無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐衛(wèi)軍，焦 蓉

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

本文主要研究和設(shè)計(jì)無(wú)線同步網(wǎng)狀網(wǎng)的信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)[1]。從通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上分，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要有兩種:無(wú)線異步網(wǎng)和無(wú)線同步網(wǎng)[2]。在高密度大規(guī)模的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，同步網(wǎng)絡(luò)具有靈活的信道分配策略和帶寬分配策略，它在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的網(wǎng)絡(luò)性能，而時(shí)鐘同步系統(tǒng)為無(wú)線同步網(wǎng)狀網(wǎng)提供滿(mǎn)足協(xié)議工作要求的高精度同步時(shí)鐘信號(hào)，嚴(yán)格的時(shí)鐘同步是同步網(wǎng)絡(luò)工作的前提和基礎(chǔ)[3]。同步精度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致時(shí)隙分割粒度過(guò)大，信道帶寬利用低下；同步穩(wěn)定度過(guò)低則會(huì)造成通信中斷甚至網(wǎng)絡(luò)失步，最后導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。只有時(shí)鐘同步系統(tǒng)達(dá)到通信協(xié)議的需求，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能很好的完成時(shí)隙分配，完成正常通信[4]。本文針對(duì)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)骨干節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)之間的同步要求設(shè)計(jì)出一種精度較高、低成本、易實(shí)現(xiàn)、軟硬件結(jié)合的信標(biāo)同步方案。

1 信標(biāo)同步技術(shù)簡(jiǎn)介

信標(biāo)同步技術(shù)就是不采用外部同步時(shí)鐘源，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間只在特殊的包交換中打上時(shí)間戳，以計(jì)算本地與上級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差，以此來(lái)達(dá)到同步。信標(biāo)同步與衛(wèi)星同步相比實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，同步精度很難達(dá)到很高，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很多的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。

現(xiàn)有比較成熟的信標(biāo)同步技術(shù)是NTP同步技術(shù)和IEEE1588同步技術(shù)。

1.1 NTP同步技術(shù)

NTP（network time protocol）用于互聯(lián)網(wǎng)中需要時(shí)間同步的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要把時(shí)間同步到一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)上，它是標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間協(xié)議。

目前NTP采用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是UTC（universal time coordinated）。UTC以秒為時(shí)間刻度，是一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，各個(gè)國(guó)家的天文臺(tái)都是以UTC為準(zhǔn)發(fā)布實(shí)時(shí)時(shí)間，不同時(shí)區(qū)的用戶(hù)加上時(shí)差就是本地的UTC時(shí)間。下面是NTP的突出特點(diǎn):

（1）NTP能夠?yàn)榫哂袕?fù)雜性的互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間同步；

（2）NTP可以工作在規(guī)模各異、速度不同和連接通路復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下；

（3）NTP具有很高的靈活性，它采用Server／Client結(jié)構(gòu)，因此能夠適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境；

（4）NTP采用UDP協(xié)議，因?yàn)閁DP更適合傳輸數(shù)據(jù)量小且頻繁的數(shù)據(jù)，所以NTP產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)很少；

（5）NTP在同步當(dāng)前時(shí)間后，能夠持續(xù)跟蹤時(shí)間的變化，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，所以即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷，也能保持時(shí)間的穩(wěn)定性；

（6）NTP使用了識(shí)別機(jī)制來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)安全，NTP檢查對(duì)時(shí)信息是否來(lái)自時(shí)間服務(wù)器，同時(shí)檢查信息的返回路徑，以防止對(duì)時(shí)間服務(wù)器的惡意破壞。

由于NTP具有以上特點(diǎn)，所以它可以獲得可靠、精確的時(shí)間同步，并成為互聯(lián)網(wǎng)上公認(rèn)的時(shí)間同步協(xié)議。

1.2 IEEE1588同步技術(shù)

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行同步，是通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主時(shí)鐘同步，同步建立時(shí)間小于10微秒[5]。IEEE1588從通信關(guān)系上又把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘必須保持同步，由主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文，通過(guò)報(bào)文傳遞時(shí)鐘信息[6]。

IEEE1588基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時(shí)的最精確的時(shí)間戳，每個(gè)從時(shí)鐘通過(guò)與主時(shí)鐘交換同步報(bào)文而與主時(shí)鐘達(dá)到同步。一般的同步技術(shù)是軟件打時(shí)間戳，也就是將發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間填入同步信息中，由于在發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文時(shí)，受到處理器處理速度、操作系統(tǒng)工作方式等因素的影響，同步報(bào)文從開(kāi)始發(fā)送到報(bào)文準(zhǔn)確到達(dá)物理傳輸介質(zhì)的時(shí)間一般無(wú)法控制。因此這個(gè)軟時(shí)鐘戳與實(shí)際發(fā)送或接收時(shí)間有一定誤差，這嚴(yán)重影響了同步精度。因此，IEEE1588提出打硬件時(shí)間戳的解決方案[7]。

IEEE1588提出同步報(bào)文在MAC層和物理層之間用硬件插入時(shí)間戳，即在離出入接口最近的地方插入時(shí)間戳，硬件插入時(shí)間戳延時(shí)抖動(dòng)一般在數(shù)個(gè)納秒之內(nèi)，大大消除了協(xié)議棧等延遲的影響，因此在很大程度上提高了時(shí)鐘同步精度。

2 信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)架構(gòu)

在信標(biāo)同步技術(shù)中，設(shè)計(jì)上參考NTP的授時(shí)過(guò)程，采用雙方向時(shí)間信息交換和時(shí)間戳的設(shè)計(jì)，由骨干節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出時(shí)間同步申請(qǐng)，接入節(jié)點(diǎn)給出應(yīng)答，然后骨干節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和時(shí)鐘偏移，并將需要校正的時(shí)鐘誤差傳輸給接入節(jié)點(diǎn)，接入節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)鐘誤差校正本地誤差，然后達(dá)到與骨干節(jié)點(diǎn)的同步。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了NTP誤差傳遞的弊端，因?yàn)榻尤牍?jié)點(diǎn)只需要與上級(jí)骨干節(jié)點(diǎn)保持同步，它也是終級(jí)節(jié)點(diǎn)。

但是NTP是軟件插入時(shí)間戳，因此它的同步精度相對(duì)較低，為了提高同步精度，在設(shè)計(jì)上參考IEEE1588插入硬時(shí)間戳的方案[8]，但是由于無(wú)線網(wǎng)卡不支持對(duì)特殊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包打時(shí)間戳，因此設(shè)計(jì)將插入時(shí)間戳的位置放在無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)里[9]，這樣更靠近硬件收發(fā)，減小了很多軟件延時(shí)，可以在很大程度上提高同步精度[10]。

信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)架構(gòu)

信標(biāo)時(shí)鐘同步系統(tǒng)分為以下幾部分:

（1）時(shí)差測(cè)量模塊

時(shí)差測(cè)量模塊通過(guò)骨干節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)之間交換同步信標(biāo)實(shí)測(cè)出兩者之間的時(shí)間差Δt。

（2）同步信號(hào)生成模塊

同步信號(hào)生成模塊利用CPU內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生同步定時(shí)，然后用時(shí)差測(cè)量模塊測(cè)得的時(shí)延Δt對(duì)下一個(gè)1PPS的起始時(shí)刻進(jìn)行修正，以求達(dá)到同步，然后根據(jù)1PPS利用本地時(shí)鐘生成協(xié)議需要的同步時(shí)鐘信號(hào)。

（3）時(shí)隙管理模塊

更新維護(hù)當(dāng)前1秒幀內(nèi)的微時(shí)隙號(hào)。根據(jù)GPS信號(hào)生成模塊輸入到CPU的1PPS’中斷信號(hào)和微時(shí)隙中斷信號(hào)更新維護(hù)微時(shí)隙號(hào)，并在每一個(gè)微時(shí)隙的起始時(shí)刻告知相應(yīng)協(xié)議處理任務(wù)。此模塊的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在此不作詳細(xì)描述。

3 時(shí)差測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

3.1 作原理

時(shí)差測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)參考NTP協(xié)議的同步過(guò)程，要求低層同步報(bào)文盡量簡(jiǎn)單可行。在每個(gè)1秒幀內(nèi)某個(gè)時(shí)隙 （協(xié)議決定的同步時(shí)隙）的起始時(shí)刻，骨干節(jié)點(diǎn)廣播1PPS同步定時(shí)信標(biāo)，接入節(jié)點(diǎn)一加電便進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，在某一時(shí)刻收到該信標(biāo)之后附加上本地的接收時(shí)間信息回送給骨干節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)收到該同步響應(yīng)信標(biāo)之后從中提取相關(guān)時(shí)間信息并計(jì)算出兩者時(shí)間差Δt，這個(gè)過(guò)程必須在一個(gè)微時(shí)隙內(nèi)完成，并將Δt回送給接入節(jié)點(diǎn)。其流程如圖2、圖3所示。

圖2 信標(biāo)同步流程

圖3 時(shí)差測(cè)量

t1是骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步定時(shí)信標(biāo)的第一個(gè)比特的時(shí)間戳；

t2是接入節(jié)點(diǎn)收到的同步定時(shí)信標(biāo)的最后一比特的時(shí)間戳；

t3是接入節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步響應(yīng)信標(biāo)的第一個(gè)比特的時(shí)間戳；

t4是骨干節(jié)點(diǎn)收到的同步響應(yīng)信標(biāo)的最后一比特的時(shí)間戳；

t′1是骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步定時(shí)信標(biāo)的第一個(gè)比特前打上的時(shí)間戳，Δt1＝t1－t′1，是同步定時(shí)信標(biāo)在骨干節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的處理時(shí)延；

t′2是接入節(jié)點(diǎn)收到的同步定時(shí)信標(biāo)的最后一比特后打上的時(shí)間戳，Δt2＝t2－t′2，是同步定時(shí)信標(biāo)在接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的處理時(shí)延；

t′3是接入節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步響應(yīng)信標(biāo)的第一個(gè)比特前打上的時(shí)間戳，Δt3＝t3－t′3，是同步響應(yīng)信標(biāo)在接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的處理時(shí)延；

t′4是骨干節(jié)點(diǎn)收到的同步響應(yīng)信標(biāo)的最后一比特后打上的時(shí)間戳，Δt4＝t4－t′4，是同步響應(yīng)信標(biāo)在骨干節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的處理時(shí)延；

delayp在兩節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延；

T同步定時(shí)骨干節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前調(diào)制速率下生成同步定時(shí)信標(biāo)的時(shí)間；

T同步響應(yīng)是接入節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前調(diào)制速率下生成同步響應(yīng)信標(biāo)的時(shí)間如果同步定時(shí)信標(biāo)與同步響應(yīng)信標(biāo)長(zhǎng)度相等且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)采用相同調(diào)制速率發(fā)送信標(biāo)，則T同步定時(shí)＝T同步響應(yīng)。

在特定調(diào)制速率下生成協(xié)議數(shù)據(jù)包的時(shí)間

T的單位是微秒；包長(zhǎng)為MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，單位為字節(jié)；16為PLCP頭部中服務(wù)類(lèi)型的比特?cái)?shù)；6為尾比特?cái)?shù)；NDBPS為一個(gè)OFDM符號(hào)在特定調(diào)制速率下包含的比特?cái)?shù)，見(jiàn)表1。

表1 調(diào)制速率與NDBPS對(duì)照

根據(jù)上述流程及實(shí)測(cè)參數(shù)，信標(biāo)在兩節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延delayp的計(jì)算公式如下

其中，

由以上時(shí)間參數(shù)，可計(jì)算出骨干節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)差Δt

假設(shè)骨干節(jié)點(diǎn)在1秒幀的n號(hào) （以0號(hào)開(kāi)始）微時(shí)隙的起始時(shí)刻發(fā)送的同步定時(shí)信標(biāo)，則接入節(jié)點(diǎn)收到骨干節(jié)點(diǎn)回傳的Δt后可根據(jù)下面的公式計(jì)算出下一個(gè)1秒幀的起始時(shí)刻tnext＿1pps

在有理論的基礎(chǔ)上，需要在現(xiàn)有軟硬件條件的情況下，做時(shí)差測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證時(shí)差測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足同步精度的要求。

3.2 時(shí)差測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出處理時(shí)延、傳播時(shí)延、節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘差異并驗(yàn)證現(xiàn)有的同步方法在具體實(shí)際環(huán)境下是否可行。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4 時(shí)差測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)描述:兩臺(tái)PC使用串口與PowerPC板相連作為PowerPC的終端。另一臺(tái)PC作為監(jiān)測(cè)機(jī)。兩臺(tái)PowerPC分別命名為A機(jī)與B機(jī)。A機(jī)發(fā)送時(shí)差測(cè)量請(qǐng)求包，在發(fā)送前記錄時(shí)間t1。B機(jī)接收到時(shí)差測(cè)量請(qǐng)求包，記錄時(shí)間t2，在發(fā)送時(shí)差測(cè)量響應(yīng)包前記錄時(shí)間t3，回應(yīng)給A機(jī)。A機(jī)根據(jù)接收到的時(shí)間計(jì)算處理時(shí)延。第二次實(shí)驗(yàn)，在A機(jī)發(fā)送前和接收前利用軟件延時(shí)模擬傳播延時(shí) （模擬傳輸距離），A機(jī)利用接收到的時(shí)間參數(shù)以及處理時(shí)延參數(shù)得出傳播時(shí)延。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

處理時(shí)延均值約為22微秒，如果在PowerPC機(jī)加入10微秒的模擬傳播時(shí)延則處理時(shí)延均值仍然為大約22微秒，但是方差有所增大，顯然是10微秒的模擬傳播延時(shí)引入的誤差。所以可以推測(cè)得出，時(shí)差測(cè)量的誤差都由處理時(shí)延誤差所引入，時(shí)差測(cè)量時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差約為1微秒，最大誤差為3微秒左右，所以時(shí)差測(cè)量距離的標(biāo)準(zhǔn)差約為300米。因此，在加入保護(hù)時(shí)間的情況下可以滿(mǎn)足同步方案的精度要求。

4 同步信號(hào)生成模塊設(shè)計(jì)

4.1 工作原理

接入節(jié)點(diǎn)需要兩個(gè)同步信號(hào):1PPS和微時(shí)隙同步定時(shí)信號(hào)。接入節(jié)點(diǎn)由于沒(méi)有FPGA提供1PPS和微時(shí)隙同步定時(shí)信號(hào)，因此只能利用CPU內(nèi)部時(shí)鐘GPT來(lái)產(chǎn)生同步定時(shí)。需要用時(shí)差測(cè)量模塊測(cè)得的時(shí)延對(duì)下一個(gè)1PPS的起始時(shí)刻進(jìn)行修正，以求達(dá)到同步。

（1）信號(hào)時(shí)序

協(xié)議通過(guò)計(jì)算將值寫(xiě)入CMP寄存器，當(dāng)TBC的值隨著時(shí)鐘信號(hào)遞增到與CMP的值相等時(shí)會(huì)向系統(tǒng)觸發(fā)一個(gè)GPT中斷。微時(shí)隙信號(hào)以1PPS信號(hào)為起始，對(duì)GPT的時(shí)鐘進(jìn)行分頻產(chǎn)生。根據(jù)協(xié)議的要求，GPT中斷信號(hào)時(shí)序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 GPT中斷信號(hào)時(shí)序

為了避免兩個(gè)同步信號(hào)同時(shí)到來(lái)造成無(wú)法及時(shí)響應(yīng)的情況發(fā)生，在GTP1中斷發(fā)生時(shí)，GPT2不產(chǎn)生微時(shí)隙中斷。

（2）算法流程

在當(dāng)前1秒內(nèi)，接入節(jié)點(diǎn)收到骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的Δt后，計(jì)算出下一個(gè)同步1PPS信號(hào)的時(shí)刻tnext＿1pps，并換算成對(duì)應(yīng)的TBC寄存器值next＿pps＿period，然后寫(xiě)入GPT1的CMP寄存器，這樣就完成了下一秒幀的同步定時(shí)。如果當(dāng)前秒由于出錯(cuò)沒(méi)有完成信標(biāo)同步流程，則GPT系統(tǒng)按照當(dāng)前秒的分頻與校準(zhǔn)參數(shù)產(chǎn)生下一秒的同步信號(hào)。

設(shè)統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的GPT時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率為F，周期為T(mén)，每秒鐘實(shí)際計(jì)數(shù)值為r。產(chǎn)生的同步中斷頻率為f，則頻差

校準(zhǔn)系數(shù)p＝f／d；

分頻系數(shù)k＝F／f；

在每個(gè)中斷處理函數(shù)中對(duì)GPT2的CMP寄存器進(jìn)行下一次中斷發(fā)生數(shù)值設(shè)置便可以逐個(gè)產(chǎn)生所要的微時(shí)隙中斷信號(hào)。

4.2 誤差分析

主要誤差來(lái)自GPT時(shí)鐘基準(zhǔn)F的測(cè)量以及計(jì)算p、k時(shí)的除法余數(shù)截?cái)嗾`差。

（1）GPT時(shí)鐘基準(zhǔn)F的測(cè)量誤差

假設(shè)F＝55MHz，則每個(gè)周期T＝18ns，測(cè)量誤差達(dá)到10個(gè)T時(shí)，時(shí)鐘誤差為180ns。

（2）p值誤差

誤差表達(dá)式為

d值本身就存在誤差，因?yàn)槲覀兪抢昧松弦幻氲臏y(cè)量結(jié)果r來(lái)做為當(dāng)前秒的實(shí)際頻率來(lái)處理，因此這連續(xù)兩秒之間的頻率抖動(dòng)必然引入了不可消除的誤差，但目前無(wú)有效辦法解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）k值誤差

可以將這部分誤差轉(zhuǎn)移到p值誤差，統(tǒng)一用頻差分?jǐn)偛呗詠?lái)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文先對(duì)現(xiàn)有同步技術(shù)進(jìn)行研究，以現(xiàn)有理論為基礎(chǔ)，提出一種軟硬件結(jié)合的同步信號(hào)產(chǎn)生算法。首先提出一種時(shí)差測(cè)量算法，測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)給出測(cè)量結(jié)果，以驗(yàn)證此算法的可行性，然后用測(cè)量的時(shí)間差對(duì)下一個(gè)CPU時(shí)鐘產(chǎn)生的1PPS信號(hào)進(jìn)行修正，最后利用1PPS信號(hào)和本地CPU內(nèi)部時(shí)鐘GPT，通過(guò)其寄存器設(shè)置，共同產(chǎn)生時(shí)鐘同步信號(hào)，最后完成同步。這種軟硬件結(jié)合的算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、同步信號(hào)精度高、開(kāi)發(fā)周期短。

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