CN105794130B - 使用线性规划用于同步的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用线性规划用于同步的方法和设备，尤其在使用例如IEEE 1588精确时间协议(PTP)的分组网络上的使用线性规划用于同步的方法和设备。定时协议消息被暴露于诸如分组延迟变化(PDV)或分组丢失的网络中的缺陷。本发明的实施方式提供用于估计时钟偏移和偏斜的二维线性规划技术，具体地，根据主设备和从设备之间的定时消息的双向交换提供用于估计时钟偏移和偏斜的二维线性规划技术。一些实施方式包括用于在从设备再生主时间和频率的偏斜和偏移可调整的自由运行计数器。

Description

使用线性规划用于同步的方法和设备

技术领域

本发明涉及使用线性规划用于同步的方法和设备。具体但非排他地涉及在使用例如IEEE 1588精确时间协议(PTP)的分组网络上的时间同步。

背景技术

分组技术(例如，以太网、IP)基本上是异步的、针对数据业务的突发特性进行优化，并且不提供固有定时转移(频率和时间)能力。然而，如以太网的分组技术正迅速取代现有供应商网络基础设施(广泛地基于如PDH和SDH的时分多路复用(TDM)技术)。这是由于分组网络设备的相对较高的带宽和低成本，以及服务质量(QoS)、运营、管理和维护(OA&M)、拥塞管理和恢复性的增强。

对于分组网络(以太网为当前的所选技术)来说总集合(total convergence)中所缺少的重要能力之一是在网络内本地提供定时和同步的能力。这将提供具有传输时间敏感应用(诸如通过分组的电路仿真业务(CES))以及分配精确的频率和时间基准的能力的以太网。

时间和频率同步在移动回程网络中起着至关重要的作用。蜂窝基站从高精确的基准时钟获得其载波无线电频率，通常在十亿分之(ppb)50以内。该基准时钟通常从同步TDM接口或从位于基站的昂贵的GPS接收机获得。没有可追溯至高精确主基准时钟(PRC)的定时信息，将会发生信道频率之间的本地干扰，以及与相邻基站的相互干扰，最终导致掉话并降低整体用户体验。为了防止在切换期间掉话，每个基站都需要精确的同步基准。当基站时钟未充分同步时，移动客户端漫游期间的呼叫切换也经受明显的延迟。

移动网络分为两大类：频分双工(FDD)以及时分双工(TDD)，所述频分双工(FDD)使用两个分离的频带来发送/接收，所述时分双工(TDD)在单个频带上进行发送和接收。LTE-TDD、WiMAX TDD、CDMA网络(在北美普遍)以及TD-CDMA和TD-SCDMA(除频率同步之外还)需要时间同步，而LTE-FDD、GSM(全球移动通信系统)、W-CDMA和其它无线技术仅需要频率同步。即使随着LTE-FDD的使用，诸如网络MIMO和基于位置的服务这样的新的LTE移动服务也将需要精确时间同步。

在需要以端对端方式实现时钟转移而没有分组网络辅助(以逐跳边界时钟(BC)或者透明时钟(TC)的形式)的情况下，在分组网络的两端没有可追溯至PRC的基准时钟或者缺少全网范围的GPS服务，依赖定时的接收终端节点需要使用自适应定时技术来重构发送定时基准源的定时信号。接收终端源将通常使用“基于分组的”时钟恢复机制，该时钟恢复机制使接收方时钟从属于发送方时钟。时钟恢复机制能够处理在分组数据流中编码的所发送的时钟采样(时间戳)，以生成针对接收方的定时信号。该时钟恢复机制的目的在于估计并补偿在发送方时钟和接收方时钟的振荡器之间发生的频率漂移。然而，分组延迟变化(PDV)和分组丢失的存在影响时钟估计/补偿处理的性能，使得发送方时钟显现得比其实际更快或更慢，并且最终，导致大部分为漫游(wander)的传播到接收方时钟信号。(漫游是小于10Hz的时钟噪声，而抖动是等于或大于10Hz的时钟噪声)。

IEEE 1588PTP消息流

IEEE 1588v2PTP定义了具有亚微秒精度的、用于将频率、相位和当日时间(time-of-day)信息从主设备传送(communicate)至一个或更多个从设备的基于分组的同步协议。PTP依赖于从主时钟发送至一个或更多个从时钟的精确加时间戳分组(以纳秒级的粒度)的使用，以允许将它们同步(按频率或时间)到主时钟。同步信息是按照层级分发的，GrandMaster时钟位于该层级的根部。该GrandMaster为一个或更多个从设备提供时间基准。这些从设备进而可以充当用于从设备的进一步分级层的主设备。

主设备1和从设备3之间的PTP消息交换过程(即，PTP延迟请求/延迟响应流)执行如下并且在图1中进行了例示。IEEE 1588PTP允许两种不同类型的加时间戳方法，一步或者两步。一步时钟即时更新事件消息(Sync和Delay-Req)内的时间信息，而两步时钟在一般消息(Follow_Up和Delay-Resp)中传输分组的精确时间戳。同步Sync消息由主设备1发送至其从设备3，并且包含其传输的准确时间，或者其后跟随着包含该时间的Follow_Up消息。在两步普通或边界时钟中，Follow_Up消息针对特定的Sync消息传送离开时间戳的值。

图1例示了针对两步时钟的同步消息交换的基本模式。主设备1通过网络2将Sync消息发送至从设备3，并且记录Sync消息被发送的时间T₁。从设备3接收该Sync消息，并且记录接收的时间T₂。主设备1通过以下两种方式中的一种方式将时间戳T₁传送至从设备：1)在Sync消息中嵌入时间戳T₁。为了最高的准确度和精度，这需要某种硬件处理(即，硬件加时间戳)。2)如图1所示，将时间戳T₁嵌入Follow_Up消息。接着，从设备3将Delay_Req消息发送至主设备1，并且记录发送Delay_Req消息的时间T₃。主设备接收该Delay_Req消息，并记录接收时间T₄。主设备1通过将时间戳T₄嵌入到Delay_Resp消息中来将时间戳T₄传送至从设备3。

在该PTP消息交换结束时，从设备3拥有所有四个时间戳{T₁、T₂、T₃、T₄}。这些时间戳可以被用于计算从设备的时钟5相对于主时钟4的偏移以及这两个时钟之间的消息的平均传播时间。偏移和传播时间的计算假定主设备到从设备和从设备到主设备的传播时间相等，即对称通信路径。时钟频率随时间改变，因此，需要周期性的消息交换。因为这些时钟变化缓慢地改变，所以消息交换之间的周期通常为毫秒至秒的量级。

如图2中所例示，时间/频率可以以端到端的方式从主设备1转移至PTP从设备3而不涉及中间网络节点6。在这种情景下，PTP从设备3单独负责正确恢复主时钟信号。相比于其它方法(例如，使用逐跳边界时钟或透明时钟)，此处的时间/频率转移因为PTP从设备3被暴露于由中间分组网络2生成的所有PDV而更具挑战性(如图3和图4所例示)。网络设备(交换机、路由器等)中的分组的处理和缓冲带来了穿越分组网络2的分组的时间延迟的变化，这些变化倾向于劣化所传输的时钟信号。分组网络中固有的PDV是时钟噪声的主要来源。在PTP从设备3根据PTP定时信号恢复的时钟包含需要被去除或减弱的(大部分由PDV带入的)时钟噪声。在PTP从设备3处使用过滤处理来滤除时钟噪声，从而生成“平滑的”时钟输出。

存在数种通过线性回归、线性规划以及凸包方法估计时钟偏斜(skew)的时钟同步技术。具体地，[1]描述了许多方法，其中之一是线性回归技术。利用线性回归算法的问题在于，它们通常对于大离群值的存在不鲁棒(robust)，并因此仅针对某些PDV模型(例如高斯)有效并运行良好。[1][2]中提出了一种更复杂的方法，其中，线性规划技术被用于估计单向网络延迟测量的时钟偏斜。该技术示出了相对于其它现有算法在性能上的改进。在[3][4]中，偏斜估计通过从单向延迟测量生成的凸包的计算来实现。作者要求保护提供相较于线性回归或线性规划技术更好的洞察力和误差度量的处理的凸包方法。[5]介绍了该技术的延伸，其中，偏移(offset)和偏斜二者通过依赖于使用下行(主设备到从设备)和上行(从设备到主设备)延迟测量的下和上凸包方法来进行估计。

当时钟同步以端到端的方式在分组网络上完成时，定时协议消息被暴露于分组网络缺陷(artifact)，如分组延迟变化(PDV)和分组丢失。分组网络中所固有的PDV是在终端系统处恢复的时钟中的噪声的直接贡献者。

本发明的一个目的在于面对由中间分组网络所生成的所有PDV在从设备处精确地恢复主时钟。

本发明的另一目的在于针对要求严格的同步裕度(margin)的关键应用通过IEEE1588实现精确且鲁棒的同步。

发明内容

在最广泛的方面，本发明的从设备被设置成通过求解线性规划问题来导出从时钟相对于主时钟的偏斜和偏移的估计来将该从设备中的从时钟同步到主时钟。

本发明的第一方面提供了一种通过网络连接到具有主时钟的主设备的从设备，其中，所述从设备包括从时钟，并且其中：所述从设备被设置成：与所述主设备交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和所述偏移的估计；并且基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

所述网络可以是分组网络(使用诸如以太网、IP、MPLS等的技术)。

所述定时消息优选是IEEE1588精确时间协议(PTP)下的定时消息。

通过使用上述的线性规划方法，可以通过分组网络以端到端的方式从主(服务器)时钟传输精确的定时信息(时间和频率)，并且所述精确的定时信息可以在从(客户端)设备处进行精确地恢复。

本方面的从设备在其同步操作过程中不需要借助于分组网络，并且仍能提供亚微秒级的时钟精确度。

本方面的从设备使用二维线性规划技术，用于根据双向定时消息交换估计时钟偏移和偏斜。该技术具有使用单向延迟测量的线性规划技术的简易度，却拥有扩展的凸包技术的精确度和鲁棒性。所提出的用于估计从时钟相对于主时钟的时钟偏移和偏斜的线性规划技术不需要测量的知识且无需如基于卡尔曼滤波的技术中那样处理噪声统计。

优选地，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述从设备被设置成通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

优选地，所述从设备具有存储从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子的存储区，所述带符号的偏斜补偿因子在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期被加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

通过在每个时钟周期将偏斜补偿因子加(或减去，此处符号为负)到偏斜调整后的自由运行计数器，计数器进展可以遵循所计算出的服务器时间估计。利用计数器增量的调整，偏斜调整后的自由运行计数器的进展可以提供时间信号和频率信号二者。

更加优选地，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。这允许计数器的高精确度的调整，以考虑以百万分之几(ppm)为单位的偏斜的轻微的影响。

在一些实施方式中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在/从所述从设备接收和发送定时消息的时间的时间戳。

在这些实施方式中，在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时所述计数器可被初始化，并且在接收到第一主时间估计时，所述计数器被复位至所述第一主时间估计。

在另选实施方式中，所述从设备还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，其中，所述第二计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

在优选实施方式中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器和比较器，其中，所述比较器被设置成将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较，并且当存在匹配时产生输出信号。

这可以提供针对调度的事件的高精度定时脉冲信号。

在上述实施方式的发展中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，所述从设备被设置成每当通过所述比较器发现匹配时，通过使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增来产生脉冲输出信号。

在该发展中，可以生成高精度间隔的脉冲序列，该脉冲序列可被用作可编程频率(该频率由所存储的事件周期确定)的数字合成的时钟信号。

这样的脉冲序列或时钟信号(尤其当两个寄存器将时间存储成小数纳秒级时)可以被用于合成高精度时钟信号，该高精度时钟信号是本地振荡器频率的非整数因子。例如，通过该技术可以生成针对电信系统的基准频率。

优选地，使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。由本地振荡器时钟步骤引入的量化不可避免地产生脉冲序列输出中的一些抖动。如果这些固有抖动过大，则从比较器输出的时钟信号的质量可能无法满足终端应用要求。在这种情况下，锁相环可以被用于调节该信号。

可以在输出脉冲序列上执行进一步的操作，以构建针对终端应用的合适的时钟信号，例如，创建方波或正弦波格式。

本方面的从设备优选地通过执行根据下面所描述的第二方面的方法的相关步骤来运行。

本方面的从设备可以包括上述优选和可选特征的一些特征、全部特征的任意组合或者不包括上述优选和可选特征。

在最广泛的方面，本发明的方法旨在通过求解线性规划问题来导出从时钟相对于主时钟的偏斜和偏移的估计来将该从设备中的从时钟同步到主时钟。

本方面的第二方面提供一种将从设备中的从时钟的时间和频率同步到主设备中的主时钟的方法，所述主设备通过网络连接到所述从设备，该方法包括以下步骤：在所述主设备和所述从设备之间交换定时消息和如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和偏移的估计；以及基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

所述网络可以是分组网络(使用诸如以太网、IP、MPLS等的技术)。

所述定时消息优选是IEEE1588精确时间协议(PTP)下的定时消息。

通过使用上述的线性规划方法，可以通过分组网络以端到端的方式从主(服务器)时钟传输精确的定时信息(时间和频率)，并且所述精确的定时信息(时间和频率)可以在从(客户端)设备处进行精确地恢复。

本方面的方法在其同步操作过程中不需要借助于分组网络，并且仍能在从设备处提供亚微秒级的时钟精确度。

本方面的方法使用二维线性规划技术，用于根据双向定时消息交换估计时钟偏移和偏斜。该技术具有使用单向延迟测量的线性规划技术的简易度，但却拥有扩展的凸包技术的精确度和鲁棒性。所提出的用于估计从时钟相对于主时钟的时钟偏移和偏斜的线性规划技术不需要测量的知识和不需要如基于卡尔曼滤波的技术中那样处理噪声统计。

优选地，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述同步的步骤包括以下步骤：通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

优选地，所述方法还包括以下步骤：将从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子存储到存储区中；以及在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期将所述补偿因子加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

通过在每个时钟周期将偏斜补偿因子加(或减去，此处符号为负)到偏斜调整后的自由运行计数器，计数器进展可以遵循所计算出的服务器时间估计。利用计数器增量的调整，偏斜调整后的自由运行计数器的进展可以提供时间信号和频率信号二者。

更加优选地，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。这允许计数器的高精确度的调整，以考虑以百万分之几(ppm)为单位的偏斜的轻微的影响。

在一些实施方式中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

在这些实施方式中，所述方法还可以包括以下步骤：在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时对所述计数器进行初始化，并且在接收到第一主时间估计时，将所述计数器复位至所述第一主时间估计。

在另选实施方式中，所述从设备还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，并且所述第二计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

在优选实施方式中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器，并且所述方法还包括以下步骤：将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较；以及当存在匹配时产生输出信号。

在上述实施方式的发展中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，并且所述方法还包括以下步骤：每当通过所述比较器发现匹配时，使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增来产生脉冲输出信号。

这可以提供针对调度的事件的高精度定时脉冲信号。

在该发展中，可以生成高精度间隔的脉冲序列，该脉冲序列可被用作可编程频率(该频率由所存储的事件周期确定)的数字合成的时钟信号。

这样的脉冲序列或时钟信号(尤其当两个寄存器将时间存储成小数纳秒级时)可以被用于合成高精度时钟信号，该高精度时钟信号是本地振荡器频率的非整数因子。例如，可以通过该技术生成针对电信系统的基准频率。

优选地，使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。由本地振荡器时钟步骤引入的量化不可避免地产生脉冲序列输出中的一些抖动。如果这些固有抖动过大，则从比较器输出的时钟信号的质量可能无法满足终端应用要求。在这种情况下，锁相环可以被用于调节该信号。

可以在输出脉冲序列上执行进一步的操作，以构建适合于终端应用的时钟信号，例如，创建方波或正弦波格式。

本方面的方法可以包括上述优选和可选特征的一些特征、全部特征的任意组合或者不包括上述优选和可选特征。

上述方面的方法优选地通过根据本发明的第一方面的从设备来实现或者在如下面所描述的根据本发明的第三方面的系统中实现，但这不是要求。

本发明的其它方面包括用于在计算机系统上运行的计算机程序，其执行上述方面的方法，包括该方面的优选或可选特征的一些特征、全部特征的任意组合，或者不包括上述优选和可选特征。

在最广泛的方面，本发明的系统被设置成通过求解线性规划问题来导出从时钟相对于主时钟的偏斜和偏移的估计，来将该从设备中的从时钟同步到主设备中的主时钟。

本发明的第三方面提供一种用于网络的时间和频率同步系统，所述系统包括：具有主时钟的主设备；具有从时钟的从设备；以及连接所述主设备和所述从设备的网络，其中：所述从时钟包括从时钟；并且所述从设备被设置成：与所述主设备交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和偏移的估计；并且基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

所述网络可以是分组网络(使用诸如以太网、IP、MPLS等的技术)。

所述定时消息优选是IEEE1588精确时间协议(PTP)下的定时消息。

通过使用上述的线性规划方法，可以通过分组网络以端到端的方式从主(服务器)时钟传输精确的定时信息(时间和频率)，并且可以在从(客户端)设备处进行精确地恢复。

本方面的从设备在其同步操作过程中不需要借助于分组网络，并且仍能提供亚微秒级的时钟精确度。

本方面的从设备使用二维线性规划技术，用于根据双向定时消息交换估计时钟偏移和偏斜。该技术具有使用单向延迟测量的线性规划技术的简易度，但却拥有扩展的凸包技术的精确度和鲁棒性。所提出的用于估计从时钟相对于主时钟的时钟偏移和偏斜的线性规划技术不需要测量的知识和不需要如基于卡尔曼滤波的技术中那样处理噪声统计。

优选地，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述从设备被设置成通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

优选地，所述从设备具有存储从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子的存储区，所述带符号的偏斜补偿因子在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期被加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

通过在每个时钟周期将偏斜补偿因子加(或减去，此处符号为负)到偏斜调整后的自由运行计数器，计数器进展可以遵循所计算出的服务器时间估计。利用计数器增量的调整，偏斜调整后的自由运行计数器的进展可以提供时间信号和频率信号二者。

更加优选地，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。这允许计数器的高精确度的调整，以考虑以百万分之几(ppm)为单位的偏斜的轻微的影响。

在一些实施方式中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

在这些实施方式中，在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时所述计数器可被初始化，并且在接收到第一主时间估计时，所述计数器被复位至所述第一主时间估计。

在另选实施方式中，所述从设备还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，其中所述第二计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

在优选实施方式中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器和比较器，其中，所述比较器被设置成将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较，并且当存在匹配时产生输出信号。

这可以提供针对调度的事件的高精度定时脉冲信号。

在上述实施方式的发展中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，所述从设备被设置成每当通过所述比较器发现匹配时，通过使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增来产生脉冲输出信号。

在该发展中，可以生成高精度间隔的脉冲序列，该脉冲序列可被用作可编程频率(该频率由所存储的事件周期确定)的数字合成的时钟信号。

这样的脉冲序列或时钟信号(尤其当两个寄存器将时间存储成小数纳秒级时)可以被用于合成高精度时钟信号，该高精度时钟信号是本地振荡器频率的非整数因子。例如，可以通过该技术生成针对电信系统的基准频率。

优选地，使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。由本地振荡器时钟步骤引入的量化不可避免地产生脉冲序列输出中的一些抖动。如果这些固有抖动过大，则从比较器输出的时钟信号的质量可能无法满足终端应用要求。在这种情况下，锁相环可以被用于调节该信号。

可以在输出脉冲序列上执行进一步的操作，以构建适合于终端应用的时钟信号，例如，创建方波或正弦波格式。

本方面的系统优选通过执行根据上述第二方面的方法来操作。

本方面的系统可包括上述优选和可选特征的一些特征、全部特征的任意组合或者不包括上述优选和可选特征。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式来描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了已经描述的IEEE 1588PTP下的两步时钟中的消息流；

图2示出了已经描述的通过网络的端到端时间/频率传递；

图3示出了(以示意的形式)已经描述的分组网络中分组延迟变化的影响；

图4示出了已经描述的PTP消息流上的分组延迟变化的影响；

图5示出了时钟偏斜(clock skew)对有偏移和无偏移的时钟的影响的简单模型；

图6示出了相对于真实(基准)时间源的主时钟和从时钟的行为；

图7示出了由根据本发明的实施方式的从设备实施的处理；

图8示出了根据本发明的实施方式的线性规划公式中的两个约束条件；

图9示出了用于估计从设备处的服务器时间的过程；

图10示出了根据本发明的实施方式的从设备的架构；

图11示出了根据本发明的实施方式的使用偏斜调整后的自由运行计数器的从时间偏移和偏斜调整的步骤的实现；

图12示出了图11的偏斜调整后的自由运行计数器的操作；

图13示出了主设备和从设备之间的基本同步；

图14示出了根据本发明的实施方式的使用精确调度的事件定时生成脉冲序列的方法；

图15示出了图14的方法的实现；以及

图16示出了利用清除(clean-up)锁相环的精确的脉冲序列生成的过程。

具体实施方式

基本时钟模型

为了理解下面的实施方式，需要定义针对我们的同步问题的广义时钟偏移和偏斜方程。首先，列出用于描述时钟行为的一些术语：

●时钟：考虑到实际时钟的限制，时钟被建模为分段连续的、严格递增函数。时钟是除了有限点集外二次可微的函数：其中，F′(t)≡dF(t)/dt和F″(t)≡d²F(t)/dt²存在于除了(其中|P|是有限的)的任何地方。

典型的硬件时钟由石英晶体振荡器和按每一个振荡周期(例如，检测到下降或上升沿之后)递增的计数器构成。如果已知振荡器的周期T，则计数器F可被用于获得多个T中的实际时间间隔的近似测量。更正式地讲，时钟计数器显示实际时间t处的值F(t),并且在频率f＝1/T处递增1。时钟计数器的速率被定义为f(t)＝dF(t)/dt。

在一些计算机系统中，能够通过时间重置系统调用来进行突发时间调整。时钟函数的分段性质适应突发时间调整。

●“真实”时钟：“真实”时钟是随时生成“真实”时间的基准时钟，并且以恒定的速率运行。用F_t表示“真实”时钟，并且其由恒等函数F_t＝t和P_t＝0给出。

●本地时钟：本地时钟是物理时钟设备，建模为函数通常，本地时钟的概念被用来指时间客户端的本地时钟。时间客户端的单个本地时钟被表示为C＝L_clock(自由运行硬件时钟)。本文用S表示服务器时钟。

●逻辑时钟：逻辑时钟是函数其是虚拟时钟，大多数时候是在具有本地时钟的设备上的软件中实现。符号H(L_clock)被用于表示在本地时间L_clock出现的逻辑时间。应注意的是，逻辑时钟函数的自变量始终是本地时间。在本地时钟时间L_clock处的客户端的服务器时间的估计被表示为

●时间戳：时钟(无论是物理的还是虚拟的)可被用于将事件与时间相关联。单个事件的时间被称作时间戳并且是实数。

●偏移：分别考虑时间服务器和时间客户端时钟，S和C。由时钟S报告的时间与“真实”时间之间的差值或偏移是(S(t)-t)。在时间t≥0处的时钟S相对于C的偏移是θ(t)＝(C(t)-S(t))；这被称为相对偏移。

●频率：这是时钟前进的速率。S在时间t处的频率是S′(t)。

●偏斜：这是时钟和“真实”时钟的频率的差值。在时间t≥0处的S相对于C的偏斜是α(t)＝(C′(t)-S′(t))；这被称为相对偏斜。

理想(或“真实”)时钟将具有始终为1的速率。然而，振荡器的周期以及进而时钟速率依赖于诸如加工(切割)、晶体的老化、供电电压、环境温度和湿度、振动和/或冲击的各种参数。然而，可以通过振荡器(例如，炉或双炉补偿振荡器、预老化(pre-aging)以及振荡器特性)的质量和类型最小化这些因素的影响。以客户端时钟C为例，偏斜在形式上被定义为速率相对于1的偏差或α_c(t)＝(C′(t)-1)。由于网络设备通常在上述参数的明确范围内运行，因此，合理地假设最大偏斜α_cmax，使得针对所有的t，|α_c(t)|＝α_cmax。α_cmax的典型值是1ppm至100ppm，其中1ppm(百万分之一)＝10^-6。

注：如果相对偏移θ和相对偏斜α二者都是零，则两个时钟在特定时刻被认为是同步的。

在本文档中，相对偏移和相对偏斜将分别被简单地分别称为偏移和偏斜。

●飘移：时钟S的漂移是S″(t)。在时间t≥0处S相对于C的漂移是μ(t)＝(C″(t)-S″(t))。

●时钟比率：另一个用于描述时钟行为的常用参数是时钟比率。其被定义为两个时钟的频率的比值。时钟C和真实时钟之间的频率比是C′(t)/1。在时间t处C相对于S的比率是C′(t)/S′(t)。时钟比率和偏斜之间的关系是：α(t)＝C′(t)-S′(t)＝γS′(t)-S′(t)＝(γ-1)S′(t)

●时钟分辨率：这是大于零的时钟的时间更新的最小单元(还称为节拍(tick))。延迟测量的精确度受限于两个端系统的时钟的分辨率。

实际上，时钟是在其时间分辨率的每一个单元都具有增量的阶跃函数。然而，在建模时钟的过程中，由具有固定的最小分辨率的实际时钟报告的时间被认为是连续函数在特定时刻的采样，从而避免了实际时钟的离散化影响。

最后，有两个用于描述时钟行为和质量的术语：

●抖动:定时抖动是数字信号的有效时刻相对于其在时间上的理想位置的短期变化，其中，短期意味着大于或等于10Hz的频率的相位振荡。有效时刻例如包括最佳采样时刻。

●漫游:长期变化(其中该变化具有小于10Hz的频率)被称为漫游。

假设在任何特定时刻，具有时间线S(t)的主(服务器)时钟和具有时间线C(t)的从(客户端)时钟之间的关系的瞬时视图可以通过图5所示的已知的简单的偏斜时钟模型来描述，并且通过下面的方程来描述，

S(t)＝(1+α)C(t)+θ (1)

其中偏斜α是百万分之几数量级的非常小的量。该快照(snapshot)是两个时钟(错位)对齐的程度的瞬间示图。图5例示出了θ和α对于对齐的影响。图6中示出了相对于真实(基准)时间源的主时钟和从时钟之间的关系。

以上方程可扩展至将主时钟与从时钟在通信链路上在具有延迟的情况下交换消息的情况考虑在内。假设从主设备行进至从设备的第n个Sync消息经历了d_f,n的(固定加可变或随机的)延迟。同样，假设从从设备发送至主设备的第n个Delay_Req消息经历了d_r,n的(固定加可变或随机的)延迟。进一步假设，在两个方向上的固定延迟分量相等(对称通信路径)，但是消息经历诸如排队延迟的可变延迟。主设备和从设备使用图1中所描述的延迟请求延迟响应机制来交换消息。

针对携时间戳T_1,n∈S(t)离开主设备并在经历延迟d_f,n之后携时间戳T_2,n∈C(t)到达从设备的第n个Sync消息(图1)，上述简单的偏斜时钟模型可以被扩展将行进时间d_f,n考虑在内以获得下面的表达式

(T_1,n+d_f,n)＝(1+α)T_2,n+θ_f (2)

其中θ_f是来源于Sync消息传输的偏移。针对携时间戳T_3,n∈C(t)离开从设备并在经历延迟d_r,n之后携时间戳T_4,n∈S(t)到达主设备的第n个Delay_Req消息，获得下面的表达式

(T_4,n-d_r,n)＝(1+α)T_3,n+θ_r (3)

其中θ_r是来源于Delay_Req消息传输的偏移。

下面叙述了根据本发明的实施方式的当给定Sync和Delay_Req消息交换的数量N时用于计算偏移θ和α的二维(即双变量)线性规划技术。

用于时钟偏移和偏斜估计的二维线性规划技术

图7示出了在时间客户端3处的根据本发明的实施方式的同步技术的主要块。自由运行本地振荡器31连同估计的时钟参数一起被用于合成同步本地时钟5，该同步本地时钟5是服务器时钟4的估计图像。该客户端本地振荡器31的频率未被调整，但是其允许自由运行。该自由运行计数器32被用于加时间戳并用于为时间客户端合成服务器时钟(同步本地时钟)的图像。图7中客户端所指示的时间戳是相对于该本地时钟的。

根据方程(2)，得出针对第n个Sync(下行)消息流的下列表达式

T_1,n≤(1+α)T_2,n+θ_f (4)

根据该表达式，下行时间戳的云的边界是

T_1,n＝(1+α)T_2,n+θ_f (5)

其具有下面的形式

y＝(1+α)x+θ_f (6)

其中y∈T_1,n,T_4,n∈S(t)并且x∈T_2,n,T_3,n∈C(t)。由于路径传播延迟和排队延迟而生成的下行时间戳的云可以位于(或延伸至)该条线的下方，但是涉及主时钟和从时钟的“真实”线则不可以。也就是说，涉及主时钟和从时钟的线必须在该边界(线)上(ON)或上方。这导致对下行云的下列约束条件

T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f (7)

或

y≥(1+α)x+θ_f (8)

根据(3)，得出针对第n个Delay_Req(上行)消息流的下列表达式

T_4,n≥(1+α)T_3,n+θ_r (9)

其也产生上行时间戳的云的边界，为

T_4,n＝(1+α)T_3,n+θ_r (10)

其也具有下面的形式

y＝(1+α)x+θ_r (11)

这里也一样，由于路径传播延迟和排队延迟而生成的上行时间戳的云可以位于该条线的上方，但是涉及主时钟和从时钟的“真实”线则不可以。涉及主时钟和从时钟的线必须在该边界(线)上(ON)或下方。这导致对下行云的下列约束条件

T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r (12)

其也具有下面的形式

y≤(1+α)x+θ_r (13)

图8中示出了这两个约束条件(7)和(12)。这两个约束条件可以被解释为线性规划的约束条件，该线性规划提出(suggest)分离时间戳的下行云和时间戳的上行云的线(图8中的虚线)。时钟偏移参数θ_f和θ_r由于它们涉及相同的时钟(主设备和从设备)，因此理想情况下应该是相同的或者非常接近的。因此，本文试图寻找给出θ_f和θ_r之间的最小差异的最短路径(由约束条件(7)和(12)限定)。本文的想法在于估计将使得图8中的两条平行线尽可能靠近(即，使得这两条线之间的通道尽可能小)的参数。该估计算法利用使θ_f-θ_r最小化的条件来努力识别两条平行线y＝(1+α)x+θ_f(毗邻下行云的线)和y＝(1+α)x+θ_r(毗邻上行云的线)，以允许这两条线能够刚好匹配在两个云的边缘。

力图将这两条平行线尽可能远离地放置的线性规划公式如下。

Minimizeθ_f-θ_r

s.t.

T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f,n∈{1,2,...,N}, (14)

T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r,n∈{1,2,...,N},

θ_f-θ_r≥0.

存在可用于求解诸如上述问题的二维线性规划问题的有效方法(包括现成的线性时间算法)。可以很容易地求解偏斜(1+α)和偏移参数θ_f和θ_r，根据其可以计算从时钟相对于主设备的偏移θ

然后，如图9所例示，偏斜和偏移可以被用于计算服务器时间估计。下面叙述了一种根据本发明的实施方式的用于在从设备处合成同步到主设备的时间和频率信号的基于硬件的方法。

所提出的时钟恢复架构

如图9所例示，在Sync消息广播的多个周期上使用二维线性规划技术在客户端估计的时钟偏移和偏斜被用于计算服务器时间图10示出了在时间客户端的所提出的同步技术的主要块。自由运行本地客户端振荡器31连同所估计的时钟偏移和偏斜一起被用于导出服务器时钟估计该偏移和偏斜被应用到本地自由运行时钟33(本地辅助硬件时钟)，以便得出被同步到主时钟4的本地时间值。

自由运行计数器32(即，本地辅助硬件时钟)被用于为PTP消息加时间戳、计算时钟偏移和偏斜、以及生成恢复的时钟信号。自由运行计数器32在本地系统时钟上相对于主时钟4或由PTP网络的其它客户端维护的时钟异步地运行。图10还包括偏移和偏斜调整后的自由运行计数器34(简单称为偏斜调整后的自由运行计数器)，其可以利用从所计算出的偏斜和偏移导出的校正或补偿因子来进行调整，使得该偏移和偏斜调整后的自由运行计数器34可以被同步到主时钟4。自由运行计数器两者均由共同的本地基准振荡器驱动，但是其中一个计数器来提供用于加时间戳、偏移和偏斜计算的原始时间，而另一个可调整的计数器提供同步到主设备的时间。PTP时间值由32比特的纳秒字段和48比特的秒字段构成。48比特秒[47:0]计数器在纳秒[31:0]字段(10⁹纳秒或1秒)的每一次翻转处递增。

消息检测/生成块35执行PTP消息的加时间戳，并且将该信息传递到主处理器36。在主处理器36上运行的估计算法37使用PTP消息中的信息来计算偏斜、偏移以及服务器时间估计。如果系统不需要连续的同步时钟信号输出，则可以在软件中仅执行偏斜和偏移调整。PTP应用必须保持其本身的自由运行时钟，并且在软件中基于PTP应用根据各个PTP消息计算出的从值来执行偏斜和偏移调整。例如，移动基站将需要连续的同步时钟信号，这意味着系统必须提供必要的逻辑来对本地时钟33执行基于硬件的偏斜和偏移调整。这需要硬件偏斜和偏移调整功能，并且还需要提供硬件同步的当日时间值以及合成用于终端应用的外部用途的时钟信号的功能。

可以如下解释具有偏斜调整后的自由运行计数器34的想法。如果对从PTP消息计算出的从偏移值的观测倾向于随时间增加或减少，则这意味着递增自由运行计数器32的本地基准振荡器31正以略慢于或略快于主时钟4的速率运行。这意味着可以通过稍微增大或减小计数器递增的速率来对自由运行计数器32进行偏斜调整。提供这样的适当调整来锁定计数器32相对于主时钟4的频率。

图11示出了根据本发明的实施方式的偏斜调整后的自由运行计数器34的实现。如下面所解释的，图10中的架构可以利用两个计数器(即，本地自由运行计数器(本地辅助硬件时钟)加上偏斜调整后的计数器)或者利用提供两种功能的单个计数器(仅偏斜调整后的计数器)来实现。

假设从设备相对于125MHz本地基准时钟运行，这意味着增量步长是每周期或每时钟节拍8ns。主处理器36基于从时钟的走向以及所接收到的PTP消息计算针对偏斜调整后的自由运行时钟34的偏斜和偏移调整。偏斜调整后的自由运行计数器34的偏斜调整部分可以利用带符号的32比特小数纳秒(fractional nanosecond)计数器部分(如图11和图12中的计数器34中的小数纳秒部分示出的)来实现，提供了对偏斜调整后的自由运行计数器递增速率的高粒度调整。

在每个125MHz时钟周期，可编程的偏斜补偿因子41被加到小数纳秒计数器或者从小数纳秒计数器减去。如果小数纳秒计数器上翻或下翻，则偏斜调整后的自由运行计数器34分别递增或递减。由于偏斜调整后的自由运行计数器34在每个125MHz周期始终递增8ns，因此偏斜调整导致偏斜调整后的自由运行计数器在由通过主处理器36计算出的偏斜确定的周期区间有效地递增9ns或7ns。该偏斜调整允许对自由运行计数器34递增速率的非常精细的控制，由此能够高精确地同步到主时钟4。

在该技术中(图10、图11和图12)，在每个本地时钟周期，偏斜调整后的自由运行计数器34递增时钟的标称周期(例如，针对125MHz标准输出频率是8ns)。例如，如果估计的偏斜是则每个本地时钟周期写入到计数器34(图12)的小数纳秒部分中的偏斜补偿因子是以这样的方式来调整偏斜调整后的自由运行计数器34，即(如图13所例示)计数器进展遵循所计算出的服务器时间估计。如图13所例示，执行(由所计算出的偏斜控制的)增量的调整，使得该增量沿主时钟时基下降。利用计数器增量的恰当的调整，如下面所解释的，计数器的进展提供时间信号和频率信号二者。

图10中的架构可以利用两个独立的计数器(本地自由运行计数器31(即，本地辅助硬件时钟)和偏斜调整后的自由运行计数器34)或者一个计数器(仅偏斜调整后的自由运行计数器34)来实现。两种架构都可以被用于合成时间和频率信号：

●具有独立的计数器(本地自由运行计数器31和偏斜调整后的自由运行计数器34)的架构：这些计数器的初始化按如下完成：

○本地自由运行计数器31：该计数器仅被用于为PTP消息加时间戳。其可以利用首个到达从设备的Sync消息来进行初始化。其初始值也可以是用户配置的。

○偏斜调整后的自由运行计数器34：该计数器向锁定到主设备的从设备提供连续时间信号。其利用首个到达的Sync消息来初始化，并随后利用由从设备计算出的偏斜和偏移进行调谐。

●具有一个计数器的架构(仅偏斜调整后的自由运行计数器34)：在该结构中，偏斜调整后的自由运行计数器34充当加时间戳计数器以及向从设备提供连续时间信号的计数器二者。初始化执行如下：

○偏斜调整后的自由运行计数器34利用首个到达的Sync消息来进行初始化。这也可以是用户配置的初始值。

○偏斜调整后的自由运行计数器读取现被用于为随后的PTP消息加时间戳。

○计算出第一偏移和偏斜，并且调整偏斜调整后的自由运行计数器以反映这些第一时钟参数估计。偏斜调整后的自由运行计数器读取被用于为随后的PTP消息加时间戳。

○计算出随后的周期偏移和偏斜估计，并且相应地调整偏斜调整后的自由运行计数器。偏斜调整后的自由运行计数器继续提供锁定到主设备的从基准时钟信号。计数器继续被用于为PTP消息加时间戳。

○一旦已计算出时钟偏斜并且时钟偏斜已进行恰当地补偿，则在每个更新间隔从时钟偏移应保持相对恒定。理想地，一旦对偏斜进行了适当的补偿并且计算出并应用了偏移，则该偏移仅被很小地改变。如果对偏斜调整进行了适当的调谐，则被编程到计数器偏移调整块的偏移应是常数值。偏移调整逻辑将常数值简单地加到计数器的偏斜调整后的部分或者从计数器的偏斜调整后的部分减去。该偏移被应用于偏斜补偿后的本地时间以使得本地时间与主设备的同步。

两种架构都允许PTP从时钟5使用偏斜和偏移调整后的计数器，以生成针对终端应用的可用时钟信号。利用恰当的偏斜和偏移估计，每个从自由运行计数器都是频率和当日时间二者均锁定到主时钟。主时钟设备4只将定时信息传送到其从时钟设备中的每一个，以对齐其时钟信号。如图14、图15和图16中所例示，从时钟5使用自由运行时钟和定时信息来生成可追溯到主时钟的频率和相位对齐的时钟信号。

偏斜调整后的自由运行计数器34输出可以被用于在精确的未来时间调度脉冲，例如，针对事件调度。如图14和图15中所例示，其还可以被用于生成脉冲序列。为此，被调度事件时间被加载到符合寄存器(被调度事件寄存器51)中并且当偏斜调整后的自由运行计数器34与通过比较器52确定的寄存器值一致时，发出脉冲。具体地，偏斜调整后的自由运行计数器34输出可以被用于针对电信系统以可编程的频率输出数字合成的时钟信号。PDH/SDH基准频率不是125MHz的积分因子，因此需要使用利用电信时钟信号的恰当的周期编程的主处理器可编程事件周期寄存器53来合成计数器时钟信号。事件周期寄存器53指示何时从由被调度事件寄存器51确定的起始点发出时钟脉冲。事件周期寄存器53有效地控制信号的相位。如图14和15中所例示，每个寄存器都采用小数纳秒来实现针对125MHz系统时钟(自由运行振荡器)的非积分因子的频率准确度。

通过分别用488.28125ns或647.66839ns的值对事件周期寄存器53进行编程来生成2.048MHz(E1)或1.544MHz(DS1)基准时钟信号。主处理器36读取当前同步的时间值，并随后将被调度事件寄存器51设置成未来应出现第一次时钟转变的时间点。时钟输出逻辑块在由被调度事件寄存器51指定的确切时间发出输出时钟信号。然后事件周期53被加到硬件中的被调度事件寄存器51中，以指定应发出时钟输出的下一个时间点。如图14中所例示，该过程在对事件周期寄存器53和被调度事件寄存器51进行初始化之后在硬件中不断重复。

应注意的是，因为由125MHz系统时钟引入的8ns量化步长，数字合成的时钟信号将具有固有抖动。如图16中所例示，如果该固有抖动不满足终端应用要求，则必须使用外部精密(清除)PLL 54将其过滤出来。然后可以使用清除PLL 54对频率信号进行调节，以提供满足终端应用的抖动要求的信号。另外，具有接口形状因子的各种形式的信号(方波、正弦波等)可以根据原始未清除时钟信号来构造。偏斜调整后的自由运行计数器输出(时间信号)还可以被格式化成各种时间标准信号。

如在PDH和SDH/SONET网络中，节点中的两个主要定时相关问题是抖动转移(或抖动衰减)和抖动生成(或固有抖动)。关键要求中的一个(由ITU-T G.8262限定)是抖动转移系统增益。抖动转移被定义为输入抖动对输出抖动的比率，单位为dB。抖动转移是指针对设备的输入端的给定量的抖动在设备的输出端的抖动的大小。输入抖动以各种振幅和频率应用，输出抖动利用依赖于适用标准的各种滤波器来进行测量。针对清除PLL 54(图16)，所述内部低通环路滤波器56确定抖动衰减。

抖动生成是由节点自身内部创建的抖动。由于固有抖动始终存在。该抖动的大部分是由PLL 54、电源以及单个节点中的其它组件生成。设计者必须确保各个节点限制其内部生成的抖动的量，否则来自各个节点的抖动将加到网络中的噪声中并且最终来自节点的输出时钟将不满足目标应用的需求。

清除PLL 54被设计成具有狭窄的环路带宽以及超低输出抖动(通常小于0.2ps)。这允许清除PLL 54解决抖动转移(狭窄带宽，通常为6Hz，用于从从网络恢复的时钟中过滤出抖动)和抖动生成(小于0.2ps，用于限制从节点进入到网络中的抖动)的两个基本问题。精良设计的清除PLL 54的这些高性能属性(低抖动转移和低抖动生成)允许网络支持大量的级联节点而不超出即使是最严格的定时应用的需求。因此，清除PLL 54应被选择以满足具体应用需求。

上述实施方式的系统和方法可以在除了所描述的结构组件和用户交互之外的计算机系统中(具体地，在计算机硬件中或计算机软件中)实现。

术语“计算机系统”包括用于实施根据上述实施方式的系统或执行根据上述实施方式的方法的硬件、软件和数据存储设备。例如，计算机系统可以包括中央处理单元(CPU)、输入装置、输出装置和数据存储器。优选地，计算机系统具有用于提供可视输出显示的监视器(例如，在业务处理的设计中)。数据存储器可以包括RAM、磁盘驱动器或其它计算机可读介质。计算机系统可以包括多个通过网络连接的计算装置，并且能够通过网络彼此通信。

上述实施方式的方法可以被提供为计算机程序或者提供为承载计算机程序的计算机程序产品或者计算机可读介质，该计算机程序被设置成当在计算机上运行时执行上述方法。

术语“计算机可读介质”包括但不限于可以直接通过计算机或计算机系统读取和存取的任何非暂时媒介或介质。该介质可以包括但不限于诸如软盘、硬盘存储介质以及磁带的磁存储介质；诸如光盘或CD-ROM的光学存储介质；诸如存储器(包括RAM、ROM以及闪速存储器)的电存储介质；以及诸如磁/光学存储介质的上述存储介质的混合和组合。

虽然已结合上述示例性实施方式对本发明进行了描述，但当给出该公开时，许多等同修改及变型例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，上面所阐述的本发明的示例性实施方式被认为是例示性的且是非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对所描述的实施方式进行各种改变。

具体地，尽管上述实施方式的方法已被描述为在所描述的实施方式的系统上来实现，但本发明的方法和系统无需彼此结合来实现，而是可以分别使用另选方法或者在另选系统上来实现。

参考文献

[1]、S.B.Moon,P.Skelly and D.Towsley,“Estimation and removal of clockskew from network delay measurements,”in Proc.IEEE INFOCOM,vol.1,pp.227-234,New York,NY,USA,Mar.1999.

[2]、P.Skelly,S.B.Moon,D.Towsley,Verizon Laboratories Inc.(2003),Clockskew estimation and removal,U.S.Pat.6661810.

[3]、L.Zhang,Z.Liu and C.H.Xia,“Clock synchronization algorithms fornetwork measurements,”in Proc.IEEE INFOCOM,vol.1,pp.160-169,Nov.2002.

[4]、Z.Liu,C.H.Xia,L.Zhang,International Business Machines Corporation(2005),Clock synchronization with removal of clock skews through networkmeasurements in derivation of a convex hull,U.S.Pat.6957357.

[5]、S.M.Carlson,M.H.T.Hack and L.Zhang,International BusinessMachines Corporation(2010),Method and system for clock skew and offsetestimation,U.S.Pat.US7688865.

所有上面引用的参考文献都通过引用并入本文。

Claims (30)

1.一种从设备，所述从设备通过网络连接到具有主时钟的主设备，其中，所述从设备包括从时钟，并且其中：

所述从设备被设置成：

与所述主设备交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；

用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；

求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和所述偏移的估计；以及

基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

2.根据权利要求1所述的从设备，其中，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述从设备被设置成通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

3.根据权利要求2所述的从设备，其中，所述从设备具有存储从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子的存储区，所述带符号的偏斜补偿因子在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期被加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

4.根据权利要求3所述的从设备，其中，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的从设备，其中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

6.根据权利要求5所述的从设备，其中，在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时所述计数器被初始化，并且在接收到第一主时间估计时，所述计数器被复位至所述第一主时间估计。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的从设备，所述从设备还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，其中，所述第二自由运行计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的从设备，其中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器和比较器，其中，所述比较器被设置成将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较，并且当存在匹配时产生输出信号。

9.根据权利要求8所述的从设备，其中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，所述从设备被设置成每当通过所述比较器发现匹配时，通过使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增来产生脉冲输出信号。

10.根据权利要求9所述的从设备，其中，使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。

11.一种将从设备中的从时钟的时间和频率同步到主设备中的主时钟的方法，所述主设备通过网络连接到所述从设备，该方法包括以下步骤：

在所述主设备和所述从设备之间交换定时消息和如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；

用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；

求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和所述偏移的估计；以及

基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述同步的步骤包括以下步骤：

通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

将从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子存储到存储区中；以及

在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期将所述补偿因子加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时对所述计数器进行初始化，以及

在接收到第一主时间估计时，将所述计数器复位至所述第一主时间估计。

17.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述从设备还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，并且所述第二自由运行计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

18.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器，并且所述方法还包括以下步骤：

将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较；以及

当存在匹配时产生输出信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，并且所述方法还包括以下步骤：每当通过所述比较器发现匹配时，使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增以产生脉冲输出信号。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。

21.一种用于网络的时间和频率同步系统，所述系统包括：

具有主时钟的主设备；

具有从时钟的从设备；以及

连接所述主设备和所述从设备的网络，

其中：

所述从时钟包括从时钟；并且

所述从设备被设置成：

与所述主设备交换定时消息并且记录如下时间戳：根据所述主时钟从所述主设备发送所述定时消息的时间、根据所述从时钟接收所述定时消息的时间、根据所述从时钟发送所述定时消息的时间以及根据所述主时钟接收所述定时消息的时间；

用公式表示寻求最小化表达式θ_f-θ_r的线性规划问题，其中，θ_f是根据从所述主设备发送到所述从设备的定时消息推导出的所述从时钟相较于所述主时钟的偏移，并且θ_r是根据从所述从设备发送到所述主设备的定时消息推导出的偏移，所述线性规划问题受下列约束条件限制：T_1,n≥(1+α)T_2,n+θ_f、T_4,n≤(1+α)T_3,n+θ_r以及θ_f-θ_r≥0，其中：α是所述从时钟相较于所述主时钟的偏斜；T_1,n是根据所述主时钟从所述主设备发送第n个定时消息的时间；T_2,n是根据所述从时钟从所述主设备接收所述第n个定时消息的时间；T_3,n是根据所述从时钟从所述从设备发送所述第n个定时消息的时间；以及T_4,n是根据所述主时钟从所述从设备接收所述第n个定时消息的时间；

求解所述线性规划问题以导出所述从时钟相对于所述主时钟的所述偏斜和所述偏移的估计；以及

基于所估计出的偏斜和偏移将所述从时钟同步到所述主时钟，以产生主时间估计。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述从时钟包括本地自由运行振荡器和由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的偏斜调整后的自由运行计数器，并且所述从设备被设置成通过对所述偏斜调整后的自由运行计数器进行调整以考虑所估计出的偏斜并且将所估计出的偏移应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的输出来将所述从时钟的频率同步到所述主时钟的频率以产生所述主时间估计。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述从设备具有存储从所述偏斜的所述估计推导出的带符号的偏斜补偿因子的存储区，所述带符号的偏斜补偿因子在所述本地自由运行振荡器的每个时钟周期被加到所述偏斜调整后的自由运行计数器。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述偏斜补偿因子是表示要应用到所述偏斜调整后的自由运行计数器的小数纳秒调整的调整因子。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的系统，其中，所述偏斜调整后的自由运行计数器还被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，在所述从设备从所述主设备接收到第一定时消息时所述计数器被初始化，并且在接收到第一主时间估计时，所述计数器被复位至所述第一主时间估计。

27.根据权利要求22至24中任一项所述的系统，所述系统还包括由所述本地自由运行振荡器的输出驱动的第二自由运行计数器，其中所述第二自由运行计数器被用于提供针对在所述从设备接收定时消息的时间和从所述从设备发送定时消息的时间的时间戳。

28.根据权利要求22至24中任一项所述的系统，其中，所述从设备还包括存储调度的事件时间的第一可编程寄存器和比较器，其中，所述比较器被设置成将所述主时间估计与存储在所述寄存器中的所述事件时间进行比较，并且当存在匹配时产生输出信号。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述从设备包括存储事件周期的第二可编程寄存器，所述从设备被设置成每当通过所述比较器发现匹配时，通过使存储在所述第一可编程寄存器中的调度的事件时间以存储在所述第二可编程寄存器中的所述事件周期递增来产生脉冲输出信号。

30.根据权利要求29所述的系统，其中，使用锁相环对所述比较器的所述脉冲输出进行调节，以降低所述输出中的抖动。