CN116599620A - 一种自适应网络时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于网络时间同步技术领域，涉及一种自适应网络时间同步方法，包括如下步骤：步骤1：在网络中选取多个同步源，对所有同步源进行采集，获取同步信息；步骤2：通过分析获取的同步信息，计算当前网络节点本地时钟与同步源之间的同步参数，并在同步过程中，实时调整同步参数，以适应网络环境的变化；步骤3：网络中的各网络节点根据同步参数修正本地时钟。本发明通过动态调整网络节点的时钟同步方式，利用经过修正的本地时钟来解决全球定位系统与无限网络节点的故障导致的时间同步问题，增强了系统的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于网络时间同步技术领域，更具体地说，涉及一种自适应网络时间同步方法。
背景技术
随着现代社会的快速发展，网络终端设备和网络业务的飞速增长，时间同步已成为现代通信、电力、军事以及经融等诸多领域的重要基础之一；在现代通信网络中，各种网络设备需要在时间上保持同步；而网络通信中，时钟的不同步容易导致通信数据的损失和传输效率的降低；因此，网络时间同步技术对于提高网络通信的效率和可靠性具有重要意义。
目前，网络设备常见的时间同步方法有两种，以NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)和PTP(Precision Time Protocol，精确时间协议)为代表的网络时间协议和全球定位系统GPS(Global Positioning System)；其中，NTP不需要硬件的配合，其同步精度为毫秒级，适用于同步精度要求不高的场景，GPS需要设备与卫星通信实现同步，最高同步精度可达到纳秒级，适用于高精度同步要求的场景。
然而，上述两种方式均存在缺陷，NTP只能满足ms级别的时间传递精度，对与高精度时间同步需要ns级的时间精度远远不够；而GPS信号受环境影响大，信号易丢失，故如何在GPS信号丢失后提高网络时间同步精度和通信系统的鲁棒性成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种自适应网络时间同步方法，拟解决GPS信号丢失后如何提高网络时间同步精度和通信系统的鲁棒性的问题。
一种自适应网络时间同步方法，包括以下步骤：
步骤1：在网络中选取多个同步源，对所有同步源进行采集，获取同步信息；
步骤2：通过分析获取的同步信息，计算当前网络节点本地时钟与同步源之间的同步参数，并在同步过程中，实时调整同步参数，以适应网络环境的变化；
步骤3：网络中的各网络节点根据同步参数修正本地时钟。
优选的，所述步骤3中，当某个网络节点与GPS系统故障导致GPS信号丢失后，该网络节点的同步方式由GPS同步切换为本地时钟同步，基于本地时钟与其他正常通信节点实现时钟同步。
优选的，在存在有至少两个网络节点的系统中，本地时钟同步利用同步包进行同步，具体如下：
将与定位系统通信故障的精度最高的终端指定为网络时间基准单元，作为主机，所述主机的时间作为时间基准；
将与定位系统通信故障的，与网络时间基准单元相邻的终端作为从机，通过接收主机在确定时隙发送的同步包，利用计数算法计算与主机的时间偏差，重新置位本地时间信息，确保与主机的实时同步。
进一步的，还包括消除主机和从机之间的时间传输误差，具体如下：
从机向主机发送往返计时询问消息RTT-I，并接受主机回复的往返计时应答消息RTT-R；
主机接收从机发送的往返计时询问消息RTT-I，并发送往返计时应答消息RTT-R；
主机确定往返计时询问消息RTT-I的到达时间TOAI，从机确定往返计时应答消息RTT-R的到达时间TOAR，并接收主机发送的到达时间TOAI，从机计算出时钟偏差并校正本地时钟，实现与定位系统故障时，与主机的精确同步。
优选的，所述时钟偏差计算步骤如下：
TOAI =tp+ε；
式中：TOAI为往返计时询问消息RTT-I的到达时间；tp为RTT消息的传播时间；ε是主从机之间的初始时钟偏差；
td+tp=ε+TOAR；
式中：TOAR为往返计时应答消息RTT-R的到达时间；td为一个固定值，为4.275ms；
基于上述两个式子得到：
ε=（TOAI -TOAR+td）/2；
基于此得到主机和从机之间的时钟偏差。
优选的，各所述网络节点之间的通信采用link16数据链系统，在link16数据链系统中采用的时隙块结构为A-0-6格式。
优选的，步骤2中所述的实时调整同步参数，以适应网络环境的变化的具体步骤如下：
对本地脉冲偏移值进行计算和调整，通过给本地脉冲计数加上偏移值，得到修正后额计数值，实现本地时钟与绝对时钟保持较小的偏差。
优选的，记录本地时钟偏移值的步骤如下：
以0.1秒为周期更新本地计数器，系统时钟为200MHz；每次清零前计数最大值为19999999+X，其中X为本地时钟的偏差；
当本地计数器计数值大于19999999+Xmax，即超过实际计数最大值时，确定GPS信号丢失，使用经过修正的本地毫秒脉冲进行计数，经过修正后本地时钟作为设备时钟以保持与绝对时钟的同步；
所述X为工程中实际测试时的偏差值，X经过多次测试后取均值得到x，x即为所需的修正值，此时计数最大值变为19999999+x。
优选的， 所述同步参数包括当前网络节点本地时钟与同步源之间的时延和时钟漂移。
本发明的有益效果包括：
1.本发明通过动态调整网络节点的时钟同步方式，利用经过修正的本地时钟来解决全球定位系统与无限网络节点的故障导致的时间同步问题，增强了系统的鲁棒性。
2.本发明在无限网络节点与全球定位系统发生故障时，通过建立主从同步，利用时间同步精度高的设备对时间同步精度低的设备进行时钟修正，使得各网络节点均能够拥有更高的时钟同步精度。
3.本发明通过不断调整实时同步参数，使得系统可以适应网络环境的变化，根据不同的环境和场景选择最适合的同步方式，在与全球定位系统发生故障时，极大的提高了同步效率和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明的网络节点设备总体框图。
图2为本发明的守时模块流程图。
图3为本发明的RTT传输示意图。
图4为本发明的主从机时隙示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1 ，一种自适应网络时间同步方法，包括以下步骤：
步骤1：在网络中选取多个同步源，如GPS信号，对所有同步源进行采集，获取同步信息，此时无限网络中的各节点分别与定位系统时钟同步；
步骤2：通过分析获取的同步信息，计算当前网络节点本地时钟与同步源之间的同步参数，并在同步过程中，实时调整同步参数，以适应网络环境的变化；例如，当同步源的信号质量发生变化时，应及时调整同步参数。
步骤3：网络中各网络节点根据同步参数修正本地时钟，某个网络节点与GPS系统故障导致GPS信号丢失后，该网络节点的同步方式由GPS同步切换为本地时钟同步，由于本地时钟经过不断的修正，在一定时间内与网络基准时钟具有较小的时钟偏差，基于本地时钟与其他正常通信节点实现时钟同步。
当各无限网络节点与GPS系统通信故障以至于一直未收到有效同步源时，此时各网络节点的时钟均为本地产生的秒脉冲，由于一直没有GPS信号，每个终端的本地时钟均会产生偏差，在存在有至少两个网络节点的系统中，要求每个参与的终端都获取和保持一个精确的系统时间，利用同步包进行同步，具体如下：
将与定位系统通信故障的精度最高的终端指定为网络时间基准单元，作为主机，所述主机的时间作为时间基准；
将与定位系统通信故障的，与网络时间基准单元相邻的终端作为从机，通过接收主机在确定时隙发送的同步包，利用计数算法计算与主机的时间偏差，重新置位本地时间信息，确保与主机的实时同步。
还包括消除主机和从机之间的时间传输误差，具体如下：
从机向主机发送往返计时询问消息RTT-I，并接受主机回复的往返计时应答消息RTT-R；
主机接收从机发送的往返计时询问消息RTT-I，并发送往返计时应答消息RTT-R；
主机确定往返计时询问消息RTT-I的到达时间TOAI，从机确定往返计时应答消息RTT-R的到达时间TOAR，并接收主机发送的到达时间TOAI，从机计算出时钟偏差并校正本地时钟，实现与定位系统故障时，与主机的精确同步。
下面结合附图1和附图2对本实施例做进一步的说明：
在本实施例中各网络节点之间的通信采用link16数据链系统，link16是一种高速视距战术数据链，可由多个单一网络叠加构成多网结构，目前的通信载体是联合战术信息分发系统（JTIDS）。
Link16的访问由TDMA协议控制，在TDMA协议中，传输的时间以时隙来分配；一天分为112.5个时元，每个时元在时间上等于12.8min(768s)；每个时元又分为64个时帧，每个时帧12s；每个时帧进一步分为1536个时隙，每个时隙7.8125ms；时隙以时隙块的形式分配给各个网络终端，本实例采用的时隙块结构为A-0-6格式；link16基本的周期性时间单元为时帧，本实施例的程序通过对12S的计数，对一时帧内的1536个时隙进行功能分配，实现设备间的通信；选用GPS信号作为时钟源，守时模块用于维持设备秒脉冲进而维持设备的时间同步，具体流程如图2所示。
在本实施例中，将GPS信号的丢失分为两种情况进行分别分析：
第一种情况：GPS信号中途丢失
参见图2所示，设备通过GPS天线接收GPS毫秒脉冲信息，同时进行本地计数，若设备按时接收到GPS毫秒脉冲，则认为GPS信号有效，对此毫秒脉冲进行计数；若本地计数超时仍未收到GPS信息，则认为GPS信号丢失，并产生一个本地的毫秒脉冲，经过修正后代替应收到的信息进行计数；
计数到100个毫秒脉冲（即0.1秒）后，将其与串口接收的信息进行比较，若接收回复正常，则毫秒计数清零，进行下一次秒计数，否则使用本地技术产生的秒脉冲代替进行下一次秒计数，毫秒计数同样清零；秒计数每十二秒清零，程序进行时隙分配；
在实际使用中，对本地脉冲偏移值进行计算和不断的调整，通过给本地脉冲加上偏移值，得到修正后的计数值，该计数值应与GPS信号接收到的计数值保持较小的偏差，即能够实现本地时钟与绝对时钟保持较小的偏差。
记录本地时钟偏移值的方法：以0.1秒为周期更新本地计数器，系统时钟为200MHz，理论情况下，清零前计数最大值为19999999，但实际上时钟精度会有偏差，因此每次清零前计数最大值为19999999+X，此时X即为本地时钟的偏差。
当本地计数器的计数值大于19999999+Xmax时，即超过实际计数最大值时，判定GPS信号丢失，此时使用经过修正的本地毫秒脉冲代替GPS信息进行计数，即以经过修正的本地时钟作为设备时钟以保持与绝对时钟同步。
所述X为工程中实际测试时的偏差值，X经过多次测试后取均值得到x，x即为所需的修正值，此时计数最大值变为19999999+x。修正后的本地时钟可能仍无法和网络时间基准完全同步，但他们之间的偏差量较小，终端的时间质量越高；终端时钟质量及对应偏差范围如表1所示，当时间质量满足最大值15时，本地时间与标准时间的偏差≤50ns，因此本实施例大大的提高了系统的同步精度。
表1 终端的时间质量及其对应的偏差范围
第二种情况：设备从上电初始一直没有GPS信号
当无限网络节点与GPS系统通信故障以至于一直未接收到有效同步源时，各网络节点的同步方式均为本地时钟同步，由于一直没有GPS信号，每个终端的本地时钟均会产生偏差，link16要求每个参与的JTIDS终端获取和保持一个精确的系统时间，一个指定网络时间基准（NTR）单元将建立系统时间。
在有两台通信设备的link16系统中，上位机会指定其中一台设备为主机（NTR设备），另一台为从机，此时认为主机的本地时间为系统时间；主机在确定时隙（本实施例中，时隙块采用A-0-6结构）向从机发送同步包，抖动时间设置为0；当从机接收到来自主机J00的时间同步包后，DSP向FPGA发送值为32‘ha35cc53a的数据，从机由此可知当前时隙是同步时隙，FPGA重新置位本地时间信息，用接收到的时间校正自己的系统（本地）时间，即可在与全球定位系统通信故障时实现主从机的时钟同步。
在设计过程中，若忽略发送端由于时间抖动和传输距离产生的问题，则每当主机FPGA检测到最佳采样点的时候，该值应为一个定值，例如：时隙的x时刻，接收端每收到的最佳采样点的值就将内部计数器的值置为x，并且若在当前帧收到的消息为同步包，则使用的接收时刻按最佳采样点计数的值重新置为本地同步计数器，以实现时钟的同步；
上述情况可进行进一步的优化，由于调整后的时间仍然包括传播时间导致的误差，故需要通过往返计时消息（RTT）实现进一步的同步，从机在一个时隙内向主机发送往返计时询问消息（RTT-I），并在一个时隙内接收主机回复的往返计时应答消息（RTT-R）；一次RTT操作的各项时间均可被记录及传输，通过一系列运算即可得到从机需要校正的时间偏差，RTT传输示意图及主从机的时隙示意图分别如图3、图4所示；
基于图3和图4可知，TOAI是由主机，即应答JU确定的RTT-I的到达时间，TOAR是由从机，即询问JU确定的RTT-R到达时间，td为一个固定值，为4.275ms，tp为RTT消息的传播时间，ε是主从机之间的初始时钟偏差。某一个时隙内，主机等待从机的询问，经过ε的偏移，从机发出询问，经过tp到达主机，而RTT-I的到达时间TOAI可由主机确定，此值可由主机传输回从机进行运算，故有
TOAI =tp+ε；
因为tp固定，主机的RTT-R经过4.275ms后准时发送，同样经过tp到达从机，而TOAR是由从机确定的RTT-R到达时间，故
td+tp=ε+TOAR；
此时出现两个包含tp的等式，将tp消掉，得到
TOAI -ε=TOAR+ε-td；
这些值里除ε外，其余均能被确定，将其化简得到
ε=（TOAI -TOAR+td）/2；
即可得出从机系统时钟所需的修正量。
与现有技术相比，本发明提供了一种自适应网络时间同步的方法，解决了无线网络节点与全球定位系统的通信故障导致的时间同步问题，增强了系统的鲁棒性；并通过不断优化，尤其是往返计时消息(RTT)的运用，使得与全球定位系统故障的各网络节点均能获得较高的时钟同步精度；且系统能够适应网络环境的变化，动态选择同步方式，提升了系统的同步效率和可靠性。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在网络中选取多个同步源，对所有同步源进行采集，获取同步信息；
步骤2：通过分析获取的同步信息，计算当前网络节点本地时钟与同步源之间的同步参数，并在同步过程中，实时调整同步参数，以适应网络环境的变化；
步骤3：网络中的各网络节点根据同步参数修正本地时钟。
2.根据权利要求1所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，所述步骤3中，当某个网络节点与GPS系统故障导致GPS信号丢失后，该网络节点的同步方式由GPS同步切换为本地时钟同步，基于本地时钟与其他正常通信节点实现时钟同步。
3.根据权利要求2所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，在存在有至少两个网络节点的系统中，本地时钟同步利用同步包进行同步，具体如下：
将与定位系统通信故障的精度最高的终端指定为网络时间基准单元，作为主机，所述主机的时间作为时间基准；
将与定位系统通信故障的，与网络时间基准单元相邻的终端作为从机，通过接收主机在确定时隙发送的同步包，利用计数算法计算与主机的时间偏差，重新置位本地时间信息，确保与主机的实时同步。
4.根据权利要求3所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，还包括消除主机和从机之间的时间传输误差，具体如下：
从机向主机发送往返计时询问消息RTT-I，并接受主机回复的往返计时应答消息RTT-R；
主机接收从机发送的往返计时询问消息RTT-I，并发送往返计时应答消息RTT-R；
主机确定往返计时询问消息RTT-I的到达时间TOAI，从机确定往返计时应答消息RTT-R的到达时间TOAR，并接收主机发送的到达时间TOAI，从机计算出时钟偏差并校正本地时钟，实现与定位系统故障时，与主机的精确同步。
5.根据权利要求4所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，所述时钟偏差计算步骤如下：
TOAI =tp+ε；
式中：TOAI为往返计时询问消息RTT-I的到达时间；tp为RTT消息的传播时间；ε是主从机之间的初始时钟偏差；
td+tp=ε+TOAR；
式中：TOAR为往返计时应答消息RTT-R的到达时间；td为一个固定值，为4.275ms；
基于上述两个式子得到：
ε=（TOAI -TOAR+td）/2；
基于此得到主机和从机之间的时钟偏差。
6.根据权利要求1所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，各所述网络节点之间的通信采用link16数据链系统，在link16数据链系统中采用的时隙块结构为A-0-6格式。
7.根据权利要求1所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，步骤2中所述的实时调整同步参数，以适应网络环境的变化的具体步骤如下：
对本地脉冲偏移值进行计算和调整，通过给本地脉冲计数加上偏移值，得到修正后的计数值，实现本地时钟与绝对时钟保持较小的偏差。
8.根据权利要求7所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于，记录本地时钟偏移值的步骤如下：
以0.1秒为周期更新本地计数器，系统时钟为200MHz；每次计数清零前计数最大值为19999999+X，其中X为本地时钟的偏差；
当本地计数器计数值大于19999999+Xmax，即超过实际计数最大值时，确定GPS信号丢失，使用经过修正的本地毫秒脉冲进行计数，经过修正后本地时钟作为设备时钟以保持与绝对时钟的同步；
所述X为工程中实际测试时的偏差值，X经过多次测试后取均值得到x，x即为所需的修正值，此时计数最大值变为19999999+x。
9.根据权利要求1所述的一种自适应网络时间同步方法，其特征在于， 所述同步参数包括当前网络节点本地时钟与同步源之间的时延和时钟漂移。
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Also Published As
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