CN111628914A - 一种周期通信网络的链路延时测量方法、系统及fpga - Google Patents

Abstract

本发明属于链路测量领域，公开了一种周期通信网络的链路延时测量方法、系统及FPGA，所述测量方法包括：向Master发送测量请求报文，记录测量请求报文发送时刻；获取Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻；接收Master发送的第一应答报文和第二应答报文，记录第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻；获取Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻；根据上述时刻以及周期长度得到链路延时。通过增加了一次应答报文的交互，进而能够得到报文传输间隔累计的时钟偏差大小，相较于现有直接将该时钟偏差认为0的方式，极大的提升了链路延时的测量精度。

Description

一种周期通信网络的链路延时测量方法、系统及FPGA

技术领域

本发明属于链路测量领域，涉及一种周期通信网络的链路延时测量方法、系统及FPGA。

背景技术

IEEE1588网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准(简称1588)能够为分布式网络提供高精度时钟同步，1588定义了延迟请求测量机制来计算Master(主时钟节点)和Slave(从时钟节点)之间的链路延时。

实时网络多采用具有周期特征的确定性通信机制，在此类型的网络中进行1588延迟请求测量时，同步报文需要在节点对应的时间槽内进行通信，同步报文交互模型如图1所示。其中，周期长度为t_cyc，t₁为Slave通信时间槽，t₂为Master接收到REQ(测量请求)报文时刻，t₃为Master通信时间槽，t₄为Slave接收到SYNC(应答)报文时刻，offset_1为测量开始时Slave和Master之间的时钟偏差，offset_2为测量结束时Slave和Master之间的时钟偏差，测量开始到结束经历时长为t_rs，t_rs时长内Slave和Master累积的偏差为Δoffset_rs，定义Slave和Master之间的链路延时为link_delay，此模型中链路延时计算如式1所示：

此模型中的offset_2的计算如式2所示：

offset_2＝offset_1+Δoffset_rs (2)。

综上，可计算出链路延时

由于1588协议为理论模型，况不考虑报文的传输间隔，此情下t_rs为0，offset_1和offset_2相等，因此Δoffset_rs为0，使用t₁、t₂、t₃、t₄就可以得到准确的link_delay。

但是，实际周期通信模型中，t_rs不为0，此情况下offset_1和offset_2不一致，因此Δoffset_rs不为0，直接将Δoffset_rs认定为0会导致链路延时计算误差较大，影响整个实时网络的同步。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中在计算链路延时将Δoffset_rs认定为0，进而导致链路延时计算误差较大，影响整个实时网络的同步的缺点，提供一种周期通信网络的链路延时测量方法、系统及FPGA。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种周期通信网络的链路延时测量方法，包括以下步骤：

S1：向Master发送测量请求报文，记录测量请求报文发送时刻；

S2：获取Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻；

S3：接收Master发送的第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于Master的两个相邻周期的发送时槽，记录第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻；

S4：获取Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻；

S5：根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、周期长度以及测量时间长度，得到测量时间长度累计时钟偏差，其中，测量时间长度为测量请求报文接收时刻与第一应答报文发送时刻之间的时间长度；

S6：根据测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及测量时间长度累计时钟偏差得到链路延时；

其中，测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻以及应答报文发送时刻均为周期长度内的时刻。

本发明周期通信网络的链路延时测量方法进一步的改进在于：

所述S2的具体方法为：

Master接收测量请求报文并响应测量请求发送响应报文，响应报文内包括Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻，通过接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻。

所述S4的具体方法为：

将Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻嵌入第一应答报文内，通过接收第一应答报文并解析，得到第一应答报文发送时刻。

所述S5的具体方法为：

S5-1：根据第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻，得到周期长度内的累计时钟偏差；

S5-2：根据周期长度内的累计时钟偏差、周期长度以及测量时间长度，得到测量时间长度累计时钟偏差，其中，测量时间长度为测量请求报文接收时刻与第一应答报文发送时刻之间的时间长度。

所述S5-1的具体方法为：

通过下式得到周期长度内的累计时钟偏差Δoffset_cyc：

Δoffset_cyc＝t₅-t₄

其中，t₅为第二应答报文接收时刻，t₄为第一应答报文接收时刻。

所述S5-2的具体方法为：

通过下式得到测量时间长度累计时钟偏差Δoffset_rs：

其中，t_rs为测量时间长度，t_cyc为周期长度。

所述S6的具体方法为：

通过下式得到链路延时link_delay：

其中，Δoffset_rs为测量累计时钟偏差，t₁为测量请求报文发送时刻，t₂为测量请求报文接收时刻，t₃为第一应答报文发送时刻。

本发明又一方面，一种周期通信网络的链路延时测量系统，包括：

测量请求报文发送模块，用于发送测量请求报文，记录发送测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文发送时刻并发送至链路延时计算模块；

测量请求报文接收模块，用于接收测量请求报文，记录接收测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文接收时刻并发送至报文调度模块；

响应报文发送模块，用于发送响应报文，响应报文内包括测量请求报文接收时刻；

响应报文接收模块，用于接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻并发送至链路延时计算模块；

应答报文发送模块，用于发送第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于两个相邻周期的发送时槽，第一应答报文内包括第一应答报文发送时刻，第一应答报文发送时刻为发送第一应答报文时的本地时刻；

应答报文接收模块，用于接收第一应答报文和第二应答报文，记录接收第一应答报文和第二应答报文时的本地时刻，得到第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻，解析第一应答报文获得第一应答报文发送时刻，发送第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻和第一应答报文发送时刻至链路延时计算模块；

本地时钟模块，用于给测量请求报文接收模块、测量请求报文发送模块、响应报文发送模块、响应报文接收模块、应答报文发送模块、应答报文接收模块以及报文调度模块提供本地时刻；

链路延时计算模块，用于根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及周期长度计算链路延时；以及

报文调度模块，用于生成测量请求报文发送至测量请求报文发送模块，生成响应报文发送至响应报文发送模块，生成第一应答报文和第二应答报文发送至应答报文发送模块。

本发明又一方面，一种FPGA，所述FPGA上集成上述的周期通信网络的链路延时测量系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明链路延时测量方法，通过在原有1588链路延时测量的基础上，在Master与Slave之间增加了一次应答报文的交互，这样可以准确的得出两次应答报文传输的时间间隔内累计的时钟偏差，即周期长度累计的时钟偏差，进而可以准确的得出测量时间长度内累计的时钟偏差，相较于现有方式中直接将测量时间长度内累计的时钟偏差认定为0的方式，本发明通过具化该测量时间长度内累计的时钟偏差，进而可以有效的提升后续链路延时的计算精度。由于1588主从时钟同步需要采用链路延时计算主从时钟偏差，进而使用主从时钟偏差进行同步修正，维持主从时钟节点的同步精度，依赖于该高精确度的链路延时，为提升网络主从同步精度奠定了坚实基础。

附图说明

图1为现有基于周期通信的1588链路延迟测量方法示意图；

图2为本发明实施例的延迟请求模型示意图；

图3为本发明实施例的链路延时测量方法示意图；

图4为本发明实施例的链路延时测量系统结构示意图。

其中：1-应答报文接收模块；2-响应报文接收模块；3-测量请求报文接收模块；4-本地时钟模块；5-应答报文发送模块；6-响应报文发送模块；7-测量请求报文发送模块；8-链路延时计算模块；9-报文调度模块；10-接收报文数据；11-发送报文数据。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2至3，本发明提供了一种周期通信网络的链路延时测量方法，以Slave向Master同步进行说明，包括以下步骤：

S1：向Master发送测量请求报文，记录测量请求报文发送时刻。

S2：获取Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻。具体的，Master接收测量请求报文并响应测量请求发送响应报文，响应报文内包括Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻，通过接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻。

S3：接收Master发送的第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于Master的两个相邻周期的发送时槽，记录第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻。

S4：获取Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻。具体的，将Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻嵌入第一应答报文内，通过接收第一应答报文并解析，得到第一应答报文发送时刻。

S5：根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、周期长度以及测量时间长度，得到测量时间长度累计时钟偏差，其中，测量时间长度为测量请求报文接收时刻与第一应答报文发送时刻之间的时间长度。

S6：根据测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及测量时间长度累计时钟偏差得到链路延时。

其中，测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻以及应答报文发送时刻均为周期长度内的时刻。

下面具体介绍本发明的步骤过程：

本发明的周期通信网络的链路延时测量方法主要包括两个方面：(1)修改延迟请求模型，增加Master和Slave之间的SYNC报文的交互次数，即Master对于Slave测量请求的应答次数；(2)修改链路延时计算方法，增加计算时刻点，计算出Δoffset_rs，进而提升link_delay的计算精确度。

再次参见图2，本实施例延迟请求模型基于双应答机制，包括Master和Slave之间的一次REQ报文/RESP(响应)报文交互，两次SYNC报文交互，Slave节点能够获得t₁、t₂、t₃、t₄和t₅共六个时刻点，报文交互分为包括以下步骤：

1、t₁时刻Slave发送REQ报文。

2、t₂时刻Master接收到REQ报文。

3、Master发送RESP报文，报文中携带t₂时刻信息。

4、Slave接收到RESP报文，获取t₂时刻信息。

5、t₃时刻Master发送第一SYNC报文，报文中携带t₃时刻信息。

6、t₄时刻Slave接收到第一SYNC报文。

7、t₃时刻Master发送第二SYNC报文，报文中携带t₃时刻信息。

8、t₅时刻Slave接收到第二SYNC报文。

这里所述的t₁时刻、t₂时刻、t₃时刻、t₄时刻以及t₅时刻均为周期长度内的时刻，比如周期为一天，那么这里的时刻可以表示为10点、13点，等等。其中t₁时刻、t₄时刻以及t₅时刻为Slave的本地时刻，t₂时刻以及t₃时刻为Master的本地时刻。

再次参见图3，能够得到offset_1、offset_2以及offset_3时不同时刻Master和Slave之间的本地时钟偏差，如下式3所示，其中offset_3为Master发送第二SYNC报文时Slave和Master之间的时钟偏差：

Master每个周期发送时槽内发送SYNC报文，第一SYNC报文和第二SYNC报文间的发送间隔等于一个周期长度t_cyc，t_cyc为固定值，假设t_cyc时间长度内累积的偏差为Δoffset_cyc，结合式2，可得offset_1、offset_2和offset_3之间关系如式4所示：

由式3和式4可得Δoffset_cyc，如式5所示：

得：Δoffset_cyc＝t₅-t₄ (5)。

如在t_cyc时间长度内的累计偏差为Δoffset_cyc，那么在t_rs时间段内的累计偏差为Δoffset_rs，这里的t_rs时间段即为测量请求报文接收时刻至第一应答报文发送时刻之间的时间长度，Δoffset_cyc和Δoffset_rs之间成比例关系，如式6所示：

t_rs时间长度如式7所示：

t_rs＝t₃-t₂+t_cyc (7)。

由式5、式6和式7可得到Δoffset_rs，如式8所示：

由式3、式5和式8可得到link_delay，如式9所示：

得：

参见图4，本发明另一实施例中，提供一种周期通信网络的链路延时测量系统，包括应答报文接收模块1、响应报文接收模块2、测量请求报文接收模块3、本地时钟模块4、应答报文发送模块5、响应报文发送模块6、测量请求报文发送模块7、链路延时计算模块8以及报文调度模块9。

其中，测量请求报文发送模块用于发送测量请求报文，记录发送测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文发送时刻并发送至链路延时计算模块。测量请求报文接收模块用于接收测量请求报文，记录接收测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文接收时刻并发送至报文调度模块。响应报文发送模块用于发送响应报文，响应报文内包括测量请求报文接收时刻。响应报文接收模块用于接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻并发送至链路延时计算模块。应答报文发送模块用于发送第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于两个相邻周期的发送时槽，第一应答报文内包括第一应答报文发送时刻，第一应答报文发送时刻为发送第一应答报文时的本地时刻。应答报文接收模块用于接收第一应答报文和第二应答报文，记录接收第一应答报文和第二应答报文时的本地时刻，得到第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻，解析第一应答报文获得第一应答报文发送时刻，发送第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻和第一应答报文发送时刻至链路延时计算模块。本地时钟模块用于给测量请求报文接收模块、测量请求报文发送模块、响应报文发送模块、响应报文接收模块、应答报文发送模块、应答报文接收模块以及报文调度模块提供本地时刻。链路延时计算模块用于根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及周期长度计算链路延时。报文调度模块用于生成测量请求报文发送至测量请求报文发送模块，生成响应报文发送至响应报文发送模块，生成第一应答报文和第二应答报文发送至应答报文发送模块。

具体的，当节点为Master时，链路延时测量系统需要实现SYNC报文的发送、REQ报文的接收并回复RESP报文，但不进行链路延时计算，其工作流程如下：在测量请求报文接收模块3接收到REQ报文后，响应报文发送模块9获取并记录本地时钟模块4的当前时刻点，继而在本地时钟模块4的时刻点到达其发送时槽时，将记录下的时刻点写入RESP报文中，启动响应报文发送模块6发送RESP报文；在测量请求报文接收模块3未接收到REQ报文时，每当本地时钟模块4的时刻点到达其发送时槽时，将当前时刻点写入SYNC报文中，启动应答报文发送模块5发送SYNC报文。

当节点为Slave时，需要实现REQ报文的发送，接收解析RESP报文，接收解析SYNC报文，并且完成链路延时计算，其工作流程如下：第一个周期，在本地时钟模块4的时刻点到达其发送时槽时，报文调度模块9启动测量请求报文发送模块7发送REQ报文，并将发送时刻点(t₁)传入链路延时计算模块8中，在响应报文接收模块2接收到RESP报文后，将报文中记录的REQ报文到达Master的时刻点(t₂)传入链路延时计算模块8中；下一个周期，在应答报文接收模块1接收到SYNC报文后，将报文中记录的时刻点(t₃)，以及当前本地时钟模块4的时刻点(t₄)传入链路延时计算模块8中；再下一个周期，在应答报文接收模块1接收到SYNC报文后，将当前本地时钟模块4的时刻点(t₅)传入链路延时计算模块8中；链路延时计算模块8通过t1、t2、t3、t₄以及t₅这五个时刻点，结合周期长度，利用上述的链路延时测量方法计算出准确的链路延时。

本发明另一实施例中，提供一种FPGA，根据上述链路延时测量系统，用VerilogHDL语言对链路延时测量系统进行描述，并在FPGA上完成逻辑综合与布局布线；在高可靠实时以太网芯片的同步模块中使用该方案，并组网进行功能测试，测试结果表明本发明具有很好的可实施性，链路延时的测量精度达到百纳秒内，网络同步精度达到亚微秒级，性能满足预期。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：向Master发送测量请求报文，记录测量请求报文发送时刻；

S2：获取Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻；

S3：接收Master发送的第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于Master的两个相邻周期的发送时槽，记录第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻；

S4：获取Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻；

S5：根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、周期长度以及测量时间长度，得到测量时间长度累计时钟偏差，其中，测量时间长度为测量请求报文接收时刻与第一应答报文发送时刻之间的时间长度；

S6：根据测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及测量时间长度累计时钟偏差得到链路延时；

其中，测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻以及应答报文发送时刻均为周期长度内的时刻。

2.根据权利要求1所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S2的具体方法为：

Master接收测量请求报文并响应测量请求发送响应报文，响应报文内包括Master接收测量请求报文时的测量请求报文接收时刻，通过接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻。

3.根据权利要求1所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S4的具体方法为：

将Master发送第一应答报文时的第一应答报文发送时刻嵌入第一应答报文内，通过接收第一应答报文并解析，得到第一应答报文发送时刻。

4.根据权利要求1所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S5的具体方法为：

S5-1：根据第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻，得到周期长度内的累计时钟偏差；

S5-2：根据周期长度内的累计时钟偏差、周期长度以及测量时间长度，得到测量时间长度累计时钟偏差，其中，测量时间长度为测量请求报文接收时刻与第一应答报文发送时刻之间的时间长度。

5.根据权利要求4所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S5-1的具体方法为：

通过下式得到周期长度内的累计时钟偏差△offset_cyc：

△offset_cyc＝t₅-t₄

其中，t₅为第二应答报文接收时刻，t₄为第一应答报文接收时刻。

6.根据权利要求5所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S5-2的具体方法为：

通过下式得到测量时间长度累计时钟偏差△offset_rs：

其中，t_rs为测量时间长度，t_cyc为周期长度。

7.根据权利要求6所述的周期通信网络的链路延时测量方法，其特征在于，所述S6的具体方法为：

通过下式得到链路延时link_delay：

其中，△offset_rs为测量累计时钟偏差，t₁为测量请求报文发送时刻，t₂为测量请求报文接收时刻，t₃为第一应答报文发送时刻。

8.一种周期通信网络的链路延时测量系统，其特征在于，包括：

测量请求报文发送模块，用于发送测量请求报文，记录发送测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文发送时刻并发送至链路延时计算模块；

测量请求报文接收模块，用于接收测量请求报文，记录接收测量请求报文时的本地时刻，得到测量请求报文接收时刻并发送至报文调度模块；

响应报文发送模块，用于发送响应报文，响应报文内包括测量请求报文接收时刻；

响应报文接收模块，用于接收响应报文并解析，得到测量请求报文接收时刻并发送至链路延时计算模块；

应答报文发送模块，用于发送第一应答报文和第二应答报文，第一应答报文和第二应答报文分别位于两个相邻周期的发送时槽，第一应答报文内包括第一应答报文发送时刻，第一应答报文发送时刻为发送第一应答报文时的本地时刻；

应答报文接收模块，用于接收第一应答报文和第二应答报文，记录接收第一应答报文和第二应答报文时的本地时刻，得到第一应答报文接收时刻和第二应答报文接收时刻，解析第一应答报文获得第一应答报文发送时刻，发送第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻和第一应答报文发送时刻至链路延时计算模块；

本地时钟模块，用于给测量请求报文接收模块、测量请求报文发送模块、响应报文发送模块、响应报文接收模块、应答报文发送模块、应答报文接收模块以及报文调度模块提供本地时刻；

链路延时计算模块，用于根据第一应答报文接收时刻、第二应答报文接收时刻、测量请求报文发送时刻、测量请求报文接收时刻、第一应答报文发送时刻、第一应答报文接收时刻以及周期长度计算链路延时；以及

报文调度模块，用于生成测量请求报文发送至测量请求报文发送模块，生成响应报文发送至响应报文发送模块，生成第一应答报文和第二应答报文发送至应答报文发送模块。

9.一种FPGA，其特征在于，所述FPGA上集成权利要求8所述的周期通信网络的链路延时测量系统。

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