IEEE1588PTP协议的仿真和优化

吕保强　温金保

摘要：该文详细阐述了面向802.11无线局域网IEEE1588PTP仿真的设计及实现，并对IEEE1588PTP时间同步仿真结果和影响其性能的因素进行了评估和分析。

关键词：无线局域网；时间同步；IEEE1588PTP

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0028-02

Simulation and Optimization of IEEE1588 Time Synchronization

LV Bao-qiang， WEN Jin-bao

（Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering ， Guangzhou 510925 ， China）

Abstract： In this paper， we present the simulator we developed for PTP time synchronization in 802.11 WLANs. The behavior of the PTP time synchronization， the simulation results and the factors that affect the PTP performance are presented and evaluated.

Key words： WLAN； time synchronization； IEEE 1588PTP

1 引言

目前，在包交换网络中，时间同步算法主要采用了时间包交换技术。网络时间同步协议（NTP）[1]已被广泛应用于因特网中，然而，在理想情况下，NTP在有线局域网（LANs）的精度也仅能够控制在毫秒级。在有线的工业以太网中，IEEE1588 PTP将时间同步精度提到了微秒级。近年来，许多时间同步协议已被提出用于无线传感器网络（WSN）中，其中典型的时间同步协议有参考广播同步（RBS），延迟测量时间同步（DMTS），洪泛时间同步协议（FTSP），时间同步协议的无线传感器网络（TPSN）[2-4]等。然而，这些协议均未能在能源效率及同步精度上实现很好的优化。

在有线分组包交换网络中，IEEE 1588精确时间协议（PTP）[5]已经被提出。PTP的时间同步精度可控制在微秒级，比基于NTP的时间同步精度要高得多。由于操作简单，所需的带宽相对较低，相比于传统的时间同步协议（例如，RBS，FTSP等）PTP更适合用于通信带宽和能源受限的WLAN设备中。

本文详细阐述了PTP性能的仿真和优化。对PTP时间同步精度的因素进行了分析，研究结果表明：PTP的盖戳适合在物理层附近，rate对精度也有影响。

2 PTP包装交换的实现

一个典型的PTP同步过程是基于延迟请求-响应机制。PTP同步过程中包括四种类型的数据包[3]，分别是：Sync消息包，Follow_Up消息包，Delay_Req消息包和Delay_Resp消息包。

首先，主时钟在t1时刻向从时钟发送Sync消息包，从时钟接收到Sync消息包并记录下其到达时间t2。用[dms]表示Sync消息包在主从时钟间的传播延迟，然后，从时钟于t3时刻向主时钟发送Delay_Req消息包，主时钟在t4时刻接收到该消息包，随后主时钟立即将时间戳t4嵌入到Delay_Resp消息包中，并將该包发送给从节点。用[dsm]表示Sync消息包在从主时钟间的传播延迟。在实际的网络中，节时钟之间的传播延迟很有可能是不一样的，即[dms]≠[dsm]。当从时钟获得t1、t2、t3、t4四个时间戳后，时钟偏移的观测值如下：

[θM（n）=[（ts1-tm1）-（tm2-ts2）]2] （1）

3从时钟的校正

假设基于PTP包交换所获得的时间戳是绝对精确的，于时钟偏移（offset）和的观测值可直接用于矫正本地时钟，以实现PTP时间同步。然而，由于主从时钟包交换过程中存在着各种不确定因素，期间获取的时间信息通常是不精确且不可靠的。为了实现从时钟与主时钟的时间同步，在每个同步时刻要得到时钟偏移（offset）校正量，用校正量来直接校正从时钟的offset。

[μθ（n）=θM（n）] （2）

4 仿真结果

图6表示PTP采用硬件时间标记时从时钟的时钟偏移的仿真结果。我们发现当PTP采用硬件时间标记时，从时钟的时钟偏移保持-0.3/s到0.3/s之间变化，这PTP采用软件时间标记时从时钟的时钟偏移小了很多，且达到了PTP微妙级同步精度的设计初衷。这也再次验证了，PTP进行同步时采用硬件时间标记机制的重要性和必要性。

5 结束语

本文详细地阐述了一种基于802.11网络的IEEE1588协议的仿真的实现过程。该仿真对分析和评估PTP时间同步协议提供了一种高能效、可视化的方法，能够对时间戳不确定性以及其他因素对PTP性能的影响进行分析，研究结果表明：PTP的盖戳适合在物理层附近，rate对精度也有影响。

参考文献：

[1] PHILLIPS J， KUNDERT K. Noise in mixers， oscillators， samplers， and logic an introduction to cyclostationary noise[C]//Proceedings of the IEEE 2000 Custom Integrated Circuits Conference. Orlando， FL： IEEE， 2000： 431-438.

[2] SUNDARARAMAN B， BUY U， KSHEMKALYANI A D. Clock synchronization for wireless sensor networks： a survey[J]. Ad Hoc Networks， 2005， 3（3）： 281-323.

[3] ELSON J， GIROD L， ESTRIN D. Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review， 2002， 36（SI）： 147-163.

[4] PING S. Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks IRB-TR-03-013[R]. Berkeley： Intel Research， 2003.

[5] HAN T， LI B， XU L. A universal fault diagnostic expert system based on Bayesian Network[C]// Proceedings of the 2008 International Conference on Computer Science & Software Engineering. Wuhan， Hubei： IEEE， 2008： 260-263.