CN112910594B - 一种双频双向高精度时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频双向高精度时间同步方法，通过双频双向时钟传递实现高精度时间同步。该方法包括：同步节点使用不同频率双向地传输包含时间信息的同步脉冲；节点接收同步信号后将采样结果与其内置误差表比对，得到由时钟有限分辨率产生的接收时间误差；目标节点利用时间信息和时间误差计算与本地节点之间的时延。本发明方法解决由时钟有限分辨率产生的时间误差，从而提高时间同步精度。

Description

一种双频双向高精度时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种时间同步方法，更具体地说，涉及一种通过双频双向时钟传递实现高精度时间同步的方法。

背景技术

在室内/室外定位，航天测量，4G/5G移动通信等众多领域中，节点间的时间同步，整个系统的时间统一，越来越成为决定系统效能的关键。时间同步广泛采用的方案是IEEE1588v2中规定的精确时间协议，该方法可以实现亚微秒级的同步精度，但随着日常生活、工业生产、科学研究对同步精度的要求提升，需要提出更高精度的时间同步机制。

在传统的基于IEEE1588v2的光纤同步系统中，相邻节点之间的同步误差主要受以下因素影响：

(1)传播延迟不对称：不同光纤长度或不同波长在正向或反向路径上引起的不对称。这种不对称是相对静态的，可以相对容易地补偿。

(2)传输延迟变化：环境温度引起的延迟变化。这种延迟带来时变的时间同步误差，可以实现补偿。经补偿后，它仅对亚纳秒级时间同步系统有轻微影响。

(3)有限时钟分辨率:基于加法器的时钟广泛用于时间同步系统，其有限分辨率导致时钟读数错误。它对时钟周期级别的时间同步精度有影响，并且不容易补偿。提高时钟频率或使用相位检测技术可以降低时钟分辨率的影响，但在大规模同步系统中由于需要更换设备，成本很高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种双频双向高精度时间同步方法，对由于有限时钟分辨率造成的同步误差进行补偿，以提高时间同步系统的同步精度。

本发明双频双向高精度时间同步方法，具体如下：

步骤1：设置本地节点时钟频率f1与同步目标节点时钟频率f2存在偏差；本地节点与目标节点时钟需满足：f2/f1＝T1/T2＝n1/n2，其中T1，T2为节点时钟周期，n1，n2为整数且互质，描述周期的比值；且在本地节点与目标节点内设置一个同步过程等待时间的阈值T，该值应大于节点处理数据时间与信号往返传输时间之和。

步骤2：本地节点以发送频率f1向目标节点发送包含发送时间t1的同步信息，目标节点以接收频率f2接收并记录接收时间t2。

步骤3：由目标节点将接受信息与预设误差表对比，得到由时钟有限分辨率造成的接收误差Δt1，进一步得到误差补偿后的接收时间(t2-Δt1)。

步骤4：目标节点以发送频率f2向本地节点发送应答信息，并记录发送时间t3，本地节点以接收频率f1接收记录接收时间t4。

步骤5：由本地节点将接收信息与预设误差表对比，得到由时钟有限分辨率造成的接收误差Δt2，得到误差补偿后的接收时间(t4-Δt2)。

步骤6：本地节点将补偿过的应答信息接收时间(t4-Δt2)返还给目标节点；

步骤7：目标节点通过收集的四个时间信息计算时间偏差[(t2-Δt1-t1)-(t4-Δt2-t3)]/2，以实现与本地节点的时间同步。

本发明的优点在于：

1、本发明双频双向高精度时间同步方法，利用目标节点使用与传输信号频率不同的时钟采样该信号得到的结果与由时钟有限分辨率产生的接收时间误差之间存在一一对应的关系这个特点，使得接收时间误差可以被一定程度上补偿，从而提高时间同步精度。本发明相比于目前使用基于加法器时钟的时间同步系统，能够较为精确地解决由时钟有限分辨率产生的时间误差，并且解决方法不需要大规模更换节点的硬件设备，有利于节约成本。

2、本发明双频双向高精度时间同步方法，包含有应对通信系统中受到干扰产生误码的机制，相较于传统的时间同步系统，大大提高了抗干扰能力，进一步加强了时间同步的精度。

3、本发明双频双向高精度时间同步方法，针对不同的应用要求和设备条件，可以灵活地设置同步双方的频率值，且是可调的。相较于传统时间同步系统的升级需要大规模更换设备，本发明的方案具有更高的灵活性。

附图说明

图1为本发明双频双向高精度时间同步方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明双频双向高精度时间同步方法，如图1所示，包括：

步骤1：设置本地节点时钟频率f1与同步目标节点时钟频率f2略有偏差；且有f2/f1＝T1/T2＝n1/n2；其中，T1与T2分别为本地节点与目标节点的时钟周期，n1，n2为整数且互质，n1/n2描述本地节点与目标节点的时钟周期的比值。同时设置一个同步过程等待时间的阈值T，阈值T应大于节点处理数据时间与信号往返传输时间之和。

上述时钟频率选取决定同步精度，在相同条件下，选取越大的时钟频率f1与f2，产生的由时钟有限分辨率造成的接收误差越小，同步精度更高；在同样的频率量级下，选择n1与n2越大，产生的由时钟有限分辨率造成的接收误差越小，同步精度更高；在同样的频率量级下，在同样的n1、n2数值量级下，选择n1，n2满足：

条件1：2n2和n1互质；

条件2：2n1和n2互质；

满足的条件越多产生的由时钟有限分辨率造成的接收误差越小，同步精度更高。

步骤2：本地节点以时钟频率f1向目标节点发送包含同步信息发送时间t1的同步信息；目标节点以时钟频率f2接收并记录同步信息接收时间t2。

上述目标节点通过有偏差频率采样得到同步信息；同步信息记录方法为：采样到高电平，记录为1；采样到低电平，记录为0；则采样得到的同步信息即为一连串包含1和0的数组，数组的长度至少大于n1，每个数组对应一个唯一的接收误差。为降低误码率造成的影响，目标节点可设定采样数为n1整数倍，采样结果取重复次数多的数组数据。

步骤3：目标节点根据步骤2中得到的有偏差频率的目标节点采样结果(即目标节点接收到的同步信息发送时间，同步信息以及同步信息接收时间)与预设同步信息接收误差表进行比对，若有比对项，得到由时钟有限分辨率造成的接收误差Δt1；进一步得到误差补偿后的同步信息接收时间(t2-Δt1)。若无比对项，则丢弃改数据，等待重新同步。

步骤4：目标节点以时钟频率f2向本地节点发送应答信息，并记录应答信息发送时间t3；本地节点以时钟频率f1接收并记录应答信息接收时间t4。同样上述本地节点通过有偏差频率采样得到应答信息，应答信息记录方法为：采样到高电平，记录为1；采样到低电平，记录为0；则采样得到的应答信息即为一连串包含1和0的数组，数组的长度至少大于n2。为降低误码率造成的影响，本地节点可设定采样数为n2整数倍，采样结果取重复次数多的数组数据。

若本地节点在发送同步信息后T时间内未收到应答信息，则本地节点进入待机状态，待机T时间后重新开始同步，按步骤1重新发送同步信息；其中T为预设的同步过程等待时间的阈值。

步骤5：本地节点根据有偏差频率的本地节点采样结果(即本地节点接收到的应答信息以及应答信息接收时间)与预设应答信息接收误差表比对，得到由时钟有限分辨率造成的应答信息接收误差Δt2，得到误差补偿后的应答信息接收时间(t4-Δt2)。若无比对项，则丢弃该数据，本地节点进入待机状态，待机T时间后重新开始同步，按步骤1重新发送同步信息。

前述同步信息接收误差表与应答信息接收误差表用于表示时间误差值与采样数组唯一的对应关系；其中，接收时间误差在发送时间周期内，若均不满足前述条件1与条件2，则将发送时间周期分为个数等于接收采样所得数组周期大小的等长区间；若满足前述条件1(2n2和n1互质)，则在目标节点处，接收时间误差在发送时间周期内，将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间；若满足条件2(2n1和n2互质)，则在本地节点处，接收时间误差在发送时间周期内，将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间；若同时满足条件1和条件2，则本地节点和目标节点都设置为将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间。上述每个区间中心值即为采样得到对应数组是产生的接收误差。误差表可由频率f1，f2计算得到，预先写入接收节点数据库中，在同步过程中使用。

步骤6：本地节点将误差补偿后的应答信息接收时间(t4-Δt2)再次发送给目标节点。

步骤7：目标节点接收本地节点发来的包含(t4-Δt2)值的回传信号，并通过收集的四个时间信息t1、t2、(t2-Δt1)、t3、(t4-Δt2)，计算时间偏差[(t2-Δt1-t1)-(t4-Δt2-t3)]/2，以实现与本地节点的时间同步。

若目标节点在发送应答信息后T时间内未收到本地节点包含(t4-Δt2)值的回传信号，则丢弃目前所有所得的数据，等待重新同步。

本发明双频双向高精度时间同步方法中，选择不同的双频值能够达到不同的同步效果，理论上提高频率以及增加n1与n2的值可以无限提高同步精度，但显然，这是受众多因素如物理条件、噪声因素等制约的。

Claims (6)

1.一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：包括：

步骤1：设置本地节点时钟频率f1与同步目标节点时钟频率f2存在偏差；本地节点与目标节点时钟需满足：f2/f1＝T1/T2＝n1/n2，其中T1，T2为节点时钟周期，n1，n2为整数且互质，描述周期的比值；

步骤2：本地节点以发送频率f1向目标节点发送包含发送时间t1的同步信息；目标节点以接收频率f2接收并记录接收时间t2；

步骤3：由目标节点将接收信息与预设误差表对比，得到由时钟有限分辨率造成的接收误差Δt1，进一步得到误差补偿后的接收时间(t2-Δt1)；

步骤4：目标节点以发送频率f2向本地节点发送的应答信息，并记录发送时间t3；本地节点以接收频率f1接收记录接收时间t4；

步骤5：由本地节点将接收信息与预设误差表对比，得到由时钟有限分辨率造成的接收误差Δt2，得到误差补偿后的接收时间(t4-Δt2)；

误差表表示时间误差值与采样数组唯一的对应关系，接收时间误差在发送时间周期内，将发送时间周期分为等长区间，每个区间中心值即为采样得到对应数组所产生的接收误差；上述区间个数按以下方式确定：

令n1，n2为整数且互质，描述周期的比值，设定在同样的频率量级下，在同样的n1、n2数值量级下，条件1：2n2和n1互质；条件2：2n1和n2互质；

若均不满足前述条件1与条件2，则将发送时间周期分为个数等于接收采样所得数组周期大小的等长区间；若仅满足前述条件1，则在目标节点处，接收时间误差在发送时间周期内，将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间；若仅满足条件2，则在本地节点处，接收时间误差在发送时间周期内，将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间；若同时满足条件1和条件2，则本地节点和目标节点都设置为将发送时间周期分为个数等于两倍接收采样所得数组周期大小的等长区间；

步骤6：本地节点将补偿过的应答信息接收时间(t4-Δt2)返还给目标节点；

步骤7：目标节点通过收集的四个时间信息计算时间偏差[(t2-Δt1-t1)-(t4-Δt2-t3)]/2，以实现与本地节点的时间同步。

2.如权利要求1所述一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：在本地节点与目标节点内设置一个同步过程等待时间的阈值T，该阈值大于节点处理数据时间与信号往返传输时间之和。

3.如权利要求1所述一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：同步信息记录方法为：采样到高电平，记录为1；采样到低电平，记录为0；采样得到的同步信息为一连串包含1和0的数组，数组的长度至少大于n1。

4.如权利要求1所述一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：应答信息记录方法为：采样到高电平，记录为1；采样到低电平，记录为0；采样得到的应答信息即为一连串包含1和0的数组，数组的长度至少大于n2。

5.如权利要求1所述一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：目标节点采样本地节点发送而来的同步信息，采样结果以n1为周期，同步信息数组长度为n1，每个数组对应一个唯一的接收误差。

6.如权利要求1所述一种双频双向高精度时间同步方法，其特征在于：对于本地节点采样目标节点发送而来的应答信息，采样结果以n2为周期，应答信息数组长度为n2，每个数组对应一个唯一的接收误差。

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