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基于IEEE1588协议的时间触发以太网同步算法 第45卷第$期V ol.45N o.3计算机工程C omputer Engineering2019年3月M arch2019?移动互联与通信技术?1000#428 (2019)0$-01$8-04文献标志码ATP391基于IEEE1588协议的时间触发以太网同步算法赵琪赵怀林，祝波2(1.上海应用技术大学电子与电气工程学院，上海xx18;2.清华大学计算机科学与技术系，北京100084)摘要基于BEE1588时间同步的时间触发以太网（TTE)解决数据传输延迟的不确定性问题时，未考虑时间戳精度对BEE1588协议同步精度的影响。 为此，建立一种频率漂移估计与偏差估计模型，计算时间戳精度对BEE1588协议同步精度的影响大小，并在理论上推导T T E协议时间同步与IEEE1588协议时间同步的误差。 实验结果表明，当时间戳精度达到0.1&或更高时，相对标准T T E时间同步算法，基于IEEE1588协议的T T E网络具有更高的时间同步精度。 关键词IEEE1588协议；时间同步；时间触发以太网；同步误差；时间戳精度中文引用格式赵琪，赵怀林，祝波.基于IEEE1588协议的时间触发以太网同步算法J.计算机工程，2019,45 (3),138-141，147.英文引用格式ZHAO Qi,ZHAO Huailin，ZHU Bo.Time-triggered Ethersynchronization algorithmbased onI EEE1588protocol*；.Computer Engineering,2019,45 (3):138-141，147.Time-triggered EtherSynchronization AlgorithmBased on IEEE1588ProtocolZHAO Qi1，ZHAO Huailin1，ZHU Bo2(1.School ofElectrical andElectronic Engineering，Shanghai Instituteof Technology，Shanghaixx18，China；2.Department ofComputer Scienceand Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China)AbstractTime-triggered Ether#TTE)based ontime synchronizationof IEEE1588solves theuncertainty problemofdata transmissiondelay withoutconsidering theeffect oftimestamp auracy on the synchronization auracy of theIEEE1588protocol.To solvethis problem，a frequencydrift estimationand biasestimation modelis establishedtocalculate theimpact oftime stampauracyonthesynchronization auracyofthe IEEE1588protocol，and theerror oftime synchronizationbetween TTEprotocol andthe IEEE1588protocol isdeduced theoretically.Experimental resultsshowthat theTTEwork based onIEEE1588protocol hashigher time synchronizationauracythan thestandard TTEtime synchronization algorithmwhen thetimestamp auracyreaches0.1&s orhigher.Key wordsIEEE1588protocol;timesynchronization;Time-triggered Ether#TTE);synchronization error;timestampauracyD OI:10.19678/j.issn.1000-3428.00498090概述在实时工业以太网没有设定正式标准时，文献1提出通过IEEE1588#以下简称1588)时钟同步标准控制实时传感网络集群的时间同步，从而实现时间触发以太网（Time-triggered Ether，TTE)。 当时，TTE网络中的节点按照时隙发送消息，采用相互排斥的总线片段分配不同的信息，以避免相互冲突。 随着工业技术的发展，通信系统中传输延迟的不确定性问题成为人们广泛关注的热点。 为解决该问题，文献2提出将1588协议应用到TTE中，并列举具体的应用和实施场景，如TTE网络中有外接时钟源、网络基金项目国家自然科学基金（61603210)。 作者简介赵琪（1991一），女，硕士，主研方向为网络通信协议；赵怀林，教授；祝波，硕士。 xx-12-22修回日期2018-01-31E-ma ilzh lsit.中含有除TTE控制器以外的控制器，以及由总线控制TTE交换机输人输出的网络等使系统中含有不确定通信延迟的情形。 这些将1588协议与TTE相结合的研究成果为后人的进一步探究提供了理论和实践基础。 1588时间同步的精度与时间戳的精度密切相关3-，本文以此为出发点，设计一种模型计算该影响大小。 其中，网络节点在物理结构上采用文献1中第2种实现结构:配置FPGA TTE控制器，使之带有能实施1588同步协议的通信网络接口（Communication NetworkInterface，I)，可以根据需要设置不同精度的时钟源调节时间戳精度。 带有1588协议的TTE节点实现过程参考文献5，在TTE网络中相应的节点根据第45卷第3期赵琪，赵怀林，祝波:基于IEEE1588协议的时间触发以太网同步算法139时钟同步的功能担任同步主节点（SM)、同步客户端(SC)或压缩主节点（CM)的角色，这些角色既可以由交换机充当，也可以由端系统充当67。 1理论基础!1T T E协议目前，TTE时间同步方法主要按照文献8所描述的过程进行时间同步，1)同步主节点在需同步的时刻向压缩主节点发送PCF帧。 压缩主节点收到PCF帧后，运行时序保持算法以还原成节点发送的顺序，即读取PCF中的透明时钟。 然后等待一定的时长，使所有节点的通信时延达到相同的值，该值称为最大通信时延。 %)压缩主节点计算出一个折中的时钟，这里采用的折中方法是取第+个最大值和第+个最小值进行平均，在计算得到的时刻发出PCF帧，再发送给其他同步节点，同步节点收到该PCF帧后，按照校正值更新自身的本地时钟。 !21588协议1588协议主要通过主时钟与从时钟之间交换同步报文，以传递报文的发送与接收精确时戳，从而与主时钟达到同步。 在1588V2中定义了2个机制:偏移测量机制和延迟测量机制（点对点延迟机制），在不同的组网情况下，2种机制独立或组合实现时钟同步9。 偏移测量机制修正主时钟与从时钟之间的相位偏差，该过程称为偏移测量。 延迟测量机制计算主从时钟之间报文传递的链路延迟，该过程称为延迟测量。 1588协议通过图1所示的原理计算偏差与延迟，以进行时间同步。 1588协议具体的同步过程参考文献10-11。 由1588协议时间同步原理可知，从时钟相对于主时钟的偏差G+2和时延G ffs+计算公式分别为r G_(G1Gm1)2(Gm2)d elay2 (1)Ioffset_(G,1_G61)_Gdelay对于不对称网络，已有研究并未考虑因网络的不对称性造成的时间偏差，本文将对该问题提出解决方案。 2频率漂移估计与偏差估计模型本文采用卡尔曼滤波算法对从时钟频率漂移和时间偏差进行估计，TTE多跳网络如图2所示。 按照1588V2PTP透明时钟的同步方式，假设node1为主节点，其向所有其他节点发送同步信息。 以node1与node8同步过程为例，node1在G6 (1)时刻向node8发送sync信息，该信息经过多台TTE交换机的转发，到达node8,记数据帧进入第2个交换机的时间为G(2,输出时间为r(2?，到达目的节点node8时，时间为G (1)。 node8在G (1)时刻产生一个delay_req帧，发送给源节点，途径的交换机依次记录其进出时间G(;、7等。 node1在Gm (2)时刻接收到de#H_帧，并产生一个包含.ode1实际接收delay_req时刻的delay_resp帧。 图2T T E多跳网络主从节点时间戳信息包交换过程由图2可知，参考节点node1向节点node8发送同步信息sync时，经过多级交换机，透明时钟总的驻留时间为CF_TS2TS12TS4TS$2?/2TS2nTS2n1 (2)CF*_TS*TS*2TS*TS*2?/2GS*nTS*n1 (3)考虑到参考节点的时钟漂移，根据1588协议进行第n次时间同步后，主从时钟时间偏差与时钟漂移分别为%#(+)_Tm(n)-T(n)-C F-T(n2)-T m(n2)-C F_2Tm(n)-T(n)-Ts(n+1)-Tm(n+1)0、+A a (4)其中，A a_(CF-CF)/2，表示由信息在网络设备中来回传输的驻留时间不同所引起的时间偏差。 上述理论充分考虑从时钟的计时不确定性以及网络链路的非对称性传播时延对同步效果的影响。 但是，从时钟获得的时间信息具有较大的不确定性，直接通过观测值对从时钟的时间偏差和时钟漂移进行修正时将存在较大误差1263。 因此，本文通过卡尔曼滤波对观测值进行处理，以获得高精度的时间估计14。 以1588协议的输出作为卡尔曼滤波器的输入，滤波器的输出为精确的时间偏差与时钟漂移修正值。 从时钟的时间偏差和时钟漂移分别为140计算机工程2019年3月15日0100xx00400500时钟/|US图3T TE协议时间同步理论修正值示意图3.21588同步误差的理论分析在1588协议中，时间用0?1表示。 在执行协议的过程中，从时钟在处进行时钟修正。 从C1到第2次同步周期开始期间，从时钟按照时钟修正后的频率运行。 特别地，在C (2)处图形会产生间断点，这是由于时钟在（2)处更新，偏差的修正具有跳变性，对不连续的点求对数，即会产生间断点，但该过程并不影响同步误差的求解。 由1588协议及卡尔曼滤波算法可以计算出从时钟与主时钟之间的频率偏移量和时间偏移量，由式（5)可以得出/+)。 记（+)为第+次时间同步时的从时钟更新的时间点，则进行第1次时间同步时，时间偏差为，3&1)- (1)? (1)_% (1)第2次时间同步后的误差为error#2)-error#1)+ (2)-/ (1)?* (2)- (1)-% (2)则第+次时间同步后的误差为eror(+)-error(+-1)+a (2)-/ (1)?(+)-(+-1)-%(+) (10)在式（1)中，表达式（+-(+-1)表示在相邻2次时间同步中，从节点时钟后一次更新本地时钟的时间点与前一次之间的差值，该值约为一个同步周期的值。 由误差公式的递推方程式（10)移项求和可知e ror(+)-$(/+1)-/(1?1-1(/+1)-(1-$%(1+ (1) (1) (11)/-I从式（11)可以看出，1588协议的同步误差主要与估计的时钟漂移和时钟偏差的优劣有关，对时钟漂移与时钟偏差的估计越准确，同步误差越小。 1588协议同步误差理论分析结果如图4所示。 当主节点时钟为理想时钟时，lim Z(+)=0。 在实际应用中，节点的偏差与节点的有关。 T TE同步协议误差的理论分析结果如图3所示，其中，设定同步周期为100&。 %(+1)-%(+)+/(+)?G ync(+)+l(+) (6)/(+1)-/(+)+ws(+) (7)假设节点在第+次同步后，其时间偏差和时钟漂移的修正值为%(+)、(+)，则有%(+1)-%(+)-%(+)+(/(+)-%(+)?Gync(+W%(+/+1)-/(+)-%(+)+w j+)3误差分析针对基于1588协议的TTE同步系统，本文采用数学归纳法对1588协议和TTE协议的同步误差进行分析。 3.1T TE同步误差的理论分析对于TTE网络，假设其中有2个SM节点，网络的余度为+选择一个TTE交换机作为CM，其余为SC节点，网络最大传输延迟设为，同步周期为Gync，SM/节点时钟漂移设为。 假设时钟漂移在一个同步周期内恒定，C M所接收的PC F帧中，记第+个最大值和第+个最小值分别为*M和*SM2。 同步过程如下SM 1、SM2在时钟为0时向CM发送PCF帧，在时钟值为时接收到CM发送的新PCF帧，并在完全收到PCF帧的时刻更新自身的本地时钟。 进行第2次时间同步时，SM 1、SM2在本地时钟为GynC寸向CM发送PCF帧，在Gync+时刻接收到新的PCF帧，并修正自身的本地时钟。 以此类推，该过程转化成数学表达式如下第1次时间同步，CM计算出同步时钟值为Z2第2次时间同步，SM1的时钟偏差为SMlZ (1)+(G ync-)=2?max_tra2smissi2_delay+M_dwell_tirne其中，2/6/12为网络中的最大传输延迟，该参数为离线估计所得，M_d wei_tm e为PCF帧在C M中驻留的总时间。 SM2的时钟偏差为*M2-Z (1)+2(G ync-)，则第2次时钟同步值为Z (2)-*M1 (2)+Tsm2 (2)=Z2则第+次时钟同步值为TSM1(+*SM2(+)Z2(+)+2(+)22Z(+-i)(G ync-) (8)当SM/为标准时钟时，其时钟漂移为/=0。 由误差公式的递推方程式（8)移位求和可知Z(+)-(Gy、冬（0+2(01 (1)+2 (1)22 (9)同步误差标准差-fee同步误差均值i Sle081e071e061e051e041e031e02运画德_减/s4M a擗湘JJT豸濞，K锉ffiffl-盏_sn_st i斋雕米渖港。 屈苠，唞屮画迓画_JS tcv绺画味涵_s sf_也郭斋參_,?1ES1588画味铗努s T TE迓画画味也t i?i s T TE铗努画味槭碎掛画#21琰鉚羊M驾姍濞&S W諜_袖。 4.1穿料绍?*H米迪M atlabsimulinkH)NffiM。 齑湔B4笔癱随(抖(6r (7)驾邻)笔，贫M沐藏#04画_JSS鲥窟到滑矣。 _屮1588画味铗努s TTE迓画画味也t i7T#s TTE铗努画味米迪盏画3:画逾链，宓7;1=058。 知君琢笔蠢黎0)=0,君琢sr i2e,迓笔藉如S建锻猶黎譁A鲥#甜。 钭涔將餵驾米迪浮2|琰茁字函3驾邻3:21琰，扭_孕43:潘瓌鹿峁譁矣鲥#甜(2e;,2e l)，书画4知Ssssss沛f fi2e-雍沛TTE2I琰s#瑜_鹿KloTSDMmtcv绺*HB4画画味砷碎也郭斋sTTE迓画画味槭碎浮画味_Jt迸迓笔#沛商。 4.2擗钿冷豸HJ tffl-隞s B4笔*%si-fB4s沛W雖铒浮涵_耸画味涵_3:狹菡，准忝饵荖沛W姍濞掛i-fB4鎘洒砷到。 掛苠鉚羊M,犁汝藏#04画_S猫鲥，2荖画味*碎3:画味涵_.画味涵_宓_也郭斋參_,岧民绺抖 (9)迸抖 (11)浮沖令。 贫M书S知跏雞s建涔馋璇浬扭窃棼?菩，商B4画n f 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TP*J.IEEETransactions on Industrial Informatics,xx,10 (2)1198-1206.(M$.铖147a)10-812值10差的8钟时6准标4与钟2时地丨2SM1郭傷m4l-B-100xx00笔/T=s400500函41588莩菸尽画回味瞄菸祿1?卻_?+_Hi15oooos TTE5Mal物笫f fT#TTEH4lw画味铖硌+_Hi1588sTTEH4lwal?f fT#TTEH4lw画味铖硌满45_M芦餓馨，泽漭？IEEE1588雲I I建si棘碎141第45卷第$期冯刚，覃锡忠，贾振红，等，认知无线电环境下无线能量通信网能效研究147参考文献1BI S，HO CK，ZHANG R.Wireless powered municationopportunities and challengesJ.IEEE CommunicationsMagazine，xx,53 (4):117-125.2KRIKDIS I，TIMOTHEOU S，NIKOLAOU S，et al.Simultaneous wireless information and power transfer in modernmunication systemsJ.IIEE CommunicationsMagazine，xx,53 (11):104-110.3LU X，WANG P，NIYATO D，et al.Wireless workswitli RFenergy harvesting:a contemporarysurveyJ.IEEE CommunicationsSurveys andTutorials，xx，17 (2):757-789.4魏冀飞，宋梅.通信设备与网络绿色节能技术未来无线通信网络M.北京北京邮电大学出版社，xx.5胡翩翩，曾碧卿.基于HS-BP神经网络的认知无线电频谱预测技术J.计算机工程，xx，43 (7):146-150.)庄陵，马龙.考虑频谱感知错误的多载波认知无线电资源分配算法J.计算机工程，xx，43 (2):171-175.7ZHANG R，HO CK.MIMO broadcastingfor simultaneouswireless informationand powertransferJ.IEEE 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