CN113422664B - 一种多时钟源高可靠时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多时钟源高可靠时间同步方法，属于机载网络通信技术领域。时间触发通信系统根据全局统一的时间基准进行有序通信，因此时间同步的可靠性对系统性能和状态具有重要影响。针对时间触发通信系统时间同步服务的高可靠性要求，本发明提出了一种多时钟源可信度表决方法，通过计算前后两次时间同步服务的时间差与预先设定时间同步周期的偏差大小，根据系统的时钟漂移和延迟抖动设定阈值判别当前时间信息是否在可接受范围内，结合多个时钟源信息的计算结果，筛选出可用于时间同步的时钟源，消除故障时钟源的影响，提高时间同步的可靠性。

Description

一种多时钟源高可靠时间同步方法
技术领域
本发明属于机载网络通信技术领域，涉及一种高可靠时间同步方法。
背景技术
时间同步是时间触发通信的基础条件，对通信性能和运行状态具有重要影响，因此，时间触发通信系统中时间同步的可靠性至关重要。为了保证时间同步服务的可靠性，传统的方法是通过采用多个时钟源冗余的方式进行表决，消除错误时钟信息的影响。此时，需要冗余的资源配置以保证系统的可靠性，造成系统资源耗费大、成本高。例如，目前应用较多的一种多时钟源配置方式是，为了保证系统可容忍m个时钟源故障，需要配置3m+1个时钟源，资源开销很大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种针对多时钟源表决的高可靠时间同步方法，以满足时间触发通信系统中高可靠时间同步的需求。
一种多时钟源高可靠时间同步方法，其特征在于，至少包含以下步骤：
S1.用于实施所述多时钟源高可靠时间同步方法的系统，其至少包含M个时钟主节点和N个时钟从节点，M≥2，N≥1，第i个所述时钟主节点在预先设定的时刻发送包含第i个所述时钟主节点本地时间信息的时间同步信息帧，其中i＝1,2,…,M；
S2.第j个所述时钟从节点收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧后，记录时间同步信息帧到达第j个所述时钟从节点的本地时间，并提取时间同步信息帧中包含的所述时钟主节点的时间信息，记第k次时间同步过程中，k为大于1的整数，第j个所述时钟从节点从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息为
Figure BDA0003120447150000011
第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间为
Figure BDA0003120447150000021
类似的，记上一次时间同步过程中，第j个所述时钟从节点从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息为
Figure BDA0003120447150000022
第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间为
Figure BDA0003120447150000023
根据上述时间信息计算连续两次时间同步过程的时间差，即，令
Figure BDA0003120447150000024
其中j＝1,2,…,N；
S3.根据上述连续两次时间同步过程的时间差信息，计算时间同步信息的置信度，记所述时钟主节点与所述时钟从节点之间设定的同步周期为T，所述时钟主节点实际时间同步周期与设定的同步周期T之间的偏差阈值为σM，若
Figure BDA0003120447150000025
则令第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间信息的置信度αj,i＝1，否则，αj,i＝0；类似的，记第j个所述时钟从节点实际时间同步周期与设定的同步周期T之间的偏差阈值为
Figure BDA0003120447150000026
若
Figure BDA0003120447150000027
则令第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点时间同步信息帧时所记录的本地时间的置信度βj,i＝1，否则，βj,i＝0；其中，αj,i和βj,i的初始值为零；
S4.根据多个时钟源的置信度信息，选择用于同步所述时钟从节点的时间信息，记m为系统可容忍的所述时钟主节点的故障个数，且满足0≤m≤(M-1)/2，若
Figure BDA0003120447150000028
Figure BDA0003120447150000029
则从αj,×βj,i等于1的时间信息中选择合适的时间基准同步当前所述时钟从节点；记n为所述时钟从节点故障的判别阈值，且满足0≤n<(M-m)，若
Figure BDA00031204471500000210
则从αj,i等于1的时间信息中选择合适的时间基准同步当前所述时钟从节点；否则，不对本地时间基准进行修正；
S5.第j个所述时钟从节点根据上述所选择时间基准修正本地时间，并记录本次时间同步过程中，从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息
Figure BDA00031204471500000211
和收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间
Figure BDA00031204471500000212
用于下一次时间同步过程。
可选的，所述步骤S3中所述的偏差阈值σM的设定方法为，σM＝max1≤i≤M(|1-μi|T)，其中μi为第i个所述时钟主节点的时钟漂移速率，其理想值为1；所述步骤S3中所述的偏差阈值
Figure BDA00031204471500000213
的设定方法为，
Figure BDA00031204471500000214
其中μj为第j个所述时钟从节点的时钟漂移速率，其理想值为1，Δdj,i为第j个所述时钟从节点与第i个所述时钟主节点通信延迟抖动的最大值，其中i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N。
本发明采用以上技术方案即可有效地消除错误时钟源的影响，保证了时间同步的正确性。由上述技术方案可知，本发明在前后相邻两次时间同步服务过程中，计算时钟主节点发送时间间隔和时钟从节点接收时间的时间间隔与预先设定的时间同步周期之间的偏差大小，判断其是否在合理区间决定对应时间信息是否有效，可有效判别时钟源信息的可信度，提高时间同步方法的可靠性，降低系统对容错资源的需求量，以满足时间触发通信系统高可靠时间同步的需求。
附图说明
图1：本发明的算法流程图。
图2：时间触发总线通信系统示例。
图3：时间同步过程示例。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。
为便于理解，首先以图2中所示时间触发总线通信系统为例，按照AS6003协议中规定，系统若要容忍m个时钟主节点错误至少需要3m+1个时钟主节点，若采用本发明专利所述技术方案，取n＝m，则需要2m+1个时钟主节点。假设图2中所示时间触发总线通信系统的通信节点由DSP微处理器和FPGA芯片组成，其中FPGA用于时间触发通信协议和时间同步，采用Spartan6系列芯片，DSP微处理器用于完成计算和处理任务，实现用户程序功能，采用DSP2837X系列芯片，DSP与FPGA之间采用EMIF接口进行数据交换。
如上所述，为了容忍m个时钟主节点错误，选择2m+1个通信节点作为时钟主节点，即M＝2m+1。若m＝1，则系统中应设置M＝3个时钟主节点。根据总线式通信的特点，时间触发总线通信系统时间同步的时序图如图2所示，三个主节点以固定周期T定时发送时间同步信息帧。假设链路正常的条件下，在一个同步周期内，3个时钟主节点分别发送自己的时间基准至总线中，第j个时钟从节点将受到3个时钟主节点发送的时间信息。下面以其中一个为例，介绍αj,i和βj,i的计算方法，假设i＝1，在当前时刻k，第j个时钟从节点收到第1个时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间记为
Figure BDA0003120447150000041
从时间信息中提取得到第1个时钟主节点发送时间同步信息帧的时刻为
Figure BDA0003120447150000042
类似的，上一时刻(k-1)时刻对应的时间信息分别为
Figure BDA0003120447150000043
和
Figure BDA0003120447150000044
两次时间同步过程中的时间信息作差可得到，
Figure BDA0003120447150000045
根据三个时钟主节点时钟参数指标或实际测试可得到各自的时钟漂移速率值，因此可计算得到，σM＝max1≤i≤M(|1-μi|T)；同理，根据第j个时钟从节点的时钟漂移速率值，可计算得到
Figure BDA0003120447150000046
其中由于此处采用的是总线式通信方式，且采用了时间触发通信机制，可认为Δdj,i＝0。根据上述时间差计算结果和阈值，可以得到αj,i和βj,i的数值，若
Figure BDA0003120447150000047
则令αj,1＝1，否则令αj,1＝0；同理，若
Figure BDA0003120447150000048
则βj,1＝1，否则，βj,1＝0。
根据实际系统运行过程中的情况，可将其分为正常、时钟主节点故障、时钟从节点故障、时钟主节点和时钟从节点同时故障，由于此处设置m＝1，则需要兼容一个时钟主节点故障的情况，不失一般性的假设当出现1个故障的时钟主节点时为i＝1，当出现2个故障的时钟主节点时为i＝1和i＝2，则可得到下表所示的故障情况列表。
Figure BDA0003120447150000049
注：X表示未知，其取值既可能为1，也可能为0。
对于第1个和第2个情况，满足条件
Figure BDA0003120447150000051
且αj,i×βj,i等于1对应的时钟主节点为正常节点，可用于更新本地时间信息，可以有效地屏蔽故障的时钟主节点的影响。对于第3个和第4个情况，涉及当前时钟主节点故障问题，置信度βj,i不满足条件
Figure BDA0003120447150000052
则需要通过
Figure BDA0003120447150000053
进行判断，此处取n＝1，可知两种情况均满足
Figure BDA0003120447150000054
条件，则αj,i等于1对应的时钟主节点为正常节点，可依其时间基准进行时间同步，消除了故障节点的影响。
对于同时出现两个时钟主节点故障问题，其概率较小，且已经超出所设置可容错的故障节点数量m＝1，理论上不在考虑范围之内，但是算法仍可保证系统正常可靠运行，对于第5中情况，若当前时钟从节点正常，则n＝1时，满足
Figure BDA0003120447150000055
条件，可从αj,i等于1的节点中选出正确的时钟主节点，并更新本地时间信息。对于第6种情况，当前时钟从节点故障情况下，若两个X均取零，则等同于第5种情况，可选出正确的时钟信息进行修正，若两个X不全为零，则满足条件
Figure BDA0003120447150000056
此时αj,i×βj,i等于1对应的节点为正常时钟节点，可用于更新当前时间基准。
对于同时出现三个时钟主节点故障问题，其概率很小，已经无法选出正确的时钟参考源，且超出所设置可容错的故障节点数量m＝1，此处仅保证系统不会出现误判。由于三个时钟主节点对应的αj,i均为零，无论其是否满足判断条件，都不能通过筛选条件αj,i×βj,i等于1或αj,i等于1选出合适的时钟主节点，与实际情况相符，没有进行误判。
因此，通过上述判断逻辑，判断相邻两次时间同步间隔与预设时间同步周期的偏差大小是否在合理区间决定对应时间信息是否有效，可有效判别时钟源信息的可信度，提高时间同步方法的可靠性，降低系统对容错资源的需求量，以满足时间触发通信系统高可靠时间同步的需求。

Claims (2)

1.一种多时钟源高可靠时间同步方法，其特征在于，至少包含以下步骤：
S1.用于实施所述多时钟源高可靠时间同步方法的系统，其至少包含M个时钟主节点和N个时钟从节点，M≥2，N≥1，第i个所述时钟主节点在预先设定的时刻发送包含第i个所述时钟主节点本地时间信息的时间同步信息帧，其中i＝1，2，…，M；
S2.第j个所述时钟从节点收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧后，记录时间同步信息帧到达第j个所述时钟从节点的本地时间，并提取时间同步信息帧中包含的所述时钟主节点的时间信息，记第k次时间同步过程中，k为大于1的整数，第j个所述时钟从节点从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息为
Figure FDA0003120447140000011
第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间为
Figure FDA0003120447140000012
类似的，记上一次时间同步过程中，第j个所述时钟从节点从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息为
Figure FDA0003120447140000013
第i个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间为
Figure FDA0003120447140000014
根据上述时间信息计算连续两次时间同步过程的时间差，即，令
Figure FDA0003120447140000015
其中j＝1，2，…，N；
S3.根据上述连续两次时间同步过程的时间差信息，计算时间同步信息的置信度，记所述时钟主节点与所述时钟从节点之间设定的同步周期为T，所述时钟主节点实际时间同步周期与设定的同步周期T之间的偏差阈值为σM，若
Figure FDA0003120447140000016
则令第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点发送的时间信息的置信度αj，i＝1，否则，αj，i＝0；类似的，记第j个所述时钟从节点实际时间同步周期与设定的同步周期T之间的偏差阈值为
Figure FDA0003120447140000017
若
Figure FDA0003120447140000018
则令第j个所述时钟从节点收到第i个所述时钟主节点时间同步信息帧时所记录的本地时间的置信度βj，i＝1，否则，βj，i＝0；其中，αj，i和βj，i的初始值为零；
S4.根据多个时钟源的置信度信息，选择用于同步所述时钟从节点的时间信息，记m为系统可容忍的所述时钟主节点的故障个数，且满足0≤m≤(M-1)/2，若
Figure FDA0003120447140000019
M-m，则从αj，i×βj，i等于1的时间信息中选择合适的时间基准同步当前所述时钟从节点；记n为所述时钟从节点故障的判别阈值，且满足0≤n＜(M-m)，若
Figure FDA00031204471400000110
则从αj，i等于1的时间信息中选择合适的时间基准同步当前所述时钟从节点；否则，不对本地时间基准进行修正；
S5.第j个所述时钟从节点根据上述所选择时间基准修正本地时间，并记录本次时间同步过程中，从第i个所述时钟主节点发送时间同步信息帧中提取的时间信息
Figure FDA0003120447140000021
和收到第i个所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的本地时间
Figure FDA0003120447140000022
用于下一次时间同步过程。
2.根据权利要求1中所述多时钟源高可靠时间同步方法，其特征在于，所述步骤S3中所述的偏差阈值σM的设定方法为，σM＝max1≤i≤M(|1-μi|f)，其中μi为第i个所述时钟主节点的时钟漂移速率，其理想值为1；所述步骤S3中所述的偏差阈值
Figure FDA0003120447140000023
的设定方法为，
Figure FDA0003120447140000024
其中μj为第j个所述时钟从节点的时钟漂移速率，其理想值为1，Δdj，i为第i个所述时钟从节点与第i个所述时钟主节点通信延迟抖动的最大值，其中i＝1，2，…，M，j＝1，2，…，N。
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