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PTP模块时钟同步与其他时钟同步的区别
编辑:上海爱启企业服务有限公司   时间:2016-12-07

1.1.时统系统概述

       互联网时代使网络遍及全世界,而技术的发展,促使对网络上信息的同步性要求越来越高。通讯、金融运输等系统要求内部各网络点节间达到毫秒级的同步精度,电力系统、电信基站、测量控制等系统内各节点则要求达到亚微秒级的同步精度。各个行业对时精度应用需求各不相同,如表1

表1 典型场景对时精度应用要求

各种常用时间同步技术精度,如表2

表2 典型时间同步技术准确度

1.2.PTP模块时间同步

       IEEE 1588 协议又叫网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议,即PTP(Precision Time Protocol),PTP 主从时钟的同步通过周期性的报文交换完成。每次报文交换从时钟可以得到四个时间戳。通过这四个时间戳,从时钟可以计算出主从时钟间的时钟偏差(offset)和路径时延(delay)

       1. 1588V2时间同步分为偏移测量和延迟测量2个阶段:

       a. 偏移测量阶段用来修正主、从时钟的时间差;

       b. 延迟测量阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。

PTP模块同步机制原理:

4. Delay和Offset的计算公式:

       通过上述2和3的描述,T2-T1 = Delay + Offset;   T4-T3 = Delay – Offset;

       所以可以得到:Delay= [ T2-T1 + T4-T3 ] /2

                                Offset= [ T2-T1-T4+T3 ] /2

       PTP 目前最流行的实现方式是使用支持硬件打时戳的物理层芯片,同时在控制芯片如 ARM 上实现应用层的 IEEE1588 协议,同步精度可达到亚微秒级。

       PTP 使用需要做如下支持:PTP 需要客户端和网络组件的硬件时间戳支持,PTP 支持以太网端口,组网便利,具备更低的建设和维护成本, 并且由于可以摆脱对 GPS 的依赖,在国家安全方面也具备特殊的意义。

       通过PTP方式实现的时间同步,适用于局域网内各节点的时间同步,且同步精度达到亚微秒级别,是NTP同步方式精度的100倍以上。

1.3.GPS时间同步

       全球卫星定位系统,一种卫星导航定位系统。由空间段、地面控制段和用户段三部分组成,为全球用户提供实时的三位位置、速度和时间信息。系统由24 (3颗备用卫星) 颗卫星组成。卫星分布在6个轨道面内,每个轨道上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55º,各轨道平面升交点的赤经相差60º。在相邻轨道上卫星的升交距相差30º。轨道平均高度约为20200km,每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上,同时位于地平线以上的卫星数目,随时间和地点而异,最少为4颗,最多可达11颗。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2 台铯钟),这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号,为GPS定位提供高精度的时间标准。

       GPS时间同步缺点:可以作为授时源头的时间同步模式,直接从GPS卫星信号中解析出时间信息,精度极高,典型授时精度〈20ns,但不支持以太网端口,且需要卫星在授时区域的覆盖,在一些矿区洞穴和一些GPS卫星无法有效覆盖的区域中无法使用,每一台需要同步的终端必须配上GPS信号接收机和天线,且对卫星能见度要求很高,使用成本上并不低,在大量分布式节点需要时钟同步场合并不实用。

1.4.北斗时间同步

       北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗(两颗工作卫星、2颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。目前北斗2代卫星数量多,在亚太地区搜星良好,在绝大多数地区可以达到GPS定位同步标准,其定位授时方式 GPS基本相同。

       北斗时间同步缺点:中国自主研发的卫星定位系统,在安全性和可控性上比GPS系统要高的多,时间精度与GPS相当,但运用弊端同GPS一样。

1.5.NTP时间同步

       NTP(Network Time Protocol)时间同步是获得UTC的时间,来源可以是原子钟、天文台、卫星,也可以从Internet上获取,这样就有了准确而可靠的时间源。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接,因此NTP系统仅仅在最高层需要外部UTC源,其他分支并不需要有外接时间源,更不需要接受机或者天线,组网方便,支持以太网端口, 成本较低,目前最新的版本是 NTP v4,同步精度为毫秒级。它是用于将广域网内计算机的时间同步到服务器时间的 Internet 标准协议,目前广泛应用于个人计算机,同时也应用于金融、电子商务等一些分布式需要精确可靠的时间同步的系统。

       NTP以客户端和服务器方式进行通信。每次通信共计两个包。客户机发送一个请求数据包,服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有时间戳。NTP根据这两个数据包的时间戳确定时间误差,并通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的影响。在数据包的传送方式上,有客户机和服务器一对一的点对点方式,还有多个客户机对一个服务器的广播/多播方式。在广播/多播方式下一个服务器可以为大量的客户机提供时间,但精度较低。

       NTP 的同步精度主要受以下因素的限制:操作系统协议栈引入的时延误差、网络传播时延误差和时钟频率偏差引入的误差。在广播/多播方式下一个服务器可以为大量的客户机提供时间,但精度较低。授时精度在毫秒级,不能满足电力系统等一些时间同步要求为亚微秒级的领域。

1.6.E1时间同步

       E1通俗的称呼叫一次群信号,是一种物理线路上的数据传输模式,一般用于电信级业务的传输中,速率为2.048Mbps,E1这个概念最早起源于PCM机制,是PCM机制的一种复用标准。为提高电话中继线的传输效率,将多路PCM信号采用TDM(时分多路复用)方式封转成数据帧,在中继线上一帧一帧传输。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的一个时分复用帧(其长度T=125us)共划 分为32相等的时隙,时隙的编号为CH0~CH31。其中时隙CH0用作帧同步用,时隙CH16用来传送信令,剩下CH1~CH15和CH17~CH31 共30个时隙用作30个话路。每个时隙传送8bit,因此共用256bit。每秒传送8000个帧,因此PCM一次群E1的数据率就是 2.048Mbit/s。E1时间同步采用时隙校准时间同步( TSA) 算法进行时间校准,在 TSA 算法中,主从设备在 E1 的某个时隙 bit 位发送时间信息后开始计时,主设备在收到从设备发送的时间后,停止计时,并将计时信息再次发送给从设备,从设备根据计时差,调整发送时隙,以校准从设备的时间信息,实现时间同步。通过理论分析,可以得出系统的时间同步精度达到亚微秒的数量级。

       E1时间同步:与NTP协议组网模式相似,但是通过75Ω同轴电缆或120Ω双绞线连接,也只需要一个UTC源,时间精度较高,可以达到亚微秒级,但是E1接口对接时,双方的E1不能有信号丢失/帧失步/复帧失步/滑码告警,双方在E1接口参数上必须完全一致,因为个别特性参数的不一致,不会在指示灯或者告警台上有任何告警,但是会造成数据通道的不通/误码/滑码/失步等情况。这些特性参数主要有;阻抗/ 帧结构/CRC4校验,阻抗有75ohm和120ohm两种,帧结构有PCM31/PCM30/不成帧三种;关键要双方一致,这样才可保证物理层的正常。

1.7.1PPS_TOD时间同步

       1PPS-Tod是中国移动为满足高精度时间地面传送需求而提出的一种协议,基站通过1PPS信号和TOD信息输入,获得同步定时信息。TOD信息波特率默认为9600,无奇偶校验,1个起始位(用低电平表示),1个停止位(用高电平表示),空闲帧为高电平,8个数据位,应在1PPS上升沿1ms后开始传送TOD信息,并在500ms内传完,此TOD消息标示当前1PPS触发上升沿时间。TOD协议报文发送频率为每秒1次。

       对于1PPS秒脉冲,采用上升沿作为准时沿,上升时间应小于50ns,脉宽应为20ms~ 200ms。

       目前TOD(日时间)协议没有统一的国际标准,但存在各种工业界标准,业界标准有NEMA,CCSA,ASCII等等不同标准,存在协议互通和兼容性问题。

1.8.B码时间同步

       IRIG-B(DC)码采用IRIG-B000格式进行编码,按照IEEE Std 1344-1995标准每秒输出一帧,包含100个码元,每个码元10ms。脉冲宽度编码,2ms/8ms宽度表示二进制0,5ms/5ms宽度表示二进制1,8ms/2ms宽度表示P。

       秒准时沿:连续两个8ms/2ms宽度脉冲的第二个脉冲的上升沿。

IRIG-B (DC)码波形图

B码授时不支持拓展,且是单向授时,传输距离和传输精度都受限;

1.9.综述

       如上可以得出结论:PTP模块时间同步协议在时间精度上优于NTP时间同步协议,在使用成本和便利度上优于GPS和北斗时间同步,在应用范围上优于E1、B码和1PPS-Tod时间同步方式,可以作为时间同步模式的首选。

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