一種時鐘同步算法的應(yīng)用研究

吳培棟

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，存在車載、地面等多個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)中又存在多個子設(shè)備，是典型的分布式系統(tǒng)[1，2]。為滿足安全控制列車的需求，部分設(shè)備之間需要保持時鐘同步。時鐘同步后，設(shè)備之間可以對通信數(shù)據(jù)包的時序性、實時性進(jìn)行檢查，也可以估算通信傳輸延時，并據(jù)此做時間、距離等變量補(bǔ)償[3]。

成熟的時鐘同步算法有很多種[4]，在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，SUBSET-056 STM FFFIS Safe Time Layer中提出的時鐘同步算法應(yīng)用較為普遍[5]。本文對此時鐘同步算法進(jìn)行研究，提出該算法應(yīng)用階段相關(guān)配置參數(shù)的計算方法。

1 算法簡介

1.1 時鐘同步[6]

參考時鐘源周期的向其他節(jié)點(diǎn)廣播時鐘信息，其他節(jié)點(diǎn)在收到一定數(shù)量的時鐘信息后，結(jié)合自己本地時鐘，計算出初始的調(diào)整因子，此時該節(jié)點(diǎn)完成初始的時鐘同步。之后，該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)根據(jù)參考時鐘源周期廣播的時鐘信息，持續(xù)更新調(diào)整因子，保持與參考時鐘源的同步。以圖1為例進(jìn)行簡要說明，其中，參考時鐘節(jié)點(diǎn)（Reference Clock Node，RCN）表示參考時鐘源設(shè)備，本地時鐘節(jié)點(diǎn)（Local Clock Node，LCN）表示需進(jìn)行時鐘同步的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

圖1 時鐘同步示意圖Fig.1 Schematic of clock synchronization

LCN啟動后，應(yīng)等待RCN發(fā)送的系統(tǒng)時鐘信息，并在RCN開始發(fā)送系統(tǒng)時鐘后，啟動時鐘同步流程。假設(shè)LCN在時刻n收到RCN發(fā)來的參考時鐘RefTime[n]，并記錄下本地時鐘LocalTime[n]，時間同步流程如下：

當(dāng)LCN從RCN收到至少M(fèi)幀有效時鐘報文后，按下面的公式計算出調(diào)整因子：

當(dāng)LCN得到第一個調(diào)整因子后，即認(rèn)為時鐘同步成功，向RCN發(fā)送時鐘同步確認(rèn)信息。LCN得出調(diào)整因子后，每收到一幀有效時鐘報文，按照上述方法對調(diào)整因子進(jìn)行更新。

經(jīng)過時鐘同步后的LCN本地時鐘為：

1.2 時鐘監(jiān)控

完成時鐘同步后，LCN可進(jìn)行短時漂移監(jiān)控和長時漂移監(jiān)控。

1.2.1 短時漂移監(jiān)控

當(dāng)時鐘同步以后，LCN時鐘與RCN時鐘的差值應(yīng)該在限定范圍Tss（短時漂移）內(nèi)：

1.2.2 長時漂移監(jiān)控

當(dāng)時鐘同步以后，不同時刻的調(diào)整因子應(yīng)該在限定范圍Tls（長時漂移）內(nèi)：

其中，n表示LCN接收到有效RCN時鐘報文的時刻，k表示在n之前不超過ΔT范圍內(nèi)收到第一個有效RCN時鐘報文的時刻。

一般來說，長時漂移率不應(yīng)超過0.1%，即Tls≤ΔT×1%[7]。短時漂移Tss一定程度上反映了實時性要求，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景來配置。參數(shù)配置過大影響安全性，參數(shù)配置過小又影響可用性。以下主要對該參數(shù)的配置進(jìn)行研究。

2 應(yīng)用研究

2.1 條件假設(shè)

如圖2所示，說明如下。

圖2 RCN時間系超前于LCN時間系Fig.2 RCN time system is ahead of LCN time system

1）T軸和t軸分別表示RCN本地時間系和LCN本地時間系；

2）ΔS表示RCN時間系與LCN時間系的差值。當(dāng)RCN時間系超前于LCN時間系時，ΔS＞0；當(dāng)LCN時間系超前于RCN時間系時，ΔS＜0；當(dāng)RCN時間系與LCN時間系同步時，ΔS=0；

3）Δxi(i=1,2……,16)表 示 RCN 在 Ti(i=1,2……,16)時刻得到系統(tǒng)時間Ti，經(jīng)過任務(wù)處理，Δxi后將時鐘報文發(fā)出，注意：該時鐘報文打入的時間戳為Ti；

4）Δyi(i=1,2……,16)表示時鐘報文從RCN側(cè)到達(dá)LCN側(cè)的傳輸延時；

5）ti(i=1,2……,16)表示LCN在ti時刻收到并處理了時間戳為Ti(i=1,2……,16)的時鐘報文；

6）Δz17表示LCN在t17時刻將數(shù)據(jù)報文發(fā)送，經(jīng)過Δz17后RCN收到；

7）Δa17表示經(jīng)過Δa17的任務(wù)調(diào)度等待時間后，RCN在系統(tǒng)時間T18開始處理該數(shù)據(jù)報文。

條件假設(shè)：

1）RCN的任務(wù)調(diào)度周期為Pnor，最大任務(wù)調(diào)度周期為Pmax；

2）LCN任務(wù)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RCN任務(wù)周期和傳輸延時，因此假設(shè)LCN任務(wù)周期為0，即LCN側(cè)收發(fā)數(shù)據(jù)的時刻等于實際處理該數(shù)據(jù)的時刻；

3）LCN在收到16次校時信息包后，可以算出調(diào)整因子；

4）T16～T19之間RCN未發(fā)送校時信息包，t16～t19之間LCN未收到校時信息包，即這段時間校時因子未更新。

2.2 計算校時因子

啟機(jī)后，LCN在t16時刻累計收到RCN的16次校時信息包，算出第一個校時調(diào)整因子：

其中：

2.3 RCN側(cè)時間偏差

t17時刻，LCN向RCN發(fā)一幀信息，其時間戳為：

將式（5）代入式（6），得：

T18時刻，RCN計算本地系統(tǒng)時間與幀包含的時間戳差值為：

將式（7）代入式（8）得：

由式（9）可以看出，RCN側(cè)的時間戳偏差值與ΔS無關(guān)，因此圖1可簡化為ΔS=0時的圖3，便于分析，如圖3所示。

圖3 簡化ΔS=0后Fig.3 After simplifying ΔS=0

2.4 RCN側(cè)時間偏差范圍

分析ΔT的范圍即分析ΔT的最小值ΔTmin和最大值 ΔTmax。

1）Δz17表示傳輸延時；

2）如圖4所示，AB和BC表示RCN兩個相鄰任務(wù)調(diào)度周期。當(dāng)RCN在AB區(qū)間的某一點(diǎn)收到數(shù)據(jù)且時鐘包立刻被處理，此時為最小值Δa17=0；當(dāng)RCN在AB周期的A點(diǎn)收到時鐘包，而在BC周期的C點(diǎn)才處理該時鐘包，且AB和BC任務(wù)周期均為最大任務(wù)調(diào)度周期Pmax，此時為最大值Δa17=2×Pmax；

圖4 RCN相鄰周期任務(wù)調(diào)度圖Fig.4 RCN adjacent periodic task scheduling diagram

3) 如圖5所示，AB表示RCN的一個任務(wù)調(diào)度周期，當(dāng)在AB區(qū)間某一點(diǎn)獲取系統(tǒng)時間并立即發(fā)送時鐘包，如果連續(xù)16個周期都是這種情況，此時為最小值；反之，當(dāng)在AB區(qū)間A點(diǎn)獲取系統(tǒng)時間，在B點(diǎn)發(fā)送時鐘包，且該任務(wù)周期為Pmax，如果連續(xù)16個周期都是這種情況，此時為最大值

圖5 RCN單個任務(wù)調(diào)度圖Fig.5 RCN single task scheduling diagram

綜上，

由此可見，RCN側(cè)時間偏差可根據(jù)實際系統(tǒng)的傳輸延時和任務(wù)調(diào)度周期，綜合考慮安全性和可用性，在ΔTmin和ΔTmax之間選擇合適的配置值。

2.5 LCN側(cè)時間偏差

如圖2所示，RCN在T19時刻得到系統(tǒng)時間T19，由于任務(wù)調(diào)度延時Δx19后發(fā)送數(shù)據(jù)包。

又經(jīng)過Δy19的傳輸延時后，LCN在t19時刻收到該數(shù)據(jù)包并對其處理。計算LCN系統(tǒng)時鐘與數(shù)據(jù)包包含的時間戳差值為：

將式（5）、（14）代入式（13）得：

由式（15）可以看出，LCN側(cè)的時間戳偏差值也與ΔS無關(guān)，因此圖2同樣可簡化為ΔS=0時的圖3，便于分析。

2.6 LCN側(cè)時間差偏差范圍

分析Δt的范圍即分析Δt的最小值Δtmin和最大值 Δtmax。

2) Δx19的最大最小值分析與2.4節(jié)類似，最小值Δx19=0，最大值Δx19=Pmax；

3）Δy19表示傳輸延時。

綜上

由此可見，同RCN側(cè)類似，LCN側(cè)時間偏差也可根據(jù)實際系統(tǒng)的傳輸延時和任務(wù)調(diào)度周期，綜合考慮安全性和可用性，在Δtmim和Δtmax之間選擇合適的配置值。

3 結(jié)論

使 用SUBSET-056 STM FFFIS Safe Time Layer中提出的時鐘同步算法的主設(shè)備和從設(shè)備，在從設(shè)備的任務(wù)調(diào)度周期遠(yuǎn)小于主設(shè)備任務(wù)周期和設(shè)備間傳輸延時的前提下，主設(shè)備側(cè)的短時漂移在范圍內(nèi)，從設(shè)備的短時漂移在范圍內(nèi)。實際應(yīng)用時，可根據(jù)實測結(jié)果，綜合考慮安全性和可用性[8]，對短時漂移進(jìn)行合理配置。