CN112217588B - 时间戳抖动补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时间戳抖动补偿方法及系统，涉及时间同步领域。该方法适用于带有时间戳的报文，该方法的步骤包括：接收端根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿。本发明通过相邻2次报文的发送时间间隔和接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿和修正；即通过发送时间间隔和接收时间间隔来规避时延抖动和时间同步抖动，不仅显著提高了时钟同步精度，可有效降低链路时延抖动对同步稳定性带来的影响；而且不需要考虑时间戳记录的位置和时钟频率，即不需要对硬件进行改进。

Description

时间戳抖动补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及时间同步领域，具体涉及一种时间戳抖动补偿方法及系统。
背景技术
PTP协议(Precision Time Protocol，高精度时间同步协议)或者1588协议，提供了一种用于以太网进行时间同步的一种机制，利用网络的对称性和延时测量等，实现各节点间的主从时间的同步，使得从设备与主设备之间具有一致的时钟频率和相位。
参见图1所示，现有的时间同步方法为：假定主从站之间的链路时延是对称的，即主站到从站的链路时延Tms＝从站到主站的链路时延Tsm。
从站从时钟可以根据获取的四个时戳t1,t2,t3,t4计算出其与主站主时钟之间的时间偏移量和链路时延，即：
时间偏移量Offset＝[(t2-t1)-(t4-t3)]/2
链路时延Delay＝[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。
随着移动互联网迅猛发展，物联网、车联网等多种新型应用的需求激增，数据流量的爆炸性增长和海量的接入设备，第五代移动通信(5G)技术应运而生。5G技术对承载网对时间同步的精度提出了更高的要求。进而，时间同步的最终性能对链路时延抖动的敏感程度凸显，要求报文时间戳的记录更加准确，即位置更加接近实际物理端口，报文时间戳的处理时钟频率进一步提高。
目前，由于时间戳记录的位置不能位于物理链路端口，因此报文从打时间戳开始到经过物理链路端口期间会经过不固定的缓存或AM码字插入删除等一些系列操作，进而使得测量链路时延存在抖动(参见图2所示)，随之导致时间同步出现抖动。
为了解决上述问题，业界人士想到了以下2种方式：
1、将时间戳记录的位置位于物理链路端口；
2、提高发送端和接收端的时钟频率，进而降低时间同步的抖动范围。
但是上述2种方式都由于硬件的限制难以实现；经测试得到，现有的时间同步方法只能实现发送端与接收端的时间误差在±200ns，不满足5G技术的时间同步要求(误差在±5ns以内)
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在不对硬件进行改进的基础上提高时间同步精度。
为达到以上目的，本发明提供的时间戳抖动补偿方法，该方法适用于带有时间戳的报文，该方法包括以下步骤：接收端根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿。
在上述技术方案的基础上，该方法的具体步骤包括：发送端将所述发送时间间隔随本次报文发送至接收端；接收端将发送时间间隔减去所述接收时间间隔得到收发时间间隔差Δt，若Δt正常，则接收端将本次报文的接收时间戳加上收发Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将该时间戳标记为本次报文的接收时间戳。
在上述技术方案的基础上，所述收发时间间隔差Δt正常的判断方法为：判断收发时间间隔差Δt的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常；所述链路时延抖动预设值至少大于收发时间间隔差的最大值。
在上述技术方案的基础上，所述报文为PTP报文，所述发送端将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：发送端将PTP报文中的保留字段替换为t发。
在上述技术方案的基础上，实现该方法的前提为发送端和接收端的时钟频率同步。
本发明提供的时间戳抖动补偿系统，该系统适用于带有时间戳的报文，该系统包括设置于接收端上的时间戳补偿模块，其用于：根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿。
在上述技术方案的基础上，该系统还包括设置于发送端的发送时间间隔传输模块，其用于：将发送时间间隔t发随本次报文发送至接收端；所述时间戳补偿模块的工作流程包括：接收端收到报文后，计算所述接收时间间隔t收，根据t发和t收计算收发时间间隔差Δt，计算公式为：Δt＝t发-t收；若Δt正常，则将本次报文的接收时间戳加上Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将该时间戳标记为本次报文的接收时间戳。
在上述技术方案的基础上，所述时间戳补偿模块判断收发时间间隔差Δt是否正常的方法为：判断收发时间间隔差Δt隔差值的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常。
在上述技术方案的基础上，所述报文为PTP报文，所述发送时间间隔传输模块将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：将PTP报文中的保留字段替换为t发。
在上述技术方案的基础上，该系统还包括分别设置于发送端和接收端、且时钟频率同步的本地时间计数器，其用于：记录发送或接收报文的时间戳。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过相邻2次报文的发送时间间隔和接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿和修正；即通过发送时间间隔和接收时间间隔来规避时延抖动和时间同步抖动，不仅显著提高了时钟同步精度，可有效降低链路时延抖动对同步稳定性带来的影响；而且不需要考虑时间戳记录的位置和时钟频率，即不需要对硬件进行改进。
经测试得到，采用本发明进行补偿后的接收端时间戳与发送端对应的时间戳的误差在±5ns以内。
与此同时，上述方式不仅与现有技术不同，而且本领域普通技术人员也非常难以想到上述方式，其原因在于：背景技术中已经提到，常规的改进理念为：将时间戳记录的位置位于物理链路端口、或者提高发送端和接收端的时钟频率，进而降低时间同步的抖动范围。此外，也没有任何文献公开或者提到了上述方式的具体实现或者构思。
附图说明
图1为背景技术中时间同步原理的原理示意图；
图2为背景技术中时间同步实现模型的示意图；
图3为本发明实施例中的时间戳抖动补偿方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中ITU-T定义的1588v2协议中的PTP报文公共头的字段描述示意图；
图5为本发明实施例中的时间同步实现模型的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中的时间戳抖动补偿方法，适用于带有时间戳的报文，该方法包括以下步骤：
接收端根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿。
由此可知，本发明通过相邻2次报文的发送时间间隔和接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿和修正；即通过发送时间间隔和接收时间间隔来规避时延抖动和时间同步抖动，不仅显著提高了时钟同步精度，可有效降低链路时延抖动对同步稳定性带来的影响；而且不需要考虑时间戳记录的位置和时钟频率，即不需要对硬件进行改进。
经测试得到，采用本发明进行补偿后的接收端时间戳与发送端对应的时间戳的误差在±5ns以内。
优选的，所述根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿的步骤包括：
发送端将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端；
接收端收到本次报文后，计算本次报文与上次报文的接收时间间隔t收，根据t发和t收计算收发时间间隔差Δt，计算公式为：Δt＝t发-t收；
若收发时间间隔差Δt正常，则接收端将本次报文的接收时间戳加上收发时间间隔差Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将该时间戳标记为本次报文的接收时间戳。
优选的，所述报文为PTP报文，发送端将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：发送端将PTP报文中的保留字段替换为t发，如此设计基本上对软件不会改动，而且合理利用了资源。
优选的，所述收发时间间隔差Δt正常的判断方法为：判断收发时间间隔差Δt隔差值的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常，如此设计的原理在于：有效规避因软件或硬件等其他异常原因造成的错误时间数据，例如收发时间间隔差Δt最大只有可能为±200ns，但是本次收发时间间隔差Δt为500ns，则很明显，本次时间数据是因为异常原因(例如数据丢包等)得到的错误数据，用该数据进行后续补偿只会出错。
在实际应用中，链路时延抖动预设值根据具体场景和经验设置；
根据具体场景设置是指：为了有效规避因软件或硬件等其他异常原因造成的错误时间数据，链路时延抖动预设值至少要比收发时间间隔差的最大值大，而收发时间间隔差的最大值是多少则根据不同的场景确定；
根据经验设置是指：根据经验确定链路时延抖动预设值比收发时间间隔差的最大值具体大多少，一般情况下大10ns左右。
优选的，发送端与接收端的记录时间戳的本地时间计数器的频率同步，本实施例中均为32bit，如此设计的好处为：通常典型的PTP报文的发送间隔小于1秒/次，本地时间计数器为32bit可以计数的时间范围为0～4.3s，满足典型应用场景；PTP报文的公共头中定义有连续的32bit保留字段，可以刚好传递32bit的计数器。
为了便于全面的理解，参见图3所示，下面通过一个完整的实施例说明本发明的方法。
S1：接收端和发送端通过SyncE进行时钟频率同步，在接收端和发送端各自维护一个32bit的本地实时时间计数器。
S2：发送端记录每次发送报文对应的32bit本地实时时间，在发送报文时，获取当前报文与前一报文之间的32bit本地实时时间间隔(第一次发送报文时没有前一报文，所以时间间隔为0)，即发送时间间隔t发。
S3：发送端在发送当前报文的同时，将报文中的保留字段进行替换为32bit的发送时间间隔t发；本实施例的报文为PTP报文，参见图4所示，本实施例重定义了报文中的32bit保留字段(Offset＝16)，该字段将用于传送发送时间间隔t发。
S4：接收端将当前接收报文与前一接收报文的接收实时时间进行比较，得到接收时间间隔t收。
S5：接收端从PTP报文中的保留字段取出该报文对应的发送时间间隔t发，用t发减去t收得到收发时间间隔差Δt。
S6：接收端判断收发时间间隔差Δt的绝对值是否大于链路时延抖动预设值，若是，则说明时间数据错误，将差值作为0处理，结束；否则获取收发时间间隔差Δt，转到S7。
S7：接收端将本次报文的接收时间戳加上收发时间间隔差Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将该时间戳标记为本次报文的接收时间戳。
参见图5所示，图5右侧2个向上的实线箭头代表未采用本发明方法的接收时间间隔t收，可以看出由于链路时延的抖动，导致了在接收端的接收报文时间间隔不等于报文在发送端的发送时间间隔；图5中右侧虚线向上箭头至实线向上箭头代表采用本发明对时间戳修正的后接收时间间隔t收，可以看出修正后的接收时间间隔t收和发送时间间隔t发相等。
本发明实施例中的时间戳抖动补偿系统，包括设置于接收端上的时间戳补偿模块，其用于：根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿。
该系统还包括设置于发送端的发送时间间隔传输模块，其用于：将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端；所述时间戳补偿模块的工作流程包括：接收端收到报文后，计算本次报文与上次报文的接收时间间隔t收，根据t发和t收计算收发时间间隔差Δt，计算公式为：Δt＝t发-t收；若收发时间间隔差Δt正常，则将本次报文的接收时间戳加上收发时间间隔差Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将该时间戳标记为本次报文的接收时间戳。
所述时间戳补偿模块判断收发时间间隔差Δt是否正常的方法为：判断收发时间间隔差Δt隔差值的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常。
所述发送时间间隔传输模块将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：将报文中的保留字段替换为t发。
该系统还包括分别设置于发送端和接收端上的32bit的本地时间计数器，其用于记录发送或接收报文的时间戳。
需要说明的是：本发明实施例提供的系统在进行模块间通信时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
进一步，本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种时间戳抖动补偿方法，该方法适用于带有时间戳的报文，其特征在于，该方法包括以下步骤：接收端根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿；
该方法的具体步骤包括：发送端将所述发送时间间隔随本次报文发送至接收端；接收端将发送时间间隔减去所述接收时间间隔得到收发时间间隔差Δt，若Δt正常，则接收端将本次报文的接收时间戳加上收发Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将补偿后的接收时间戳标记为本次报文的接收时间戳；
实现该方法的前提为发送端和接收端的时钟频率同步。
2.如权利要求1所述的时间戳抖动补偿方法，其特征在于：所述收发时间间隔差Δt正常的判断方法为：判断收发时间间隔差Δt的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常；所述链路时延抖动预设值至少大于收发时间间隔差的最大值。
3.如权利要求1所述的时间戳抖动补偿方法，其特征在于：所述报文为PTP报文，所述发送端将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：发送端将PTP报文中的保留字段替换为t发。
4.一种时间戳抖动补偿系统，该系统适用于带有时间戳的报文，其特征在于：该系统包括设置于接收端上的时间戳补偿模块，其用于：根据本次报文与上次报文的发送时间间隔、以及本次报文与上次报文的接收时间间隔，对本次报文的时间戳进行补偿；
系统还包括设置于发送端的发送时间间隔传输模块，其用于：将发送时间间隔t发随本次报文发送至接收端；所述时间戳补偿模块的工作流程包括：接收端收到报文后，计算所述接收时间间隔t收，根据t发和t收计算收发时间间隔差Δt，计算公式为：Δt=t发-t收；若Δt正常，则将本次报文的接收时间戳加上Δt，得到补偿后的接收时间戳，并将补偿后的接收时间戳标记为本次报文的接收时间戳；
该系统还包括分别设置于发送端和接收端、且时钟频率同步的本地时间计数器，其用于：记录发送或接收报文的时间戳。
5.如权利要求4所述的时间戳抖动补偿系统，其特征在于：所述时间戳补偿模块判断收发时间间隔差Δt是否正常的方法为：判断收发时间间隔差Δt隔差值的绝对值，是否大于链路时延抖动预设值；若是，则确定收发时间间隔差Δt异常，否则确定收发时间间隔差Δt正常。
6.如权利要求4所述的时间戳抖动补偿系统，其特征在于：所述报文为PTP报文，所述发送时间间隔传输模块将本次报文与上次报文的发送时间间隔t发，随本次报文发送至接收端的流程包括：将PTP报文中的保留字段替换为t发。
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