改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘方差實(shí)時算法

楊青

摘 要： 為解決PTP協(xié)議中傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步時鐘方差計(jì)算方法無法實(shí)時更新和易受外界干擾的問題，提出了一種基于動態(tài)指數(shù)平滑處理的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘方差實(shí)時計(jì)算方法。試驗(yàn)證明，該算法能夠有效抵御外界干擾，及時響應(yīng)同步時鐘穩(wěn)定性變化和處理網(wǎng)絡(luò)的異常情況，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性、同步性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)同步時鐘； 時鐘方差； 實(shí)時性； 動態(tài)指數(shù)平滑

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-52-03

0 引言

時鐘同步系統(tǒng)是用以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)或者測試系統(tǒng)的不同站之間時間和頻率同步要求的一套完整的電子系統(tǒng)[1]。對于分布式系統(tǒng)，時間同步是分布在不同地點(diǎn)的工作站之間協(xié)同工作的基礎(chǔ)，如果失去這個基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)將不能正常工作[2]。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化測量儀器的應(yīng)用越來越廣泛，這使得分布式環(huán)境中的同步操作和實(shí)時數(shù)據(jù)通信變得更加方便[3]。

實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)時間同步的方法有兩種：一是將外部時間基準(zhǔn)引入分布式系統(tǒng)的絕對時間同步，二是僅在分布式系統(tǒng)內(nèi)部使用算法實(shí)現(xiàn)同步的相對時間同步[4]。對于絕對時間同步，其需要的額外硬件支持限制了它在很多應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用；基于以太網(wǎng)時間同步技術(shù)使用內(nèi)部算法完成節(jié)點(diǎn)間的時鐘同步，硬件開銷小，因此得到越來越多的應(yīng)用。

基于以太網(wǎng)的時鐘同步包含多種協(xié)議，主要有NTP、SNTP和PTP協(xié)議等。這類協(xié)議通常采用主從方式進(jìn)行時間同步，從時鐘通過特定的同步算法同步到主時鐘[5-7]。為保證網(wǎng)絡(luò)具有最佳的同步精度，主時鐘應(yīng)具有全局最高的時鐘精度與時鐘穩(wěn)定性。其中，時鐘方差作為表征時鐘穩(wěn)定性的重要參數(shù)，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高精度時間同步的PTP協(xié)議中[8-9]。

1 傳統(tǒng)時鐘方差計(jì)算方法

PTP協(xié)議中，BMC算法（最佳主時鐘算法）的作用是為時鐘域全局選取時鐘精度和時鐘穩(wěn)定性最高的時鐘作為全局的超主時鐘，同時為每一條同步路徑選擇性能最優(yōu)的主時鐘。BMC算法中時鐘方差是表征時鐘穩(wěn)定性的惟一參數(shù)，對于超主時鐘和主時鐘的選取具有重要作用。

計(jì)算時鐘方差的一般方法是，先計(jì)算某時鐘的艾倫方差，對其進(jìn)行取對數(shù)、放大和滯后等修正后將其作為該時鐘的時鐘方差[10]。

艾倫方差所測量的是晶振變化量的統(tǒng)計(jì)量，其表達(dá)式為：

從式⑵可知，該計(jì)算所需數(shù)據(jù)量大且計(jì)算復(fù)雜，因此，一般在離線狀態(tài)下使用更高時鐘精度和穩(wěn)定性更好的時鐘，對被測系統(tǒng)進(jìn)行多次測量，計(jì)算求得時間殘差，進(jìn)而計(jì)算時鐘方差，這就決定了時鐘方差無法實(shí)時更新，在一定程度上決定了時鐘同步精度。實(shí)際系統(tǒng)中，時鐘穩(wěn)定性除受自身因素的影響外還往往受外界干擾的影響，如溫度、濕度和壓強(qiáng)的影響[11-13]。

為解決這一問題，本文提出一種時鐘方差實(shí)時計(jì)算方法，并對放大后的時鐘方差進(jìn)行指數(shù)平滑處理以得到更加穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。

2 改進(jìn)的實(shí)時艾倫方差

為實(shí)現(xiàn)在多種系統(tǒng)（尤其是嵌入式系統(tǒng)）中實(shí)時測量時鐘方差，應(yīng)簡化時鐘方差的計(jì)算復(fù)雜度。為滿足實(shí)時性要求，對式⑵做進(jìn)一步改進(jìn)，令M=3，則可得到如下公式：

式⑶中，N表示第N次實(shí)時測量。

PTP協(xié)議中，時鐘同步算法包含兩個階段，即偏移測量階段和延時測量階段。延時測量階段的作用在于計(jì)算對等端的傳輸時延，以此降低網(wǎng)絡(luò)時延對偏移測量所造成的誤差。偏移測量階段用于測量主從時鐘間的偏移量，即為主從時鐘的時鐘偏差。該偏差為實(shí)現(xiàn)時鐘方差的實(shí)時計(jì)算，時鐘方差計(jì)算的輸入殘差應(yīng)在同步系統(tǒng)同步過程中實(shí)時獲取，因此使用同步時計(jì)算獲取的時鐘偏移量作為時間殘差輸入。通常情況下，該時鐘偏移量包含網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的偏差和各時鐘晶振振蕩頻率的不確定性。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸較為平穩(wěn)，此時數(shù)據(jù)傳輸延時抖動不大[14-15]。若在同步系統(tǒng)中采用立即轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)延時抖動還將進(jìn)一步減?。徊捎猛競鲿r鐘則延時抖動可在傳輸過程中實(shí)時測量；采用邊界時鐘則延時抖動可以通過多級同步方式消除。另外，PTP協(xié)議延時測量階段將測量某時鐘與其余所有時鐘的對等傳輸時延，并以此計(jì)算主從時鐘偏移量。高精度PTP同步方式中，從時鐘還將修改其時鐘頻率以使其時鐘頻率與主時鐘盡可能保持一致，所以主、從時鐘的不確定性具有一定相關(guān)性。因此，時鐘偏移量能較大程度地反映某時鐘的穩(wěn)定性特征，作為衡量某個時鐘穩(wěn)定性的時鐘殘差輸入具有可行性。

3 時鐘方差動態(tài)指數(shù)平滑

指數(shù)平滑主要作用有兩方面：歷史數(shù)據(jù)修勻與時間序列預(yù)測[16]。時間序列存在時間規(guī)律性，可以將過去的狀態(tài)反映在將來的狀態(tài)中，因此可以進(jìn)行指數(shù)平滑預(yù)測[17-18]。同時，將過去的狀態(tài)通過平滑應(yīng)用于將來的狀態(tài)，也使其具有了延時性，將其用于時鐘方差計(jì)算的滯后修正也同樣可行。

3.1 指數(shù)平滑

指數(shù)平滑一般采用離散形式給出，其基本平滑公式為：

式⑷中，SN為第N次平滑值，XN為第N次觀測值，α為平滑參數(shù)。選擇平滑參數(shù)時，其值過大，則平滑值與觀測值接近，觀測噪聲將嚴(yán)重影響平滑結(jié)果，失去平滑意義；平滑值過小，則觀測值難以有效反映到平滑值中，失去觀測意義。因此，平滑參數(shù)α的選擇對指數(shù)平滑的預(yù)測與修勻效果至關(guān)重要。一般的指數(shù)平滑方法中，其參數(shù)多為常量，其大小通常由人來設(shè)定，故易受個人主觀因素影響，難以適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的變化。網(wǎng)絡(luò)同步系統(tǒng)中，時鐘穩(wěn)定性受電磁干擾或溫度變化等因素的影響而發(fā)生變化，因此，采用固定參數(shù)的指數(shù)平滑方法無法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。為此，本文提出一種通過求取觀測值的最大值與最小值進(jìn)行平滑參數(shù)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法。

3.2 動態(tài)平滑參數(shù)的計(jì)算

指數(shù)平滑用于時鐘方差的平滑時，由于計(jì)算結(jié)果為統(tǒng)計(jì)量，需要計(jì)算結(jié)果相對平穩(wěn)，不能出現(xiàn)大幅度的振動，故要求平滑參數(shù)數(shù)值較小。一種可行的動態(tài)平滑參數(shù)計(jì)算方法如式⑸、式⑹、式⑺、式⑻所示：

式⑸中，C為常數(shù)，N表示第N次實(shí)時測量。由式⑹、式⑺、式⑻得知0<αN<1。

由該計(jì)算方法得到的時鐘方差，可顯著抑制測量噪聲對時鐘方差的影響。以下分析測量噪聲和被測系統(tǒng)穩(wěn)定性變化對時鐘方差計(jì)算的影響。

3.3 動態(tài)平滑參數(shù)計(jì)算方法的特性

該算法能有效抑制高于截止頻率的干擾，并能實(shí)現(xiàn)對時鐘穩(wěn)定性逐漸變化的及時響應(yīng)。以下分別為各種輸入情況下的MATLAB仿真結(jié)果。

3.3.1 脈沖干擾

當(dāng)輸入基本穩(wěn)定時，由式⑻可知平滑參數(shù)基本保持不變，輸出基本保持穩(wěn)定。當(dāng)脈沖干擾輸入時，絕對誤差|eN|將顯著大于其前T-1項(xiàng)，式⑻中分母將顯著增大，而平均與開方運(yùn)算使分子變化相對較小，因此αN將相應(yīng)減小，確保指數(shù)平滑的輸出不產(chǎn)生大幅波動。圖1與圖2分別為正脈沖干擾與負(fù)脈沖干擾的仿真結(jié)果。

圖1和圖2中，輸入量為平滑前的時鐘方差，輸出為最終時鐘方差，當(dāng)脈沖干擾輸入時（第100實(shí)時測量計(jì)算），平滑參數(shù)迅速減小，使輸出基本保持穩(wěn)定，而其他輸入較穩(wěn)定的時刻平滑參數(shù)取值較大，輸出也基本平穩(wěn)。

3.3.2 輸入緩慢變化

由式⑹可知輸入緩慢增大或減小時，絕對誤差|eN|也將隨之緩慢增大或減小，式⑻的分子、分母均會隨絕對誤差的增減而增減，平滑參數(shù)大體保持穩(wěn)定且數(shù)值較大，輸出隨輸入緩慢變化，因此能反應(yīng)輸入的變化趨勢。其仿真如圖3、圖4所示。

截止周期T的值對平滑參數(shù)αN具有較大影響。其值過大，則輸出難以及時反映輸入的變化。當(dāng)脈沖噪聲輸入時，為保證抑制多個噪聲點(diǎn)對計(jì)算的影響，指數(shù)平滑參數(shù)將在其后T次計(jì)算中保持較小的數(shù)值，因此其后較長的有效輸入數(shù)據(jù)將被抑制。若此時輸入發(fā)生緩慢變化，輸出因平滑參數(shù)的抑制仍將基本保持不變。

T的數(shù)值過小，則輸出波動較大，無法反應(yīng)時鐘的穩(wěn)定性特征。較小的數(shù)值會導(dǎo)致截止頻率變高，對低頻噪聲的抑制能力將明顯下降，且平均絕對誤差與最大絕對誤差均會大范圍波動，因此平滑參數(shù)也將隨之大范圍波動，進(jìn)而導(dǎo)致時鐘方差大范圍波動，造成其無法表征時鐘的穩(wěn)定性特征。經(jīng)驗(yàn)證，T的取值為5到20之間時平滑效果與響應(yīng)速度均較理想。

4 結(jié)束語

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化測量儀器應(yīng)用越來越廣泛，使得分布式環(huán)境中的同步操作和實(shí)時數(shù)據(jù)通信變得更加方便。PTP協(xié)議中，時鐘方差是表征網(wǎng)絡(luò)同步時鐘穩(wěn)定性的重要參數(shù)。試驗(yàn)證明，基于動態(tài)指數(shù)平滑的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘方差實(shí)時計(jì)算方法能夠?qū)崟r更新時鐘方差，具有有效抑制噪聲和及時響應(yīng)時鐘穩(wěn)定性變化的特征，改善了網(wǎng)絡(luò)抵御外界干擾和處理異常情況的能力，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性、同步性及穩(wěn)定性。在該方法中，合理選取截止周期可得到較為理想的平滑效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邵俊鵬，馮禹，劉原強(qiáng).面向裝配的設(shè)計(jì)評價的零件對稱性自動識別方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2002.6（6）：66-69

[2] 黃俊，武哲，孫惠中等.作戰(zhàn)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)評價準(zhǔn)則和評估方法研究[J].航空學(xué)報，2000.21（1）：70-73

[3] 李潔，連順國，樓蘭等.航天飛行訓(xùn)練仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時性實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2003.15（8）：11331135

[4] 賀鵬，吳海濤.分布式系統(tǒng)的時間同步算法研究及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2001.21（12）：86-89

[5] 庾智蘭，李智.精確時鐘同步協(xié)議最佳主時鐘算法[J].電力自動化設(shè)備，2009.11（29）：74-77

[6] 季剛，姚艷.基于NTP的氣象網(wǎng)絡(luò)校時系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時代，2011.11：17-19

[7] 王圣東，方建勇，劉新友.基于NTP協(xié)議的一種校時實(shí)現(xiàn)及相關(guān)算法[J].指揮控制與仿真，2011.3（33）：101-104

[8] IEEE Instrumentation and Measurement Society. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems [EB/OL]. ieee1588.nist.org

[9] 張鶴鳴，楊斌.最佳主時鐘算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2010.12（25）：597-601

[10] 王颋，王平，向敏.EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時鐘同步主時鐘控制算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009.1（21）：147-153

[11] 焦鵬，游澤成，楊宇飛等.計(jì)算機(jī)內(nèi)部時鐘穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及分析[J].測繪工程，2011.2（20）：22-26

[12] 張鵬，王少榮，程時杰.電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)GPS 同步時鐘的穩(wěn)定性研究[J].繼電器，2004.12（32）：18-22

[13] 吳歆馨.基于IEEE1588高精度網(wǎng)絡(luò)時鐘同步系統(tǒng)的研究 [M].華中科技大學(xué)，2007.6.

[14] 黨安喜，裴少婧，尚耀東，裴炳南.以太網(wǎng)時延仿真與性能分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009.2（45）：119-122

[15] 宮麗寧，徐玉斌.基于OPNET 的交換式以太網(wǎng)實(shí)時性仿真分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008.4（21）：60-61

[16] 王長江.指數(shù)平滑法中平滑系數(shù)的選擇研究[J].中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006.（27）6：559-562

[17] 劉造保，徐衛(wèi)亞，張開普等.基于改進(jìn)指數(shù)平滑法的巖體邊坡變形預(yù)測[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009.5（37）：313-316

[18] 趙殿玉，楊芳春.指數(shù)平滑系數(shù)的優(yōu)化選擇[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997.4（16）：231-234