IEEE 1588协议为精确定时提供完整规范

IEEE 1588协议为精确定时提供完整规范

在5G网络、物联网等应用中,对于精确的定时要求越来越高,以便提供更快速、稳定的服务,IEEE 1588(又称为Precision Timing Protocol, PTP,精确定时协议)便成为最重要的遵循标准。本文将为您介绍IEEE 1588的规范与应用,以及由Silicon Labs(芯科科技)所推出的IEEE 1588解决方案。

新兴应用对定时要求越来越高

精确定时越来越广泛地用于各种应用和商业基础架构中,例如移动通信、网络、智能电网、物联网(IoT)、工业自动化和金融技术(Fintech)等领域。依据应用的需求,必须针对关键基础架构进行规范,才能为此类应用提供准确的时间和频率,在全球通信网络和商业基础设施中,对于精确定时的要求正在日益增长并且越来越普遍。

此外,测量和自动化系统需要进行事件同步和数据关联,尤其是在测量中涉及多个设备时,时钟同步更显得特别重要,这些设备必须可以直接访问来自公共源的定时信号,或者这些设备必须具有交互和同步其各个时钟的方式,以便共享公共时基。

在不同设备间实现时间同步

相互靠近、共享公共定时信号的设备可能是实现时间同步的最简单方法。例如,服务器或是适配卡可以共享来自背板的通用时钟信号,从而实现高度准确的事件同步。不过,为了准确地使用这样的公共定时信号,需要进行一些校准以补偿诸如传播延迟的问题,但是由于这些状态是静态且可确定的因素,因此采用这种设计方法相对容易。

在某些方面,基于GNSS的定时(全球导航卫星系统)是一种类似的方法,用于从公共源(GNSS信号)获得时钟时间。不过,当设备之间的距离增加时,或者当设备位于室内(GNSS信号无法穿透的地方),或此类设备处于四处移动的状态时,必须经常频繁地更改其位置,将使得这种方法变得不可行。

在这种情况下,需要使用专用网络或现有网络来分配时钟同步,分布式时钟同步的常见示例是PC的内部时钟与NTP时间服务器同步,或一组类似的设备使用PTP Grand Master的IEEE 1588(PTP)协议进行同步。在这两种协议中,这些设备定期交换信息,并调整其本地定时源以相互匹配。

这两种时间同步方法都需要连续的时钟调整过程,如果将两个时钟设置为完全对齐,并且它们的频率源以完全相同的速率运行,则它们将无限期保持同步。然而,实际上时钟设置的精度有限,并且它们的频率源以略微不同的速率运行,并且频率源的速率会随时间、温度和某些其他物理因素而变化。大多数现代电子时钟都使用某种形式的晶体振荡器作为频率源,不过所有振荡器都有其不稳定性,因此必须要求时钟连续同步,以便在频率和相位上相互匹配。

IEEE 1588通过配置文件满足多种应用需求

IEEE 1588规范了用于通过网络(例如以太网)连接的同步时钟标准协议。IEEE 1588于2002年发布成为标准,旨在提供异构网络时钟之间的容错同步,这些时钟几乎不需要网络带宽开销、处理能力和管理设置。IEEE 1588通过定义称为精确时间协议或PTP的协议来提供此功能。该标准已经进行了多次重大改进,并且通过为这类型的各种应用添加特殊功能,以将基本的IEEE 1588演变为多个“配置文件”,以用于满足多种应用的需求。

PTP协议提供了一种容错方法,该方法可以同步所有能力各异的参与时钟,以使用网络中的最高质量时钟。IEEE 1588定义了一组标准的时钟特性,通过运行一种称为最佳主时钟(Best Master Clock, BMC)的分布式算法,网络中的每个时钟都可以识别最高质量的时钟,并且自调整网络可以使用最佳时钟源,以最佳模式运行。如此一来,IEEE 1588便可创建一个始终保持最佳同步状态的简单时钟自调整网络。

IEEE 1588的这种精确的同步功能,可以广泛应用于移动和电信基础设施、数据中心、智能电力和电力基础设施、网络物理系统/工业物联网、测试与测量、工厂自动化、机器人控制、金融网络等领域。

使用高稳定性的定时源以减少漂移

许多因素都会影响使用IEEE 1588可以达到的同步级别的准确性。在同步数据包之间的时间间隔内,系统中的各个时钟会由于其本地定时源中的频率变化而彼此漂移,因此可以通过使用更高稳定性的定时源,并通过缩短同步数据包之间的间隔来减少这种漂移。

时钟源中的温度控制晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO)或原子钟,其所提供的稳定性高于商业标准晶体振荡器。除此之外,时钟的分辨率和PTP同步消息中实现良好的时间戳传输都是重要因素。具有更高分辨率时钟的设备能够更准确地为消息加上时间戳,而会造成问题的重要原因,是来自网络流量的变化,这种变化是由可变流量带来的数据包延迟变化所引起的,而集线器和交换机等中间网络设备的结合,则降低了可达到的同步水平。

IEEE 1588完整解决方案加速系统集成工作

Silicon Labs日前推出为简化IEEE 1588实施而设计的全新完整解决方案,通过在一个单独、统一的软件实用程序中结合PTP配置文件选择、PTP网络配置和物理层时钟/端口配置,搭配Silicon Labs业界领先的多功能软件工具ClockBuilder ProTM可助力设计人员加速IEEE 1588系统集成的开发工作。

对于IEEE 1588基于数据包时钟的采用,已经不局限于通信网络领域,而是进入越来越广泛的新兴应用领域,在这些新兴应用中,系统设计人员可能对时钟和同步的经验有限,因此工程师们面临的一个关键设计挑战,便是优化IEEE 1588系统级性能,这受到板级硬件/软件设计以及网络损伤(如流量负载变化引起的数据包延迟变化)的共同影响。

通过整合PTP配置文件选择、时钟/端口编程,以及Silicon Labs AccuTimeTM IEEE 1588软件的简单控制,Silicon Labs的ClockBuilder Pro软件为各种网络条件和拓扑配置操作提供了强大、可靠的解决方案。Silicon Labs IEEE 1588模块符合电信(G.8265.1、G.8275.1和G.8275.2)、电源(IEEE C37.238-2011和2017)、广播视频(SMPTE 2059.2)以及默认配置文件的标准要求,同时满足ITU-T G.8261、G.8273.2(T-BC、T-TSC)、G.8273.4(T-BC-P和T-TSC-P)、G.8262、G.812、G.813和Telcordia GR-1244-CORE/GR-253-CORE中对于时钟和同步的严格需求。

结语

精确的定时同步,可以通过IEEE 1588协议来实现,Silicon Labs所提供IEEE 1588解决方案,则可协助业界加速实现IEEE 1588,通过ClockBuilder Pro软件与IEEE 1588 模块的支持,可以帮助客户缩短上市时间,同时克服集成度较低的解决方案所带来的系统设计挑战,将是相关应用的时钟同步功能的最佳选择。