專利名稱：基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)時間同步裝置，具體涉及基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前，各種基于精確時間協(xié)議的系統(tǒng)在各種行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，如通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等，例如:在通信系統(tǒng)中，隨著通信網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)方式向PTN網(wǎng)絡(luò)的演變，系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)時間同步的要求進(jìn)一步提高，如LTE對網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的要求達(dá)到2微秒。眾所周知，任何一種有線或無線方式都存在故障的可能，進(jìn)而使網(wǎng)絡(luò)時間同步產(chǎn)生偏差，由于LTE通信系統(tǒng)對時間同步要求非常高，一旦出現(xiàn)時間同步偏差就會造成通訊系統(tǒng)的中斷，從而給客戶和運(yùn)營商帶來巨大的損失。因此，基于精確協(xié)議時間協(xié)議的時間同步方式正在被越來越多的通信網(wǎng)絡(luò)所采用。在電力系統(tǒng)中，電力通信調(diào)度網(wǎng)、電廠和變電站等場所都需要非常精確的時間同步控制。毫秒或微秒級的時間同步偏差會造成系統(tǒng)的中斷，甚至電網(wǎng)的癱瘓，給客戶和電力公司帶來巨大的損失。因此，高精度的時間同步系統(tǒng)也是保障電廠、變電站和電力通信暢通的必備條件。在交通系統(tǒng)中，尤其是軌道交通和高速交通的大力發(fā)展，對時間同步系統(tǒng)的要求也是越來越強(qiáng)烈，如其控制系統(tǒng)、無線和有線的通信調(diào)度系統(tǒng)、故障記錄系統(tǒng)等。在金融系統(tǒng)中，各大銀行、證券系統(tǒng)的實(shí)時交易系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和災(zāi)難恢復(fù)系統(tǒng)都需要時間同步控制，以支持高頻交易，實(shí)現(xiàn)以毫秒的速度買進(jìn)和賣出數(shù)以百萬計的股票。目前，世界上普遍使用的時間同步方法是通過時間同步裝置下載GPS、北斗或格洛納斯GL0NASS的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的UTC (世界標(biāo)準(zhǔn)時間)并應(yīng)用到每個需要精確時鐘信號的通訊設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)各種通訊設(shè)備的時間同步。盡管GPS授時系統(tǒng)是目前最普遍使用的技術(shù)，但是衛(wèi)星接收的時鐘有以下缺點(diǎn):(I)由于GPS是美國軍方控制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，受美國軍方控制，沒有保障；(2)天饋線維護(hù)費(fèi)用高，需要防雷防水措施，在無線信號比較紛雜的城市和電力設(shè)備，軌道交通設(shè)備周邊，也容易受到無線的干擾；(3)城市里高樓林立，衛(wèi)星接收視野受到限制，很難保證持續(xù)接收到足夠的衛(wèi)星信號。另外，不同的系統(tǒng)，其通信通道各不相同。在通信系統(tǒng)中，大的運(yùn)行商擁有自己的PTN網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上建PTP時間同步網(wǎng)，成本較低，關(guān)鍵是要解決跨路由器和多跳網(wǎng)絡(luò)的PTP傳輸；電力系統(tǒng)的通信骨干網(wǎng)主要采用SDH網(wǎng)絡(luò)，但SDH網(wǎng)絡(luò)固有的不對稱切換延遲并不在PTP協(xié)議設(shè)計的考慮之內(nèi)，會嚴(yán)重影響了 PTP時鐘的傳輸精度，但可以采用基于SDH組建專門的PTP傳輸網(wǎng)絡(luò)和專有科學(xué)算法來克服其不對稱性。在交通系統(tǒng)中，其PTP通信通道往往也是專有，和電信系統(tǒng)類似。在金融系統(tǒng)中，其通信網(wǎng)絡(luò)往往是租借通信公司的線路組成一個專網(wǎng)，其PTP傳輸關(guān)鍵在接入點(diǎn)的時間恢復(fù)。有鑒于此，上述各種系統(tǒng)急需一種精度高、費(fèi)用低、安全性高的網(wǎng)絡(luò)時間同步裝置，以滿足業(yè)務(wù)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)精度高、費(fèi)用低、安全性高的網(wǎng)絡(luò)時間同步的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種基于精確時間協(xié)議的時間同步方法，包括以下步驟:利用本地時鐘振蕩源生成本地時鐘信號；捕獲PTP報文，并記錄此時本地時鐘信號的本地時間戳；解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳；根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。在上述方法中，還包括:當(dāng)所述主時鐘信號丟失時，讀取所述本地時鐘信號作為備用時鐘信號，并利用所述備用時鐘信號替換所述PTP報文中的主時鐘信號。在上述方法中，根據(jù)所述本地時鐘信號輸出相應(yīng)的秒脈沖信號和頻率信號給其他電路使用。本發(fā)明還提供了一種基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置，包括本地時鐘振蕩源、PTP硬件輔助模塊、PTP協(xié)議處理模塊和時間調(diào)整模塊，所述本地時鐘振蕩源用于生成本地時鐘信號；所述PTP硬件輔助模塊捕獲途經(jīng)以太網(wǎng)物理層芯片的PTP報文，并記錄此時本地時鐘信號的本地時間戳；所述PTP協(xié)議處理模塊解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳；所述時間調(diào)整模塊根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。在上述裝置中，還包括時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊、備用時鐘生成模塊和監(jiān)測模塊，所述時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲近期的時鐘歷史數(shù)據(jù)；所述備用時鐘生成模塊，用于生成備用時鐘信號；所述監(jiān)測模塊，監(jiān)測主時鐘丟失信號并發(fā)出相應(yīng)的控制信號，所述備用時鐘生成單元根據(jù)所述控制信號，利用所述時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊中存儲的時鐘歷史數(shù)據(jù)生成所述備用時鐘信號；所述PTP硬件輔助模塊利用所述備用時鐘信號替換所述PTP報文中的主時鐘信號。在上述裝置中，所述時間調(diào)整模塊根據(jù)所述本地時間戳和所述主時鐘時間戳之間的差值的累積數(shù)據(jù)調(diào)整所述本地時鐘信號。在上述裝置中，所述PTP硬件輔助模塊根據(jù)所述本地時間信號輸出相應(yīng)的秒脈沖信號和頻率信號給其他電路使用。本發(fā)明，采用IEEE1588時鐘報文信號作為輸入源，同步時間精度與PTP主時鐘時間不超過10μ S，可以滿足各種應(yīng)用場合和各種系統(tǒng)的同步精度要求。


圖1為本發(fā)明提供的基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出詳細(xì)的說明。如圖1所示，本發(fā)明提供的基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置主要包括本地時鐘振蕩源10、以太網(wǎng)物理層芯片20、PTP硬件輔助模塊30、PTP協(xié)議處理模塊40和時間調(diào)整模塊50。其中，本地時鐘振蕩源10用于生成本地時鐘信號，為PTP(IEEE 1588)硬件輔助模塊30提供參考時鐘。選用不同精度和穩(wěn)定度的本地時鐘振蕩源，可達(dá)成不同的同步精度和穩(wěn)定度，提供不同精度和穩(wěn)定度的頻率輸出。由此可根據(jù)接收裝置所在系統(tǒng)對同步精度和穩(wěn)定度及頻率輸出的精度和穩(wěn)定度的要求來選用不同的本地時鐘振蕩源，以達(dá)成成本效益最大化。PTP(IEEE 1588)以太網(wǎng)時鐘報文信號(簡稱PTP報文)經(jīng)以太網(wǎng)物理層芯片20進(jìn)出硬件輔助模塊30，以太網(wǎng)物理層芯片20的作用是，當(dāng)PTP報文經(jīng)以太網(wǎng)物理層芯片20進(jìn)出PTP硬件輔助模塊30時，實(shí)現(xiàn)PTP以太網(wǎng)時鐘與本地數(shù)字時鐘信號之間的轉(zhuǎn)換。硬件輔助模塊30的作用是維護(hù)本地數(shù)字時鐘(簡稱本地時鐘)，同時偵測進(jìn)出的以太網(wǎng)報文，在捕獲到PTP報文時記錄下此時刻的本地數(shù)字時鐘，即本地時間戳。PTP協(xié)議棧處理模塊40的作用是處理來往的PTP報文，解析獲得主時鐘的主時鐘時間戳。時間調(diào)整模塊50根據(jù)本地時間戳與主時鐘時間戳的差值，調(diào)整本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。為了提高精度，時間調(diào)整模塊50根據(jù)本地時間戳和主時鐘時間戳之間的差值的累積數(shù)據(jù)調(diào)整本地時鐘信號。PTP硬件輔助模塊30還可在主時鐘丟失的情況下模擬主時鐘行為并且補(bǔ)償溫度的變化，維持本地時鐘以同等準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度運(yùn)行。具體實(shí)現(xiàn)方式為:本裝置中還包括時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊、備用時鐘生成模塊和監(jiān)測模塊，時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲近期的時鐘歷史數(shù)據(jù)；備用時鐘生成模塊，用于生成備用時鐘信號；監(jiān)測模塊監(jiān)測主時鐘丟失信號并發(fā)出相應(yīng)的控制信號，備用時鐘生成單元根據(jù)控制信號，利用時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊中存儲的時鐘歷史數(shù)據(jù)生成備用時鐘信號；PTP硬件輔助模塊30利用備用時鐘信號替換PTP報文中的主時鐘信號。在上述裝置中，PTP硬件輔助模塊30可根據(jù)本地時間信號輸出相應(yīng)的秒脈沖信號和頻率信號給其他電路使用。另外，本裝置還設(shè)有管理端口，包括一個RS232接口和一個10Μ/100Μ網(wǎng)絡(luò)接口，具有設(shè)置、控制、管理、告警功能，實(shí)現(xiàn)用戶接口及網(wǎng)絡(luò)通信和管理功能。本發(fā)明還提供了一種基于精確時間協(xié)議的時間同步方法，包括以下步驟:利用本地時鐘振蕩源生成本地時鐘信號；捕獲PTP報文，并記錄此時本地時鐘信號的本地時間戳；解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳；根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。
當(dāng)所述主時鐘信號丟失時，讀取所述本地時鐘信號作為備用時鐘信號，并利用所述備用時鐘信號替換所述PTP報文中的主時鐘信號。綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)、維護(hù)費(fèi)用大大降低、全網(wǎng)可以實(shí)時監(jiān)控、沒有衛(wèi)星授時系統(tǒng)可能存在的系統(tǒng)性風(fēng)險，但依然可以實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星授時近似的精度；(2)、在必須經(jīng)過通信公司的PTN網(wǎng)絡(luò)或者專有的PTP傳輸網(wǎng)絡(luò)連接到PTP(IEEE1588)主時鐘的條件下，只要這樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸跳數(shù)可控制或者配置了邊界網(wǎng)絡(luò)PTP時鐘，依靠本發(fā)明的裝置的設(shè)計巧妙、算法科學(xué)就可以保證PTP傳輸?shù)木?，?shí)現(xiàn)微秒量級的時間同步，為在上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主的時間同步提供了一個實(shí)用的解決方案。本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于精確時間協(xié)議的時間同步方法，其特征在于，包括以下步驟: 利用本地時鐘振蕩源生成本地時鐘信號； 捕獲PTP報文，并記錄此時的本地時鐘，即本地時間戳； 解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳； 根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 當(dāng)所述主時鐘信號丟失時，讀取所述本地時鐘信號作為備用時鐘信號，并利用所述備用時鐘信號替換所述PTP報文中的主時鐘信號。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述本地時間戳和所述主時鐘時間戳之間的差值的累積數(shù)據(jù)調(diào)整所述本地時鐘信號。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述本地時鐘信號輸出相應(yīng)的秒脈沖信號和頻率信號給其他電路使用。
5.基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置，其特征在于，包括: 本地時鐘振蕩源，生成本地時鐘信號； PTP硬件輔助模塊，捕獲途經(jīng)以太網(wǎng)物理層芯片的PTP報文，并記錄此時本地時鐘信號的本地時間戳； PTP協(xié)議處理模塊，解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳； 時間調(diào)整模塊，根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括: 時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲近期的時鐘歷史數(shù)據(jù)； 備用時鐘生成模塊，用于生成備用時鐘信號； 監(jiān)測模塊，監(jiān)測主時鐘丟失信號并發(fā)出相應(yīng)的控制信號，所述備用時鐘生成單元根據(jù)所述控制信號，利用所述時鐘歷史數(shù)據(jù)存儲模塊中存儲的時鐘歷史數(shù)據(jù)生成所述備用時鐘信號; 所述PTP硬件輔助模塊利用所述備用時鐘信號替換所述PTP報文中的主時鐘信號。
7.如權(quán)利要5所述的裝置，其特征在于， 所述時間調(diào)整模塊根據(jù)所述本地時間戳和所述主時鐘時間戳之間的差值的累積數(shù)據(jù)調(diào)整所述本地時鐘信號。
8.如權(quán)利要5所述的裝置，其特征在于， 所述PTP硬件輔助模塊根據(jù)所述本地時間信號輸出相應(yīng)的秒脈沖信號和頻率信號給其他電路使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于精確時間協(xié)議的時間同步裝置和方法，其中所述裝置包括本地時鐘振蕩源、PTP硬件輔助模塊、PTP協(xié)議處理模塊和時間調(diào)整模塊，本地時鐘振蕩源生成本地時鐘信號；PTP硬件輔助模塊捕獲經(jīng)以太網(wǎng)物理層芯片輸入的PTP報文，并記錄此時本地時鐘信號的本地時間戳；PTP協(xié)議處理模塊解析所述PTP報文，并獲得此時主時鐘信號的主時鐘時間戳；時間調(diào)整模塊根據(jù)所述本地時間戳與所述主時鐘時間戳的差值，調(diào)整所述本地時鐘信號，使本地時鐘信號與主時鐘信號同步。本發(fā)明，采用IEEE1588時鐘報文信號作為輸入源，同步時間精度與PTP主時鐘時間不超過10μs，可以滿足各種應(yīng)用場合和各種系統(tǒng)的同步精度要求。
文檔編號H04L7/00GK103209069SQ20131016722
公開日2013年7月17日 申請日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者許文, 管曉權(quán), 袁江峰, 田永和, 趙妍, 劉長羽, 葉泂濤, 漆良宏, 王建鴻 申請人:浙江賽思電子科技有限公司