高兆强

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，江苏 连云港 222002）

关键字：PTP; IEEE1588V2; 卡尔曼滤波；无线网络时间同步

0 引言

移动设备间时间一致是各个移动设备协同工作的基础，广泛应用在数据融合、节点定位、定时任务等场合，目前在移动无线网络[1]，各个节点普遍采用卫星授时的方式来获取统一的时间，该方式技术成熟、精度高[2]，但是卫星信号的接收容易受到环境的限制，比如在天气不好或者室内的情况下，往往无法接受到卫星信号，并且卫星信号容易受到干扰，可靠性不高，在军事、航天等需要高可靠性的领域只采用卫星授时的方式存在安全隐患[3]，因此急需一种基于无线网络的时间同步技术来填补卫星授时的不足。

针对无线网络时间同步，研究者们提出了众多的时间同步技术，但是由于无线网络的移动性、拓扑结构多变性、接入退出变化快等特点，使得众多时间同步技术在无线网络应用中存在很大局限性[4]，比如：单向时间同步技术时间同步精度不高[5]，双向时间同步技术收敛速度慢，无线网络环境下安全性低等[6]。本文在分析无线网络时间同步存在困难的基础上，结合时间同步领域的最新进展，提出了一种基于IEEE1588V2（PTP）精确时间协议的新型无线网络时间同步技术。

1 无线网络时间同步与PTP 协议

1.1 无线网络时间同步存在的难点

无线网络与有线网络相比存在网络传输延时大，网络传输延时抖动大，网络拓扑结构容易变化，节点频率接入退出等特点，这使得单向无线授时方式精度不高，单向时间同步技术是时钟源广播发送时间戳报文，其他节点同步接收到时间报文后作为本地时间，由于无线网络传输延迟大，这种时间同步精度不高[7]，比如IEEE802.11 使用的TSF 时间同步技术，其精度只有几十毫秒到1 秒，无法满足很多需要高精度时间同步的应用。

双向时间同步采用的是交互时间戳报文，其技术关键是精确测量出传输时延，从而根据时钟源的时间矫正本地时间，无线网络传输时延主要有：（1）发送时延:节点构建同步报文并将报文递交到 MAC 层所用的时间;（2）信道访问时延:同步报文从检测信道是否空闲到物理层开始发送报文所用的时间; 信道访问延时随机性较大，受当前信道空闲度和网络负载状况的影响较大;（3）传输时延:发送节点通过天线向外传输同步报文所用的时间;（4）传播时延:节点在媒介中从发送节点传播至接收节点所用的时间;（5）接收时延:接收节点的物理层通过天线接收同步报文所用的时间;（6）处理时延:接收节点对报文进行处理的时间[8]。除了随机性较大的发送时延、信道访问时延、处理时延外，传输过程中存在的噪声经常会在同步报文的时延中引入部分符合高斯或者指数分布的小时延。如何精确计算网络传输时延是无线网络时间同步技术的关键，互联网上广泛采用的NTP 时间同步技术在应用层获取时间戳，其传输时延包括了所有以上六种时延，由于含有三个变化比较大的发送时延、信道访问时延、处理时延，所以其精度不高，只有毫秒到几十毫秒。而PTP 则采用了硬件时间戳获取MAC层时间戳，计算传输时延时只包含抖动比较小的传输时延，因此而能达到亚微米级的精度[9]。

1.2 PTP 精确时间同步协议

IEEE1588 协议又称精确同步时钟协议，即PTP（Precision Time Protocol）协议。PTP 系统是一个分布式的网络结构，协议运行的逻辑范围称为一个域。PTP 系统由一个或者多个PTP 子域组成。在一个PTP 系统中，时钟源（Grandmaster clock）提供整个系统的时间源。实现协议只需要在原有的网络上添加时间同步报文，这些报文只占用少量的网络资源[10]。

PTP 同步技术主要是通过精确计算网络传输时延，计算出从时钟相对于主时钟的时间偏差，然后调整本地时间与时钟源的时间保持一致。具体流程如图1 所示，主时钟会定期发送带有发送时间t1 的同步报文SYN，从时钟接收到同步报文后记录本地时间t2，然后马上发送时延请求报文DELAYREQ，并记录发送时间t3，主时钟接收到延请求报文DELAYREQ 后记录接收到的时间t4，然后发送时延请回应报文DELAYRSP，这样从时钟会有四个时间戳，根据协议技术出单向时延和时间偏差。

图1 PTP 时间同步过程

同步原理为公式1 和公式2 所示。

公式1 计算主从时钟间的网络传输时间，公式2 计算主从时钟的时间差，在实际情况中，两次传输时间不是一样的，两者之间存在时间偏差，这个偏差称为网络传输抖动，PTP 时间同步精度是该偏差的一半。

2 无线时间同步算法

2.1 底层获取时间戳

为了提供时间同步精度，首先需要消除网络协议栈的影响，需要更底层获取时间，获取时间的位置如图2 所示。

图2 时间戳获取位置

更底层的时间获取位置，可以消除协议栈抖动对时间同步精度的影响，经过测试，在简单的网络中，C 处获取时间，由于网络协议栈对时间同步精度的影响，PTP 同步为几百微秒到几毫秒；B 处获取时间，由于网络硬件发送拥塞，PTP 时间同步精度为微秒到几十微秒；借助硬件在A 处获取时间，PTP 时间同步精度可以达到纳秒级别。为了易于实现并且节约成本，本方法在B 处获取时间，修改网卡的驱动，修改所有经过PTP 时间端口的报文，在报文的特定位置增加时间信息。

2.2 对传输时延进行滤波

移动网络中移动节点一般都在无序地运动，这使得网络传输路径时刻在变化，简单平均来计算单向传输时延不准确，它与实际的单向传输时延存在一个误差，该误差与移动节点的运动状态有关，需要对计算出来的单向延时进行滤波，根据文献介绍在移动互联局域网络中，移动节点相对于主节点的相对运动符合高斯白噪声的特性，因此本文采用卡尔曼滤波的方式对传输时延进行滤波，得到更接近真实值的单向时延。

在PTP 协议模型中，短时间内单向时延是固定的，但是根据对移动网络的分析，短时间内单向时延是不断变化的，存在或多或少的偏差，该偏差可以看作是高斯白噪声。另外，根据PTP 模型，每隔一段时间会计算出一个单向时延，由于移动节点的移动性，该计算也是不准确的，该偏差也可以看作是高斯白噪声，现在可以根据单向时延的经验值和测量值，以及它们各自的噪声来估算出单向时延。

假如要估算k时刻的实际单向时延，首先需要根据k-1 时刻的单向时延，来预测k时刻的单向时延，因为根据经验其值是固定的，所以k时刻的单向时延为

上一次的误差协方差Pk-1和过程噪声Q预测新的误差

过程噪声Q根据节点的一段时间内运动状态而定，是运动速度累积的积分：

对应单向时延的实际状况：

计算卡尔曼滤波增益：

对应于当前模型：

2.3 修改时间修正逻辑

在IEEE1588v2 协议中约定，时间更新的频率高于单向时延计算的频率，这是基于稳定的网络环境而设定的，对于移动网络，节点不停地运动，导致单向时延是一个不断变化的值，所以每次计算时间偏差必须基于最新的单向时延。其最新的时间修正过程如图3 所示。

图3 时间同步过程

3 实验验证

为验证该无线局域网络时间同步技术的性能，本文设计了一个含有无线路由器的无线局域网络，内部含有不断运动的移动节点，作为时间从时钟，一个原子钟作为时间主时钟，主时钟通过卫星授时来获取精确的时间，并通过无线网络利用PTP 协议给无线网络内部的子节点授时，子节点通过PTP 协议与主时钟的时间保持一致，并且子节点上有一款硬件时钟板，通过卫星获取时间，以便对比PTP 时间同步的精度，具体架构图如图4 所示。

图4 实验验证结构

首先从时钟采用标准的PTP 协议，在应用层获取时间戳，连续运行6 个小时，通过硬件时钟板记录的时间作为对比，记录时间偏差，如图5 所示。

图5 软件时间戳PTP 时间同步精度

从图5 可以看出，其偏差基本在300μs 以内，标准差为59μs，这与无线网络不忙、路由器性能较好有关，如果网络繁忙，其同步精度只能在10ms以内，并且由于协议栈的影响，网络抖动比较大，时间偏差的抖动也比较大。

然后在从时钟上采用驱动层时间戳的PTP 软件，连续运行一个小时，通过硬件时钟板记录的时间作为对比，记录时间偏差，如图6 所示。

图6 驱动层时间戳PTP 时间同步精度

从图中可以看出，通过在驱动层加时间戳，其偏差的稳定性好了很多，但是由于移动的存在，使得通过平均计算出来的单向时延与实际值存在差异，这种差异通过滤波会得到一定的修正。

最后测试本文提出的无线时间同步算法的性能，在同样的环境中，从时钟运行本文提出的时间同步方案，连续运行一个小时，记录时间偏差如图7 所示。

图7 最新算法的时间同步精度

从图中可以看出，经过滤波和对协议的改进，时间同步的精度稳定在10μs 以内。

4 结语

本文首先分析了目前各种应用场合对无线网络时间同步技术的迫切需求，以及无线时间同步技术存在的种种困难，提出了基于IEEE1588V2 精确时间协议的无线时间同步技术，根据无线时间同步的困难和特点，采用底层的时间戳，单向时延卡尔曼滤波，以及修改协议栈的方式，改进PTP 时间协议使其适应无线网络，并通过实验验证，证明该方案的时间同步精度可以达到优于10μs，可以满足绝大部分无线网络应用场景。