网络精密授时若干关键技术研究

发布时间：2017-03-22 13:03

  本文关键词：网络精密授时若干关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着网络技术的发展,网络与社会生产生活已密不可分。在国防工业电力电信等领域越来越多的网络应用需要高精度的时间同步,而传统的以网络时间协议(Network Time Protocol, NTP)为基础的网络授时已不能满足高精度的授时服务需要。以精密时间协议(Precise Time Protocol, PTP)为基础的网络精密授时是传统NTP网络授时服务的重要补充,其针对特定网络的精密时间同步服务,自2008年PTP协议第二版发布以来,其研究与应用日益广泛。NTP网络授时对授时精度的控制是离散独立的,这是限制其授时精度的主要原因。而PTP网络精密授时相对于传统NTP网络授时服务来说,其授时服务是作为一个整体系统来设计的,其需要考虑到网络节点的时钟性能、网络报文传输与算法处理等系列问题,使得提高网络授时精度成为一个整体问题,也造成了其分析与设计的复杂性。本文主要针对PTP网络精密授时在建模仿真与测试设计中的若干关键问题进行的分析研究。建模仿真是针对时钟特性与网络拓扑而做的算法优化与方案评估,而测试设计面向于实际应用环境,二者相辅相成,是PTP网络精密授时系统研究设计的重要组成。主要分析研究以下几个方面：1.对PTP协议的同步机理、时间偏差与路径延迟计算、与UTC时间尺度的关系等进行了分析研究。对于PTP普通时钟、边界时钟与透明时钟的结构进行了解析,并对PTP本地时钟修正及计数器结构进行了分析。2.对网络时钟模型的建模进行了研究。由随机微分方程推导的三态时钟模型,并结合阿仑方差与扩散系数的关系,对时钟模型进行了实验分析,推导出双态的时钟模型。由频率振荡器的模型分析推导出时间同步的迭代方程。通过对时钟同步的不确定性因素的分析,设计出同步时钟时间模型。3.对时钟伺服系统及滤波算法进行研究与分析。结合推导的双态时钟模型与同步时钟时间模型结构,通过构建卡尔曼滤波模型,结合阿仑方差分析方法,全面分析了针对直连单一时间戳的不确定度σs与综合不确定度对于同步精度的影响。4.针对PTP边界时钟与透明时钟的结构特点,分别进行建模仿真,进行累积误差的分析与研究,并根据时钟结构与仿真模型提出了改进同步精度,降低累积误差的措施与方法。5.对网络精密授时伺服性能测试的研究。在研究与设计网络精密授时终端的基础上,对其授时终端进行了性能评估,分析了不同拓扑下的同步性能,进行了α滤波测试。随后针对非PTP网络授时与PTP网络授时拓扑进行了测试分析,给出测试结论。6.对网络双向延迟精密测试及度量方法进行研究。构建PTP测试时钟,并以此进行网络精密测试仪的设计。对报文延迟抖动(Packet Delay Variation, PDV)数据分别进行分析,并进行了时间方差度量与最小时间散度分析方法的研究,给出了测试与分析结论。综上所述,本论文对PTP网络精密授时在建模仿真与测试设计中的关键问题进行了分析研究。首先对PTP时钟进行结构分析,并建立合理可行的仿真时钟模型,改进了卡尔曼滤波与阿仑方差曲线分析方法,对于影响同步精度与不确定性的因素进行了全面的仿真分析,进而对PTP边界时钟与透明时钟的级联误差进行建模仿真分析。构建网络精密授时终端进行实际的测试验证,并针对网络精密测试与分析的需要构建网络精密测试仪,并进行测试比对研究,对精密测试度量方法进行了分析。通过对以上关键问题的研究,建立起PTP网络精密授时的合理可行的理论仿真与测试设计平台,对进一步提高网络精密授时同步精度与优化时钟伺服算法,拓展PTP网络精密授时研究与应用有着重要意义。
【关键词】：网络授时 网络延迟 时间同步 精密时间协议
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（国家授时中心）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.04
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-17
• 缩略语17-20
• 1 绪论20-30
• 1.1 论文研究背景及意义20-23
• 1.1.1 研究背景20-22
• 1.1.2 研究意义22-23
• 1.2 国外相关研究成果23-26
• 1.2.1 国外仿真与性能优化研究24
• 1.2.2 国外时钟功能设计研究24-26
• 1.3 国内相关研究成果26-27
• 1.3.1 国内仿真与性能优化研究26
• 1.3.2 国内时钟功能设计研究26-27
• 1.4 基本思路和论文结构27-30
• 2 网络时间协议与时钟结构分析30-46
• 2.1 NTP网络时间协议30-32
• 2.1.1 NTP同步过程30-31
• 2.1.2 NTP时间偏差与路径延迟31
• 2.1.3 RTT指标分析31-32
• 2.1.4 NTP与UTC时间32
• 2.2 PTP网络时间协议32-37
• 2.2.1 PTP报文与延时机制32-33
• 2.2.2 PTP同步过程33-34
• 2.2.3 PTP时间偏差与路径延迟34-36
• 2.2.4 PTP与UTC时间36-37
• 2.3 PTP时钟类型分析37-41
• 2.3.1 PTP普通时钟37
• 2.3.2 PTP边界时钟37-38
• 2.3.3 PTP透明时钟38-41
• 2.4 PTP本地时钟结构41-43
• 2.4.1 相移与频率补偿时钟41-42
• 2.4.2 相移与频率补偿计算42
• 2.4.3 时间计数器结构设计42-43
• 2.5 本章小结43-46
• 3 网络时钟模型建模研究46-66
• 3.1 时钟模型与扩散系数46-56
• 3.1.1 时钟模型与随机微分方程46-50
• 3.1.2 时钟模型与阿仑方差50-53
• 3.1.3 三态与双态时钟模型53
• 3.1.4 时钟模型的仿真分析53-56
• 3.2 时钟同步迭代过程分析56-59
• 3.2.1 频率振荡器模型分析56-57
• 3.2.2 相位偏移与频率偏斜57-59
• 3.2.3 时钟同步的迭代方程59
• 3.3 同步时钟时间模型设计59-64
• 3.3.1 时间戳不确定分析60-61
• 3.3.2 网络延迟的抖动与非对称性分析61-62
• 3.3.3 同步时钟时间模型62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 4 时钟伺服系统及滤波算法的研究与分析66-78
• 4.1 卡尔曼滤波器设计66-69
• 4.1.1 卡尔曼滤波器介绍66-67
• 4.1.2 卡尔曼滤波器构建67-68
• 4.1.3 卡尔曼滤波器参数68-69
• 4.2 不确定度σ s卡尔曼滤波仿真分析69-74
• 4.2.1 相位偏差与频率偏斜卡尔曼滤波69-70
• 4.2.2 时间戳不确定度的影响比较70-72
• 4.2.3 相同时间戳不确定度σ s的时钟模型比较72
• 4.2.4 同步周期△T可变的时钟模型方差分析72-73
• 4.2.5 不确定度σ s卡尔曼滤波结论73-74
• 4.3 综合不确定度卡尔曼滤波仿真分析74-76
• 4.3.1 综合不确定度卡尔曼滤波比较分析74-75
• 4.3.2 网络抖动不确定度影响分析75-76
• 4.3.3 综合不确定度卡尔曼滤波结论76
• 4.4 本章小结76-78
• 5 PTP边界时钟与透明时钟的累计误差分析78-94
• 5.1 PTP边界时钟累计误差分析78-84
• 5.1.1 PTP边界时钟误差产生及更新78-80
• 5.1.2 PTP边界时钟建模研究80-81
• 5.1.3 边界时钟偏差修正设计81-82
• 5.1.4 PTP边界时钟仿真分析82-84
• 5.2 PTP透明时钟累计误差分析84-92
• 5.2.1 PTP透明时钟桥延时分析84-85
• 5.2.2 P2P透明时钟建模85-87
• 5.2.3 抖动与量化误差对于透明时钟的影响87-90
• 5.2.4 P2P透明时钟模型仿真与结论90-92
• 5.3 本章小结92-94
• 6 网络精密授时伺服性能测试分析94-112
• 6.1 网络精密授时终端研究与设计94-99
• 6.1.1 网络精密授时终端硬件结构94-96
• 6.1.2 网络精密授时终端功能结构96-98
• 6.1.3 网络精密授时网络拓扑控制98-99
• 6.2 网络精密授时终端性能分析99-103
• 6.2.1 网络精密授时终端测试结构99-100
• 6.2.2 网络精密授时终端测试分析100-102
• 6.2.3 网络精密授时α滤波测试分析102-103
• 6.3 非PTP网络授时测试分析103-108
• 6.3.1 非PTP网络拓扑结构103-104
• 6.3.2 非PTP网络授时延迟抖动测试分析104-107
• 6.3.3 非PTP网络授时秒脉冲比对测试分析107-108
• 6.3.4 非PTP网络授时秒脉冲测试结论108
• 6.4 PTP网络授时测试分析108-110
• 6.4.1 PTP网络拓扑结构108-109
• 6.4.2 PTP网络授时秒脉冲比对测试分析109
• 6.4.3 PTP网络授时秒脉冲测试结论109-110
• 6.5 本章小结110-112
• 7 网络双向延迟精密测试及度量方法研究112-130
• 7.1 PTP测试时钟与单播模式112-114
• 7.1.1 PTP测试时钟112-113
• 7.1.2 PTP单播模式113-114
• 7.2 网络精密测试仪设计114-117
• 7.2.1 网络精密测试仪结构114-116
• 7.2.2 PDV测试软件设计116-117
• 7.3 PDV数据分析117-122
• 7.3.1 直连PDV数据分析117-118
• 7.3.2 局域网PDV数据分析118-119
• 7.3.3 城域网PDV数据分析119-122
• 7.4 网络度量方法分析122-128
• 7.4.1 时间方差度量分析方法122-125
• 7.4.2 最小时间散度分析方法125-128
• 7.5 本章小结128-130
• 8 总结与展望130-132
• 8.1 总结130
• 8.2 展望130-132
• 参考文献132-140
• 附录A140-142
• 附录B142-148
• 附录C148-152
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果152-154

【参考文献】

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本文编号：261536