CN109787704A - 一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法 - Google Patents

一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法 Download PDF

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李文江
金顺福
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Abstract

本发明属于时钟同步技术领域，具体涉及一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法，包括以下步骤：确定主时钟和从时钟，初始化网络；主从时钟间的时钟同步；对报文经过透明时钟(TC)的转发时延进行校正；通过三层BP神经网络模型得出θnj；对非对称链路时间偏差进行补偿；本发明对所需传送的同步报文通过M/M/1报文排队系统预处理，并结合三层BP神经网络结构有效的得出非对称链路时间偏差的补偿，本发明能够同时适用于直连非对称链路的时间偏差补偿和非直连非对称链路的时间偏差补偿。

Description

一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法
技术领域
本发明涉及时钟同步技术领域，尤其是涉及一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法。
背景技术
随着网络技术的快速发展和分布式系统的大规模应用，使得各个控制节点之间的时钟同步变得越来越重要，因此对时钟同步精度提出了更高的要求。为了满足分布式系统对高精度时钟同步的需求，2002年，美国电气和电子工程师协会(Institute ofElectrical and Electronics Engineers，简称“IEEE”)发布了IEEE1588协议，IEEE1588协议全称是“网络测量和控制系统精密时间同步协议标准”(Precision Time Protocol，简称PTP协议)。2008年，IEEE在IEEE1588协议的基础上，颁布了协议的第二版本IEEE1588v2。
在IEEE1588协议中，通常认为主时钟到从时钟和从时钟到主时钟的通信链路是对称的，即通信距离，线路长度都默认相等。故IEEE1588v1协议只适用于对称链路，若用于非对称链路，则同步精度会大大降低。因此，在此基础上，IEEE1588v2协议新增点对点P2P(Peer-to-Peer)模式从而增加了对非对称链路的支持。非对称链路是指往返某一节点的路径不一致，两个方向的延时不同从而造成主时钟到从时钟和从时钟到主时钟间相互通信发送同步报文所经路径不对称的通信链路。
在实际工程应用中，通信链路大多数都是非对称链路，非对称链路由于其链路的不对称性会使同步精度降低，如何修正非对称链路的不对称性和传输时延是一个难题。因此IEEE1588v2在IEEE1588v1的基础上提出了透明时钟模型，以便对非对称链路中的级联误差进行校正。但IEEE1588v2提出的透明时钟模型只是一种概念，并没有实际的具体措施，现有的透明时钟模型多数也是纯软件的方式实现，使得对非对称链路的精度补偿受到一定的限制，并不能达到IEEE1588v2协议标准的理想状态。
将三层BP神经网络应用于非对称链路主时钟到从时钟的传输时延与从时钟到主时钟的传输时延差值的补偿，在算法方面进行改进，能够提高非直连非对称链路的时钟同步精度，更好地校正传输时延，为非对称链路精度补偿方式的改进起到了推动性的作用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的非对称链路时间补偿精度低缺陷，提供一种能够有效的对非对称链路的时间偏差进行补偿的基于非对称链路的时间偏差补偿方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法，其特征在于：所述非对称链路包括直连非对称链路和非直连非对称链路；包括以下步骤：
步骤a：确定主时钟和从时钟；初始化网络，选取两个普通时钟，将其分别确定为主时钟(OC-1)和从时钟(OC-2)；
步骤b：主从时钟间的时钟同步；在主从时钟间进行时钟同步，获得主时钟发送同步报文的时间t1，从时钟接收同步报文的时间t2，从时钟发送延时请求报文的时间t3，主时钟接收延时请求报文的时间t4；
步骤c：对报文经过透明时钟(TC)的转发时延进行校正；令Tdi0表示第i次由主时钟(OC-1)到第一个透明时钟(TC)间的传输时延，Tdi0′表示由第i次由第一个透明时钟(TC)到主时钟(OC-1)的传输时延，Tdij表示第i次由第j个透明时钟(TC)到第j+1个透明时钟(TC)的传输时延，Tdij′表示第i次由第j+1个透明时钟(TC)到第j个透明时钟(TC)的传输时延，Tdim表示第i次由第m个透明时钟(TC)到从时钟(OC-2)的传输时延，Tdim′表示第i次由从时钟(OC-2)到第m个透明时钟(TC)的传输时延；由此可得：
t2-t1＝Offset+Tdi0+Tdij+Tdim (1)
t3-t4＝Offset-Tdi0'-Tdij'-Tdim' (2)
步骤d：对Tdij与Tdij′之间的差值k进行补偿；用常数k表示Tdij与Tdij′之间的差值，由于每条链路又存在时延和抖动，θij表示对Tdij与Tdij′之间的差值k的补偿，则有：
Td10′＝Td10+k+θ11,Td11′＝Td11+k+θ12,…,Td1m′＝Td1m+k+θ1m
Td20′＝Td20+k+θ21,Td21′＝Td21+k+θ22,…,Td2m′＝Td2m+k+θ2m
Tdn0′＝Tdn0+k+θn1,Tdn1′＝Tdn1+k+θn2,…,Tdnm′＝Tdnm+k+θnm
利用时间戳方法可得：
其中，θnj(j＝0,1,2,…,m)为两条非对称链路的传输时延的差值k的补偿，可由三层BP神经网络方法给出；
步骤e：通过三层BP神经网络模型得出θnj；构建三层BP神经网络模型，选用单隐层网络完成补偿值的预测；将第n次主时钟到从时钟的传输时延Tdnj与从时钟到主时钟的传输时延Tdnj'的值同时送入输入层Xn，二者相减；随后将二者相减得到的数值送入隐含层，将该值取反即为所求的θnj；最后将补偿值θnj由隐含层送入输出层，输出层Yn将θnj输出用于计算当前非对称链路时间偏差并将θnj进行记录并送入训练集，以便对下一次时钟同步时延进行预测及补偿；由此可得θnj计算公式为：
θnj＝Tdnj'-Tdnj
步骤f：对非对称链路时间偏差进行补偿；由公式(3)和公式(4)可得主时钟与从时钟之间的时间偏差Offset如下：
其中即为对非对称链路时间偏差的补偿。
进一步地，其中m＝0时，所述非对称链路为直连非对称链路；将步骤c替换为步骤c1：由步骤b获得的t1，t2，t3，t4可得主时钟到从时钟之间的传输时延TdAB与从时钟到主时钟之间的传输时延TdBA。计算方式如下：
TdAB+Offset＝t2-t1
Offset-TdBA＝t3-t4。
更进一步地，步骤b还包括步骤b1：对主时钟生成的同步报文通过M/M/1排队系统进行预处理；主时钟生成同步报文后，将同步报文发送至M/M/1排队系统的报文发送缓冲区，对报文服务响应产生的时延△t1进行校正，报文从报文发送缓冲区发送出后对报文进行信道编码以及信号调制，对报文处理时延△t2进行校正，然后将报文送出M/M/1排队系统，同时向从时钟发送同步报文。
本发明的一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法的有益效果是：本发明对所需传送的同步报文进行预处理，设计了一个M/M/1报文排队系统对同步报文信号进行预处理，考虑网络的抖动特性，初步修正传输时延，并结合三层BP神经网络结构有效的得出精度更高的非对称链路时间偏差的补偿。本发明能够同时适用于直连非对称链路的时间偏差补偿和非直连非对称链路的时间偏差补偿。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1所示为M/M/1排队系统的结构示意图。
图2为直连非对称链路时间同步原理示意图。
图3为非直连非对称链路时间同步原理示意图。
图4为本发明提供的非对称链路的时间偏差补偿方法具体流程示意图。
图5为本发明提供的三层BP神经网络结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明M/M/1排队系统的结构示意图，下面结合图1对本发明的M/M/1排队系统作进一步说明。
主时钟生成同步报文后，在发送至从时钟之前，先将同步报文发送至M/M/1排队系统的报文发送缓冲区，对报文服务响应产生的时延△t1进行校正，校正之后将报文送出缓冲区。在报文发送出缓冲区之后，对报文进行信道编码以及信号调制，对报文处理时延△t2进行校正，校正之后将报文送出M/M/1排队系统。同时向从时钟发送同步报文，在传播过程中，利用本发明的基于非直连非对称链路的时间偏差补偿方法对报文传播时延△t3进行校正，随后将校正之后的同步报文送达从时钟。从而达到了对报文预处理并校正延时的目的。
图2为本发明直连非对称链路时间同步主要过程图，包括以下步骤：
步骤a：初始化网络，选取两个普通时钟(OC)，将其分别确定为主时钟(OC-1)和从时钟(OC-2)。
步骤b：将报文送入M/M/1排队系统进行预处理；对主时钟生成的同步报文通过M/M/1排队系统进行预处理；主时钟生成同步报文后，将同步报文发送至M/M/1排队系统的报文发送缓冲区，对报文服务响应产生的时延△t1进行校正，报文从报文发送缓冲区发送出后对报文进行信道编码以及信号调制，对报文处理时延△t2进行校正，然后将报文送出M/M/1排队系统，同时向从时钟发送同步报文。报文经过排队系统预处理后，进行主从时钟间的时钟同步，获得主时钟发送同步报文的时间t1，从时钟接收同步报文的时间t2，从时钟发送延时请求报文的时间t3，主时钟接收延时请求报文的时间t4。
步骤c：由步骤b获得的t1，t2，t3，t4可得主时钟到从时钟之间的传输时延TdAB与从时钟到主时钟之间的传输时延TdBA。计算方式如下：
TdAB+Offset＝t2-t1
Offset-TdBA＝t3-t4
步骤d：计算主时钟到从时钟的传输时延TdAB与从时钟到主时钟的传输时延TdBA的差值，并用常数k表示。由于每条链路又存在时延和抖动，用参数θi表示第i次传输对传输时延差值k的补偿，则有：
TdBA＝TdAB+k+θ0,TdBA＝TdAB+k+θ1,TdBA＝TdAB+k+θ2,…
t2 (n)＝t1 (n)+Offset+TdAB
t4 (n)＝t3 (n)-Offset+TdAB+k+θn
其中，θn是由三层BP神经网络得到的第n次主时钟到从时钟之的传输时延TdAB与从时钟到主时钟的传输时延TdBA的差值的补偿值。
步骤e：构建三层BP神经网络模型，由于θn的补偿计算方式相对简单，故选用单隐层网络完成补偿值的预测。将第n次主时钟到从时钟的传输时延TdAB与从时钟到主时钟的传输时延TdBA的值同时送入输入层Xn，二者相减。随后将二者相减得到的数值送入隐含层，由于延时分为超前和滞后两种，所以将该值取反即为所求的θn。最后将补偿值θn由隐含层送入输出层，输出层Yn将θn输出用于计算当前非对称链路时间偏差并将θn进行记录并送入训练集，以便对下一次时钟同步时延进行预测及补偿。由此可得θn计算公式为：
θn＝TdBA-TdAB
步骤f：由上式可得主时钟与从时钟之间的时间偏差Offset：
其中，即为对直连非对称链路时间偏差的补偿。
图3为本发明非直连非对称链路时间同步主要过程图，图4为本发明提供的非直连非对称链路的时间偏差补偿方法具体流程示意图；步骤a和步骤b与直连非对称链路相同，不同之处为以下步骤：
步骤c：对同步报文经过透明时钟(TC)的转发时延进行校正。令Tdi0表示第i次由主时钟(OC-1)到第一个透明时钟(TC)间的传输时延，Tdi0′表示由第i次由第一个透明时钟(TC)到主时钟(OC-1)的传输时延，Tdij表示第i次由第j个透明时钟(TC)到第j+1个透明时钟(TC)的传输时延，Tdij′表示第i次由第j+1个透明时钟(TC)到第j个透明时钟(TC)的传输时延，Tdim表示第i次由第m个透明时钟(TC)到从时钟(OC-2)的传输时延，Tdim′表示第i次由从时钟(OC-2)到第m个透明时钟(TC)的传输时延。由此可得：
t2-t1＝Offset+Tdi0+Tdij+Tdim
t3-t4＝Offset-Tdi0'-Tdij'-Tdim'
步骤d：用常数k表示Tdij与Tdij′之间的差值，θij表示对Tdij与Tdij′之间的差值k的补偿，则有：
Td10′＝Td10+k+θ11,Td11′＝Td11+k+θ12,…,Td1m′＝Td1m+k+θ1m
Td20′＝Td20+k+θ21,Td21′＝Td21+k+θ22,…,Td2m′＝Td2m+k+θ2m
Tdn0′＝Tdn0+k+θn1,Tdn1′＝Tdn1+k+θn2,…,Tdnm′＝Tdnm+k+θnm
利用时间戳方法可得：
其中，θnj(j＝0,1,2,…,m)为两条非对称链路的传输时延的差值k的补偿，可由三层BP神经网络方法给出。
步骤e：构建三层BP神经网络模型，由于θnj的补偿计算方式相对简单，故选用单隐层网络完成补偿值的预测。将第n次主时钟到从时钟的传输时延Tdnj与从时钟到主时钟的传输时延Tdnj'的值同时送入输入层Xn，二者相减。随后将二者相减得到的数值送入隐含层，由于延时分为超前和滞后两种，所以将该值取反即为所求的θnj。最后将补偿值θnj由隐含层送入输出层，输出层Yn将θnj输出用于计算当前非对称链路时间偏差并将θnj进行记录并送入训练集，以便对下一次时钟同步时延进行预测及补偿。由此可得θnj计算公式为：
θnj＝Tdnj'-Tdnj
步骤f：由公式(3)和公式(4)进一步可得主时钟与从时钟之间的时间偏差Offset如下：
其中，即为对非直连非对称链路时间偏差的补偿。
图5为本发明所提供的三层BP神经网络模型，下面结合图5对本发明的三层BP神经网络模型作进一步说明。
无论非对称链路为直连或非直连形式，送入输入层Xn的都是第n次主时钟到从时钟的传输时延和从时钟到主时钟的传输时延的值，二者相减。随后将二者相减得到的数值送入隐含层，将该值取反即为所要求的补偿值。最后将补偿值由隐含层送入输出层，输出层Yn将补偿值输出用于计算当前非对称链路时间偏差随后将补偿值进行记录并送入训练集，以便对下一次时钟同步时延进行预测及补偿。、
本发明对所需传送的同步报文通过一个M/M/1排队系统进行了预处理，因为实际网络中传输时延是一个不确定的值，且有较大的抖动，基于统计学原理，利用时间戳给出传输时延的初值；考虑网络的抖动特性，初步修正传输时延。
本发明不局限于以上具体实施方式，仅是对本发明实施的具体流程进行清楚地说明，并非对本发明范围进行限定。在不改变本发明设计精神和原则下，本领域普通技术人员无论采用何种修改、变形、改进等，都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法，其特征在于：所述非对称链路包括直连非对称链路和非直连非对称链路；包括以下步骤：
步骤a：确定主时钟和从时钟；初始化网络，选取两个普通时钟，将其分别确定为主时钟(OC-1)和从时钟(OC-2)；
步骤b：主从时钟间的时钟同步；在主从时钟间进行时钟同步，获得主时钟发送同步报文的时间t1，从时钟接收同步报文的时间t2，从时钟发送延时请求报文的时间t3，主时钟接收延时请求报文的时间t4；
步骤c：对报文经过透明时钟(TC)的转发时延进行校正；令Tdi0表示第i次由主时钟(OC-1)到第一个透明时钟(TC)间的传输时延，Tdi0′表示由第i次由第一个透明时钟(TC)到主时钟(OC-1)的传输时延，Tdij表示第i次由第j个透明时钟(TC)到第j+1个透明时钟(TC)的传输时延，Tdij′表示第i次由第j+1个透明时钟(TC)到第j个透明时钟(TC)的传输时延，Tdim表示第i次由第m个透明时钟(TC)到从时钟(OC-2)的传输时延，Tdim′表示第i次由从时钟(OC-2)到第m个透明时钟(TC)的传输时延；由此可得：
t2-t1＝Offset+Tdi0+Tdij+Tdim (1)
t3-t4＝Offset-Tdi0'-Tdij'-Tdim' (2)
步骤d：对Tdij与Tdij′之间的差值k进行补偿；用常数k表示Tdij与Tdij′之间的差值，由于每条链路又存在时延和抖动，θij表示对Tdij与Tdij′之间的差值k的补偿，则有：
Td10′＝Td10+k+θ11,Td11′＝Td11+k+θ12,…,Td1m′＝Td1m+k+θ1m
Td20′＝Td20+k+θ21,Td21′＝Td21+k+θ22,…,Td2m′＝Td2m+k+θ2m
Tdn0′＝Tdn0+k+θn1,Tdn1′＝Tdn1+k+θn2,…,Tdnm′＝Tdnm+k+θnm
利用时间戳方法可得：
其中，θnj(j＝0,1,2,…,m)为两条非对称链路的传输时延的差值k的补偿，可由三层BP神经网络方法给出；
步骤e：通过三层BP神经网络模型得出θnj；构建三层BP神经网络模型，选用单隐层网络完成补偿值的预测；将第n次主时钟到从时钟的传输时延Tdnj与从时钟到主时钟的传输时延Tdnj'的值同时送入输入层Xn，二者相减；随后将二者相减得到的数值送入隐含层，将该值取反即为所求的θnj；最后将补偿值θnj由隐含层送入输出层，输出层Yn将θnj输出用于计算当前非对称链路时间偏差并将θnj进行记录并送入训练集，以便对下一次时钟同步时延进行预测及补偿；由此可得θnj计算公式为：
θnj＝Tdnj'-Tdnj
步骤f：对非对称链路时间偏差进行补偿；由公式(3)和公式(4)可得主时钟与从时钟之间的时间偏差Offset如下：
其中即为对非对称链路时间偏差的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法，其特征在于：其中m＝0时，所述非对称链路为直连非对称链路；将步骤c替换为步骤c1：由步骤b获得的t1，t2，t3，t4可得主时钟到从时钟之间的传输时延TdAB与从时钟到主时钟之间的传输时延TdBA；计算方式如下：
TdAB+Offset＝t2-t1
Offset-TdBA＝t3-t4。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称链路的时间偏差补偿方法，其特征在于：步骤b还包括步骤b1：对主时钟生成的同步报文通过M/M/1排队系统进行预处理；主时钟生成同步报文后，将同步报文发送至M/M/1排队系统的报文发送缓冲区，对报文服务响应产生的时延△t1进行校正，报文从报文发送缓冲区发送出后对报文进行信道编码以及信号调制，对报文处理时延△t2进行校正，然后将报文送出M/M/1排队系统，同时向从时钟发送同步报文。
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