CN115296768A

CN115296768A - 终端设备的时间同步方法和系统

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Publication number: CN115296768A
Application number: CN202210892003.5A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 施昊博; 杨占昕; 王海强; 温镇伟; 赵启祥
Original assignee: Guangzhou Huilian Network Technology Co ltd; Communication University of China
Current assignee: Guangzhou Huilian Network Technology Co ltd; Communication University of China
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2022-11-04

Abstract

本申请涉及一种终端设备的时间同步方法和系统；所述方法包括：在一个同步周期内，重复向授时服务器请求服务器时间，获得多对时间数据；每一对所述时间数据包括：网络延时和时间差值；根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差；基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值；基于多对时间数据的时间散度值，计算时间差值的加权平均值，将其确定为最终时间差值。本申请的方案能够有效解决大规模用户场景下的延时抖动，实现大规模移动终端设备的网络时间同步，为后续的各种演出、体育赛事等的设备接入时间同步问题提供技术保障；本申请的方案仅使用软件即可实现，不需要升级硬件，减少了硬件消耗，易于工程实现且节约成本。

Description

终端设备的时间同步方法和系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体涉及一种终端设备的时间同步方法和系统。

背景技术

时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时(UTC)同步。网络时间协议(NTP，Network Time Protocol)是互联网时间同步的标准之一，通过报文的交换将本地时间朔源到UTC时间。由于时钟源的精度和网络路径的抖动，在广域网Internet上NTP提供了1-50毫秒同步精度，在局域网中NTP同步精度可以达到毫秒级别。NTP采用为无连接的UDP传输协议，默认使用的端口号为123。NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。时间按NTP服务器的等级传播。计算机主机一般同多个时间服务器连接，利用统计学的算法过滤来自不同服务器的时间，以选择最佳的路径和来源来校正主机时间。即使主机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下，NTP服务依然有效运转。NTP时间同步报文中包含的时间是格林威治时间，是从1900年开始计算的秒数。

NTP协议目前已经广泛应用于电力系统、监控摄像系统、铁路交通系统、海上船用时统设备等，在各个领域的各种不同系统中发挥着十分重要的作用。NTP协议本身是一个比较成熟的技术，关于其本身的优化与改进研究没有实质性的突破。在不同领域的应用中都对其应用领域的特点增加算法进行优化以达到同步需求。

相关技术中，面向大规模用户(如体育场馆等场景)同步控制的需求，分级网络延时差大和抖动频率高的特点，NTP协议本身难以满足时间同步的需求，需要对NTP协议增加合适的优化算法来解决延时抖动的问题。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种终端设备的时间同步方法和系统。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种终端设备的时间同步方法，包括：

在一个同步周期内，重复向授时服务器请求服务器时间，获得多对时间数据；每一对所述时间数据包括：网络延时和时间差值；

根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差；

基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值；

基于多对时间数据的时间散度值，计算时间差值的加权平均值，将其确定为最终时间差值。

进一步地，所述向授时服务器请求服务器时间，包括：

通过均衡负载服务器向授时服务器请求服务器时间；

其中，请求服务器时间的具体步骤包括：

终端设备向授时服务器发送请求报文，并记录此时的时间戳T1，时间戳T1随请求报文一起发送给授时服务器；

授时服务器记录请求报文到达的时间，记录此时的时间戳T2；

授时服务器发送应答报文，记录此时的时间戳T3，将T1、T2、T3与应答报文一起发送回终端设备；

终端设备记录应答报文到达的时间，记录此时的时间戳T4。

进一步地，每一对所述时间数据的网络延时为：δ＝(T4-T1)-(T3-T2)；

每一对所述时间数据的时间差值为：θ＝[(T2-T1)+(T3-T4)]/2。

进一步地，在一个同步周期内获取到的多对时间数据，作为该同步周期对应的一组数据；

该方法还包括：

在每一个同步周期，将新获取到的一组数据与已有的一组数据进行比较；

根据预设的筛选规则保留一组数据，删除另一组数据。

进一步地，所述预设的筛选规则包括：

分别计算两组数据的相关系数，保留相关系数较小的一组数据；和/或，

分别计算两组数据的方差，保留方差较小的一组数据。

进一步地，相关系数的计算方法为：

其中，

为网络延时的均值，

为时间差值的均值，n为一组数据中时间数据的总对数。

进一步地，方差的计算方法为：

进一步地，根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差，包括：

第i对时间数据和第j对时间数据之间的采样偏差为ε_ij＝|θ_i-θ_j|。

进一步地，基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值，包括：

第i对时间数据的时间散度值为

其中，n为一组数据中时间数据的总对数。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种终端设备的时间同步系统，包括：授时服务器、均衡负载服务器和终端设备；所述授时服务器用于接收从定位系统获取的时间信息；所述均衡负载服务器用于对接入的终端设备进行资源分配；所述终端设备用于执行如上任意一种实施例所述的时间同步方法。

本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：

本申请的方案通过多次获取与服务器之间的时间差值，再对多组数据进行统计处理，加权平均后确定最终的时间差值；能够有效解决大规模用户场景下的延时抖动，实现大规模移动终端设备的网络时间同步，为后续的各种演出、体育赛事等的设备接入时间同步问题提供技术保障；本申请的方案仅使用软件即可实现，不需要升级硬件，减少了硬件消耗，易于工程实现且节约成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种终端设备的时间同步方法的流程图。

图2为云资源时间同步网络架构示意图。

图3为本发明采用的算法流程图。

图4为本发明采用的数据获取部分技术原理图。

图5为本发明测试的终端同步响应延时结果图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和系统的例子。

由于接入设备的数量比较多，故可以根据统计学的规律，采用多次采样，然后取中值或者平均值的方法来减小误差。多次采样去掉一些最大值后再取平均值的方法，其对于减小误差是最合适的。

图1是根据一示例性实施例示出的一种终端设备的时间同步方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：

步骤S1、在一个同步周期内，重复向授时服务器请求服务器时间，获得多对时间数据；每一对所述时间数据包括：网络延时和时间差值；

步骤S2、根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差；

步骤S3、基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值；

步骤S4、基于多对时间数据的时间散度值，计算时间差值的加权平均值，将其确定为最终时间差值。

应当理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。参照图2，本申请的方案采用云服务器作为一级授时服务器，接收来自北斗或GPS的时间信息；使用一个均衡负载服务器来对接入设备进行资源分配；大量的移动终端设备通过优化后的时间同步技术与云服务器进行时间同步。

一些实施例中，步骤S1向授时服务器请求服务器时间，具体包括：通过均衡负载服务器向授时服务器请求服务器时间。终端设备通过均衡负载服务器与授时服务器进行通信，均衡负载服务器可以对终端设备的通信连接进行资源分配，这样能够避免直接与授时服务器进行通信造成的服务器压力不均衡。

在实际应用中，参照图3，终端设备的时间同步算法包括以下步骤：

首先，采用NTP协议，每隔一段时间，设备重复请求服务器时间N次，得到N对数据。其中，一段时间为预设的时间周期，时间周期的具体时长可以根据实际应用来确定，本申请不做限定。每个时间周期内请求时间的次数N也可以根据实际应用来确定，一些实施例中可以取N＝10。在一个同步周期内获取到的多对时间数据，作为该同步周期对应的一组数据。

在一些实施例中，该方法还包括：在每一个同步周期，将新获取到的一组数据与已有的一组数据进行比较；根据预设的筛选规则保留一组数据，删除另一组数据。

预设的筛选规则可以包括：分别计算两组数据的相关系数，保留相关系数较小的一组数据。具体地，根据一组中N对数据计算网络延时和时间差之间的相关系数，保留相关系数较小的一组数据，以此来尽量减小网络延时对时间差的影响。这个过程是一个不断重复的过程，不断地获取N对数据，将前一组与后一组进行比较并输出相关系数较小的一组数据。

预设的筛选规则还可以包括：分别计算两组数据的方差，保留方差较小的一组数据。具体地，计算上一步骤输出的一组数据中时间差值的方差，并不停与下一组数据的方差进行比较，保留输出方差较小的一组数据。这个过程同样是不断重复的，不断更新保留的一组数据。

接下来，将上一步骤保留的一组数据进行排序，去掉时间差最大的两组和最小的两组。

接下来，定义采样偏差为两个时间差之间的差值的绝对值，定义时间散度为一个时间差值与整组数据之间的采样偏差之和。

最后，根据时间散度计算散度加权平均即为最终输出的时间差值。

具体地，参照图4，所述步骤S1中向授时服务器请求服务器时间的方式为：

S101、设备发送请求服务器时间，并记录下此时的请求时间T1；

S102、时钟服务器记录请求到达时间为T2；

S103、时钟服务器发送应答报文，并将T2以及发送应答报文的时间戳T3一起送到设备；

S104、设备记录应答到达时间T4。

终端设备每次请求与得到四个时间戳数据(T1～T4)之后，计算本次请求的一堆数据：网络延时δ＝(T4-T1)-(T3-T2)；设备与服务器之间的时间差值θ＝[(T2-T1)+(T3-T4)]/2。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：(1)本发明利用NTP时间同步技术，有效的解决了大规模移动终端设备的时间同步问题。通过引入“非相关平稳”优化算法，解决了大规模设备接入时的延时抖动问题，为以后的各种演出、体育赛事等的设备接入时间同步问题提供技术保障；(2)本发明仅使用软件实现，减少硬件消耗，易于工程实现且节约成本。

下面结合具体的应用场景，对本申请的方案进行拓展说明。

一种大规模移动终端设备时间同步方法，该方法可以应用于观众互动体验系统中，作为整个系统的网络时间同步模块。整个系统的时间同步模块的网络架构如图2所示。

该时间同步系统由三部分组成：一级授时服务器、均衡负载服务器和终端设备。其中具体的配置介绍如下，采用了1台SLB均衡负载服务器和3台校准时间服务器。时间服务器为带宽10M的阿里云服务器。均衡负载服务器的带宽峰值为200Mbps，最大连接数为50万个。3台校准时间服务器均接收来自北斗的授时信号，得到基准时间。由于都是采用阿里云服务器，它们之间的同步误差可控制在1ms之内。手机进行时间校正都会通过均衡负载服务器进行分配资源，故可以保证相对稳定的通讯质量，不会产生极端的结果状况。其中，手机通过均衡负载服务器进行资源分配后，向阿里云服务器发出时间同步请求，然后通过优化的时间同步算法进行时间矫正，达到能够使得现场上万部手机的时间同步，克服延时抖动的影响，最终接收并显示相同的内容。

该方法的流程图如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1、进行NTP同步校准，获得网络延时以及设备与服务器时间差。NTP同步校准原理如图4所示。

(1)终端设备向授时服务器发送请求报文，并记录此时的时间戳T1，时间戳T1随请求报文一起发送给授时服务器；

(2)授时服务器记录请求报文到达的时间，记录此时的时间戳T2；

(3)授时服务器发送应答报文，记录此时的时间戳T3，将T1、T2、T3与应答报文一起发送回终端设备；

(4)终端设备记录应答报文到达的时间，记录此时的时间戳T4。这样终端设备就得到了四个时间戳信息，然后通过这四个时间戳信息进行网络延时以及终端设备与服务器时间差的计算。

具体地，将网络延时记为δ、终端设备与服务器之间的时间差值记为θ，通过时间戳信息计算网络延时以及终端设备与服务器时间差公式如下：

每一对所述时间数据的网络延时为：δ＝(T4-T1)-(T3-T2)；

每一对所述时间数据的时间差值为：θ＝[(T2-T1)+(T3-T4)]/2。

步骤2、通过NTP同步校准进行N次取样，这里的NTP同步校准每进行N次取样就生成一组数据，得到N对数据[δ₁,θ₁]、[δ₂,θ₂]、[δ₃,θ₃]、[δ₄,θ₄]、[δ₅,θ₅]、······、[δ_N,θ_N]为一组，计算每一组采样数据的相关系数，并与下一个N对数据的相关系数进行比较，保留输出相关系数较小的一组。

相关系数计算公式：

其中

为网络延时的均值，

为时间差值的均值，n为一组数据中时间数据的总对数。

步骤3、接收步骤2输出的一组数据(包括N对数据)，计算时间差值(θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、······、θ_N)的方差，并与下一次步骤2输出的一组数据进行比较，保留方差较小的一组；也就是说，步骤3要接收两次步骤2输出的数据(接收两组数据)，然后仅保留一组数据并输出。

方差计算公式：

其中

为时间差值的均值。

步骤4、将步骤3中保留下的N对数据去掉θ最大的两对和最小的两对，留下N-4对数据。

步骤5、定义采样偏差，ε_ij表示第i对时间数据和第j对时间数据之间的采样偏差，计算所有采样偏差值：

ε_ij＝|θ_i-θ_j|。

步骤6、定义时间散度

计算N-4对数据中所有时间差散度值；其中第i对时间数据的时间散度值计算如下：

步骤7、根据步骤6中的时间散度值，利用散度加权平均计算最终设备与服务器时间差：

图5为本发明测试的终端同步响应延时结果图，从图上结果可以看出最终时间差在80ms左右，可以应用于观众互动体验系统中。

参照图2，本申请的实施例还提供一种终端设备的时间同步系统，包括：授时服务器、均衡负载服务器和终端设备；所述授时服务器用于接收从定位系统获取的时间信息；所述均衡负载服务器用于对接入的终端设备进行资源分配；所述终端设备用于执行如上任意一种实施例所述的时间同步方法。

关于上述实施例中的系统，其中终端设备执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种终端设备的时间同步方法，其特征在于，包括：

根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差；

基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向授时服务器请求服务器时间，包括：

通过均衡负载服务器向授时服务器请求服务器时间；

其中，请求服务器时间的具体步骤包括：

终端设备记录应答报文到达的时间，记录此时的时间戳T4。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

每一对所述时间数据的网络延时为：δ＝(T4-T1)-(T3-T2)；

每一对所述时间数据的时间差值为：θ＝[(T2-T1)+(T3-T4)]/2。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在一个同步周期内获取到的多对时间数据，作为该同步周期对应的一组数据；

该方法还包括：

根据预设的筛选规则保留一组数据，删除另一组数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设的筛选规则包括：

分别计算两组数据的方差，保留方差较小的一组数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相关系数的计算方法为：

其中，

为网络延时的均值，

为时间差值的均值，n为一组数据中时间数据的总对数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，方差的计算方法为：

8.根据权利要求3-7任一项所述的方法，其特征在于，根据所述网络延时计算多对时间数据之间的采样偏差，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述采样偏差确定每一对时间数据的时间散度值，包括：

第i对时间数据的时间散度值为

其中，n为一组数据中时间数据的总对数。

10.一种终端设备的时间同步系统，其特征在于，包括：授时服务器、均衡负载服务器和终端设备；所述授时服务器用于接收从定位系统获取的时间信息；所述均衡负载服务器用于对接入的终端设备进行资源分配；

所述终端设备用于执行如权利要求1-9任一项所述的时间同步方法。