CN109510680A - 基于精确时间协议所描述的流程来实现同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值；根据不同的时间计数差值和主设备的时间计数，对时间计数差值采取不同权重来计算从设备的频率调整因子；根据得到的频率调整因子更新频率补偿值，以便实现主从设备之间的同步。根据本发明的方法，在不同频率偏差与时间偏差的情况下采取不同权重进行控制的频率调整策略，使得误差增长随着级联数目的增长约呈线性增长的特性，有效克服了传统方法的误差增长随着级联数目呈指数分布增长的缺陷，并改善了单跳之间的同步精度。

Description

基于精确时间协议所描述的流程来实现同步的方法

技术领域

本发明涉及通信网络，特别是涉及一种基于精确时间协议(PTP) 所描述的流程来实现同步的方法。

背景技术

首先参考图1来描述PTP协议的基本通信流程。FCC方法在利用 PTP来交互时间信息的基础上，通过运行方法调整设备的时钟周期，从而完成设备之间的同步。PTP协议规定了主设备与从设备之间的通信流程。PTP协议通过周期性发送sync报文，并在Follow up报文里将sync报文发送时刻的设备时间传送到Slave Clock。从设备利用Sync报文离开主设备的时间与到达时刻的时间值来计算自己与主设备之间的时间偏差与频率偏差，并通过频率调整来完成对时间偏差与频率偏差的补偿，从而实现同步。

目前使用PTP协议实现时间同步有三种补偿方法，即，FCC(频率补偿)，OFCC(频率与偏移补偿)和OCC(偏移补偿)方法。其中OCC方法带来的同步误差比较大，不太适合要求微秒量级以下误差要求的同步系统中。本发明是对FCC补偿方法的改进方法，因此下文将描述FCC补偿方法的现有技术以及存在的问题。

如图1所示，设备1通过其SP(从端口)端口实现与GM(网络中主同步设备，可以认为它在网络中具有最高的时间计时的准确度)的时间同步；然后设备1的其它端口充当MAP(主代理端口)，称之为主代理端口，是因为它本身不是GM设备，但是它将完成与GM一样的功能。设备2通过其SP端口和设备1的MAP端口实现与设备1的时间同步。依此类推，设备3实现与设备2同步，...，这样，通过逐跳同步的方式，全网的设备都将直接或间接地同步于GM设备，从而实现网络设备之间时间的同步。

可以看出，频率漂移与时间偏移量在每一个同步周期里都得到补偿，这种补偿方法对于两个设备之间的同步能够取得比较好的同步精度。但对于多级设备环境下的同步，它的同步精度或误差是随着级联数目呈指数分布增长的。此外，根据传统方法调整后的精度也有待提高。测试结果发现，指数分布的底和幂约为2和n，其中n是级联的级数。以单跳误差为50ns为例，经历7跳后的误差将达到6.4us。这对于要求微秒量级以下误差要求的同步系统来说，这种误差精度通常是不可接受的。

发明内容

因此，为了解决传统方法的误差增长随着级联数目呈指数分布增长的缺陷，本发明提出了一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：

从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值(ClockDiffCountn)；

根据不同的时间计数差值和主设备的时间计数(MasterClockCountn)，对时间计数差值采取不同权重来计算从设备的频率调整因子(FreqScaleFactorn)；

根据得到的频率调整因子更新频率补偿值(FreqCompValuen)，以便实现主从设备之间的同步。

根据本发明的方法，在不同频率偏差与时间偏差的情况下采取不同权重进行控制的频率调整策略，使得误差增长随着级联数目的增长约呈线性增长的特性，有效克服了传统方法的误差增长随着级联数目呈指数分布增长的缺陷，并改善了单跳之间的同步精度。

附图说明

图1根据本发明的改进方法的流程图。

具体实施方式

本发明对FCC方法的核心表达式式(0)进行了改进，其它表达式保持不变。具体的修改方法如下所示，将其称为改进方法。

参考图1的流程图来描述根据本发明的改进方法。

在当前sync周期里，一旦从设备接收到Sync消息，它将根据以下公式计算频率调整因子FreqScaleFactorn。首先计算出 ClockDiffCountn，然后执行如下计算：

1.若ClockDiffCountn大于0；然后执行如下操作：

a)如果MasterClockCountn大于SlaveClockCountn，在式(0)的基础上对ClockDiffCountn加权α倍后进行FreqScaleFactorn的调整；

b)如果MasterClockCountn小于或等于SlaveClockCountn，在式(0)的基础上对ClockDiffCountn加权β倍后进行 FreqScaleFactorn的调整；

这个过程的C代码描述如下：if(MasterClockCountn＞ SlaveClockCountn){FreqScaleFactorn＝(MasterClockCountn+α *ClockDiffCountn)/SlaveClockCountn；

公式(1)}elseFreqScaleFactorn＝(MasterClockCountn+β *ClockDiffCountn)/SlaveClockCountn；

2.若ClockDiffCountn小于或等于0；然后

a)如果MasterClockCountn小于SlaveClockCountn，在式(0)的基础上对ClockDiffCountn加权α倍后进行FreqScaleFactorn的调整；

b)如果MasterClockCountn大于或等于SlaveClockCountn，在式(0)的基础上对ClockDiffCountn加权β倍后进行 FreqScaleFactorn的调整；

这个过程的C代码描述如下：if(MasterClockCountn＜ SlaveClockCountn){FreqScaleFactorn＝(MasterClockCountn+α *ClockDiffCountn)/SlaveClockCountn；

公式(3)}else{FreqScaleFactorn＝(MasterClockCountn+β *ClockDiffCountn)/SlaveClockCountn；

改进方法中新定义了有α、β这两个参数，它们的取值范围在(0，1)之间，默认取值分别为：0.5，和0.75。两个参数值是根据理论推导结果，做了折中处理后选择出来的。推导结果发现：当α小于0.5 时，改进方法将大大减小设备之间误差的传递，完全克服误差随级联数目呈指数分布增长的缺陷。但是随着的β增大，有利于减小本设备以前过程中的误差对当前误差的影响。在选择参数时，需要考虑设备间误差的传递与设备内部误差的传递这两方面因素。

当α＝0时，本发明的算法相当于OCC方法，而当α＝1时，本发明的方法变为了传统算法。

对传统方法与改进方法分别在两个设备级联与四个设备级联后的同步性能进行了测试与比较。应用根据本发明方法的一种网络连接如图1所示。其中，设备1是主同步设备，其它三个设备均与其同步。测试时的参数设置与测试结果说明：通道2的波形是从示波器观察到的由主同步设备输出的时间脉冲信号；通道1的波形是从示波器观察到的由从设备输出的时间脉冲信号，由于是通道2触发，所以通道1 的时间脉冲宽度反映了同步后的时间误差；同步的时间间隔是100ms。同步过程如下：设备1(主同步设备)每隔100ms向设备2的从端口发送PTP协议报文，设备2运行传统方法或改进方法，实现0与主同步设备之间的时间同步；在设备2完成与主同步设备同步之后，也以 100ms时间间隔向设备3的从端口发送PTP协议报文，设备3运行传统方法或改进方法，实现与设备2的同步。依此类推，设备4也实现与设备3之间的同步。实施例中，参数α、β分别取值0.5和0.75。

根据实施例中的测试配置，对传统方法与本专利改进后的方法进行了测试。

测试结果分析与结论：

1.两个设备之间的同步结果：传统方法的误差范围约为[-50ns， 60ns]；改进方法的误差范围约为[-30ns，40ns]，其误差的峰峰值是传统方法的64％。

2.四个设备之间3跳的同步结果：传统方法的误差范围约为 [-340ns，350ns]；改进方法的误差范围约为[-100ns，120ns]，其误差的峰峰值是传统方法的32％。

3.本发明方法显著改善了传统方法的性能，尤其是极大地改进了级联多跳后时间同步的性能。

Claims (3)

1.一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：

从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值；根据不同的时间计数差值和主设备的时间计数，对时间计数差值采取不同权重来计算从设备的频率调整因子；根据得到的频率调整因子更新频率补偿值，以便实现主从设备之间的同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算频率调整因子的步骤中，如果时间计数差值大于0，则其中参数0＜β＜1且0＜α≤β＜1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算频率调整因子的步骤中，如果时间计数差值小于或等于0，则其中参数0＜β＜1且0＜α≤β＜1。