CN101043315B - 一种网络时钟同步装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网络时钟同步装置、系统及方法，该方法包括如下步骤：步骤A：业务设备每隔一定的时间，向至少一时间服务器发出时间请求；步骤B：比较时间服务器返回的时间样本，选择时间样本计算本地时钟和时间服务器的时间偏差；步骤C：根据获得的时间偏差数据，调整业务设备内的频率调整器，以锁定上级时间服务器的时钟。本发明方案利用本发明通过从传输网络获取上级时间服务器的时间信息，根据不同时间获取的时间信息可计算获得本地振荡器的漂移，通过调整频率调整器以消除本地时钟的漂移最终达到业务设备时钟同步的要求。

Description

一种网络时钟同步装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种网络时钟同步装置、系统及方法。
背景技术
良好的网络同步性能对电信业务影响重大，同步不良往往会带来一系列的问题；在无线网络中，同步问题显得尤为重要，语音质量差，掉话率高，切换成功率低，无法接入等诸多问题很大情况下都与网络同步性能不佳有关。传输网络方式在不断的演进，从最初的TDM(Time Division Multiplexing，时分复用)到ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式)再到IP。由于一般处于网络的末端设备如基站，具体的接入方式千差万别，加上末端的数量相对较多，考虑到实现同步的成本，这样原来那种采用从业务码流中提取时钟同步的低成本解决方案变得越来越困难。
如图1所示，现有的一种同步时钟的方案为：在业务设备上采用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)加恒温晶振作为时钟基准，以取得很好的时钟同步基准，不受具体传输线路的影响。但是该方案的缺点为：增加了工程复杂度及整个设备的成本，增加GPS功能涉及到GPS天线、馈线、防雷、支架、三防等；同时在地下或一些特殊场合无法接受到GPS信号。
如图2所示，现有的另一种同步时钟的方案为：采用专门用于提供定时基准的微型同步设备为业务设备提供时钟基准。这种方案在全IP传输方式下，无需对现有设备的时钟设计做额外的更改，而获得满足要求的时钟基准。但该方案的缺点是成本过高，且同步设备和业务设备的操作维护系统融合存在一定困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种网络时钟同步装置、系统及方法，以满足业务设备时钟同步的要求。
本发明的网络时钟同步装置，包括：过滤选择器、合成和调整算法模块、频率调整器、倍频器、高稳振荡器和时间合成器，
过滤选择器：接收来自时间服务器的时间信息和时间合成器的本地时间信息，并从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，将选择的时间信息发送给合成和调整算法模块；
合成和调整算法模块：接收过滤选择器提供的时间信息及时间合成器发出的本地时间信息，比较过滤选择器提供的时间信息与本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到频率调整器输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据调整频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器；
频率调整器：接收合成和调整算法模块输出的调整信号及高稳振荡器输出的时钟信号，频率调整器将接收到的时钟信号作为时钟基准信号；
倍频器：将频率调整器输出的频率倍频到较高的频率；
时间合成器：利用倍频器输出的时钟信号得到本地时间，提供给过滤选择器和合成和调整算法模块。
所述频率调整器通过调整设置在其内的频率寄存器，以调整频率调整器的输出。
所述频率调整器是直接数字合成DDS器件。
本发明的网络时钟同步系统，包括：至少一时间服务器和网络时钟同步装置，
所述网络时钟同步装置每隔一定的时间通过IP传输网络向时间服务器发出时间请求，并通过所述IP传输网络接收来自时间服务器的时间信息，从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并比较较为准确时间服务器的时间信息与所述本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据调整所述网络时钟同步装置内部的频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器，其中所述本地时间信息从时间合成器中获取，且所述时间合成器利用倍频器输出的时钟合成无符号的64位秒时间码。
所述网络时钟同步装置通过网络传输协议从时间服务器获取时间。
本发明的网络时钟同步方法，包括以下步骤：
步骤A：业务设备每隔一定的时间，通过IP传输网络向至少一时间服务器发出时间请求；
步骤B：时间服务器通过所述IP传输网络将时间信息发送给所述业务设备的过滤选择器，所述过滤选择器从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并将该时间信息发送给合成和调整算法模块，所述合成和调整算法模块比较所述时间信息及本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，其中所述本地时间信息从时间合成器中获取，且所述时间合成器利用倍频器输出的时钟合成无符号的64位秒时间码；
步骤C：所述合成和调整算法模块根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据，调整业务设备内的频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器。
从以上技术方案可以看出，本发明通过从传输网络获取上级时间服务器的时间信息，根据不同时间获取的时间信息可计算获得本地振荡器的漂移，通过调整频率调整器以消除本地时钟的漂移最终达到业务设备时钟同步的要求。
图1为现有技术的一种时钟同步装置示意图；
图2为现有技术的另一种时钟同步装置示意图；
图3为本发明网络时钟同步装置示意图；
图4为本发明网络时钟同步方法流程图。
本发明的核心思想在于：通过NTP(Network Transfer Protocol)从上级时间服务器获取时间，由于时间服务器不存在时间漂移，NTP在IP网络传输过程中由网络响应能力变化引入的只是抖动，而本地振荡器产生的主要是漂移，自身的抖动可以忽略，根据不同时间获取的时间信息可计算获得本地振荡器的漂移，通过调整频率调整器以消除本地时钟的漂移最终达到业务设备时钟同步的要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
如图3所示，为本发明的网络时钟同步系统。该网络时钟同步系统包括时间服务器和时钟同步装置。该时钟同步装置可以设置在业务设备内或者单独设置。该时钟同步装置包括高稳振荡器、频率调整器、倍频器、时间合成器、过滤选择器、合成/调整算法模块。
过滤选择器：通过IP传输网络从至少一时间服务器(图3仅表示出IP 传输网络与一个IP时间服务器，IP传输网络还可以和多个时间服务器相连)上获得时间服务器的时间信息，同时从时间合成器中获取本地时间信息。过滤选择器从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，选取若干个(一般为一个)较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并将该时间信息发送给合成和调整算法模块。该过滤选择器可以集成在业务设备的CPU内或单独设置。
附图说明
合成和调整算法模块：接收过滤选择器选择的准确的时间信息及时间合成器发出的本地时间信息，比较时间信息及本地时间信息获得本地时钟和时间服务器的时间偏差；根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算可得到频率调整器输出时钟在此段时间的漂移和频偏，同时以此为依据调整频率调整器，这样频率调整器输出的时钟就可锁定上级时间服务器。该合成和调整算法模块可以集成在业务设备的CPU内或单独设置。
频率调整器：接收合成和调整算法模块输出的调整信号及高稳振荡器输出的时钟信号，频率调整器将接收到的时钟信号作为时钟基准信号。频率调整器通过调整设置在其内的频率寄存器，以调整频率调整器的输出。频率调整器可选用DDS(Direct Digital Synthesize，直接数字合成)等器件。
倍频器：将频率调整器输出的频率倍频到较高的频率，倍频的频率越高，时间合成器的分辨率越高，合成时间码的精度也就越高。倍频器采用专门的倍频器件。
时间合成器：利用倍频器输出的时钟合成无符号的64位秒时间码，此时间码表示自公元1900年1月1日零时起开始的描述，前32位是整数部分，后32位是小数部分，理论上计数的精度可达2-32秒。逻辑的计数脉冲来自倍频器倍频后的时钟，频率一般采用100MHz。过滤选择器和合成调整等模块可实时从时间合成器中获取当前的本地时间信息。时间合成器在逻辑(FPGA)中实现，由于时间合成器采用的频率调整器输出经过倍频的时钟，所以时间合成器合成的时间码的准确度直接反映了频率调整器输出时钟的准确度。
具体实施方式
高稳振荡器：输出时钟信号至频率调整器。该高稳振荡器一般选用的恒温晶振(OCXO)器件，老化率一般为5*10-10/day：在不作调整的情况下，OCXO的保持能力可以使其至少在半个月可达到0.05ppm的时钟精度。
如图4所示，本发明的网络时钟同步方法包括以下步骤：
步骤10：业务设备中的参考时间选择源器每隔一定的时间(所述间隔时间可进行设置及调整，例如设定间隔时间为64秒)通过IP传输网络向至少一时间服务器发出时间请求；
步骤20：时间服务器通过IP传输网络将时间信息发送给过滤选择器，过滤选择器从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，选取若干个(一般为一个)较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，其中，所述本地时间信息从时间合成器中获取；
步骤30：过滤选择器将该时间信息发送给合成和调整算法模块，合成和调整算法模块比较时间信息及本地时间信息获得本地时钟和时间服务器的时间偏差；
步骤40：根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算可得到频率调整器输出时钟在此段时间的漂移和频偏，以此为依据调整频率调整器，频率调整器输出锁定上级时间服务器的时钟。
由于上级时间服务器不存在时间漂移，NTP在网络传输过程中由网络响应能力变化引入的只是抖动，而本地振荡器产生的主要是漂移，OCXO自身的抖动可以忽略。这样可以结合时间服务器的长期稳定度与本地OCXO软锁相环良好的抑抖能力从而达到业务设备时钟同步的需求。即利用NTP来补偿OCXO器件的老化所带来的时间漂移。
当业务设备和时间服务器连接中断或没有获取较好的时间服务器的样本信息时，合成和调整算法可根据先前的调整的经验值进行调整，这样可确保在此情况下业务设备的时钟也能达到较高的精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种网络时钟同步装置，其特征在于，包括：过滤选择器、合成和调整算法模块、频率调整器、倍频器、高稳振荡器和时间合成器，其中，
过滤选择器：通过IP传输网络接收来自时间服务器的时间信息，从时间合成器获取本地时间信息，并从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并将该时间信息发送给合成和调整算法模块；
合成和调整算法模块：接收过滤选择器提供的时间信息及时间合成器发出的本地时间信息，比较过滤选择器提供的时间信息与本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到频率调整器输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据调整频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器；
频率调整器：接收合成和调整算法模块输出的调整信号及高稳振荡器输出的时钟信号，频率调整器将接收到的时钟信号作为时钟基准信号；
倍频器：将频率调整器输出的频率倍频到较高的频率；
时间合成器：利用倍频器输出的时钟信号得到本地时间，提供给过滤选择器和合成和调整算法模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率调整器通过调整设置在其内的频率寄存器，以调整频率调整器的输出。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述频率调整器是直接数字合成DDS器件。
4.一种网络时钟同步系统，其特征在于，包括：至少一时间服务器和网络时钟同步装置，
所述网络时钟同步装置每隔一定的时间通过IP传输网络向时间服务器发出时间请求，并通过所述IP传输网络接收来自时间服务器的时间信息，从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并比较较为准确时间服务器的时间信息与所述本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据调整所述网络时钟同步装置内部的频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器，其中所述本地时间信息从时间合成器中获取，且所述时间合成器利用倍频器输出的时钟合成无符号的64位秒时间码。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述网络时钟同步装置通过网络传输协议从时间服务器获取时间。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述网络时钟同步装置是如权利要求1至3中任一项所述的装置。
7.一种网络时钟同步方法，包括以下步骤：
步骤A：业务设备每隔一定的时间，通过IP传输网络向至少一时间服务器发出时间请求；
步骤B：时间服务器通过所述IP传输网络将时间信息发送给所述业务设备的过滤选择器，所述过滤选择器从所有时间服务器发回的时间信息中选取最佳的样本，和本地时间信息进行比较，通过选择和聚类算法对往返延迟、离差和偏移参数进行分析，选取一个较为准确的时间服务器，接收该较为准确时间服务器的时间信息，并将该时间信息发送给合成和调整算法模块，所述合成和调整算法模块比较所述时间信息及本地时间信息以获得本地时钟和时间服务器的时间偏差，其中所述本地时间信息从时间合成器中获取，且所述时间合成器利用倍频器输出的时钟合成无符号的64位秒时间码；
步骤C：所述合成和调整算法模块根据多次获得的时间偏差数据，通过滤波和换算得到输出时钟在此段时间的漂移和频偏，并以所述漂移和频偏为依据调整业务设备内的频率调整器，以使所述频率调整器输出的时钟锁定上级时间服务器。
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