多时钟同步方案的比较与测试
战裕隆，杨佳利，朱纪洪
【摘 要】摘要：时间同步是时间触发通信的关键技术，但时间同步方案有多种，难以选择;文章提出了新的问题——寻找特定网络环境下最适用的同步方案，论文首先回顾了时间同步技术发展的相关工作，介绍了星型主从同步，环型主从同步和RBS同步3种方案的原理与基于STM32F407芯片的系统基本原理和实现要点，提出了修正时钟漂移速率的创新方法，并对方案进行理论分析，归纳各方案的优势、缺陷与适用场合;最后在少节点的多时间同步系统中完成各方案测试，证明3种方案同步精度都可以达到微秒级，比较各同步系统的同步精度，最终结果可以验证先前理论分析的准确性。 【期刊名称】计算机测量与控制 【年(卷),期】2018(026)006 【总页数】5
【关键词】时间同步；星型主从同步；环型主从同步；RBS同步
0 引言
传统的网络通信，网络通常采用“事件触发”机制。在事件触发网络中，节点可能在任意时刻发送或接收数据，一旦网络负载较大而发生冲突，会产生丢包等问题，效率低且可靠性差。另外，多个节点在同一个时间段内进行数据的收发，通信延迟高，无法保证消息传递的确定性。
采用时间触发机制的网络通信是指在整个网络当中建立一个统一的时间基准，节点根据预先设定的通信任务调度表，按照时间先后次序进行数据收发。在时间触发机制网络中，网络的利用率可以达到80%～90%，比事件触发网络的利
用率高，确定性好。网络通信按照调度表进行，收发数据的时间可以预估，而且建立全局系统状态有利于系统的维护操作。时间触发机制在网络发展的新形势下，在航空航天等对于网络传输确定性有高要求的领域中将会有更加广泛的应用。
时间触发网络通信的关键技术主要涉及全局的时间同步与调度表的设计，其中全局的时间同步尤为关键，不同的同步方法会有不同的耗时及通信开销和同步精度，对时间触发网络的性能效果有很大的影响。目前存在多种时间同步方法，能否适用于时间触发通信的实际系统尚待研究，在多种方法中选择更为合适的方案是时间触发网络研究的重要课题。
1 相关工作
近年来， 时间触发网络TTP[1]与TTE[2]凭借着良好的通信实时性与应用广泛的无线传感网络[3]一同成为了通信领域的热门方向。其中关键技术——时间同步也就成为了研究的热点。时间同步方案分类有多种方式[4]，有内部同步与外部同步，概率同步[5]与确定同步，立即修正同步与维护时间同步，而下文介绍的最常用的分类方法是主从同步与互同步，不同方法有不同的应用背景。 在同步问题被提出时，时钟模型一般被抽象为C(t)=ax+b(x为单位时间，a为时钟漂移速率，b为时钟偏置)，时间同步就是通过校正使多个不同的时钟模型最终具有相同的时钟速率和偏置，实现时间同步。1985年NTP[6]被提出，是最早且当时应用较广的时间同步方法之一。随后，时间同步一方面延续NTP的同步思路发展：有NTP拓展的TPSN[7]算法，有现今应用较为广泛的IEEE1588协议，以及TPSN的优化LTS低深度生成树算法[8]。除了节点成对同步算法之外，也有单向通信的同步算法，相比于成对同步，它牺牲了一部分
时间精度，但节约了能耗和开销，同时也能避免通信交互带来的不确定性，代表算法有 FTSP[8]与DMTS[9]，主要思想为发送方在消息发送时刻获取本地时间打上时间戳，消息的接收方获得时间戳，并记录接收消息的本地时间，并以此为依据同步。主从同步是主节点发送带有自身信息的分组，其他节点参照分组信息对自身时钟进行校正。因此，由于对主控节点的选取和维护方法不同，除了上述方法外，也有如全节点同步的新主从同步方法被提出。
另一方面，由于主从同步方法在大规模网络与动态拓扑网络中的表现不佳，理论上更适用于大型网络的互同步方法进入了时间同步的研究范围，RBS[10]是最早提出的应用最广的互同步方法之一，而后也衍生出PBS[11]等同步方案。此外，互同步方案不同于主从同步，它的核心思想是每个节点都从多个其他节点收集时钟的参考值，考虑节点距离与校正次数等不同的影响因素，在一个时刻通过多个节点时间值的不同加权方法得到一个估算值。在互同步中，每个节点重复这种获取估算值的操作，让所有节点的时钟值不断收敛，最终趋向于统一化。此类收敛函数式。的互同步方案代表性的方法有2006年提出的同步扩散[12]与非同步扩散方案[14]，其中使用了节点交换信息的随机矩阵，开拓了数学与时间同步的结合研究领域；也有平均时间同步ATS算法[15]和分布式时间同步DTS算法，其核心思想是把同步分为斜率同步和偏差同步两个阶段[14]，而2012年提出的CCS算法结合了两个同步的阶段，并在估计加权上提出了置信参数的方法，取得了比原有加权方法更好的效果。但以上收敛函数式互同步方案较为复杂，仅在数学理论与仿真中检验了正确性，在实际系统中的效果有待于进一步研究。
总体看来，随着网络通信的发展，时间触发网络得到了更广泛的应用，作为时
多时钟同步方案的比较与测试
