一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法及系统

技术领域

本发明涉及分组时间同步技术领域，具体涉及一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法及系统。

背景技术

高精度时间同步是5G承载的关键需求之一。根据不同技术实现或业务场景，需要提供不同的同步精度。5G同步需求主要体现在三个方面：基本业务时间同步需求，协同业务时间同步需求和新业务同步需求。5G基础业务时间同步精度要求为3us，协同业务时间同步精度要求为300ns，而定位等新业务时间同步需求则提升到10ns。

时间同步网通常采用边界时钟(BC)和普通时钟(OC)模型组网。时间同步精度需求的提升，同步指标分配对承载节点的时间同步精度也出现max|TE|(最大时间误差)<5ns的精度要求，同步精度、响应速度和稳定性同时需要考虑。

基于IEEE1588-2008，当前业界通常采用的系统同步构架，在实现边界时钟(BC)或普通时钟(OC)时，需要根据计算的时间偏差，对本地时间锁相环相位进行调整，以实现跟踪上游。再利用同步后的时间信号同步时间戳单元，完成系统内同步，作为后续时间同步，以及向下游节点发送时间信息的基础。

图1为传统边界时钟实现框图。系统采用的以上同步构架，存在以下主要问题：

1、在同步跟踪调整过程中，由于时间信息处于动态调整中，位于端口的时间戳单元经过时钟总线与主时钟模块同步时，不可避免存在同步调整滞后。因而这个过程中，运行精确时间协议(PTP)跟踪上游时间源，产生的时间戳信息并不准确。不准确的时间戳用于同步计算得出时间偏差，又会用于本地时钟跟踪调整，这样造成的同步振荡，会对同步跟踪过程和同步精度造成影响。通常通过算法进行阻尼控制，使得同步振荡幅度逐渐减小，最终实现同步收敛。但还是存在同步时间长，同步性能振荡等问题，甚至出现同步无法收敛的现象。

2、由于本地时钟处于动态跟踪调整中，要求时间戳单元能够快速跟踪才能实现系统内同步，增加了时间戳单元的设计难度增加。主时钟模块的调整算法与时间戳单元匹配度也是设计选型需要考虑的限制因素。而动态调整造成的跟踪误差，会对时间同步精度带来影响；

3、本地时钟根据时间偏差信息进行跟踪调整，这个环节产生的误差也会对时间同步精度带来影响。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法及系统，提升节点同步精度。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法，包括以下步骤：

节点上电后，本地时钟生成本地时间信息，并通过时钟总线发送给各端口；

从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；同步协议栈根据PTP协议进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块；

同步偏差处理模块获取同步协议栈提供的配对的时间戳信息，进行同步运算，生成时间偏差信息；

同步偏差处理模块将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元，以产生本地时间戳；将时间偏差信息中的纳秒域信息提供给同步协议栈，同步协议栈根据纳秒域信息对本地时间戳进行修正。

在上述技术方案的基础上，从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；同步协议栈根据PTP协议进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块，具体包括以下步骤：

从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳TS

同步协议栈从上游节点转发来的同步报文中，提取源时间戳字段和修正域信息，生成时间戳T

同步协议栈根据设定的周期，通过数据总线向该端口发送延时请求报文；该端口收到延时请求报文时，产生时间戳TS

同步协议栈从上游节点转发来的延时响应报文中提取延时响应时间戳字段和修正域信息，形成时间戳T

同步协议栈将配对的时间戳信息(T

在上述技术方案的基础上，

同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体包括以下步骤：

同步协议栈根据设定周期，向主时钟状态的端口发送同步报文，提取时间偏差秒域信息，加入同步报文修正域中；

同步报文经过数据总线转送到主时钟状态的端口，该端口时间戳单元产生时间戳TS

在上述技术方案的基础上，同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体还包括以下步骤：

主时钟状态的端口收到下游的从时钟状态的端口发送的延时请求报文产生的时间戳TS

在封装对应延时响应报文时，将时间戳T

在上述技术方案的基础上，同步偏差处理模块将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元完成秒域同步时，时间偏差的秒域信息的发送与本地时钟的秒脉冲同步。

本发明还提供一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步系统，包括：

本地时钟，其用于：节点上电后，本地时钟生成本地时间信息，并通过时钟总线发送给各端口；

多个端口，其用于：接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；各端口根据秒域信息进行秒域同步；

同步协议栈，其用于：根据PTP协议进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块；同步协议栈根据纳秒域信息对本地时间戳进行修正；

同步偏差处理模块，其用于：获取同步协议栈提供的配对的时间戳信息，进行同步运算，生成时间偏差信息；将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元，将时间偏差信息中的纳秒域信息提供给同步协议栈；

时钟总线，其用于：将本地时钟的本地时间信息和同步偏差处理模块的时间偏差信息传送给各端口；

数据总线，其用于：在端口与同步协议栈之间传送同步报文和时间戳。

在上述技术方案的基础上，所述端口具体用于：从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳TS

所述同步协议栈具体用于：从上游节点转发来的同步报文中，提取源时间戳字段和修正域信息，生成时间戳T

在上述技术方案的基础上，所述同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体包括以下步骤：

同步协议栈根据设定周期，向主时钟状态的端口发送同步报文，提取时间偏差秒域信息，加入同步报文修正域中；

同步报文经过数据总线转送到主时钟状态的端口，该端口时间戳单元产生时间戳TS

在上述技术方案的基础上，所述同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体还包括以下步骤：

主时钟状态的端口收到下游的从时钟状态的端口发送的延时请求报文产生的时间戳TS

在上述技术方案的基础上，所述同步偏差处理模块将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元完成秒域同步时，时间偏差的秒域信息的发送与本地时钟的秒脉冲同步。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过精确时间算法(PTP)测算的时间偏差信息，经过同步算法整形后，输出结果存为秒域和纳秒域偏差信息。其中秒域偏差信息提供给时间戳单元使用，以产生本地时间戳。纳秒域信息提供给同步协议栈使用，用于对本地时间戳信息进行修正，基于此实现同步上游时间源和向下游发送时间信息；能够有效解决传统同步构架中边界时钟(BC)和普通时钟(OC)同步跟踪过程慢、同步振荡、甚至无法收敛等问题，提升系统同步响应速度和稳定性。本发明节点本地时钟不再跟踪上游时间源信息，节点内同步后，正常情况下无需调整，避免时间戳单元频繁跟踪调整和同步跟踪振荡；减少同步跟踪环节，降低同步算法损耗，对提升同步精度有所益处。而同步端口输出界面符号国际标准，能够与传统方案同步节点无缝对接。

附图说明

图1为背景技术的传统边界时钟实现框图；

图2为本发明实施例的边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法实现框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步方法，包括以下步骤：

节点上电后，本地时钟生成本地时间信息，并通过时钟总线发送给各端口；

从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；同步协议栈根据PTP协议进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块；

同步偏差处理模块获取同步协议栈提供的配对的时间戳信息，进行同步运算，生成时间偏差信息；

同步偏差处理模块将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元，以产生本地时间戳；将时间偏差信息中的纳秒域信息提供给同步协议栈，同步协议栈根据纳秒域信息对本地时间戳进行修正。

作为优选的实施方式，从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；同步协议栈根据PTP协议进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块，具体包括以下步骤：

从时钟状态的端口接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳TS

同步协议栈从上游节点转发来的同步报文中，提取源时间戳字段和修正域信息，生成时间戳T

同步协议栈根据设定的周期，通过数据总线向该端口发送延时请求报文；该端口收到延时请求报文时，产生时间戳TS

同步协议栈从上游节点转发来的延时响应报文中提取延时响应时间戳字段和修正域信息，形成时间戳T

同步协议栈将配对的时间戳信息(T

作为优选的实施方式，同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体包括以下步骤：

同步协议栈根据设定周期，向主时钟状态的端口发送同步报文，提取时间偏差秒域信息，加入同步报文修正域中；

同步报文经过数据总线转送到主时钟状态的端口，该端口时间戳单元产生时间戳TS

作为优选的实施方式，同步协议栈根据纳秒域信息进行本地时间戳的修正，具体还包括以下步骤：

主时钟状态的端口收到下游的从时钟状态的端口发送的延时请求报文产生的时间戳TS

在封装对应延时响应报文时，将时间戳T

作为优选的实施方式，同步偏差处理模块将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元完成秒域同步时，时间偏差的秒域信息的发送与本地时钟的秒脉冲同步。

参见图2所示，就本方法实施例的边界时钟节点完成同步的过程进行举例说明，具体步骤如下：

1、节点上电后，本地时钟生成本地时间信息，并通过时钟总线发送给端口1～n。此时时间偏差的秒域和纳秒域信息均为“0”值。节点的所有端口的时间戳单元，均通过时钟总线实现与本地时钟模块，以及时间偏差模块秒域信息的同步；

2、假设端口1工作于从时钟(slave)状态，且精确时间协议工作于一步模式(one_step)。接收到上游节点发送的同步报文(Sync),产生时间戳(TS

3、同步协议栈根据设定的周期，向端口1发送延时请求报文(Delay_Req)。报文经过数据总线到达端口1，产生时间戳(TS

4、同步协议栈将配对的时间戳信息(T

5、边界时钟存在多个同步端口，假设端口n工作在主时钟(Master)状态。同步协议栈根据设定周期，向端口n发送同步报文(Sync)。在封装报文时，提取时间偏差钠秒域信息，加入同步报文修正域(CF)中。报文经过数据总线转送到端口n。假设端口n工作在一步模式(one_step)，则当时间戳单元产生时间戳(TS

6、端口n收到下游从时钟端口发送的延时请求报文(Delay_Req),产生时间戳(TS

7、同步时间信息输出的另一个方式是通过同步输出模块。该模块在本地时间的基础上，进行时间偏差修正，输出与时间参考源同步的信号，提供给其它应用。

通过以上方案的实施，能够构建边界时钟(BC)或普通时钟(OC)同步节点。由于节点同步数字化，无需本地时钟相位对上游进行跟踪调整，减少了一个跟踪转换环节，有利于提升节点同步精度。同时消除了传统方式带来的内同步振荡，提升了同步跟踪速度和稳定度，降低了时间戳单元跟踪难度。而同步端口输出界面符号为国际标准，能够与传统方案同步节点无缝对接。

本发明实施例还提供一种边界时钟和普通时钟数字化时间同步系统，包括：

本地时钟，其用于：节点上电后，本地时钟生成本地时间信息，并通过时钟总线发送给各端口；

多个端口，其用于：接收到上游节点发送的同步报文，产生时间戳，将同步报文携带时间戳、端口信息，通过数据总线转发给同步协议栈；各端口根据秒域信息进行秒域同步；

同步协议栈，其用于：进行同步报文收发和时间戳的修正，将配对的时间戳信息发送给同步偏差处理模块；同步协议栈根据纳秒域信息对本地时间戳进行修正；

同步偏差处理模块，其用于：获取同步协议栈提供的配对的时间戳信息，进行同步运算，生成时间偏差信息；将时间偏差信息中的秒域信息提供给端口时间戳单元，将时间偏差信息中的纳秒域信息提供给同步协议栈；

时钟总线，其用于：将本地时钟的本地时间信息和同步偏差处理模块的时间偏差信息传送给各端口；

数据总线，其用于：在端口与同步协议栈之间传送同步报文和时间戳。

本发明实施例用于实现IEEE1588-2008定义的边界时钟(BC)或普通时钟(OC)。与背景技术中标准推荐的构架相比，实现上具有简化内同步，时间同步快速稳定，接口兼容标准等优点。以下结合图2对具体实施方式进行描述。

图2为边界时钟的数字化同步实现框图。对于普通时钟，可以看作端口数目为1的场景，即n＝1。首先对图2中的功能模块进行说明：

1、本地时钟模块

本地时钟模块用于维护本地时间信息。

面对5G应用，由于对时间同步精度要求提升，业界时间同步方案归一为基于同步以太(SyncE)等物理层同步技术完成频率同步，在此基础上通过1588v2实现时间同步。本方法的本地时钟频率通过物理层时钟同步上游节点。

本地时钟模块维护的是本地纳秒域时间，由本地时钟模块初始化时随机产生，采用秒脉冲(1PPS)相位表征该时间信息。与传统实现方式不同，本地纳秒域时间不需要根据上游的时间信息进行秒脉冲(1PPS)的相位调整。节点正常运行过程中，本地纳秒域时间会保持稳定，不会进行调整。

本地时钟模块通过时钟总线，向端口提供同步秒脉冲(1PPS)信号。

2、时间偏差处理模块

时间偏差处理模块用于计算和维护时间偏差信息。

该模块能够获取同步协议栈提供的配对时间戳信息，通过同步算法子模块运算处理后，形成时间偏差信息。同步算法子模块完成以下功能：

1)时间戳分析。对从同步协议栈获取的时间戳信息进行分析，过滤掉其中异常数据，保证后续偏差计算结果的准确性；

2)平滑运算。采用滤波算法，能够平滑计算出的时间偏差信息，使输出的时间信息保持稳定。算法参数可设；

3)输出的时间偏差信息。时间偏差信息的更新，与本地时钟模块输出的秒脉冲(1PPS)信号保持一致。即本地时钟秒脉冲上升沿到达时，进行时间偏差信息的更新；

由于本方法不对本地时钟进行调整，因而同步算法输出的偏差，直接表征本地时间与上游参考源的偏差，且不会趋向于零值。

时间偏差信息分为秒域和纳秒域两个部分，分别进行存储。其中秒域信息通过时钟总线输送给端口时间戳单元使用；纳秒域信息提供给同步协议栈，以及作用于同步输出模块。当同步链路异常，同步协议栈无法提供足够的时间戳信息进行同步运算时，秒域信息会自动维持每个秒脉冲加1；而纳秒域信息则保持不变。

3、同步协议栈模块

同步协议栈负责处理精确时间协议(PTP)，完成同步报文收发和时间戳的修正处理，具体功能如下：

1)运行精确时间协议

由于采用集中处理方式，PTP报文的通过数据总线转送。协议栈需要根据PTP端口同步工作状态，完成同步报文的收发，报文的解析和封装，协议数据的提取工作，并维护协议的完整性。

2)时间戳修正

由于本地时钟不跟踪上游时间，所以本地产生的时间戳信息需要进行修正后，才能准确表征时间信息，发送给下游节点，或用于同步偏差的计算。具体方法如下：

a)对于工作在主时钟(Master)状态的PTP端口，在发送Sync报文时，将从时间偏差处理模块获取的纳秒域信息(T

CF＝CF+T

在两步模式(two_step)下，也可以将纳秒域信息(T

b)对于本地端口的时间戳单元产生的时间戳(TS

T

在PTP协议中，对于工作在从时钟(Slave)状态的PTP端口,对于本地产生的T

对于主时钟(Master)状态的PTP端口，对于本地产生的T

1)时间信息接口

维护两个信息接口：

a)提供配对并修正过的时间戳信息(T

b)接收到报文时提取的相应协议数据，更新时钟数据集。封装发送报文时，从时钟数据集中读取相应数据，填入报文对应字段中；

与传统同步协议栈分布与端口的方案不同，本方法同步协议栈模块采用集中处理方案，临近时间偏差处理模块部署。这样能够实时同步获取纳秒域信息，用于时间戳的修正处理。

4、时钟总线

时钟总线是将主时钟模块和时间偏差处理模块的信息传送给节点所有端口(1～n)，以及同步输出模块。具体如下：

传送本地时间信息，采用秒脉冲(1PPS)；

传送时间偏差的秒域信息。该信息的发送与本地时钟的秒脉冲(1PPS)同步，即秒脉冲上升沿发出时，时间偏差的秒域信息也发出；

与传统方案时钟总线传送的本地时钟同步后的时间信息有所不同。

5、数据总线

数据总线负责在节点端口与同步协议栈模块之间传送同步报文，时间戳等信息。同步报文需要携带端口标示，时间戳信息需要与对应报文配对转送。

与传统方案数据总线传送的时间偏差信息，在传送内容上有所不同。

6、同步端口

边界时钟和普通时钟节点的同步端口，需要完成以下功能：

1)同步报文处理

识别同步报文，区分事件报文和普通报文，事件报文需要进行时间戳操作。完成同步报文对外部网络的发送和接收，对内部数据总线的配对转发。

2)时间戳单元

时间戳单元通过时钟总线实现内同步：秒域同步时间偏差处理单元秒域信息，纳秒域则是同步本地时钟。

时间戳单元检测到发送同步报文(Sync)，产生时间戳(TS

从对端节点来看，本方法实现的普通时钟和边界时钟节点的同步端口与传统实现方案并无差异，能够完全兼容。对端节点从同步报文(Sync)中获取时间戳(TS

T

7、同步输出模块

同步输出模块为其它应用提供同步时间信息。该模块需要在本地时间的基础上，进行时间偏差修正，输出与时间参考源同步的信号。该模块的输出信号不应用于同步系统本身。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。