专利名称：基于精确时间协议的时间同步装置和方法
技术领域：
本发明涉及网络时间同步装置，具体涉及基于精确时间协议的时间同步装置和方法。
背景技术：
目前，各种基于精确时间协议的系统在各种行业有着广泛的应用，如通信系统、电力系统、交通系统、金融系统等，例如:在通信系统中，随着通信网络由传统方式向PTN网络的演变，系统对网络时间同步的要求进一步提高，如LTE对网络时钟同步的要求达到2微秒。众所周知，任何一种有线或无线方式都存在故障的可能，进而使网络时间同步产生偏差，由于LTE通信系统对时间同步要求非常高，一旦出现时间同步偏差就会造成通讯系统的中断，从而给客户和运营商带来巨大的损失。因此，基于精确协议时间协议的时间同步方式正在被越来越多的通信网络所采用。在电力系统中，电力通信调度网、电厂和变电站等场所都需要非常精确的时间同步控制。毫秒或微秒级的时间同步偏差会造成系统的中断，甚至电网的瘫痪，给客户和电力公司带来巨大的损失。因此，高精度的时间同步系统也是保障电厂、变电站和电力通信畅通的必备条件。在交通系统中，尤其是轨道交通和高速交通的大力发展，对时间同步系统的要求也是越来越强烈，如其控制系统、无线和有线的通信调度系统、故障记录系统等。在金融系统中，各大银行、证券系统的实时交易系统、通信系统和灾难恢复系统都需要时间同步控制，以支持高频交易，实现以毫秒的速度买进和卖出数以百万计的股票。目前，世界上普遍使用的时间同步方法是通过时间同步装置下载GPS、北斗或格洛纳斯GL0NASS的卫星导航系统的UTC (世界标准时间)并应用到每个需要精确时钟信号的通讯设备上，从而实现各种通讯设备的时间同步。尽管GPS授时系统是目前最普遍使用的技术，但是卫星接收的时钟有以下缺点:(I)由于GPS是美国军方控制的全球卫星导航系统，受美国军方控制，没有保障；(2)天馈线维护费用高，需要防雷防水措施，在无线信号比较纷杂的城市和电力设备，轨道交通设备周边，也容易受到无线的干扰；(3)城市里高楼林立，卫星接收视野受到限制，很难保证持续接收到足够的卫星信号。另外，不同的系统，其通信通道各不相同。在通信系统中，大的运行商拥有自己的PTN网络，在此基础上建PTP时间同步网，成本较低，关键是要解决跨路由器和多跳网络的PTP传输；电力系统的通信骨干网主要采用SDH网络，但SDH网络固有的不对称切换延迟并不在PTP协议设计的考虑之内，会严重影响了 PTP时钟的传输精度，但可以采用基于SDH组建专门的PTP传输网络和专有科学算法来克服其不对称性。在交通系统中，其PTP通信通道往往也是专有，和电信系统类似。在金融系统中，其通信网络往往是租借通信公司的线路组成一个专网，其PTP传输关键在接入点的时间恢复。有鉴于此，上述各种系统急需一种精度高、费用低、安全性高的网络时间同步装置，以满足业务需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何实现精度高、费用低、安全性高的网络时间同步的问题。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于精确时间协议的时间同步方法，包括以下步骤:利用本地时钟振荡源生成本地时钟信号；捕获PTP报文，并记录此时本地时钟信号的本地时间戳；解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳；根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。在上述方法中，还包括:当所述主时钟信号丢失时，读取所述本地时钟信号作为备用时钟信号，并利用所述备用时钟信号替换所述PTP报文中的主时钟信号。在上述方法中，根据所述本地时钟信号输出相应的秒脉冲信号和频率信号给其他电路使用。本发明还提供了一种基于精确时间协议的时间同步装置，包括本地时钟振荡源、PTP硬件辅助模块、PTP协议处理模块和时间调整模块，所述本地时钟振荡源用于生成本地时钟信号；所述PTP硬件辅助模块捕获途经以太网物理层芯片的PTP报文，并记录此时本地时钟信号的本地时间戳；所述PTP协议处理模块解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳；所述时间调整模块根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。在上述装置中，还包括时钟历史数据存储模块、备用时钟生成模块和监测模块，所述时钟历史数据存储模块，用于存储近期的时钟历史数据；所述备用时钟生成模块，用于生成备用时钟信号；所述监测模块，监测主时钟丢失信号并发出相应的控制信号，所述备用时钟生成单元根据所述控制信号，利用所述时钟历史数据存储模块中存储的时钟历史数据生成所述备用时钟信号；所述PTP硬件辅助模块利用所述备用时钟信号替换所述PTP报文中的主时钟信号。在上述装置中，所述时间调整模块根据所述本地时间戳和所述主时钟时间戳之间的差值的累积数据调整所述本地时钟信号。在上述装置中，所述PTP硬件辅助模块根据所述本地时间信号输出相应的秒脉冲信号和频率信号给其他电路使用。本发明，采用IEEE1588时钟报文信号作为输入源，同步时间精度与PTP主时钟时间不超过10μ S，可以满足各种应用场合和各种系统的同步精度要求。
图1为本发明提供的基于精确时间协议的时间同步装置示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做出详细的说明。如图1所示，本发明提供的基于精确时间协议的时间同步装置主要包括本地时钟振荡源10、以太网物理层芯片20、PTP硬件辅助模块30、PTP协议处理模块40和时间调整模块50。其中，本地时钟振荡源10用于生成本地时钟信号，为PTP(IEEE 1588)硬件辅助模块30提供参考时钟。选用不同精度和稳定度的本地时钟振荡源，可达成不同的同步精度和稳定度，提供不同精度和稳定度的频率输出。由此可根据接收装置所在系统对同步精度和稳定度及频率输出的精度和稳定度的要求来选用不同的本地时钟振荡源，以达成成本效益最大化。PTP(IEEE 1588)以太网时钟报文信号(简称PTP报文)经以太网物理层芯片20进出硬件辅助模块30，以太网物理层芯片20的作用是，当PTP报文经以太网物理层芯片20进出PTP硬件辅助模块30时，实现PTP以太网时钟与本地数字时钟信号之间的转换。硬件辅助模块30的作用是维护本地数字时钟(简称本地时钟)，同时侦测进出的以太网报文，在捕获到PTP报文时记录下此时刻的本地数字时钟，即本地时间戳。PTP协议栈处理模块40的作用是处理来往的PTP报文，解析获得主时钟的主时钟时间戳。时间调整模块50根据本地时间戳与主时钟时间戳的差值，调整本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。为了提高精度，时间调整模块50根据本地时间戳和主时钟时间戳之间的差值的累积数据调整本地时钟信号。PTP硬件辅助模块30还可在主时钟丢失的情况下模拟主时钟行为并且补偿温度的变化，维持本地时钟以同等准确度和稳定度运行。具体实现方式为:本装置中还包括时钟历史数据存储模块、备用时钟生成模块和监测模块，时钟历史数据存储模块，用于存储近期的时钟历史数据；备用时钟生成模块，用于生成备用时钟信号；监测模块监测主时钟丢失信号并发出相应的控制信号，备用时钟生成单元根据控制信号，利用时钟历史数据存储模块中存储的时钟历史数据生成备用时钟信号；PTP硬件辅助模块30利用备用时钟信号替换PTP报文中的主时钟信号。在上述装置中，PTP硬件辅助模块30可根据本地时间信号输出相应的秒脉冲信号和频率信号给其他电路使用。另外，本装置还设有管理端口，包括一个RS232接口和一个10Μ/100Μ网络接口，具有设置、控制、管理、告警功能，实现用户接口及网络通信和管理功能。本发明还提供了一种基于精确时间协议的时间同步方法，包括以下步骤:利用本地时钟振荡源生成本地时钟信号；捕获PTP报文，并记录此时本地时钟信号的本地时间戳；解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳；根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。
当所述主时钟信号丢失时，读取所述本地时钟信号作为备用时钟信号，并利用所述备用时钟信号替换所述PTP报文中的主时钟信号。综上所述，本发明具有以下优点:(I)、维护费用大大降低、全网可以实时监控、没有卫星授时系统可能存在的系统性风险，但依然可以实现与卫星授时近似的精度；(2)、在必须经过通信公司的PTN网络或者专有的PTP传输网络连接到PTP(IEEE1588)主时钟的条件下，只要这样的网络传输跳数可控制或者配置了边界网络PTP时钟，依靠本发明的装置的设计巧妙、算法科学就可以保证PTP传输的精度，实现微秒量级的时间同步，为在上述系统实现自主的时间同步提供了一个实用的解决方案。本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.基于精确时间协议的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤: 利用本地时钟振荡源生成本地时钟信号； 捕获PTP报文，并记录此时的本地时钟，即本地时间戳； 解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳； 根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 当所述主时钟信号丢失时，读取所述本地时钟信号作为备用时钟信号，并利用所述备用时钟信号替换所述PTP报文中的主时钟信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述本地时间戳和所述主时钟时间戳之间的差值的累积数据调整所述本地时钟信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述本地时钟信号输出相应的秒脉冲信号和频率信号给其他电路使用。
5.基于精确时间协议的时间同步装置，其特征在于，包括: 本地时钟振荡源，生成本地时钟信号； PTP硬件辅助模块，捕获途经以太网物理层芯片的PTP报文，并记录此时本地时钟信号的本地时间戳； PTP协议处理模块，解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳； 时间调整模块，根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括: 时钟历史数据存储模块，用于存储近期的时钟历史数据； 备用时钟生成模块，用于生成备用时钟信号； 监测模块，监测主时钟丢失信号并发出相应的控制信号，所述备用时钟生成单元根据所述控制信号，利用所述时钟历史数据存储模块中存储的时钟历史数据生成所述备用时钟信号; 所述PTP硬件辅助模块利用所述备用时钟信号替换所述PTP报文中的主时钟信号。
7.如权利要5所述的装置，其特征在于， 所述时间调整模块根据所述本地时间戳和所述主时钟时间戳之间的差值的累积数据调整所述本地时钟信号。
8.如权利要5所述的装置，其特征在于， 所述PTP硬件辅助模块根据所述本地时间信号输出相应的秒脉冲信号和频率信号给其他电路使用。
全文摘要
本发明公开了一种基于精确时间协议的时间同步装置和方法，其中所述装置包括本地时钟振荡源、PTP硬件辅助模块、PTP协议处理模块和时间调整模块，本地时钟振荡源生成本地时钟信号；PTP硬件辅助模块捕获经以太网物理层芯片输入的PTP报文，并记录此时本地时钟信号的本地时间戳；PTP协议处理模块解析所述PTP报文，并获得此时主时钟信号的主时钟时间戳；时间调整模块根据所述本地时间戳与所述主时钟时间戳的差值，调整所述本地时钟信号，使本地时钟信号与主时钟信号同步。本发明，采用IEEE1588时钟报文信号作为输入源，同步时间精度与PTP主时钟时间不超过10μs，可以满足各种应用场合和各种系统的同步精度要求。
文档编号H04L7/00GK103209069SQ20131016722
公开日2013年7月17日 申请日期2013年5月7日 优先权日2013年5月7日
发明者许文, 管晓权, 袁江峰, 田永和, 赵妍, 刘长羽, 叶泂涛, 漆良宏, 王建鸿 申请人:浙江赛思电子科技有限公司