CN101171789B - 基于时间戳的时间同步方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种基于时间戳的时间同步方法和设备。时间同步方法包括：将基于自由运行本地时钟的本地时间戳发送到主节点；从主节点接收响应时间戳；基于响应时间戳计算delta时间值；使用以自由运行本地时钟频率运行的数字低通滤波器对delta时间进行滤波；以及基于滤波的delta时间来调整本地时钟时间。

Description

基于时间戳的时间同步方法和设备

技术领域

与本发明一致的方法和设备涉及在分组交换网中基于时间戳的时间同步，并且本发明的一方面涉及一种基于时间戳的时间同步方法和设备，通过所述方法和设备，基于从节点自主节点接收的时间戳通过环路滤波器来计算delta时间值和偏移值，并对delta时间值进行滤波和偏移值，以基于所述delta时间值和偏移值来调整本地时钟时间，以使从节点的本地时钟和主节点的本地时钟同步。

背景技术

通常，主节点通过分组交换网中的前向链路发送时间同步消息，以提供所有从节点都参照时间同步消息的标准时间。时间同步消息包括时间戳，通过所述时间戳，从节点准确地识别主节点何时发送时间同步消息。存在使用这种时间戳发送定时(timing)的第一和第二方式。

以第一方式，一个节点将时间戳发送到包括除了其主节点之外其连接的从节点的所有节点。这里，时间戳包括当发送时间戳时读取的本地时钟值。另外，向下时钟可与主节点的时钟同步，但是可能由于向下时钟的传播延迟而变化。

以第二方式，一个从节点将时间戳发送到其主节点。主节点识别主节点接收时间戳的时间，以将响应时间戳发送到从节点，所述响应时间戳包括从节点发送时间戳的时间、主节点接收时间戳的时间和主节点发送响应时间戳的时间。从节点可从具有三个时间的响应时间戳识别出从节点接收响应时间戳的时间，并与主节点同步，并且由于这种同步可消除传播延迟。

第一和第二方式没有指定必须如何使用时间戳。通常，一个从节点使用时间戳信息来执行即时相位调整或调整本地时钟频率。在多种情况下，使用被调整的数控振荡器(DCO)(即，本地自由运行时钟)来同步其频率基于输入的时间戳值被调整的时钟。另外，第一和第二方式没有指定时间戳是基于自由运行本地时钟值还是基于校正值，所述校正值基于根据先前时间戳的校 正。如果时间戳基于自由运行本地时钟值，则需要发送包括自从节点和主节点之间的所有时钟积累的时间戳值的附加信息。如果时间戳基于根据先前时间戳的校正时钟值，则时间戳固有地基于积累的信息。然而，在后一种情况下必须考虑模式基于在自从节点接收时间戳和将响应的接收发送到从节点之间与其主节点交换的时间戳来调整其本地时钟值的情况。

在当在从节点中接收到时间戳时进行即时相位调整的情况下，每次调整结果定时信号包含相位跳跃(phase step)。相位跳跃的大小取决于时钟的准确度和发送时间戳的频率。

如果时钟频率公差(tolerance)是±y(其中y是纯小数(pure fraction))，并且连续时间戳之间的时间是T，则最大相位跳跃是2yT。例如，如果y是100ppm，T是10ms，则最大相位是2000ns，对于一些应用(例如，在住宅以太网(即，音频/视频桥接网络)中的数字视频和音频传输)这个相位非常大。在一个从节点与其主节点同步时出现这种相位跳跃，随着定时被传送，这种相位误差将在一串节点上积累，并且总相位误差积累将一定程度上大于2yT。

在时间戳用于调整作为数字锁相环(DPLL)的一部分的DCO的情况下，随着定时被传送，相位误差可在一串节点上积累。可通过限制DPLL的带宽、增益峰化和噪声的产生来控制相位积累。

由于DCO具有给出的固有噪声等级，较窄的带宽将导致产生更大的DPLL噪声。还知道在经过多个锁相环(PLL)之后，相位误差显著增加，出现这种情况的PLL的数量取决于增益峰化，并且对于较大的增益峰化，PLL的数量较少。

然而，具有较小增益峰化的DPLL结构的使用导致DPLL更加缓慢，并且需要更加稳定(即，低噪声)的振荡器。

因此，传统时间同步方法基于较大的抖动和漂移(wander)的积累或可接受的抖动和漂移的积累，但是可能以较低的噪声为代价，因此振荡器更加昂贵。

发明内容

技术问题

已经作出本发明的总体构思目的在于解决上述问题，本发明的总体构思的一方面提供一种基于时间戳的时间同步方法和设备，通过所述方法和设备， 基于在分组交换网中从节点自主节点接收的时间戳来通过环路滤波器计算delta时间值和偏移值，并对delta时间值和偏移值进行滤波，以基于该delta时间值和偏移值来调整本地时钟时间，以使从节点的本地时钟和主节点的本地时钟同步。

技术方案

基于时间戳包括：将基于自由运行本地时钟的本地时间戳发送到主节点；从主节点接收响应时间戳；基于响应时间戳计算delta时间值以及基于delta时间值来调整本地时钟时间。

本地时间戳可包括将本地时间戳发送到主节点的时间。

响应时间戳可包括将本地时间戳发送到主节点的时间、主节点接收到本地时间戳的时间和主节点发送响应时间戳的时间。

可用下面的等式来计算delta时间值：

$U_k=\frac{(T_{2,k}^M-T_{1,k}^S)-(T_{4,k}^S-T_{3,k}^M)}{2}$

其中，T_1，k ^S表示将本地时间戳发送到主节点的时间，T_2，k ^M表示主节点接收到本地时间戳的时间，T_3，k ^M表示主节点发送响应时间戳的时间，T_4，k ^S表示从主节点接收到响应时间戳的时间。

可使用delta时间值计算偏移值，并且可根据偏移值来调整本地时钟时间。

可使用下面的等式来计算偏移值：

y_k＝a₁y_k-1+a₂y_k-2+…+a_ny_k-n+b₀u_k+b₁u_k-1+…+b_mu_k-m

其中，a_i和b_i表示滤波传输函数的滤波系数，y_k表示偏移的时间历程，u_k 表示delta时间的时间历程。

可用下面的等式来表示滤波传输函数：

$H\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+...+b_m{z}^{-m}}{1-a_1{z}^{-1}-a_2{z}^{-2}...+a_n{z}^{-n}}$

其中，a_i和b_i表示滤波系数。

根据本发明的另一方面，提供一种时间同步设备，所述设备包括：从节点，基于自由运行本地时钟产生并发送本地时间戳，基于接收的响应时间戳计算delta时间值，并且基于delta时间值来调整本地时钟时间；以及主节点，自从节点接收本地时间戳，基于本地时间戳产生响应时间戳，并且将响应时间戳发送到从节点。

从节点发送的本地时间戳可包括将本地时间戳发送到主节点的时间。

响应时间戳可包括将本地时间戳发送到主节点的时间、主节点接收到本地时间戳的时间和主节点发送响应时间戳的时间。

可用下面的等式来计算delta时间值：

$U_k=\frac{(T_{2,k}^M-T_{1,k}^S)-(T_{4,k}^S-T_{3,k}^M)}{2}$

其中，T_1，k ^S表示将本地时间戳发送到主节点的时间，T_2，k ^M表示主节点接收到本地时间戳的时间，T_3，k ^M表示主节点发送响应时间戳的时间，T_4，k ^S表示从主节点接收到响应时间戳的时间。

从节点可使用delta时间值计算偏移值，并且根据偏移值来调整本地时钟时间。

可使用下面的等式来计算偏移值：

y_k＝a₁y_k-1+a₂y_k-2+…+a_ny_k-n+b₀u_k+b₁u_k-1+…+b_mu_k-m

其中，a_i和b_i表示滤波传输函数的滤波系数，y_k表示偏移的时间历程，u_k 表示delta时间的时间历程。滤波传输函数可以是通过滤波系数的结合来表示的函数。

从节点可通过环路滤波器计算delta时间值，并将delta时间值与环路滤波器的滤波系数结合以计算偏移值。

有益效果

如上所述，根据本发明，可使用分组交换网中的时间戳以滤波方式实现同步。因此，不需要使用PLL。另外，不需要使用防止误差增加的高价格振荡器。此外，可减小定时的抖动和漂移。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的特定实施例进行的描述，本发明的上述和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的基于时间戳的时间同步方法的分组交换网的配置的示意性框图；

图2是根据本发明的实施例的基于时间戳的时间同步方法的流程图。

具体实施方式

将参照附图来更加详细地描述本发明的特定实施例。

在下面的描述中，即使在不同的附图中，相同的标号用作相同的部件。仅提供在此描述的特定内容(诸如结构细节和其他部件)以帮助理解本发明。因此，明显的是，在没有上述内容的情况下也能够执行本发明。另外，由于公知的功能或结构可能在不必要的细节模糊本发明，因此将不对其进行详细描述。

将描述用于同步的时间戳以帮助理解本发明。

在一种情况下，在上升32位二进制计数器的计数状态下表示时间戳，并且由主节点或从节点的10.24MHz的本地自由运行时钟确定时间戳。在第二种情况下，时间戳被表示为自由运行32位计数器值与当前计算的偏移值相加的和。同步消息之间的普通间隔是几十ms(最大200ms)。如果下行链路负荷小，则设置普通间隔以使从节点快速获得时间同步。

图1是示出根据本发明的实施例的基于时间戳的时间同步方法的分组交换网的配置的示意性框图。参照图1，分组交换网包括：主节点110和多个从节点122、124和126。

主节点110从任意从节点接收时间戳，并且将包括对所述时间戳的响应时间戳的同步消息发送到相应从节点。

从节点122、124和126将本地振荡器产生的本地时间戳发送到主节点110以与主节点110同步，并且从主节点110接收响应时间戳。从节点122、124和126基于响应时间戳计算delta时间值，并且基于该delta时间值通过环路滤波器调整本地时钟偏移。换句话说，从节点122、124和126通过基于自由运行本地时钟的时间戳和基于先前时间戳的校正的时间戳来计算delta时间值，并且基于该delta时间值与主节点110同步。

根据当前实施例的时间同步方法使用基于自由运行本地时钟的时间戳或者基于根据先前时间戳校正的时间戳。

在基于自由运行本地时钟的时间戳的情况下，当从节点基于时间戳的改变计算delta时间值时，将delta时间值输入到数字低通滤波器(DLPF)。DLPF可被选为具有特定带宽和增益峰化的二阶滤波器。然而，产生同等期望的带宽和增益峰化的滤波器设计将是可接受的。当计算新delta时间值时，基于新时间戳交换，将该新delta时间值输入到DLPF。滤波器的状态与基于先前delta 时间值和由于接收该值而发生的滤波器响应的滤波器的当前状态相同。节点从其主节点接收当前积累的滤波的偏移值，该节点将其滤波的偏移值添加到积累的值，并将总和发送到下行节点。

在基于根据先前时间戳校正的时间戳的情况下，DLPF基于当前自由运行时钟值加上以先前时间戳为基础的当前校正来计算时间戳。

如果处于与从节点进行双向时间戳交换的中途的主节点从其主节点接收时间戳，则它计算自从节点接收时间戳和发送响应时间戳之间的新delta时间值，与没有进行滤波的当前方法相比，由新delta时间值引起的误差可以较小。这是因为DLPF防止本地时间值的立即阶跃变化(immediate step change)。由于误差小，与自从节点接收时间戳和发送响应时间戳之间的时间相比，滤波器时间常数必须大。

如等式1所示，基于从主节点接收的响应时间戳来计算delta时间值，并且基于delta时间值来调整本地时钟时间。

$U_k=\frac{(T_{2,k}^M-T_{1,k}^S)-(T_{4,k}^S-T_{3,k}^M)}{2}---\left(1\right)$

其中，T_1，k ^S表示从节点将本地时间戳发送到主节点的时间，T_2，k ^M表示主节点自从节点接收到本地时间戳的时间，T_3，k ^M表示主节点将响应时间戳发送到从节点的时间，T_4，k ^S表示从节点自主节点接收到响应时间戳的时间。

另外，尽管没有示出，数字低通滤波器可包括乘法器、延迟器、加法器等。数字低通滤波器将通过将当前输入值乘以系数获得的值与通过将先前积累的值乘以系数获得的值相加。数字低通滤波器使用两个系数值，以获得快速收敛并在快速收敛之后获得抖动值。换句话说，数字低通滤波器使用两个系数值中较大的系数来获得快速收敛特性，并且使用较小的系数值来减小抖动值。

如等式2所示，数字低通滤波器还使用系数值和delta时间值来计算偏移值。

y_k＝a₁y_k-1+a₂y_k-2+…+a_ny_k-n+b₀u_k+b₁u_k-1+…+b_mu_k-m    (2)

其中，a_i和b_i表示滤波传输函数的滤波系数，y_k表示偏移的时间历程(timehistroy)，u_k表示delta时间的时间历程。

数字低通滤波器使用的滤波传输函数可如等式3所示：

$H\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+...+b_m{z}^{-m}}{1-a_1{z}^{-1}-a_2{z}^{-2}...+a_n{z}^{-n}}$

图2是根据本发明的实施例的基于时间戳的时间同步方法的流程图。

从节点122、124和126使用时间戳来调整本地时钟偏移。在操作202，从节点122、124和126将本地产生的本地时间戳发送到主节点110。

这里，本地时间戳包括从节点122、124和126发送本地时间戳的时间。

主节点110自从节点122、124和126接收本地时间戳，并且产生与本地时间戳相应的响应时间戳。主节点110还将包括响应时间戳的同步消息发送到从节点122、124和126。

这里，来自主节点110的响应时间戳包括从节点122、124和126将本地时间戳发送到主节点110的时间，主节点自从节点122、124和126接收本地时间戳的时间和主节点将响应时间戳发送到从节点122、124和126的时间。

在操作S204，从节点122、124和126从主节点110接收包括响应时间戳的同步消息。从节点122、124和126将响应时间戳输入到时间戳电路。

在操作S206，时间戳电路使用上述等式1基于自由运行本地时钟产生本地时间戳和响应时间戳来计算delta时间值U_k，并且使用数字低通滤波器对delta时间值U_k进行滤波。换句话说，从节点122、124和126基于从节点122、124和126将本地时间戳发送到主节点110的时间、主节点自从节点122、124和126接收本地时间戳的时间和主节点110将响应时间戳发送到从节点122、124和126的时间来计算delta时间值。

在操作S208，数字低通滤波器基于计算的delta时间值U_k来计算偏移值。

在操作S210，数字低通滤波器计算的偏移值被添加到本地时钟时间以获得同步的时间。

当从节点122、124和126基于时间戳的改变计算delta时间值时，将delta时间值输入到DLPF。基于改变的时间戳和输入到DLPF的先前偏移来计算新的delta时间值。然而，DLPF的状态等于基于先前delta时间值的当前状态。

DLPF计算作为当前校正被添加到自由运行时钟时间的当前自由运行时钟偏移值。

从节点122、124和126基于以自由运行本地时钟为基础的时间戳和以先前时间戳的校正为基础的时间戳来与主节点110同步。

发明的方式

产业上的可利用性

序列表文本

Claims (13)

1.一种基于时间戳的时间同步方法，包括：

将基于自由运行本地时钟的本地时间戳发送到主节点；

从主节点接收响应时间戳；

基于响应时间戳计算delta时间值；

使用以自由运行本地时钟频率运行的数字低通滤波器对delta时间值进行滤波；以及

基于滤波的delta时间值来调整本地时钟时间，

其中，以下面的等式来计算delta时间值：

$U_k=\frac{(T_{2,k}^M-T_{1,k}^S)-(T_{4,k}^S-T_{3,k}^M)}{2}$

其中，

表示从节点将本地时间戳发送到主节点的时间，

表示主节点自从节点接收到本地时间戳的时间，

表示主节点将响应时间戳发送到从节点的时间，

表示从节点从主节点接收到响应时间戳的时间。

2.如权利要求1所述的时间同步方法，其中，本地时间戳包括将本地时间戳发送到主节点的时间。

3.如权利要求1所述的时间同步方法，其中，响应时间戳包括将本地时间戳发送到主节点的时间、主节点接收到本地时间戳的时间和主节点发送响应时间戳的时间。

4.如权利要求1所述的时间同步方法，其中，使用delta时间值计算偏移值，并且根据偏移值来调整本地时钟时间。

5.如权利要求4所述的时间同步方法，其中，使用下面的等式来计算偏移值：

y_k＝a₁y_k-1+a₂y_k-2+...+a_ny_k-n+b₀u_k+b₁u_k-1+...+b_mu_k-m

其中，a_i和b_i表示滤波传输函数的滤波系数，y_k表示偏移的时间历程，u_k表示delta时间值的时间历程。

6.如权利要求5所述的时间同步方法，其中，以下面的等式来表示滤波传输函数：

$H\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+...+b_m{z}^{-m}}{1-a_1{z}^{-1}-a_2{z}^{-2}...+a_n{z}^{-n}}$

其中，a_i和b_i表示滤波系数。

7.一种时间同步设备，包括：

从节点，基于自由运行本地时钟产生并发送本地时间戳，基于接收的响应时间戳和数字低通滤波器计算delta时间值，并且基于delta时间值来调整本地时钟时间；以及

主节点，自从节点接收本地时间戳，基于本地时间戳产生响应时间戳，并且将响应时间戳发送到从节点，

其中，以下面的等式来计算delta时间值：

$U_k=\frac{(T_{2,k}^M-T_{1,k}^S)-(T_{4,k}^S-T_{3,k}^M)}{2}$

其中，

表示从节点将本地时间戳发送到主节点的时间，

表示主节点自从节点接收到本地时间戳的时间，

表示主节点将响应时间戳发送到从节点的时间，

表示从节点从主节点接收到响应时间戳的时间。

8.如权利要求7所述的时间同步设备，其中，从节点发送的本地时间戳包括将本地时间戳发送到主节点的时间。

9.如权利要求7所述的时间同步设备，其中，响应时间戳包括将本地时间戳发送到主节点的时间、主节点接收到本地时间戳的时间和主节点发送响应时间戳的时间。

10.如权利要求7所述的时间同步设备，其中，从节点使用delta时间值计算偏移值，并且根据偏移值来调整本地时钟时间。

11.如权利要求10所述的时间同步设备，其中，使用下面的等式来计算偏移值：

y_k＝a₁y_k-1+a₂y_k-2+...+a_ny_k-n+b₀u_k+b₁u_k-1+...+b_mu_k-m

其中，a_i和b_i表示滤波传输函数的滤波系数，y_k表示偏移的时间历程，u_k表示delta时间值的时间历程。

12.如权利要求11所述的时间同步设备，其中，滤波传输函数是通过滤波系数的结合来表示的函数。

13.如权利要求7所述的时间同步设备，其中，从节点通过数字低通滤波器计算delta时间值，并将delta时间值与环路滤波器的滤波系数结合以计算偏移值。

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