CN101895386A - 在分组网上的定时恢复 - Google Patents

Abstract

本发明在经分组网恢复定时信息的方法中，使用在发射机和接收机之间发送的定时分组测量原始网络延迟。该期望的延迟使用最小统计自适应滤波器经平稳窗口跟踪测量的时间延误的本地最小值预测。仅仅选择那些在平稳窗口内相对于期望的延迟满足特定的准则的进入的定时分组，并且本地时钟基于从选择的定时分组测量的定时延迟调整。

Description

在分组网上的定时恢复

技术领域

本发明涉及分组网，具体地说，涉及在这样的网络上的定时恢复。

背景技术

同步指的是需要数字通信网的发送与接收端以相同的时钟速率工作。位于发射机节点上的网络时钟控制数据传送的速率。位于接收机上的第二网络时钟控制数据读取的速率。为了接收机恰当地译码输入数据，其时钟需要与发射机时钟同步。存在用于在网络上同步时钟的不同的方式。在某些网络配置(例如，TDM网络)中，发射机时钟信息可以直接从数据中提取，并且在接收机中使用以同步这二个时钟。由于分组网价格低廉、使用方便，许多的服务提供者在基于IP的网络上浏览传输传统服务(诸如，TDM服务)。主要的问题是如何保持与在传统网络中相同的同步水平。虽然存在用于解决这个问题的不同方法，一种潜在地与其它的(包括成本和可利用性)相比具有许多的优点的方法是使用专用定时分组的时钟同步。

图1是这个方法的实例。在发射机侧上，专用的定时分组通过发射机的时钟时间标记，然后经分组交换网络(PSN)发送给一个或者多个接收机。在接收机侧上，当它们抵达时，这些定时分组由接收机时钟时间标记。在这二个时间戳之间的差值表示在发射机和接收机的时钟之间的相对延迟。这可用于同步二个时钟。这个方法的一个优点是为了同步该时钟其不需要额外的装置或者对该物理层修改，并且其广泛地可利用(只要存在IP网络)。尽管如此，这个方法具有其自己的难题。

关于这个方法的一个主要难题是定时分组经受为任何分组交换网络所固有的分组延迟偏差(PDV)。因此，在接收机侧上，取决于分组延迟偏差，该恢复的基准时钟将具有高电平的抖动和漂移，其对于许多的应用将是不可接受的，特别地，假设高质量水平同步的传统服务。

为了克服这个问题，已经建议在接收机上滤除该定时分组，使得仅仅那些经受最小的分组延迟偏差的定时分组用于时钟恢复。

美国专利No.6658025描述了一种用于滤除定时分组的方法，其中估算了用于每个定时分组的期望的到达时间，并且与实际的到达时间相比较。然后，丢弃具有离期望值最大偏差的许多的定时分组，并且剩余的定时分组用于重新计算供到达时间的新的期望值。新的计算的期望值再次用于丢弃新的定时分组系列，并且这个过程继续直到已经丢弃一定数目的定时分组为止。无论如何在这个删除过程之后其余的定时分组用于校正在发射机和接收机时钟之间的任何频偏。

同样地，美国专利No.7315546采用了一种方法，代替丢弃定时分组，其使用加权的定时分组集合同步接收机和发射机时钟。加权是基于在定时分组的期望的到达时间和实际的到达时间之间的距离计算的。以这种方式，具有离期望的延迟最大距离的定时分组给出最小的加权量。

在两个方法中，定时分组基于其接近于在发射机和接收机之间的延迟的某个初始估算被滤除。因此，以上所述的两个方法的性能高度取决于计算的期望延迟的精度。如果由于所谓的“非正常值”，即，在延迟中具有离该标准大偏差的分组，该初始估算不准确，然后所有后续的滤除过程将是错误的，并且方法将不能实现锁定。此外，两个方法使用输入定时分组的模块更新期望延迟。在发射机和接收机之间存在延迟的急剧变化，例如由于在分组网中重新路由的情形下，这将限制跟踪行为。

发明内容

本发明的实施例提供了用于经分组交换网络加强频率和相位同步的方法。最小统计自适应滤波器用于预测在发射机和接收机之间的延迟。该预测延迟然后用于仅仅选择那些在发射机上发出的定时分组，其将给出最靠近于该预测值的延迟估算。以这种方式滤除的估算的延迟然后可以经由锁相环馈送以恢复发射机时钟。

按照本发明，提供了一种经分组网恢复定时信息的方法，包括：从在发射机和接收机之间经分组网发送的定时分组中测量原始网络延迟；使用最小统计自适应滤波器经L个接收的定时分组的平稳窗口跟踪测量的时间延迟的本地最小值来预测延迟估算，其中第一变量表示经L个接收的定时分组的局部最小值，在L个接收的定时分组之后，所述第一变量被更新，并且第二变量表示在用于第一变量的当前值和在平稳窗口内的当前的定时分组之间的最小值，所述第二变量表示当前的延迟估算，和其中L的值基于在发射机和接收机之间估算的延迟偏差被自适应地改变，以改变最小统计自适应滤波器的跟踪特性；选择那些在平稳窗口内进入的定时分组，其相对于当前的延迟估算满足特定的准则；和在接收机上从对于本地时钟选择的定时分组的测量的定时延迟中确定进行频率调整。

当前的方法的优点包括对影响输出时钟的质量的非正常值定时分组的鲁棒性(robustness)、不同的网络情形的可编程的跟踪能力和更快的锁定时间。

按照本发明的方法可以通过增加自适应的时间延迟滤波器(ATDF)可认为是传统的DPLL电路的扩展，该自适应的时间延迟滤波器自适应地过滤原始时间延迟估算，原始时间延迟估算通过从在接收机本地产生的接收机时间戳中减去包含在由发射机产生的定时分组中的时间戳计算。

在一个实施例中，ATDF模块包括最小统计时间延迟平滑滤波器，其计算当前的原始延迟估算在接收机和发射机之间期望的时间延迟的最佳估算。对于每个后续的原始延迟计算(可用作新的定时分组抵达)，将相应地更新自适应滤波器的输出。该平滑滤波器还具有可编程的跟踪参数，其允许对于估算的延迟在更快的跟踪和较小的精度之间，或者更慢的跟踪和较大的精度之间平衡。可以自动地设置该跟踪参数，使得在开始时，将其设置为快速跟踪模式，以允许快速获取时间延迟偏差，并且当已经实现锁定的时候，将其设置为慢跟踪模式，以允许最好的精度。

在原始延迟和期望的延迟之间的差值可以对于每个新的定时分组计算。当该差值低于某个阈值的时候，该定时分组将被接受，并且其相应的原始延迟被传送到下一级上。

为了从不均衡的采样速率(由于定时分组不规则的到达)转换为由更后的级使用的均衡的采样速率，可以使用重新采样电路(RSC)。剩余的级可以由环路滤波器和数字控制的振荡器(DCO)组成，其提供该输出时钟。DCO的输出还用于时间标记定时分组的到达时间。

在本发明的另一个方面，还提供一种经分组网用于恢复定时信息的定时恢复单元，包括：用于经分组网从在发射机和接收机之间发送的定时分组中测量原始网络延迟的模块；最小统计自适应滤波器，其经平稳窗口跟踪测量的时间延迟的本地最小值，以经L个接收的定时分组的平稳窗口预测延迟估算，并且其中配置最小统计平滑滤波器使得第一变量经L个接收的定时分组表示本地最小值，在L个接收的定时分组之后，更新所述第一变量，和第二变量表示在用于第一变量的当前值和在平稳窗口内的当前的定时分组之间的最小值，所述第二变量表示当前的延迟估算，并且其中配置最小统计平滑滤波器以自适应地改变基于在发射机和接收机之间估算的延迟偏差的平稳窗口的大小，以改变最小统计自适应滤波器的跟踪特性；选择模块，用于在平稳窗口内选择那些进来的定时分组，其相对于期望的延迟满足特定的准则；和锁相环，用于在接收机上使用从选择的定时分组的测量的定时延迟确定的频率调整输出本地时钟。

本发明的实施例的优点包括在有非正常值定时分组的情况下，加强和精确估算延迟，其不需要对于期望的延迟良好的初始估算，并且其可以随着每个新的定时分组到达，而不是使用定时分组的模块更新期望的延迟。这将显著地节省计算难度，并且其还将提供更好的跟踪行为。另外，本发明的实施例是进一步定型，并且提供更快的锁定时间。

附图说明

现将参考附图仅仅通过举例的方式来更详细地描述本发明，其中：

图1是举例说明经分组网的定时恢复的高级示意图；

图2是本发明一个实施例的最高级的方框图；

图3是自适应的时间延迟滤波器(ATDF)的内部方框图；

图4是时间延迟平滑电路的流程图；

图5是自动跟踪电路的流程图；

图6是时间延迟选择器模块的流程图；和

图7是在传统的数字锁相环(DPLL)中的环路滤波器的例子。

具体实施方式

在以下的描述中，k是分组号的索引，x(k)表示用于分组k的发射机时间戳，y(k)表示用于分组k的数控振荡器(DCO)的输出，z(k)是在发射机和接收机之间用于定时分组k的原始延迟估算，并且w(k)是用于定时分组k滤除的原始延迟。

在第一步，如图2所示，原始延迟(z(k))是通过从由发射机产生的相应的时间戳(x(k))中减去由时间戳电路5000产生的接收机本地时间戳(y(k))计算的。以下的公式描述当没有应用定时恢复方法时的原始定时延迟，

其中表示用于第K个定时分组在发射机和接收机之间真实延迟，和ε(k)表示用于第K个分组在由网络分组延迟偏差所引起的测量中的误差。定时恢复算法的一个目的是滤出ε(k)以恢复原始延迟。应当注意到，ξ(k)具有带有非平稳的随机本质，并且在某些情况下，具有非高斯特征。因此，传统的线性滤波方法可能不是有效的。

当反馈环路处于稳定状态(锁定模式)的时候，加法器模块8000和1000的输出可以写成如下：

z(k)＝ξ(k)+δ(k)   (2)

w(k)＝δ(k)+v(k)    (3)

其中ε(k)表示网络分组延迟偏差，(k)表示有关接收机输出时钟的残余漂移，和V(k)表示在模块1000的输出端上剩余的残余噪声。

本发明的实施例基于最小统计数值使用非线性的自适应滤波方法(模块1000)以滤出在发射机和接收机之间的时间延迟估算方面的误差。该非线性的自适应滤波器使用最小统计时间延迟平滑滤波器300以计算在发射机和接收机之间期望的延迟。

这个滤波器在平滑的时间窗口上跟踪测量的时间延迟(Z(K)的本地最小值。

为了找到估算的延迟，原始(有噪声的)延迟估算的本地最小值被跟踪。为了找到本地最小值，简单的选项是采集L个原始延迟采样，然后找到在所有的它们之中的最小值。这个方法的问题是其对等待L个采样以找到本地最小值(其是延迟估算)来说是必需的。这限制了跟踪速度。

与其等待L个采样被采集，其中L是平滑窗口的长度，所希望的是，即通过对于接收的每个定时分组采样来更新延迟估算采样。为了实现这些，本发明的一个实施例使用二个变量z_min和z1_min。z1_min是L个原始延迟的本地最小值，并且在L个采样之后得到更新。z_min是在其当前值和当前的采样之间的最小值，其得到更新的每个采样，并且提供模块300的输出。

为了确保z_min实际上跟踪本地最小值，并且不跟踪整体的最小值，在每个L个采样之后，以z1_min的值更新z_min。借助于这个方法，实现了二个事情：第一，获得对于特定的平滑窗口的本地最小值，而不是整体的最小值；第二，本地最小值被每个采样更新，而不是等待L个采样。图4示出用于滤波器模块的流程图。Win_cntr是表示在平滑窗口中当前采样的计数器值，并且随着每个采样递增，直到到达L为止，于是其被复位为零。

模块301计算用于输入原始延迟z(k)的二个本地最小值z_min(k)和z1_min(k)。

对于每个L个原始延迟，z_min(k)和z1_min(k)在模块304中被更新。如上所述，L是平滑时间窗口的长度，并且由模块100设置。

对于L更大的值将对期望的时间延迟给出更加精确的估算，但是，其将限制跟踪在接收机和发射机之间的时间延迟的变化。L的较小的值将以较小的精确输出估算作为代价给出更好的跟踪。

为了实现在发射机和接收机之间更快和更加可预测的相位锁定，模块100基于在发射机和接收机之间估算的延迟偏差自适应地控制L的值。图5示出用于模块100的流程图。

当在发射机和接收机之间存在很大的延迟偏差的时候，在锁定过程开始的时候，L将被设置为很小的值以提供最大跟踪。在估算的期望延迟中的偏差将由模块102检查，并且当延迟偏差降低时，L将由模块103增加以允许更加精确估算期望的时间延迟。L将被递增直到达到其最大值为止(模块104)。在正常情况下，用于L的最大允许值将用于提供最佳精度度。由于在发射机时钟中相位变化，或者因为分组网条件(例如，在重新路由的情况下)当在发射机和接收机之间的延迟方面存在突然变化的时候，L将设置为较小的值以允许更快的跟踪延迟变化。

模块200基于模块300的期望的时间延迟估算输出，滤出由模块8000计算的原始时间延迟。图6是用于模块200的流程图。模块201计算在输入原始延迟(Z(k))和期望的时间延迟估算(Z_f(k))之间的距离d。模块202将该距离与某个阈值比较。如果其低于该阈值，该输出将由模块203更新。

应当注意到，模块1000的输出可以是以比其输入低得多的速率。例如，如果到达接收机的定时分组的速率是每秒M个分组，那么，每秒M个原始延迟将由模块8000计算，并且传送到模块1000上。取决于网络条件，这些分组仅仅一小部分可以接受。通常，如果在模块300中L_max是L的最大值，那么模块1000的输出速率可以低到每秒更新

考虑的其他的点是分组可以以不均匀的时间间隔抵达。因此，模块1000的输出将以不均匀的采样时间更新。为了从不均匀的采样速率转换为由建议的定时恢复电路的剩余部分使用的均匀采样速率，使用重新采样电路2000。这使用模块1000的输出的线性内插，并且以由模块3000需要的较高的速率(例如，16Hz)产生均匀间隔的采样。

模块3000是在传统的数字锁相环(DPLL)中使用的环路滤波器。环路滤波器将滤除的原始延迟估算转换为用于数控振荡器(DCO)4000的频率调整值。该环路滤波器还滤出在模块1000的输出端上留下的任何剩余的残余漂移。

该环路滤波器可以设计成仅仅频率或者相位和频率同步。该环路滤波器将输入值提供给DCO4000。环路滤波器的一个适宜的实施在图7中示出。在这个图中，可以调整分别地表示均衡的和集成的增益的P和I以控制PLL带宽和阻尼性能。

为了稳定工作，环路滤波器的带宽基于以下的公式将按照对于100的输出的最小更新速率设置：

B.W＜M/(2L_max)

例如，对于M＝32pps和L_max，环路滤波器带宽将选择小于15mHz。

该数控振荡器4000的频率和相位基于其输入值调整。模块5000是用于接收机的时间戳电路(TSC)，并且构成用于建议的定时恢复方法的反馈环路。对于每个进入的定时分组，模块5000将基于在那时的DCO的值产生时间戳值x(k)。

所描述的实施例的优点包括更快的锁定时间和更好的跟踪能力，特别是，如果突然的延迟变化。

本领域技术人员应该理解，在此处给出的任何方框图代表体现本发明原理的说明性的电路的概念图。例如，可以通过使用专用硬件，以及能够与适宜的软件结合执行软件的硬件来提供处理器。当由处理器提供的时候，该功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或者由多个专用处理器，其中一些可以共享来提供。此外，明确的使用该术语“处理器”不应该被解释为专门地指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括，不限于数字信号处理器(DSP)硬件，网络处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，用于存储软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。其它的硬件、常规和/或定制的也可以包括在内。

Claims (14)

1.一种经分组网恢复定时信息的方法，包括：

从在发射机和接收机之间经分组网发送的定时分组中测量原始网络延迟；

使用最小统计自适应滤波器经L个接收的定时分组的平稳窗口跟踪测量的时间延迟的本地最小值来预测延迟估算，其中第一变量表示经L个接收的定时分组的本地最小值，在L个接收的定时分组之后，更新所述第一变量，第二变量表示在用于第一变量的当前值和在平稳窗口内的当前的定时分组之间的最小值，所述第二变量表示当前的延迟估算，和其中L的值基于在发射机和接收机之间估算的延迟偏差被自适应地改变，以改变最小统计自适应滤波器的跟踪特性；

选择那些在平稳窗口内进入的定时分组，其相对于当前的延迟估算满足特定的准则；和

在接收机上从对于本地时钟选择的定时分组的测量的定时延迟中确定进行频率调整。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述选择的进入定时分组是通过确定在测量的时间延迟和延迟估算之间的差值，并且将这个差值与一个阈值比较识别的。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，所述第二变量对于在平稳窗口内的每个进入的定时分组被更新。

4.根据权利要求1～3中任何一项的方法，进一步包括重新采样最小统计自适应的延迟滤波器的输出以改变采样速率。

5.根据权利要求1～4中任何一项的方法，其中，所述频率调整在锁相环的环路滤波器中被滤除。

6.根据权利要求1～5中任何一项的方法，其中，所述进入的定时分组在到达时相对于本地时钟进行时间标记，并且测量的延迟通过将在发射机上施加的时间戳与在接收机上施加的时间戳比较来确定。

7.根据权利要求1～6中任何一项的方法，其中，所述第一变量是z1_min(k)和第二变量是z_min(k)，并且实现以下的循环：

设置z_min(k)＝minimum(z_min(k-1)，z(k))

设置z1_min(k)＝minimum(z1_min(k-1)，z(k))

如果win_cnt＝L

提高win_cntr

ELSE

设置z_min(k)＝Z1_min)k)

z1_min(k)＝z(k)

win_cntr＝0

其中win_cntr是计数器值，并且k是整数。

8.一种经分组网用于恢复定时信息的定时恢复单元，包括：

用于经分组网从在发射机和接收机之间发送的定时分组中测量原始网络延迟的模块；

最小统计自适应滤波器，经平稳窗口跟踪测量的时间延误的本地最小值，以经L个接收的定时分组的平稳窗口预测延迟估算，和其中配置最小统计平滑滤波器使得第一变量经L个接收的定时分组表示本地最小值，在L个接收的定时分组之后，更新所述第一变量，和第二变量表示在用于第一变量的当前值和在平稳窗口内的当前的定时分组之间的最小值，所述第二变量表示当前的延迟估算，和

其中配置所述最小统计平滑滤波器以基于在发射机和接收机之间估算的延迟偏差自适应地改变平稳窗口的大小，以改变最小统计自适应滤波器的跟踪特性；

选择模块，用于在平稳窗口内选择那些进入的定时分组，其相对于期望的延迟满足特定的准则；和

锁相环，用于在接收机上使用从选择的定时分组的测量的定时延迟确定的频率调整输出本地时钟。

9.根据权利要求8的定时恢复单元，其中，所述选择模块确定在进入的定时分组的测量的时间延迟和预测的延迟之间的差值，并且将这个差值与一个阈值比较以选择满足特定的准则的分组。

10.根据权利要求8或9的定时恢复单元，其中，所述第二变量对于在平稳窗口内的每个进入的定时分组被更新。

11.根据权利要求8～10中任何一项的定时恢复单元，进一步包括用于重新采样最小统计自适应的延迟滤波器的输出的重新采样单元。

12.根据权利要求8～11中任何一项的定时恢复单元，其中，所述锁相环包括滤除频率调整的环路滤波器。

13.根据权利要求8～12中任何一项的定时恢复单元，进一步包括用于在到达时相对于本地时钟时间标记进入的定时分组的时间戳模块，和通过从在接收机上施加的时间戳中减去在发射机上施加的时间戳用于确定测量延迟的减法模块。

14.根据权利要求8～13中任何一项的定时恢复单元，其中，所述最小统计自适应滤波器实现以下的循环：

设置z_min(k)＝minimum(z_min(k-1)，z(k))

设置z1_min(k)＝minimum(z1_min(k-1)，z(k))

如果wincnt＝L

提高win_cntr

ELSE

设置z_min(k)＝Z1_min)k)

z1_min(k)＝z(k)

win_cntr＝0

其中所述第一变量是z1_min(k)，第二变量是z_min(k)，win_cntr是计数器值，并且k是整数。

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