IEEE1588PTP協(xié)議的仿真和優(yōu)化

呂保強　溫金保

摘要：該文詳細闡述了面向802.11無線局域網(wǎng)IEEE1588PTP仿真的設計及實現(xiàn)，并對IEEE1588PTP時間同步仿真結(jié)果和影響其性能的因素進行了評估和分析。

關鍵詞：無線局域網(wǎng)；時間同步；IEEE1588PTP

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）02-0028-02

Simulation and Optimization of IEEE1588 Time Synchronization

LV Bao-qiang， WEN Jin-bao

（Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering ， Guangzhou 510925 ， China）

Abstract： In this paper， we present the simulator we developed for PTP time synchronization in 802.11 WLANs. The behavior of the PTP time synchronization， the simulation results and the factors that affect the PTP performance are presented and evaluated.

Key words： WLAN； time synchronization； IEEE 1588PTP

1 引言

目前，在包交換網(wǎng)絡中，時間同步算法主要采用了時間包交換技術。網(wǎng)絡時間同步協(xié)議（NTP）[1]已被廣泛應用于因特網(wǎng)中，然而，在理想情況下，NTP在有線局域網(wǎng)（LANs）的精度也僅能夠控制在毫秒級。在有線的工業(yè)以太網(wǎng)中，IEEE1588 PTP將時間同步精度提到了微秒級。近年來，許多時間同步協(xié)議已被提出用于無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）中，其中典型的時間同步協(xié)議有參考廣播同步（RBS），延遲測量時間同步（DMTS），洪泛時間同步協(xié)議（FTSP），時間同步協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡（TPSN）[2-4]等。然而，這些協(xié)議均未能在能源效率及同步精度上實現(xiàn)很好的優(yōu)化。

在有線分組包交換網(wǎng)絡中，IEEE 1588精確時間協(xié)議（PTP）[5]已經(jīng)被提出。PTP的時間同步精度可控制在微秒級，比基于NTP的時間同步精度要高得多。由于操作簡單，所需的帶寬相對較低，相比于傳統(tǒng)的時間同步協(xié)議（例如，RBS，F(xiàn)TSP等）PTP更適合用于通信帶寬和能源受限的WLAN設備中。

本文詳細闡述了PTP性能的仿真和優(yōu)化。對PTP時間同步精度的因素進行了分析，研究結(jié)果表明：PTP的蓋戳適合在物理層附近，rate對精度也有影響。

2 PTP包裝交換的實現(xiàn)

一個典型的PTP同步過程是基于延遲請求-響應機制。PTP同步過程中包括四種類型的數(shù)據(jù)包[3]，分別是：Sync消息包，F(xiàn)ollow_Up消息包，Delay_Req消息包和Delay_Resp消息包。

首先，主時鐘在t1時刻向從時鐘發(fā)送Sync消息包，從時鐘接收到Sync消息包并記錄下其到達時間t2。用[dms]表示Sync消息包在主從時鐘間的傳播延遲，然后，從時鐘于t3時刻向主時鐘發(fā)送Delay_Req消息包，主時鐘在t4時刻接收到該消息包，隨后主時鐘立即將時間戳t4嵌入到Delay_Resp消息包中，并將該包發(fā)送給從節(jié)點。用[dsm]表示Sync消息包在從主時鐘間的傳播延遲。在實際的網(wǎng)絡中，節(jié)時鐘之間的傳播延遲很有可能是不一樣的，即[dms]≠[dsm]。當從時鐘獲得t1、t2、t3、t4四個時間戳后，時鐘偏移的觀測值如下：

[θM（n）=[（ts1-tm1）-（tm2-ts2）]2] （1）

3從時鐘的校正

假設基于PTP包交換所獲得的時間戳是絕對精確的，于時鐘偏移（offset）和的觀測值可直接用于矯正本地時鐘，以實現(xiàn)PTP時間同步。然而，由于主從時鐘包交換過程中存在著各種不確定因素，期間獲取的時間信息通常是不精確且不可靠的。為了實現(xiàn)從時鐘與主時鐘的時間同步，在每個同步時刻要得到時鐘偏移（offset）校正量，用校正量來直接校正從時鐘的offset。

[μθ（n）=θM（n）] （2）

4 仿真結(jié)果

圖6表示PTP采用硬件時間標記時從時鐘的時鐘偏移的仿真結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)當PTP采用硬件時間標記時，從時鐘的時鐘偏移保持-0.3/s到0.3/s之間變化，這PTP采用軟件時間標記時從時鐘的時鐘偏移小了很多，且達到了PTP微妙級同步精度的設計初衷。這也再次驗證了，PTP進行同步時采用硬件時間標記機制的重要性和必要性。

5 結(jié)束語

本文詳細地闡述了一種基于802.11網(wǎng)絡的IEEE1588協(xié)議的仿真的實現(xiàn)過程。該仿真對分析和評估PTP時間同步協(xié)議提供了一種高能效、可視化的方法，能夠?qū)r間戳不確定性以及其他因素對PTP性能的影響進行分析，研究結(jié)果表明：PTP的蓋戳適合在物理層附近，rate對精度也有影響。

參考文獻：

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[4] PING S. Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks IRB-TR-03-013[R]. Berkeley： Intel Research， 2003.

[5] HAN T， LI B， XU L. A universal fault diagnostic expert system based on Bayesian Network[C]// Proceedings of the 2008 International Conference on Computer Science & Software Engineering. Wuhan， Hubei： IEEE， 2008： 260-263.