CN102404066A - 一种自适应时钟恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时钟恢复方法，尤其是一种基于TDM数据流分组交换网的自适应时钟恢复方法，其步骤为：1）TDM业务通过分组交换网从发送端实时地封装成报文传送到接收端，接收端从中恢复出同步时钟；2）表征系统TDM数据流速率变化特征的系统时间戳同步于系统TDM数据流；表征网络TDM数据流速率变化特征的网络时间戳同步于网络TDM数据流；3）实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，利用优化的算法，基于时间戳差值变化规律，送出本地业务时钟，同步于发送端的业务时钟，达到电路仿真的目的；4）根据时戳变化规律，动态调整报文缓冲器的POP速率。本发明简化电路中时间戳计算的步骤，提高了运行灵活性和可靠性，同时降低了运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种时钟恢复方法，尤其是一种基于TDM数据流分组交换网的自适应时钟恢复方法。
背景技术
随着以太网多业务平台、弹性分组环等技术的出现，电信城域网正朝着以IP 网络为代表的分组交换网演进。电路仿真(Circuit Emulation Service, CES)提供了一种从电路交换网到分组交换网的平稳过渡方案，它通过实时地封装TDM数据并经过分组交换网传送到接收端， 由接收端从中恢复出同步时钟和TDM数据流。
电路仿真中的时钟恢复方法分为同步和非同步方式。同步包括网络同步和差分模式，要求在发送端和接收端存在着高精度的参考时钟，发送端根据参考时钟对TDM数据量化编码并传送到接收端，接收端根据参考时钟回复出发送端的时钟信息。非同步方式通常指的是自适应模式，自适应时钟恢复不需要参考时钟， 由接收端根据到达的数据包提供的信息自适应地恢复时钟。通常情况下,，在通信两端维护参考时钟网络需要较大的成本，而其余时钟恢复方式的灵活性又比较差。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的缺陷和不足，提供了一种运行灵活性比较高、运行过程中计算速度快、可靠性高，同时运行成本比较低的自适应时钟恢复方法。
本发明的技术方案：一种自适应时钟恢复方法，其步骤为：
1）TDM业务通过分组交换网从发送端实时地封装成报文传送到接收端，接收端从中恢复出同步时钟；
2）表征系统TDM数据流速率变化特征的系统时间戳同步于系统TDM数据流；表征网络TDM数据流速率变化特征的网络时间戳同步于网络TDM数据流；
3）实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，利用优化的算法，基于时间戳差值变化规律，送出本地业务时钟，同步于发送端的业务时钟，达到电路仿真的目的；
4）根据时戳变化规律，动态调整报文缓冲器的POP速率。
针对TDM数据流的特性，时间戳在业务速率的 
下运行，即在时钟频率
驱动下运行，等价于每个TDM数据比特覆盖
个时间戳值的窗口，鉴于该优化后的时间戳组成结构，后续所有的计算都可以个比特为单位，简化电路中时间戳计算(乘/除)的步骤。
优选地，步骤2）中系统时间戳和网络时间戳符合一致的变化规律。为网络时间戳提供缓冲空间，避免分组交换网带来的不可预见和不可控的抖动。
优选地，所述网络时间戳由第一级滤波器过滤，符合设定条件的时间戳送给下游使用，所述第一级滤波器为带通滤波器。
优选地，步骤2）中表征时戳变化的是二维变量，另一变量为由网络报文提供的报文序列号。
优选地，步骤3）对网络时间戳的处理要规避网络故障的影响，时钟进入锁定态之后，进行下一步处理。
时钟锁定的条件是连续M个报文的网络时间戳变化规律与TDM数据流速率变化特征一致，允许细微的误差，容许TDM数据的频差。
优选地，当时钟锁定后经过第一级滤波器输出的时间戳进行二级滤波，计算二级滤波后网络时间戳与报文序列号的动态变化关系
，该变化关系为业务发送端单位数据流对应的时间戳，随着时间/报文序列号的演变动态更新，所述二级滤波器由一个优化的时钟算法控制，该算法平滑、精确地反映发送端TDM速率变化的规律。
优选地，由和当前时间戳值推算映射后续报文的时间戳值，比较映射后续报文的时间戳值与系统时间戳的差值，获得远端TDM业务与本端系统时钟的频差信息。系统时间戳基于最小的TDM数据颗粒运转，天然支持TDM最大的频差。
优选地，将映射后续报文的时间戳值切割成字节Burst单位，计算递增Burst字节所对应的时间戳。
优选地，还包含一个JitterBuffer用来缓冲分组交换网的报文，以及控制或监视器用来控制或监视JitterBuffer。
优选地，实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，基于时间戳变化规律，以合适的周期动态调整JitterBuffer的POP速率。
业务恢复时钟必须能够容忍一定数量的报文丢失，才能保证业务时钟指标符合相关指标。只要TDM传输的业务仍然可用，那么丢包和错包就不可以对时钟恢复的性能造成影响。
本发明中的时间戳以对应于TDM最小数据单位以
(p为整数)递增的规律TDM数据流，简化电路中时间戳计算的步骤，加快了运行过程中计算速度，提高了运行灵活性和可靠性，同时降低了运行成本。
附图说明
图1 为本发明的应用场景示意图；
图2 为本发明的时间戳组成示意图；
图3 为本发明的结构框图；
图4 为本发明的状态机示意图；
图5 为本发明的时戳计算示意图；
图6为本发明的时戳大样点示意图；
图7为本发明的时戳调整示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但并不是对本实用新型保护范围的限制。
如图1-3所示，一种自适应时钟恢复方法，其步骤为：
1）TDM业务通过分组交换网从发送端实时地封装成报文传送到接收端，接收端从中恢复出同步时钟；
2）表征系统TDM数据流速率变化特征的系统时间戳以对应于TDM最小数据单位以
递增的规律同步于系统TDM数据流；表征网络TDM数据流速率变化特征的网络时间戳以对应于TDM最小数据单位以
递增的规律同步于网络TDM数据流；
3）实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，利用优化的算法，基于时间戳差值变化规律，送出本地业务时钟，同步于发送端的业务时钟，达到电路仿真的目的；
4）根据时戳变化规律，动态调整报文缓冲器的POP速率。
步骤2）中系统时间戳和网络时间戳符合一致的变化规律。步骤2）中表征时戳变化的是二维变量，另一变量为由网络报文提供的报文序列号。步骤3）对网络时间戳的处理要规避网络故障的影响，时钟进入锁定态之后，进行下一步处理。网络时间戳由第一级滤波器过滤，符合设定条件的时间戳送给下游使用，所述第一级滤波器为带通滤波器。当时钟锁定后经过第一级滤波器输出的时间戳进行二级滤波，计算二级滤波后网络时间戳与报文序列号的动态变化关系
，该变化关系为业务发送端单位数据流对应的时间戳，随着时间/报文序列号的演变动态更新，所述二级滤波器由一个优化的时钟算法控制，该算法平滑、精确地反映发送端TDM速率变化的规律。由
和当前时间戳值推算映射后续报文的时间戳值，比较映射后续报文的时间戳值与系统时间戳的差值，获得远端TDM业务与本端系统时钟的频差信息。将映射后续报文的时间戳值切割成字节Burst单位，计算递增Burst字节所对应的时间戳。还包含一个JitterBuffer用来缓冲分组交换网的报文，以及控制或监视器用来控制或监视JitterBuffer。实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，基于时间戳变化规律，以合适的周期动态调整JitterBuffer的POP速率。
时间戳以特定的规律同步于TDM数据流，特定的规律便于时间戳对应于TDM最小数据单位以
(p为整数)递增。针对TDM数据流的特性，时间戳在业务速率的
下运行，即在时钟频率
驱动下运行，等价于每个TDM数据比特覆盖
个时间戳值的窗口，鉴于该优化后的时间戳组成结构，后续所有的计算都可以
个比特为单位，简化电路中时间戳计算(乘/除)的步骤。这是本发明的基础，也是本发明突出的优点之一。
自适应时钟恢复算法基于报文到达接收端的时刻，报文经过分组交换网后的延时不稳定，可能存在随机延时抖动、低频延时抖动、系统延时抖动等变化，路由的改变和拥塞也会对延时造成影响，这些突发和随机的影响给接收到网络时间戳的时间和接收到的网络时间戳值带来了极大的不确定性。
网络接口上在报文到达时刻，获取网络时间戳及相关的信息，使用一个缓冲器缓冲获取的网络时间戳和相关信息，用来吸收上述描述中不同类型的抖动。该缓冲器可以为下游时钟恢复算法中时间戳的处理提供平滑、匀速的信息。
使用第一级带通滤波器对缓冲器输出的时间戳进行过滤，连续相邻报文的时间戳的增量太大或者太小都将被舍弃，避免分组交换网导致的较大误差的时间戳导致时钟恢复算法造成错误的判断。每个时间戳都有一个独立的序列号与之对应，时间戳与其对应的序列号是二维线性关系。被舍弃的时间戳打上红色标签，符合带通滤波器要求的时间戳打上绿色标签，用于区分有效和无效的时间戳。过滤后的时间戳用于第二级过滤。
不考虑分组交换网带来的报文抖动，JitterBuffer的PUSH速率等于发送端TDM业务的速率。实际上分组交换网带来的报文抖动都可看作是高频抖动，短时间周期内抖动具有离散性和不确定性，JitterBuffer的PUSH速率随之发生细微的改变，这些细微的改变被大容量的JitterBuffer吸收，在较长时间周期内，JitterBuffer的PUSH速率仍然等于发送端TDM业务的速率。使用合适的时钟算法，动态调整JitterBuffer的POP速率，使得JitterBuffer的POP速率与PUSH速率保持一致。
如图4所示，为状态机状态的跳变关系和跳变条件，时钟恢复与JitterBuffer的状态监控通过一个双重状态机来控制，时钟恢复的状态有ready和unready态，JitterBuffer的状态有lock和unlock态。状态和状态跳变说明如下：
Unready/Unlock：初始状态，无时钟信息，无报文信息；
Ready/Unlock：无时钟信息，存在足够的报文信息，此时启动JitterBuffer的POP操作；
Unready/Lock：足够的时钟信息，无报文信息；
Ready/Lock：足够的时钟信息，足够的报文信息；
跳变条件说明：
(1)、JitterBuffer已经积累了一定的报文数量，积累的报文数量可设，以满足TDM业务PDV的延时要求，该功能由JitterBuffer监视器提供；
(2)、JitterBuffer中的报文数量不满足设定的报文数量；
(3)、时钟恢复已经积累足够的时钟信息，即满足条件：
，
其中，
为第个报文的时间戳值；
(4)、时钟信息丢失，即不满足条件3；
(5)、JitterBuffer中的报文数量不满足设定的报文数量。
(6)、JitterBuffer中的报文数量满足设定的报文数量。
时钟锁定后开始对时间戳进行二级滤波，二级滤波的作用在于消除一定数量报文丢失、报文乱序对时钟恢复的影响，获得精确、平滑的网络时间戳变化曲线。定义序列号为的样点为大样点
，定义大样点之间的序列号对应的样点为小样点
，相邻大样点之间视作一个窗口，每个窗口内有
个小样点。
时钟锁定之后，利用小样点
推算出大样点N。图5中(以1023个窗口间隔为例)，在当前窗口内：
其中，
为有效标签，即带有绿色标签的时间戳，
的取值与时间戳的组成、报文长度和调整间隔相关。
从1递增到，在每个
序列号计算
，如果当前的时间戳带有绿色标签，则替换前一个计算得到的
；如果当前的时间戳带有红色标签，则丢弃该时间戳,保留前一个根据绿色标签计算得到的
。 这样算法可以保证，在大样点之间只要有一个序列号对应的时戳值带有绿色标签，则可以推算出下一个相邻的大样点所对应的时间戳值，消除一定数量报文的丢失或者乱序带来的影响。
如图5-7所示，大样点是重复构造的，在获取2个大样点的时间戳之后，可以算出两个时间戳值的差与序列号差的比例关系，这个比例关系有效地过滤了分组传送网带来的各种抖动、一定数量的报文丢失或者乱序，平滑、精确地反映了TDM发送端数据流的速率变化规律。利用这个计算得到的变化规律，推算下一个窗口内每个Burst对应的时间戳：
其中，
为每个Burst对应的时间戳值，相邻小样点之间分割成若干均匀的Burst点，为当前窗口的起始大样点，
为前一个窗口的起始大样点，
为相邻大样点对应的序列号差值，
为当前小样点对应的序列号， 
为大样点对应的序列号，
为一个报文中分割的Burst个数，burst为递增的计数，最大值为(
-1)。
Burst的选取要满足TDM数据流(T1/E1等)最大频差的容限，必须严格规定。Burst选取过大将导致时钟恢复算法不能精确地反映发送端TDM数据流速率的变化过滤，Burst选取过小将导致时钟算法过调整，带来额外的误差。
以Burst为单位，该时间戳与系统时间戳流水比较，如果两者差值保持为一个恒定的值，该差值可以理论计算出来，表明接收端的TDM业务时钟可完全同步于发送端的TDM业务，则无需调整JitterBuffer的POP速率，也无需调整TDM数据流的速率；如果两者差值与理论差值不相等，表明接收端的TDM业务时钟必须要调整以同步于发送端的源时钟，在差值不等的时刻调整JitterBuffer的POP速率，同时调整发送TDM数据流的速率，使其同步于发送端的业务时钟。
每做出一次调整，表明接收端TDM数据流为了同步于发送端数据流而修改了与系统时钟的频率关系。时间戳作为TDM数据流速率变化的参考变量，也要做出对应的修正，使得系统时间戳与网络时间戳的差值保持为理论的恒定值，否则系统时间戳与网络时间戳之间将出现非收敛的发散关系，导致时钟恢复算法进入死循环。
鉴于本发明中的时间戳是经过优化的时间戳，网络时间戳与系统时间戳的比较计算是一个非常简单的过程。
JitterBuffer POP速率的调整是为了保持JitterBuffer POP和 PUSH之间动态的平衡，如果长时间内平均PUSH速率较快或者较慢，则通过时间戳的变化表现出来，最终调整POP速率，实现JitterBuffer的动态平衡。
时戳算法的结果一方面作用于JitterBuffer的POP操作，另一方面作用于TDM数据流，使得发送的TDM数据流转出速率同步于JitterBuffer的POP操作，实际上也同步于发送端的TDM数据流。
JitterBuffer的POP仅仅在需要动态调整时才收到时钟恢复模块的控制，实际上JitterBuffer的深度控制是独立与时钟恢复模块的，这使得对JitterBuffer属性的改变无需中断时钟恢复的过程，以同步分组网络中任何突发的变化。同时，时钟恢复过程也不受JitterBuffer的影响，不管JitterBuffer状态如何，时钟恢复都将独立运行。
Claims (10)
1.1．一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：其步骤为：
1）TDM业务通过分组交换网从发送端实时地封装成报文传送到接收端，接收端从中恢复出同步时钟；
2）表征系统TDM数据流速率变化特征的系统时间戳以对应于TDM最小数据单位以 
递增的规律同步于系统TDM数据流；表征网络TDM数据流速率变化特征的网络时间戳以对应于TDM最小数据单位以
递增的规律同步于网络TDM数据流；
3）实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，利用优化的算法，基于时间戳差值变化规律，送出本地业务时钟，同步于发送端的业务时钟，达到电路仿真的目的；
4）根据时戳变化规律，动态调整报文缓冲器的POP速率。
2.2．根据权利要求1所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：所述步骤2）中系统时间戳和网络时间戳符合一致的变化规律。
3.根据权利要求1所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：所述网络时间戳由第一级滤波器过滤，符合设定条件的时间戳送给下游使用，所述第一级滤波器为带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：步骤2）中表征时戳变化的是二维变量，另一变量为由网络报文提供的报文序列号。
5.根据权利要求1所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：步骤3）对网络时间戳的处理要规避网络故障的影响，时钟进入锁定态之后，进行下一步处理。
6.根据权利要求4所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：当时钟锁定后经过第一级滤波器输出的时间戳进行二级滤波，计算二级滤波后网络时间戳与报文序列号的动态变化关系
，该变化关系为业务发送端单位数据流对应的时间戳，随着时间/报文序列号的演变动态更新，所述二级滤波器由一个优化的时钟算法控制，该算法平滑、精确地反映发送端TDM速率变化的规律。
7.根据权利要求5所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：由
和当前时间戳值推算映射后续报文的时间戳值，比较映射后续报文的时间戳值与系统时间戳的差值，获得远端TDM业务与本端系统时钟的频差信息。
8.根据权利要求5所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：将映射后续报文的时间戳值切割成字节Burst单位，计算递增Burst字节所对应的时间戳。
9.根据权利要求1所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：还包含一个JitterBuffer用来缓冲分组交换网的报文，以及控制或监视器用来控制或监视JitterBuffer。
10.根据权利要求8所述的一种自适应时钟恢复方法，其特征在于：实时监视系统时间戳与网络时间戳的差值变化规律，基于时间戳变化规律，以合适的周期动态调整JitterBuffer的POP速率。
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- 2011-11-21 CN CN2011103687479A patent/CN102404066A/zh active Pending
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