基于IEEE1588頻率漂移補(bǔ)償算法研究與實(shí)現(xiàn)

陳金鳳， 華宇，孫中尉

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基于IEEE1588頻率漂移補(bǔ)償算法研究與實(shí)現(xiàn)

陳金鳳1,2,3， 華宇1,2，孫中尉1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

在IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議的應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高同步精度，應(yīng)該引入對(duì)從時(shí)鐘頻率的漂移補(bǔ)償。在介紹了IEEE1588時(shí)間同步過程及版本2中新增內(nèi)容的基礎(chǔ)上，闡述了一種頻率漂移補(bǔ)償算法并建立基于IEEE1588的時(shí)鐘同步系統(tǒng)驗(yàn)證該算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都能有效地提高時(shí)間同步精度，對(duì)于電力、測(cè)控等有高精度時(shí)間同步需求的領(lǐng)域具有一定意義。

IEEE1588；頻率漂移補(bǔ)償；硬件時(shí)間戳

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種分布式的網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)都得到了廣泛應(yīng)用，高精度的時(shí)間同步技術(shù)成為當(dāng)前許多系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法有NTP（network time protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）和SNTP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議），但是NTP的時(shí)間精度只能達(dá)到幾十毫秒，而SNTP同步精度也只有1 ms，不能滿足高精度時(shí)間同步應(yīng)用要求。2002年出現(xiàn)的IEEE1588協(xié)議是IEEE制定的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)精密時(shí)間同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱PTP（precision time protocol），它作為新的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)提高了同步精度，其時(shí)間同步精度在各種同步協(xié)議中是最高的，能達(dá)到亞微秒級(jí)同步精度[1]。目前該協(xié)議已經(jīng)頒布了第2版本，即IEEE1588v2。為了提高長(zhǎng)距離傳輸?shù)臅r(shí)間同步精度，版本2中增加了透明時(shí)鐘、端延時(shí)機(jī)制等內(nèi)容。

在PTP系統(tǒng)中，規(guī)定了主、從兩種時(shí)鐘。主時(shí)鐘是同步時(shí)間發(fā)布者，從時(shí)鐘是同步時(shí)間的接收者。大多數(shù)的文獻(xiàn)[2-3]實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)鐘同步采用瞬時(shí)調(diào)節(jié)方式對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行調(diào)整，沒有考慮對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘晶振的頻率漂移補(bǔ)償問題。由于從時(shí)鐘的頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率存在偏差，造成兩次同步時(shí)間間隔內(nèi)從時(shí)鐘頻率發(fā)生漂移。為了進(jìn)一步提高同步精度，應(yīng)該引入從時(shí)鐘晶振的頻率漂移補(bǔ)償。

本文在介紹了IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步過程及版本2中新增內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出頻率漂移補(bǔ)償算法，并建立基于IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)對(duì)頻率漂移補(bǔ)償算法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 IEEE1588時(shí)間同步技術(shù)

1.1 時(shí)間同步原理

在一個(gè)PTP系統(tǒng)中采用主從層次式結(jié)構(gòu)來同步時(shí)鐘，主時(shí)鐘是同步時(shí)間的發(fā)布者，從時(shí)鐘是同步時(shí)間的接收者，且與主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。圖1是主、從時(shí)鐘通過直連模式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的基本原理圖。

圖1 PTP時(shí)間同步原理

1.2 延時(shí)測(cè)量機(jī)制

在IEEE1588v2中新增了端延時(shí)機(jī)制測(cè)量主從時(shí)鐘間的傳輸時(shí)延[4]。測(cè)量過程如圖2（a）（延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制）和圖2（b）（端延時(shí)機(jī)制）所示，延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制與端延時(shí)機(jī)制不能同時(shí)被用于同一通信鏈路的傳輸時(shí)延測(cè)量。延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制中，只在從時(shí)鐘處計(jì)算路徑延時(shí)，主鐘處不計(jì)算延時(shí)。然而端延時(shí)機(jī)制中，主、從時(shí)鐘處都計(jì)算路徑延時(shí)。端延時(shí)機(jī)制具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力，但雙向的延時(shí)計(jì)算增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

下面以延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制為例說明主、從間傳輸時(shí)延測(cè)量的實(shí)現(xiàn)過程（參見圖2（a））。根據(jù)是否需要發(fā)送Follow_Up報(bào)文，延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制又分為單步模式和雙步模式兩種：在單步模式下，Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳1由Sync報(bào)文自己攜帶，不發(fā)送Follow_Up報(bào)文；在雙步模式下，Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳1由Follow_Up報(bào)文攜帶。這里以雙步模式為例進(jìn)行說明。

主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間1，從時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間2，主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文之后，緊接著發(fā)送一個(gè)攜帶有1的Follow_Up報(bào)文，從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)Delay_Req報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間3。主時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間4。主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文之后，向從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)攜帶有4的Delay_Resp報(bào)文。此時(shí)，通過從時(shí)鐘記錄的1～4這4個(gè)時(shí)間戳，假設(shè)主從系統(tǒng)鏈路之間的傳輸時(shí)延相等，由此可計(jì)算出主、從時(shí)鐘間的平均路徑時(shí)延為

在圖2中，時(shí)間戳1，4由主時(shí)鐘產(chǎn)生，2和3由從時(shí)鐘產(chǎn)生。根據(jù)式（2），delay由1，4的差與2，3的差計(jì)算得到。因此，除傳輸鏈路的對(duì)稱性外，主、從時(shí)鐘頻率同步性對(duì)同步精度有很大的影響。

1.3 透明時(shí)鐘

在圖1中，如果路徑1上的事件報(bào)文經(jīng)過一個(gè)交換機(jī)或路由器傳輸，事件報(bào)文進(jìn)出交換機(jī)或路由器的時(shí)間戳差，即報(bào)文在交換機(jī)或路由器中的駐留時(shí)間。該駐留時(shí)間隨網(wǎng)絡(luò)流量和報(bào)文長(zhǎng)度而變化。這導(dǎo)致了鏈路不對(duì)稱，影響了傳輸時(shí)延的測(cè)量。為了解決這個(gè)問題，IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn)了一種新的時(shí)鐘類型——透明時(shí)鐘（TC）。TC能夠計(jì)算事件報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中的駐留時(shí)間并把該時(shí)間信息提供給事件報(bào)文的接收時(shí)鐘。根據(jù)使用延時(shí)請(qǐng)求測(cè)量機(jī)制不同，將透明時(shí)鐘分為端到端透明時(shí)鐘（end to end transparent clock，E2ETC）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘（peer to peer transparent clock，P2PTC），E2ETC用于延時(shí)請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制中，P2PTC用于端延時(shí)機(jī)制中。在IEEE1588v1中只定義了普通時(shí)鐘（ordinary clock，OC）和邊界時(shí)鐘（boundary clock，BC）。

如圖3所示，RT表示通過TC測(cè)量的駐留時(shí)間，PD表示路徑上的傳輸時(shí)延。因此主、從時(shí)鐘間的時(shí)間偏差可以表示為

2 頻率漂移補(bǔ)償算法

主時(shí)鐘作為同步時(shí)間的發(fā)播者，它的晶振的穩(wěn)定性比從時(shí)鐘的晶振要好。主時(shí)鐘一般采用高穩(wěn)晶體振蕩器，從時(shí)鐘一般是普通晶體振蕩器。因此，從時(shí)鐘的晶體的頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率相比存在漂移，造成兩次Sync同步信息時(shí)間間隔內(nèi)從時(shí)鐘頻率相對(duì)主時(shí)鐘頻率發(fā)生漂移。這是影響PTP時(shí)間同步精度提高的一個(gè)重要因素，為此引入對(duì)從時(shí)鐘頻率的漂移補(bǔ)償。

如果時(shí)鐘A與時(shí)鐘B的頻率一致，則這兩個(gè)時(shí)鐘對(duì)于同一段時(shí)間的測(cè)量值相等，如果測(cè)量值不等，則測(cè)量值的比率為這兩個(gè)時(shí)鐘頻率比的倒數(shù)，從而可以計(jì)算出從時(shí)鐘相對(duì)主時(shí)鐘的漂移值，如下式所示：

式（4）中，表示同步周期的個(gè)數(shù)，1_1表示第1個(gè)同步周期時(shí)發(fā)送時(shí)間戳，1_N表示第個(gè)同步周期時(shí)發(fā)送時(shí)間戳，2_1表示第1個(gè)同步周期時(shí)Sync報(bào)文的接收時(shí)間戳，2_N表示第個(gè)同步周期時(shí)Sync報(bào)文的接收時(shí)間戳，delay_N表示第個(gè)同步周期時(shí)主從時(shí)鐘鏈路傳輸時(shí)延。從時(shí)鐘分別根據(jù)offset調(diào)整時(shí)間，根據(jù)drift調(diào)整頻率，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘間的高精度時(shí)間同步。

3 PTP時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PTP時(shí)間同步系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，由主時(shí)鐘與從時(shí)鐘兩部分組成。主、從時(shí)鐘的控制芯片相同，選用NXP Semiconductors（恩智浦半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器芯片LPC1768，該芯片集成了10 Mbps或100 Mbps的以太網(wǎng)MAC（media access control）層功能，并具有DMA（direct memory access，直接內(nèi)存存?。┯布铀倨魈岣咭蕴W(wǎng)傳輸速率。

圖4 PTP時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的關(guān)鍵技術(shù)之一是收發(fā)報(bào)文時(shí)間戳的準(zhǔn)確標(biāo)記。時(shí)間戳標(biāo)記的位置直接影響時(shí)間戳的精度。傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議（例如NTP協(xié)議）是軟件標(biāo)記時(shí)間戳，存在協(xié)議棧等延遲。本文以美國國家半導(dǎo)體公司推出的DP83640 物理層（physical layer，PHY）芯片為硬件輔助，完成對(duì)PTP報(bào)文的收發(fā)時(shí)間戳標(biāo)記。DP83640支持IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)置高精度 IEEE1588 時(shí)鐘，并集成了能夠?qū)κ瞻l(fā)數(shù)據(jù)包加蓋時(shí)間戳的硬件，可以在最靠近網(wǎng)線的位置記錄時(shí)間戳，避免了執(zhí)行軟件協(xié)議過程中的延時(shí)[5]。

上述兩芯片之間采用簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口RMII主模式進(jìn)行連接，減少了連接的管腳數(shù)目，易于布線及擴(kuò)展。本系統(tǒng)選擇PTP報(bào)文通過UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)）/IP協(xié)議傳輸。PTP事件報(bào)文的UDP目的端口號(hào)是319，普通報(bào)文的UDP目的端口號(hào)是320[1]。主、從時(shí)鐘通過網(wǎng)線連接進(jìn)行通信，完成PTP協(xié)議報(bào)文的交互。

3.2 時(shí)間校正

前面提到從時(shí)鐘的時(shí)間校正根據(jù)時(shí)間偏差offset進(jìn)行調(diào)整，頻率漂移補(bǔ)償根據(jù)drift進(jìn)行調(diào)整。時(shí)間偏差可由式（1）計(jì)算得到。根據(jù)分析，主從傳輸路徑時(shí)延delay只受主從間晶振振蕩頻率不同的影響，與時(shí)間偏差無關(guān)。如果在2與3（2，3如圖2（a）所示）間調(diào)整時(shí)間，將無法保證時(shí)鐘頻率變化的連續(xù)性。delay將不能被正確計(jì)算，從時(shí)鐘計(jì)算的offset的誤差將增加。為了解決這個(gè)問題，從時(shí)鐘對(duì)本地時(shí)間偏差的調(diào)整放在傳輸路徑時(shí)延delay計(jì)算之后進(jìn)行。

從時(shí)鐘的時(shí)間偏差校正及頻漂補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，都能夠通過上面提到的DP83640芯片完成。該芯片提供了4種時(shí)間更新機(jī)制，包括直接時(shí)間調(diào)整，時(shí)間加減調(diào)整，頻率調(diào)整和臨時(shí)頻率調(diào)整。本文充分利用這4種更新機(jī)制，完成從時(shí)鐘的時(shí)間及頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的高精度時(shí)間同步。

4 PTP系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試環(huán)境與條件

為了驗(yàn)證頻率漂移補(bǔ)償算法，建立如圖5所示的PTP主、從時(shí)鐘的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。其中方案1為主從時(shí)鐘直連模式，方案2為主從時(shí)鐘在同一局域網(wǎng)內(nèi)通過交換機(jī)互聯(lián)，方案3為主從時(shí)鐘在不同的網(wǎng)域內(nèi)通過路由器互聯(lián)。分別測(cè)試3種情況下，對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行頻率漂移補(bǔ)償算法及無漂移補(bǔ)償算法時(shí)，從時(shí)鐘的時(shí)鐘同步精度。主、從時(shí)鐘的頻率源分別為NTSC鐘房輸出標(biāo)準(zhǔn)10 MHz信號(hào)和10 MHz OCXO恒溫晶振經(jīng)可移相分頻鐘產(chǎn)生25 MHz信號(hào)，頻率穩(wěn)定度分別為10-9和10-6。主時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文的周期設(shè)為1s/次。同步精度測(cè)試采用比較1 PPS秒脈沖信號(hào)方式。通過控制DP83640芯片能使主、從時(shí)鐘分別輸出1 PPS秒脈沖信號(hào)。利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620進(jìn)行測(cè)量，通道1，2分別接主、從時(shí)鐘秒脈沖信號(hào)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用SR620時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，將主、從時(shí)鐘分別輸出的1 PPS秒脈沖信號(hào)，分別接入SR620時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的通道2中。將主時(shí)鐘1 PPS信號(hào)的上升沿作為開門信號(hào)，從時(shí)鐘1 PPS信號(hào)的上升沿作為關(guān)門信號(hào)，測(cè)試兩個(gè)秒脈沖信號(hào)上升沿之間的差值，并通過串口線將SR620自帶的數(shù)據(jù)采集軟件得到的數(shù)據(jù)送到電腦中保存起來，最后經(jīng)MATLAB軟件進(jìn)行處理，得到精確的同步精度值。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果比對(duì)

測(cè)試結(jié)果表明對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行頻率漂移補(bǔ)償?shù)耐骄葍?yōu)于無漂移補(bǔ)償?shù)耐骄龋撍惴ㄓ行У靥岣吡藭r(shí)間同步精度，對(duì)于電力、測(cè)控等有高精度時(shí)間同步需求的領(lǐng)域具有重要的意義，有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

5 結(jié)語

本文介紹了IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步過程及IEEE1588版本2中新增內(nèi)容，提出頻率漂移補(bǔ)償算法，并建立基于硬件標(biāo)記時(shí)間戳的IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)對(duì)頻率漂移補(bǔ)償算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該算法能有效地提高時(shí)間同步精度，能滿足電力、測(cè)控等領(lǐng)域?qū)τ跁r(shí)間同步高精度的需求，對(duì)于工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] EINDON J C. The application of IEEE1588 to test and measurement systems[R]. AGILENT, 2005.

[2] 王康, 胡永輝, 何在民. 基于DP83640硬件輔助的IEEE1588研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2011, 34(1): 1-8.

[3] 常永亮, 黃曉蘋. 基于TMS320DM642的硬件實(shí)現(xiàn)IEEE1588時(shí)鐘同步[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2010, 19(19): 95-98.

[4] IEEE Std l588-2008 IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for network measurement and control system[S]. 2008.

[5] National Semiconductor Corporation. DP83640 Precision PHYTER-IEEE 1588 Precision Time Protocol Transceiver[K]. USA: 2008.

Implementation and study of frequency drift compensation based on IEEE1588

CHEN Jin-feng1,2,3, HUA Yu1,2, SUN Zhong-wei1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi′an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China)

For further improving synchronization precision, a compensation for the frequency drift of the slave clock should be introduced in the application of IEEE1588 precision time protocol. In this paper, following an introduction of the time synchronization process of IEEE1588 and the added content of the IEEE1588(Second Edition), a method of frequency drift compensation is demonstrated and a time synchronization system is established based on IEEE1588 for verifying the compensation method. The experiments indicate that the method is helpful to improve the synchronization precision in various internet environments and can satisfy the high precision time synchronization demand of some fields such as electric power and measurement /control.

IEEE1588; frequency drift compensation; hardware-timestamp

P127.1+3；TM935.11

A

1674-0637(2013)03-0141-07

2012-08-23

中國科學(xué)院科研裝備研制資助項(xiàng)目（Y307YR1301）；西部之光聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目（Y305YZ1301）

陳金鳳，女，碩士，主要從事網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)研究。