关站基于同步时钟模块，针对其与模拟基带之间，计算主时钟和从时钟之间的传输延迟与时间偏差；模拟信关站根据传输延迟与时间偏差，向模拟终端(VSAT)发送信关站基带解调板接收终端站所发送数据包的规划时隙。
模拟终端(VSAT)，模拟终端(VSAT)在与模拟信关站的通信过程中，模拟信关站需要模拟终端(VSAT)在规定的时间内回传数据，确保系统资源的管理和使用。模拟终端(VSAT)根据来自模拟信关站的规划时隙，基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，向信关站基带解调板回传信令和业务数据，保证模拟信关站与模拟终端(VSAT)的同步，实现仿真系统的同步。
基于上述所设计基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，本发明进一步设计了该卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，在降低网控和基带之间强耦合性，实现物理分离的同时，保证模拟信关站与模拟终端(VSAT)的同步，实现仿真系统的同步。
具体来讲，本发明设计了一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，包括信关站侧同步计时方法，如图2所示步骤如下：
步骤A1.所述模拟信关站作为主时钟，所述模拟基带作为从时钟，通过IEEE1588v2协议的Sync消息、FollowUp消息、DelayReq消息、DelayResp消息交互，计算出delay链路延迟和offset偏移，并将此两参数发送至所述模拟终端(VSAT)。
步骤A2.模拟信关站按照DVB-RCS2卫星回传链路协议，向模拟终端(VSAT)发送预设N个超帧，并在第N个超帧的第一个BBFrame帧中保存第N-2个超帧的发送时间，其中，N>2。
步骤A3.模拟信关站发送终端突发计划时间TBTP2信令给模拟终端(VSAT)，规划控制突发CB时隙。
步骤A4.模拟终端(VSAT)根据时隙要求发送CR请求。
步骤A5.模拟信关站收到CR请求后进行CB解析，且发送TBTP2信令，规划业务数据时隙。
步骤A6.模拟信关站记录接收到RLE数据的时间，并且和期望时间做差值，并将此差值在本超帧中的第一个BBFrame帧中发送给模拟终端(VSAT)。
步骤A7.模拟信关站执行步骤步骤A3至步骤A7。
上述基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法中，还包括终端站侧同步计时方法，如图3所示步骤如下：
步骤B1.1.28s定时器触发，根据业务量生成CB信令，并将数据存储。
步骤B2.解析FCT、BCT、SCT、TBTP2，获取模拟信关站为CB信令分配的时隙信息，并存储。
步骤B3.根据当前TBTP2中携带的第N-2个TBTP2发送时间和模拟终端(VSAT)收到N-2个超帧数据的时间差计算网口延迟和两台PC机系统时间偏差，并存储。
步骤B4.根据CB时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算CB发送时间，发送数据。
步骤B5.模拟信关站收到CB信令后进行业务时隙规划，并计算CB信令预期到达时间与实际到达时间差delPCR，封装在TBTP2中下发。
步骤B6.解析FCT、BCT、SCT、TBTP2，获取模拟信关站为业务数据分配的时隙信息。
步骤B7.根据业务时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算业务数据发送时间，发送数据。
上述技术方案所设计基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统及应用方法，克服了现有技术的不足，从根本上解决了网控板卡与基带调制解调板卡强相关限制问题，在网控子系统配置时钟同步模块，硬件控制实现整个网络的时间同步，通过网控子系统下发携带有时间戳的信令消息，实现信关站内网控与基带系统的同步；然后基带模块在发送数据时将数据包的发送时刻携带在数据中下发给终端，终端根据网控发来的时间参数将终端的时钟频率调整至信关站时钟频率，并依据信关站规划的数据到达时刻计算数据包的发送时刻，保证终端站回传数据到达信关站的时刻同信关站规划的数据到达时刻同步；该仿真结果表明，基于IEEE 1588v2协议和DVB-RCS2卫星回传链路协议，终端系统，信关站系统，基带系统可以达到ms级的时间同步。方法实现简单，为以后整个硬软件系统同步提供了依据和基础。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

Claims (5)

1.一种基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，其特征在于，基于网控板卡与基带调制解调板卡分离，并通过同步以太网，实现网控板卡与基带调制解调板卡之间链路相连的网络架构，提出卫星通信地面同步仿真系统，包括模拟信关站、模拟基带和模拟终端，其中，
模拟信关站包括信关站基带解调板以及与模拟基带交互的同步时钟模块；
模拟信关站与模拟基带之间通过IEEE 1588v2协议进行通信，由模拟信关站基于同步时钟模块，针对其与模拟基带之间，计算主时钟和从时钟之间的传输延迟与时间偏差；
模拟信关站根据传输延迟与时间偏差，向模拟终端发送信关站基带解调板接收模拟终端所发送数据包的规划时隙；
模拟终端根据来自模拟信关站的规划时隙，向信关站基带解调板回传信令和业务数据，保证模拟信关站与模拟终端的同步，实现仿真系统的同步。
2.根据权利要求1所述的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，其特征在于，所述模拟信关站还包括资源分配模块，用于发送消息的时间同步验证。
3.根据权利要求1所述的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统，其特征在于，所述模拟终端根据来自所述模拟信关站的规划时隙，基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，向信关站基带解调板回传信令和业务数据。
4.一种基于权利要求1～3中任一项所述的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，其特征在于，包括模拟信关站侧同步计时方法，步骤如下：
步骤A1，所述模拟信关站作为主时钟，所述模拟基带作为从时钟，通过IEEE 1588v2协议的Sync消息、FollowUp消息、DelayReq消息、DelayResp消息交互，计算出delay链路延迟和offset偏移，并将此两参数发送至所述模拟终端；
步骤A2，模拟信关站按照DVB-RCS2卫星回传链路协议，向模拟终端发送预设N个超帧，并在第N个超帧的第一个BBFrame帧中保存第N-2个超帧的发送时间，其中，N>2；
步骤A3，模拟信关站发送终端突发计划时间TBTP2信令给模拟终端，规划控制突发CB时隙；
步骤A4，模拟终端根据时隙要求发送信道资源CR请求；
步骤A5，模拟信关站收到CR请求后进行CB解析，且发送TBTP2信令，规划业务数据时隙；
步骤A6，模拟信关站记录接收到回程链路封装RLE数据的时间，并且与期望时间做差值，并将此差值在本超帧中的第一个BBFrame帧中发送给模拟终端；
步骤A7，模拟信关站执行步骤A3至步骤A7。
5.根据权利要求4所述的基于IEEE 1588v2的卫星通信地面同步仿真系统的应用方法，其特征在于，还包括模拟终端侧同步计时方法，步骤如下：
步骤B1，1.28s定时器触发，根据业务量生成CB信令，并将数据存储；
步骤B2，解析帧组成表FCT、广播配置表BCT、超帧组成表SCT、TBTP2，获取模拟信关站为CB信令分配的时隙信息，并存储；
步骤B3，根据当前TBTP2中携带的第N-2个TBTP2发送时间和模拟终端收到N-2个超帧数据的时间差计算网口延迟和两台PC机系统时间偏差，并存储；
步骤B4，根据CB时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算CB发送时间，发送数据；
步骤B5，模拟信关站收到CB信令后进行业务时隙规划，并计算CB信令预期到达时间与实际到达时间差delPCR，封装在TBTP2中下发；
步骤B6，解析FCT、BCT、SCT、TBTP2，获取模拟信关站为业务数据分配的时隙信息；
步骤B7，根据业务时隙信息和网口延迟、系统时间偏差计算业务数据发送时间，发送数据。
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