[發明專利]一種快速高精度時間同步系統

在審

• 申請號: 202010599908.4
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111953442A
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 趙壁如;趙健;劉宗坤;陳志麟;趙萱坤;方曉松;白光普;王濤;費春霞;陳嘯然;安自朝;胡杰;張繼晨;白晨曦
• 申請（專利權）人: 成都星辰瀑布通信技術有限公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 青島致嘉知識產權代理事務所(普通合伙) 37236
• 代理人: 張曉艷

1.一種快速高精度時間同步系統，包括NTP和PTP協議，其特征在于：NTP為適應Internet的層次結構采用層次氏時間分布模型、包括主時間服務器、從時間服務器及客戶與節點間的傳輸路徑，主時間服務器與高精度同步時鐘源，從時間服務器經由主服務器或從其它服務器獲得同步，在正常情況下節點(包括從時間服務器及客戶)只用最可靠、最準確的服務器及傳輸路徑來進行同步，因此通常的同步路徑呈現為一個層次結構，在該層次結構中，主服務器位于根節點，而其它服務器隨同步精度的增加而位于逐漸靠近葉子節點的層上，NTP將傳輸路徑區分為主動同步路徑(Active Synchronization Paths)與備份同步路徑(Backup Synchronization Paths)兩者都進行時間消息包的傳輸，但節點只用主動同步路徑的數據進行同步處理，NTP對時間的處理主要包括以下部分；

一：針對一個時間服務器的數據過濾處理，這種處理的目的是改善通過一個時間服務器獲得的網絡延遲和時鐘偏差的估計精確度；

二：針對多個時間服務器的對等選擇與組合處理，NTP是通過利用多個服務器及多條網絡路徑來獲得高準確度與可靠性；

三：本地時鐘校正，為維持時鐘的單調性，NTP并不將前兩步處理得到的時鐘偏差直接用來調整本地時鐘，而是通過一個環路濾波器轉換為一個對可變頻率振蕩器的控制量，來控制振蕩器的振蕩頻率，間接調整系統時鐘。

PTP協議也是通過以太網同步各設備的時鐘，可以提供亞微妙級的對時精度，其對時過程包含兩步：

第一步：通過最佳主時鐘(Best Master Clock)算法確定網絡中最精確的時鐘，作為主時鐘master，其余所有時鐘都作為slave，并與master同步；

第二步：通過計算主從時鐘偏移量和網絡延時修正從設備時鐘，同步的過程中需要計算主從時間差異，其中包含主從鐘的偏移量和網絡傳輸時延，因此從時鐘的修正也包含偏移量的修正和傳輸延時的修正；

主從設備主要通過消息交換，完成對時，為保持長期一致，需要不斷對時，消息交換模式如圖1所示：

a、主節點發送一個Sync消息到從節點，并記住消息發送時間t1；

b、從端接收Sync消息，并記下接收時間t2；

c、主端通過把t1嵌入到Sync消息中或隨后的Follow_Up消息中，將時間戳t1發送給從端；

d、從端發送Delay_Req消息給主端，并記錄發送時間t3；

e、主端接收Delay_Req消息并記下接收時間t4；

f、主通過把時間戳t4嵌入Delay_Resp消息發送給從端。

消息交換結束后，從端擁有了所有4個時間戳，用它們可以計算主從端時間差和平均消息傳輸延時：

Tmsd＝t2+Tms–t1

Tsmd＝t4–(Tms+t3)

由于通信路徑的對稱性，

路徑延時Td＝Tmsd＝Tsmd＝1/2*(t2–t1+t4–t3)

主從時差Tms＝1/2*(t2–t1+t4-t3)

如果時間差Tms過大，則應用絕對時間調整，從設備時鐘要加上時間差以調整絕對時間，使其時間在此刻與主時鐘時間完全一致。

2.根據權利要求1所述的一種快速高精度時間同步系統，其特征在于：如果時間差Tms較小，則使從時鐘的頻率改變某一百分比，從時鐘設備需要調整各自的時鐘頻率，與主時鐘頻率保持一致，由于普通計算機和設備沒有專用硬件支持，只能通過設置系統時間來調整主從時間差，但不能調整時鐘的頻率，同步精度只能達到亞毫秒級，如果有專用硬件支持時，則同步精度可達到亞微妙級。

3.根據權利要求1-2所述任意項的一項的一種快速高精度時間同步系統的原理，其特征在于：兩個設備在物理層通信建立后，等待接收消息，如果在規定時間內沒有收到消息，則發送一個消息，然后重復上述過程，以圖2為例，說明設備一和設備二時間同步的過程:

1)設備一在自身的t0時刻發送一個帶有該t0時刻并且延遲時間為未知的消息；

2)設備二在自身的t1時刻收到該消息，由于消息的延遲時間為未知，所以立刻將自身的時間設置為t0；

3)設備二在設置好自身時間之后的t2，發送一個包含t2時刻和延遲時間為未知的消息；

4)設備一在t3時刻收到該消息，計算出dt＝(t3-t2)/2；

5)設備一在t4時刻發送包含t4和dt的消息；

6)設備二在t5時刻收到消息，驗證t5＝t4，然后把自身時刻設置為t4+dt，這樣使得兩個設備時間同步；

7)在后續的通信過程中，兩個設備均會在鏈路層帶上發送時刻和延遲，當任一設備發現發送時刻加延遲不等于接收時刻時，重復上述過程的消息交換來完成對時，通過設備間的消息交換，可不斷對時，使系統的時間保持長期一致。