CN101860952A - 一种基于ip网络的无线基站时钟校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法及系统，包括：校正数据采集过程：无线基站获取至少两组校正数据，每一组校正数据包括第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳；所述第一时间戳为无线基站向时钟同步服务器发送时钟同步请求的时间，所述第二时间戳为时钟同步服务器接收到所述时钟同步请求的时间；所述第三时间戳为时钟同步服务器向无线基站发送时钟同步响应的时间；所述第四时间戳为无线基站接收到所述时钟同步响应的时间；时钟校正过程：无线基站利用所述校正数据计算校正频率差，根据校正频率差对本地时钟进行校正，其中，校正频率差根据公式

得到。本发明能够为无线基站的频偏进行校正，从而提供更精确的时钟。

Description

一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法及系统

技术领域

本发明涉及移动通讯领域中的无线基站的时钟同步，具体的说，涉及一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法及系统。

背景技术

全球移动通信(Global System For Mobile Communication，简称为GSM)是移动通讯中使用最广泛的一种通讯标准。GSM系统的无线接入网络通常称为基站子系统(Base Station Subsystem，BSS)，由基站控制器(BSC)和BTS基站收发信机组成，通过无线接口同移动台相接，进行无线信号发送、接收及无线资源管理。

无线基站要求精确的时钟信号以便在多种应用，例如空口传输中提供精确的定时。通常的，无线基站使用TCXO(Temperature CompensatedCrystal Oscillator，温度补偿晶振)压控晶振产生26MHz振荡频率作为本地时钟信号，但随着时间和温度的变化，26MHz振荡频率会有比较大的变化，从而影响空口无线传输质量，并带来对其它基站干扰和影响手机接入。

为此，需要对晶振的频偏进行校正，也即对无线基站的时钟进行校正。目前，对于传统的基于TDM传输方式的无线接入网络系统，BTS是从TDM的E1/T1链路中提取同步时钟信号，用以校对本地时钟的振荡频率，以确保空口无线传输质量，解决由于频偏导致的干扰问题。但是在面临全网IP化的今天，IP网络组网多样、灵活等优势，已经使IP组网方式逐渐成为主流。对于IP组网方式，则无法通过E1链路获取时钟信号，而仅仅单纯的通过IP网络物理层获取的时钟精度无法满足无线通讯设备的要求。

发明内容

有鉴于上述背景，本发明提供了一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法及系统，以便在IP网络中为无线基站提供更加精确的时钟。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法，包括：

校正数据采集过程：无线基站获取至少两组校正数据，每一组校正数据包括第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳；所述第一时间戳为无线基站向时钟同步服务器发送时钟同步请求的时间，所述第二时间戳为时钟同步服务器接收到所述时钟同步请求的时间；所述第三时间戳为时钟同步服务器向无线基站发送时钟同步响应的时间；所述第四时间戳为无线基站接收到所述时钟同步响应的时间；

时钟校正过程：无线基站利用所述校正数据计算校正频率差，根据校正频率差对本地时钟进行校正，其中，校正频率差根据公式

得到，式中，f_off为校正频率差，f_c为标准频率，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄分别是两组校正数据的第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳的差值。

上述的方法，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，还包括对所述校正频率差中的坏值进行过滤的步骤。

上述的方法，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，无线基站通过多个校正频率差的均值对本地时钟进行校正。

上述的方法，所述时钟同步服务器为NTP同步源或PTP同步源。

本发明还公开了一种基于IP网络的无线基站时钟校正系统，包括：

校正数据采集模块：用于获取至少两组校正数据，一组校正数据包括第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳；所述第一时间戳为无线基站向时钟同步服务器发送时钟同步请求的时间，所述第二时间戳为时钟同步服务器接收到所述时钟同步请求的时间；所述第三时间戳为时钟同步服务器向无线基站发送时钟同步响应的时间；所述第四时间戳为无线基站接收到所述时钟同步响应的时间；

时钟校正模块：利用所述校正数据采集模块获取的校正数据计算校正频率差，根据校正频率差对本地时钟进行校正，其中，校正频率差根据公式得到，式中，f_off为校正频率差，f_c为标准频率，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄分别是两组校正数据的第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳的差值。

上述的系统，还包括：

坏值过滤模块：用于当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，对所述校正频率差中的坏值进行过滤。

上述的系统，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，无线基站是通过多个校正频率差的均值对本地时钟进行校正的。

上述的系统，所述时钟同步服务器为NTP同步源或PTP同步源。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明通过采集无线基站的时钟同步请求的发送时间、时钟同步服务器收到该请求的时间、发送时钟同步响应的时间、无线基站收到该响应的时间等数据对无线基站的本地时钟进行校正，从而提供精确的时钟定时。

附图说明

图1是本发明示例的系统结构的示意图；

图2是本发明示例的校正处理流程示意图；

图3是本发明示例的系统硬件结构示意图；

图4是本发明示例的校正数据采集流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明做详细说明。

图1示例性的描述了本发明的系统结构。图1仅描述了与本发明相关的部分，本领域技术人员可以理解，无线基站具有其他功能和结构，但这些不在本发明的讨论范围内。图1所示的示例性系统包括无线基站1、时钟同步服务器2。无线基站1包含本地时钟11、校正数据采集模块12、时钟校正模块13。

在图1中，无线基站1通过校正数据采集模块12向时钟同步服务器2发送时钟同步请求3，并记录下该时钟同步请求3的发送时间作为第一时间戳T1。其中，第一时间戳T1可以利用无线基站1的本地时钟11，例如26M压控晶振来获取。

时钟同步服务器2在收到时钟同步请求3时，记录下当前时间，作为第二时间戳T2。而后，当时钟同步服务器2向无线基站1发送时钟同步响应4时，同样记录下当前时间，即以时钟同步响应4的发送时间作为第三时间戳T3。时钟同步服务器2向无线基站1发送的时钟同步响应4将包含第二时间戳T2和第三时间戳T3。第二时间戳T2和第三时间戳T3的获取，根据应用场景的不同，可以具有不同的方式。例如时钟同步服务器2可以从自身携带的基准时钟来获取第二时间戳T2和第三时间戳T3，或者也可以通过GPS接收设备由UTC(协调世界时)标准时钟来获取。

无线基站1收到时钟同步响应4时，记录下当前时间，即无线基站1的时钟同步响应4的接收时间将作为第四时间戳T4。同样的，第四时间戳T4可通过本地时钟11来获取。

无线基站1的校正数据采集模块11采集到校正数据(第一时间戳T1、第二时间戳T2、第三时间戳T4、第四时间戳T4)后，交给时钟校正模块13进行校正处理。

数据采集过程在一次同步中需要反复进行，可以通过定时器的定时方式使得数据采集得以周期性的进行，这种方式下，下一次的数据采集将可能与上一次的数据采集具有一定的时间间隔；或者以无线基站收到时钟同步响应的事件触发方式使得下一次的数据采集紧随着上一次的数据采集的结束而开始。图4描述了两次数据采集的过程，图中，客户端即无线基站1，服务器端即时钟同步服务器2，数据T10、T20、T30、T40是第一次采集的时间戳数据，数据T11、T21、T31、T41是第二次采集的时间戳数据，u1＝T20-T10，D1＝T40-T30；u2＝T21-T11，D2＝T41-T31。下面说明如何利用时间戳数据计算频率差。

1)按照客户端和服务端的时间戳来计算

ΔT1＝T11-T10

ΔT2＝T21-T20

ΔT3＝T31-T30

ΔT4＝T41-T40

2)按照发送时延来计算

ΔT2＝ΔT1-u1+u2

ΔT3＝ΔT4-D2+D1

ΔT2+ΔT3＝ΔT1+ΔT4-u1+u2-D2+D1

＝ΔT1+ΔT4+(u2+D1)-(u1+D2)

在本发明的示例中，采用FPGA计数时间，因此，在下面的推导中，时间数据采用计数形式来表示。

3)根据计数N＝时间T×频率F：

$\frac{\mathrm{\Δ}{N}_2}{\mathrm{fc}}+\frac{\mathrm{\Δ}{N}_3}{\mathrm{fc}}=\frac{\mathrm{\Δ}{N}_1}{\mathrm{fc}+f_{\mathrm{off}}}+\frac{\mathrm{\Δ}{N}_4}{\mathrm{fc}+f_{\mathrm{off}}}+\frac{\mathrm{\ΔD}}{\mathrm{fc}+f_{\mathrm{off}}}$

其中，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄、ΔD分别是ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、

以及(u2+D1)-(u1+D2)的计数形式表示。

推得：

$f_{\mathrm{off}}=(\frac{\mathrm{\Δ}{N}_1+\mathrm{\Δ}{N}_4}{\mathrm{\Δ}{N}_2+\mathrm{\Δ}{N}_3}-1)\×f_c+\frac{\mathrm{\ΔD}}{\mathrm{\Δ}{N}_2+\mathrm{\Δ}{N}_3}\×f_c$

其中，f_c＝标准频率26MHz，f_off为实际频率与标准频率的差值。

4)考虑到网络时延和抖动带来的影响，在公式

$f_{\mathrm{off}}=(\frac{\mathrm{\Δ}{N}_1+\mathrm{\Δ}{N}_4}{\mathrm{\Δ}{N}_2+\mathrm{\Δ}{N}_3}-1)\×f_c+\frac{\mathrm{\ΔD}}{\mathrm{\Δ}{N}_2+\mathrm{\Δ}{N}_3}\×f_c$ 中，

可以看作是网络环境造成的误差，当该值小于1Hz时，可以忽略不计。

也就是说

的时候，可以忽略网络因素带来的影响。则可以得到校正的频率差为：

$f_{\mathrm{off}}=(\frac{\mathrm{\&Delta;}{N}_1+\mathrm{\&Delta;}{N}_4}{\mathrm{\&Delta;}{N}_2+\mathrm{\&Delta;}{N}_3}-1)\&times;f_c,$ 当 $\left(\frac{\mathrm{\&Delta;D}}{\mathrm{\&Delta;N}2+\mathrm{\&Delta;N}3}\right)\&times;f_c<1$ 时

依据TCXO晶振频偏补偿方式，将校正频率差f_off映射为TCXO晶振频偏校正电压，晶振在校正电压的控制下进行频率校正。对于数据采集而言，两次采集的间隔，即T11-T10定时间隔越大，引入误差越小。此外，为提高测量精度，可采用多次测量，然后对这些测量值求均值。

图2示例性的描述了本发明的校正处理流程。图2中，首先，在步骤S201，系统启动。在步骤S202，无线基站1的校正数据采集模块12通过与时钟同步服务器2的数据交互，采集获取到用于校正的数据并保存。此后，流程正式进入校正处理。

在步骤S203，校正处理首先需要对采集到的数据进行过滤算法分析(可以通过无线基站1中的坏值过滤模块进行，该坏值过滤模块未在说明书附图中标示出)，以便将坏值过滤。

在步骤S204，根据前述频率差计算过程，根据

判断其是否满足网络质量门限要求。在判断该数据满足网络质量门限要求，即

时，流程将向步骤S205进行，否则，流程则跳转至步骤S209。

在步骤S205，满足网络质量门限要求的数据将被保存到合理数据区。通过网络质量门限要求的筛选，可以过滤掉精度受网络抖动、延时等因素影响较大的数据，而保存下比较合理的数据。

在步骤S206，当合理数据区中保存的合理数据的数量尚未达到预定的数值时，流程将会回到步骤S202，继续上述的数据采集、过滤、网络质量门限要求判断等过程，一旦合理数据区中的合理数据量达到预定的数值(通常设定为10)时，流程将向步骤S207进行。

在步骤S207，将以预定数据量的合理数据作为校正参考，采用频偏计算算法，计算出校正的频率差，并将该校正频率差通过D/A转换算法，转换为压控电压值对无线基站1的26M压控晶振进行校正控制，实现无线基站1的频偏校正。

在步骤S208，当频偏校正完成，则清空所有的数据区。

在步骤S209，不满足网络质量门限要求的数据将不会被保存，并在本次同步结束后被清除。

图3示例性的描述了本发明的无线基站1的硬件结构。应当了解，图3仅描述了与本发明相关的部分，无线基站所应当具有的其他结构，并不在图3的描述范围内。同时，图3也仅仅作为本发明的一个示例，而不限制必需采用图3所示的硬件结构来实现本发明。图3中，无线基站1包括的主要组件及其功能有：

微处理器芯片CPU：用于IP协议栈的实现和系统各模块的功能控制。

可编程逻辑阵列FPGA：用于对压控振荡器的输出信号计数；

26M压控振荡器OCXO模块：电压可控的晶振，受温漂和时漂影响较小；

可受CPU控制的D/A高精度转换芯片，用于输出压控值。

在系统启动完成硬件电路自检后，CPU激活FPGA运行程序，完成各硬件模块参数初始化。FPGA对26M晶振输出振荡信号计数(如前所述，在本例中，系统采用的时间戳并不是标准时间格式的时钟，而是1至2^32的计数，是由26M振荡器高低电平震荡，由FPGA判断高低电平提供计数值)，转换为64位格式(由于FPGA只能提供32位的计数，无法满足精度要求，因此做32到64位的转换，这种转换是在CPU中完成的)，单位假设为1/26000000S，定时向提供IP时钟同步源的时钟同步服务器发送时间同步消息，协议可采用NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)或PTP(IEEE1588协议)，待收集齐一定数量的数据后，可以根据统计学方法，例如去除偏移值最大最小数据，求取最优的多组数据，而后对这些多组数据求平均，计算出一定时间内FPGA计数的偏差，转换为电压压控值，校准26M晶振振荡信号。

本发明的技术效果在于：

针对性强：解决了当前IP组网环境下，时钟和频率同步的问题。

组网灵活：本发明可以完全集成于基站软件中；且同一设备既可以作为客户端进行频偏校正，同时可以作为校准的同步源提供给其他客户端使用；

实现成本低：本发明可以全部用软件实现，不需要其它外接设备；

精度高：通过以稳定的时钟同步源作为时钟同步服务器，过滤掉受网络抖动影响较大的坏值，采用筛选后的数据计算压控电压值，可以获得internet网络环境下0.1ppm精度，局域网下0.01ppm精度的时钟。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但这只是为便于理解而举的实例，不应认为本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出各种可能的等同改变或替换，这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于IP网络的无线基站时钟校正方法，其特征在于，包括：

校正数据采集过程：无线基站获取至少两组校正数据，每一组校正数据包括第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳；所述第一时间戳为无线基站向时钟同步服务器发送时钟同步请求的时间，所述第二时间戳为时钟同步服务器接收到所述时钟同步请求的时间；所述第三时间戳为时钟同步服务器向无线基站发送时钟同步响应的时间；所述第四时间戳为无线基站接收到所述时钟同步响应的时间；

时钟校正过程：无线基站利用所述校正数据计算校正频率差，根据校正频率差对本地时钟进行校正，其中，校正频率差根据公式得到，式中，f_off为校正频率差，f_c为标准频率，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄分别是两组校正数据的第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳的差值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，还包括对所述校正频率差中的坏值进行过滤的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，无线基站通过多个校正频率差的均值对本地时钟进行校正。

4.如权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述时钟同步服务器为NTP同步源或PTP同步源。

5.一种基于IP网络的无线基站时钟校正系统，其特征在于，包括：

校正数据采集模块：用于获取至少两组校正数据，一组校正数据包括第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳；所述第一时间戳为无线基站向时钟同步服务器发送时钟同步请求的时间，所述第二时间戳为时钟同步服务器接收到所述时钟同步请求的时间；所述第三时间戳为时钟同步服务器向无线基站发送时钟同步响应的时间；所述第四时间戳为无线基站接收到所述时钟同步响应的时间；

时钟校正模块：利用所述校正数据采集模块获取的校正数据计算校正频率差，根据校正频率差对本地时钟进行校正，其中，校正频率差根据公式

得到，式中，f_off为校正频率差，f_c为标准频率，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄分别是两组校正数据的第一时间戳、第二时间戳、第三时间戳、第四时间戳的差值。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

坏值过滤模块：用于当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，对所述校正频率差中的坏值进行过滤。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，当无线基站通过多个校正频率差进行校正时，无线基站是通过多个校正频率差的均值对本地时钟进行校正的。

8.如权利要求5至7任一所述的系统，其特征在于，所述时钟同步服务器为NTP同步源或PTP同步源。

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