一种实现时钟时间同步的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现时钟时间同步的方法及装置，涉及以太网技术。本发明专利技术公开的方法包括：分别以精密时钟同步协议（PTP）消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差以及时钟频率偏差进行估计，得到主从时钟之间的相位差，根据所估计的相位差对从时钟进行同步调整。本发明专利技术还公开了一种实现时钟时间同步的装置。本申请技术方案由于进行卡尔曼滤波算法的状态量是基于相位差和路径延迟的结合（O+D，O-D）而分别进行测量值计算，其对于时钟同步相位差的估计值明显优于仅以相位差为状态值的单一测量值计算而得到的时钟同步相位差的估计值，能够更好地反映出相位差，从而大大提高了主从时钟之间的同步精度。

【技术实现步骤摘要】
一种实现时钟时间同步的方法及装置
本专利技术涉及以太网技术，具体地说，涉及一种实现时钟时间同步的方法及装置。
技术介绍
随着科学技术的发展，人们对于时间的精度要求越来越高，计算机和网络业界都致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题。网络精密时钟同步委员会通过了IEEE1588标准（简称PTP，PrecisionTimeProtocol，精密时钟同步协议），IEEE1588基于以太网、分布式系统的应用上，其时间同步精度可以达到亚微秒级别，其基本原理如图1所示。图1中MasterClock为主时钟，SlaveClock为从时钟，O为SlaveClock与MasterClock的相位差Offset，D为路径延迟Delay。从图1中可见，在时钟同步过程中有4类消息包，Sync消息包、Follow_up消息包、Delay_Req消息包以及Delay_Resp消息包。主从时钟同步过程主要分为两个部分，即，时钟相位差测量Offset（O）与路径时延测量Delay（D），具体地，从图1中可以看出：A＝t1-t0＝D+O；B＝t3-t2＝D-O；其中，t0、t1、t2、t3为PTP消息包发送和接收时所对应的时间戳，即：t0为PTP消息离开Master的时间、t1为PTP消息到达Slave的时间、t2为Slave发Delay_Req消息给Master的时间、t3为Delay_Req到达Maste的时间。；从而可以进一步得出：路径延迟Delay：D＝（A+B）/2；相位差Offset：O＝（A-B）/2。从上述的描述中可以看出，上述对于路径延迟和相位差的计算是基于MasterClock到SlaveClock的延迟与SlaveClock到MasterClock的延迟理论上应当一致，但是实际上由于硬件打各时间戳，环境的变化都会带来误差，这都将造成双向延迟的不一致，通常地，两者之间可能相差几十纳秒或者在恶劣的环境下可能更大，这也使得直接利用标准中所提到的算法进行时钟同步的精度有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提出一种实现时钟时间同步的方法及装置，以提高时钟同步精度。为了解决上述问题，本专利技术公开了一种实现时钟时间同步的方法，包括：利用卡尔曼滤波算法，分别以精密时钟同步协议（PTP）消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差以及时钟频率偏差进行估计，得到主从时钟之间的相位差，根据所估计的相位差对从时钟进行同步调整。可选地，上述方法中，分别以PTP消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值对时钟偏差、时钟频率偏差进行估计以外，还结合时钟老化率进行估计，得到主从时钟之间的相位差。可选地，上述方法中，分别以PTP消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差、时钟频率偏差以外，还结合时钟老化率进行估计的过程如下：利用卡尔曼滤波算法分别建立主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程；再对主、从时钟的时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程分别进行卡尔曼迭代估计，得到状态x1＝O+D1的估计值和x2＝O-D2的估计值，再由x1和x2得到主从时钟之间的相位差O，其中，D1为主时钟到从时钟的路径延迟，D2为从时钟到主时钟的路径延迟。可选地，上述方法中，分别建立的主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程如下：其中，状态向量X1(k)(x1，x3，x4)T(k)，X2(k)＝(x2，x3，x4)T(k)状态值x1＝t1-t0＝O+D1，x2＝t2-t3＝O-D2，x3为主从时钟之间的频率差，x4为时钟芯片老化率；测量向量Y1(k)＝(y1)(k)，Y2(k)＝(y2)(k)，测量值y1＝t1-t0，y2＝t2-t3；t0为同步消息离开主时钟的时间、t1为同步消息到达从时钟的时间、t2为从时钟发延迟应答消息给主时钟的时间、t3为延迟应答消息到达从时钟的时间;H1＝H2＝(100)，Δt为相邻PTP消息发包的发包间隔时间。可选地，上述方法中，按照如下公式对主、从时钟的时间同步态的状态方程进行卡尔曼迭代估计得到状态x1＝O+D1的估计值：X1(k，k)X1(k，k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1X1(k，k-1)]。可选地，上述方法中，按照如下公式对对主、从时钟的测量向量的测量方程进行卡尔曼迭代估计，得到状态x2＝O-D2的估计值：X2(k，k)＝X2(k，k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2X2(k，k-1)]。可选地，上述方法中，其中，σ为系统同步性能精确度要求值。本专利技术还公开了一种实现时钟时间同步的装置，包括：第一模块，利用卡尔曼滤波算法，分别以精密时钟同步协议（PTP）消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差、时钟频率偏差进行估计，得到主从时钟之间的相位差；第二模块，根据所估计的相位差对从时钟进行同步调整。可选地，上述装置中，分别以PTP消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值对时钟偏差、时钟频率偏差进行估计以外，还结合时钟老化率进行估计，得到主从时钟之间的相位差。可选地，上述装置中，所述第一模块分别以PTP消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差、时钟频率偏差进行估计以外，还结合时钟老化率进行估计指：利用卡尔曼滤波算法分别建立主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程；再对主、从时钟的时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程分别进行卡尔曼迭代估计，得到状态x1＝O+D1的估计值和x2＝O-D2的估计值，再由x1和x2得到主从时钟之间的相位差O，其中，D1为主时钟到从时钟的路径延迟，D2为从时钟到主时钟的路径延迟。可选地，上述装置中，所述第一模块分别建立的主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程如下：其中，状态向量X1(k)＝(x1，x3，x4)T(k)，X2(k)＝(x2，x3，x4)T(k)状态值x1＝t1-t0＝O+D1，x2＝t2-t3＝O-D2，x3为主从时钟之间的频率差，x4为时钟芯片老化率；测量向量Y1(k)＝(y1)(k)，Y2(k)＝(y2)(k)，测量值y1＝t1-t0，y2＝t2-t3；t0为同步消息离开主时钟的时间、t1为同步消息到达从时钟的时间、t2为从时钟发延迟应答消息给主时钟的时间、t3为延迟应答消息到达从时钟的时间;H1＝H2＝(100)，Δt为相邻PTP消息发包的发包间隔时间。可选地，上述装置中，所述第一模块按照如下公式对主、从时钟的时间同步态的状态方程进行卡尔曼迭代估计得到状态x1＝O+D1的估计值：X1(k，k)X1(k，k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1X1(k，k-1)]。可选地，上述装置中，所述第一模块按照如下公式对对主、从时钟的测量向量的测量方程进行卡尔曼迭代估计，得到状态x2＝O-D2的估计值：X2(k，k)＝X2(k，k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2X2(k，k-1)]。可选地，上述装置中，其中，σ为系统同步性能精确度要求值。本申请技术方案由于进行卡尔曼滤波算法的状态量是基于相位差和路径延迟的结合（O+D，O-D）而分别进行测量值计算，其对于时钟同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现时钟时间同步的方法，其特征在于，包括：利用卡尔曼滤波算法，分别以精密时钟同步协议（PTP）消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值来对时钟偏差以及时钟频率偏差进行估计，得到主从时钟之间的相位差，根据所估计的相位差对从时钟进行同步调整。

【技术特征摘要】
1.一种实现时钟时间同步的方法，其特征在于，包括：利用卡尔曼滤波算法，分别以精密时钟同步协议(PTP)消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值对时钟偏差、时钟频率偏差，以及时钟老化率进行估计，得到主从时钟之间的相位差，根据所估计的相位差对从时钟进行同步调整；其中，分别以PTP消息包中同步消息包和应答消息包的发送接收时间戳之差为观测值对时钟偏差、时钟频率偏差，以及时钟老化率进行估计的过程如下：利用卡尔曼滤波算法分别建立主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程；再对主、从时钟的时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程分别进行卡尔曼迭代估计，得到状态x1＝O+D1的估计值和x2＝O-D2的估计值，再由x1和x2得到主从时钟之间的相位差O，其中，D1为主时钟到从时钟的路径延迟，D2为从时钟到主时钟的路径延迟。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分别建立的主、从时钟时间同步状态的状态方程和对应的测量向量的测量方程如下：其中，X1(k)＝(x1,x3,x4)T(k)，Y1(k)＝(y1)(k)；其中，X2(k)＝(x2,x3,x4)T(k)，Y2(k)＝(y2)(k)；x1＝t1-t0＝O+D1，x2＝t2-t3＝O-D2，x3为主从时钟之间的频率差，x4为时钟芯片老化率；y1＝t1-t0,y2＝t2-t3；t0为同步消息离开主时钟的时间、t1为同步消息到达从时钟的时间、t2为从时钟发延迟应答消息给主时钟的时间、t3为延迟应答消息到达从时钟的时间；H1＝H2＝(100),Δt为相邻PTP消息发包组消息包的发包间隔时间。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按照如下公式对主、从时钟的时间同步态的状态方程进行卡尔曼迭代估计得到状态x1＝O+D1的估计值：X1(k,k)＝X1(k,k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1X1(k,k-1)]。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按照如下公式对对主、从时钟的测量向量的测量方程进行卡尔曼迭代估计，得到状态x2＝O-D2的估计值：X2(k,k)＝X2(k,k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2X2(k,k-1)]。5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，其中，σ为系统同步性能精确度要求值。6.一种实现时钟时间同步的装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩一强，安伟，
申请(专利权)人：瑞斯康达科技发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11