基于時鐘精度加權(quán)的時鐘同步算法

鐘 程 張 磊 凌 震

1.宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100854 2.北京航天自動控制研究所，北京100854 3.中國運載火箭技術(shù)研究院, 北京100076

0 引言

時間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time-Triggered Ethernet,簡稱 TTE)是將時間觸發(fā)傳輸?shù)膶崟r性、確定性、容錯能力等特點與傳統(tǒng)以太網(wǎng)特點相結(jié)合的一種實時以太網(wǎng)技術(shù)，可應(yīng)用于航空航天等對安全性要求較高的領(lǐng)域。SAE組織針對TTE建立了AS6802協(xié)議標準，制定了一套高精度的同步技術(shù)，能夠保證TTE對于高帶寬，低延遲，髙精度，高可靠性的需求，為TTE建立了可靠的全局時鐘[1]。同步精度是TTE網(wǎng)絡(luò)中的重要指標之一，如何提高同步精度是工業(yè)界不斷研究的課題。張英靜等學(xué)者采用穩(wěn)健回歸算法對TTE節(jié)點的本地時鐘進行補償，同步精度優(yōu)于傳統(tǒng)的補償算法[2]；徐乾舜等學(xué)者在濾除晶振噪聲的情況下，仿真驗證了2種漸近時鐘補償算法在TTE網(wǎng)絡(luò)上的可行性[3]；楊永強等學(xué)者提出一種野值預(yù)剔除算法，通過對野值的預(yù)先剔除和本地時鐘的補償，有效解決了TTE同步主節(jié)點出現(xiàn)野值的問題[4]。

實際工程中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點常使用不同精度等級的晶振，如普通晶振、溫補晶振、恒溫晶振及銣鐘等。AS6802協(xié)議的同步算法未根據(jù)節(jié)點的不同時鐘精度等級進行特別的優(yōu)化設(shè)計。在一定同步精度要求下需要以最差晶振指標設(shè)定同步周期，因此要消耗更多的帶寬資源。

在SAE AS6802同步算法的基礎(chǔ)上，提出一種基于時鐘精度加權(quán)的時鐘同步改進算法，通過給予網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不同精度的時鐘不同的權(quán)值，使較高精度的時鐘在同步過程中發(fā)揮其穩(wěn)定、精確的作用，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時鐘同步精度，為數(shù)據(jù)交換、資源調(diào)度提供可靠的保障[5]。

1 時間觸發(fā)以太網(wǎng)時鐘同步算法

1.1 時鐘同步服務(wù)與壓縮函數(shù)

AS6802是于2011年發(fā)布的一種高容錯高精度的時鐘同步協(xié)議，該協(xié)議TTE 指定的一種網(wǎng)絡(luò)時鐘同步算法，用于實現(xiàn)集群節(jié)點間的時鐘內(nèi)同步。

在TTE的同步過程中，各個端系統(tǒng)和交換機可以配置為不同的功能單元:同步主節(jié)點(Synchronization Master，SM)、同步客戶端(Synchronization Client，SC)和壓縮主節(jié)點(Compression Master，CM)。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的同步過程為：SM向CM節(jié)點發(fā)送協(xié)議控制幀(Protocol Control Frame，PCF)。CM節(jié)點收到各個鏈路上的PCF后進行固化函數(shù)，重建PCF的派發(fā)順序。繼而進行壓縮函數(shù)，對收集到的PCF中包含的時間信息進行整合計算，利用容錯中值算法得到壓縮修正值。CM根據(jù)壓縮修正值修正本地時鐘后，將時間信息記錄在一個新PCF中廣播給各SM和SC，各個節(jié)點根據(jù)新PCF的時間信息各自修正自己的本地時間，實現(xiàn)全局的時間同步[6]。

圖1 兩階段的同步過程

壓縮函數(shù)(Compression Algorithm)是AS6802協(xié)議時鐘同步算法的最為核心的函數(shù)之一。壓縮函數(shù)主要有三個階段：收集階段、計算階段和延遲階段[7-8]。

1)收集階段。當壓縮函數(shù)開始時會開啟觀察窗口，該階段通過最大觀察窗口容錯機制對CM節(jié)點接收到的PCF幀固化點進行收集；

2)計算階段。收集階段完成后，計算階段對觀察窗口內(nèi)收集到的固化點進行計算，最后得到參數(shù)壓縮修正值C(Compression correction)用于CM節(jié)點本地時鐘的修正，計算方法采用容錯中值算法，步驟如下。其中ti表示第i個固化時刻點。

采集階段被固化的 PCF 的數(shù)量決定了計算階段輸入?yún)?shù)的數(shù)量，第i個輸入Ui按照如下公式計算:

Ui=ti-t1

(1)

壓縮函數(shù)將應(yīng)用以下公式來計算壓縮修正值:

(2)

式中，N為收集到的PCF的個數(shù)，k是離線配置的與容錯相關(guān)的常量。

3)延遲階段。引入一段“人為”的延遲時間，等待PCF幀的再次派發(fā)。延遲階段結(jié)束后，壓縮函數(shù)完成。

1.2 AS6802同步算法原理分析

精確可靠的全局時間對于時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，是后續(xù)過程中時間觸發(fā)通訊的先決條件。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的晶振均會存在不同程度的誤差，隨著時間的推移，各個節(jié)點間的時鐘偏差會越來越大。時鐘同步算法就是在給定的精度范圍Π內(nèi)對系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點的本地時鐘進行校正的過程，在各節(jié)點間形成一個較為合適的全局時間[9]，如圖2所示。

圖2 時鐘同步算法的作用

對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中存在的晶振誤差，AS6802同步算法仍可以保持較高的精度與容錯性。確保高精度與容錯性的關(guān)鍵策略是AS6802算法中的觀察窗口容錯機制。在同步算法壓縮函數(shù)的收集階段，CM節(jié)點在收到第1個到達的PCF時刻開啟多個觀察窗口。觀察窗口機制的作用是盡量多地收集落在同一窗口范圍內(nèi)的PCF，作為后續(xù)壓縮計算的輸入；在該范圍之外的PCF視作錯誤時鐘不予收集。觀察窗口的大小為兩個正常時鐘的最大偏差。由于各個時鐘的精度存在差別，觀察窗口的長度必須設(shè)置為足夠長來囊括正常時鐘存在的偏差。在這種情況下，容錯機制勢必會占用較高的帶寬資源來滿足需求。這將對TTE網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)流的通訊服務(wù)在帶寬流量的分配與利用方面帶來一定的限制和影響。

另一方面，壓縮函數(shù)在同步過程的作用是：利用接收到的PCF的時間信息，整合計算出一個趨近于全局同步的時間信息。壓縮算法計算階段求出的壓縮修正值正是對各個PCF的時間偏差的平均體現(xiàn)。AS6802協(xié)議中對壓縮修正值的計算較為簡潔，僅將到達CM節(jié)點的時間信息作為修正值計算的輸入，節(jié)點時鐘本身的時間信息并未加以利用。

2 基于時鐘精度加權(quán)的時鐘同步算法

2.1 時鐘晶振誤差分析

由于老化、溫度變化、沖擊等原因，一般時鐘晶振具有頻率漂移、相位噪聲惡化等情況。通常用頻率穩(wěn)定性評估適應(yīng)晶振的性能。頻率穩(wěn)定性包括長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性。長期穩(wěn)定性是指振蕩器在長時間內(nèi)發(fā)生的頻率變化的特性，也叫漂移特性。短期穩(wěn)定性是指由晶振內(nèi)部的相位噪聲引起的頻率的隨機抖動。本次研究重點主要是短期穩(wěn)定性，并在一定程度上簡化晶振的誤差模型：假定晶振的輸出頻率滿足以其標稱頻率為期望，方差為的正態(tài)分布。由統(tǒng)計學(xué)知識可知，頻率的誤差也滿足正態(tài)分布。

晶振輸出脈沖信號的個數(shù)會被寄存器不斷累加，按照一定的換算關(guān)系就能計算出該節(jié)點的本地時間。由于晶振的工作頻率并不恒定，單位時間內(nèi)輸出脈沖信號的個數(shù)會有所偏差，導(dǎo)致計算的本地時間與標準時間之間出現(xiàn)偏差。

對于高精度晶體振蕩器，如溫補晶振、恒溫晶振等，它們通過采取溫度補償、量化噪聲等方法，使輸出頻率具有較高的穩(wěn)定度和準確度。這將為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點帶來更為準確的本地時鐘。本文研究的重點就是利用高精度的時鐘節(jié)點，對AS6802同步算法進行改進，提高同步精度，優(yōu)化資源利用。

2.2 基于時鐘精度加權(quán)的時鐘同步算法

在AS6802協(xié)議的基礎(chǔ)上，在壓縮函數(shù)的計算階段提出如下改進：

1)對于具有不同時鐘精度的SM節(jié)點，提前離線設(shè)定出不同的權(quán)重，晶振精度越高，權(quán)重越大，表示該節(jié)點的PCF時間信息在計算整合階段的作用越高；

2)對于收集到的所有固化點(以n個端節(jié)點為例)，CM節(jié)點經(jīng)過壓縮函數(shù)計算的壓縮修正值的公式修改為：

C=t1×λ1+t2×λ2+…+tn×λn-t1

(3)

3)對于權(quán)值λi的配置，提出一種靜態(tài)配置與動態(tài)檢驗結(jié)合的配置方案。

動態(tài)檢驗是在同步過程中壓縮函數(shù)中進行的?？紤]到高精度時鐘的權(quán)值較高，一旦發(fā)生故障，帶有錯誤時間信息的PCF被收集后將對同步過程產(chǎn)生較大影響，動態(tài)檢驗是一種提高安全性的容錯手段。

動態(tài)檢驗的具體方案為：CM接收的每個PCF 都有各自的先驗接收時刻(無誤差的完美同步下)，可以根據(jù)實際時刻偏離先驗時刻的大小判斷該PCF時間信息的正確與否。在沒有其他誤差的情況下，偏離程度僅由時鐘精度決定。精度越高的時鐘，其PCF到達的時刻越接近先驗時刻。因此可以在先驗接收時刻，左右兩端開啟一定寬度的接收窗口。接收窗口的寬度和發(fā)送該PCF節(jié)點的時鐘精度有關(guān)，精度越高，其接收窗口的寬度越小。若PCF的實際接收時刻落在其對應(yīng)的接收窗口，則表示該PCF的時間信息是可靠的，其權(quán)值按照靜態(tài)配置的方法配置。若實際接收時刻超出了接收窗口的范圍，則說明發(fā)送該PCF的時鐘出現(xiàn)故障，需要根據(jù)其具體落點范圍對其權(quán)值進行修正。

如圖3所示，精度為pi的時鐘都會有其對應(yīng)寬度的PCF接收窗口，若PCF沒有落在對應(yīng)的窗口中，則按照其實際所在窗口對應(yīng)的精度給予其權(quán)值。若實際接收點落在最大接收窗口之外，則該PCF將不再參與本次同步服務(wù)，對應(yīng)的節(jié)點應(yīng)重啟。

圖3 接收窗口示意圖

3 仿真案例及分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型的建立與參數(shù)設(shè)置

利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET對本次研究的網(wǎng)絡(luò)建立模型[10]，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)拓撲采用星形拓撲，網(wǎng)絡(luò)中包含4個端節(jié)點(SM節(jié)點)，1個交換機節(jié)點(CM節(jié)點)，網(wǎng)絡(luò)連接線的傳輸速率為1Gbps。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲

在該網(wǎng)絡(luò)模型中，4個端節(jié)點分別采用3種精度的晶振：普通晶振，溫補晶振和恒溫晶振。不同時鐘精度等級的節(jié)點時鐘會在PCF幀格式的第18個字節(jié)中做出標記。本次仿真中，各個精度等級的時鐘權(quán)值按照靜態(tài)配置的方式設(shè)置。各個晶振的主要參數(shù)信息如表1所示。

表1 晶振等級劃分與權(quán)值設(shè)定

本次仿真中假定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)進行了上電和冷啟動過程，各節(jié)點已經(jīng)達到同步狀態(tài)。

3.2 評價指標

本次仿真中，集成周期設(shè)定為20ms，共進行100次同步服務(wù)，即100次本地時鐘采集，仿真總時長為2s。設(shè)定所有晶振的標稱頻率為30MHz，對于普通晶振每次集成周期后的抖動誤差范圍為±600ns，溫補晶振為±100ns，恒溫晶振為±10ns。

本次研究中，改進算法的目的是通過提高同步后的時鐘精度，釋放更多的帶寬資源。本次仿真設(shè)定觀察和評價指標Q為網(wǎng)絡(luò)的同步精度，是指每次同步服務(wù)后，各個節(jié)點的本地時鐘里最大值與最小值的差值。即：

(4)

3.3 仿真結(jié)果及分析

OPNET仿真軟件在網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點域和進程域3個層面上建立了網(wǎng)絡(luò)模型，并通過相關(guān)代碼的編譯實現(xiàn)端接點的成幀、發(fā)包、收包及處理數(shù)據(jù)，交換機的收發(fā)包、數(shù)據(jù)分析及處理等關(guān)鍵功能。

同步服務(wù)啟動前，時鐘間最大時鐘偏差的統(tǒng)計情況如圖5所示。

圖5 時鐘偏差(未同步)

利用AS6802同步算法進行同步服務(wù)，對100次同步后的最大偏差結(jié)果記錄如圖6所示，對比圖5可知，節(jié)點間的時鐘偏差范圍相較于未同步時的結(jié)果有大幅度的下降，說明AS6802算法可以有效地對各節(jié)點本地時鐘進行修正，具有一定的同步精度。

圖6 時鐘偏差(AS6802同步算法)

利用改進算法對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行仿真，經(jīng)過100次同步服務(wù)后的同步結(jié)果統(tǒng)計如圖7所示。未同步、AS6802同步算法與改進算法的偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。與未同步狀態(tài)和AS6802算法同步結(jié)果比較可知，經(jīng)過改進算法的同步服務(wù)后，節(jié)點間時鐘最大偏差值的范圍大幅度縮減，相較于原算法的偏差值降低了一個數(shù)量級。各個時鐘之間最大偏差縮小到一個較小的范圍，說明基于時鐘精度加權(quán)的改進時鐘同步算法可為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提高更高精度的全局時鐘。

圖7 時鐘偏差(改進同步算法)

表2 不同同步服務(wù)條件下的統(tǒng)計值

4 結(jié)束語

同步精度是TTE網(wǎng)絡(luò)中的重要指標之一，如何提高同步精度是工業(yè)界不斷研究的課題。本文在AS6802的基礎(chǔ)上提出了一種基于時鐘精度加權(quán)的時鐘同步改進算法，在同步算法的壓縮計算階段，給予不同晶振精度的時鐘不同的權(quán)值以發(fā)揮高精度時鐘晶振穩(wěn)定準確的特性。仿真結(jié)果表明：改進的算法能在較大程度上提高網(wǎng)絡(luò)的同步精度，同步后的時鐘偏差縮減為原算法的10%左右。