實(shí)時(shí)分布式仿真中的時(shí)鐘問題研究

摘 要：研究解決實(shí)時(shí)分布式仿真中仿真數(shù)據(jù)的時(shí)間基準(zhǔn)配準(zhǔn)問題、時(shí)鐘同步問題。基于分布式仿真環(huán)境與自研仿真系統(tǒng)對主流時(shí)間配準(zhǔn)算法進(jìn)行驗(yàn)證。分析驗(yàn)證SNTP時(shí)鐘同步協(xié)議在實(shí)時(shí)分布式仿真中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)分布式仿真；時(shí)間配準(zhǔn)；時(shí)鐘同步

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

在實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)中，必須保證各個(gè)仿真單元的時(shí)鐘同步，即保證實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)中各個(gè)單元的時(shí)鐘達(dá)到一定精度的一致。TCP/IP協(xié)議中的Daytime子協(xié)議，Time子協(xié)議，ICMP子協(xié)議的時(shí)間戳報(bào)文都可以用來記錄和發(fā)送時(shí)間，參考以上這些協(xié)議，以時(shí)間戳機(jī)制為基礎(chǔ)的NTP協(xié)議能夠提供更加專業(yè)和精確的時(shí)鐘同步服務(wù)。

時(shí)間配準(zhǔn)是指將同一目標(biāo)在各個(gè)仿真單元上不同步的測量數(shù)據(jù)同步到同一時(shí)間基準(zhǔn)之上。對于大多數(shù)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，各個(gè)仿真源的測量數(shù)據(jù)之間是相互獨(dú)立的。對于主流的各種實(shí)時(shí)處理算法只能處理同步數(shù)據(jù)，只有在各個(gè)仿真源的測量數(shù)據(jù)處于同一時(shí)刻，才能計(jì)算出準(zhǔn)確的結(jié)果。

一、實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)的時(shí)鐘同步問題

時(shí)鐘同步一般采用分層混合同步模式，即一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)有一個(gè)單元作為時(shí)間服務(wù)器，該局域網(wǎng)內(nèi)的其他單元都與時(shí)間服務(wù)器取得時(shí)鐘同步。只需要一個(gè)單元作為該系統(tǒng)的時(shí)間服務(wù)器，其他單元都與時(shí)間服務(wù)器的時(shí)鐘取得同步。SNTP在實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用效果基于如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境：六臺Dell Power Edge 800計(jì)算機(jī)構(gòu)成，安裝Microsoft Windows Server 2003系統(tǒng)。六臺計(jì)算機(jī)由100M交換機(jī)進(jìn)行連接，其中一臺計(jì)算機(jī)作為時(shí)間服務(wù)器，其他五臺計(jì)算機(jī)作為客戶端與時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘同步。在自研實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，SNTP可以使本文這種形式的實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)的各個(gè)單元，達(dá)到1/4毫秒級別的時(shí)鐘同步精度。

二、實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)的時(shí)間配準(zhǔn)問題

時(shí)間配準(zhǔn)是指將同一目標(biāo)各個(gè)觀測點(diǎn)不同步的觀測數(shù)據(jù)同步到同一時(shí)間基準(zhǔn)之上。作為測量目標(biāo)原始觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，它們之間是相互獨(dú)立的，它們的觀測自然也是相互獨(dú)立的，因此在對觀測目標(biāo)進(jìn)行觀測時(shí)，各個(gè)數(shù)據(jù)源不能保證向服務(wù)器提供同一時(shí)刻的觀測數(shù)據(jù)。我們了解到最小二乘法只適用于數(shù)據(jù)源觀測周期互為倍數(shù)關(guān)系的情況之下，應(yīng)用范圍較窄；內(nèi)插外推法以及加入自適應(yīng)因子的線性插值法，只有當(dāng)配準(zhǔn)時(shí)刻處在插值區(qū)域中部時(shí)，才能保證較高的配準(zhǔn)精度；曲線擬合法在實(shí)時(shí)時(shí)間配準(zhǔn)中的應(yīng)用不可行。

為了解決這一問題，本文利用卡爾曼（Kalman）濾波器對觀測數(shù)據(jù)在下一個(gè)周期觀測點(diǎn)的預(yù)測值和本周期觀測點(diǎn)的估計(jì)值進(jìn)行插值計(jì)算，完成對將來時(shí)刻的時(shí)間配準(zhǔn)。數(shù)據(jù)源A首先利用卡爾曼濾波器進(jìn)行預(yù)測，得到在TA4時(shí)刻的預(yù)測值，再利用TA3時(shí)刻的卡爾曼估計(jì)值，向TB3時(shí)刻進(jìn)行基于各種插值算法的時(shí)間配準(zhǔn)。卡爾曼濾波算法將狀態(tài)空間模型引入濾波理論，給出一套遞歸估計(jì)算法。它的基本思想是：在狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上，利用上一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計(jì)。

為了對各個(gè)數(shù)據(jù)源的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)，我們首先對數(shù)據(jù)源在每個(gè)周期觀測點(diǎn)上的觀測值進(jìn)行卡爾曼濾波，得到它們的估計(jì)值，當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)源需要向?qū)頃r(shí)刻進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)時(shí)，利用卡爾曼濾波預(yù)測得到它在下一周期觀測點(diǎn)上的預(yù)測值，這時(shí)根據(jù)該預(yù)測值和本周期觀測點(diǎn)的卡爾曼估計(jì)值就可以向一個(gè)將來時(shí)刻進(jìn)行線性插值時(shí)間配準(zhǔn)。這樣在利用卡爾曼濾波對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波平滑的同時(shí)，又方便的完成了對將來時(shí)刻的時(shí)間配準(zhǔn)。利用卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)源的觀測值進(jìn)行估計(jì)，隨著濾波次數(shù)的增加，估計(jì)值與真值的誤差逐漸減小，最后控制在0.08以內(nèi)。通過驗(yàn)證該算法對于向?qū)頃r(shí)刻的時(shí)間配準(zhǔn)有著很好的配準(zhǔn)效果。

三、實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)的時(shí)間配準(zhǔn)策略

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)源每20ms向服務(wù)器發(fā)送一組原始觀測數(shù)據(jù)，即各個(gè)數(shù)據(jù)源的觀測周期相等且都為20ms，在對本系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)源的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)時(shí)，不存在由高觀測頻率向低觀測頻率配準(zhǔn)的情況，我們一般這樣選擇作為時(shí)間配準(zhǔn)目標(biāo)的數(shù)據(jù)源：首先為了便于時(shí)間配準(zhǔn)計(jì)算，我們對各個(gè)數(shù)據(jù)源傳輸?shù)椒?wù)器的原始觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間信息進(jìn)行歸一化處理，之后在一個(gè)同步周期內(nèi)求得一個(gè)時(shí)刻值tμ，其中Ti為第i個(gè)數(shù)據(jù)源本周期觀測時(shí)刻的歸一化值，N為參加仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源個(gè)數(shù)，然后找出距離tμ最近的Tj，將數(shù)據(jù)源j的周期觀測時(shí)刻作為其他數(shù)據(jù)源時(shí)間配準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)間。通過計(jì)算推導(dǎo)我們可以求出tμ實(shí)際上是各個(gè)數(shù)據(jù)源本周期觀測時(shí)刻歸一化值的均值。

首先在第一個(gè)數(shù)據(jù)源到齊的觀測周期內(nèi)確定作為時(shí)間配準(zhǔn)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)源并為其他數(shù)據(jù)源分類，在接下來的觀測周期內(nèi)對I類數(shù)據(jù)源的觀測數(shù)據(jù)利用線性插值法進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)，對II類數(shù)據(jù)源的觀測數(shù)據(jù)利用基于卡爾曼濾波預(yù)測的線性插值法進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)，最后利用經(jīng)過時(shí)間配準(zhǔn)后得到的同一觀測時(shí)刻下的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

在實(shí)時(shí)計(jì)算開始之前，確定時(shí)間配準(zhǔn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源和對數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類時(shí)，如果在一個(gè)給定時(shí)間段內(nèi)服務(wù)器不能接收到所有數(shù)據(jù)源的原始觀測數(shù)據(jù)（Clock1>Tflag，Tflag根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)的時(shí)長確定），即表明在該規(guī)定時(shí)間內(nèi)，有某個(gè)或某幾個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)了滯后，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)了錯(cuò)誤，終止實(shí)驗(yàn)。當(dāng)確定時(shí)間配準(zhǔn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)源分類正確完成后，開始對各個(gè)數(shù)據(jù)源的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)和實(shí)時(shí)處理。

四、結(jié)束語

本文討論實(shí)時(shí)分布式仿真中的時(shí)鐘問題。探討了對實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該算法可以很好地解決向?qū)頃r(shí)刻進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)的問題。

參考文獻(xiàn)：

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[作者簡介]丁輝（1980.10-），男，回族，陜西人，中級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。