IEEE1588時間同步技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王明昌

摘 要： 隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為測控通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。網(wǎng)絡(luò)化的測控通信系統(tǒng)對于時鐘同步有著嚴(yán)格的要求，選擇合適的時鐘同步協(xié)議，滿足測控通信中時間同步的設(shè)想，使之成為新時期網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的技術(shù)；以IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)，探討了幾種時鐘同步技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并著重研究了IEEE1588時鐘同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理及其在網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時鐘同步的方法。

關(guān)鍵詞： IEEE1588 時間同步 測控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

0 引言

隨著信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。由于測控通信系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、精確性、穩(wěn)定性要求非常嚴(yán)格，所以現(xiàn)代科技對時鐘同步更高，即要求時間上不僅要精確，更要一致。將時鐘同步技術(shù)運(yùn)用與測控結(jié)點(diǎn)，可以避免因時鐘不同步而帶來的時空無法正確銜接對應(yīng)的弊端。時鐘同步理念運(yùn)用于從空通信系統(tǒng)的重要意義即在于（1）及時接收信息，進(jìn)而對該信息進(jìn)行合理的解釋；（2）使測控系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)備能夠更好的協(xié)調(diào)配合工作。

1 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)時間同步協(xié)議的選擇

目前，我國采用的時鐘同步技術(shù)主要有三種，分別是網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議（Network Time Protocol，簡稱NTP），全球定位系統(tǒng)（Global Position System，簡稱GPS）、北斗時鐘同步和IEEE1588精確時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）。下面我們通過闡述各種技術(shù)的主要特點(diǎn)，以供因材選擇需要使用的技術(shù)。

1.1 NTP技術(shù)，從名稱即可知其與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，它的主要特點(diǎn)在于不僅成本低，而且可靠性強(qiáng)，但是不足之處在于精確度不高，僅能達(dá)到1-50ms（因特網(wǎng)）、0.1ms（局域網(wǎng)）毫秒級的精確度。

1.2 GPS技術(shù)在國家發(fā)展建設(shè)的各個領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用，其主要特點(diǎn)在于不僅能夠24小時實(shí)時自動測量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)集測量距離、定位空間、定位時間三功能于一體的高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。另外，GPS具有高精度的技術(shù)，其精確度可達(dá)到10～100ns的納秒級別。這種高精度的技術(shù)，也對外在適用條件即衛(wèi)星能見度方面作出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求，硬件設(shè)施方面還需要安裝接受衛(wèi)星信號的各種設(shè)備，因此其適用場合有限。

1.3 IEEE1588精確時間同步協(xié)議PTP技術(shù)具有計(jì)算量相對較小，能夠快速定位時間，相關(guān)配置維護(hù)工作也相對簡單，低成本等特點(diǎn)。該技術(shù)與NTP都是與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的時鐘同步協(xié)議，但這種技術(shù)比NTP的精確度更高，可以與GPS相媲美，而且不需要連接與衛(wèi)星相關(guān)的設(shè)備。該項(xiàng)技術(shù)支持邊界時鐘和透明時鐘，支持這兩種時鐘可以使PTP技術(shù)避免由與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)備限制網(wǎng)絡(luò)覆蓋面問題的發(fā)生。

綜上所示，IEEE1588協(xié)議技術(shù)在時間同步方面較NTP、GPS更具優(yōu)勢，具有在各個場合實(shí)現(xiàn)時間同步測控的功能。

2 IEEE1588協(xié)議（PTP）原理和系統(tǒng)組成

2.1 原理

IEEE1588技術(shù)需要通過偏差測量和延時測量兩個階段實(shí)現(xiàn)時鐘同步。下面分別介紹這兩個階段的運(yùn)行原理：偏差測量階段的功能在于盡量修正或消除主從時鐘的時間差。用來修正主時鐘和從屬時鐘的時間差。該階段在修正時間偏差的過程中，主時鐘一般每秒（時間可根據(jù)需求設(shè)定）發(fā)布同步信息，并且在發(fā)布的同時記錄時間。如圖1所示，假設(shè)首先主從時間分別為Am、As，在Bm的時間點(diǎn)，主時鐘發(fā)送C時間同步信息，并且記錄C時間同步信息發(fā)布的時間Bm。在Bs的時間點(diǎn)從屬時鐘接收到C時間同步信息，并且記錄C時間同步信息發(fā)布的時間Bs。其次主時鐘通過D信息發(fā)送準(zhǔn)確時間，根據(jù)公式將計(jì)算出從屬時鐘收到D信息與主時鐘的時間差。最后，依據(jù)計(jì)算出的偏差將當(dāng)?shù)氐臅r鐘調(diào)整成語設(shè)備相同的時間即可完成時間同步的工作。

2.2系統(tǒng)組成

IEEE1588協(xié)議系統(tǒng)是按照一定的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分布的，該系統(tǒng)中的邏輯單位是域，主從時間的同步在域設(shè)備中進(jìn)行。設(shè)備的主從同步端口由實(shí)時時鐘組成，主端口在下面，從端口在上面。系統(tǒng)中的時鐘頻率由高級主時鐘決定。PTP系統(tǒng)中的設(shè)備較多，主要包括普通、邊界、端到端透明、對等透明時鐘等。

PTP系統(tǒng)運(yùn)作的方式主要有兩種，分別為純軟件方式、硬件輔助方式兩種。，根據(jù)時間戳產(chǎn)生的方式的不同，分為純軟件方式和硬件輔助方式。前者沒有硬件的輔助，僅僅使用軟件完成時間同步需要的所有功能，最終因演示抖動產(chǎn)生時間差，時間同步的精度不高。而硬件輔助方式則是由軟件、硬件統(tǒng)統(tǒng)協(xié)調(diào)，達(dá)到高精度時間同步的目標(biāo)。

3 IEEE1588的測控系統(tǒng)時間同步功能實(shí)現(xiàn)

IEEE1588協(xié)議通過外置模塊實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的時間同步，在外置模塊的主導(dǎo)下，系統(tǒng)時鐘與主機(jī)達(dá)到時頻同步的節(jié)奏，即在時間、時間單位、頻率、相位等方面主從時間都相同。系統(tǒng)工作方案見圖2：

4結(jié)束語

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，帶動著測控系統(tǒng)的更新與變革，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。時間同步是各測控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。只有使網(wǎng)絡(luò)測控設(shè)備提供的時間同步，才能夠使設(shè)備的測控結(jié)果精確，為測控結(jié)果的正確性提供有力的保障。本文通過比較各種同步技術(shù)的特點(diǎn)，最終鎖定，IEEE1588協(xié)議，關(guān)鍵在于其具有高精確度、適用場合廣泛、定位時間迅速、系統(tǒng)工作程序簡單易操作等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中的應(yīng)用，在測控系統(tǒng)時間同步方面實(shí)現(xiàn)了新的突破，將對我國測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息化發(fā)展具有劃時代的意義。

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