CN102412954B - 一种分组网中时钟频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分组网中时钟频率同步方法，该方法由源节点A定时发送同步帧，同步帧带有帧发送时刻信息，目标节点B接收同步帧，并记录帧接收时刻值。在B节点得到同步帧发送和接收时刻序列值，从中可跟踪计算A、B节点时延值，并用两状态最小二乘直线拟合处理方法求出A、B节点间时钟周期的比值K(n)。用K(n)值实时修正B节点时钟CLKB，可在B节点恢复源节点A时钟CLKA，也可直接用K(n)值修正计数器值，消除A、B节点中计数器的时钟偏移误差，可广泛用于分组网中时钟频率的同步和网络单向时延测量。

Description

一种分组网中时钟频率同步方法

技术领域

本发明属于通信与信息系统中的异步时钟同步技术领域，具体涉及一种分组网中时钟频率同步方法。

背景技术

分组网本质上是异步的，并不需考虑端到端的时钟同步问题，但在电路交换网向分组交换网演进过程中，必须考虑原有TDM业务信号，如传统话音、2M租用线、GSM基站等信号，如何通过分组网传输问题，这些信号通过分组网传输后，必须有准确的时钟同步和定时才能正确恢复；此外在分组网络行为测量，基于IP网络或以太网的分布式系统、测控系统、传感系统中，都需要对分组网的时钟进行同步。

目前分组网络中时钟频率同步实现方式可以分成2个基本类别：第一类是具有公共参考时钟的系统，如有来自电路交换网络、GPS的参考时钟，这样的分组网时钟同步问题是由系统外部解决的，统称为外同步方法，显然这种方法需要在分组网外建单独的同步网；第二类是分组网中没有公共同步参考时钟的系统，可以采用专门的时钟恢复方法，如同步以太网和自适应时钟恢复方法，统称为内同步方法。自适应时钟恢复方法可用于分组网络节点无公共时钟，也不需传输网络任何改造的情况，这是分组网络中最普遍的情况，但自适应时钟恢复方法的性能与承载网络密切相关，会受到网络帧传输时延变化的严重影响。

自适应时钟恢复方法最早是在ATM网上传输TDM信号时采用的技术，通过接收帧队列深度（简称水位）变化来控制压控振荡器（VCO）产生恢复时钟，简称水位法，华为公司2005年申请的中国发明专利“包交换网络中的时钟同步方法及装置”，中国专利（申请号：200510132327.5）就公开了一种类似方法。分组网的帧时延主要由节点时延、网络传输时延、排队时延等组成，帧传输时延序列是非线性、非平稳的随机序列。帧时延可以分为两部分，一部分由系统本身产生的时延值是固定不变的，称固有时延，另一部分由帧排队等原因产生的时延值是随机的称随机时延，帧时延可以表示为：

τ(n)＝τ₀+τ₁(n)

式中，τ₀是固有时延值为常数，τ₁(n)为随机时延值。帧随机时延变化对自适应时钟恢复方法的时钟同步精度影响很大，如何减小帧随机时延的影响是研究的重点，上海贝尔阿尔卡特申请的中国发明专利“一种用于包交换网络的自适应时钟恢复方法”，申请号：03141883.X，公开了先采集一组水位数据，然后用最小二乘线性回归算法计算斜率，再用斜率值控制VCO调节时钟恢复的方法，减小了帧随机时延对时钟同步精度的影响。国内外有大量研究自适应时钟恢复方法的文章和相关专利，不再一一列举。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种新的分组网中时钟频率同步方法及实现的装置。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种分组网中时钟频率同步方法，其特征在于采用如下步骤：

1）源节点A定时发送同步帧，同步帧中包含发帧时刻值；目标节点B接收同步帧，并记录同步帧接收时刻值；

2）源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量；目标节点B的帧接收时刻CB由目标节点B节点的时钟CLKB度量；

源节点A、目标节点B节点发送和接收一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列{CA(1),CA(2)，…,CA(n),…},{CB(1),CB(2)，…,CB(n),…}；

3）源节点A与目标节点B的时钟是异步的，即存在一定的频率差，设CLKA的时钟周期为TA(n)，CLKB的时钟周期为TB(n)，定义时钟周期比值K(n)=TB(n)/TA(n)，则在目标节点B从同步帧收发时刻序列中求出K(n)值，用K(n)值修正CLKB，得到恢复的源节点A时钟CLKA，实现时钟频率的同步。

上述K(n)值的求解步骤如下：

1）定义源节点A、目标节点B间帧时延值：

τ(n)＝τ(n-1)+[ΔCB(n)-K0*ΔCA(n)];n=2，3，……；

式中，ΔCB(n)＝CB(n)-CB(n-1),ΔCA(n)＝CA(n)-CA(n-1),τ(1)＝0;

K0为设定的K(n)初值，为常数；

2）设置当前最小时延值τ_min初值为一个大正整数，并作如下处理：

If（τ(n)＜τ_min）

τ_min＝τ(n);

τ_min(n)＝τ(n);

{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}

else

{本帧τ(n)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变；}

End；

3）在步骤2）中所述最小二乘法迭代算法用{τ_min(n)}和对应{CA(n)}作为输入，即τ_min(n)的估计值为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\min }\left(n\right)=w_0\left(n\right)\·\mathrm{CA}\left(n\right)+w_1\left(n\right)$

式中，w₀(n)为估计的直线斜率，w₁(n)为估计的直线截距；

估计误差： $e\left(n\right)={\mathrm{\τ}}_{\min }\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\min }\left(n\right)$

最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中，λ为遗忘系数，按实际情况合理设置；

4）在步骤2）中所述最小二乘迭代算法分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态，称两状态最小二乘直线拟合处理方法；

5）在步骤4）中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法首先处于捕获状态，若检测到τ(n)＜τ_min值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)=w₀(n)。求估计的直线斜率w₀(n)的差分值：Δw₀(n)＝w₀(n)-w₀(n-1)，若|Δw₀(n)|持续小于设定门限值，则进入跟踪状态；

6）在步骤4）中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法在跟踪状态，若检测到τ(n)＜τ_min值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w₀(n)的差分值；若|Δw₀(n)|小于等于设定门限值，则确认本帧是固有时延帧，更新迭代参数有效，置dK(n)=w₀(n)；若|Δw₀(n)|大于设定门限值，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n)=dK(n-1)；若|Δw₀(n)|持续大于设定值，则确认为失锁，重新进入捕获状态；

7）源节点A、目标节点B的时钟频率同步参数为：K(n)=K0+dK(n)；

求出K(n)值后，进一步用两状态最小二乘直线拟合处理方法滤波，即用K(n)代替τ_min(n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值作为滤波输出： $\stackrel{\‾}{K}\left(n\right)=a_0\left(n\right)\·n+a_1\left(n\right);$

式中，a₀(n)为估计的直线斜率，a₁(n)为估计的直线截距。

上述捕获状态与跟踪状态的转换或者通过检测直线拟合误差e²(n)实现；具体判别方法与检测|Δw₀(n)|相似，或者根据具体情况选择其他的相似判据进行捕获状态与跟踪状态的转换。

本发明的分组网中时钟频率同步方法，可广泛用于分组网中时钟频率的同步和网络单向时延测量。

附图说明

图1是分组网中时钟频率同步系统模型图；

图2是节点A、B间同步帧收发时刻与帧时延示意图；

图3是K0修正后节点A、B间同步帧时延示意图；

图4是时钟频率同步参数K(n)值示意图；

图5是本发明在局域以太网中的一种具体实施系统框图；

图6是实测A、B节点时钟频率未同步的时延值；

图7是用本发明方法进行时钟频率同步后得到的时延值；

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的分组网中时钟频率同步方法，具体包括如下步骤：

1）源节点A定时发送同步帧，同步帧可以是专门的帧，也可以是一般数据帧中插入帧发送时刻值的帧，目标节点B接收同步帧，并记录同步帧接收时刻，其系统模型如图1所示。

2）源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量，具体值与帧发送参考点有关，即由帧发送时刻计数器记录帧通过发送参考点的计数值即是CA值；参考点越靠近节点的物理层，CA值受节点软、硬件时延的影响越小；同理，目标节点B的帧接收时刻CB由B节点的时钟CLKB度量，由帧接收时刻计数器记录帧通过接收参考点的计数值即是CB值。收发一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列{CA(1),CA(2)，…,CA(n),…},{CB(1),CB(2)，…,CB(n),…},如图2所示。

3）在步骤1）和步骤2）所述系统模型中，源节点A与目标节点B的时钟是异步的，即存在一定的频率差。设CLKA的时钟周期为TA(n)，CLKB的时钟周期为TB(n)，定义时钟周期比值K(n)=TB(n)/TA(n)，则在目标B节点求出K(n)值就可以实现时钟频率的同步，即目标节点B跟踪源节点A的时钟频率f(n)＝K(n)·f_B(n)，其中f_B(n)＝1/TB(n)。

4）定义源节点A、目标节点B间帧时延值：

τ(n)＝τ(n-1)+[ΔCB(n)-K0*ΔCA(n)];n=2，3，……；

式中，ΔCB(n)＝CB(n)-CB(n-1),ΔCA(n)＝CA(n)-CA(n-1),τ(1)＝0;

合理设定K0值，使帧时延值τ(n)的最小值随n减小，如图3所示。

5）设置当前最小时延值τ_min初值为一个大数，然后逐帧跟踪比较τ(n)值，检测出当前最小值τ_min(n)和对应CA(n)值，并如下处理：

if(τ(n)＜τ_min)

τ_min＝τ(n);

τ_min(n)＝τ(n);

{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}

Else

{本帧τ(n)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变；}

End

6）在步骤5）中最小二乘法迭代算法用{τ_min(n)}和对应{CA(n)}作为输入，拟合出直线如图3虚线所示，即τ_min(n)的估计值为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\min }\left(n\right)=w_0\left(n\right)\·\mathrm{CA}\left(n\right)+w_1\left(n\right)$

式中，w₀(n)为估计的直线斜率，w₁(n)为估计的直线截距。

估计误差： $e\left(n\right)={\mathrm{\τ}}_{\min }\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\min }\left(n\right)$

最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中λ为遗忘系数，需按实际情况合理设置。

7）上述τ_min(n)的最小二乘直线拟合过程分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态，称两状态最小二乘直线拟合处理方法。

8）首先处于捕获状态：若检测到τ(n)＜τ_min值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)=w₀(n)。求估计的直线斜率w₀(n)的差分值：Δw₀(n)＝w₀(n)-w₀(n-1)，若|Δw₀(n)|持续小于设定门限值，则进入跟踪状态。

9）在跟踪状态。若检测到τ(n)＜τ_min值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w₀(n)的差分值；若|Δw₀(n)|小于等于设定门限值，则确认本帧是固有时延帧，更新迭代参数有效，置dK(n)=w₀(n)；若|Δw₀(n)|大于设定门限值，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n)=dK(n-1)；若|Δw₀(n)|持续大于设定值，则确认为失锁，重新进入捕获状态。

10）源节点A、目标B节点时钟同步参数：K(n)=K0+dK(n)，如图4所示。

11）进一步可用上述步骤6）到步骤9）所述的两状态最小二乘直线拟合处理方法，用K(n)代替τ_min(n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值：

$\stackrel{\‾}{K}\left(n\right)=a_0\left(n\right)\·n+a_1\left(n\right);$

式中，a₀(n)为估计的直线斜率，a₁(n)为估计的直线截距。

估计误差： $e\left(n\right)=K\left(n\right)-\stackrel{\‾}{K}\left(n\right)$

最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中λ为遗忘系数，需按实际情况合理设置。输出作为滤波后的源A节点、目标B节点时钟同步参数。

12）上述捕获状态与跟踪状态的转换也可以通过检测直线拟合误差e²(n)实现，判别方法与检测|Δw₀(n)|相似；也可以根据具体情况选择其他的相似判据进行捕获状态与跟踪状态的转换。

以下是发明人给出的一个具体的实施例。

本实施例在局域以太网中的一种具体实现方式，系统框图如图5所示，包括如下实施步骤：

1）现场可编程门阵列(FPGA)实现的源节点A中，设计帧发送时刻计数器ACOUNT，该计数器时钟为A节点时钟CLKA；在以太网帧发送的物理层(PHY)输入处，设定帧发送参考点，当同步帧第一位通过该参考点时，用帧发送使能信号锁存ACOUNT计数器值CA作为同步帧的发送时刻，并随下一个同步帧发送到目标节点。源节点A定时发送同步帧。

2）在FPGA实现的目标节点B中，设计帧接收时刻计数器BCOUNT，该计数器时钟为B节点时钟CLKB；在以太网帧接收物理层(PHY)输出处，设定帧接收参考点，当同步帧最后一位通过该参考点时，用帧接收使能信号锁存BCOUNT计数器值CB作为同步帧的接收时刻。在B节点中，从收到帧中得到同步帧发送时刻序列值：{CA(1),CA(2)，…,CA(n),…},从BCOUNT计数器得到对应的接收时刻序列值{CB(1),CB(2)，…,CB(n),…}，如图2所示。

3）根据源节点A、目标B节点时钟的精度范围，设定K0值，如A、B节点时钟精度若为50ppm，设定K0>=1.00005，则计算的帧时延值τ(n)的最小值将随n减小，如图3所示。

4）编制程序，在目标B节点中用软件计算出值。具体是设置τ_min初值为一个大数，然后迭代计算如下：

if(τ(n)＜τ_min)

τ_min＝τ(n);

τ_min(n)＝τ(n);

{进行最小二乘法迭代计算；}

else

{本帧τ(n)值丢弃；保持最小二乘法迭代参数不变；}

End

5）上述最小二乘法迭代算法的一种具体实现算法如下：

设：X_k＝[CA(n),1]^T，W_n＝[w₀(n),w₁(n)]^T，P₀＝[0,0]^T， $S_0=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\δ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right];$

则迭代公式： $S_k=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\·(S_{k-1}-\frac{S_{k-1}\·X_k\·{X_k}^T\·S_{k-1}}{\mathrm{\λ}+{X_k}^T\·S_{k-1}\·X_k})$

P_k＝λ·P_k-1+τ_min(n)·X_k

W_n＝S_k·P_k

本实施例中，取λ＝0.97。

6）上述τ_min(n)的最小二乘直线拟合过程分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态。先处于捕获状态，置状态标志LOCK=0，清计数器Lcnt=0。若检测到τ(n)＜τ_min值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)=w₀(n)。

求估计的直线斜率w₀(n)的差分值：Δw₀(n)＝w₀(n)-w₀(n-1)，若|Δw₀(n)|＜＝T_w，则Lcnt加1；当Lcnt大于设定值后，进入锁定跟踪状态，置LOCK=1，清计数器Lcnt=0。T_w为设定的判决门限值。

7）在跟踪状态，LOCK=1。若检测到τ(n)＜τ_min值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w₀(n)的差分值；若|Δw₀(n)|＜＝T_w，则确认本帧是固有时延帧，迭代参数有效，置dK(n)=w₀(n)，并清计数器Lcnt=0；若|Δw₀(n)|＞T_w，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数S_k,P_k,W_n丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n)=dK(n-1)，计数器Lcnt加1；若计数器Lcnt值大于设定值，则确认为失锁，置LOCK=0，清计数器Lcnt=0，重新进入捕获状态。

8）A、B节点时钟同步参数：K(n)=K0+dK(n)。

9）进一步可用两状态最小二乘直线拟合处理方法，用K(n)代替τ_min(n)，n代替CA(n)作为输入，λ＝0.997,拟合K(n)估计值作为输出：

$\stackrel{\‾}{K}\left(n\right)=a_0\left(n\right)\·n+a_1\left(n\right);$

式中，a₀(n)为估计的直线斜率，a₁(n)为估计的直线截距。

10）在算法具体实施中，一般ACOUNT计数器设置为32bit，当ACOUNT计数器满时，下一个计数值将回零，需进行计数器回绕处理，即若ΔCA(n)＜0，则ΔCA(n)＝ΔCA(n)+(CA_max+1)；式中CA_max为ACOUNT计数器的最大值。当BCOUNT计数器满时类似处理。

11）在以太网电路仿真应用中，用K(n)值控制小数分频电路，修正B节点时钟CLKB，再用锁相环电路消除时钟抖动，可得到恢复的A节点时钟。

12）在以太网单向随机时延测量应用中，用K(n)按下式计算随机时延值：

τ(n)＝τ(n-1)+[ΔCB(n)-K0*ΔCA(n)];n=2,3,……；

可以消除A、B节点时钟不同步的影响。

图6为局域以太网中，用本实施例实测的A、B节点时钟未同步时的随机时延值，可以看到明显的时钟不同步产生的随机时延最小值变化。时延单位为时钟周期数。

图7为局域以太网中，用本实施例实测的A、B节点时钟同步时的随机时延值，可以看到随机时延最小值几乎无变化，表明A、B节点时钟频率相等。

以上结合附图，实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员可根据本发明内容，在具体实施中作出各种具体实施方案变动，本实施例的具体细节不构成对本发明的限制，本领域的技术人员对本申请的技术方案作出的非必要的添加或等效的替换，均视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种分组网中时钟频率同步方法，其特征在于采用如下步骤：

1)源节点A定时发送同步帧，同步帧中包含发帧时刻值；目标节点B接收同步帧，并记录同步帧接收时刻值；

2)源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量；目标节点B的帧接收时刻CB由目标节点B节点的时钟CLKB度量；

源节点A、目标节点B发送和接收一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列{CA(1),CA(2)，…,CA(n),…},{CB(1),CB(2)，…,CB(n),…}，n为帧计数值；

3)源节点A与目标节点B的时钟是异步的，即存在一定的频率差，设CLKA的时钟周期为TA(n)，CLKB的时钟周期为TB(n)，定义时钟周期比值K(n)＝TB(n)/TA(n)，则在目标节点B从同步帧收发时刻序列中求出K(n)值，用K(n)值修正CLKB，得到恢复的源节点A时钟CLKA，实现时钟频率的同步；

4)在步骤3)所述的K(n)值的求解步骤如下：

首先，定义源节点A、目标节点B间帧时延值：

τ(n)＝τ(n-1)+[ΔCB(n)-K0*ΔCA(n)]；n＝2,3,……；

式中，ΔCB(n)＝CB(n)-CB(n-1),ΔCA(n)＝CA(n)-CA(n-1),τ(1)＝0；

K0为设定的K(n)初值，为常数；合理设定K0值，使帧时延值τ(n)的最小值随n减小；

其次，设置当前最小时延值τ_min初值为一个大正整数，并逐帧作如下处理：

a)如果满足τ(n)<τ_min的条件，则认为是固有延时帧，执行如下操作：

τ_min＝τ(n)；

τ_min(n)＝τ(n)；

{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}；

b)如果满足τ(n)>＝τ_min的条件，则认为是随机延时帧，执行如下操作：

{本帧τ(n)值丢弃；保持上帧最小二乘法迭代参数不变}；

5)在步骤4)中所述最小二乘法迭代算法用{τ_min(n)}和对应{CA(n)}作为输入，即τ_min(n)的估计值为：

${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&tau;}}}_{\min }\left(n\right)=w_0\left(n\right)\&CenterDot;\mathrm{CA}\left(n\right)+w_1\left(n\right)$

式中，w₀(n)为估计的直线斜率，w₁(n)为估计的直线截距；

估计误差： $e\left(n\right){\mathrm{\&tau;}}_{\min }\left(n\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&tau;}}}_{\min }\left(n\right)$

最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中，λ为遗忘系数，按实际情况合理设置；

6)在步骤5)所述最小二乘迭代算法分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态，称两状态最小二乘直线拟合处理方法；

7)在步骤6)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法首先处于捕获状态，若检测到τ(n)<τ_min值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)＝w₀(n)；求估计的直线斜率w₀(n)的差分值：Δw₀(n)＝w₀(n)-w₀(n-1)，若|Δw₀(n)|持续小于设定门限值，则进入跟踪状态；

8)在步骤7)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法在跟踪状态，若检测到τ(n)<τ_min值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w₀(n)的差分值；若|Δw₀(n)|小于等于设定门限值，则确认本帧是固有时延帧，更新迭代参数有效，置dK(n)＝w₀(n)；若|Δw₀(n)|大于设定门限值，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n)＝dK(n-1)；若|Δw₀(n)|持续大于设定值，则确认为失锁，重新进入捕获状态；

9)源节点A、目标节点B的时钟频率同步参数为：K(n)＝K0+dK(n)；

求出K(n)值后，进一步用两状态最小二乘直线拟合处理方法滤波，即用K(n)代替τ_min(n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值作为滤波输出： $\stackrel{\&OverBar;}{K}\left(n\right)=a_0\left(n\right)\&CenterDot;n+a_1\left(n\right)$ ；

式中，a₀(n)为估计的直线斜率，a₁(n)为估计的直线截距。