CN102932083B - 一种微波同步对时的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波同步对时的方法和装置，该方法包括：当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，从设备在TDM数据帧中插入同步信息，并记录TDM数据帧的发送时刻T1；当主设备检测到带有同步信息的TDM数据帧时，记录接收TDM数据帧的时刻T2；主设备把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到另一TDM数据帧，并把另一TDM数据帧发送至从设备；当从设备检测到带有响应信息的TDM数据帧时，记录接收另一TDM数据帧的时刻T4，并提取所述T2和T3；从设备根据T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据偏移值调整从设备时间戳信息。本发明通过记录TDM数据帧在主设备和从设备的收发时刻实现主从设备之间的微波空口的对时操作。

Description

一种微波同步对时的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线时间同步技术，特别涉及一种微波同步对时的方法和装置。

背景技术

微波通信技术已经问世半个多世纪了，指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行视距间的中继通信的方式。当前，数字微波通信和光纤、卫星一起被称为现代通信传输的三大支柱。

当前微波通信主要应用于移动Backhual的网络，实现基站和基站控制器之间的数据业务回传，在这个回传网中，业务数据包括同步业务和准同步业务，也包括异步的以太网数据，所以微波网的作用不仅是回传数据，而且要实现时钟传递的功能。在时钟传递方面，基站控制器不仅要提供可靠稳定的同步时钟给基站，同时也要通过微波网传送时间信息，实现整网的时间同步。

在时间同步技术上，传统的实现方法是为每个基站都配置一个GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)接收机，由GPS提供同步时间，来实现全网设备的时间同步。随着NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)技术的发展和成熟，从GPS系统的安全性、稳定性以及成本上考虑，承载网络和微波网络逐渐采用1588 V2时间同步协议来实现全网设备的时间同步。

微波设备在Backhual网络中的组网示意如图1所示，图示中的基站控制器和基站之间是一片由微波设备组成的微波网络。假设基站控制器是主站点，那么基站就是从站点，主从站点之间就需要通过1588 V2协议穿越微波网络来实现时间同步。众周所知，1588 V2协议实现时间同步的一个前提条件就是要满足上下行链路的延时对称，很显然上下行的1588报文在穿越微波网络时其延时完全不对称，要实现基站和基站控制器之间的时间同步就必须使用全网TC(Transmission Clock，透传时钟)模式或者逐点TC模式。实现全网TC模式或者逐点TC模式要求每个设备之间的时间戳要做到同步，而微波设备是通过微波的形式对接，所以基于以上的分析，实现微波空口之间时间同步是必要条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波同步对时的方法和装置，用于解决基站和基站控制器之间微波空口时间同步的问题

根据本发明的一个方面，提供了一种微波同步对时的方法，包括以下步骤：

A、当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，从设备在TDM(Time DivisionMultiplexer，时分复用)数据帧中插入同步信息，并记录TDM数据帧的发送时刻T1；

B、当主设备检测到带有同步信息的TDM数据帧时，记录接收TDM数据帧的时刻T2；

C、主设备把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到另一TDM数据帧，并把另一TDM数据帧发送至从设备；

D、当从设备检测到带有响应信息的TDM数据帧时，记录接收另一TDM数据帧的时刻T4，并提取所述T2和T3；

E、从设备根据T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据偏移值调整从设备时间戳信息。

优选的，从设备通过以下公式计算得到偏移值：

T2-T1＝偏移值+延时时间；以及

T4-T3＝-偏移值+延时时间。

优选的，在步骤A之前，还包括：

同步主设备和从设备的系统工作频率；

同步主设备的以太网接入单元中第一时间戳计数器和调制解调单元中第二时间戳计数器的工作频率。

优选的，步骤E还包括：

同步从设备的以太网接入单元中第四时间戳计数器和调制解调单元中的第三时间戳计数器的工作频率。

优选的，步骤E还包括：

从设备连续多次与主设备进行微波同步对时操作，得到多个偏移值；

从设备根据多个偏移值得到偏移值的平均值，并根据平均值调整调制解调单元中的第三时间戳计数器的时间信息。

根据本发明的另一方面，提供了一种微波同步对时的装置，包括：

从设备，用于当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，在TDM数据帧中插入同步信息，并记录TDM数据帧的发送时刻T1；

主设备，用于当主设备检测到带有同步信息的TDM数据帧时，记录接收TDM数据帧的时刻T2，并把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到另一TDM数据帧，再把另一TDM数据帧发送至从设备；

其中，从设备还用于当检测到带有响应信息的另一TDM数据帧时，记录接收另一TDM数据帧的时刻T4，并提取T2和T3，再根据T1、T2、T3和T4计算得到的偏移值调整从设备时间戳信息。

优选的，从设备还包括：

从设备以太网接入单元，用于接入以太网数据；

从设备调制解调单元，用于调制从设备发送的数据和解调从设备接收的数据。

优选的，主设备还包括：

主设备以太网接入单元，用于接入以太网数据；

主设备调制解调单元，用于调制主设备发送的数据和解调主设备接收的数据。

优选的，从设备调制解调单元包括：

第三时间戳计数器，用于记录T1和T4；

从设备计算调整单元，用于通过以下公式计算得到偏移值：

T2-T1＝偏移值+延时时间；

T4-T3＝-偏移值+延时时间。

优选的，主设备调制解调单元包括：

第二时间戳计数器，用于记录T2和T3，并把T2和T3插入另一TDM数据帧。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明通过记录TDM数据帧在主设备和从设备的收发时刻实现主从设备之间的微波空口的对时操作。

附图说明

图1是现有技术提供的微波设备在Backhual网络中的时钟传递示意图；

图2是本发明提供的微波同步对时的方法流程示意图；

图3是本发明提供的微波同步对时的装置示意图；

图4是本发明实施例提供的调制解调单元实现微波空口对时机制的框图；

图5是本发明实施例提供的TDM数据帧格式；

图6是本发明实施例提供的微波空口对时机制的报文处理流程图；

图7是本发明实施例提供的微波空口对时补偿机制工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2显示了本发明提供的微波同步对时的方法流程示意，如图2所示：

步骤S201，当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，从设备在TDM数据帧的帧头字段中插入同步信息，并记录TDM数据帧的发送时刻，记为T1。

在此之前，需要同步主设备和从设备的系统工作频率，以及同步主设备的以太网接入单元中第一时间戳计数器和调制解调单元中第二时间戳计数器的工作频率。然后同步主设备中以太网接入单元的第一时间戳计数器和主设备调制解调单元的第二时间戳计数器。

步骤S202，当主设备检测到带有同步信息的TDM数据帧时，记录接收TDM数据帧的时刻，记为T2。

步骤S203，主设备根据接收到带有同步信息的TDM数据帧在另一TDM数据帧的帧头字段插入响应信息，把T2和发送响应信息的时刻T3插入到另一TDM数据帧的时间字段，再把该另一TDM数据帧发送至从设备。

步骤S204，当从设备检测到带有响应信息的另一TDM数据帧时，记录接收另一TDM数据帧的时刻T4，并提取所述T2和T3，到此，从设备具有四个时刻值，即T1、T2、T3、T4。

步骤S205，从设备根据T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据偏移值调整从设备时间戳信息。其中，从设备通过以下公式计算得到偏移值：T2-T1＝偏移值+延时时间；T4-T3＝-偏移值+延时时间。

在此之后，同步从设备的以太网接入单元中第四时间戳计数器和调制解调单元中的第三时间戳计数器的时间信息。

此外，可以采用以下办法减少偏移值的误差：从设备连续多次与主设备进行微波同步对时操作，得到多个偏移值，然后，从设备根据多个偏移值计算得到偏移值的平均值，并根据平均值调整调制解调单元中的第三时间戳计数器的时间信息。

图3显示了本发明提供的微波同步对时的装置示意，如图3所示，主设备和从设备分别包括以太网接入单元、调制解调单元和背板。

主设备和从设备的以太网接入单元用于接入以太网数据，包括1588 V2协议的数据报文。

主设备和从设备的调制解调单元用于调制发送的数据到微波频段和解调接收到的微波频段的数据。

主设备和从设备的背板是用于连接设备上的各个板卡，如以太网接入单元的以太网单板和调制解调单元的调制解调单板，以实现各个板卡之间的数据交互。

其中，从设备调制解调单元当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，在时分复用TDM数据帧中插入同步信息，并记录TDM数据帧的发送时刻T1。从设备调制解调单元的第三时间戳计数器，用于记录T1和T4。从设备调制解调单元的计算调整单元，用于计算偏移值，偏移值通过以下公式计算：T2-T1＝偏移值+延时时间，T4-T3＝-偏移值+延时时间。

主设备调制解调单元当主设备检测到带有同步信息的TDM数据帧时，记录接收TDM数据帧的时刻T2，并把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到另一TDM数据帧，再把另一TDM数据帧发送至从设备。主设备调制解调单元包括第二时间戳计数器，用于记录T2和T3，并把T2和T3插入该另一TDM数据帧。

其中，从设备调制解调单元还用于当检测到带有响应信息的另一TDM数据帧时，记录接收另一TDM数据帧的时刻T4，并提取T2和T3，再根据T1、T2、T3和T4计算得到的偏移值调整从设备时间戳信息。

图4显示了本发明实施例提供的调制解调单元实现微波空口对时机制的框图，如图4所示，当从设备需要和上一级的主站点进行一次时间同步操作时，从设备在TDM数据帧的帧头字段插入特殊字符，标识此时需要发起同步操作，例如，可以插入0x55，同时记下TDM数据帧的帧头字段发送出TDM通道口的时刻值，为T1。

主设备收到TDM数据帧时，当采样发现帧头字段是0x55，说明这个TDM数据帧需要进行空口对时协议处理，则立即记下该TDM数据帧进入TDM通道口的时刻，为T2。

主设备需要在下一个TDM数据帧里把T2内容插入到TDM帧的时间字段里，同时记下TDM数据帧的帧头字段发送出TDM通道口的时刻值，为T3，同样T3也放在当前TDM数据帧的时间字段里。此时也把该TDM数据帧的帧头字段修改为特殊字符，标识为响应操作，例如，可以插入0X56。

从设备收到TDM数据帧时，当采样发现帧头字段是0x56时，确认是响应操作，则立即记下TDM数据帧时该进入TDM通道的时刻值，为T4。

通过以上操作步骤可知，从设备是主动和主设备发起对时操作，而主设备是被动的响应。在从设备的调制解调单元中，就可以获取T1、T2、T3、T4四个时间戳。根据以下的计算公式：T2-T1＝偏移值+延时时间；T4-T3＝-偏移值+延时时间，很容易计算出偏移值，这个偏移值表明主从设备之间的时间戳计数器的偏移值，直接用这个偏移值来调整从设备的时间戳信息即可完成主从设备之间的时间戳同步。

图5显示了本发明实施例提供的TDM数据帧格式，如图5所示，帧头/PP1S表示TDM数据帧的帧头，在数据的接收端要通过搜索这个帧头来实现TDM数据帧的同步。而1PPS字段信息的作用是利用这个字段信息来标志TDM数据帧里是否有同步操作，TDM数据帧里是否有时间戳信息。

时间戳的参考平面的选取采用1PPS字段进入或者送出TDM数据通道口的时刻为参考时间平面。具体解释为：在发送时，需要发送同步操作时，把这个字段设置为0x55，当逻辑开始把这个TDM数据帧送出时，记下1PPS字段刚好送到TDM通道口的时刻，同理在接收时，当逻辑从TDM通道口采样接收数据时，采样发现1PPS字段是0x55时，记下当前的时刻。

图6显示了本发明实施例提供的微波空口对时机制的报文处理流程，如图6所示，从设备发起对时命令，从设备得到T1，主设备响应命令，并把T2和T3传递给从设备，从设备再得到T4。当从设备完整地得到T1、T2、T3和T4后计算时间戳的偏移值。

图7显示了本发明实施例提供的微波空口对时补偿机制工作示意，微波空口对时机制，有个前提条件是满足微波空口传输部分的上下行链路延时要对称，即上下行链路的延时要一样。但在微波传输系统中，由于上下行链路的调制方式不同，以及收端的工作时钟频率的差异，很难保证上下行链路的延时一样，即计算公式T2-T1＝偏移值+延时时间，T4-T3＝-偏移值+延时时间中的延时时间不同，从而导致计算出来的偏移值有偏差。为了纠正或者弥补这个偏差，本发明微波空口对时的基础上提出了优化策略。如图7所示，每个设备的发送端都是采用系统时钟，同时主设备和从设备的系统时钟是同步的，即工作频率相同。在设备收端的工作时钟可以选择为系统时钟或者是通过DDS电路从接收数据码流里恢复出来的时钟，两者是通过一个选择器来选择。

针对于收端选择不同工作时钟，在FPGA里采用不同的补偿机制。

当收端采用DDS电路恢复出来的时钟作为工作时钟时，由于恢复出来的时钟受到接收端的数据码流影响，导致两个设备接收端的工作时钟不同步，从而影响到时间戳采样的误差，同时由于上下行链路采用不同的调制方式，就体现出上下行链路不对称的现象。通过上面描述的计算公式得到的偏移值是一个随时变化的值。为了修正这个随时变化的偏移值，实验测试得到偏移值呈正态分布，所以逻辑里做了一个可配置的滤波处理，当配置开启滤波时，从设备需要连续32次或者更多次数的同步操作得到若干个偏移值，然后进行一个平均计算，得到一个修正的偏移值来调整从设备调制解调单元上的时间戳信息，来实现微波空口时间戳同步。

当收端采用系统时钟作为模块工作时钟时，由于两个设备系统时钟是完全同步的，从而能保证上下行链路的延时固定且稳定，但是上下行链路延时不一定对称，同样会体现出上下行链路不对称的现象。通过计算公式T2-T1＝偏移值+延时时间，T4-T3＝-偏移值+延时时间得到的偏移值是一个有固定偏差的值。为了修正这个有固定偏差的偏移值，逻辑通过多次读取调制解调芯片里发端和收端FIFO(First Input First Output，先入先出队列)的水位值，分别把上下行链路上的两个个FIFO水位值相加得到一个总和，这个总和的大小就体现了链路延时的大小。然后把上下行的总和做一个差值然后再平均计算，根据空口传输的速率就可以换算得到上下行链路的固定时间差，逻辑在把这个时间差补偿到偏移值里，之后再来调整从设备调制解调单元上的时间戳信息，来实现微波空口时间戳同步。

微波设备通过空口对时的机制，可以保证两个微波设备上的时间戳同步。每发送一个帧就能完成一次同步操作。通过实验测试证明，采用本发明的空口对时方法后，对时精度能达到50ns以内。

综上所述，本发明具有以下技术效果：本发明提供了一种可以实现两个微波设备空口对时的机制，保障了采用全网TC模式或者逐点的TC模式来实现基站和基站控制器之间的微波空口的时间同步。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波同步对时的方法，其特征在于，包括以下步骤：

当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，从设备在第一TDM数据帧中插入同步信息，并记录所述第一TDM数据帧的发送时刻T1；

当主设备检测到带有同步信息的第一TDM数据帧时，记录接收所述第一TDM数据帧的时刻T2；

主设备把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到用于发送给从设备的第二TDM数据帧，并把所述第二TDM数据帧发送至从设备；

当从设备检测到带有响应信息的第二TDM数据帧时，记录接收所述第二TDM数据帧的时刻T4，并提取所述T2和T3；以及

从设备根据所述T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据所述偏移值调整所述从设备时间戳信息；

其中，所述TDM是时分复用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从设备通过以下公式计算得到偏移值：

T2-T1＝偏移值+延时时间；以及

T4-T3＝-偏移值+延时时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在从设备需要和主设备进行同步对时操作之前，还包括：

同步所述主设备和所述从设备的系统工作频率；以及

同步所述主设备的以太网接入单元中第一时间戳计数器和调制解调单元中第二时间戳计数器的工作频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的从设备根据所述T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据所述偏移值调整所述从设备时间戳信息还包括：

同步所述从设备的以太网接入单元中第四时间戳计数器和调制解调单元中的第三时间戳计数器的工作频率。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的从设备根据所述T1、T2、T3和T4计算得到偏移值，并根据所述偏移值调整所述从设备时间戳信息还包括：

从设备连续多次与主设备进行微波同步对时操作，得到多个偏移值；以及

从设备根据所述多个偏移值得到偏移值的平均值，并根据所述平均值调整调制解调单元中的第三时间戳计数器的时间信息。

6.一种微波同步对时的装置，其特征在于，包括：

从设备，用于当从设备需要和主设备进行同步对时操作时，在第一TDM数据帧中插入同步信息，并记录所述第一TDM数据帧的发送时刻T1；以及

主设备，用于当主设备检测到带有同步信息的第一TDM数据帧时，记录接收所述第一TDM数据帧的时刻T2，并把响应信息、T2和发送响应信息的时刻T3插入到用于发送给从设备的第二TDM数据帧，再把所述第二TDM数据帧发送至从设备；

其中，所述从设备还用于当检测到带有响应信息的第二TDM数据帧时，记录接收所述第二TDM数据帧的时刻T4，并提取所述T2和T3，再根据所述T1、T2、T3和T4计算得到的偏移值调整所述从设备时间戳信息；

其中，所述TDM是时分复用。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述从设备还包括：

从设备以太网接入单元，用于接入以太网数据；

从设备调制解调单元，用于调制从设备发送的数据和解调从设备接收的数据。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述主设备还包括：

主设备以太网接入单元，用于接入以太网数据；

主设备调制解调单元，用于调制主设备发送的数据和解调主设备接收的数据。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述从设备调制解调单元包括：

第三时间戳计数器，用于记录T1和T4；以及

从设备计算调整单元，用于通过以下公式计算得到偏移值：

T2-T1＝偏移值+延时时间；

T4-T3＝-偏移值+延时时间。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述主设备调制解调单元包括：

第二时间戳计数器，用于记录T2和T3，并把T2和T3插入所述第二TDM数据帧。