PTP时钟服务器在铁路上的应用

前言

铁路时间同步网由地面时间同步网和移动列车内时间同步网两部分组成。全部都依靠PTP时钟服务器作为依托，其中地面时间同步网按三级结构组成，一级时间同步节点设置在铁道部调度中心，二级时间同步节点设置在各铁路局调度所、客专调度所，三级时间同步节点设置在站、段、所。移动列车时间同步节点设置在列车内。

PTP同步时钟广泛应用在数字化变电站，电信机房，航空航天，2.5G/3G/4G基站，无线应急通信，CMMB基站，数字电视数字广播，轨道交通，金融交易等需要高精度时钟服务的场所，该产品的技术指标已经达到国际先进水平。

PTP同步时钟主要应用于相对本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，与SNTP和NTP相反，时间戳更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度。此外，PTP同步时钟的设计也使它很容易适应低端设备。

设备运行状况：

目前铁路运输系统之间设备均保持相互独立，彼此之间是不能进入的，这就给系统之间时钟的统一带来了困难。运输调度管理系统设备虽然都号称依靠GPS卫星授时，但彼此之间时间相差很大，还有一些监控装置的时钟，自身系统时钟的管理方式也不尽完善。

机车上列车运行监控记录装置的时间是通过母钟对其进行授时的，母钟通过GPS授时，再对机车监控装置进行授时，但每台机车监控装置时间相差很大，

各系统相互独立，授时设备的不稳定，接收系统安装的不可靠，时间管理制度的不完善是造成目前铁路运输系统时间混乱的主要因素。

时间铁路系统时间统一的方案

为了提高铁路运能，保证各运输系统设备、各监控装置、各调度站的时间统一性，必须实现铁路运输系统的时间统一。为此特制定出以下方案，仅供参考：

一级母钟：

输入信号  

GPS卫星+北斗卫星+GLONASS卫星+网口（NTP协议）+B码时间源

      天线标配30米，如果长度不够，请找厂家定制

             输出信号

PTP协议接口方式网络     路数     1路

      继电器报警    故障报警  绿色螺钉端子

             卫星报警  绿色螺钉端子

             IRIG-B(1)报警绿色螺钉端子

             IRIG-B(2)报警绿色螺钉端子

             失步报警  绿色螺钉端子

供电电源  交流 220V±10%（可做双电源）

机箱尺寸  4U，19″

二（三）级母钟：

接收一级母钟下发PTP时间信息为基准，通过NTP协议下发时间给铁路信息系统及局域网授时

NTP输出路数：1路（可扩展）

NTP协议支持：NTP/SNTP V10,V20,V30,V40,UDP,Telnet,IP,TCP，

供电电源  交流 220V±10%， 50Hz±5%，功率小于30W（可做双电源）

机箱尺寸  4U，19″

PTP同步时钟设备的特点

1)   PTP适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统，例如EtherNet。同时提供单播消息的支持。协议支持多种传输协议，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2EtherNet，DeviceNet。协议采用短帧传输，且数据帧少，算法简单，对网络资源使用少，对计算性能要求低，适合于在低端设备上应用。

2)   无需时钟专线传输时钟同步信号，利用数据网络传输时钟同步消息。降低组建同步系统的费用。

3) 在提供和GPS相同的精度情况下，不需要为每个设备安装GPS那样昂贵的组件，只需要一个高精度的本地时钟和提供高精度时钟戳的部件，相对成本低。

4) 采用硬件与软件结合设计，并对各种影响同步精度的部分进行有效矫正，以提供亚微秒级的同步精度。

5)独立于具体的网络技术，可采用多种传输协议。

6) PTP 是一种主从同步系统,采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。

7)  在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。

8)早期的网络时间协议（NTP）只有软件，而ieee1588既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，获得更精确的定时同步；

9)  GPIB总线没有同步时钟传送，依靠并行电缆和限制电缆长度（每器件距离）不超过5m来保证延迟小于30μs；

10)      GPIB的数据线与控制线是分开的，VXI和PXI两种总线分别在VME和PCI计算机总线上扩展，都要增加时钟线。ieee1588无需额外的时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本；

11)   时钟振荡器随时间产生漂移，需要标准授时系统作校准，校准过程要缩短和安全可靠。目前常用的有GPS（全球定位系统）和IRIG-B（国际通用时间格式码），IRIG-B每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟，实现主控机/客户机的时钟同步。ieee1588采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，节约大量时钟电缆；

12)   ieee1588推出的时间尚短，还有待完善和修正。例如，对集线器和交换机的透明网络可提供很好的定时同步，但还未克服装有路由器的带有不决定性的网络定时。目前正在设计和试产可测量引入延时和自动补偿延时的网络交换芯片。还有，ieee1588完整芯片还未推出，只有FPGA基的代用芯片，Intel公司已声称尽快生产可支持奔腾处理器的ieee1588完整芯片。

同样，采用ieee1588协议 的以太网，解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈，显然在测量仪器系统的应用中将发挥更大作用。事实上，以太网的仪器扩展接口LXI就是以采用ieee1588协议的以太网作为骨干的仪器应用，再配备测量仪器系统所需的其它条件，组成吸收了GPIB到VXI和PXI的特点而构建的新一代测量仪器接口。

PTP协议简介：

伴随着网络技术的不断增加和发展，尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，以减少采用其它技术，例如IRIG-B等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP），来提高各网络设备之间的定时同步能力。

1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题，同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过，作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议（Precision Time Protocol）。

PTP应用环境

PTP适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统，例如EtherNet。同时提供单播消息的支持。协议支持多种传输协议，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2 EtherNet，DeviceNet。协议采用短帧传输，且数据帧少，算法简单，对网络资源使用少，对计算性能要求低，适合于在低端设备上应用。

母钟设备近照图：

典型应用

1) 计算机网络、计算机应用系统、流程控制管理系统；

2) 电力厂（站）和电网中心调度的时间统一系统及各种时间显示屏；

3) 电子商务系统、B2B网上系统以及数据库的保存及维护等系统；

广电、金融、移动通信、石油、电力、交通、工业以及国防等领域。

结束语

近年来，铁路通信依靠PTP时钟服务器为用户提供的服务类型及容量得到快速发展，已由为用户提供单一的语音业务向为用户提供多种数据通信、图像等多媒体综合业务的重大转变。