CN104270218B

CN104270218B - 频率校正方法

Info

Publication number: CN104270218B
Application number: CN201410554663.8A
Authority: CN
Inventors: 连家豪
Original assignee: Zhonglei Electronic (suzhou) Co Ltd; Sercomm Corp
Current assignee: Zhonglei Electronic (suzhou) Co Ltd; Sercomm Corp
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: EP3010168B1; TWI558136B; TW201616839A; CN104270218A; EP3010168A1

Abstract

一种频率校正方法，应用于电子装置，方法包括：于第一时间点传送第一请求封包至时间服务器，于第二时间点接收该时间服务器回应于第一请求封包的第一回应封包。于第三时间点传送第二请求封包至时间服务器，于第四时间点接收时间服务器回应于第二请求封包的第二回应封包。第三时间点与第一时间点相差第一间隔时间，第四时间点与第二时间点相差第二间隔时间。根据第一间隔时间以及第二间隔时间至少其中之一者、第一回应封包以及第二回应封包，校正电子装置的时脉频率。

Description

频率校正方法

技术领域

本发明涉及一种频率校正方法，且特别涉及一种利用时间服务器的频率校正方法。

背景技术

近年来无线移动通讯已被广泛应用于日常生活中，随着使用者对于传输速率以及高速移动状态下通讯的需求，目前已有第四代移动通讯技术标准(4G)。而长期演进技术(Long Term Evolution,LTE)为第三代合作计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)所制定的4G无线移动宽频通讯系统，对于LTE网络架构的无线部分E-UTRAN(EvolvedUniversal Terrestrial Radio Access Network)，为了降低干扰程度以及达到基站(BaseStation)之间能顺利换手(Handover)，3GPP对于E-UTRAN各基站的载波频率精确度订定了标准规范，大型基站、中型基站及小型基站的载波频率精确度分别需要在±0.05ppm、±0.1ppm及±0.25ppm的范围，例如对于频率是1.9GHz的载波，0.1ppm代表仅能有190Hz的频率误差。

由于对于载波频率有严苛的要求，而高精密度的振荡器成本过高，在无线通讯电子装置中，如何能够有效达成频率同步，以符合容许的频率误差规范，乃目前业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率校正方法，使得电子装置能够藉由与时间服务器互相传送封包，而校正电子装置的时脉频率。

根据本发明的第一方面，提出一种频率校正方法，应用于电子装置，方法包括下列步骤：于装置端第一时间点，传送第一请求封包至时间服务器；于装置端第二时间点，接收时间服务器回应于第一请求封包的第一回应封包；于装置端第三时间点，传送第二请求封包至时间服务器，装置端第三时间点与装置端第一时间点相差装置端第一间隔时间；于装置端第四时间点，接收时间服务器回应于第二请求封包的第二回应封包，装置端第四时间点与装置端第二时间点相差装置端第二间隔时间；以及根据装置端第一间隔时间以及装置端第二间隔时间至少其中之一者、第一回应封包以及第二回应封包，校正该电子装置的时脉频率。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示网络时间协定的封包传送时序示意图；

图2绘示依据本发明频率校正方法的封包传送时序示意图；

图3绘示依据本发明频率校正方法第一实施例的流程图；

图4绘示依据本发明频率校正方法第二实施例的流程图；

图5绘示应用本发明频率校正方法的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

无线通讯系统中，对于载波频率有误差范围的规范，因此于系统中的各基站，需能执行频率校正的程序。此处以一般小型基站作为例子，说明如何通过网络连接而达到频率校正的功能。小型基站(例如是eNodeB)是发射无线载波以使得使用者设备(例如手机)可连接至移动电话网络的电子装置，而小型基站可通过网络连接到一个时间服务器，例如是网络时间协定(Network Time Protocol,NTP)服务器，以取得精确的时间信息。

图1绘示网络时间协定的封包传送时序示意图。图1的电子装置C1例如是上述的小型基站，而时间服务器S1例如是上述的NTP服务器。电子装置C1在时间点t0传送请求封包Req到时间服务器S1，时间服务器S1在时间点t1收到请求封包Req，并回应于此请求封包Req，时间服务器S1于时间点t2传送回应封包Res到电子装置C1，时间服务器S1并将时间戳记t1与t2记录于此回应封包Res中，电子装置C1于时间点t3收到回应封包Res，可以从中获取时间戳记t1与t2，得知时间服务器端S1的时间信息。

电子装置端C1的时间点t0及t3是由电子装置C1本身所记录，即根据电子装置C1的振荡器频率产生的时脉信号而得到的时间；相对的，时间戳记t1与t2则是由时间服务器S1所记录，是根据时间服务器S1较精确的时脉信号而得到的时间。电子装置C1与时间服务器S1之间存在有时间偏移量T_offset，因此，若请求封包Req的真实传递延迟时间是D，根据两装置各别所记录的时间戳记t1与t0之间的差值则会是D+T_offset。以下详细说明如何计算时间偏移量T_offset。

假设电子装置C1到时间服务器S1之间的上行通讯延迟与下行通讯延迟相等，即请求封包Req的传递延迟时间等于回应封包Res的传递延迟时间，则多个时间戳记之间的关系如以下运算式：

t1＝t0+D+T_offset

t3+T_offset＝t2+D

时间偏移量T_offset＝[(t1-t0)+(t2-t3)]/2

传递延迟时间D＝(t3-t0)-(t2-t1)

如以上运算式所示，可根据电子装置C1本身记录的时间以及回应封包Res当中的时间戳记，计算出时间偏移量T_offset以及传递延迟时间D。当根据时间偏移量T_offset将电子装置C1的时间调整为与时间服务器S1的时间相同后，经过一段间隔时间，再次执行前述的动作而仍然有时间偏移量T_offset产生时，即代表电子装置C1本身的时脉频率有误差，可根据时间偏移量T_offset计算频率误差f_err以调整电子装置C1的时脉频率。

上述作法假设上行网络与下行网络的延迟时间相同，才能根据上述运算式计算出时间偏移量T_offset。然而当处于非对称网络环境中，例如电子装置C1通过非对称数字用户线路(ADSL)连接至时间服务器S1，此假设便无法成立。在这样的环境中，上行网络与下行网络的延迟时间不相同，而要能够利用上述方式求得时间偏移量T_offset，必须先求得上行网络与下行网络的封包延迟时间差异(Packet Delay Variation,PDV)，例如必须通过在短时间内送出大量封包，以及复杂的PDV演算法计算，如此又造成多余的网络频宽负载以及处理器的运算负载。

以下实施例另提出一种可适用于对称网络环境以及非对称网络环境中的频率校正方法，即使在上下传的封包延迟时间不同的系统，也能校正电子装置的时脉频率。

请一并参考图2以及图3，图2绘示依据本发明频率校正方法的封包传送时序示意图，图3绘示依据本发明频率校正方法第一实施例的流程图。图2中的电子装置C2例如是小型基站，时间服务器S2例如是网络时间协定(NTP)服务器或是精确时间协定(PrecisionTime Protocol,PTP)服务器，电子装置C2经由网络连接至时间服务器S2。

本发明提出一种频率校正方法，应用于一电子装置C2，方法包括以下步骤：

步骤30，电子装置C2于装置端第一时间点t0，传送第一请求封包Req1至时间服务器S2。时间服务器S2于服务端第一时间点t1收到第一请求封包Req1，并回应于第一请求封包Req1，于服务端第二时间点t2传送第一回应封包Res1至电子装置C2，并将服务端第一时间戳记t1与服务端第二时间戳记t2记录于第一回应封包Res1中。步骤32，电子装置C2于装置端第二时间点t3接收第一回应封包Res1，可从中获取时间戳记t1与t2。

步骤34，电子装置C2会在等待一段间隔时间后，例如是间隔数十秒或是数百秒之后，于装置端第三时间点t4传送第二请求封包Req2至时间服务器S2，装置端第三时间点t4与装置端第一时间点t0相差装置端第一间隔时间X’(X’＝t4-t1)。时间服务器S2于服务端第三时间点t5收到第二请求封包Req2，并回应于第二请求封包Req2，于服务端第四时间点t6传送第二回应封包Res2至电子装置C2，并将服务端第三时间戳记t5与服务端第四时间戳记t6记录于第二回应封包Res2中。步骤36，电子装置C2于装置端第四时间点t7接收第二回应封包Res2，可从中获取时间戳记t5与t6，装置端第四时间点t7与装置端第二时间点t3相差装置端第二间隔时间Y’(Y’＝t7-t3)。

上述步骤中，于电子装置C2与时间服务器S2之间，两次来回地传递封包，因此能够得到装置端在两次传递封包之间以及两次接收封包之间的间隔时间信息，并且能从第一回应封包Res1以及第二回应封包Res2得到服务端的时间信息。因此于步骤38，可以根据这样的间隔时间信息、第一回应封包Res1以及第二回应封包Res2，校正电子装置C2的时脉频率fCLK。

具体而言，因第一回应封包Res1包括服务端第一时间戳记t1及服务端第二时间戳记t2，第二回应封包Res2包括服务端第三时间戳记t5及服务端第四时间戳记t6，而能够得知时间服务器S2于两次收到请求封包的服务端第一间隔时间X，X＝(t5-t1)，并且能够得知时间服务器S2于两次传送回应封包的服务端第二间隔时间Y，Y＝(t6-t2)。

假设每次上传封包的延迟时间相同，则装置端第一间隔时间X’与服务端第一间隔时间X之间的第一时间偏移量T_offset1(X’＝X+T_offset1)即导因于电子装置C2的频率误差f_err。同理，假设每次下传封包的延迟时间相同，装置端第二间隔时间Y’与服务端第二间隔时间Y之间的第二时间偏移量T_offset2(Y’＝Y+T_offset2)即导因于电子装置C2的频率误差f_err。根据这样的时间偏移量信息，可以求得电子装置C2的频率误差f_err，以校正电子装置C2的时脉频率f_CLK。

于实作中可以有多种不同的运算方式，以下例示性说明几种可能的运算方式。

第1种方式：根据两次上传封包的间隔时间计算。第一时间偏移量T_offset1等于装置端第一间隔时间X’减去服务端第一间隔时间X(T_offset1＝X’-X)，此时间偏移量是导因于第一频率误差f_err1经过一段时间累积的结果，第一频率误差f_err1例如是电子装置C2平均每秒的时间偏移量。而由于时间服务器S2的时间是相对精确的，因此计算平均每秒的时间偏移量时，是以服务端第一间隔时间X作为分母。第一频率误差f_err1等于第一时间偏移量T_offset1相对于服务端第一间隔时间X的比值{f_err1＝T_offset1/X＝[(t4-t0)-(t5-t1)]/(t5-t1)}。

第2种方式：根据两次下传封包的间隔时间计算。第二时间偏移量T_offset2等于装置端第二间隔时间Y’减去服务端第二间隔时间Y(T_offset2＝Y’-Y)。第二频率误差f_err2等于第二时间偏移量T_offset2相对于服务端第二间隔时间Y的比值{f_err2＝T_offset2/Y＝[(t7-t3)-(t6-t2)]/(t6-t2)}。

第3种方式：综合考虑上传与下传。如前所述方式计算出第一频率误差f_err1与第二频率误差f_err2，进一步计算出第三频率误差f_err3，并根据第三频率误差f_err3调整电子装置C2的时脉频率f_CLK，其中第三频率误差f_err3例如是第一频率误差f_err1及第二频率误差f_err2的线性组合，例如根据以下公式计算：

f_err3＝α*f_err1+β*f_err2(α,β∈[0,1],α+β＝1)

以实际例子说明，电子装置C2于送出第一请求封包Req1与第二请求封包Req2之间间隔400秒，装置端第一间隔时间X’＝400s。根据第一回应封包Res1以及第二回应封包Res2当中的时间戳记，计算出服务端第一间隔时间X＝400.0006s，则第一频率误差f_err1＝(400-400.0006)/(400.0006)＝-1.5ppm，电子装置C2可根据第一频率误差f_err1调整其时脉频率f_CLK。

于上述实施例的频率校正方法，在计算频率误差时，根据在装置端与服务端的间隔时间差异而求得时间偏移量。具体而言，是根据两次上传封包的间隔时间(相关于图2中的时间点t0,t1,t4,t5)，及/或是根据两次下传封包的间隔时间(相关于图2中的时间点t2,t3,t6,t7)。因此，频率误差计算是基于单方向的传输，不受网络上传与下传速率不一致的影响，不论是对称或是非对称的网络系统，皆可适用此频率校正方法。

如图2所示，倘若上传速率较下传速率低，则t0到t1的间隔较长，Req1线段的斜率绝对值会较Res1线段的斜率绝对值小，然而，t4到t5之间的Req2线段斜率也同样随之改变，仍是近似于平行Req1线段，因此在服务端与装置端的时间偏移量T_offset仍是导因于装置端的频率误差f_err，不受上下传的传输速率不一致而影响运算。

此外，依据本发明上述实施例的频率校正方法，所需的运算简单，无需复杂的运算处理能力，且此频率校正方法不需要时间同步(或相位同步)，即无需将装置端的时脉相位精准对齐到服务端的时脉相位，因此，实现此频率校正方法，能够有效降低电子装置的硬体负载以及处理时间负载。

如前所述，上述实施例的频率校正方法假设每次上传时的封包延迟时间相同，每次下传时的封包延迟时间相同，为了更进一步考虑每次传送封包时的可能延迟时间差异，本发明更提出以下第二实施例。

图4绘示依据本发明频率校正方法第二实施例的流程图。与第一实施例相同，在传送两次封包之间等待间隔时间(步骤33)，与第一实施例的差别在于，更包括步骤37，判断两次封包传送的来回通讯延迟差值。当此差值不大于一临界值Th时，如第一实施例执行步骤38以计算频率误差f_err。而当此差值大于一临界值Th时，执行步骤39，等待一重新传送间隔时间Tr之后，再次执行步骤34传送第二请求封包Req2至时间服务器S2。详细说明如下。

当电子装置C2收到第一回应封包Res1时，计算传送第一请求封包Req1到收到第一回应封包Res1的第一来回通讯延迟RTD1。请参考图2，第一来回通讯延迟RTD1的计算方式可以是仅考虑装置端的收发时间(t3-t0)，或是进一步扣掉服务端的处理时间(t3-t0)-(t2-t1)。当收到第二回应封包Res2时，计算传送第二请求封包Req2到收到第二回应封包Res2的第二来回通讯延迟RTD2。第二来回通讯延迟RTD2的计算方式与第一来回通讯延迟RTD1相同，可以是(t7-t4)或是(t7-t4)-(t6-t5)。

计算第二来回通讯延迟RTD2与第一来回通讯延迟RTD1的差值(∣RTD2-RTD1∣)，若此差值大于一临界值Th，则代表这两次传送封包时的路径延迟差异过大，可能是两次上传时的延迟不同，或是两次下传时的延迟不同，也有可能是导因于其中一端的处理器突然负载加重而造成的延迟。在这种情况下不应视为相同的传输路径延迟，此次取样不列入计算，需等待重新传送间隔时间Tr后，重新传送第二请求封包Req2至时间服务器S2，并且再次确认是否第二来回通讯延迟RTD2近似于第一来回通讯延迟RTD1。当第二来回通讯延迟RTD2近似于第一来回通讯延迟RTD1时，才计算频率误差f_err以校正频率。

电子装置C2在两次传送封包之间的装置端第一间隔时间X’例如是300秒，而当不接受取样而需重新传送的重新传送间隔时间Tr例如是1秒，重新传送间隔时间Tr小于装置端第一间隔时间X’。

实作中，电子装置C2可以传送多次请求封包以得到更精确的频率误差结果。在前述例子中所说明的情形是传送2次请求封包，实作中更可以传送5次、10次甚至更多，传送次数并不加以限制，每次传送封包的间隔时间可以是装置端第一间隔时间X’。每一次传送封包皆视为一次取样，需检测是否来回通讯延迟RTD符合判断标准，以确认是否需重新传送，由于实作中重新传送间隔时间Tr远小于装置端第一间隔时间X’，在每次的取样之间皆有多次机会可以重新传送，以提高成功取样(来回通讯延迟RTD的差值足够小)的机率。

由于当取样之间的间隔时间越长，因频率误差f_err所累积的时间偏移量T_offset将会越大，受到网络传输速率影响的效果就越不显著。因此随着电子装置C2进行多次取样，越后面的取样距离第一次取样的间隔时间越长，所计算得到的频率误差f_err也就越趋近准确。于实作中，可以计算每一次取样i得到的频率误差值f_{err_i}，当多个频率误差值f_{err_i}的差异已收敛至一预定范围内(例如±0.1ppm)时，即可判定目前的计算结果准确，可不再进行取样，并可以对这些频率误差值f_{err_i}进行适当运算后(例如取平均值)，以校正电子装置C2的时脉频率f_CLK。

对于距离电子装置C2较远的时间服务器S2(例如是设置于国外的服务器)，由于传送封包的来回通讯延迟RTD变异较大，有可能多次取样皆无法通过步骤37的来回通讯延迟判断标准。此时可以适当放宽初始预设的临界值Th，以提高有效取样的机率，即临界值Th可以是动态调整的。

临界值Th较大即代表容许的来回通讯延迟RTD变异较大，容易受到网络延迟的变异而影响计算准确度，因此可以同时提高装置端第一间隔时间X’，拉长每次取样的间隔时间，如此因频率误差f_err而累积的时间偏移量T_offset会增加，可以降低因来回通讯延迟RTD变异而造成的影响。

多次取样以及判断取样是否有效虽会增加所需传输封包的数目，然而由于此方法中每个封包的容量都很小，且相隔一段长时间才进行一次取样，对于网络频宽几乎不造成影响。相较于需要进行封包延迟差异(PDV)演算法的作法，所需传输的封包数目更是大幅减少。

本发明所述的频率校正方法，可以实现于一般的基站，并不需要额外的硬体支援。例如可由非暂态电脑可读取媒介储存此处所述的频率校正方法的程序码，由基站内部的处理器载入程序码而执行。当然此频率校正方法也可以藉由执行特定功能的数字信号处理电路实作。

为更清楚说明本发明频率校正方法的应用，图5绘示应用本发明频率校正方法的装置示意图。电子装置5包括处理单元52、振荡器54以及射频单元56，电子装置5例如是小型基站。处理单元52可以包括处理器以及记忆体，记忆体存放有本发明频率校正方法的程序码，处理器载入程序码而执行。振荡器54提供时脉信号CLK输出至处理单元52以及射频单元56，一方面提供电子装置5的系统时间(处理器的时脉信号)，另一方面提供射频单元56产生/接收无线射频信号所需使用的载波频率(carrier frequency)。处理单元52以及射频单元56内部各自有其所需的倍频电路(未绘示于图中)，以将振荡器54提供的时脉信号CLK适当倍频处理。对于一小型基站而言，射频单元56所产生的信号即是提供用户无线连接至移动电话网络。

处理单元52经由网络连接至时间服务器4(例如NTP服务器)，执行如前所述的频率校正方法以计算出频率误差f_err，频率误差f_err可经由一数字模拟转换器(DAC)进行适当转换，输出一控制电压V_in到振荡器54，振荡器54例如是电压控制振荡器(VCO)。振荡器54受控于控制电压V_in而改变输出的时脉信号CLK的频率f_CLK，由于此频率是根据频率误差f_err而校正，因此经由射频单元56所产生的载波信号可以符合所规范的频率误差范围。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种频率校正方法，应用于一电子装置，其特征在于，该方法包括：

于一装置端第一时间点，传送一第一请求封包至一时间服务器；

于一装置端第二时间点，接收该时间服务器回应于该第一请求封包的一第一回应封包；

于一装置端第三时间点，传送一第二请求封包至该时间服务器，该装置端第三时间点与该装置端第一时间点相差一装置端第一间隔时间；

于一装置端第四时间点，接收该时间服务器回应于该第二请求封包的一第二回应封包，该装置端第四时间点与该装置端第二时间点相差一装置端第二间隔时间；

计算传送该第一请求封包到收到该第一回应封包的一第一来回通讯延迟；

计算传送该第二请求封包到收到该第二回应封包的一第二来回通讯延迟；

当第二来回通讯延迟与第一来回通讯延迟的差值大于一临界值时，等待一重新传送间隔时间后，重新传送该第二请求封包至该时间服务器，该重新传送间隔时间小于该装置端第一间隔时间；以及

根据该装置端第一间隔时间以及该装置端第二间隔时间至少其中之一者、该第一回应封包以及该第二回应封包，校正该电子装置的一时脉频率；

其中，该第一回应封包包括：

一服务端第一时间戳记，代表该时间服务器收到该第一请求封包的时间；以及

一服务端第二时间戳记，代表该时间服务器传送该第一回应封包的时间；

该第二回应封包包括：

一服务端第三时间戳记，代表该时间服务器收到该第二请求封包的时间，该服务端第三时间戳记与该服务端第一时间戳记相差一服务端第一间隔时间；以及

一服务端第四时间戳记，代表该时间服务器传送该第二回应封包的时间，该服务端第四时间戳记与该服务端第二时间戳记相差一服务端第二间隔时间；

其中，校正该电子装置的该时脉频率的步骤包括：

计算一第一时间偏移量，该第一时间偏移量是该装置端第一间隔时间与该服务端第一间隔时间的差值；

计算一第一频率误差，该第一频率误差是该第一时间偏移量相对于该服务端第一间隔时间的比值；以及

根据该第一频率误差调整该电子装置的该时脉频率。

2.一种频率校正方法，应用于一电子装置，其特征在于，该方法包括：

其中，该第一回应封包包括：

该第二回应封包包括：

其中，校正该电子装置的该时脉频率的步骤包括：

计算一第二时间偏移量，该第二时间偏移量是该装置端第二间隔时间与该服务端第二间隔时间的差值；

计算一第二频率误差，该第二频率误差是该第二时间偏移量相对于该服务端第二间隔时间的比值；以及

根据该第二频率误差调整该电子装置的该时脉频率。

3.一种频率校正方法，应用于一电子装置，其特征在于，该方法包括：

其中，该第一回应封包包括：

该第二回应封包包括：

其中，校正该电子装置的该时脉频率的步骤包括：

计算一第一频率误差，该第一频率误差是该第一时间偏移量相对于该服务端第一间隔时间的比值；

根据一第三频率误差调整该电子装置的该时脉频率，其中该第三频率误差是该第一频率误差及该第二频率误差的一线性组合。

4.根据权利要求1、2或3所述的频率校正方法，其特征在于，该方法更包括动态调整该临界值。

5.根据权利要求4所述的频率校正方法，其特征在于，该方法更包括根据该临界值调整该装置端第一间隔时间。

6.根据权利要求1、2或3所述的频率校正方法，其特征在于，该时间服务器是一网络时间协定服务器或一精确时间协定服务器。