基于推后补偿的时钟同步算法研究_王波

第32卷第1期2011年1月

微　计　算　机　应　用

M I C R O C O M P U T E RA P P L I C A T I O N S

V o l.32N o.1

J a n.2011基于推后补偿的时钟同步算法研究

王　波　吕俊伟　于振涛

(海军航空工程学院控制工程系　烟台　264001)

摘要:时钟同步精度是网络时间同步的重要指标。目前网络节点的增多及涉及行业领域的扩大,给时钟同步精度提出了更高的要求,因此需要研究新的时钟同步算法提高时钟同步精度。本文以网络时钟同步的单向比较法为研究对象,针对其在时钟同步精度上的不足,提出了一种新的时钟同步算法,并给出了此算法在P P S信号同步中的应用,实验结果表明所提出的时钟同步算法提高了P P S信号的传递精度。该算法简单明了,易于工程实现。

关键词:时钟同步　单向比较法　推后补偿　P P S

AS t u d y o f C l o c kS y n c h r o n i z a t i o nA l g o r i t h m s B a s e d

o n P o s t p o n e dC o m p e n s a t i o n

W A N GB o,L VJ u n w e i,Y UZ h e n t a o

(D e p a r t m e n t o f C o n t r o l E n g i n e e r i n g,N a v a l A e r o n a u t i c a l a n dA s t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y,Y a n t a i,264001,C h i n a)

A b s t r a c t:T h e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n i s a ni m p o r t a n t i n d i c a t o r o f t i m es y n c h r o n i z a t i o no f n e t w o r k.C u r r e n t l y t h e i n c r e a s eo f n e t w o r kn o d e s a n dt h e e x p a n s i o n o f i n v o l v e di n d u s t r i e s b r i n g a b o u t h i g h e r r e q u i r e m e n t s f o r t h e p r e c i s i o n o f c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n,s o i t i s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e n e wc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mf o r i m p r o v i n g t h e a c c u r a c y o f c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n.

B a s e do n t h e r e s e a r c h o f o n e-w a y c o m p a r i s o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n,t h i s p a p e r p r e s e n t e da n e wc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b y o v e r c o m i n g i t s s h o r t c o m-i n g s o f s y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n.A n dt h i s m e t h o d w a s a p p l i e dt o t h e s e c o n dp u l s e s i g n a l s y n c h r o n i z a t i o n.T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h ep r o p o s e ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi m p r o v e s t h e t r a n s m i s s i o np r e c i s i o n o f t h e P P S,a n d t h e a l g o r i t h mi s s i m p l e,e a s y t o b e r e a l-i z e d.

K e y w o r d s:c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n,o n e-w a y c o m p a r i s o n,p o s t p o n e dc o m p e n s a t i o n,P P S

1　引言

时钟时间同步精度作为时间同步的重要指标,随着科学技术的快速发展,一些社会和军事活动对时钟同步精度的要求越来越高,如电力传输、多传感器融合和靶场测量等[1]。但现有的时钟同步算法得到的同步精度已不能满足这些需求,因此需要研究新的或改进的时钟同步算法。

目前可用的时钟同步方法可分为本地比较法和发送接收比较法,其中普遍使用的是发送接收比较法[2]。所谓发送接收比较法是指含有时钟信息的信号通过通信系统在时钟参考源和用户之间传递,以达到两者时钟的比对、测量和调整的目的。发送接收比较法又可分为单向比较法和双向比较法。单向比较法指仅有一方发送时钟数据给另一方,典型的如G P S时钟同步算法、无线传感网络D M T S算法和无线传感网络R B S算法;双向比较法指双方按某种逻辑顺序相互发送时钟数据,典型的如互联网的N T P算法和无线传感网络T P S N算法。

本文于2010-11-19收到。

　1期　王波等:基于推后补偿的时钟同步算法研究 在时钟同步方法中,单向比较法是个基本的时钟同步方法。本文以单向比较法为研究对象,针对其在时钟同步精度上的不足,提出了一种新的时钟同步算法―基于推后补偿的时钟同步算法,随后将此算法用于G P S (G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m ,全球定位系统)P P S 信号同步,并进行了实验验证。

2　单向比较法误差分析

在单向比较法时钟同步中,用户在接收到时钟信号后,要经过过滤计算、时间判断等过程,才能调节本地时钟[3,4]

。其基本过程是:

(1)时钟参考源通过通信系统发送、传输时钟信号;

(2)用户记录接收参考源时钟信号的时刻,此时刻称为时间戳;

(3)用户对接收的时钟信号进行解码、校验、滤波和判断等预处理;

(4)用户按某种算法进行时钟比对,计算出时钟偏差;

(5)用户按某种方法,根据时钟偏差调整自身时钟,以达到与时钟参考源的同步。

考虑到这些时间同步过程,单向比较法时间同步处理时序如图1所示

。图1　单向比较法同步过程时序图

T 0时刻参考源发送其时钟信息;T 1时刻用户接受时钟信息;T 2时刻读取本地时间,记录时间戳;T 3时刻对时钟信息进行解码;T 4时刻对时钟信息进行滤波;T 5时刻对时钟信息进行校验判断;T 6计算时钟偏移量;T 7时刻调节本地时钟。理想情况下,用户在T 1时刻应该完成同步过程,并且进行时间调整。此时有:

T 1=T 0+d (1)

d 为参考源到用户的通信传输延迟,如果d 是已知的,并且参考源具有标准的计时频率,则用户与参考源时钟误差为零.但是因为时钟解码、滤波等过程需要时间,所以实际上在T 7时刻才进行时钟调整。此时有:

T 1=T 0+d+ΔT '+ΔT

(2)

在实际中,有时很难准确测量或估算ΔT '和ΔT ,这样用户与参考源时钟之间的误差就增大了。3　基于推后补偿的时钟同步算法

针对以上单向比较法中因过滤计算、时间判断等引起的误差ΔT '和ΔT ,本文提出了基于推后补偿的时间同步算法来消除此误差,以达到提高单向比较法时钟同步精度的目的。算法的思路是:用户把调节本地时钟的时刻往后推迟一个严格固定的时段之后,这个时段要大于同步过程所需时间,然后将这个固定时段计入时钟调整,以达到消除误差ΔT '和ΔT 的目的。其时序如图2所示。

与图1不同的在于,在T 1时刻用户接受参考源的时钟信息,同时启动一个标准计时器,T 1至T 7用户进行时钟偏差计算,但T 7计算完毕后并不立即调整本地时钟,而是等待标准计时器完毕后,再对本地时钟进行调整。此时时钟调整为:

T 8=T 0+d+T d (3)

如果假设通信传输延迟d 已知,T d 在实际中是可以设置的,也是已知量,则显然用户与参考源时钟误差11

微　计　算　机　应　用　2011年为零。因此推后补偿时钟同步算法从理论上减小用户同步过程带来的误差

。

图2　推后补偿时钟同步过程时序

4　新算法在P P S 信号传输中的应用

4.1　理论分析

全球导航定位系统(G P S )每颗卫星装有4台高精度原子钟,其不但是一个精确定位系统,而且也能传递高精密时间信息[2]。随着科技的发展,导航卫星日益成为社会生活和生产活动中重要的时钟源。在实际中,G P S 时钟同步的典型应用如图3所示

。

图3　G P S 时钟同步应用示意图

G P S 信号解算装置通过G P S 天线接收不同导航卫星信号,对这些信号进行解算,得出年月日等时间信

息和P P S (P u l s e P e r S e c o n d )信号[5],并发送给用户。P P S 信号是个脉冲信号,它的上升沿与整秒时刻对齐,

如图4所示,它表征了时钟同步精度,是保证同步精度的重要信号。目前G P S 信号解算装置输出P P S 精度一般为50n s 至100n s 之间[6]

。

当P P S 信号经过远距传输时,会产生干扰脉冲噪声,这严重影响了时钟同步精度[6]。因此需要对P P S

信号进行滤波以消除干扰,由于P P S 信号接收为上升沿触发,如此就产生了如图4所示的P P S 传输延迟。通过分析可以采用推后补偿时钟同步算法减小这个延迟误差,以提高P P S 的同步精度。

P P S 推后补偿时钟同步算法流程为

(1)设置推后计数器。因为P P S 脉冲信号前边沿与整秒时刻对齐,因此推后计数器设置为整秒与延迟之差。

(2)启动推后计数器。接收节点收到P P S 上升沿后,触发推后计数器。

(3)P P S 处理。按特定方法(如测量P P S 宽度),对P P S 处理,防止干扰信号假冒P P S 信号。

(4)时钟调节。推后计数器完毕后,调整本地时间整秒时刻。

至此,P P S 推后补偿时钟同步过程完成。12

　1期　王波等:

基于推后补偿的时钟同步算法研究图4　P P S 波形

4.2　实验验证

实验系统如图5所示

。

图5　P P S 实验电路框图

实验系统各组成部分的功能为G P S 接收机采用美国G A R M I N 型,可输出P P S 信号,同步U T C 时间精度为小于50n s ;N T P 服务器含有一个高恒稳晶振,用来准确地计数;分频电路用来形成频率为1H z 的方波;滤波验证电路对P P S 信号进行滤波,消除干扰脉冲信号;推后补偿电路实现推后补偿算法。

实验对象的工作过程是:P P S 信号经过滤波验证后,触发推后补偿电路,由恒稳晶振对推后补偿电路计数;计数到下一个整秒开始后,推后补偿电路触发分频电路输出1H z 的P P S 信号。利用G T -W 型双路示波器观察P P S 精度,即用示波器来看输出P P S 波形与输入P P S 波形之间的差值。实验示意图如图6所示。

实验共进行了十次,每次连续进行一小时,其中一次示波器显示的P P S 精度数据如图7所示。通过推后补偿算法得到的P P S 精度为90n s -100n s ,而普通单向比较法得到的P P S 精度只有5u s -6u s 。由此可见,推后补偿电路可以有效消除滤波验证带来的P P S 误差,大大提高了P P S 的时钟同步精度。

5　结束语

单向比较法是个基本的时钟同步方法,文中对单向比较法进行了误差分析,针对单向比较算法的不足,13

微　计　算　机　应　用　2011年提出了推后补偿时钟同步算法,并对该算法在P P S 信号传输中的应用进行了理论分析和实验验证,实验结果表明该算法能够有效提高P P S 的时钟同步精度。推后补偿算法作为新的时钟同步算法,具有同步效果好、易于电路实现等特点,将会得到更广泛的应用

。

图6　P P S

同步精度实验示意图

图7　P P S 同步精度数据

参考文献

[1]吴坤,张君.基于G P S 的靶场时统系统技术研究.国防技术基础,2009(3):57-59

[2]张勤,李家权.G P S 测量原理及应用[M ].北京:科学出版社,2005.

[3]P r e c i s i o nc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o l f o r n e t w o r k e d m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e m [S ].I E C 61588S t a n d a r d ,2004.

[4]黄沛芳.基于N T P 的高精度时钟同步系统实现[J ].电子技术应用,2009(7):121-124

[5]刘利.相对论时间比对理论与高精度时间同步技术[C ].解放军信息工程大学,博士学位论文,2004.

[6]胡锦伦,林钦畅.卫星时间频率两种传递技术的长期特性比较[J ].电波科学学报,2002(7-3):315-320

[7]宋波,孙超,姜守达.一种基P T P 协议的局域网高精度时钟同步方法[J ].自动化技术与应用,2010(1):67-70

[8]L .B e n e t a z z o ,C .N a r d u z z i ,e t a l .A n a l y s i s o f c l o c k t r a c k i n g p e r f o r m a n c e s f o r a s o f t w a r eo n l y I E E E 1588i m p l e m e n t a t i o n[C ].I n -s t r u m e n t a t i o na n d M e a s u r e m e n t T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e ,2007.

[9]周贤伟,韦炜,覃伯平.无线传感器网络的时间同步算法研究[J ].传感技术学报,2006,19(1):1005-9490

作者简介

王波,1966年出生,博士,高级工程师,研究方向为传感器与网络、时间控制。

吕俊伟,1960年出生,博士,教授,博士生导师,研究方向为目标识别与跟踪、多传感器网络。

于振涛,1984年出生,博士生,研究方向为多传感器网络、时间控制。14