IEEE 1588 時間同步誤差的研究

周國平，鄒 磊

(南京林業(yè)大學 信息學院，江蘇 南京 210037)

當前國內(nèi)變電站的時間同步主要以GPS 時間信號作為標準時間源，其對時方式共四種:脈沖方式同步、編碼方式同步、串口方式同步以及網(wǎng)絡(luò)方式同步。

以上4 種方式都有不足之處。第1 種雖然精度很高，但沒有具體的時間信息且精度受傳輸距離的影響，每米的傳輸延遲時間在3.33 納秒左右。第2 種雖然與第一種方式一樣精度很高，但所含時間信息較少，傳輸距離也有限，傳輸距離越長則精度越差。第3 種其精度受傳輸波特率的影響，且傳輸距離也有限。第4 種網(wǎng)絡(luò)時間報文同步方式是目前時間同步方式的發(fā)展趨勢，不存在前3 種方式的局限，但是由于以太網(wǎng)傳輸過程中存在延時的不確定性(例如交換機交換延時、設(shè)備響應(yīng)時間同步報文延時等)，導(dǎo)致同步精度低。據(jù)調(diào)研，目前的NTP和SNTP 在局域網(wǎng)中可以達到1 ms的精度，在廣域網(wǎng)中只能達到幾十毫秒的精度。本文介紹的IEEE 1588 精確時間同步協(xié)議能夠達到次微秒級的精度，能夠滿足當前數(shù)字化變電站對時間同步精度的要求［3］。

1 IEEE 1588 同步原理

IEEE 1588(Precision Time Protocol 即PTP)是網(wǎng)絡(luò)報文時間同步方式的一種。其主從時間同步過程可分為兩個階段［1］［4］。如圖1所示，第一個階段是偏差測量階段。主時鐘周期性的發(fā)出同步報文(Sync 報文)，間隔時間一般為2 s。從時鐘接受同步報文并記下接收到同步報文的時間值T2，主時鐘緊接著發(fā)送跟隨報文(Follow－Up 報文)，它將同步報文發(fā)出時的準確時間T1傳送給從時鐘。

第二階段是傳輸延遲測量階段，在第二階段中，為了防止報文發(fā)送時產(chǎn)生碰撞，在從時鐘接收到跟隨報文后并不是立即發(fā)送延遲請求報文(Delay－Req 報文)，而是隨機的等待一段時間(默認值為4 到60 秒之間)即圖中的ts，與ts對應(yīng)的主時鐘的時間為tm。從時鐘記錄下發(fā)出延遲請求報文的時間值T3，主時鐘接收到延遲請求報文后記錄下時間值T4并通過延遲請求響應(yīng)報文(Delay－ Resp 報文)將T4值傳送回給從時鐘。這樣從時鐘就擁有了4個時間值:T1、T2、T3、T4。

設(shè)從時鐘與主時鐘之間的時間偏差為Toffset，報文傳輸延遲時間為Tdelay，從而根據(jù)上述同步過程列出下面的方程組:

解得方程組如下:

從而可以根據(jù)上式算出時間偏差值來，從時鐘再根據(jù)此偏差值調(diào)整自己的本地時鐘以實現(xiàn)與主時鐘的同步。

圖1 主從時鐘之間的同步過程

2 IEEE 1588 時鐘同步精度的影響因素及改進方法

2.1 主從時鐘時間變化率的一致性［5］

在上述的同步原理中，是在主從時鐘之間的時間變化率相同的情況才成立的。但在實際情況下，由于主從時鐘的晶振和定時器分頻偏差等原因的影響而導(dǎo)致時間變化率并不相等，即導(dǎo)致圖1 中ts≠tm那么從而可以得到下面的方程組:

解得方程組如下:

由上述公式可知，主從時鐘的時間變化率不同而產(chǎn)生的Δt 勢必會影響時間偏差值的計算進而影響到時間同步精度。因此，從時鐘在與主時鐘進行時間同步校正時應(yīng)先檢測自身的時間變化率與主時鐘的時間變化率是否相等。

從時鐘的檢測原理如下:在同步過程的第一階段偏差測量階段。主時鐘以固定時間間隔給從時鐘發(fā)送Sync 報文，假設(shè)以發(fā)送某一幀的Sync 報文為起點(主時鐘發(fā)出報文時的時間為M0，從時鐘接收到報文時的時間為S0)經(jīng)過1個時間間隔后主時鐘發(fā)送Sync 報文的時間值為M1，從時鐘接收Sync 報文的時間值為S1。從而可以得到主從時鐘之間的時間變化的差值為Q。

若Q=0，則從時鐘與主時鐘進行時間同步校正。若Q≠0，則從時鐘應(yīng)先通過相應(yīng)的補償算法使自身的時間變化率與之相等后再進行同步。

由于從時鐘是通過自身的硬件時鐘來記錄時間的，因此調(diào)整自身的時間變化率主要是通過改變自身定時器的計數(shù)值來實現(xiàn)。若Q ＞0，則說明從時鐘的時間變化率比主時鐘的時間變化率快。假設(shè)以Q=100000 ns為例，表明從時鐘在2 s的時間間隔內(nèi)比主時鐘快100 μs。那么20 ms 則從時鐘比主時鐘快1 μs。假設(shè)從時鐘采用的是50 MHz、32 分頻的計數(shù)頻率，則計一個數(shù)的時間為640 ns，硬件時鐘每20 ms中斷一次，并在中斷處理中更新本地的時間信息。20 ms 需要計31250個數(shù)?，F(xiàn)在由于從時鐘在20 ms 內(nèi)比主時鐘快1 μs，則從時鐘可以通過改變計數(shù)值將31250 改為31252從而實現(xiàn)從時鐘的時間變化率與主時鐘的相等。若Q ＜0，則說明從時鐘的時間變化率比主時鐘的時間變化率慢，則應(yīng)該減少從時鐘定時器的計數(shù)值，以實現(xiàn)主從時鐘之間時間變化率的相等。

由此可以得到從時鐘定時器的計數(shù)值N的公式為:

其中，Q為在固定時間間隔2 s 內(nèi)從時鐘與主時鐘時間變化的差值。Tinterrupt為從時鐘定時中斷一次的時間，Tinterval為時間同步間隔時間。f 從時鐘晶振的頻率，m 分頻值。

當然由于從時鐘是通過中斷來更新本地時間的，因此定時器中斷處理的時間也要考慮進去，對于51 單片機的中斷處理時間一般為3個機器周期。從時鐘在每一次中斷后更新本地時間時要把這個時間補償進去。

2.2 時間戳的生成方式

NTP和PTP的相同點都是通過迭代消除往返路徑延遲的方法以實現(xiàn)時間同步的，但是之所以PTP 較之NTP 有更高的時間同步精度關(guān)鍵在于時間戳的生成位置不同。

圖2 協(xié)議棧的時間戳生成位置

如圖2所示，NTP 報文方式的時間記錄點在協(xié)議棧的應(yīng)用層，屬于軟件記錄時間點。而PTP 建議的是利用硬件來記錄報文離開和進入的時間點，即在最靠近網(wǎng)口的物理層來記錄時間點，這樣就大大地減少了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的延遲與抖動給時間同步精度造成的影響。

2.3 通信路徑的對稱性

通信路徑對稱是指主時鐘到從時鐘的傳輸延遲和從時鐘到主時鐘的傳輸延遲是相等的，上述的同步原理都是基于這個前提下才成立的。但實際上主從時鐘之間的通信路徑往往是不對稱的。這樣就會在鏈路延遲補償時產(chǎn)生誤差。

由于在通信路徑不變的情況下，通信路徑不對稱性相對固定，工業(yè)上的分布式系統(tǒng)多為相對本地化、局域網(wǎng)的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，因此可忽略鏈路延遲在傳輸方向上的差異。

2.4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在進行時鐘同步的過程當中，點對點的連接可以提供主時鐘和從時鐘之間最佳的同步精度。然而，根據(jù)實際PTP系統(tǒng)的組網(wǎng)情況，存在一個主時鐘對多個從時鐘進行同步的系統(tǒng)，這樣就必須在同步網(wǎng)絡(luò)中會引入具有存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能的中間設(shè)備。比如交換機。

由于交換機帶來的網(wǎng)絡(luò)抖動延遲勢必會影響時間同步精度，因此IEEE 1588 協(xié)議在交換機中引入了邊界時鐘的概念。邊界時鐘含有多個PTP 時鐘端口，先讓主時鐘與交換機中的PTP 時鐘進行同步，此時交換機扮演的是從時鐘的角色。等交換機與主時鐘時間同步完成之后，交換機再作為主時鐘與連接到其上面的各個從時鐘進行時間同步。邊界時鐘的引入改善了網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，使時鐘同步之間都保證的是點對點的時間同步結(jié)構(gòu)，從而極大地提高了時間同步的精度。

2008 年提出的IEEE 1588 V2 版本［2］，增加了透明時鐘的概念。透明時鐘的引入也是為了改善網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)抖動的影響以及大型拓撲結(jié)構(gòu)中的積聚誤差，排除交換網(wǎng)造成的非對稱延遲，其主要用于距離較長的主從時鐘之間。透明時鐘與邊界時鐘不同的是，透明時鐘沒有主從狀態(tài)，也不需要做逐級同步。

3 結(jié)束語

高精度的時間同步系統(tǒng)是現(xiàn)今數(shù)字化變電站建設(shè)的需要。IEEE 1588 高精度時間。同步協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時間同步方式中最具優(yōu)勢的時間同步方案，其可以同時提供時間同步和頻率同步，且同步精度達到次微秒級，但通過上述分析，在整個IEEE 1588 同步系統(tǒng)當中，無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差都將影響到整個系統(tǒng)的同步精度和穩(wěn)定性，因此，必須對影響其同步精度的因素進行改進，才能夠很好地將IEEE 1588 協(xié)議應(yīng)用于未來數(shù)字化變電站的通信體系當中。

［1］邱分，陳孝良，馬龍華，等.PTP 精密時鐘同步原理分析［J］.微計算機應(yīng)用，2009，30(10):18－22.

［2］葉衛(wèi)東，張潤東.IEEE 1588 精密時鐘同步協(xié)議2.0 版本解析［J］.測控技術(shù)，2010，29(2):1－4.

［3］趙上林，胡敏強，竇曉波，等.基于IEEE 1588的數(shù)字化變電站時鐘同步技術(shù)研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(21):97－102.

［4］黃運水，馮玉光.IEEE 1588 精密時鐘同步分析［J］.國外電子測量技術(shù)，2005，24(9):9－12.

［5］桂本烜，劉錦華.IEEE 1588 高精度同步算法的研究與實現(xiàn)［J］.電光與控制，2006，13(5):90－91.