WR技术介绍及链路模型分析 李鸿明 lihm.thu@gmail.com 2014/8/14
提纲 引言 WR技术介绍 时钟同步与WR链路模型 WR链路不对称性测量 WR链路的温度特性
引言 系统对实时性的要求 分布式探测系统 加速器控制系统 … Large High Altitude Air Shower Observatory 加速器控制系统 LHC …
提纲 引言 WR技术介绍 时钟同步与WR链路模型 WR链路不对称性测量 WR链路的温度特性
What is WR 基于以太网的扩展增强技术 针对加速器控制应用开发 多实验室/公司合作研究 OPEN hardware/Software 频率源广播及亚纳秒时间同步 确定、可靠、低延迟数据传输 针对加速器控制应用开发 多实验室/公司合作研究 OPEN hardware/Software 下一代网络同步标准
WR Network 兼容标准以太网 数公里，上千节点 千兆光纤链路 全局频率与时间同步 保障确定的传输延迟 冗余结构增强可靠性
时钟同步 PTPv2 DMTD 时间同步 Sync-E 频率同步 相位同步 长距离： 10Km 多节点： 2000nodes 准确度： <1ns 高精度： 50ps 精密网络同步协议： 利用通信协议实现主从端延迟测量，并完成单向延迟补偿，实现双方时钟同步 PTPv2 时间同步 同步以太网： 利用时钟数据嵌入和时钟恢复技术，实现双向频率传递 Sync-E 频率同步 数字双混频鉴相： 实现主从端相位测量和跟踪锁相. DMTD 相位同步
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时钟同步 主从端往返延时测量 实际需要的是单程延时： 单程延时 ≠ 往返延时/2 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑀 = 𝑡 4𝑝 − 𝑡 1 −( 𝑡 2𝑝 − 𝑡 3 ) 实际需要的是单程延时： adjust= 𝑡 2𝑝 −( 𝑡 1 + 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑆 ) 单程延时 ≠ 往返延时/2
WR链路模型 固定延时：FPGA芯片内部+PCB走线等电路部分+SFP收发器的延时 发送延时 ∆ 𝑇𝑋𝑀 ， ∆ 𝑅𝑋𝑀 ，接收延时 ∆ 𝑇𝑋𝑆 ， ∆ 𝑅𝑋𝑆 传输延时：收发波长不一致，来回延时不相等，分别记为 𝛿 𝑀𝑆 、 𝛿 𝑆𝑀
光纤不对称系数 光纤不对称系数α= δ 𝑀𝑆 δ 𝑆𝑀 −1= n λ1 n λ2 −1 𝛼 和 ∆ T(𝑅)XM(𝑆) 事先写入数据库中，𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑆 可计算得到： 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑆 = 1+𝛼 2+𝛼 (𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑀 −∆)+ ∆ TXM + ∆ RXS 其中∆= ∆ TXM + ∆ TXS + ∆ RXM + ∆ RXS 不同光纤厂商的光纤折射率不同，由上述公式计算得到的光纤不对称系数不可靠 可通过实验方法得到精确的光纤不对称系数
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不对称性系数测量 𝛼值不准确将导致adjust计算不准确，导致主从时钟的偏差offset 当数据库中𝛼值为0时 其中 𝑑𝑒𝑙𝑎 𝑦 ′ 𝑀𝑀 = 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑀 −∆ 𝛼值不准确将导致adjust计算不准确，导致主从时钟的偏差offset 当数据库中𝛼值为0时 offset = 𝑡 2𝑝 − 𝑡 1 + 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑀𝑆 = 𝛼 2(2+𝛼 𝑑𝑒𝑙𝑎 𝑦 ′ 𝑀𝑀 +𝐶 ′ 改变光纤的长度，得到多组offset和 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦′ 𝑀𝑀 ，通过线性拟合可以得到斜率 𝛼 2(2+𝛼) ，进而得到𝛼
不对称性系数测量 offset =6.1571 𝑒 −5 × 𝑑𝑒𝑙𝑎 𝑦 ′ 𝑀𝑀 +149.44 𝑟= 0.99933 得到α=2.4631× 10 −4
不对称系数测量 不同长度光纤下（1～6km） 两节点的PPS偏差变化< 50 ps
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WR链路温度特性 WR设备固定延时的温度特性PPS偏差的影响 PPS 偏差随温度变化 ~ 10.5ps/℃
WR链路温度特性 光纤链路延时的温度特性对PPS偏差的影响 PPS 偏差随温度变化 ~ −0.2ps/（℃×km) Fiber length 1KM Fiber length 10KM PPS 偏差随温度变化 ~ −0.2ps/（℃×km)
WR链路温度特性 光纤收发器收发波长 PPS 偏差随温度变化 SFP@1310nm ~ 0.11 ps/（℃×km)
总结 WR网络能实现全网中所有节点亚纳秒同步 不同长度光纤连接的两节点之间的同步精度受到光纤不对称系数的准确度的影响 不同温度下WR链路的各个参数的变化会对WR同步精度带来影响，分别对WR设备固定延时、光纤链路延时、光纤收发器的温度特性进行研究
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