分组时钟同步（共7篇）
分组时钟同步 篇1
0 引 言
为适应移动业务从以语音为主的单一业务向多业务转变,IP化和宽带化逐渐成为未来网络和业务发展的趋势。对于承载网而言亦是如此,作为基础网络的承载网已经由传统电路交换向分组交换方式演进[1],分组传送网(PTN)已经成为未来承载网络的最佳选择,将担当多业务、高质量的传送,而同步又是保证网络性能的必要手段,所以研究分组网中的时钟同步有着极其重要的意义。
1 时钟同步技术概述
同步是指两个或多个信号之间在频率或相位上保持某种特定的关系。在数字通信网中,同步通常是指网内所有的数字设备的时钟在频率或相位上都控制在预定的容差范围内[2]。
同步一般包含两种:频率同步和时间同步。频率同步,即时钟同步,是指信号之间在频率和相位上保持某种严格的特定的关系,如,某个固定的位差,以维持通信网络中的所有设备以相同的速率运行。数字通信网中传递的信息是经过离散化脉冲编码调制(PCM)的,若两个数字设备的频率不一致,则会引起数字比特流因干扰、损伤而导致的叠加和抖动,会在缓存器中造成码元的丢失和重复,从而在传输中出现滑动损伤[3]。而时间同步,即相位同步,它要求信号之间有相同的时间起点和时间间隔,两者会同时经过每一个时刻,若两个信号经过同一个时刻点的时间有固定不变的位差,则它们之间只能说保持了频率同步,并没有保持时间同步。一般将通信网中的各种通信设备或者计算机设备的时间信息,基于协调世界时(UTC)时间偏差限定在足够小的范围内,然后按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻,力求将本地时钟与标准时钟相位同步,所以,时间同步既调控时钟的频率也调控时钟的相位,同时将时钟的相位以时刻来表示。时间同步和频率同步唯一的不同在于,时间同步接收的是非连续的时间信息,非连续调控设备时钟。
2 PTN中同步技术分析
2.1 PTN概述
随着光纤到户(FTTH)的迅速发展和视频传送等业务的出现,用户对网络带宽的需求也在急剧增长,导致对城域网传送带宽的需要一直在扩大。随着10 Gbit/s以太网接口技术的日益成熟,在城域网中引入10 Gbit/s的以太网速率,构建大容量全业务分组交换的电信级以太网的市场需求一直非常强烈[4]。未来的市场需要一种能够有效传递分组业务,并提供电信级运营、管理、维护(OAM)和保护的分组传送技术,但是,传统的在物理层和业务层之间的传输技术都是以固定的时隙交换、波分交换或者空分交换为基础的,并不能很好地适应以包交换为主的分组网的需求,因此,大容量PTN便应运而生。
PTN的分组时钟同步是3G等分组业务对于组网的客观需求。分组网时间同步的实现主要有3个步骤:建立主从关系、频率同步和时间同步。在实现方式上,目前比较常见的技术有同步以太网技术和基于IEEE1588 V2的分组时钟技术[5]。
2.2 同步以太网技术
同步以太网技术是基于物理层的同步技术,物理层同步技术在传统的同步数字体系(SDH)网络中应用比较广泛,其特点是同步网络节点具有较高频率准确度和稳定性的本地时钟,每个节点可以从物理链路上提取线路时钟或从外部同步接口获取时钟,然后从多个时钟源中进行时钟质量选择,将本地时钟锁定在最高质量的时钟源,再将锁定后的时钟传递到下游设备,通过逐级锁定,将全网逐级同步到主参考时钟(PRC),实现全网同步。
同步以太网技术主要是以太网链路码流恢复时钟的技术。以太网通过物理层芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟,如图1所示。具体的说,是在发送侧电连接器(CX)将高精度时钟灌入以太网物理层(PHY)芯片,PHY芯片利用高精度的时钟将数据发送出去,接收侧CX的PHY芯片将时钟恢复出来,分频后送给时钟板,时钟板判断各个接口上报的时钟质量,从其中选择一个精度最高的,将系统时钟与其同步。
为了正确选择高精度的时钟源,在传递时钟信息的同时,也要将时钟质量等级(QL)等信息上报。对于SDH,这些时钟信息是通过SDH中的带外开销字节完成;而在同步以太网中,没有带外通道,所以同步以太网接口就通过以太网同步消息信道(ESMC)传递专有的携带时钟信息的同步状态信息(SSM)报文,来告知下游设备。
虽然,以太网同步技术与SDH恢复时钟方式类似,但是,因为以太网的物理层编码是8B/10B(GE)和4B/5B(FE)编码,即每4个bit(字节)就要插入一个附加比特,所以它比SDH的随机扰码方式能更好地避免长连0和长连1,更加方便时钟的提取,从而不会受到数据网络拥塞、丢包和时延等的影响。
2.3 IEEE 1588 V2技术
IEEE 1588属于分组协议同步技术,其特点是采用分组协议数据单元作为时钟或者时间信息的载体,实现主从时钟之间的同步。它既支持频率同步,也支持时间同步,并且,它的精度极高,可以达到亚微秒级。IEEE 1588 V2是精确时间同步协议(PTP),它是一种主从同步系统。众所周知,在PTN中实现时间同步有两点至关重要:一是线路延时的测量,二是时间信息的发送。而IEEE 1588 V2解决这两个关键点的核心方法是采用主从时钟方式,对时间进行信息编码。它可以记录同步时钟信息的发出时间和接收时间,并且给每一条信息加上时间戳,这样接收方就可以通过时间记录计算出传输时网络中的延时和主从时钟的偏移量,从而修正从设备时钟,使之与主时钟同步。
具体来说,在系统同步过程中,主时钟周期性发布PTP及时间信息,从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息,系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间偏移,并利用该时间差调整本地时间,使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位,如图2所示。
IEEE 1588 V2实现时间同步的过程如下:
(1) 主时钟发送同步(sync)信息
主时钟的PTP应用层向所有的从时钟周期性地发送Sync消息(因为主从时钟的漂移是相互独立的,所以同步过程必须周期性地进行,一般是每隔100 ms就发送一次Sync报文),Sync中包含精确描述数据包发出的预计时间的时间戳t1, 由于信息包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间,所以主时钟记录下的Sync消息离开本端口的精确时间t1在随后的Follow_Up信息中发出。
(2) 主从时钟比较
从时钟端记录Sync消息到达的时刻t2,并把t2存入寄存器,同时报告给PTP应用层。此时从时钟就知道了Sync消息的发送时刻t1和接收时刻t2。然后,从时钟计算Sync报文的本地时间戳和Follow_up报文中时间戳的差异,作为主从时钟的偏移量Offset,对本地时钟进行修正,而主时钟发送到从时钟的延迟记作MS_Delay。
(3) 从时钟发送时钟延时信息
利用Delay_Req信息来定义网络的传输延时,即在一个随机的时间间隔中,从时钟的PTP应用层会发出延时请求消息Delay_Req给主时钟,并记录Delay_Req消息离开该端口的时刻值t3。
(4) 主时钟记录时间延时
主时钟从每个从时钟那得到Delay_Req消息后,并记录消息到达时刻值t4,然后通过带时标的Delay_Resp消息把t4值传给每个从时钟。此时从时钟就知道了Delay_Req消息的发送时刻t3和接收时刻t4。同时,也会计算Delay_Req报文和Delay_Resp报文中各自携带的时间戳的差值,记作SM_Delay时延。
(5) 最终计算
通过上述时间戳消息应答过程之后,可以得到如下计算公式:
在链路对称的前提下,即发送和接收延时一样,可以得出:
在整个同步系统中,同步时间信息的传送一般是分级传递,由一个主时钟将时间参考信息传递给一个或者多个从设备,然后这些从设备又可以在下一级中充当主设备的角色,将时间信息同样传递给下游的一个或者多个从设备。
2.4 两种技术的结合
同步以太网虽然能达到较高精度的频率同步,但以太网同步技术只支持频率信号的传送,不支持时间信号的传送。而IEEE 1588 V2虽然可以解决通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈,但是IEEE 1588因为涉及到软件层面的算法,所以在来回传递报文时,频率同步收敛性不好,而且报文经过复杂的数据网络,抖动和非对称性的不可控导致从IEEE 1588报文中恢复的频率和时间精确度难以保证。
综上所述,可将二者的优点结合在一起,共同实现PTN全网同步。在PTN中,同步以太网技术主要在物理层实现高精度的频率同步,如图3所示,BCM56520交换芯片和物理层设备可以在任何串并行转换模块中输出恢复时钟,且主时钟和从时钟都可以在任何输入端口被提取,在所有的恢复时钟中选择一个精度最高的作为全网的PRC。同步以太网可以消除任何本地从参考时钟的不稳定性,提供较高质量的参考时钟,保证时间同步的性能。而IEEE 1588 V2技术则在数据链路层实现精确的相位和时间同步,如图4所示,BCM交换芯片对PTP报文进行分类和加盖时间戳后,传送给主中央处理器(CPU)进行处理,即在每个接收模块的数据链路层的媒体独立接口处先获得时间戳,然后在解析模块中通过解析和分类从数据业务中获得Sync,所有的Sync信息就在调度模块中排队等待被发送到CPU中,最后CPU会根据Sync信息计算出时钟的偏移量和线路延时。BCM芯片会为本地时钟提供基于硬件和基于软件的时钟偏移的调整。
3 结束语
PTN作为下一代新型传输承载网,将有很大的发展空间。而时钟和时间同步技术又是以太网应用于电信级承载网的关键技术之一。在PTN中,将同步以太网技术和IEEE 1588 V2技术相结合,既可以实现全网的频率同步,又可以将高精度的时间同步添加到以太网应用中,两者相互配合可以有效地保障传送业务的质量和准确性。在PTN中实现时间同步对于广泛应用于工程测量中的IEEE 1588协议也将是一次很好的技术移植和创新。
参考文献
[1]纪越峰.现代通信技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.
[2]IEEE P802.1AS/D0.9-2007,Draft Standard for Localand Metropolitan Area Networks-Ti ming and Synchro-nization for Ti me-Sensitive Applications in Bridge-dLocal Area Networks[S].
[3]龚倩,徐荣,李允博.分组传送网[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[4]徐一军,汪建华,胡昌军,等.时间同步网技术及其应用研究[M].北京:中国移动通信集团,2008.
[5]IEEE Std.1588-2002,IEEE Standard for a PrecisionClock Synchronization Prot-ocol for Networked Meas-urement and Control Systems[S].
微电网精密时钟同步技术 篇2
微电网作为一种将分布式能源、负荷、储能以及控制装置等有机结合在一起的小型发配送电系统,被普遍认为是利用分布式能源的有效方式之一[1,2]。微电网的稳定运行对微电网中的测量、控制设备提出了新的要求,特别是时钟同步。这些设备在运行时实时采样、监测、记录各类电能质量数据(如电压、电流、频率、有功),如果没有一个统一的时序和时钟标准将难以满足微电网系统实时数据采样、系统稳定性判别、线路故障定位、故障录波、故障分析、事件顺序记录(SOE)等时间一致性的要求[3]。随着微电网规模的增大和设备数量的增加,微电网系统结构也将趋于复杂。在微电网公共连接点(PCC)接入的智能网关断路器不仅需要快速接受微电网控制中心的调度实现并离网切换,还需要对电网侧与微电网侧的电能质量数据进行实时采集。快速傅里叶变换(FFT)算法采样在工频周期20 ms内采集128个数据,需要快速实时的以太网通信和统一的时序以满足在采集端和微电网控制器端的数据有效性。微电网中逆变器采集数据并上传到微元控制器,由微元控制器下发调度控制指令,如果没有统一的时序和实时的以太网功能,数据采集到控制指令的下发将严重滞后数个工频周期,将给调压、调频等控制算法带来问题[4,5]。采用分层控制的微电网系统,不同层级的自动化设备对微电网系统时钟同步的精度要求也不一致。目前国内微电网技术的研究还处于实验、示范阶段,微电网时钟同步没有统一的技术规范和精度要求,在实际工程中并没有有效解决时钟同步问题。
传统电力系统中主要采用3种方式实现时钟同步:利用全球定位系统(GPS)同步、编码同步、报文同步[6,7]。前两者需要设备添加接收机装置,并且需要单独的硬接线来支持时钟同步的时间数据传输。随着以太网通信在工业现场总线中的应用,基于以太网通信实现的数据报文同步成为应用最广的时钟同步技术。IEC61850中引入了简单网络时间协议(SNTP)作为网络报文对时协议,SNTP是互联网网络时间协议NTP(Network Time Protocol)的简化标准,在局域网中的同步精度在1 ms左右。为满足更高同步精度的要求,网络精密时钟同步委员会在2002年提出第1版精密时钟同步标准IEEE1588标准,2008年提出第2版IEEE1588标准[8,9,10,11,12]。传统电力系统中需要进行时钟同步的智能设备功能简单,主要设备是智能开关与合并单元,而微电网中的设备种类较多、功能复杂。如逆变器、智能网关断路器需要进行针对性的以太网通信功能设计和基于以太网通信的IEEE1588功能设计以满足高精度时钟同步实现的要求。将IEEE1588协议应用于微电网能够很好地解决微电网时钟同步问题,一方面基于以太网的通信方式无需单独的硬接线,更易在工程中应用,另一方面高达亚微秒的时钟同步精度满足对同步精度的要求。
针对微电网一体化的通信网络和高同步精度的需求,本文提出一种基于IEEE1588协议的时钟同步方案。搭建时钟同步平台测试了所提方案下系统的时钟同步精度,并且通过在PCC的智能网关断路器添加事件时序记录功能实现时钟同步技术在微电网中的实际应用。
1 IEEE1588精密时钟同步协议机理
1.1 时钟同步原理
IEEE1588是应用于工业控制和测量领域的具有亚微秒级同步功能的精确时钟同步协议PTP(Precise Time Protocol)。核心算法包括最佳主时钟(BMC)算法和本地时钟同步(LCS)算法[13]。PTP网络中包括普通时钟、边界时钟和透明时钟:定义仅有1个PTP端口的时钟为普通时钟,有多个PTP端口的时钟为边界时钟和透明时钟,网络中的每个节点均被认为是1个时钟。网络中的源时钟称为超主时钟GC(Grandmaster Clock)。每个时钟的工作状态由BMC算法决定,包括主时钟MC(Master Clock)、从时钟SC(Slave Clock)和无源时钟PC(Passive Clock)3种状态。BMC算法完成选举主时钟和生成拓扑结构,通过比较时钟的属性等参数来确定哪一个时钟节点会工作在主时钟状态,进而生成拓扑结构。LCS算法完成本地时钟节点与主时钟的校准[14],如图1所示。
a.在Tm1时刻,主时钟发送Sync报文,当Sync报文到达从时钟时,从时钟记录下报文到达的时刻Ts1。Sync报文的发送时刻会通过Follow Up报文发送给从时钟,这样从时钟就获取了Sync报文从主时钟发送的时刻Tm1和在从时钟接收的时刻Ts1。
b.在Ts3时刻,从时钟向主时钟发送Delay Req报文,并且记录Delay Req报文发送的时刻Ts3,主时钟接收到该Delay Req报文的同时记录该报文的到达时刻Tm3。主时钟将Tm3时刻通过Delay Resp报文发送给从时钟。
c.从时钟接收到Delay Resp报文,至此完成一次同步过程,共获取4个时间信息,分别是Tm1、Ts1、Ts3、Tm3。从时钟根据这4个时间戳信息,计算主从时钟间的时钟偏移(TOffset)和路径延时(TDelay),如式(1)所示。
IEEE1588协议中假定报文的往返路径延时对称,根据式(1)可以推导出时钟偏移和路径延时,如式(2)所示。根据计算的时钟偏移,从时钟可以调节自身时间与主时钟同步。
1.2 硬件时间戳获取
精确的设备发送和接收PTP报文的时刻直接影响同步的精度。在IEC61850通信协议中将记录PTP同步报文离开或到达设备的时刻称为打时间戳,时间戳位置不同,得到的同步精度差别很大。软件时间戳网络时钟同步协议在局域网网络中的对时精度仅为1000μs,而IEC61850标准对电力系统中智能设备的时钟精度按功能要求划分为5个等级(T1—T5),其中用于计量的T5等级精度达到±1μs[15,16]。具备打硬件时间戳功能的IEEE1588协议能实现亚微秒的对时精度,完全能够满足IEC61850标准中的T3等级精度(25μs)。如图2所示,IEEE1588协议利用以太网媒体访问控制(MAC)层打硬件时间戳技术[17],消除了设备响应PTP同步报文的不确定延时,从而极大地提高了时间同步精度。
2 微电网精密时钟同步应用方案
从微电网分层结构特点、具体设备功能和对时钟同步高精度的要求出发,将IEEE1588协议引入微电网系统应综合考虑可靠性、稳定性、冗余性和易维护性[18]。微电网中微电网中央控制器与电网调度中心对数据同步精度的要求仅为毫秒级,逆变器和智能网关断路器由于需要传输采样值信息和并离网切换控制,其需要达到微秒级的同步精度。逆变器采用双核心(DSP与ARM芯片)的设计方案,DSP芯片TMS-320F28335用于实现数据采集与运算,ARM芯片用于实现以太网通信功能及IEEE1588功能。逆变器与智能网关断路器均采用ARM芯片STM32F407,该芯片支持IEEE1588功能。将逆变器和智能网关断路器定义为从时钟设备,将通信网络中的交换设备定义为边界时钟参与整个对时过程,根主时钟作为系统的时钟源,提供北斗卫星时间。由以上定义可以配置如图3所示的微电网精密时钟同步系统。
图3中,微电网中央控制器与电网调度中心由IEC61850协议实现1 ms的时钟同步。设计一台根主时钟作为系统时钟源,通过北斗卫星系统向根主时钟提供标准卫星时间,然后根主时钟将该时间转换成64位格式的IEEE1588时间以UDP/IP数据报文的形式向从时钟设备发送,与从时钟设备完成PTP报文的交换,实现亚微秒级别的时钟同步。当根主时钟不可用时,备用根主时钟将作为系统时钟源代替根主时钟实现系统授时。
根主时钟不仅是微电网系统精确时间来源,同时也是时钟同步系统的监控设备,通过根主时钟可以监控时钟同步系统的从时钟设备数量、北斗卫星时间是否可用等。具体的功能设计如图4所示。
根主时钟能够保证为系统提供精确的卫星时间,而底层从时钟设备采用IEEE1588协议也能保证时钟同步的高精度,但是在实际网络中数据报文通过交换机时会因为网络流量大小出现冲突、丢包等情况,无法确定报文在交换机中的驻留时间。当网络中有多级交换设备时,网络延时的不确定性会使测量的路径延时和时钟偏移与实际情况产生很大偏差。
3 实验验证
3.1 时钟同步精度的验证
为了测试微电网系统时钟同步方案的可行性,搭建了由根主时钟、子微电网控制器、智能网关断路器、逆变器、计算机和示波器组成的时钟同步测试平台。测试实验平台如图5所示。对系统内以太网通信功能进行验证后测量了系统的时钟同步的精度。
根主时钟每隔1 s(可设置)以多播方式向2台从时钟设备发送同步报文,同步报文经过根主时钟和从时钟设备的MAC层与物理(PHY)层之间的介质独立接口(MII)时,直接内存访问(DMA)中断将报文离开或到达设备的精确时间通过以太网描述符的方式发送到应用层中。从时钟设备得到4个时间戳,计算出时钟偏移和路径延时并在下一个CPU时钟周期内将时间调整与主时钟同步,同时从时钟设备的时钟频率相对主时钟的偏移将在数个时钟周期内进行校准,校准时间越长越有助于保持线性时间。
从时钟设备将路径延时和时钟偏移输出显示到计算机上,记录统计了121个数据,时钟偏移维持在4μs内,路径延时维持在14~16μs,如图6所示。
根主时钟和从时钟设备输出自身系统时间的秒脉冲信号,比较两者脉冲信号上升沿间的时间差值可以精确地测量设备之间的同步误差。示波器测量得到主从时钟的同步精度误差约为10μs,2台从时钟设备之间的同步精度误差约为8μs,实验结果如图7所示。图7各子图中,下面的波形为秒脉冲信号的局部(虚线框内波形)放大图。
对比以上2种不同的验证实验结果可以看出,经过同步后的测试系统内时钟同步精度可以维持在10μs以下,2种验证方法都能很好地验证该时钟同步方案应用于微电网中具备高同步精度,并且可以互为佐证。
3.2 微电网时钟同步技术应用
微电网时钟同步技术仅为微电网添加统一时序没有太大的实际工程应用价值,需要将时钟同步以具体的如同步采样、事件时序记录等功能在微电网中应用才能体现时钟同步的意义。智能网关断路器作为微电网接入电网的并离网切换设备,实时采集电网侧和微电网侧的电能质量数据。在数据采集中断中加入电网侧电压故障记录,当出现过电压的情况时,智能网关断路器断开电网并且记录故障时刻,实现微电网PCC故障事件时序记录。
在500 k W微电网工程中将2台经过时钟同步后的智能网关断路器过压值设为200 V后同时接入220 V电网交流母线,2台智能网关断路器出现过压故障,记录下的过压故障时刻发送到子微电网控制器后显示相差约为30μs,由此可以判断2台智能网关断路器在同一时刻发生故障。将故障信息清除,按先后顺序将2台智能网关断路器再接入交流母线,记录的故障时刻与故障发生的先后顺序一致。通过上述对比实验验证和实现了事件时序记录功能,将时钟同步技术以事件时序记录功能的形式初步应用于微电网中。
4 时钟同步系统分析
实验验证发现影响微电网时钟同步精度的因素主要有网络延时的不对称性和时钟的时钟源稳定性两方面。
(1)网络延时不对称。网络延时分为数据报文在传输线路上的延时和数据报文通过交换设备产生的延时,传输线路上的延时在实际网络中可以忽略不计。实验中采用的是普通的交换机,无法确定报文在交换机中的驻留时间。对实验中使用的交换机网络延时测量发现,在一级交换机的网络中路径延时约为14μs,而使用两级交换机时路径延时会高达160μs。解决网络延时不对称的方法主要有运用数字信号处理手段在计算网络延时中加入滤波平滑算法和使用IEEE1588协议定义的透明时钟功能的交换设备。
(2)时钟源稳定性。微电网中根主时钟和从时钟设备采用的是50 MHz外部晶振,晶振的稳定性良好。时钟频率偏差很小,但采用倍频和分频的方式会使频率偏差增大。根主时钟作为时钟源,其稳定性和安全性还需要进行压力测试、冗余测试和实际工业网络环境测试才能保证其作为系统时钟源的安全可靠。
5 结论
PTP精密时钟同步原理分析 篇3
随着网络技术的发展,分布式控制系统中对时间同步的要求越来越高。例如在机电控制、通信等领域中已经对时间同步提出了微秒级的要求。在分布式数据采集系统中,考虑到实时性的调度和控制,对时间统一的要求就更为严格。所以建立一个时间统一的分布式系统是分布式网络的基本要求[1]。IEEE1588(简称PTP,Precision Time Protocol)定义了一个在测量和控制系统中,与网络通信,本地计算和分配对象有关的精确时钟同步协议,该协议适用于任何满足多点通信的分布式控制系统,对于采用多播技术终端的时钟可实现亚微秒级同步。其协议的核心是在一个网络内如何选择最佳的主时钟以及网内的从时钟如何与主时钟保持同步。
2 PTP的网络结构
PTP网络由若干节点组成。节点可以是PTP时钟,也可以是管理节点。包含时钟的节点典型时钟同步网络如图1所示。在PTP协议中有2种时钟类型:普通时钟OC(Ordinary Clock)和边界时钟BC(Boundary Clock)。只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟,有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟,每个PTP端口提供独立的PTP通信。边界时钟和边界时钟之间的通信(如图1)通过路径B使节点13,14能相互通信,通过路径D使节点13,15能相互通信[2]。从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟,理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能,但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。
PTP通信通道拓扑形成的是一个非循环的结构,即在任何一对PTP时钟之间都不存在交替的PTP通信通道。举例来说,图1中包含13, 14, 15节点的循环通道是被禁止的。PTP协议可以通过改变所包含的边界时钟上的端口的状态(置为PTP-PASSIVE)将循环图改为非循环图。
每个PTP端口有9种状态,最主要的是PTP-MASTER,PTP-SLAVE,PTP-PASSIVE,端口状态由状态选择算法决定。每个时钟属性中都包含时钟级别,包括校准原子钟(ATOM)、无线时钟(GPRS)、NTP时钟源等,有着不同的精度和分辨率。整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC(Grandmaster Clock),有着最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC(通用协调时间)的可追溯性等特性,由最佳主时钟算法BMC(Best Master Clock algorithm)来自动选择各PTP域内的主时钟[3]。每个系统只有一个GMC,在只有一个PTP域的系统中,主时钟就是GMC。典型的主从时钟配置如图2所示。
PTP域中各节点根据最佳时钟算法被指定为九种状态之一,各从时钟通过同步机制与主时钟保持同步。PTP通信中的报文包括同步报文(Sync)、跟随报文(Follow_up)、延迟请求报文(Delay_Req)、延迟应答报文(Delay_Resp)和管理报文。
3 PTP协议原理
3.1 最佳主时钟算法
最佳主时钟算法是在一个网络出现多个主时钟情况下,比较多个主时钟的关键属性值,为本地时钟提供一个最优时钟系统源。在当前主时钟故障或性能下降时,系统可选择其他更合适的节点替代它作为主时钟。该算法独立运行于PTP系统中的每个时钟上,即是说,时钟并不诊断哪个是主哪个是从,而是根据BMC算法只计算出自己的状态。
最佳主时钟算法由两部分组成:一是数据集比较算法,比较两组数据的优劣,例如一组是代表本地时钟的缺省特性的数据,一组代表从某端口接收的同步报文所包含的信息。二是状态决策算法,根据数据组比较结果计算每个端口的推荐状态(主站、从站、待机、未校正、监听、禁止、初始化、故障状态)。
设某一典型的时钟节点C0由默认数据设置Do来描述,且该时钟有N个PTP端口,则BMC算法如下:
对每一个端口r,比较从连接到这个端口通信路径上的其他时钟的端口接收的合格的Sync报文的数据组,通过数据组比较算法决定这个端口的最佳报文Erbest。
对C0的N个端口比较各端口的Erbest决定时钟C0的最佳报文Ebest。
对C0的N个端口的每一个,根据Ebest,Erbest和缺省数据组D0,用BMC状态决定算法和应用端口的状态机决定端口的状态。状态决策算法的流程图如图3所示。
3.2 PTP的时钟同步机制
PTP协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间,每个从时钟通过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。这个同步过程分为两个阶段:偏移测量阶段和延迟测量阶段。
第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差,称为偏移测量。为了简化问题,我们先考虑一个主时钟与一个从时钟的同步过程,其同步过程如图4所示。
(1)主时钟每2秒钟(同步报文的间隔是可设置的,这里假设为2秒)向从时钟发送一个“同步”(Sync)报文。这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值,从时钟测量接收的准确时间如图4所示的TS1。
(2)第二步主时钟向从时钟发送一个“跟随”(Follow_up)报文,此报文与同步报文相关联,且包含同步报文放到PTP通信路径上的更为精确的估计值如图4所示的TM1。从时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量,然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间,如果在传输路径中没有延迟,那么两个时钟就会同步。
为了提高修正精度,考虑主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间的因素,即延迟 测量,这是同步过程的第二个阶段,其同步过程如图5所示。
(1)从时钟向主时钟发送“延时请求”(Delay_Request)报文(延时请求报文的间隔是独立设置的,一般应较同步报文间隔长),这个报文中包含此报文准确的发送时间,然后主时钟记录准确的接收时间。
(2)主时钟向从时钟返回一个“延时响应”(Delay_ Response)报文,这个报文带着先前的“延时请求”报文的准确的接收时间标记,从时钟利用这个时间和由它所记录的准确的发送时间,可计算出主时钟和从时钟之间的传输延迟并调整它的时钟漂移误差。
与偏移测量不同,延迟测量是不规则进行的,其测量间隔时间比偏移值测量间隔时间要大。这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。
经过延时报文的请求和应答以及同步报文的时间标记,可以计算出两个方向的平均传输延时,在以后的计算中就可以使用。实际上偏移与延时值的测量是互相影响的,要经过多次测量和计算,才会逐步收敛到接近实际值。测量时间间隔的选取很重要,选择间隔短时通信负荷较重,间隔过长则不能保证同步的精度,所以同步和延时的测量间隔应根据同步要求和系统配置选择。
4 影响同步的因素
4.1 通信通道的对称性
从PTP的同步原理可以看出,PTP终端设备为计算其网络延迟和时钟偏移所进行的四次测量都是建立在一个假设的基础上,即报文的传输延迟Delay在传输方向上是相同的。但这只是一种理想情况,在大网络负载的情况下,这种假设几乎是无法保证的。而且目前我们所使用的因特网电缆在设计时就采用了很小的不对称设计,用以减小远程末端的串扰(FEXT:far end cross-talk)。在这种情况下,随着网络负载的增加,Delay在传输方向上的差异会越来越大,造成同步精度的下降。
4.2 线路延迟的偏差和时钟的稳定性
从PT P报文线路延时的计算过程看,由于从终端在接收到同步报文后要随机延长一段时间ΔTs后再发出延迟请求报文,在这段时间,相应的主时钟也会产生一段计时ΔTm,在实际系统中,这是由于主从时钟所采用的晶振源和计数器并不相同,这就导致时钟的运行速度并不相同,因而也不可能等于,那就会对延迟的准确性产生影响[1,2,3,4]。
此外 ,由于主从时钟之间的运行速度的差异,因而主从两边的时间戳的分辨率也将不同,从而导致主从时钟同步时隙的差异,再加上晶振漂移的影响,因而Δ所引起的误差将会更大。因此,只要主从时钟采用相同的时间标尺,就能减小甚至忽略Δ带来的同步性能下降。但在实际系统中,由于主从时钟不可能在速度上完全匹配,这就必须通过多次的时间同步对从时钟的晶振进行速度补偿,尽量减小主从时钟之间的速度差异。
5 结束语
本文只对PTP协议同步的基本原理进行了阐述,分析了对同步系统产生影响的主要因素。从目前的试验和应用来看,PTP精确时间协议可以达到亚微妙级的同步精度,并且有可能达到更高的精度。PTP协议为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效地解决方案,但同时也存在一些尚待进一步研究的问题。如主时钟的容错性能,振荡器的稳定性对时钟的影响等。该协议在2007年5月推出第二版,新增了报文类型和透明时钟的概念,较第一版更加详细完善。相信以后会有更加完善的版本出现,也会有更多的具体应用可以参考。
参考文献
[1]赵本煊,刘锦华.IEEE1588高精度同步算法的研究和实现.电光与控制,2006,13(5):90-91
[2]IEEE Std.1588-2002.IEEE Stand for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Sys-tem[S].2002.
[3]刘明哲,徐皑冬,毕宇航.确定性实时通信以太网研究[J].仪器仪表学报(增刊),2005(8):505
如何解决OTN网络时钟同步传递 篇4
2008年底IEEE推出的1588v2国际标准成为了最佳方案, 同年各设备厂家开始了1588v2技术的设备研发工作, 经过近两年的发展, 1588v2同步技术已经逐渐成熟。但是, 由于1588时间同步技术早期应用在工业自动控制领域, 1588v2在电信领域应用是一项崭新的技术, 稳定可靠的运行部署仍然是目前业界研究的重点。
对于目前应用广泛的OTN传输承载网络, 整个网络逐步向同步方向转型, FDD到TDD发展是大趋势。对实现时钟同步和传递提出了更高的要求, 目前, 业界的标准通过1588V2时钟同步协议对时钟进行高精度全网同步。
1 1588V2同步协议基本原理
1.1 1588V2同步协议定义
IEEE 1588V2是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准, 定义了以太网络的PTP (精密时钟同步) 协议, 精度可以达到亚纳秒级, 实现频率同步和时间 (相位) 同步。通过1588 V2协议提供时钟和时间的同步是电信级IP网络为转型所做的技术变革和创新之一。1588 V2同步原理采用标准协议报文和BMC选源算法决策最佳时间源, 完成同步功能。时钟同步过程简要如图1所示:
主从时钟之间的时间差及链路延时的计算方法如下:
1.2 1588V2同步时钟
目前, 各厂家OTN设备大部分都支持1588 V2特性, 满足移动回传网络对时间和频率同步的需求。相对其他时钟处理方案, 1588V2时钟方案有其独有的优势, 时钟源支持GPS/北斗等多种时钟源, 网络中只需要配置主备两个BITS设备, 设备可以通过协议同时对时钟和时间进行同步
1588v2时钟工作模式主要采用网元工作模式类型, 共有BC、OC、TC、TC+BC四种模式, 即:普通时钟、边界时钟、透明时钟、普通时钟+透明时钟四种模式。BC节点在实际应用中, 设备本身的时间可同步于上游网元, 也可以把设备时间向下游设备分发。BC模型相当于时间中继器, 是OC两种类型的混合体, 既可以恢复上游时间, 又可以作为时钟源往下游传递时间。BC模型包含OC模型, 一般用于中间位置的网络节点。由于OTN网络处于承载网络, 一般处在网络核心层, 不进行具体客户业务接入, 所以时钟模式配置基本都为BC模式。
2 OTN网络的同步时钟
2.1 OTN网络同步方案
一个完整的1588v2同步网络由时钟/时间源、承载网、基站三部分组成, 我们OTN设备属于承载网部分, 如图2所示。承载设备一般采用分层结构, 可分为骨干层、汇聚层和接入层, 按照不同网络规模三个层次可以合并, 如某些场景, 骨干层和汇聚层融合。承载网的网络拓扑一般分为环形、树形、链形、星形等, 由于同步网络需要实现网络保护, 建议采用环形网络, 末端可以采用链形组网。承载网的OTN设备从主备BITS设备接入时钟和时间源, 通过中间网络传输至IPRAN设备, IPRAN设备再完成基站或其他用户设备对接。
图3是典型的OTN 1588V2组网, 汇聚层为OTN设备, 接入层为IPRAN设备。
同步是指两个或两个以上信号之间, 在频率或相位上保持某种特定关系, 即两个或两个以上信号在相对应的有效瞬间, 其相位差或频率差保持在约定的允许范围之内。同步可分为:
1) 时钟同步 (频率同步)
频率相同/频率锁定;相位不同/固定相位差;时间不同/UTC时间不一致
2) 时间同步 (相位同步)
频率相同/频率锁定;相位相同/无相位差;时间相同/UTC时间一致
传统的固网分为TDM网络和分组网络, TDM网络对承载网络的同步要求为频率同步, 如果承载网络两端的时钟不一致, 长期积累后会造成滑码, ITUT-G.823 (4.6ppm) 中定义了对固网TDM业务的需求和测试标准, 称为TRAFFIC接口标准。纯分组网络不需时钟同步。
无线网络对时钟的要求远比固网苛刻, 不同基站之间的频率必须同步在一定精度之内, 否则基站切换时会出现掉线。
OTN设备注入源一般为BITS设备, 中间网络通过ESC或者OSC通道进行时钟/时间传输, OTN设备与IPRAN设备, 可分为业务和1PPS+TOD对接。OTN设备可以使用支持时钟功能的业务单板通过1588V2报文进行业务端口对接, 实现时钟和时间同步的功能。也可以通过时钟板带外2M或RJ45端口时钟板和BITS设备通过1PPS+TOD对接。其中方式二为目前业界推荐使用方式。如图4:
OTN内部对接主要完成OTN层面的1588功能传输, 确保BITS的时间精度通过OTN层后, 传入IPRAN层面后到基站。OTN内部传送模式主要分为光层模式和电层模式两种, 光层模式主要通过网络中的监控信道实现时钟和时间同步传送, 电层模式主要通过网络中支持1588V2时钟传送的业务单板通过业务通道实现时钟和时间的同步传送。目前, 网络应用较多的为第一种通过监控信道完成时钟同步传递的方式。
OTN和IPRAN设备对接和BITS对接情况类似, 主要包括业务和1PPS+TOD对接两种模式, 目前应用比较普遍的是1PPS+TOD对接方式。
2.2 OTN网络时钟的规划及部署
那么该如何规划OTN网络时钟呢?时钟的规划各个厂家在配置时可能略有不同, 实际情况需要参考厂家设备特性。
首先需要确定当前OTN网络是否具备支持1588V2时钟功能, 确定原则:现网支持1588V2单板覆盖90%以上网元, 则现网支持1588V2功能开通。新网开通建议采用光层传送方案。网络配置情况确定后, 需要对BITS设备进行选址, 选取主备两个BITS, 一般放置在环网。确定同OTN设备对接的BITS设备的厂商;采用1PPS+TOD或业务对接方案。确认完成后, 需要确认IPRAN设备接入局点以及设备1588V2功能开通情况、设备厂商信息。确定OTN设备和IPRAN设备对接方案, 注意OTN设备完成调测后再同IP-RAN对接。然后完成整个网络1588V2时钟的规划和部署。主要完成:规划组网, 输出BITS对接、PTN对接、OTN对接方案, 确定OTN单板。确定时钟方案:根据OTN单板支持情况, 首先规划物理层时钟同步。启用SSM协议原则规划 (具体参考选源算法协议的SSM协议) 。BMC选源需要规划网元优先级 (具体可参考体参考选源算法协议中BMC部分) 。
完成网络时钟规划, 网络新建或改造施工完成后, 就可以进行1588V2时钟的部署了。现简要介绍一下1588v2时钟部署的方式及注意事项。
1588V2时间同步有以下两种模式, 物理层时钟+PTP时间同步开通1588V2和PTP时钟+PTP时间同步开通1588V2, 两者主要区别在于频率的同步方式不同, 由此带来的网管设置界面也有所不同。文档主要以物理层时钟+PTP时间同步开通1588V2进行说明。首先需要在OTN网元上完成配置时钟同步源模式操作。然后配置网元PTP时间同步属性, 配置网元节点工作模式, 使能或禁止时间校准模式, 如果网元只是需要用到频率同步, 不需要时间同步, 需要关闭PTP时间校准功能;如果既需要频率同步又需要时间同步, 打开PTP时间校准功能。
完成PTP时间同步属性设置后, 需要配置时钟板外接端口级联模式。与BITS/PTN设备相连的端口或手动配置源需要设置为禁止。作为主从子架时钟板级联的端口需要设置为使能。其它无网线连接的端口设置为未使用。最后添加PTP端口使能。设置完成后, 进行时钟同步源的优先级、时钟保护属性、时钟质量及恢复模式等设置。然后需要完成PTP端口配置, 配置PTP时钟同步模式, 要特别关注“配置清单”中参数, 一般要求SYNC报文周期8/1024, 其他报文采用默认值即可。另外需要配置PTP端口线缆传输偏差, 用于补偿时钟在传输过程中产生的偏移。补偿时的偏差方向 (正负) 、偏差模式 (时间/长度) 根据实际测量值进行选择。完成以上配置后, 进行时钟子网属性配置, 配置外时间接口时钟属性及传输距离。
3 结束语
总之, 在规划1588V2功能和物理层时钟时, 对于新建网络或网络1588V2改造的网络建议采用光层传送方式, 即通过网络监控信道完成时钟的传送。减小业务损伤降低工程部署和维护成本。
参考文献
[1]黄晓庆.PTN-IP化分组传送[M].北京:北京邮电大学出版社, 2009:105-120.
[2]常习海.电信技术[M].北京:人民邮电出版社, 2010.
无线传感器网络时钟同步研究 篇5
节点集成了传感器、处理器、无线通信模块并以Ad Hoc方式构成大规模传感器网络，网络中节点协作完成数据采集、融合处理, 通信发送等任务。作为分布式自治系统，无线传感器网络具有高灵活性、强鲁棒性及高智能度等优点，可被广泛应用于国防、环保、交通、医疗, 以及制造业等多个领域。时钟同步是无线传感器网络的一项重要支撑技术，传感器网络自身协议的运行及基于其上的应用，如:标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等都需要网络中节点的时钟保持同步。无线传感器网络中节点众多，节点的能量、带宽、处理能力等相对受限，这就要求时钟同步算法必须具有扩展性好、低通信开销、低计算复杂度等特性。
（二）无线传感器网络节点时钟不同步的原因及研究现状
几乎所有的节点的计时装置都有相同的结构：有一个特定频率的晶体震荡器(Oscillators)和一个计数寄存器(Counter register)，没出现一个震荡脉冲寄存器就增加1。只需要访问寄存器，并读取计数值就可以知道当前时间，两个计数的间隔就是时间分辨率(Time resolution)。
节点i在世界协调时间t时刻的硬件时钟(Hardware clock)值表示为Hi (t) 它是一个提供单调上升的时间值的计数寄存器的抽象。计算这个值的本地软件时钟(Software clock) iL (T) 的方法是对硬件时钟做仿射变换：Li (T) =θi iHi (t) +ϕi。ϕi是相位漂移(Phase shift)，θi是漂移率(Drift rate)。通过改变ϕi和θi可以影响寄存器的计数，从而达到矫正时钟的目的。时钟不同步主要是由下三点造成的：1、所有节点都是在不同时间开启的，实质上是随机开启的。如果没有矫正它们的初始相位ϕi也应该是随机的。2、晶体震荡器的实际频率通常与它的标称频率有一点微小的偏差。频率偏差可能是因为晶体不纯净引起的，也可能是因为震荡器随压力、温度等环境因素发生变化而引起的。对于现有的无线传感器网络节点，时钟漂移范围在1×10-6～100×10-6之间。1×10-6的偏差对应每11.6天差1s, 100×10-6的偏差对应于大约每2.78h差1s。3、震荡器的频率也是时变的。有短期变化—由温度变化、电源电压变化、空气压力变化等因素引起的;还有长期变化—由震荡器老化引起的。
由上面讨论可得出：即使两个节点有相同类型的震荡器，以相同的逻辑时钟同时启动，随着时间的增加，两个节点的硬件时间差也可能变的非常大。所以，在网络中需要时钟同步协议。
目前，无线传感器网络有多种时钟同步协议，其中以RBS (Reference Broadcast Synchronization) 、Post-facto和TPSN (Timing-Sync Protocol for Sensor Networks) 为代表。RBS和TPSN能够提供较高的同步精度, 但需要较高的通信消耗，并且其通信消耗和参与同步的节点数量成正比，在大规模的网络内性能受到较大制约。Post-facto为事件发生后的同步方法，但在多个事件同时发生时容易引起系统时钟的不稳定。
（三）基于PCO同步模型的无线传感器网络时钟同步算法
针对大规模无线传感器网络，传感器网络的节点数目众多，分布密集，节点数量和密度都要比Ad hoc网络高几个数量级，因此算法应具有很强的可扩展性。本文提出了基于PCO (Pulse-Coupled Oscillators) 同步的无线传感器网络时钟同步算法。PCO模型早期是用于研究大群的萤火虫为何能有组织的同步发光。后来由Pekin建立了PCO模型从数学观点上证明了该模型的收敛性。下面简单介绍一下Pekin的PCO同步模型。
网络中每个节点都模拟RC放电过程的方式发送脉冲，其脉冲能量状态可表示为x (t) ∈[0, 1]。那么节点i的脉冲能量状态可表示为ix (t) 。取τi为ix (t) 到达发射脉冲的阈值，那么xi (τi) =1。此时节点瞬间发送一个时间脉冲q (t) 与此同时把ix (t) 置0，也就是xi (τi+) =0。当其他节点收到时间脉冲q (t) 时，如果还没有到达发射脉冲的阈值那么就使x=x+ε，称ε为耦合系数。此函数为周期性函数，既可表示为：fi (θi) =xi (τi+φiT) ，iφ∈ (0, 1]如图1所示。
在Pekin的模型当中这个方程称做震荡动力方程。iφ为节点i的瞬时时间。这个函数必须为一个单调增加的上凸函数，且必须满足x (t) ∈[0, 1]、φ∈[0, 1]、f'>0、f''<0。
在Pekin的PCO模型当中这个函数可以被设计为：
也就是IF (integrate-and-fire)模型。因此可以得到：
其中C=1/ (1-e-γT) , 而T=γ-1ln[S0/ (S0-γ) ]其无噪声状态下的模型如图2所示。
同步过程：
假设有N个无线传感器网络节点随机分布在一个固定区域中，并期望各个节点都与主节点(也就是汇聚节点sink-node)进行同步。此网络为单跳网络，也就是说网络中任何节点都可以收听到节点1的信息。网络中每个节点都在初始时建立一个节点标号i。网络中各个节点都以PCO形式记时fi (θi) =xi (τi+φiT) ，当主节点到达阈值同时发送一个时钟脉冲q (t) 。当其他节点收到时钟脉冲q (t) 时，如果还没有到达发射脉冲的阈值那么就使x=x+ε。当一定周期后，整个网络中节点的PCO计时方程会达到同步。子节点以PCO脉冲达到阈值为中断信号，为避免数据拥塞，以此中断延时ims发送测量到的数据到主节点并在数据包中附带节点标号i。由于无线传感器网络是基于数据的网络，主节点通过对收到的数据进行处理便可使全网络可达到时钟同步。
（四）仿真结果
代入适当的参数γ=2、ε=0.1、T=1到公式1，可以得到f (φ) =1-e-21-e-2φ。假设每个节点的初始时钟是随机分布的。用计算机模拟100个节点的情况，以任一个节点为基准进行返回映射分析，时间轴以震荡的自然周期为单位，每个周期10等分，每小段同步了的节点数目用竖条表示，如图3所示
开始阶段有少数节点同步，系统缓慢的组织变化，随后同步加速形成，在t=7T时系统形成同步。下面以同一组初始状态进行分析，考虑各个参数对同步过程的影响。
1.同步化速率正比于γ
当γ取0.2, 0.25，…, 2时，从整体趋势上来看同步化时间随γ的增大而减小，即同步化速率随γ的增大而增大。如图4所示
2.同步化速率正比于耦合系数ε
当ε取0.020, 0.025，…, 0.100时，从整体趋势上来看同步化时间随ε的增大而减小，即同步化速率随ε的增大而增大，如图5所示。
（五）结论
基于PCO模型的无线传感器网络时钟同步算法可以有效的达到无线传感器网络时钟同步的要求，本文只考虑单跳网络的情况，但要达成整网时钟同步, 时钟同步算法还必须提供多跳同步支持。在后续研究中还需要对本算法进行扩展来实现实际网络的应用。但基于PCO的同步机制的可扩展性极好, 可以有效的消除上层干扰，可以只通过物理层的相互作用有效的完成同步，因此它非常适用于大规模无线传感器网络的时间同步。
参考文献
[1]Hong Yao-Win, Scaglione Anna.A scalable synchronization protocol for large scale sensor networks and its applications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23 (5) :1085-1099.
[2]Hu A, Servetto S D.Algorithmic aspects of the time synchronization problem in dense sensor networks[J].ACM/Kluwer Journal on Mobile Networks and Applications (MONET) , 2005, 10:491-503.
[3]Mirollo R E, Strogatz S H.Synchronization of pulse-coupled biological oscillators[J].SIAM Journal on Applied Mathematics, 1990, 50 (6) :1645-1662.
[4] (德) 卡勒, 维里西.无线传感器网络协议与体系结构.邱天爽, 等译.北京:电子工业出版社, 2007.1:173-175.
数字通信网的时钟同步方式 篇6
关键词：数字通信网,时钟同步,滑动
一、引言
随着通信技术的发展, 以前的模拟通信网已经逐步淘汰, 数字通信网已经初具规模, 并且以很高的速度向前发展, 出现了数字数据网 (D D N) 、异步转移模式 (A T M) 网、综合业务数字网 (I S D N) 等数字通信网。随着数字通信网向更高传输速率的发展, 数字网的同步技术越来越成为数字通信网规划时考虑的重要问题。
所谓数字通信网的同步是指对网内各交换点或转接点的时钟频率、相位进行统一协调, 使各个节点的时钟频率和相位一致, 包括帧同步和时钟频率同步两个方面的内容。其中时钟同步是数字通信网工作的基本条件, 也是主要问题。本文主要介绍通信网的时钟同步。
二、数字通信网同步的几种方式
数字通信网同步方式有准同步方式、脉冲塞入同步方式、主时钟同步方式、主从同步方式、互同步方式五种基本方式, 以及由它们组成的各种混合同步方式。下面简单介绍这几种同步方式。
1. 准同步方式
准同步又称独立时钟方式。这种方式并不要求全网处于同步状态, 而是要求在所有交换节点处都使用高精度的时钟, 从而使两个节点之间的滑码率降低到可以接受的程度。这种方法最容易实现, 缺点是网络中较小的交换节点也要安装高精度的时钟源, 费用太高。大型的通信网络通常采用这种准同步方法, 如国际数字网的连接即采用此种方式。在设计中已经规定所有国家的出口数字交换局的时钟稳定度为10-11量级。
2. 脉冲塞入同步方式
脉冲塞入同步方式是在PCM系统的高次群数字复接方式中采用的同步方法。这种同步方式中各节点的时钟频率不一定完全相等, 但要求时钟频率高于传输的信息码速率, 在传输过程中人为在各被同步的信号中插入一些脉冲, 通过控制插入脉冲的多少来使被同步的瞬时码速率一致, 以达到同步的目的。这种同步方式因为在每一个转接接口处都需要单独地对每一路输入信号采用塞入脉冲的方法, 所以用来解决全网的同步问题是不经济的, 因此实际很少采用这种同步方式。
3. 主时钟同步方式
主时钟同步方式是将一个主基准时钟分别送到所有交换节点, 使这些交换节点都锁定在一个共同的频率上。也就是网内的所有节点都直接与主时钟相连。这就意味着需要一个单独的传送基准时钟的网, 并且, 为了提高时钟传送的可靠性, 还应为节点提供迂回路由。由于这种传送方式费用太高, 故一般不采用直接向节点传送时钟的主时钟同步方式。
4. 主从同步方式
解决主时钟同步方式缺点的一种方案是采用信息链路本身传送主时钟, 其网络结构如图1所示。这种同步的方法是在整个通信网中只设一个高精度的时钟源, 网的主时钟只传送到少数几个级别较高的交换节点, 这些节点的时钟通过锁相环与主基准时钟同步, 主节点在消除了时钟中的链路抖动之后, 就通过现有的数字链路把基准时钟继续传送到级别较低的节点。这种逐步向下传送基准时钟的同步方式就叫作“主从同步方式”。这种同步方式因为网中所有的节点都直接或间接地与同一个基准时钟同步, 各节点都以同样的时钟频率在运行, 因而一般不会出现滑码。
一个采用主从同步方式工作的节点如图2所示。各个节点的时钟都是通过锁相环与主时钟源保持一致, 由于各个节点的连线长度不同, 因而时延就不同, 则信息码流相位也不会完全一致, 所以各个节点来的信息码流要经过缓冲存储器以解决其相位不一致的问题。这种工作方式的优点是时钟稳定可靠, 设备简单。缺点是当主时钟出现故障时, 全网通信就会中断, 即使有副时钟源, 要使时钟源快速切换而不影响全网正常工作及应付复杂的通信网中所有的故障也是十分困难的。但这种网同步方式简单易行, 所以在小型的通信网中应用十分广泛。
5. 互同步方式
为了克服主从同步方式过于依赖主时钟的缺点, 人们提出了相互同步的概念, 相互同步如图3所示。这种同步方式是网内各局都有自己的时钟, 但在各局相互连接时, 它们的时钟相互影响, 相互控制, 最后使全网的时钟频率调整到一个统一的频率上。显然, 这个统一的频率与全网各个节点的时钟都有关, 由于网内有多个时钟, 其频率变化可以相互抵消, 故网频率的稳定性一般比网内各时钟源的频率稳定性更高一些, 且互连的节点越多, 稳定性也就越高。但是, 网频率从起始到最后稳定需要一定的时间, 且在稳定后, 若某节点的频率或相位有变化, 网频率也随着变化, 最后又稳定到某一值, 而这之间的站暂态现象会使信号产生误码, 故要求网内各个节点频率的变化尽可能的小, 调整时间尽可能的短。
这种同步方式的优点是网内任一节点出了故障, 只影响本节点, 其他节点可正常工作;缺点是控制线过多, 节点设备复杂。
主从同步方式及相互同步方式称为全网同步方式。混合同步方式综合了这两种同步方式的优点, 通过对频率的稳定度分等级进行相互同步。若高一级的时钟出现了问题, 可以使用低一级的时钟。
三、通信网的滑动
在数字网中传输数字信号时, 若数字交换设备之间的时钟频率不一致, 或者数字信号在传输的过程中受到相位的漂移和抖动的影响, 数字交换系统的缓冲存储器将产生溢出, 这就现象就叫滑动。
滑动是数字链路产生失步的因素之一, 在数字网中产生滑动的原因包括两个方面。一是传输链路受工作环境影响, 这是由于传输设备环境温度的变化而引起的;另一种是时钟速率不一致引起的。
在规划数字同步网时, 要考虑以下几个问题:
1滑动指标:服从滑动指标的分配和对基准时钟、从钟的基本进网要求。
2漂移指标:基准时钟漂移小于3μs;数字网内任何节点之间信息传输系统的漂移小于6μs。
3从钟:对从钟以及进网不可缺少的监测、告警和控制功能作出相应的规定。
4同步网的可维护性:为确保数字同步网在满足滑动指标的条件下正常运行, 数字同步网应具有统一、可靠的监测 (含显示) 、告警和控制功能。
四、结束语
本文主要根据实践经验对数字通信网的时钟同步的概念进行了简单的介绍, 介绍了几种时钟同步的方式, 并且浅析了通讯网滑动的概念及其原因。
参考文献
[1]周炯槃.通信网理论基础.人民邮电出版社
[2]通信系统.子工业出版社
分组时钟同步 篇7
Ether CAT (Ethernet for Control Automation Technology) 是德国BECKHOFF公司于2003年提出的一种实时以太网技术, 它遵循标准的以太网技术, 采用灵活的网络拓扑机构, 具有实时性高, 系统配置简单, 数据传输率高等优势。IEC于2007年12月将Ether CAT列为IEC61158和IEC61784工业以太网标准, 而后基于EtherCAT的技术研发与应用得到了快速发展。EtherCAT在时钟同步方面的优势优于其它多种工业以太网技术, 采用DC (Distributed Clock) 分布时钟同步控制技术的EtherCAT主从控制设备在网络上共享系统时间, 多个设备可同步动作并在同一时刻上传采样数据, 这种控制方式在要求同步动作的分布过程, 如CNC多轴运动控制场合下显得尤为重要。
1 EtherCAT时钟同步
1.1 EtherCAT通信简介
EtherCAT使用标准的IEEE802.3以太网帧结构, 主站方面在硬件上只需一块标准的NIC网卡即可完成通信。EtherCAT使用0x88A4作为其以太网类型, 以区别于其他以太网帧。因此, EtherCAT报文帧可以和其他以太网协议帧在同一网络上传输。在控制方面, EtherCAT采用主从式控制方式, 网络上至少包含一个EtherCAT主站和一到多个EtherCAT从站设备。在时钟同步方面, EtherCAT采用基于IEEE1588的时间同步机制以实现分布时钟精确同步。
1.2 EtherCAT时钟同步机制
EtherCAT时钟同步机制定义了一种系统时间, 它开始于2000年1月1日0点0分, 精度为1ns, 有32位和64位2种系统时间。系统时间一般由EtherCAT网络上第一个具备分布时钟功能的从站设备的本地时钟 (被称为参考时钟Reference Clock) 提供, 所有其它设备 (包括主站设备) 的本地时钟 (也称为从时钟Slave Clock) 时间都将同步于这一系统时间, 设备的应用程序也将同步于系统时间。
在实现上, 参考时钟时间一般被EtherCAT主站时钟 (Master Clock) 时间初始化, 主站的时钟时间一般以一个全局的时间 (如RTC (Real-Time Clock) , 主站PC时钟, IEEE1588精准时钟, GPS等) 作为参考。
时钟同步的同步过程分为以下三步:
1) 传输延迟 (Tdelay) 测量
传输延迟主要是由于EtherCAT报文帧在网线上的传输时间引起的, 可造成从站之间微秒级别的时间偏差。EtherCAT主站会发送专门的传输延迟报文帧, 每个从站设备锁存接收到报文帧的本地时间并通过报文传递给主站。主站收集返回的报文帧并根据网络拓扑计算传输延迟。
2) 系统时间偏差 (Toffset) 补偿
本地时钟与参考时钟之间的偏差主要有2个原因造成:1) 报文帧在参考时钟与从站时钟之间的传输延迟;2) 从站设备的上电时间差异。从站设备的本地时钟时间将会与参考时钟的系统时间进行比较, 其差值将写入各个从站的系统时间偏差寄存器。这样, 每个从站设备都保留一份参考时钟的时间副本, 实现了所有设备共享一个系统时间。
3) 时钟漂移 (Tdirft) 补偿
由于各个从站设备的时钟源不同, 其时钟晶振频率会有微小偏差, 会造成不同时钟的运行有快有慢。漂移补偿一般通过周期的比较本地时钟的系统时间副本与当前的系统时间之间的偏差来进行补偿 (通过不断的调整本地时钟的运行速率实现) 。
以参考时钟系统时间小于从站本地时钟时间为例, EtherCAT分布时钟同步过程如图2所示。
EtherCAT主站根据网络拓扑结构计算出各个从站的传输延迟Tdelay和系统时间偏差Toffset之后, 将值分别发送到对应从站的时钟寄存器, 完成静态同步过程。这样, 每个从站内部都会有独立的系统时间本地拷贝Tlocal copy time, 如式 (1) 所示。漂移补偿是动态的持续过程, 式 (2) 用于计算从站的漂移误差ΔTp, 如果ΔTp为正, 表面从站的本地时钟快于参考时钟, 要降低本地时钟的频率, 反之亦然。
Tlocal copy time=Tlocal time+Toffset (1) ΔTp=Tlocal time+Toffset-Tdelay-Tsystem time (2) EtherCAT从站控制器芯片ESC通过相关的寄存器完成分布时钟同步操作。从站ESC的分布时钟DC功能块结构如图3所示。
以ET1100为例, 其同步控制相关寄存器如表1所示。
2 EtherCAT时钟同步技术在CNC控制系统上的应用
2.1 基于EtherCAT总线的CNC运动控制网络模型
EtherCAT主站模块作为CNC控制系统的通信主站, 以沈阳机床设计研究院研发的飞阳数字伺服驱动器 (支持EtherCAT接口) 为EtherCAT从站设备, 构建3轴CNC铣床数控系统, 通过分布时钟同步技术, 实现了各个伺服驱动器之间的同步动作以及同步位置采样功能。其控制网络拓扑如图4所示。
其中, 运动控制器和PLC负责多轴轨迹插补, 位置控制以及逻辑控制, 通过共享内存机制与EtherCAT从站设备驱动模块进行实时数据交互。EtherCAT主站协议栈负责EtherCAT应用层协议的解析, 主站状态机转换, 从站设备信息配置, 非周期数据和周期数据读写等操作并提供API函数接口供用户程序调用。EtherCAT从站设备驱动模块对应特定的伺服驱动从站, 通过API函数调用以及共享内存机制完成与上层CNC和PLC以及下层网络通信的交互操作, 主要实现了对伺服驱动从站的注册, 参数配置以及周期数据读写等功能。飞阳伺服驱动器采用BECKHOFF的ET100芯片作为从站控制器, 采用DSP2812作为从站微控制器。ESC与DSP之间通过PDI接口进行参数配置数据, 命令数据以及驱动器反馈数据的交互, 采用周期性生成的Sync0信号作为DSP的外部中断信号, 实现各从站周期数据的同步。
2.2 EtherCAT主站同步功能实现
EtherCAT主站模块支持分布时钟同步功能, 其对分布时钟的处理操作与EtherCAT规范相一致。首先, 主站浏览从站上的所有设备, 检测从站是否具备分布时钟功能 (包含32位的分布时钟寄存器或64位分布时钟寄存器) 。之后, 主站将广播发送传输延迟测量报文帧到所有支持分布时钟的从站设备, 收集返回的报文帧并根据网络拓扑结构计算传输延迟和各个从站的系统时间偏差, 将结果分别写入各个从站设备的传输延迟寄存器 (寄存器地址0x0928-0x092B) 和系统时间偏差寄存器 (寄存器地址0x0920-0x0927) , 这样各个从站设备包括参考时钟设备将完成粗同步。若从站设备配置有SYNC0信号以同步其本地应用程序, 则主站将发送同步误差检测报文检测从站设备的系统时间与参考时钟时间的同步精度, 当此同步精度达到预定范围之内时 (例如5us的同步精度) , 则主站将配置SYNC0信号的周期时间寄存器 (寄存器地址0x0990-0x0997) 和起始时间寄存器 (寄存器地址0x0990-0x0997) 并激活同步控制单元寄存器 (寄存器地址0x0980-0x0981) , 最后, 当配置的SYNC0信号起始时间到达时, SYNC0信号将周期产生, 作为从站微控制器的外部中断以同步从站应用程序。主站同步处理的软件流程如图5所示。
以上的软件流程可以完成从站的传输延迟补偿以及系统时间补偿和SYNC信号的生成, 对于动态的漂移补偿, 主站可以通过周期发送报文帧将参考时钟的系统时间分发给从站时钟, 以不断调整从站设备时钟速率, 实现精细的同步误差补偿。
2.3 CNC控制系统的同步通信时序
EtherCAT的从站控制器芯片ESC支持同步信号SYNC0/1和锁存信号LATCH0/1, 同步信号可用于从站设备微控制器的中断信号, 数字量输出更新以及输入采集等同步操作。从站ESC在同步到参考时钟时间之后, 其系统时间寄存器保留有参考时钟时间在本地的副本, SYNC0信号则基于此副本时间周期产生, 作为从站DSP的中断信号。DSP在中断服务路径ISR里面处理总线通信数据:1) 来自CNC的命令数据, 即伺服驱动器控制指令和速度指令;2) 伺服驱动器状态反馈和编码器位置反馈。CNC与从站设备的同步通信时序如图6所示。
其中, I和O为CNC处理总线通信以及其他数据信号的时间;Calc为CNC的任务处理时间, 包括插补, 位置控制, 状态检测和其他逻辑处理部分。CNC在处理完总线IO输入输出数据之后, 会调用相关的读写函数将数据传输到硬件网卡设备, 网卡通过RJ45接口将数据传输出去。这种周期性的处理与调用时间 (Comm Cycle) 即是CNC的控制周期, 也是EtherCAT总线的通信周期, 系统配置为1ms。Ether CAT报文帧通过寻址模式寻址到对应的从站设备。当从站的ESC接收到报文数据之后, 会触发一个同步管理器 (SM) 事件以通知DSP新的数据可用。在上图的Calc+copy Outputs时间之内, DSP通过PDI接口从从站的ESC的双端口RAM区域处理并拷贝新的指令数据 (伺服的控制指令和速度指令) 到DSP本地存储区域。从站ESC的SYNC0信号一般要延迟于网络报文帧一段时间, 这个时间在从站通过分布时钟同步之后由主站保证。SYNC0信号发生后, 作为外部中断源输出给DSP, DSP在SYNC0的中断服务路径可完成本地的数学与逻辑处理操作 (App Cycle) ;之后, DSP将更新伺服状态数据以及编码器反馈数据并在Calc+copy Inputs的时间内通过PDI接口将反馈数据拷贝到从站ESC的双端口RAM区域。反馈数据将在下一通信周期到来之时拷贝到报文帧并传输给CNC。
3 结束语
本文详细描述了EtherCAT总线的同步通信机制, 给出了基于EtherCAT分布时钟同步的CNC多轴控制网络模型, 分析了EtherCAT主站的时钟同步处理流程并给出了CNC系统与从站伺服设备的同步通信时序。
摘要：研究并分析了EtherCAT总线的时钟同步机制, 对EtherCAT软主站模块及飞阳伺服驱动器从站进行了同步时钟功能的开发, 构建了基于同步时钟的运动控制总线网络模型, 实现了高精度的多轴数控系统的联动控制。
关键词：EtherCAT,时钟同步,伺服驱动
参考文献
[1]樊留群.实时以太网及运动控制总线技术[M].上海:同济大学出版社, 2009.
[2]郇极, 等.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2010.
[3]汪雅楠, 谭南林.EtherCAT时钟同步的误差仿真分析[J].自动化技术与应用, 2011, 30 (7) :22-26.
[4]刘鑫, 闵华松, 等.基于EtherCAT的工业机器人控制器设计[J].开发研究与设计技术, 2012, 38 (11) :290-294.