CN109462453A - 一种基于光纤网络的高精度时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，由分机主动向主机发送时间同步请求，并携带时间信息，主机收到同步请求后，回复携带时间信息的时间同步应答帧，通过协议帧的交互计算来校准分机的时间，同步帧协议采用软硬件相结合的方式，在物理层由硬件打时间戳，帧协议由软件控制组装及解析。本发明采用单纤双向克服了环境对光纤传递的影响，从而达到高精度时间同步。
Description
技术领域
本发明涉及光纤时频传递技术领域，尤其涉及一种基于光纤网络的高精度时间同步方法。
背景技术
随着科技的发展，各行各业对时间同步的要求也越来越高，高精度、高稳定性时间同步为航天、电力、交通等领域提供了安全可靠的保障。基于光纤的时间传递在地面授时中具有高稳定、高精度、长短距离均适应等性能特点，它将成为将来高精度地面时间同步网络的主要发展趋势。目前基于光纤网络的时间同步已经做了许多实验，取得了一些重要成果，区别于卫星授时，通过光纤网络传递高精度、高稳定性的时间频率，可以有效的避免时间、频率等信号在传播过程中受到的电离层、对流层的影响，同时基于光网络的授时网络由于光纤屏蔽效应的本质特点，具备优良的抗干扰性能。
利用光纤进行数据传输时需要考虑环境因素：一是光信号在传输过程中会产生衰减，引起较大的噪声；二是光纤色散特性使用不同波长时造成线路时延不同；三是由于光信号在传输过程中会产生反射，引起反射噪声；四是由于环境的温度变化对传输时延造成较大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上问题，本发明提出了一种基于光纤网络的双向时间传递法来达到高精度时间同步的方法，在该方法中采用单纤双向克服了环境对光纤传递的影响，从而达到高精度时间同步。
本发明提供的一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，包括：分机的CPU组装同步请求帧并由CPU总线发送到分机的FPGA，在该同步请求帧中包含了同步请求帧预留时延，所述同步请求帧预留时延为同步请求帧从生成到发送所需的发送时间，所述分机为时间同步的请求方；分机的FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步请求帧，并记录同步请求帧的发送时间戳数据；分机的FPGA优先处理同步请求帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路向主机发送该同步请求帧，并在该同步请求帧中插入发送时刻的时间戳T1，所述主机为时间同步的响应方；主机接收到分机发送过来的通信帧后，通过主机的FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步请求帧，并记录接收时刻的时间戳T2，；主机的CPU组装同步应答帧并由CPU总线发送到主机的FPGA，在该同步应答帧中包含了同步应答帧预留时延、时间戳T1和时间戳T2，所述同步应答帧预留时延为同步应答帧从生成到发送所需的发送时间；主机的FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步应答帧，并记录同步应答帧的发送时间戳数据；主机的FPGA优先处理同步应答帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路向分机发送该同步应答帧，并在该同步应答帧中插入发送时刻的时间戳T3；分机收到主机回复后，通过分机的FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步应答帧，并记录接收时刻的时间戳T4；分机的CPU从同步应答帧中提取出时间戳T1-T4，根据时间戳T1-T4计算出主分机之间的时间偏差与线路时延，然后根据时间偏差与线路时延来校准分机的时间。
进一步，主机和分机的FPGA将同步帧存储在同步帧存储区，将非同步帧存储在非同步帧存储区，对于同步帧，根据同步帧发送时间戳数据，作为该同步帧的发送时间控制数据。
进一步，同步帧结构包括帧头、预留时延、通信内容和同步帧校验域，所述通信内容由时间戳T1-T4组成，每个时间戳里面包含了整数秒和小数秒。
进一步，分机计算线路时延Delay与时间偏差Offset的公式为：
如果Offset小于预设值，且该值变化稳定在预设范围内，则不校准分机本地时间，否则校准分机本地时间。
进一步，所述预设值为10ns。
本发明另一方面提供的一种基于光纤网络的时间同步帧发送方法，包括：CPU组装时间同步帧并由CPU总线发送到FPGA，在该时间同步帧中包含了预留时延，所述预留时延为时间同步帧从生成到发送所需的发送时间；FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的时间同步帧，并记录时间同步帧的发送时间戳数据；FPGA优先处理时间同步帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路发送该时间同步帧，并在该时间同步帧中插入发送时刻的时间戳。
进一步，FPGA将时间同步帧存储在同步帧存储区，将非时间同步帧存储在非同步帧存储区，对于时间同步帧，根据时间同步帧发送时间戳数据，作为该时间同步帧的发送时间控制数据。
进一步，同步帧结构包括帧头、预留时延、通信内容和同步帧校验域，所述通信内容由时间戳T1-T4组成，每个时间戳里面包含了整数秒和小数秒。
本发明另一方面提供的一种基于光纤网络的时间同步帧接收方法，包括：接收设备接收到发送设备发送过来的通信帧后，通过其FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的时间同步帧，并记录接收时刻的时间戳；接收设备的CPU对接收的时间同步帧进行处理，当接收设备为主机时，则根据权利要求6-8任一项所述的时间同步帧发送方法向分机发送时间同步帧，此时由CPU组装的时间同步帧还包括所述接收时刻的时间戳和接收的时间同步帧中的发送时刻时间戳；当接收设备为分机时，则CPU从时间同步帧中提取出时间戳，根据时间戳计算出主分机之间的时间偏差与线路时延，然后根据时间偏差与线路时延来校准分机的时间，所述主机为时间同步的响应方，所述分机为时间同步的请求方。
进一步，FPGA将时间同步帧存储在同步帧存储区，将非时间同步帧存储在非同步帧存储区。
本发明在光纤网络中通过双向时间传递法，避免了外界环境对传输信号的影响，使用硬件打时间戳及软件的灵活控制协议，提高了系统的精度和稳定性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例的同步帧结构示意图；
图2为本发明实施例的同步帧中的通信内容结构示意图；
图3为本发明实施例的同步方法示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明提出一种基于光纤网络的双向时间传递法来达到高精度时间同步的方法，在该方法中采用单纤双向克服了环境温度对系统精度的影响，同步帧协议采用软硬件相结合的方式，在物理层由硬件打时间戳，帧协议由软件控制组装及解析，该方法包括能够准确控制同步帧的发送时间的同步帧发送方法，以及能够准确获取同步帧的接收时间的同步帧接收方法。
本发明的能够准确控制同步帧的发送时间的同步帧发送方法包括以下步骤：
1)CPU组装同步帧并由CPU总线发送到FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)，在该同步帧中包含了预留时延，所述预留时延为同步帧从生成到发送所需的发送时间。
2)FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步帧，并记录同步帧的发送时间戳数据。
3)FPGA优先处理同步帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路发送该同步帧，并在该同步帧中插入发送时刻的时间戳。优选地，FPGA还依据同步帧的发送时间戳和本地系统时间，计算下一帧可发的非同步帧。
在一些实施例中，步骤2)中，FPGA将同步帧存储在同步帧存储区，将非同步帧存储在非同步帧存储区，对于同步帧，根据同步帧发送时间戳数据，作为该同步帧的发送时间控制数据。
本发明通过硬件的方式控制时间同步帧的发送时间与同步帧中所设置的时间数据一致，提高了时间同步帧发送时间戳的准确性。
本发明提供的能够准确获取同步帧的接收时间的同步帧接收方法包括以下步骤：
1)接收设备接收到发送设备发送过来的通信帧后，通过其FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步帧，并记录接收时刻的时间戳。优选地，FPGA将同步帧作为一条数据缓存到同步帧存储区，将非同步帧存储在非同步帧存储区。
2)接收设备的CPU对接收的同步帧进行处理。当接收设备为主机时，则根据上述的同步帧发送方法向分机发送同步帧，此时由CPU组装的同步帧还包括所述接收时刻的时间戳和接收的同步帧中的发送时刻时间戳；当接收设备为分机时，则CPU从同步帧中提取出时间戳，根据时间戳计算出主分机之间的时间偏差与线路时延，然后根据时间偏差与线路时延来校准分机的时间，所述主机为时间同步的响应方，所述分机为时间同步的请求方。
本发明提出的双向时间传递法，由分机主动向主机发送时间同步请求，并携带时间信息，主机收到同步请求后，回复携带时间信息的时间同步应答帧，通过协议帧的交互计算来校准分机的时间，从而达到高精度时间同步。
在一个具体实施例中，通信帧的数据通道由FPGA提供，单帧的数据长度为1024字节，数据的存储按照先发送字节存储在低地址，其具体结构如图1所示。其中，HEAD为帧头，长度为2字节；DELAY为预留时延，长度为4字节；DATA为通信内容，输入内容最大长度为1014字节；FCS为通信帧的校验域。
当通信帧为同步帧时，其中的DATA结构如图2所示，DATA由T1～T4时间戳组成，时间戳里面包含了整数秒和小数秒。
本发明的时间同步机制如图3所示，光纤时间同步机制采用主机/分机模式，分机是时间同步的请求方，主机是时间同步的响应方。分机接收到主机的回复后的时间同步机制包括以下步骤：
1)分机获取到T1～T4时间戳后计算平均线路时延Delay与时间偏差Offset。
根据
可推导出：
2)如果Offset小于预设值，且该值变化稳定在预设范围内，则不校准本地时间，否则校准本地时间，预设值设置为10ns。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，其特征在于，包括：
分机的CPU组装同步请求帧并由CPU总线发送到分机的FPGA，在该同步请求帧中包含了同步请求帧预留时延，所述同步请求帧预留时延为同步请求帧从生成到发送所需的发送时间，所述分机为时间同步的请求方；
分机的FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步请求帧，并记录同步请求帧的发送时间戳数据；
分机的FPGA优先处理同步请求帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路向主机发送该同步请求帧，并在该同步请求帧中插入发送时刻的时间戳T1，所述主机为时间同步的响应方；
主机接收到分机发送过来的通信帧后，通过主机的FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步请求帧，并记录接收时刻的时间戳T2；
主机的CPU组装同步应答帧并由CPU总线发送到主机的FPGA，在该同步应答帧中包含了同步应答帧预留时延、时间戳T1和时间戳T2，所述同步应答帧预留时延为同步应答帧从生成到发送所需的发送时间；
主机的FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步应答帧，并记录同步应答帧的发送时间戳数据；
主机的FPGA优先处理同步应答帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路向分机发送该同步应答帧，并在该同步应答帧中插入发送时刻的时间戳T3；
分机收到主机回复后，通过分机的FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的同步应答帧，并记录接收时刻的时间戳T4；
分机的CPU从同步应答帧中提取出时间戳T1-T4，根据时间戳T1-T4计算出主分机之间的时间偏差与线路时延，然后根据时间偏差与线路时延来校准分机的时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，其特征在于，主机和分机的FPGA将同步帧存储在同步帧存储区，将非同步帧存储在非同步帧存储区，对于同步帧，根据同步帧发送时间戳数据，作为该同步帧的发送时间控制数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，其特征在于，同步帧结构包括帧头、预留时延、通信内容和同步帧校验域，所述通信内容由时间戳T1-T4组成，每个时间戳里面包含了整数秒和小数秒。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，其特征在于，分机计算线路时延Delay与时间偏差Offset的公式为：
如果Offset小于预设值，且该值变化稳定在预设范围内，则不校准分机本地时间，否则校准分机本地时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的高精度时间同步方法，其特征在于，所述预设值为10ns。
6.一种基于光纤网络的时间同步帧发送方法，其特征在于，包括：
CPU组装时间同步帧并由CPU总线发送到FPGA，在该时间同步帧中包含了预留时延，所述预留时延为时间同步帧从生成到发送所需的发送时间；
FPGA对来自CPU总线的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的时间同步帧，并记录时间同步帧的发送时间戳数据；
FPGA优先处理时间同步帧，在其发送时间戳时刻通过光纤链路发送该时间同步帧，并在该时间同步帧中插入发送时刻的时间戳。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤网络的时间同步帧发送方法，其特征在于，FPGA将时间同步帧存储在同步帧存储区，将非时间同步帧存储在非同步帧存储区，对于时间同步帧，根据时间同步帧发送时间戳数据，作为该时间同步帧的发送时间控制数据。
8.根据权利要求6所述的一种基于光纤网络的时间同步帧发送方法，其特征在于，同步帧结构包括帧头、预留时延、通信内容和同步帧校验域，所述通信内容由时间戳T1-T4组成，每个时间戳里面包含了整数秒和小数秒。
9.一种基于光纤网络的时间同步帧接收方法，其特征在于，包括：
接收设备接收到发送设备发送过来的通信帧后，通过其FPGA对接收的通信帧进行识别和缓存，识别出其中的时间同步帧，并记录接收时刻的时间戳；
接收设备的CPU对接收的时间同步帧进行处理，当接收设备为主机时，则根据权利要求6-8任一项所述的时间同步帧发送方法向分机发送时间同步帧，此时由CPU组装的时间同步帧还包括所述接收时刻的时间戳和接收的时间同步帧中的发送时刻时间戳；当接收设备为分机时，则CPU从时间同步帧中提取出时间戳，根据时间戳计算出主分机之间的时间偏差与线路时延，然后根据时间偏差与线路时延来校准分机的时间，所述主机为时间同步的响应方，所述分机为时间同步的请求方。
10.根据权利要求9所述的一种基于光纤网络的时间同步帧接收方法，其特征在于，FPGA将时间同步帧存储在同步帧存储区，将非时间同步帧存储在非同步帧存储区。
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