CN101202617A - 多级设备之间的时间同步补偿方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值；对时间计数差值和预定门限值进行比较，并根据比较结果来计算从设备的频率调整因子；根据得到的频率调整因子更新频率补偿值，以便实现主从设备之间的同步。上述方法没有牺牲方法精度，而且能大大减小方法的收敛时间，这可以更好地对驻地以太网设备进行同步，并扩大了方法应用的范围。

Description

多级设备之间的时间同步补偿方法

技术领域

本发明涉及计算机和通信网络中的设备之间时间同步，特别是涉及一种多级设备之间的时间同步补偿方法，其中基于精确时间协议PTP所述的流程来实现同步。

背景技术

首先描述PTP(精确时间协议)协议的基本通信流程。图1描述了基于PTP协议交互时间的基本流程。FCC(频率补偿)方法就是在利用PTP来交互时间信息的基础上，通过运行方法调整设备的时钟周期，从而完成设备之间的同步。PTP协议规定了主设备与从设备之间的通信流程。PTP协议通过周期性发送sync报文，并在Followup报文里将sync报文发送时刻的设备时间传送到Slave Clock。从设备利用Sync报文离开主设备的时间与到达时刻的时间值来计算自己与主设备之间的时间偏差与频率偏差，并通过频率调整来完成对时间偏差与频率偏差的补偿，从而实现同步。

目前使用PTP协议实现时间同步有三种补偿方法，它们是FCC、OFCC(频率与偏移补偿)和OCC(偏移补偿)方法。其中OCC方法带来的同步误差比较大，不太适合要求微秒量级以下误差要求的同步***中。本发明是对FCC补偿方法的改进方法，因此，下文将描述FCC补偿方法的现有技术以及存在的问题。图2给出了多级设备互连情况下设备之间逐跳同步的示意图。

如图2所示，设备1通过其SP(从端口)端口实现与GM(网络中主同步设备，可以认为它在网络中具有最高的时间计时的准确度)的时间同步。然后，设备1的其它端口充当MAP(主代理端口)，称之为主代理端口，是因为它本身不是GM设备，但是它将完成与GM一样的功能。设备2通过其SP端口和设备1的MAP端口实现与设备1的时间同步。依此类推，设备3实现与设备2同步，...，这样，通过逐跳同步的方式，全网的设备都将直接或间接地同步与GM设备，从而实现网络设备之间时间的同步。

下面将介绍FCC方法(以下称为传统方法)是如何补偿频率补偿值FreqCompValue的。在时间点MasterSyncTime_n主设备发送一个Sync消息给从设备。从设备在时间点SlaveClockTime_n接收到Sync消息。通过分析Sync消息中携带的时间信息，它可以计算主设备当前的时间MasterClockTime_n：

MasterClockTime_n＝MasterSyncTime_n+MasterToSlaveDelay

在当前Sync周期里，主设备的时间计数MasterClockCount_n由下式给出：

MasterClockCount_n＝MasterClockTime_n-MasterClockTime_n-1

与此同时，从设备计算出在当前Sync周期里从设备的时间计数SlaveClockCount_n，由下式给出：

SlaveClockCount_n＝SlaveClockTime_n-SlaveClockTime_n-1

在当前Sync周期里，主从设备之间的时间计数的差值ClockDiffCount_n由下式给出：

ClockDiffCount_n＝MasterClockTime_n-SlaveClockTime_n

从设备的频率调整因子FreqScaleFactor_n由下式给出：

FreqScaleFactor_n＝(MasterClockCount_n+ClockDiffCount_n)/SlaveClockCount_n(0)

从设备可以根据下式更新频率补偿值FreqCompValue_n：

FreqCompValue_n＝FreqScaleFactor_n*FreqCompValue_n-1在以上方法中，频率漂移与时间偏移量在每一个同步周期里都得到补偿，式(0)是上述方法的核心表达式。

在对比文件1：中国专利申请“多级设备之间时间同步频率补偿方法的改进方法”(申请号：CN200610078979.X)中，提出了一种传统补偿方法的改进方法(以下称其为对比文件1方法)。其改进也主要集中在对式(0)的改进，具体改进方法如下所示。

在当前sync周期里，一旦从设备接收到Sync消息，它将根据以下公式计算频率调整因子FreqScaleFactor_n。

首先，计算出主从设备之间的时间计数差值ClockDiffCount_n，然后执行如下计算：

1.若ClockDiffCount_n＞0，则执行如下操作：

a)如果主设备的时间计数MasterClockCount_n大于从设备的时间计数SlaveClockCount_n，在式(0)的基础上对ClockDiffCount_n加权α倍后进行FreqScaleFactor_n的调整；

b)如果MasterClockCount_n小于或等于SlaveClockCount_n，在式(0)的基础上对ClockDiffCount_n加权β倍后进行FreqScaleFactor_n的调整；

2.若ClockDiffCount_n＜＝0；然后

a)如果MasterClockCount_n小于SlaveClockCount_n，在式(0)的基础上对ClockDiffCount_n加权α倍后进行FreqScaleFactor_n的调整；

b)如果MasterClockCount_n大于或等于SlaveClockCount_n，在式(0)的基础上对ClockDiffCount_n加权β倍后进行FreqScaleFactor_n的调整。

改进方法中新定义了有α、β这两个参数，它们的取值范围在[0，1]之间。它默认取值分别为：0.25和0.75。

对于在不需要快速时间同步的场合，可以选择比较小的参数进行加权，此时可以只使用一种参数进行加权。

从式(0)可以看出，频率漂移与时间偏移量在每一个同步周期里都得到补偿，这种补偿方法对于两个设备之间的同步能取得比较好的同步精度。但对于多级设备环境下的同步，它的同步精度或误差是随着级联数目呈指数分布增长的。此外，根据传统方法调整后的精度也有待提高。测试结果发现，指数分布的底和幂约为2和n，其中n是级联的级数。以单跳误差为50ns为例，经历7跳后的误差将约为6.4us或以上。这对于要求微秒量级以下误差要求的同步***来说，这种误差精度一般是不可接受的。

对比文件1中公开的方法能有效克服传统FCC方法的同步精度或误差是随着级联数目呈指数分布增长的缺点，也具有非常高同步精度。但是该改进方法在选择比较小的参数进行加权时，能够取得的精度是越高的。但是随着加权参数的减小，方法收敛的时间也随着增加，收敛的时间约为

，单位为s。这种缺陷将不利于该方法被广泛地利用。

发明内容

因此，提出了一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：

从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值；

对时间计数差值和预定门限值进行比较，并根据比较结果来计算从设备的频率调整因子；

根据得到的频率调整因子更新频率补偿值，以便实现主从设备之间的同步。

上述方法没有牺牲方法精度，而且能大大减小方法的收敛时间，这可以更好地对驻地以太网设备进行同步，并扩大了方法应用的范围。

附图说明

图1 PTP协议的基本通信流程

图2 现有技术的多级设备互连情况下设备之间逐跳同步的示意图

图3 根据本发明实施例的网络连接方框图

图4 改进方法与快速收敛方法的同步结果比较

图5 根据本发明实施例的快速收敛方法的流程图

具体实施方式

本发明对FCC方法的核心表达式--式(0)进行了改进，其它表达式保持不变。具体的修改方法下文所述，以下称为快速收敛方法。其主要思想如下所述：

1)当主从设备之间的时间计数的差值大于设定的门限时，采取比较粗的粒度来进行调整；以便主从设备之间的时间计数的差值能快速收敛到设定的门限范围内；

2)当主从设备之间的时间计数的差值小于设定的门限时，采取比较细的粒度来进行调整；以便主从设备之间的时间计数的差值能在设定的门限范围内进行慢速收敛。

下面将详细描述根据本发明的时间同步补偿改进方法。图5示出了根据本发明实施例的快速收敛方法的流程图。

在当前sync周期里，一旦从设备接收到Sync消息，它将根据以下公式计算频率调整因子FreqScaleFactor_n。

首先计算出主从设备之间的时间计数差值ClockDiffCount_n，然后执行如下方法：

1.  若发现ClockDiffCount_n大于等于给定的门限，则按照下面步骤执行时间调整：

a)按照以下方法得到频率调整因子，并利用得到的频率调整因子进行主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝MasterClockCount_n/SlaveClockCount_n

其中，MasterClockCount_n是主设备的时间计数，SkaveClockCount_n是从设备的时间计数。

b)在下一个sync周期中，按照以下方法得到频率调整因子，并利

用得到的频率调整因子进行主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n+1＝(MasterClockCount_n+1+ClockDiffCount_n+1)/SlaveClockCount_n+1

或

FreqScaleFactor_n+1＝(MasterClockCount_n+1+β*ClockDiffCount_n+1)/SlaveClockCount_n+1

β的取值一般在(0.5，1]范围内。

重复步骤a)与b)，重复多次，重复次数一般选择为级联设备的数目。

可以根据需要实现的时间同步的精度来确定所述预定门限，门限值可以选择在us量级，一般选择在1us至100us之间.

此外，在上述步骤b中，可以选择任一公式来计算频率调整因子。

2.若ClockDiffCount_n小于设定的门限，按照以下方法调整

d)FreqScaleFactor_n＝(MasterClockCount_n+α*ClockDiffCount_n)/SlaveClockCount_n

α的取值一般远小于β，这取决于晶振的精度等因素。以100ppm精度为例，它的取值约在1/80左右。

对改进方法与快速收敛方法在10个设备级联后的同步性能进行了测试与比较。测试时的同步间隔是100ms，α选择为1/80，比较门限选择为10us。图3示出了应用根据本发明实施例的时间同步补偿改进方法的网络配置。

测试结果：快速收敛方法与改进方法具有类似的同步误差，具体测试结果如表1和2所示。比较结果如图4所示。

表1运行改进方法后各跳设备同步后的误差

表2运行快速收敛方法后各跳设备同步后的误差

收敛时间的测试结果：

改进方法收敛时间约为40s，而快速收敛方法的收敛时间小于1s，与传统方法的收敛时间性能基本类似。

Claims (7)

1.一种多级设备之间的时间同步补偿方法，包括步骤：

从设备接收来自主设备的同步消息，并计算主从设备之间的时间计数差值(ClockDiffCount_n)；

对时间计数差值和预定门限值进行比较，并根据比较结果来计算从设备的频率调整因子(FreqScaleFactor_n)；

根据得到的频率调整因子更新频率补偿值(FreqCompValue_n)，以便实现主从设备之间的同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果时间计数差值大于等于预定门限值，则：

a)在当前周期，根据下式计算频率调整因子，并利用得到的频率调整因子来实现主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝MasterClockCount_n/SlaveClockCount_n，

b)在下一个周期，根据下式计算频率调整因子，并利用得到的频率调整因子来实现主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝(MasterClockCount_n+1+β*ClockDiffCount_n+1)/SlaveClockCount_n+1，其中，0.5＜β≤1；

c)重复步骤a和b预定次数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果时间计数差值大于等于预定门限值，则：

a)在当前周期，根据下式计算频率调整因子，并利用得到的频率调整因子来实现主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝MasterClockCount_n/SlaveClockCount_n，

b)在下一个周期，根据下式计算频率调整因子，并利用得到的频率调整因子来实现主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝(MasterClockCount_n+1+ClockDiffCount_n+1)/SlaveClockCount_n+1；

c)重复步骤a和b预定次数。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于所述预定次数等于级联设备的数目。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果时间计数差值小于预定门限值，则：

根据下式计算频率调整因子，并利用得到的频率调整因子来实现主从设备之间的同步：

FreqScaleFactor_n＝MasterClockCount_n+α*ClockDiffCount_n+1)/SlaveClockCount_n+1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述α取决于晶振的精度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据需要实现的时间同步的精度来确定所述预定门限，门限值的选择，选择在us量级，一般选择在1us至100us之间。

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