IEEE1588精确时间协议的研究与应用
IEEE_1588协议

IEEE_1588协议IEEE1588协议,也称为精密时钟同步协议,是一个用于实时系统中精确同步时钟的网络协议。
它的目标是提供亚微秒级的时钟同步精度,以满足高精度和高同步性能的实时应用需求。
IEEE1588协议主要用于工业自动化、电力系统、通信系统等领域,能够实现在分布式系统中所有时钟设备之间的同步。
IEEE 1588协议的原理是基于主从模式,其中一个设备是主时钟(Master Clock),该设备通过发送同步消息来广播时间信息,其他设备则是从时钟(Slave Clock),它们通过接收同步消息来校正自身的时钟。
主从模式可以实现网络中所有设备的时间同步,但是主时钟设备需要提供高精准的参考时钟。
IEEE1588协议的消息格式如下:1. Sync消息(同步消息):主时钟设备通过此消息广播时间信息,从时钟设备通过解析此消息来校正自身的时钟。
2. Delay_Req消息(延迟请求消息):从时钟设备通过向主时钟设备发送此消息来计算时钟矫正的延迟。
3. Follow_Up消息(跟随消息):主时钟设备通过此消息回复Delay_Req消息,包含时钟矫正延迟的信息。
4. Delay_Resp消息(延迟响应消息):主时钟设备通过此消息回复Delay_Req消息,包含时钟矫正延迟的信息。
5. PDelay_Req消息(精确延迟请求消息):用于测量主从时钟之间的延迟。
6. PDelay_Resp消息(精确延迟响应消息):用于回复PDelay_Req消息,包含主从时钟之间的延迟信息。
7. Announce消息(通告消息):用于通知网络中的设备主时钟的更改。
IEEE 1588协议的核心算法是时钟同步算法,该算法通过计算往返时延(Round-Trip Delay)来实现时钟同步。
往返时延包括主时钟设备发送Sync消息到从时钟设备接收到Follow_Up消息的时间,以及从时钟设备收到Delay_Resp消息到主时钟设备接收到的时间。
基于IEEE1588时钟同步协议的分析与研究

数 字 化 变 电站 同 常 规 变 电站 的显 著 区别 在 于使 用 电 子 式 电
准” , I E E E 1 5 8 8标 准 的基 本 功 能 便 是 使 分 布 式 网络 内 的 时 钟 与 其 中 最 精 确 的 时 钟 保 持 同 步 ,其 网 络对 时精 度 可 达亚 s级 , 这
( 1 )
( 2)
假设 D e l a y 1 = D e l a y 2 , 进而可得 :
D e l a y =( T 2 - T 1 ) + ( T 4 - T 3 )
一
( 3)
( 4)
Of f s e t -( T 2 -T 1 ) + ( T 4 - T 3 )
一
是N T P等 其 他 协 议 无 法 比拟 的 。 所 以, 它 的 出现 , 正 好 契 合 了 数 字 化 变 电 站 中 所 需 要 的 精 确 时 钟 同 步要 求 。现 在 , I E C 也 将 它 转 化为 I E C 6 1 5 8 8 — 2 0 0 8标 准 f 3 ] , 这个标 准已成为当前各种总线普
设 主时钟到从时钟线路延 时为 D e l a y 1 , 从 时 钟 到 主 时 钟 线 路延时为 D e l a y 2, 可 以 得 到 如 下 等式 :
T l + D e l a yl + Of f s e t = T 2
T 3 + D e l a y 2 - Of f s e t = T 4
IEEE 1588精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术

IEEE 1588精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术【摘要】IEEE 1588精确时间同步协议(PTP)解决了通用以太网延迟时间和同步能力差的瓶颈,在自动化、通信等工业领域具有重要意义,本文介绍了IEEE 1588标准在智能变电站建设中应用的关键技术,包括PTP时钟同步模型以及同步过程,分析了PTP网络结构中的设备类型以及主从时钟的偏移和网络延时的修正,最后分析了PTP时钟设备冗余配置的必要性,给出了时钟设备冗余配置的方法。
【关键词】IEEE 1588 PTP 智能变电站时钟同步目前,在变电站自动化系统中广泛应用的对时方式主要有GPS同步脉冲对时,NTP(Network Time Protocol)网络时间协议,SNTP(Simple Network Time Protocol)简单网络时间协议对时等对时方式。
随着数字化变电站的发展使得站内二次硬接线逐渐被串行通信线所取代,GPS对时技术已不适用于新兴的数字化智能变电站网络系统,而NTP/SNTP时间同步协议的时间同步精度仅能到到ms 级,不能满足具有高精度和稳定性要求的电力自动化设备的需求,因此最终提出了IEEE 1588标准,它定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议(Precision Time Protocol,PTP),其网络对时精度可达亚μs级,满足电力系统自动化设备对时间精度的要求,并且所占用网络和硬件资源较少,因此IEEE 1588网络对时方式是应用于智能变电站的理想对时方式[3]。
1 PTP时钟同步模型PTP系统是分布式网络系统,由PTP设备和非PTP设备组成。
下图1为一个典型的PTP分布式系统。
其中,OC(Ordinary Clock)为普通时钟,普通时钟可能是一个系统的最高级主时钟(Grandmaster Clock,GC),也可能是主、从时钟体系中的从时钟(Slave)。
BC(Boundary Clock)为边界时钟,PTP设备通过网络彼此通信,PTP协议在一个叫做域的逻辑范围内运行。
IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现

IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现IEEE1588,也被称为精确时间协议(PTP),是一种用于网络中实现高精度时间同步的协议。
它在各种工业应用和通信系统中被广泛采用,因为它可以提供微秒级甚至亚微秒级的精度,满足了许多应用的实时性要求。
首先,IEEE 1588协议需要在网络中选择一个主时钟(Master Clock),作为时间同步的源头。
主时钟拥有最高的时间精度,并将其时间信息通过数据包广播给其他时钟节点。
其他节点被称为从时钟(Slave Clock),它们通过接收到的时间数据来调整自身的时钟,并与主时钟保持同步。
在主时钟启动时,它会周期性地发送特殊的数据包,称为同步事件(Sync Event)。
这些数据包包含了主时钟的当前时间戳,从时钟接收到这些数据包后,会记录接收时间戳。
当从时钟收到一定数量的同步事件后,它会计算出与主时钟的相对时间差,并根据这个时间差来调整自身的时钟。
为了确保时间同步的准确性,IEEE 1588采用了两个重要的概念,即时钟同步和时间戳校准。
时钟同步通过周期性的同步事件来实现,从而减小网络延迟带来的时间误差。
而时间戳校准则通过周期性地发送延迟请求(Delay Request)和延迟响应(Delay Response)数据包来估计网络延迟,并相应地调整时间戳。
在实际的实现中,IEEE1588通常使用硬件支持或软件实现的方式。
硬件支持一般通过专用的电路芯片或FPGA来实现,它们能够提供更高的时间精度和更低的延迟。
而软件实现则是在通用的计算机上运行,通过操作系统和网络协议栈来实现时间同步功能。
在软件实现中,IEEE1588通常依赖于操作系统的时钟服务和网络协议栈。
操作系统的时钟服务提供了计算机系统的时间信息,并提供了时间戳的功能。
网络协议栈则负责封装和发送数据包,并处理收到的数据包以提取时间戳信息。
在实现中,需要考虑以下几个关键问题:1.时间同步精度:在实现中,需要根据具体应用的要求选择合适的时钟源和自适应算法,以达到所需的精度。
GPON系统1588时间同步技术的研究与应用

GPON系统1588时间同步技术的研究与应用汪坤;刘华【摘要】GPON作为移动通信的基站回传方案需要支持高精度的时间同步, 本文首先简单介绍了IEEE 1588v2协议基本机制,然后分析了在GPON系统中实现1588的几大难点,并介绍了烽火GPON特殊系统框架下的时间同步实现方案架构,给出了可靠的测试数据,最后针对GPON系统时间同步还存在的问题提出了针对性的建议.%As the solution of wireless backhaul, GPON has to support high accuracy time synchronization. This paper briefly introduces the basic mechanism of IEEE 1588v2 protocol firstly. Secondly, it analyzes several major difficulties of realizing 1588 in GPON system. Then it describes the time synchronization implementation schema of Fiberhome's special GPON system frame, and provides reliable experimental data. At last, this paper makes specific recommendations for existence problem of time synchronization in GPON system.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)020【总页数】4页(P56-59)【关键词】基站回传;时间同步;IEEE1588v2;GPON;内部同步机制【作者】汪坤;刘华【作者单位】武汉邮电科学研究院湖北武汉 430074;烽火通信科技股份有限公司湖北武汉 430073【正文语种】中文【中图分类】TN929.11近年来,随着3G技术的普及和4G时代的来临,无线业务出现了爆炸式的增长。
IEEE1588精密时钟同步协议的研究与实现的开题报告

IEEE1588精密时钟同步协议的研究与实现的开题报告一、选题背景:随着信息技术的不断发展,计算机、通信、控制等领域对精确时间同步的需求越来越高。
例如,在通信领域,VoIP、视频会议等实时应用需要保证网络中的各节点时间同步,以保证通信质量。
而在控制领域,多个设备需要协同工作,需要同步时钟,否则就会导致系统崩溃。
此外,金融、无线电通信等领域对时间同步的要求也日益严格。
传统的时间同步方法主要依靠网络中的网络时间协议(NTP)或者数字钟同步协议(DCF77)等,但是它们在精度、可靠性、抗干扰性等方面存在一定的局限性。
因此,IEEE1588精密时间协议应运而生。
二、选题意义:IEEE1588是一种精密时间同步协议,其特点是精度高、可靠性强、可扩展性好和自适应性等。
该协议已经广泛应用于工业自动化、电力系统、通信和交通等领域,成为了实时应用的首选。
本课题旨在研究IEEE1588协议的相关技术,并结合具体应用场景,实现一个可靠高效的IEEE1588精密时间同步系统,以满足实时应用对时间同步的需求。
三、研究内容:(1)IEEE1588协议的相关技术研究,包括协议架构、时钟模型、时钟同步算法等方面的内容。
(2)IEEE1588精密时间同步系统的设计和实现,考虑到各种实际应用情况,应该充分考虑各种能影响系统稳定性的因素,如时延、抖动、同步误差等。
(3)对系统进行实验验证,比较不同因素对系统影响的情况,优化系统的性能和稳定性。
四、研究方法:(1)文献调研法:对IEEE1588协议的相关领域进行查找和学习,对相关论文进行调研和分析,逐步建立自己的知识体系。
(2)实验法:通过开发一个IEEE1588精密时间同步系统的实现,探究和验证系统的可靠性、精度和效率等方面的因素。
(3)对比分析法:在实验中,结合其他同步算法进行对比分析,以进一步优化IEEE1588的效能和稳定性。
五、预期成果:完成一个基于IEEE1588精密时间同步协议的实时同步系统,能够完整演示各个环节的功能和算法,对系统性能和稳定性进行评估和优化,为实现更高效的精密时间同步应用提供可行的方案。
ieee1588 ptp授时原理及应用

ieee1588ptp授时原理及应用ieee1588因授时精度高,广泛应用在实验室、工业自动化、电力系统、导弹发射的遥控遥测系统和舰船雷达系统等通信行业。
本文将就ptp授时原理和特点进行简单说明。
ptp必须有硬件电路支持才可以使用,也就是说必须有主从搭配才能正常授时。
其工作原理是主时钟和从时钟之间周期性的交换时间同步信息。
同时精确的捕获信息包的发出和接受的时间,加盖时间戳信息。
从时钟通过接收主时钟发的同步信息、解析出时戳信息,通过某种算法计算出与主时钟的时间误差以及和网络中的传输延时,以此为依据将本地时钟信息进行校正。
PTP授时方式分为广播和单播,一般ieee1588主时钟多播可以带约200个客户端,单播最多100台,越多精度下降的越厉害。
如果使用高级ptp模块,性能指标各方面比较好的例如SYN2411型IEEE1588主时钟单播模式下最多带256台从时钟,一般建议200台即可,广播模式下,一路ptp可带约1千台从时钟。
同步精度小于等于30ns主时钟相对于外部参考,背靠背测试环境提的精度指标。
ptp授时精度从理论上来说主要受两方面的影响,一方面是打时间戳的位置另外是软件同步的算法。
打时间戳目前可以在物理层、数据链路层和应用层上进行,同时精度会依次降低。
一般来讲硬件单元包括UDP用户数据包协议传输层、网络连接协议IP传输层、MAC数据链路层、传输层和PHY物理层。
除了机箱式的ptp主从时钟以外,如在实际使用环境中对设备体积要求比较小,且单位有1588时钟模块的集成能力,可选择采购各种1588ptp板卡,体积小巧,性价比极高,做主做从都可以使用。
例如SYN2407C型授时模块使用时建议搭配SYN2306C型接收机同时使用,不然后期调试比较麻烦。
ieee1588ptp设备在实际的应用当中首先需要在网络的某个节点处部署一台ptp主时钟,然后将所有被授时的设备配置成ptp从节点,从节点不断地和主节点交换同步时间的报文,获得准确的时间信息从而校正本地时间,实现与主节点的同步,最终实现整个系统节点之间时间的高精度同步。
1588技术研究报告01-

时间同步接口
PHOSPHOR
传输方式 传输距离 精度
时间接口
PTP
1PPS 改进型NTP(电 信级NTP)注 UTI(基于2Mb/s 接口同时提供时 间同步和频率同 步)
专用传输网络
专用传输网络 E1/STM-N专线 两点局域网
无限制
无限制 无限制 100米左右
1s量级
1s量级 1-100s量级 1s量级
4
ITU关于同步的相关规范
PHOSPHOR
5
时间同步
PHOSPHOR
时间同步有两个主要的功能:授时和守时。用通俗的语音描述,授时就 是“对表”。通过不定期的对表动作,将本地时刻与标准时刻相位同步; 守时就是前面提到的频率同步,保证在对表的间隙里,本地时刻与标准时 刻偏差不要太大。
目前时间同步的主要应用为通话计费、网间结算和网管告警。现阶段, 时间同步网采用混合组网方式,它是多个基准时间源头控制的网络,各个 时间源头均能溯源到与UTC比对的时间系统。
11
移动网同步需求分类1
空口同步
PHOSPHOR
如果有两个小区相邻C1和C2,而手机工作在C2中,其中当C1的导频信道时间容限发生较 大误差时,由于时延的关系,C1的导频信号在C2中有可能会被误认为C2的导频信道的一 个延迟路径,此时如果该C1的导频信号足够强,一是切换时无法探测到C1的信号,二可 能C1的信号对C2形成干扰,二者都可能导致掉话 目前国际电联接受的3G标准 WCDMA、 CDMA2000(频分双工)与TD一CDMA(时分双工) • WCDMA全称为widebnadCDMA – 基于GMS网发展出来的G3技术规范 – 是欧洲提出的宽带DCMA技术,它与日本提出的宽带DCMA技术基本相同, 目前正在进一步融合 • CDMA2000是由IS15一IS95技术发展而来的宽带CDMA技术,由美国主推 • TD一SCDMA全称为TimeDivision一SynehronousCDMA(时分同步CDMA) – 由中国大唐电信公司提出的3G标准
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0引言在对时间同步精度要求较高的领域,比如CDMA2000、TD-SCDMA 网络,系统中基站之间需要准确的时间同步。
在软切换中,如果BTS (基站)和BSC (基站控制器)没有时间同步,可能导致在选择器中发生指令不匹配,导致通话连接不能建立起来。
CDMA2000和TD-SCDMA 系统对时间同步的精度要求是3us 。
一般的同步协议如NTP ,目前精度只能达到ms 级,不适用于电信高精度时间同步领域。
TD 网络目前是由GPS 完成同步,而GPS 存在政治和安全风险。
IEEE 1588精确时间协议[1-2](precision time protocol ,PTP )的出现,为替代GPS 提供了极大的可能。
PTP 能达到亚微秒级的同步精度,满足通信网的精度要求。
此技术的最大优点是除了提供频率同步还提供时间同步。
PTP 为减少网络组件的抖动延迟的影响提供了很好的解决方法。
另外,IP 化是大势所趋,城域以太网的同步需求是全网IP 化的拦路虎。
而PTP 是基于包交换网的,很容易在IP 网上实现同步,为全网IP 化解决了一大难题。
同时,PTP 也为分布式网络化测控系统的实时性问题提供了解决方法[3-4]。
11588基本原理1.1工作原理PTP 通过主从设备间消息传递,计算时间偏差来达到主从同步。
PTP 系统属于自组织式的管理方式[5]。
最佳主时钟算法(best master clock algorithm ,BMC 算法)根据各个PTP 端口提供的质量信息,确定每个域内的主时钟。
BMC 算法利用状态决定算法确定每个端口的主从状态,称为建议状态。
主时钟周期性地组播包含时间戳的消息,需要同步的从时钟向主时钟发送消息,从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的时间,计算出与主时钟的偏差和线路延迟。
同步消息传递的机制为延时-请求响应机制(如图1所示)。
主时钟周期发送包含时钟质量的Sync 消息,紧接着发送Follow_Up 消息通告上个消息的实际发送时间t1(本文提到的时间都是指时钟的本地时间);从时钟记录Sync 消息的到达时间t2,紧接着在t3时刻发送Delay_Req 消息;主时钟记录消息到达时间t4,并发送消息Delay_Resp 把t4告知从时钟。
从时钟根据4个时间信息计算出两个时钟的偏差和传输延迟。
假设主从之间的消息往返延迟是对称的,则有从时钟与主时钟的时间偏差Offset 为收稿日期:2008-10-28;修订日期:2009-02-05。
网络与通信技术Offset =[(t2t1)+(t4图2状态机初始化监听Pre_Master建议状态=Slave建议状态=Slave 建议状态=MasterSlave建议状态=Slave超时Master建议状态=Master3.3.1E2E透明时钟E2E透明时钟用在主从时钟之间,它像一个普通的桥、路由器或中继器那样转发所有的消息;对于PTP事件消息,驻留时间桥会测量PTP事件消息的驻留时间;这个时间会写入到这个PTP事件消息或者其后续消息(Follow_Up消息)的特定字段correctionField中,如图5所示。
驻留时间是消息穿越透明时钟所需要的时间。
从时钟做同步校正时,会根据correction-Field字段中的值修改时间,提高精确度。
图5中,总的驻留时间Tr为T r=(t2t0correctionField路径延时Delay由延时-请求响应机制测量。
3.3.2P2P透明时钟E2E透明时钟只测量PTP事件消息穿越它的时间。
P2P 透明时钟除此之外,对于每一个端口有一个额外的模块,这个模块用来计算每个端口和与它分享这条链接的另一端(也要支持P2P透明时钟)的链路延迟。
P2P透明时钟使用对等延迟机制测量端口与对端之间的链路延迟,如图6所示。
链路延迟的计算基于端口与其链路对端交换Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up消息。
P2P透明时钟只能与支持对等延时机制的时钟工作。
图6中,端口A在t1时刻发送Pdelay_Req消息,端口B在t2时刻收到该消息;端口B紧接着在t3时刻发送Pdelay_Resp消息;Pdelay_Resp_Follow_Up消息是可选的,t2和t3可以分开或者一起在这两个消息任选其一发送给端口A。
假设端口A和端口B的传输时间是对称的,也就是tAB和t BA是相等的,则可计算出传输延迟DelayDelay=[(t2t3)]/2对于PTP时间消息,E2E透明时钟更正和转发所有的PTP时间消息,而P2P透明时钟只更正和转发Sync和Fol-low_Up消息。
这些消息中的correctionField字段会被Sync 消息的驻留时间和链路延迟时间更新。
E2E透明时钟只测量驻留时间,P2P透明时钟测量消息的驻留时间、链路延迟,如图7所示。
图7中,总的驻留时间Tr仍为T r=(t2t3)+(t6t02461357 1234得到与主时钟的偏差,对于一阶时钟T offset=T SyncinT SyncoutF T correctSt3)+(T recResp T correctSynct3)+(T recResp T correctSync T correctResp]/2 4.2.2对等延时机制对等延时机制测量的传输延迟,对于一阶时钟T Pdelay=[(t4T correctPresp]/2式中:t4,t1对应于该机制原理图中的标注;TPdelay——执行对等延迟机制的两个端口之间的平均延迟;TcorrectPresp——Pdelay_ Resp消息中correctionField的值。
对于二阶时钟T Pdelay=[(t4T recPreq)T correctPrespF]/2式中:TPresp——响应Pdelay_Resp消息的时间;T recPreq——接收到Pdelay_Req消息的时间;T correctPrespF——Pdelay_Resp_Follow_Up 中correctionField的值。
5组网方案设计在传统网络IP化的过程中,大量的PSTN等TDM业务遗留下来需要统一接入和传送。
以IP为基础的异步网络架构如何保证通信网络的时钟同步将成为亟待解决的问题。
目前,基于PSN传时钟的方法有多种技术[8],比如以太物理层同步,CES,TOP,PTP。
以太物理层同步只能恢复频率而不能同步时间。
CES性能与承载网络密切相关,受到网络传输延时变化影响较大,恢复时钟的质量依赖于承载的PSN网络,不能保证精度。
TOP 受到数据网络延迟抖动、丢包、失序的影响非常大,也不能保证精度。
PTP时间同步技术,它凭借统一的标准,良好的时间和频率同步质量将成为时钟同步技术的主流方向。
此技术的最大的优点是除了提供频率同步,还提供时间同步,也为目前主要依靠GPS授时来解决时间同步的通信网(特别是无线基站)提出了全新的解决方案。
电信网空口同步方案如图8所示。
BCS可通过GPS接收器获得精确时间,也可以通过铯时钟获得。
BCS通过边界时钟和P2P透明时钟,同步相连的BTS。
P2P透明时钟用来减少非对称性影响。
边界时钟主要是连接不同底层技术的网络;提供多个端口;另外,将两个边界时钟连接起来,可以起到备份的作用,当某个主时钟失效时,与之相连的边界时钟可以作为另一个边界时钟的从时钟,同步时间。
6结束语IEEE1588提出的PTP技术同时提供频率同步和时间同步,能达到亚微秒级的精度,适用于包交换网络。
PTP技术在提高同步精度上做了很多改进,降低了网络抖动延迟引起的非对称性影响。
通过对厂商的实验产品测试,能达到TD-SCDMA和CDMA2000系统的时间同步精度要求。
PTP技术在时间同步精度上的优异表现,使得基站不再惟一依靠GPS进行时间同步成为可能,为解决电信等对时间同步精度的高要求提供了新的方案。
参考文献:[1]IEEE.Precision clock synchronization protocol for networkedmeasurement and control systems[S].IEC61588,2004.[2]NIST.Introduction to IEEE1588[EB/OL].http://ieee1588.nist.gov/,2008.[3]John Eidson.The application of IEEE1588to test and measure-ment systems[R].AGILENT,2005:1-2.[4]John C Eidson,Michael C Fischer,Joe White.IEEE instrumenta-tion and,measurement society[R].1588IEEE Standard for a Pre-cision Clock Synchronization Protocol for Networked Measure-ment and Control Systems,IEEE,2002:1-10.[5]Hans Weibel.IEEE1588Tutorial[C].Conference on IEEE1588,2006.[6]IEEE.Draft Standard for a Precision Clock Synchronization Pro-tocol for Networked Measurement and Control Systems[S].IEEE P1588TM D2.2,2007.[7]NIST.IEEE1588-2008is now available from the IEEE Stan-dards Association[EB/OL]./,2008.[8]华为技术有限公司.时钟透传技术白皮书[Z].2007.图8电信网设计方案GPSGPSBCS:主时钟BCS:主时钟BCBCBTS:从时钟P2PP2PP2PP2PP2PP2PP2PBTS:从时钟BTS:从时钟。