一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法

摘要

本发明涉及种FC‑AE‑1553网络中的时钟同步方法,包括步骤:FC‑AE‑1553网络的主时钟接收时间信息,根据时间信息完成主时钟的时钟同步,经过时钟同步的主时钟记为BMC;FC‑AE‑1553网络内部的其他节点根据BMC、基于时间同步帧进行时钟同步。上述时钟同步包括频率同步和时间同步,通过频率同步实现对自身频偏的估计和矫正,通过时间同步实现延时时间的补偿。FC‑AE‑1553网络中的时钟同步方式进步包括逐级同步方式、边界时钟/透明时钟交换机同步方式和透明时钟交换机方式。通过FC‑AE‑1553网络中时钟同步方式的设计解决了现有技术中时间同步精度低,需要铺设专门硬件设备,导致投入成本高的问题,能满足大部分新代载荷的时同需求。

权利要求

1.一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，包括步骤：步骤S1.FC-AE-1553网络的主时钟接收时间信息，根据时间信息完成主时钟的时钟同步，经过时钟同步的主时钟记为BMC；

步骤S2.FC-AE-1553网络内部的其他节点根据BMC、基于时间同步帧进行时钟同步；

所述主时钟接收的时间信息来源于GPS接收模块输出的GPS信号；

步骤S1和S2中的时钟同步包括频率同步和时间同步；频率同步实现对自身频偏的估计和矫正；时间同步实现延时时间的补偿；

所述FC-AE-1553网络包括主时钟、边界时钟、透明时钟、普通时钟这4种网络模型，其中，网络控制器/网络终端对应主时钟或普通时钟，网络交换机对应透明时钟或边界时钟；

主时钟是NC或者NT，通过接收时间信息，对自身进行时钟同步；

边界时钟是FC-AE-1553网络中的一种交换机，交换机的一端口作为从端口，接收主时钟发送的时间信息，完成对交换机自身的时钟同步，边界时钟交换机的其他端口作为主端口对相连接的设备进行时钟同步；

透明时钟是FC-AE-1553网络中的一种交换机，交换机的一端口接受到时间同步帧后，通过另一端口转发，并将时间同步帧在交换机内的停留时间计算出来，填充在该时间同步帧中；

普通时钟是FC-AE-1553网络中的从时钟节点，普通时钟通过接收和发送时间同步帧，对自身进行时钟同步，并输出时间信息。

2.根据权利要求1所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，所述时间同步帧包括以下格式：在FC-FS帧的通用帧头的最前端，设置标识，用于标识FC-FS帧为时间同步帧；

FC-FS帧中数据域包括有效时间标签标识、TC个数、时间标签和TC时间；

有效时间标签标识中包含当前发送时间帧的主时钟的层级、当前时钟是否已经同步上、所含时间标签的个数；

TC个数中记录当前帧共经过了几个透明时钟；

时间标签中记录时间同步帧的发送和到达的时间；

TC时间中记录时间同步帧在透明时钟内停留的时间。

3.根据权利要求2所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，针对所述时间同步帧，采用优先发送的处理方式。

4.根据权利要求3所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用逐级同步方式，所述逐级同步方式为：将BMC作为主时钟，BMC的相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步；经过同步的从时钟进一步作为主时钟，将相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步，以此方式进行逐级同步，直至FC-AE-1553网络中的所有节点均完成时钟同步。

5.根据权利要求4所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，采用逐级同步方式的时钟同步包括以下通信过程：由主时钟先发送Sync帧给从时钟，Sync帧中包括Sync帧离开主时钟时的时间t1；

从时钟接收到Sync帧后，记录t1和Sync帧到达的时间t2，并立即发送Delay_Req帧给主时钟，从时钟记录Delay_Req帧离开时间t3；

主时钟收到Delay_Req帧后，记录Delay_Req帧到达时间t4，并通过发送Delay_Resp帧把t4发送给从时钟，由从时钟记录t4；

其中，Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧为时间同步帧。

6.根据权利要求5所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，所述逐级同步方式下，从时钟的频率同步是通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移。

7.根据权利要求5所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，所述逐级同步方式下，从时钟的时间同步是在从时钟端设置时间同步的阈值；

当主时钟对从时钟的时间差大于等于阈值，则从时钟直接补偿Offset值；

当主时钟对从时钟的时间差低于阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上；

其中，Offset＝((t4-t3)-(t2-t1))/2，T是主从时钟的同步周期。

8.根据权利要求3所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用边界时钟/透明时钟交换机同步方式，这种方式下FC-AE-1553网络内除BMC以外的网络控制器/网络终端为普通时钟，网络交换机作为透明时钟和边界时钟；

将BMC作为主时钟、与BMC相邻的交换机作为从时钟、需要穿越交换机进行连接的交换机也作为从时钟；

由主时钟对从时钟进行时钟同步，经过同步的从时钟进一步作为主时钟，对连接的网络终端进行时钟同步；

其中，在主时钟对从时钟进行时钟同步的过程中，被穿越的交换机作为透明时钟，作为从时钟的交换机为边界时钟。

9.根据权利要求3所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用透明时钟交换机方式，这种方式下FC-AE-

1553网络内除BMC以外的网络控制器/网络终端为普通时钟，网络交换机均为透明时钟；将BMC作为主时钟、其余网络控制器/网络终端作为从时钟，主时钟的时间同步帧经过网络交换机的转发，发送到从时钟，实现主时钟对从时钟的时钟同步。

10.根据权利要求8或9所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下的通信过程为：由主时钟先发送Sync帧给从时钟，Sync帧中包括Sync帧离开主时钟时的时间t1；

从时钟接收到Sync帧后，记录t1和Sync帧到达的时间t2，并立即发送Delay_Req帧给主时钟，从时钟记录Delay_Req帧离开时间t3；

主时钟收到Delay_Req帧后，记录Delay_Req帧到达时间t4，并通过发送Delay_Resp帧把t4发送给从时钟，由从时钟记录t4；

其中，Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧为时间同步帧；

当交换机作为透明时钟时，时间同步帧在透明时钟内部的停留时间记录在时间同步帧中，由透明时钟所增加的时间记为△TC。

11.根据权利要求10所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，在所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下，不包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移；

包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，其中，本地时间差中去掉发送过程中的△TC；再将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移。

12.根据权利要求10所述的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，其特征在于，在所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下，时间同步是在从时钟端设置时间同步的阈值；

当主时钟对从时钟的时间差大于等于阈值，则从时钟直接补偿Offset值；

当主时钟对从时钟的时间差低于阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上；

其中，在不含透明时钟的时间同步中Offset＝((t4-t3)-(t2-t1))/2；

含透明时钟的时间同步中Offset＝((t4-t3-△TC_Delay)-(t2-t1-△TC_Sync))/2；

其中，发送Sync帧时，时间同步帧在透明时钟中的增加时间记为△TC_Sync；

发送Delay_Req帧时，时间同步帧在透明时钟中的增加时间记为△TC_Delay；

T是主从时钟的同步周期。

说明书

一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法

技术领域

[0001] 本发明涉及FC-AE-1553网络通信技术领域，尤其涉及一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法。

背景技术

[0002] 现代通信网络对于同步的需求主要包括频率同步和时间同步两类需求。频率同步，又称之为时钟同步，是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系，其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同的速率运行。时钟同步(频率同步)后，两个时钟的相位/时间仍是不相同的。时间同步又称为相位同步，经过时间同步的两个网络节点，其频率相同，且时间/相位也相同。

[0003] 光纤通道技术凭借高带宽、低延迟、高可靠的特点，在国内外航空航天领域的应用越来越广泛。FC-AE发布了FC-AE-1553、FC-AE-ASM、FC-AE-RDMA等5种面向航空电子的协议标准，其中FC-AE-1553与FC-AE-ASM协议在国内外均有大量应用。目前，FC-AE在FC-FS协议规范发布的时间同步方式有两种，一种是单向的、依托于FC底层原语的时间同步机制；另外一种是依据逐级逐层同步的ELS帧方式。FC-AE在这两种时间同步机制中均假定传输延时不重要，相邻网络节点间的同步精度在微秒级别，且随着网络层级的增加，同步精度会进一步恶化。上述时间同步方式不能满足要求FC网络中具备高精度时间的应用需求，目前亟待解决的FC网络时间同步应用需求在亚微秒级，甚至100ns以内。

[0004] 在传统电信网领域，GSM/WCDMA/Wimax FDD等制式中，由于上下行通路依据不同频带进行区分，因此仅要求能够达到相应的频率同步指标即可，不要求时间同步，通常时间同步精度在100ms级别，省级骨干网络延时也达到了50ms。TD-SCDMA/CDMA2000/Wimax TDD/TD-LTE等制式依赖网络中的时间片划分进行上下行通信，要求具备频率同步和微秒级别的时间同步，电信网络中的各个基站进行时间同步的方式依赖于GPS模块解决。但是，GPS模块安装困难，安装成本和维护成本高，馈线铺设困难，特别是针对室内的FC网络，每个节点都加载一个GPS模块，且同步精度仅有us级别，这是FC网络从成本上和精度上都无法接受的时间同步方案。

[0005] 在以太网领域，现行的互联网网络时间协议主要采用NTP(Network  Time Protocol)和其简化版简单网络时间协议SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)。NTP由美国德拉瓦大学的David L Mills教授于1985年提出，网络中需要设置一个或多个NTP服务器来处理网络时间同步，由于NTP依赖应用层软件进行时间同步，故时间同步精度在大约为1～50ms。IEEE1588协议是专门针对网络测控系统等工业以太网提出的精确时钟同步协议，它非常适合变电站内工业以太网的应用要求，加以硬件辅助就能达到μs级的同步精度，1588协议的核心思想是网络中最精确的时钟(主时钟)以基于包交换的方式同步所有其它时钟(从时钟)，1588协议避免了NTP协议的缺点，在物理层打时间戳，避免了报文发送和处理的不确定性。

[0006] FC-AE-1553作为一种命令响应式的时间触发协议，以其高速、高可靠、支持实时确定性传输行为，可构建确定性网络，适用于航空航天指令控制、数据管理、载荷设备数据传输等，应用越来越广泛，对时间同步的需求也越来越高。FC-AE-1553网络与电信网络/以太网络的组成大相径庭，在FC网络中使用一种高精度的时间同步协议，且同时不影响FC网络的数据传输，为本发明的关键部分。

[0007] 现有技术中，由FC-AE发布的FC-FS协议中推荐了两种时间同步方式。

[0008] 第一种为原语(Primitive)层的时间同步，由于原语仅限于FC网络相邻两个节点间传输，故原语时间同步方式不能穿越FC交换机，只能逐级逐层进行时间同步。

[0009] 原语同步方式不对Client端的频率进行校正，时间同步误差随着网络规模增大而变大，同时受网络中时间同步路径上各个节点工作时钟的频差影响很大；在受控的FC-AE-1553网络中，底层执行严格的时间同步周期也是无法容忍的。

[0010] 第二种为ELS帧同步方式，客户端的应用层发送时间同步的请求帧(CSR ELS)，时钟同步服务器接收后发送时间更新帧(CSU ELS)，时间同步可选择在物理层打时间戳，经FC网络层层转发到客户端。相较于原语同步方式，ELS帧同步方式的时间同步请求由客户端发起。

[0011] 客户端可依据连续接收到的CSU ELS帧进行本地频率同步和时间同步。该方法在网络规模增加时，会加重时间同步服务器端的网络压力。ELS同步方式忽略了网络的传输延时及各个节点的处理时延，在FC Fabric中采用逐级逐层的同步方式，同步误差会积累，FC网络达到的同步精度仍然在ms级别。

[0012] 针对现有技术中时间同步的不足，本发明提供一种FC-AE-1553网络的时钟同步方法，解决时间同步精度低，需要铺设专门硬件设备，导致投入成本高的问题。

发明内容

[0013] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，用以解决现有时间同步精度低，需要硬件设备导致成本高的问题。

[0014] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0015] 提供了一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤S1.FC-AE-1553网络的主时钟接收时间信息，根据时间信息完成主时钟的时钟同步，经过时钟同步的主时钟记为BMC；

[0017] 步骤S2.FC-AE-1553网络内部的其他节点根据BMC、基于时间同步帧进行时钟同步。

[0018] 其中，主时钟接收的时间信息来源于GPS接收模块输出的GPS信号。

[0019] 上述步骤S1和S2中的时钟同步包括频率同步和时间同步；频率同步实现对自身频偏的估计和矫正；时间同步实现延时时间的补偿。

[0020] 所述FC-AE-1553网络包括主时钟、边界时钟、透明时钟、普通时钟这4种网络模型，其中，网络控制器/网络终端对应主时钟或普通时钟，网络交换机对应透明时钟或边界时钟；

[0021] 主时钟是NC或者NT，通过接收时间信息，对自身进行时钟同步；

[0022] 边界时钟是FC-AE-1553网络中的一种交换机，交换机的一端口作为从端口，接收主时钟发送的时间信息，完成对交换机自身的时钟同步，边界时钟交换机的其他端口作为主端口对相连接的设备进行时钟同步；

[0023] 透明时钟是FC-AE-1553网络中的一种交换机，交换机的一端口接受到时间同步帧后，通过另一端口转发，并将时间同步帧在交换机内的停留时间计算出来，填充在该时间同步帧中；

[0024] 普通时钟是FC-AE-1553网络中的从时钟节点，普通时钟通过接收和发送时间同步帧，对自身进行时钟同步，并输出时间信息。

[0025] FC-AE-1553网络中进行时钟同步是基于时间同步帧进行的，所述时间同步帧包括以下格式：

[0026] 在FC-FS帧的通用帧头的最前端，设置标识，用于标识该帧为时间同步帧；

[0027] FC-FS帧中数据域包括有效时间标签标识、TC个数、时间标签和TC时间；

[0028] 有效时间标签标识中包含当前发送时间帧的主时钟的层级、当前时钟是否已经同步上、所含时间标签的个数；

[0029] TC个数中记录当前帧共经过了几个透明时钟；

[0030] 时间标签中记录时间同步帧的发送和到达的时间；

[0031] TC时间中记录时间同步帧在透明时钟内停留的时间。

[0032] 针对上述时间同步帧，采用优先发送的处理方式。

[0033] 可选的，在步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用逐级同步方式，所述逐级同步方式为：将BMC作为主时钟，BMC的相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步；经过同步的从时钟进一步作为主时钟，将相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步，以此方式进行逐级同步，直至FC-AE-1553网络中的所有节点均完成时钟同步。

[0034] 采用逐级同步方式的时钟同步包括以下通信过程：

[0035] 由主时钟先发送Sync帧给从时钟，Sync帧中包括该帧离开主时钟时的时间t1；

[0036] 从时钟接收到Sync帧后，记录t1和Sync帧到达的时间t2，并立即发送Delay_Req帧给主时钟，从时钟记录Delay_Req帧离开时间t3；

[0037] 主时钟收到Delay_Req帧后，记录Delay_Req帧到达时间t4，并通过发送Delay_Resp帧把t4发送给从时钟，由从时钟记录t4；

[0038] 其中，Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧为时间同步帧。

[0039] 在所述逐级同步方式下，从时钟的频率同步是通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移。

[0040] 在所述逐级同步方式下，从时钟的时间同步是：在从时钟端设置时间同步的阈值；

[0041] 当主时钟对从时钟的时间差大于等于阈值，则从时钟直接补偿Offset值；

[0042] 当主时钟对从时钟的时间差低于阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上；

[0043] 其中，Offset＝((t4-t3)-(t2-t1))/2，T是主从时钟的同步周期。

[0044] 可选的，步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用边界时钟/透明时钟交换机同步方式，这种方式下FC-AE-1553网络内除BMC以外的网络控制器/网络终端为普通时钟，网络交换机作为透明时钟和边界时钟；

[0045] 将BMC作为主时钟、与BMC相邻的交换机作为从时钟、需要穿越交换机进行连接的交换机也作为从时钟；

[0046] 由主时钟对从时钟进行时钟同步，经过同步的从时钟进一步作为主时钟，对连接的网络终端进行时钟同步；

[0047] 其中，在主时钟对从时钟进行时钟同步的过程中，被穿越的交换机作为透明时钟，作为从时钟的交换机为边界时钟。

[0048] 可选的，在步骤S2中，FC-AE-1553网络内部其他节点的时钟同步采用透明时钟交换机方式。这种方式下FC-AE-1553网络内除BMC以外的网络控制器/网络终端为普通时钟，网络交换机均为透明时钟；将BMC作为主时钟、其余网络控制器/网络终端作为从时钟，主时钟的时间同步帧经过网络交换机的转发，发送到从时钟，实现主时钟对从时钟的时钟同步。

[0049] 在所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下的通信过程为：

[0050] 由主时钟先发送Sync帧给从时钟，Sync帧中包括Sync帧离开主时钟时的时间t1；

[0051] 从时钟接收到Sync帧后，记录t1和Sync帧到达的时间t2，并立即发送Delay_Req帧给主时钟，从时钟记录Delay_Req帧离开时间t3；

[0052] 主时钟收到Delay_Req帧后，记录Delay_Req帧到达时间t4，并通过发送Delay_Resp帧把t4发送给从时钟，由从时钟记录t4；

[0053] 其中，Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧为时间同步帧；

[0054] 当交换机作为透明时钟时，时间同步帧在透明时钟内部的停留时间记录在时间同步帧中，由透明时钟所增加的时间记为△TC。

[0055] 在所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下，[0056] 不包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移；

[0057] 包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，其中，本地时间差中去掉发送过程中的△TC；再将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移。

[0058] 在所述边界时钟/透明时钟交换机同步方式和所述透明时钟交换机方式下，时间同步是：在从时钟端设置时间同步的阈值；当主时钟对从时钟的时间差大于等于阈值，则从时钟直接补偿Offset值；当主时钟对从时钟的时间差低于阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上。

[0059] 其中，在不含透明时钟的时间同步中Offset＝((t4-t3)-(t2-t1))/2；

[0060] 含透明时钟的时间同步中Offset＝((t4-t3-△TC_Delay)-(t2-t1-△TC_Sync))/2；

[0061] 其中，发送Sync帧时，时间同步帧在透明时钟中的增加时间记为△TC_Sync；

[0062] 发送Delay_Req帧时，时间同步帧在透明时钟中的增加时间记为△TC_Delay；

[0063] T是主从时钟的同步周期。

[0064] 本发明有益效果如下：

[0065] 本发明提供的时钟同步方法，能基于高速光纤网络实现高精度的时钟同步，不需要专门的硬件，能减少硬件投入，还能获得较高的时间同步精度。

[0066] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0067] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0068] 图1为FC-AE-1553网络时间同步拓扑模型；

[0069] 图2为FC-AE-1553交换网络逐级同步模型；

[0070] 图3.为FC主从时钟节点同步模型；

[0071] 图4为FC主从节点同步过程示意图；

[0072] 图5为FC物理层发送/接收时间戳的示意图；

[0073] 图6为FC物理层发送/接收时间同步帧的优先发送的处理方式示意图；

[0074] 图7为FC从时钟节点对时间同步的处理方法，在本地时间偏快情况下的示意图；

[0075] 图8为FC从时钟节点对时间同步的处理方法，在本地时间偏慢情况下的示意图；

[0076] 图9为含边界时钟/透明时钟交换机的时间同步方式示意图；

[0077] 图10为含透明时钟的FC主从端时间同步方式的示意图；

[0078] 图11为透明时钟时的物理层收发时间同步帧方式；

[0079] 图12为FC-FS帧的格式的示意图；

[0080] 图13为FC-FS帧中数据域中的数据格式示意图；

[0081] 图14为数据域中时间标签的格式示意图；

[0082] 图15为基于FC-AE-1553固定周期的时间同步网络调度策略的示意图具体实施方式

[0083] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

[0084] 本发明公开了一种FC-AE-1553网络中的时钟同步方法。FC-AE-1553网络中，存在主时钟(时间同步服务器、Master Clock)、边界时钟(BC)、透明时钟(TC)和普通时钟(OC)这四种网络模型。其中，NC/NT(网络控制器/网络终端)对应主时钟或普通时钟，网络交换机对应透明时钟或边界时钟。

[0085] 所述主时钟(时间同步服务器，Master Clock)是指接收GPS信号的终端节点，通过接收GPS的1PPS和ToD信号对自身频率和时间进行校正，达到和GPS时间保持一致，误差不超过40ns(4.25G时，误差不超过20ns)。

[0086] 所述边界时钟(BC)是指FC-AE-1553网络中的一种交换机，该交换机某个端口作为从端口，可接收主时钟发送的时间信息，完成对交换机的频率同步和时间同步。边界时钟交换机的其他端口可作为主端口对相连接的设备进行时间同步。

[0087] 所述透明时钟(TC)是指FC-AE-1553网络中的一种交换机，交换机从端口A中接收到时间同步帧后，按照要求通过端口B进行转发，同时将时间同步帧在交换机内停留时间计算出来，填充在时间同步帧内。

[0088] 所述普通时钟(OC)时是指FC-AE-1553网络中的从时钟节点，可通过接收和发送的时间同步帧，对自身进行频率同步和时间同步，并输出1PPS+ToD信号，供给该NT(网络终端)所处设备使用。

[0089] 根据本发明的一个具体实施例，公开了一种具体的FC-AE-1553网络中的时钟同步方法，以交换式FC-AE-1553网络为例，进行时钟同步方法的说明。

[0090] 交换式FC-AE-1553网络中包括多个FC交换机，所有网络终端节点均接入交换机，交换机之间为互联的拓扑模型。

[0091] 在上述交换式FC-AE-1553网络中，一个NT(Network Terminal，FC-AE-1553网络终端)仅接受一个NC(Network Controller，FC-AE-1553网络控制器)的控制。网络中可存在多个NC，每个NC控制局域内的一组NT。主时钟可以是NC，也可以是NT。

[0092] 为了提高网络的可靠性，实施例中的交换式FC-AE-1553网络采用双网络冗余方式，网络结构如图1所示。

[0093] 根据图1所示的FC-AE-1553网络结构，NC1通过Group1的交换机G1-SW(主/备)控制NT1-NT10，NC2通过Group2的交换机G2-SW1/2(主/备)控制NT11-NT30，NC3通过Group3的交换机G3-SW1/2(主/备)控制NT31-NT50，所有主份的SW组成一个交换传输网络，所有备份的SW组成一个交换传输网络。将主时钟所在NT命名为NT-BMC(Best Master Clock)，假定该NT位于Group3网络中。NT-BMC接收GPS接收机输出的1PPS和ToD信号和GPS进行时间同步。FC-AE-1553网络时间同步后，所有NC、NT均可输出1PPS+ToD信号供所处设备使用。

[0094] 基于上述交换式FC-AE-1553网络结构，本实施例提供了一种时钟同步方法，具体包括以下步骤：

[0095] S1.FC-AE-1553网络的主时钟接收时间信息，根据时间信息完成主时钟的时钟同步，经过时钟同步的主时钟记为BMC。

[0096] 实施例中的时间信息来源于GPS接收模块输出的GPS信号。

[0097] 具体地，GPS接收模块(GPS接收机)输出时间信息转发到FC-AE-1553网络主时钟所在的NT或NC。本实施例将主时钟设为NT，则主时钟所在的NT记为NT-BMC(Best Master Clock)，本实施例中简称BMC。所述时间信息包括1PPS(秒脉冲)和ToD(Time of Data)信息。其中，1PPS为秒脉冲信号，ToD为GPS接收模块通过RS232串口发送的$GPZDA帧。

[0098] 主时钟接收GPS接收模块输出的时间信息，根据时间信息完成与GPS的时间同步。同步过程分为两步，第一步为频率同步，第二步为时间同步。

[0099] S11.频率同步

[0100] BMC使用1PPS即可完成对自身频偏的估计和矫正工作。具体方案为：检测到一次上升沿后将本地计时器清零并立即开始计时，直到下一个上升沿时，将本地计时T记录下，并将计时器清零并再次立即开始计时；本地计时时间与1秒相比较，即可获得本地时钟的偏移量。

[0101] S12.时间同步

[0102] 当BMC接收到的1PPS秒脉冲能够稳定接收不低于N次，且BMC的频偏已经被校正到可接受的频偏范围后(频率同步稳定后)，对NT-BMC进行时间同步。

[0103] 依据BMC接收到的$GPZDA帧的时间格式，将BMC中的时间信息转换为FC-AE-1553网络内使用的时间同步帧(FC-FS帧)信息，并补偿其中的延时时间，即可完成时间同步。

[0104] 步骤S2.FC-AE-1553网络内部的其他节点根据BMC、基于时间同步帧进行时钟同步。

[0105] 具体的，可以基于时间同步帧(FC-FS帧)进行从主时钟到交换式FC-AE-1553网络内其他终端和交换机的时间同步。

[0106] 整个交换网络的同步方式可以采用3种方式：逐级同步方式、边界时钟/透明时钟交换机同步方式、透明时钟交换机方式。

[0107] A.逐级同步方式，如图2所示。

[0108] 逐级同步方式是将BMC作为主时钟，BMC的相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步；经过同步的从时钟进一步作为主时钟，将相邻节点作为从时钟，由主时钟对从时钟进行时钟同步，以此方式进行逐级同步，直至FC-AE-1553网络中的所有节点均完成时钟同步。

[0109] 本实施例中，将接收上级时钟，对下级进行时间同步的交换机作为边界时钟(BC)。边界时钟既可对所连的节点NC/NT进行时间同步，也可对所连接的交换机进行时间同步。

[0110] 由于该FC-AE-1553网络规模较小，所有网络节点从BMC开始进行逐级的时钟同步。FC-AE-1553网络中的各节点均分为主从节点，时钟同步时均采用主节点对从节点进行同步的方式。相邻节点间的时间同步视作主时钟对从时钟的同步过程，简化模型为图3。

[0111] 具体地，在逐级同步方式下，进一步设计了相邻FC(光纤通道)主从节点间时间同步过程、物理层发送/接收时间戳方式、逐级同步方式下FC从时钟节点的频率同步方式、逐级同步方式下FC从时钟节点的时间同步方式。

[0112] 1.相邻FC(光纤通道)主从节点间时间同步中的通信过程如图4。

[0113] FC主从节点时间同步过程中，由主时钟先发送Sync帧给从时钟，从时钟端收到后立即发送Delay_Req帧给主时钟，主时钟收到Delay_Req帧后再发送Delay_Resp帧给从时钟端。由于发送端是在物理层发送时打上时间戳，接收端在从物理层提取帧后立即标记取得帧的时间，故不需要IEEE1588中定义的Follow帧。

[0114] 本方案中的主从端的时间同步详细过程如下，其中Master端代表主节点，Slave端代表从节点：

[0115] (1)Master端发Sync报文给Slave，Slave接收后记录该报文到达时间t2，Sync报文中同时包括其离开Master时的时间t1；

[0116] (2)Slave端发Delay_Req报文给Master，Slave记录Delay_Req报文的离开时间t3，Master端记录其到达时间t4；

[0117] (3)Master通过Delay_Resp报文把t4发给Slave，此时Slave端知道Delay_Req报文的发送时间t3和接收时间t4，及Sync报文的发送时间t1与接收时间t2。

[0118] 2.物理层发送/接收时间戳方式

[0119] 主节点作为发送端，在发送Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧等时间同步帧时，具体是在物理层发送时打上时间戳。在物理层发送/接收时间戳方式如图5所示。以NT-BMC的物理层发送/接收时间同步帧为例，本发明进一步设计了在物理层实现时间同步帧的优先发送的处理方式，如图6所示。

[0120] 在发送端添加MUX模块，MUX模块统一接收时间同步帧和其他的FC帧，在MUX中设定优先级，设时间同步帧优先级最高。当有时间同步帧和其他FC帧同时到达时，优先发送时间同步帧；当仅有其中一种帧时，按照先到先发的顺序发送；当其他FC帧发送过程中，MUX接收到时间同步帧时，可打断当前发送序列，优先发送时间同步帧。组帧发送模块在能够发送时间同步帧时，随着时间同步帧的发送，到发送帧中的本地时间的时刻，才从本地时间计数模块中获取时间值，立即发送。保证了FC时间同步帧的时间值为本地最新值。

[0121] 接收端为相反的过程，DeMUX模块接收到FC帧后，首先对帧头中最靠前的帧标识进行判断，优先识别出时间同步帧后，立即转发给收帧解析模块，对于其他FC帧，转发给其他模块处理。解析模块对接收到的时间进行立刻标定，并从本地时间计数模块中获取时间值，记录当前接收帧的时间值。

[0122] 通过分别在发送端和接收端设计MUX和DeMUX模块，实现了在FC协议中对时间同步帧的优先发送和优先接收处理，保证了时间同步帧的时间值处理的高精度。最大程度保证了链路的对称性。

[0123] 3.逐级同步方式下FC从时钟节点的频率同步方式

[0124] FC相邻主从节点同步过程周期性进行，主端的同步周期为T±△T(△T为当前FC帧正在发送时，不能打断，仅当当前帧发送结束后立即发送时间同步帧，在FC的4G网络中，△T最大值约为5us，远小于同步周期T)，由于Sync帧周期性发送，Slave端可依据Sync帧完成对本节点的频率同步。

[0125] 频率同步过程也即对本地时间计数模块的频率矫正过程，频率补偿主要用于确定Slave端的自身晶振频率偏移量并进行纠正，方案为通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync中包含的两个T1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到较为正确的偏移估计量，并纠正该频率偏移。

[0126] 4.逐级同步下FC从时钟节点的时间同步方式

[0127] 由于FC网络的相邻节点间的光纤长度相同，且由于我们在物理层进行时间帧的发送和接收方式，两端的时间帧处理延时页相同，故发送端和接收端的路径延时和处理延时Delay相同，假定主端对从端的时间差为Offset，则从端对主端的时间差为-Offset，则有：

[0128] t2-t1＝Delay–Offset

[0129] t4-t3＝Delay+Offset

[0130] 可得：

[0131] Offset＝((t4-t3)-(t2-t1))/2

[0132] Delay＝((t4-t3)+(t2-t1))/2

[0133] 在本方案中，在从节点端设置时间同步的阈值，当时间差超过该阈值后从端直接补偿Offset值，低于该阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上，则不会造成从端时间向后的回调。其中，T是主从时钟的同步周期。

[0134] 采用上述时间同步方式是一种优化处理方法，优化处理效果如图7、图8所示。在保证时间同步的精度下，同时保证时间同步过程在一个周期内的平滑过渡，不会造成时间的突然后撤或提前，影响用户对关键时间的使用。

[0135] B.边界时钟/透明时钟交换机同步方式，如图9所示。

[0136] 边界时钟/透明时钟交换机同步方式是指网络中的交换机既有边界时钟功能，也具备透明时钟功能，FC-AE-1553网络内除BMC以外的网络终端为普通时钟。

[0137] 将BMC作为主时钟、与BMC相邻的交换机作为从时钟、需要穿越交换机进行连接的交换机也作为从时钟；

[0138] 由主时钟对从时钟进行时钟同步，经过同步的从时钟进一步作为主时钟，对连接的网络终端进行时钟同步；

[0139] 其中，在主时钟对从时钟进行时钟同步的过程中，被穿越的交换机作为透明时钟，作为从时钟的交换机为边界时钟。

[0140] 具体地：上级时钟可以跨级对下级时钟进行时钟同步，NT-BMC可以直接与非直接联系的交换机进行时钟同步；跨级联的交换机之间，也可以进行时钟同步。时钟同步的同步方式包括但不局限于图9的方式。

[0141] 在穿越交换机进行同步时，被穿越的交换机均作为透明时钟(TC)。图1中，G2-SW2也可以向G3-SW1进行时间同步，具体将某个交换机的某种端口作为透明时钟(TC)还是边界时钟(BC)，取决于所连接的NT/NC所需要的同步精度。TC能够提高系统的时间同步精度。

[0142] 1.主从时钟之间的通信过程为：

[0143] 由主时钟先发送Sync帧给从时钟，Sync帧中包括该帧离开主时钟时的时间t1；

[0144] 从时钟接收到Sync帧后，记录t1和该帧到达的时间t2，并立即发送Delay_Req帧给主时钟，从时钟记录Delay_Req帧离开时间t3；

[0145] 主时钟收到Delay_Req帧后，记录Delay_Req帧到达时间t4，并通过发送Delay_Resp帧把t4发送给从时钟，由从时钟记录t4；

[0146] 上述Sync帧、Delay_Req帧、Delay_Resp帧为时间同步帧；

[0147] 其中，当交换机作为透明时钟时，透明时钟记录下时间同步帧在其内部的停留时间，并在时间同步帧中记录。具体采用在时间同步帧上打上时间戳的方式。

[0148] 主从时钟间的同步过程多了TC所加载的时间戳，则主从时钟间的频率同步和时间同步方式仍为图4中Sync帧，Delay_Req帧，Delay_Resp帧的传输过程，将过程中所有的TC简化为云，TC所增加的时间戳记为△TC，则时间同步示意图为图10。

[0149] 2.边界时钟/透明时钟交换机同步方式下的物理层发送/接收时间戳方式[0150] 主从节点端的物理层发送/接收时间戳方式与逐级同步方式下的方式相同。在透明时钟下，发送/接收时间戳仍在物理层进行，其方式可进行简化。具体地，本地时间计时在收到同步帧后开始计数，将该时间帧发送后清零。发送前从本地时间计时中获取在本透明时钟中的停留时间，如图11所示。

[0151] 优选的，本发明的透明时钟支持多个时间同步帧进入该透明时钟。

[0152] 3.边界时钟/透明时钟交换机同步方式下的FC从节点的频率同步方式[0153] 具体包括不包含透明时钟的频率同步和包含透明时钟的频率同步。

[0154] 不包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync帧中包含的两个t1时间差进行本地频偏估计，将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到偏移估计量，并纠正频率偏移；

[0155] 包含透明时钟的频率同步是：通过对相邻两次发送Sync帧间隔进行计时，并通过本地计时时间差与两个Sync中包含的两个T1时间差进行本地频偏估计，本地时间差中应当考虑两次的△TC，去掉透明时钟对频偏的影响；再将多个频偏估计进行卡尔曼滤波或平滑滤波，得到较为正确的偏移估计量，并纠正该频率偏移。

[0156] 4.边界时钟/透明时钟交换机同步方式下的FC从节点的时间同步方式[0157] 由于FC网络的相邻节点间的光纤长度相同，故发送端和接收端的路径延时Delay相同，假定主端对从端的时间差为Offset，则从端对主端的时间差为-Offset。发送Sync帧时，TC共打到帧中的时间戳为△TC_Sync，发送Delay_Req帧时，TC共打到帧中的时间戳为△TC_Delay，T是主从时钟的同步周期。

[0158] 则有：

[0159] t2-t1-△TC_Sync＝Delay–Offset

[0160] t4-t3-△TC_Delay＝Delay+Offset

[0161] 可得：

[0162] Offset＝((t4-t3-△TC_Delay)-(t2-t1-△TC_Sync))/2

[0163] Delay＝((t4-t3-△TC_Delay)+(t2-t1-△TC_Sync))/2

[0164] 在从端设置时间同步的阈值，当时间差大于等于阈值后从端直接补偿Offset值；当时间差低于阈值时，将Offset/T作为频率步进量在一个周期T的时间内叠加在原来的频率计数上，则不会造成从端时间向后的回调。可保证时间同步过程在一个周期内的平滑过渡，不会造成时间的突然后撤或提前，影响用户的使用。

[0165] C.透明时钟交换机同步方式

[0166] 透明时钟交换机同步方式，是将所有网络中的SW(交换机)均作为透明时钟，除BMC以外的NC/NT均为普通时钟。NT/NC通过透明时钟交换机与NT-BMC进行时间同步。具体将BMC作为主时钟、NT/NC作为从时钟，主时钟的时间同步帧经过网络交换机的转发，发送到从时钟，实现主时钟对从时钟的时钟同步。该方式下的主从时钟的同步过程、频率同步和时间同步过程的均与边界时钟/透明时钟交换机同步方式下的情况相同。

[0167] 优选的，在上述时间同步方法中，本发明的时钟同步过程基于时间同步帧。该时间同步帧是在通用FC-FS帧(格式如图12)基础上设计的，时间同步帧通常符合FC-FS帧的格式。

[0168] 本发明设计了在时钟同步方法中使用的时间同步帧的格式：

[0169] 时间同步帧符合FC-FS帧的基本格式，但是在通用帧头的最前端设置标识，用于标识该帧为时间同步帧。具体是将R_CTL设置为26和27，以便和其他帧进行区别，供接收端快速识别出时间同步帧，减少处理时延。

[0170] FC-FS帧中数据域的格式设计如图13。数据域包括有效时间标签标识、TC(透明时钟)个数、时间标签和TC时间，

[0171] 其中，有效时间标签标识中包含当前发送时间帧的主时钟的层级(判断是否为最佳主时钟)、当前时钟是否已经同步上、以及所包含的时间标签的个数等内容。

[0172] TC个数中记录当前帧共经过了几个透明时钟。

[0173] 时间标签中记录时间同步帧的发送和到达的时间，具体内容如图14，共包含4次时间值(t1～t4)。每个时间戳长度为12字节，时间戳为全零时表示公元1970年1月1日0时0分0秒。

[0174] TC时间中记录时间同步帧在透明时钟内停留的时间，具体是透明时钟所打的时间戳在TC时间中。

[0175] 优选的，FC-AE-1553网络为命令/响应式网络，该网络的所有数据传输均由NC进行调度。NC周期性发送数据时，在周期内对时间同步帧预留相应的时间安排，以避免网络拥堵对时间同步的影响，可提高时间同步精度。基于FC-AE-1553固定周期的时间同步网络调度策略如图15，在每个周期内执行FC-AE-1553网络其他业务之前，留出t0～t1的时间同步专用业务时间，用以处理时间同步帧。

[0176] 优选的，网络级的替代方案为将BMC作为网络中的时间同步服务器，由各个NC/NT/SW向其发送时间同步请求的方式。

[0177] 本发明提出的时间同步方法，可用于但不限于FC-AE-1553网络，FC网络单一协议(仅有FC-AE-1553协议节点或仅有FC-AE-ASM节点)或多协议融合网络均可使用。

[0178] 综上所述，本发明实施例提供了一种基于FC-AE-1553网络的高精度时钟同步方法，可以实现基于FC-AE-1553的高精度时间同步，同时不影响FC-AE-1553的正常工作。整个时间同步网络入口采用1PPS+ToD方式，输出也采用采用1PPS+ToD方式，统一时间同步的物理接口，方便使用、比较和管理。采用本发明的时钟同步方法，能基于高速光纤网络实现百纳秒量级的时间同步，不但不需要专门的硬件，能减少投入，降低成本，还能获得较高的时间同步精度，可以满足大部分新一代载荷的时同需求，性价比高。

[0179] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

[0180] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。