基于自回歸算法的測控網絡時鐘同步設計

高海英 朱望純 高志昊 薛文忠

摘 要： 為了提高測控網絡的時鐘同步精度，在現有IEEE 1588協議的網絡時鐘基礎上，提出基于自回歸算法的時鐘同步設計。通過建立自回歸時鐘漂移模型，利用一階卡爾曼濾波器對主從時鐘的時鐘偏差和漂移進行估計，根據估計值對時鐘進行補償和修正，并在測控網絡失去最高主時鐘信號的情況下，預測時鐘漂移量以維持主從時鐘同步。試驗結果表明，該設計能有效降低時間戳獲取精度對時鐘同步的影響，使同步精度達到10 ns，并提高了系統在離線狀態下的同步可靠性。

關鍵詞： 時鐘同步； IEEE 1588協議； 自回歸； 卡爾曼濾波； 時鐘漂移預測； 測控網絡

中圖分類號： TN02?34； TP216.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0100?06

Abstract： On the basis of the network clock conforming IEEE 1588 protocol， the clock synchronization design based on autoregression algorithm is proposed to improve the clock synchronization precision of the measurement and control network. By establishing the autoregression clock offset model， the one?order Kalman filter is used to estimate the clock offset and drift of the master?slave clock. According to the estimation value， the clock is compensated and corrected， and the clock drift is predicted to maintain the synchronization of master?slave clock when the highest signal of master clock is lost in the measurement and control network. The experimental results show that the design can effectively reduce the influence of timestamp acquisition accuracy on clock synchronization， make the clock synchronization accuracy reach up to 10 ns， and improve the system synchronization reliability at offline state.

Keywords： clock synchronization； IEEE 1588 protocol； autoregression； Kalman filtering； clock drift prediction； measurement and control network

0 引 言

隨著信息技術和應用科學技術的發展，現有的測控系統已經不能滿足目前的測量和控制要求，分布式測控網絡在各個領域的優勢逐漸體現。分布式測控系統通過局域網實現系統中所有模塊的相互連接，同時保持網絡上各個終端的時鐘同步。只有各時鐘信號同步，測控網絡上的測量和控制任務才有意義，所以時鐘同步精度是分布式測控系統中一個重要指標。

現階段大多數分布式測控網絡仍是基于GPS和NTP（Network Time Protocol）協議搭建網絡。例如，電力監控系統的時鐘同步系統仍是無線網信號基站的時鐘同步信號方式，該時鐘網絡能使時鐘同步信號精度達到毫秒級。但隨著測控系統在各領域上的廣泛應用且日益提高的測控要求，成本降低和精度上的提高成為必須要考慮的問題。GPS模塊成本高、維護難、安裝施工難度大[1]，且針對計算機網絡同步的NTP協議和SNTP（Simple Network Time Protocol）協議精度差、可靠性低[2]。另外，隨著報文背景流量的增大也使得時間標記的誤差和波動增加[3]。2008年提出的IEEE 1588v2協議在IEEE 1588?2002協議中加入了透明時鐘（P2P，E2E）和對等延時響應機制，可以很好地解決上述問題。

本文針對硬件添加制約了高兼容性的以太網的問題，設計了基于自回歸算法的同步時鐘，利用自回歸時鐘漂移模型和卡爾曼濾波可以實現對主從時鐘的時鐘漂移量和頻率漂移量的估計，以估計值對從時鐘進行補償和修正，較本地時鐘同步算法能獲得更高的精度和更平滑的時鐘偏差曲線。而當失去最高主時鐘信號后，自回歸時鐘漂移模型會根據之前所獲數據進行時鐘漂移的估計，在24 h內維持主從時鐘同步。

4 實驗結果

為了驗證本文提出的基于自回歸算法的網絡同步時鐘設計，以圖5的接線方式搭建硬件測試平臺。使用WireShark軟件獲得主從時鐘DP83640上的硬件時間戳，再通過軟件Origin根據獲得的時間戳計算后得到的值繪制出主從時鐘漂移曲線。用以計算估計值時鐘模型的漂移設為3×10-6，時鐘晶振的振動偏差設為1×10-11，時鐘偏移模型套用式（7）。測試條件見表1。

實驗一對采用自回歸算法的網絡同步時鐘設計的可行性和優越性進行驗證。對比采用IEEE 1588v2協議及同步誤差補償算法的網絡時鐘和僅使用IEEE 1588?2002協議的網絡時鐘，透明時鐘、對等延時響應機制和同步誤差補償有效降低了報文擁堵，即背景流量的變化對同步的影響和報文延時波動帶來的同步偏差，提高了時鐘同步精度。如圖6所示，精度分別可以達到23 ns和17 ns左右，對應的系統標準方差分別為37.49 ns和3.04 ns。但是該系統沒有解決由于時間積累，在主從時鐘之間造成的時鐘漂移積累誤差以及在實際運行過程中主從時鐘之間的傳輸延時不完全對稱性造成的對時鐘同步的延時補償計算偏差，降低了時鐘同步的精度。

圖7為引入了自回歸算法的網絡同步時鐘的時鐘精度。卡爾曼濾波算法的觀測值由時鐘實際運行所得到的時間標記通過式（7）計算獲得。并將每次同步后獲得的數據代入迭代式（15）～式（19）中，對時鐘漂移和時鐘晶振的振動偏差進行估計，并通過估計值對時鐘的偏差進行補償和修正。由于解決了時間積累而造成的時鐘漂移偏差累積和實際線路主從延時不完全對稱而造成的延時計算誤差，較本地時鐘同步算法的同相和同頻的校準方式[11]有很大提高，同步精度提高到10 ns左右，對應的系統方差降低到2.08 ns。

實驗二是對基于自回歸算法的時鐘漂移預測，即時鐘序列預測的可行性驗證。在長時間丟失信號的情況下（2～24 h），時間序列預測可以保持各節點的同步。即便經過24 h，且在一些保護功能被關閉的情況下，時間預測的最終延遲[θ]仍能保持在大致30 μs的延遲范圍，如圖8所示。

最大延遲[Θ]幾乎按照線性的方式隨時間增長，但在24 h內仍可以控制在47 μs內，如圖9所示。當再次接收到時鐘信號后，節點同步也可再次進行（替代完全的重新初始化，節省了資源和時間），與在寬松的同步精度要求下保持同步的運行。然而這種預測非常耗時，且必須在系統的主節點上運行。但相比于不采用任何技術，4 s后就能達到200 μs的結果，該方式能夠極大地提高網絡同步時鐘在離線情況下的同步可靠性。

5 結 語

在測控系統中，基于IEEE 1588協議的網絡時鐘雖然能夠使分布式系統的同步精度達到亞微秒級，但是忽略了時鐘漂移的偏差隨時間積累而隨之改變的問題，也忽略了對主從時鐘之間傳輸延時不完全對稱造成的誤差。本文提出的基于自回歸算法的網絡時鐘同步設計很好地解決了上述問題，通過對時鐘漂移和晶振振動偏差的估計，對實際時鐘運行的偏差進行補償，使得時鐘在各時間段都能保持最小的誤差。加入了時鐘序列預測也很好地解決了同步時鐘網絡在處于離線狀態下可靠運行的問題。

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