IEEE 1588精確時間同步協(xié)議和累積頻率補償方法研究

岳中濤 胡立生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

IEEE1588精確時間同步協(xié)議和累積頻率補償方法研究

岳中濤 胡立生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

在IEEE 1588時鐘同步基本原理的基礎(chǔ)上介紹了一種基于累積頻率補償?shù)奶岣咄骄鹊姆椒ǎ咕W(wǎng)絡(luò)中的IEEE 1588下游設(shè)備與GrandMaster建立關(guān)系,從而提高同步精度。最后使用Simulink仿真工具建模對該方法進(jìn)行了驗證。

IEEE 1588 時間同步 累積頻率補償 建模

隨著工業(yè)現(xiàn)場控制規(guī)模越來越大，自動化程度越來越高，對監(jiān)視和控制的同步性和實時性提出了越來越高的要求。在IEEE 1588出現(xiàn)之前已經(jīng)有NTP及SNTP等網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議出現(xiàn)，其同步誤差在1～100ms之間，而某些應(yīng)用領(lǐng)域，如輸電線路行波測距及同步相量測量裝置等對時間同步精度要求誤差不大于1μs，在這些場合就需要采用同步精度更高的方法[1]。IEEE 1588采用軟硬件相結(jié)合的同步方式，其同步精度在亞微秒級，最高可達(dá)到納秒級。

IEEE 1588協(xié)議的基本原理是，首先通過最優(yōu)主時鐘算法在IEEE 1588設(shè)備間構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)，然后通過相互之間的消息傳遞，計算主從時鐘之間相位和頻率的偏移，達(dá)到主從頻率和相位的同步。時鐘的同步包括相位的同步和頻率的同步。IEEE 1588協(xié)議定義了兩種延時測量機(jī)制：請求應(yīng)答(Request-Response)機(jī)制與端延時(Peer Delay)機(jī)制[2]。其中請求應(yīng)答機(jī)制過程如圖1所示。

首先主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync消息，IEEE 1588設(shè)備采用軟硬結(jié)合的方式記錄時間戳，Sync消息在經(jīng)過主時鐘時，會在最接近MII接口處更新為Sync消息離開主時鐘的精確時間t1，Sync消息到達(dá)從時鐘，從時鐘采用硬件中斷的方式記錄Sync消息到達(dá)的精確時間t2，這樣從時鐘獲得Sync消息發(fā)送和接收的精確時間t1與t2。假設(shè)主從設(shè)備時間偏差為Toffset，主從設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)延時為Tdelay，則：

圖1 請求應(yīng)答測量機(jī)制

Toffset+Tdelay=t2-t1

(1)

從時鐘在收到Sync消息后，向主時鐘發(fā)送請求消息Delay_Req，發(fā)送精確時間為t3，主時鐘收到從時鐘發(fā)來的Delay_Req消息，記錄下Delay_Req消息抵達(dá)的精確時間t4，主時鐘把t4包含在Delay_Resp中，發(fā)給從時鐘，從時鐘獲得t4，即：

Tdelay-Toffset=t4-t3

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

(4)

得到主從時鐘之間的偏差之后調(diào)整從時鐘的時間值，去除時鐘偏差，便實現(xiàn)了從時鐘的時間值與主時鐘的同步。不過這樣主從時鐘之間由于存在頻率的偏差，同步之后從時鐘偏差會隨時間逐漸增大，精度受兩次同步間隔時間影響較大。更好的方法是頻率、相位一起同步，同步原理如圖2所示。

圖2 時鐘頻率同步原理

從時鐘與主時鐘之間頻率的偏移可用下面的方法計算[2]。

主時鐘每隔一段時間向從時鐘發(fā)送Sync消息，在主時鐘來看第k個Sync消息與第k+1個Sync消息之間的發(fā)送間隔為：

Δm=tm(k+1)-tm(k)

(5)

在從時鐘來看兩個Sync消息之間的間隔為：

Δs=ts(k+1)-ts(k)

(6)

主從時鐘計算的Sync消息間隔并不一樣，從時鐘與主時鐘頻率的比例關(guān)系可利用下式估算：

F=Δm/Δs

(7)

F的計算是在理想情況下得出的結(jié)果，在實際情況下還需要考慮鏈路延時及時鐘源等諸多因素。

2 累積頻率補償方法在時鐘同步中的應(yīng)用

典型的IEEE 1588時鐘結(jié)構(gòu)如圖3所示，IEEE 1588時鐘由外部參考時鐘(晶振等)驅(qū)動，參考時鐘信號的頻率決定了時間戳模塊的精度與r位累加控制器的大小，例如參考時鐘信號為125MHz，則時鐘分辨率為8ns，r位累加控制器應(yīng)設(shè)置為8ns，表示每個時鐘周期q位累加器累加8ns，時間戳模塊精度最大為±4ns。實際情況下，參考時鐘信號多來自晶振，而晶振頻率受溫度、壓力及老化等因素影響[3]，頻率相對理想頻率有漂移，所以需對r位累加器進(jìn)行頻率補償以調(diào)整單位周期累加值。

圖3 IEEE 1588時鐘結(jié)構(gòu)

IEEE 1588時鐘域內(nèi)一般包括一個GrandMaster(GM)時鐘、若干邊界時鐘(BoundaryClock)、若干普通時鐘(OrdinaryClock)和透明時鐘(TransparentClock)。其中GrandMaster時鐘決定了時鐘域的時間尺度(timescale)和相關(guān)屬性，GrandMaster在時鐘域擁有最高精度，其時鐘源一般為原子鐘或者GPS。圖4是一個簡單的IEEE 1588同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實際情況下IEEE 1588終端可能與GrandMaster時鐘間隔多個邊界時鐘、透明時鐘或者網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等。在圖4的情況下普通時鐘S2通過網(wǎng)絡(luò)端口與邊界時鐘Switch2同步，邊界時鐘Switch2通過端口S與Switch1時鐘同步，Switch1通過端口S與GrandMaster時鐘同步。邊界時鐘Switch1為GrandMaster時鐘的從時鐘，又是Switch2的主時鐘。IEEE 1588協(xié)議規(guī)定，普通時鐘S1、S2、S3不能直接與GrandMaster時鐘同步。由于IEEE 1588設(shè)備間同步存在誤差，也就是說普通時鐘所同步的主時鐘本身就是有誤差的，這種誤差會隨著鏈路設(shè)備的增加而增加，文獻(xiàn)[1]做過實際測試，這種誤差的積累與所同步設(shè)備和GrandMaster之間串聯(lián)的設(shè)備數(shù)n成指數(shù)關(guān)系，主從同步精度在幾十納秒，設(shè)備中間串聯(lián)5個設(shè)備，時間同步的精度就降到了微秒級[4]。所以在實際應(yīng)用中IEEE 1588終端與GrandMaster之間串聯(lián)的IEEE 1588設(shè)備不能過多。

圖4 簡單的IEEE 1588同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若有一種方法使得IEEE 1588終端時鐘頻率可以與GrandMaster“共振”，則可以在一定程度上減少IEEE 1588設(shè)備時鐘同步的誤差[5]。在IEEE 1588應(yīng)用中，已經(jīng)有用于主從時鐘之間的基于頻率補償?shù)姆椒ǎc僅僅依靠調(diào)整時間值的方法相比，可以同時減少相位和頻率的誤差。主從時鐘頻率補償基本原理如式(7)，每個IEEE 1588節(jié)點都可以根據(jù)Sync消息的發(fā)送與接收時間，計算出一個頻率比例因子。如果根據(jù)節(jié)點中一系列頻率比例因子建立一個與GrandMaster時鐘相關(guān)的累積頻率因子，可在一定程度上使得IEEE 1588終端與GrandMaster時鐘“共振”，減少頻率誤差引起的累積相位誤差。

根據(jù)已有主從時鐘之間頻率同步的基本原理，可以為每個IEEE 1588同步網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算出一個頻率比例因子F與頻率補償因子FreqCom。如圖5所示，選擇鏈路GM0-BC1-BC2-…-BCk-BC(k+1)-BC(k+2)，假設(shè)節(jié)點k在第m個同步周期與該節(jié)點主時鐘k-1的頻率比例因子為Fk,m，頻率補償值為FreqComk,m。在第零個同步周期內(nèi)由于從時鐘只接收到一個Sync報文，無足夠的信息計算頻率比例因子，第零個同步周期頻率補償值為1，即時鐘累加器按照默認(rèn)頻率周期Td累加，第m個周期時鐘累加器按照周期Td·FreqComk,m累加：

FreqComk,0=1

FreqComk,m=Fk,m·FreqComk,m-1

(8)

圖5 IEEE 1588同步網(wǎng)絡(luò)

Fk,m確定了相鄰兩個設(shè)備之間的頻率比例關(guān)系，根據(jù)相鄰兩節(jié)點之間的比例關(guān)系可以確定節(jié)點k與節(jié)點0即GM0的累積比例關(guān)系Fck,m：

Fc0,m=1

(9)

定義λk,m為IEEE 1588節(jié)點k頻率比例因子Fk,m與1的差，即頻率偏差系數(shù)，λk,m?1：

λk,m=Fk,m-1

(10)

Fk,m=1+λk,m

(11)

根據(jù)式(9)，有：

(12)

由于λk,m?1，因此式(12)可簡化為：

(13)

根據(jù)式(13)，在串聯(lián)IEEE 1588設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中，只要每個主端口向從端口發(fā)送Sync報文時，攜帶一個包含頻率偏差系數(shù)λk,m的TLV，就可以使得與GrandMaster非直接相連的節(jié)點建立一個與GrandMaster的關(guān)系，達(dá)到改善累計誤差的目的。筆者使用StateFlow建模工具對IEEE 1588協(xié)議進(jìn)行了仿真，限于篇幅不再贅述建模過程。仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為3臺IEEE 1588設(shè)備串聯(lián)，對累積頻率補償方法進(jìn)行了仿真驗證，圖6、7分別為使用累積頻率補償方法前后的仿真對比。使用該方法前同步誤差在±90ns左右，應(yīng)用該方法后的主從時鐘偏差減少到±20ns左右，由此可見，累積頻率補償方法能有效提高IEEE 1588設(shè)備的時間同步精度。

3 結(jié)束語

IEEE 1588目前在以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的精確時間同步中應(yīng)用廣泛，首先介紹了精確時間同步協(xié)議中時間偏差和頻率同步的基本原理、計算過程，然后介紹了一種累積頻率補償方法，使網(wǎng)絡(luò)中IEEE 1588下游設(shè)備與GrandMaster建立關(guān)系，從而提高同步精度。利用Simulink仿真工具對這種方法進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：累積頻率補償方法能有效降低IEEE 1588設(shè)備的時間同步誤差。

圖6 使用累積頻率補償方法前主從時鐘偏差

圖7 使用累積頻率補償方法后主從時鐘偏差

[1] 黃曙.IEEE 1588同步技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用(繼電保護(hù)分冊)[M].北京：中國電力出版社,2013.

[2] IEEE Std 1588,Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System[S].New York: Institute of Electrical and Electronic Engineers,2008.

[3] 張力生.振蕩器的工作特性(下)[J].無線電工程，1987，(5)：33～43.

[4] Balasubramanian S,Harris K R,Moldovansky A.A Frequency Compensated Clock for Precision Synchronization Using IEEE 1588 Protocol and Its Application to Ethernet[C].Workshop on IEEE 1588.Gaithersburg:MD,2003.

[5] Wang S,Cho J,Garner G M.Improvements to Boundary Clock Based Time Synchronization through Cascaded Switches[C].2006 Conference on IEEE 1588. Gaithersburg:MD,2006.

ResearchonIEEE1588PrecisionTimeSynchronizationProtocolandMethodofCumulativeFrequencyCompensation

YUE Zhong-tao, HU Li-sheng

(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Basing on the principle of IEEE 1588 clock synchronization, a cumulative frequency compensation-based method to improve synchronization precision was proposed so as to establish the relations between IEEE 1588 downstream equipment in the network and GrandMaster and to improve the synchronization precision. Simulation with Simulink proves this method.

IEEE 1588, time synchronization, cumulative frequency compensation, modeling

TH861

A

1000-3932(2016)01-0067-04

2015-12-02(修改稿)