CN101800613A - 一种包交换网络的抖动消除方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包交换网络的抖动消除方法，计算来自精准时间协议PTP主协议实体(101)的主从延迟量和从主延迟量的平均值；采用无限脉冲响应IIR低通滤波器(102)对所述平均值进行滤波，并输出滤波结果；将来自PTP主协议实体(101)的主从延迟量减去IIR低通滤波器(102)输出的滤波结果，将所得差值信号输出至FIR低通滤波器(103)；采用有限响应FIR低通滤波器(103)对输入的差值信号进行滤波，并输出滤波结果作为消除抖动的时钟偏差值。本发明还公开了用于实现上述方法的装置。本发明方案能够显著消除包交换网络中时钟同步参数的抖动。

Description

一种包交换网络的抖动消除方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种包交换网络的抖动消除方法和装置，尤其涉及应用于IEEE1588同步网络的抖动消除方法和装置。

背景技术

时钟同步，直观上讲就是保持两个时钟设备之间频率和相位的一致性。时钟同步在众多领域有着广泛的应用，如电力、工业控制、自动化生产、遥测遥感、卫星导航、测量与自动化测试以及通信，特别是移动通信领域。

例如，移动通信领域中的载波频率同步、上下行时隙对准、基站切换和漫游的连接保持，以及基站回传网络高质量和高可靠性都有赖于设备间时钟同步。而时钟同步对于3G移动通信系统显得尤为重要，无论是宽带码分多址(WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access)、码分多址2000(CDMA2000，Code Division Multiple Access 2000)还是时分同步码分多址(TD-SCDMA，Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)都要求0.05ppm时钟频率同步精度，其中CDMA2000和TD-SCDMA还要求时间同步精度分别不小于3微秒和1.5微秒。至于全球微波互联接入(WiMax，Worldwide Interoperability for Microwave Access)和长期演进项目(LTE，Long Term Evolution)同样对同步精度有很高的要求。

针对通信领域对高精度时钟同步的广泛需求，各种国际组织或公司提出了多种时钟同步解决方案。其中最简单直接的方式就是通过全球定位系统(GPS，Global Positioning System)/北斗卫星定位系统第二代(COMPASS)等卫星定位系统来实现，但接收天线安装难度大、投入成本高和维护不便等因素都限制了该方式在通信网络中的大规模应用。目前，普遍认为通过包交换网络实现时钟同步的网络时间协议(NTP，Network Time Protocol)、精准时间协议(PTP，Precision Time Protocol)等是GPS/COMPASS同步的首选替代方案。

PTP是一种致力于解决局域网内设备高精度同步问题的协议，由IEEE标准1588定义，最新版本为IEEE Std 1588-2008。其面向局域网(LAN，Local Area Network)设计，基于包交换网络，与设备硬件相结合能够轻松实现纳秒级精度，满足包括移动通信在内众多领域对同步精度的要求。同时，PTP协议的频率及相位同时同步、自管理、低成本、高精度特性，较之于GPS/COMPASS、NTP、同步以太网(ITU-T G.8261/8262)等其他同步协议，有着明显的比较优势。截止目前，PTP已经定义了两个版本(Version)，其中IEEE1588 Version 1于2002年获得IEEE通过，其可以实现亚微秒级(sub-microseconds)精度。IEEE 1588-2008于2005年完成相关技术开发，并在2008年12月份发布。Version 2相对于前一个版本能够实现更高的精度、更高的抽样和报文速率，同时Version 2针对通信网络添加了透明时钟等新特性，使得协议适用于更复杂的通信网络拓扑。

PTP能够实现的同步精度有赖于硬件支持，通过基于硬件设备获取报文接收和发送时间戳，摒弃了高层协议处理时间不确定性对同步精度的影响。正是基于PTP的诸多优良特性，特别是IEEE 1588-2008发布以来，PTP在通信领域引起了广泛关注。PTP在通信领域的应用受到所有通信设备厂商的重视，其在通信网络的大规模应用也指日可待。

但由于包交换网络中业务流量存在着诸多不确定性，突发流量、网络故障等问题都会对PTP时钟同步参数产生影响，而测量误差、时间表示方式和传输介质非对称性同样会恶化时钟同步精度。上述诸多情况都会使得时钟同步参数的高频抖动不可避免。如果在执行本地时钟调整操作之前，不消除时钟同步参数的抖动，必将会影响同步系统的整体同步精度。目前存在的抖动消除方法主要是统计方法，例如通过对时钟同步参数求均值来实现的。基于这种统计方式设计的用于消除抖动的数字滤波器，截止频率较高且衰减较慢，对高频抖动的滤波效果并不理想。因而并不适用于对时钟同步的包交换网络中同步路径延迟进行滤波。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种包交换网络的抖动消除方法和装置，能够显著消除包交换网络中时钟同步参数的抖动。

本发明实施例提出的一种包交换网络的抖动消除装置包括：第一加法器(106)、第二加法器(105)、无限脉冲响应IIR低通滤波器(102)和有限脉冲响应FIR低通滤波器(103)；

所述第一加法器(106)用于接收来自精准时间协议PTP主协议实体(101)的主从延迟量和从主延迟量，将输入的主从延迟量和从主延迟量相加求和后除以2，并将所得结果输出至IIR低通滤波器(102)；

所述IIR低通滤波器(102)对输入的信号进行滤波，滤波结果输出至第二加法器(105)；

所述第二加法器(105)用于将来自PTP主协议实体(101)的主从延迟量减去来自IIR低通滤波器(102)的滤波结果，将所得差值信号输出至FIR低通滤波器(103)；

所述FIR低通滤波器(103)用于对输入的差值信号进行滤波，并输出滤波结果。

较佳地，所述FIR低通滤波器(103)的时域表达式为y(n)＝x(n)/2+x(n-1)/2；其中，n代表时点，x代表输入信号强度，y代表输出信号强度。

较佳地，所述IIR低通滤波器(102)为巴特沃斯低通滤波器、第一类切比雪夫低通滤波器、第二类切比雪夫低通滤波器或椭圆滤波器。

所述巴特沃斯低通滤波器的时域表达式为：G_x为滤波器参数，该参数决定了滤波器的截止频率；N为滤波器阶数，决定通带衰减速度。

本发明实施例还提出一种包交换网络的抖动消除方法，包括如下步骤：

计算来自精准时间协议PTP主协议实体(101)的主从延迟量和从主延迟量的平均值；

采用无限脉冲响应IIR低通滤波器(102)对所述平均值进行滤波，并输出滤波结果；

将来自PTP主协议实体(101)的主从延迟量减去IIR低通滤波器(102)输出的滤波结果，将所得差值信号输出至FIR低通滤波器(103)；

采用有限响应FIR低通滤波器(103)对输入的差值信号进行滤波，并输出滤波结果作为消除抖动的时钟偏差值。

所述输出滤波结果作为消除抖动的时钟偏差值之后进一步包括：

利用所述消除抖动的时钟偏差值对本地时钟进行调整。

所述FIR低通滤波器(103)的时域表达式为y(n)＝x(n)/2+x(n-1)/2；其中，n代表时点，x代表输入信号强度，y代表输出信号强度。

所述IIR低通滤波器(102)为巴特沃斯低通滤波器、第一类切比雪夫低通滤波器、第二类切比雪夫低通滤波器或椭圆滤波器。

所述巴特沃斯低通滤波器的时域表达式为：

G_x为滤波器参数，该参数决定了滤波器的截止频率；N为滤波器阶数，决定通带衰减速度。

从以上技术方案可以看出，对于同步路径延迟则采用实现相对复杂但滤波效果更明显的IIR低通滤波器执行滤波操作，可以滤除尽量多的高频成分，改善滤波效果；而采用相对简单的FIR低通滤波器对时钟偏差值进行滤波，可以避免滤除过多的有用信息，防止同步过程收敛时间过长。与现有技术比较，本发明方案能够显著消除包交换网络中时钟同步参数的抖动，有利于本地时钟参数的校正，可以为PTP在通信网络中的大规模应用创造良好的条件。

附图说明

图1为本发明实施例提出的本地时钟模型框图；

图2所示是对同步网络某个时钟同步信号进行长期观测得到的原始信号样本；

图3为对图2所示的原始信号样本采用FIR LPF滤波后得到的信号波形图；

图4为对图2所示原始信号样本采用IIR LPF滤波后得到的信号波形图。

具体实施方式

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。

本发明实施例提出一种主要由低通数字滤波器组成的抖动消除装置，通过滤除PTP同步网络中由网络负荷状态变化、网络介质非理想性等因素引起的主从时钟偏差值和/或同步路径延迟等时钟同步参数的抖动，解决了时钟同步参数高频抖动恶化PTP时钟同步网络中同步精度的问题。

在PTP同步网络中，各设备间的时钟同步操作是通过包交换网络交互报文并据此计算时钟同步参数来实现的。在报文交互过程中，主时钟和从时钟两侧都会通过硬件设备记录同步报文离开或进入设备时的本地时间。在交互过程完成之后，根据所记录的四个时间戳t1，t2，t3，t4计算时钟同步参数。其中，t1对应从时钟设备发出同步请求报文的时刻，t2对应主时钟设备收到同步请求报文的时刻，t3对应主时钟设备发出同步应答报文的时刻，t4对应从时钟设备收到同步应答报文的时刻。需要计算的参数包括：

主时钟与从时钟之间的时钟偏差值(Offset)；以及

同步报文自主时钟到从时钟的网络路径延迟(Path delay)。

如前所述，时钟同步参数由于网络负荷状态变化等因素会引入抖动，而时钟同步参数的抖动会影响同步效果，严重时会破坏同步状态。本发明实施例中涉及的低通数字滤波器能够很好的消除时钟同步参数抖动。

图1为本发明实施例提出的本地时钟模型的示意图。如图1所示，本地时钟模型10包括：

PTP主协议实体101；

无限脉冲响应低通滤波器(IIR LPF)102；

有限脉冲响应低通滤波器(FIR LFP)103；

本地时钟调整模块(Local clock adjust model)104，以及加法器105和加法器106。本发明中提及的抖动消除方法直接作用于本地时钟调整模块104，并由本地时钟模型10中的102、103这两个子模块来实现。本地时钟模型10中除去本地时钟调整模块104之外的各个模块组成了抖动消除装置。

PTP主协议实体101获得主从延迟量和从主延迟量，其中，从主延迟量输出至加法器106，而主从延迟量分别输出至加法器105和加法器106。所谓主从延迟量，就是从时钟设备发出同步请求报文的时刻到主时钟设备收到同步请求报文的时刻之间的时间差，也就是t2-t1；所谓从主延迟量，就是主时钟设备发出同步应答报文的时刻到从时钟设备收到同步应答报文的时刻之间的时间差，也就是t4-t3。

在理想情况下(即主从时钟已同步，且无网络负荷、网络介质因素影响)，主从延迟量应当与从主延迟量精确相等，并且均等于路径延迟。但实际情况中，由于主从时钟尚未同步，网络负荷、网络介质因素导致的参数抖动，主从延迟量与从主延迟量往往不相等。

加法器106用于求出输入的主从延迟量与从主延迟量的平均值，也就是将输入的主从延迟量和从主延迟量相加求和后除以2，并将所得平均值输出至IIR低通滤波器102。

IIR低通滤波器102对输入的平均值进行滤波，滤波后的结果就是过滤掉包交换网络的参数抖动因素影响的路径延迟(path delay)。

加法器105用于将来自PTP主协议实体101的主从延迟量减去来自IIR低通滤波器102的路径延迟，得到主时钟和从时钟之间的时钟偏差值(clockoffset)，并将所述时钟偏差值输出至FIR低通滤波器103。可以看出，由于从主延迟量中含有参数抖动因素，因此该时钟偏差值也含有参数抖动因素的影响。

FIR低通滤波器103对所述时钟偏差值进行滤波，输出的结果为过滤掉抖动因素的时钟偏差值，并将滤波后的结果输出至本地时钟调整模块104。

本地时钟调整模块104根据所收到的过滤掉抖动因素的时钟偏差值对本地时钟值进行调整，

对于同一条网络路径，在理想情况下其路径延迟应该是固定值，没有任何抖动存在。但事实却并非如此。因此，为了消除路径延迟的抖动，应该设计一种截止频率低、衰减速度快的数字滤波器，滤除尽量多的高频成分，改善滤波效果。而对于时钟偏差值，能够产生影响的因素除了网络负荷之外还有一些诸如本地晶振稳定性等固有因素，如果仍采用与路径延迟相同的滤波策略，很可能会将一些有用信息滤除，导致同步过程收敛时间较长。

图2所示是对同步网络某个时钟同步信号进行长期观测得到的原始信号样本。在观测过程中人为引入了网络扰动，以增加时钟同步参数的高频抖动成分。通过引入高频抖动，便于观测本发明所提及的滤波模型的抖动消除效果。该原始信号样本中既包括路径延迟抖动成分，又包括了时钟同步参数的高频抖动成分。

图3是将图2所示原始信号样本输入FIR低通滤波器(式(1)所示)后得到的输出信号。将图3与图2进行对比可以直观地发现，图3中时钟偏差值的幅度相对于图2明显减小，这表明FIR低通滤波器的确可以在一定程度上削弱路径延迟信号的高频抖动，并且同步过程收敛较短。但由于FIR低通滤波器模型过于简单，效果并不明显。

图4所示是将图2所示原始信号样本经过高阶IIR滤波器(式(2)所示)后得到的输出信号，可见高阶IIR滤波器对高频抖动的消除效果非常明显，能够有效规避网络状况变化对同步效果的影响，达到更高的同步精度。但是该输出信号的同步过程收敛时间较长。

发明人对导致同步过程收敛时间较长的原因进行了分析，具体如下：

对于一段特定的网络路径，由于信号在传输媒介中耗时很短且基本固定，理论上讲路径延迟应该是固定值，使用截止频率低、下降沿陡的滤波器有助于消除协议处理、队列处理等带来的抖动。对于时钟偏差来讲，在同步初期，主时钟设备和从时钟两端的时钟偏差较大，一般都在毫秒甚至秒级，如果采用严格的低通滤波算法，对于这种大的时钟偏差仍采用小于等于滤波器截止频率的步长(这个步长一般较小)进行调整，就会导致从时钟设备在同步初期需要长时间、缓慢跟踪主时钟设备的时钟，以致进入同步状态(即收敛)耗时较长。在进入同步状态后，对较大的主时钟设备的时钟变化也不能迅速锁定。基于上述考虑，本发明实施例中采用相对简单的FIR低通滤波器103对时钟偏差值进行滤波，对于同步路径延迟则采用实现相对复杂但滤波效果更明显的IIR低通滤波器102执行滤波操作。

FIR低通滤波器103的时域表达式如下：

y(n)＝x(n)/2+x(n-1)/2………………(1)

其中，n代表时点，x代表输入信号强度，y代表输出信号强度。

IIR低通滤波器102的时域表达式如下：

巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器(a)

$\underset{x=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{x}y(n-x)=x\left(n\right)...\left(2\right)$

G_x为滤波器参数，该参数决定了滤波器的截止频率；N为滤波器阶数，决定通带衰减速度。两个参数均可配置。

在上述具体实施方案中，IIR LPF实现可以有多种替代方案，可以满足截止频率低、衰减速度快等要求。除Butterworth低通滤波器(a)之外，还可以采用如下几种形式：

第一类切比雪夫(Chebyshev)低通滤波器：与Butterworth方式相比通带有抖动，但衰减较快；

第二类Chebyshev低通滤波器：阻带有抖动，通带无抖动，衰减速度较Butterworth更快；

椭圆(Elliptic)低通滤波器：通带和阻带都带有一定抖动，但衰减速度比上述三种都快。

本发明所涉及的滤波模型能够有效滤除由通信网络中各种不确定性引入的时钟同步参数抖动。与不采用任何滤波处理或仅对路径延迟简单采用低阶滤波器相比，对高频抖动的滤除效果更加明显，滤波模型输出波形也更加平滑。从而有效地改善了运行PTP协议的各同步节点之间的同步效果。概括如下：

1)滤波模型基于成熟的数字滤波器设计技术，易于实现；

2)针对路径延迟和时钟偏差值两个时钟同步参数采用不同的滤波方案，更加适应各自特性；

3)滤波器滤波效果明显，能够有效消除高频抖动，平滑输出；

4)对时钟同步参数执行的滤波操作不会明显影响系统收敛速度；

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 (9)

1.一种包交换网络的抖动消除装置，其特征在于，包括：第一加法器(106)、第二加法器(105)、无限脉冲响应IIR低通滤波器(102)和有限脉冲响应FIR低通滤波器(103)；

所述第一加法器(106)用于接收来自精准时间协议PTP主协议实体(101)的主从延迟量和从主延迟量，计算所述主从延迟量和从主延迟量的平均值，并将所述平均值输出至IIR低通滤波器(102)；

所述IIR低通滤波器(102)对输入的平均值信号进行滤波，滤波结果输出至第二加法器(105)；

所述第二加法器(105)用于将来自PTP主协议实体(101)的主从延迟量减去来自IIR低通滤波器(102)的滤波结果，将所得差值信号输出至FIR低通滤波器(103)；

所述FIR低通滤波器(103)用于对输入的差值信号进行滤波，并输出滤波结果。

2.根据权利要求1所述的抖动消除装置，其特征在于，所述FIR低通滤波器(103)的时域表达式为y(n)＝x(n)/2+x(n-1)/2；其中，n代表时点，x代表输入信号强度，y代表输出信号强度。

3.根据权利要求1所述的抖动消除装置，其特征在于，所述IIR低通滤波器(102)为巴特沃斯低通滤波器、第一类切比雪夫低通滤波器、第二类切比雪夫低通滤波器或椭圆滤波器。

4.根据权利要求3所述的抖动消除装置，其特征在于，所述巴特沃斯低通滤波器的时域表达式为：

G_x为滤波器参数，该参数决定了滤波器的截止频率；N为滤波器阶数，决定通带衰减速度。

5.一种包交换网络的抖动消除方法，其特征在于，包括如下步骤：

计算来自精准时间协议PTP主协议实体(101)的主从延迟量和从主延迟量的平均值；

采用无限脉冲响应IIR低通滤波器(102)对所述平均值进行滤波，并输出滤波结果；

将来自PTP主协议实体(101)的主从延迟量减去IIR低通滤波器(102)输出的滤波结果，将所得差值信号输出至FIR低通滤波器(103)；

采用有限响应FIR低通滤波器(103)对输入的差值信号进行滤波，并输出滤波结果作为消除抖动的时钟偏差值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输出滤波结果作为消除抖动的时钟偏差值之后进一步包括：

利用所述消除抖动的时钟偏差值对本地时钟进行调整。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述FIR低通滤波器(103)的时域表达式为y(n)＝x(n)/2+x(n-1)/2；其中，n代表时点，x代表输入信号强度，y代表输出信号强度。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述IIR低通滤波器(102)为巴特沃斯低通滤波器、第一类切比雪夫低通滤波器、第二类切比雪夫低通滤波器或椭圆滤波器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述巴特沃斯低通滤波器的时域表达式为：

G_x为滤波器参数，该参数决定了滤波器的截止频率；N为滤波器阶数，决定通带衰减速度。

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