CN106162861B - 用于无线网络中的时间同步的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于无线网络中的时间同步的方法和装置,该装置为无线站点,该无线站点包括:物理层时钟;以及接收和解码电路,用于重复接收和解码广播信标帧和包括在该广播信标帧中的时间戳,其中所述物理层电路包括:振荡器,被配置成产生时钟信号;计数器,被配置成根据所述时钟信号而进行增加;误差计算单元,被配置成确定当前计数器值和在时间戳中接收的值之间的误差;以及速率调整模块,被配置成根据所确定的误差调整所述时钟信号并且将所调整的时钟信号提供至所述计数器,其中,所述解码电路被配置成利用在所述时间戳中接收的值来重写所述计数器。
Description
本申请是申请日为2012年09月21日、申请号为201280046483.8、名称为“用于无线网络中的时间同步的方法和装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于无线网络中的时间同步的方法和装置以及系统,并且特别涉及时间同步对于从无线网络中的接收单元得到可接受性能很重要的类型的无线网络,例如在音频和视频功能和其他多媒体功能中。
背景技术
IEEE 802.11Wi-Fi标准通常用于计算设备、网络服务器等之间的众多无线应用。IEEE 802.11Wi-Fi标准越来越多地应用于例如流音频数据、流视频数据和如使用便携式游戏设备进行游戏等的其他多媒体应用的功能的国内应用。经由接入点(AP)可提供即将被传送至无线网络中的多个站点(STA)的数据。这广播了相关数据并且该相关数据由其所认定的一个或多个接收器或者站点检测。
网络中的每个站点将具有与其相关联的电路以处理根据接收到的数据的类型处理数据。例如,一对无线扬声器中的每一个无线扬声器将接收音频信号的左声道和右声道并且将必须对其解码并将其回放给用户听。每个站点中的电路将具有自由运行的时钟。该时钟通常是基于晶体的振荡器并且很常见这些振荡器不特别精准,以及在站点之间时钟常彼此不同步。因此,对于例如一对扬声器,用于控制回放的自由运行时钟在一个扩音器中可比另一个扩音器中的更快,这通常会逐渐引起左右声道变得不太同步。
例如如NTPRFC 1305的NTP的时间协议常用于通过如因特网有线网络的标准有线分配系统来提供严格定时机制。
NTP是这样一种常用的协议,当在无线网络中传送用于如音频的多种应用的数据时使用该协议是可取的。然而,问题出现了,因为无线系统中的例如NTP的时间协议可经历不对称的接收和传送路径,由于系统中不同单元间的不对称程度不同,该不对称的接收和传送路径可能不同。因此,经由Wi-Fi网络使用例如NTP的时间协议的站点将遭受由于不对称路径的不精确并因此可能不与其他站点同步。
发明内容
我们已认识到例如IEEE 802.11的Wi-Fi传输标准包括由在接入点的物理层时钟提供的定时信标(时间同步功能—TSF),接收器需要优先处理该定时信标,并且此外这在AP和每一个站点之间形成快速和直接的半同步路径。每个站点中的Wi-Fi接收器具有站点处的处理电路使用的其自有的物理层自由运行时钟。该物理层自由运行时钟被复位以与来自在接收到的Wi-Fi信号中的AP的定时信标同步。因此,能使用TSF来同步接收器中的物理层时钟。接收到的AP-TSF和Wi-Fi接收器中的STA自由运行时钟间的不同提供了AP时钟和STA站点时钟间的误差,并且这能被用于为更高级的定时同步方法提供更精细的校正值(诸如NTP),以使多个站点中的站点时钟更紧密地同步。
根据本发明的一个方面,提供了一种用于接收和回放在无线媒体分配系统中传送的媒体的无线站点,该站点包括:
物理层,该物理层包括物理层时钟并且还包括用于重复接收和解码广播信标帧和包括在该广播信标帧中的时间戳的接收器和解码器电路,以及其中该物理层时钟被配置为根据时间戳控制其输出时钟信号;
传输层,该传输层使用传输层时间同步协议进行操作并且包括被连接至物理层时钟的时钟接口以将时钟信号从物理层时钟转换为适于由传输层时钟同步协议用作时钟源的形式;以及
操作系统时钟,由传输层时间同步协议控制以用于接收和回放媒体。
根据本发明的另一个方面,提供了一种用于控制无线站点中的操作系统时钟以用于接收和回放在无线媒体分布系统中传送的媒体的方法,该方法包括:
在站点的物理层中接收广播信标帧;
解码该信标帧以得到时间戳;
根据时间戳来控制物理层时钟的输出时钟信号;
将物理层时钟的输出时钟信号转换为适于由传输层中的传输层时间同步协议用作时钟源的形式;以及
用传输层时间同步协议来控制操作系统时钟以用于媒体的接收和回放。
根据本发明的第三方面,提供了一种无线媒体分布系统,该无线媒体分配系统包括用于广播媒体的接入点和用于媒体的接收和回放的多个站点,其中:
该接入点被配置为重复传送信标帧,该信标帧包括根据接入点中的物理层时钟得到的时间戳;
每个站点被配置为接收和解码每个信标帧中的时间戳,并且根据该时间戳控制站点物理层时钟的输出时钟信号,以及使用物理层时钟的输出时钟信号作为用于站点的传输层中的传输层时间同步协议的时钟源。
本发明的这些和其他方面将在参考其做出的随附权利要求中更精确地定义。
附图说明
本发明的优选实施方式将参考附图以示例的方式进行详细描述,其中:
图1示意性地示出了本发明可被应用于其的类型的Wi-Fi网络,该类型的Wi-Fi网络使用NTP作为示例时间协议,图1示出了现有技术的NTP同步技术;
图2示出了具有在AP和STA上被用于同步的物理层时钟的图1的配置,图2示出了多协议层同步技术;
图3示出了AP物理层时钟和相关电路的示意图,图3示出了AP物理层时钟结构;
图4示出了STA物理层时钟和相关电路的第一实施方式,图4示出了第一示例性STA物理层时钟结构;
图5示出了STA物理层时钟和相关电路的第二实施方式,图5示出了第二示例性STA物理层时钟结构;以及
图6示出了物理层时钟和NTP时钟之间的关系及Wi-Fi系统的应用层中的电路,图6示出了OS软件时钟的NTP调整。
具体实施方式
图1示出了使用例如NTP的应用层协议用于时间同步两个无线站点的已知技术。在该示例中,有两个站点(STA)2,这两个站点(STA)2回放来自媒体源4的媒体。媒体源可位于因特网中(例如,流服务),连接至AP6(例如,存储在本地计算机或者网络驱动上),或者能从站点中的一者得到(例如,媒体可经由DAB被广播并且在装备了DAB接收器的一个站点被接收并且通过Wi-Fi提供给其他站点)。两个站点的目的在于同步回放媒体。这可包括同步回放来自两个站点的相同媒体(例如,对于多房间(multi-room)回放)或者同步回放媒体的不同组成(例如提供给不同扬声器的左和右立体声信道)。
媒体回放由每个站点2中的操作系统(OS)软件时钟8控制,并且两个站点可被配置为在特定时间按照各自的OS时钟8所确定的回放速率开始回放。然而,这依赖于站点中的OS软件时钟彼此同步。通常,这使用NTP(虽然可以使用其他类似的时间协议)来实现。NTP是应用层时间同步协议,该NTP可以被用于控制每个站点处的OS软件时钟。每个站点使用NTP周期性地轮询在因特网上可接入的时间服务器(典型如原子时钟服务器)。这返回时间值,并且NTP能结合其他测量的网络统计使用该时间值以预测“真正”时间值。在理想的网络环境(例如有线以太网LAN)中,NTP能给出良好同步(约1ms精度),其适用于多房间回放。
然而,在例如Wi-Fi的无线环境中使用如上所述的基于NTP的解决方案有一些问题。具体地,不对称接收和传送路径可能导致NTP应用的不精确预测,并且因此如上所述每个站点中的OS软件时钟将不被充分同步。此外,对于如左/右立体声信道同步的应用,甚至需要NTP通常不能达到的较高精确度(10us左右)。因此,以上基于NTP的系统的类型不合适,特别是对于左/右信道同步,但对于一些多房间应用还是合适的。
可替换的现有技术解决方案已整个放弃了NTP,但这些可替换的现有技术带来它们自身的问题,如这些技术通常使用专属同步协议。这导致非标准STA被使用(如通常一个必须充当主以与其他同步)。此外,排除了一些站点是无线的而其他被连接至有线网络的任何混合系统。
本发明的实施方式保持对NTP应用层时间同步协议的使用以同步每个站点2的OS时钟8。然而,在该实例中,取代了NTP轮询远程时间服务器10以同步时钟,每个站点2中的OS软件时钟使用站点的物理层时钟12作为时间源。此外,NTP使用的时间源是可切换的。在一些情况下,使用基于因特网的时间服务器10的NTP精确度是足够的(例如,许多多房间系统或者其中有混合的有线和无线站点)。在其他需要更高精确度的实例中,NTP时间源被切换至更精确的源,该更精确的源在这种情况下是用于控制每个站点和接入点中的无线通信的物理层时钟。每个站点和接入点有其自有的物理层时钟。物理层时钟被用于例如IEEE802.11中以在Wi-Fi系统中对帧数据速率计时。
这参考图2示出,其中每个站点的OS软件时钟8使用NTP轮询每个站点处的物理层时钟12,以使物理层时钟12成为每个站点处的OS软件时钟8的同步源。每个站点处的物理层时钟12还与接入点6处的物理层时钟14同步。
图2示出了NTP使用每个站点处的物理层时钟12作为其定时源的配置,并且在该实例中,当系统是基于Wi-Fi时,时间同步功能与接入点6处的物理层时钟14交换以充分地同步定时两个或者更多站点2。如图1所示,被回放的媒体可以从因特网经由流服务被提供,经由连接至接入点6的单元,或者,可替换地,可以在站点中的一者上被嵌入。
将认识到使用这样的配置每个站点独立地使用NTP将其OS软件时钟同步至其自有的物理层时钟。该同步被分布在站点之间并且因此不需要预定等级。
在例如图2中示出的Wi-Fi系统的情况下,使用定时同步功能(TSF)保持每个站点的物理层时钟12同步。这包括周期性地产生信标帧和使用RF传输这些信标帧。该信标帧被AP广播并因此被所有站点接收。
图3示出了在接入点6的物理层时钟14的示意性操作。图3中包括自由运行的本地振荡器(例如,本地晶体振荡器)16,该自由运行的本地振荡器16产生计时信号和被配置为在每个时钟“滴答(tick)”或者时钟周期增加的计数器。组帧(framing)单元20周期地产生信标帧并且使用耦合至Wi-Fi天线24的RF前端电路22传送该信标帧。被广播并由所有站点2接收的每个信标帧包括时间戳字段,该时间戳字段包含来自AP计数器18的计数器值的复本。传送信标帧的特征是Wi-Fi标准(IEEE 802.11)的一部分。信标帧的传输快速而直接并且所有站点基本上同步接收该帧。信标帧和TSF通常约每100ms左右被广播。
为了彻底了解本发明的这一实施方式如何操作,有必要了解每个站点2中的物理层时钟的结构。这在图4中被示出。
在类似于在接入点6的方法中,站点2具有由本地晶体28形成的自由运行的振荡器。如同在接入点处发生的,计数器30在每个时钟“滴答”处在每个时钟周期上进行增加。目标是每个站点中的自由运行的振荡器28应该产生与接入点处的自由运行的振荡器相同频率的时钟信号。然而,用于每个振荡器中的单个晶体间有变化并且作为这些变化的结果这些单个晶体以稍微不同的速率运行。因此接入点和站点中的每一者处的计数器将以稍微不同的速率增加,并且即使周期性的同步将随着时间在同步中发生偏移。
为了处理频率变化和偏移,当站点经由其RF前端32接收到信标帧时,时间戳字段被解码时钟34提取。该时间戳字段包括接入点处的计数器的计数器值。然后来自接入点的该计数器值被复制到站点中的计数器30。因此,每次接收到信标帧和时间戳字段,站点处的计数器30重新同步至接入点6处的计数器18的值。因为信标帧以RF频率被传送,所以包括在其传输中的时间延时是无关紧要的。此外,信标帧和时间戳是Wi-Fi标准中的低级功能并且不会遭受需要进一步补偿的显著的处理延时,并因此无关紧要的延迟被采用。
物理层时钟18及其在接入点处的等效包括晶体振荡器和计数器,该计数器是在硅中形成的单调的硬件计数器。在Wi-Fi芯片中,该计数器是被整个芯片用来作为低延迟计数器的计数器,该低延迟计数器可用于上处理层作为普通时钟信号。在一个示例中,时钟可包括在192KHz滴答的24位计数器,但其他位宽和频率是可能的,并且这些被解析以形成NTP的合适输入。
在此处示出的实施方式中,站点物理层时钟也包括被用于速率控制计数器30的附加功能。该附加功能可以被提供以用于将站点计数器30和接入点计数器18尽可能紧密地对准,以使信标帧间的转移被最小化并且可被完全消除。在该示例中,图4中示出的站点物理层时钟具有耦合在本地晶体振荡器28和计数器30间的速率调整模块36。这使得计数器30通过晶体增加的速率能够被调整。例如,速率调整模块可以是控制提供给计数器30的滴答速率的软件模块。在另一个示例中,速率调整模块可以是硬件模块,诸如用于控制供给计数器30的滴答速率的相位锁定环路。速率调整模块36被用于调整时钟信号增加计数器30的速率以尽可能紧密地匹配接入点本地晶体振荡器16增加接入点计数器18的速率。这通过使用时间戳记录和误差计算单元38来实现。这从每个解码的信标帧接收时间戳并且计算包含在时间戳中的接入点计数器值和来自站点计数器30的当前计数器值间的差。在站点计数器30用接入点计数器值重写前计算该误差。这可通过使用时间戳和误差计算单元来实现以通过基本上与每次更新计数器30同步地对监测值进行更新来重复监测计数器30的值。可替换地,时间戳和误差计算可以对在到达的信标帧和读取的STA计数器之间的时钟滴答的数量计数并且可以相应地校准时钟信号。
因此时间戳和误差计算单元38提供接入点18和站点计数器30之间的误差值,该误差值表示它们之间的差或者自接收到最后一个信标帧以后它们已偏移的差。
因此得到的误差值能被提供给速率校准计算模块40。这可用于确定如何控制速率调整单元36来针对得到的误差对站点计数器进行调整。这能被实现的一种方法是知晓自从之前的校准以后逝去的时间和当前误差值。该信息结合误差值使得接入点计数器和站点计数器间的偏移量能够被确定。接着来自晶体的时钟信号可以以速率调整模块36被调整来以更接近接入点计数器18的速率的速率使站点计数器30增加。因为这在每次接收到时间戳时重复发生,误差应该通过相对短的时间周期并使用足够准确的误差计算趋向最小值,并且速率调整电路将能够紧密对准接入点18和站点计数器30。
通过使用每个站点中各自的物理层时钟,相同的技术在每个站点2中独立地被执行。这将导致每个站点的计数器紧密地与站点计数器同步并且还与站点计数器相互同步。
以上描述的物理层时钟校准技术不是Wi-Fi标准中的一部分。然而,我们已经认识到可以进行至Wi-Fi驱动器的低等级接入并且这使能对接收的信标帧和计数器值的接入。因此,这些已经被用于获得接入点和站点间的更紧密的同步。
以上的实施方式可以在不使用误差计算和速率调整的情况下实施。然而,在信标帧的接收间的本地振荡器间有更大的偏移,以及相同的偏移将重复并且能使用速率调整和时钟校准模块被减小。
每个站点中的物理层时钟的另一个示例在图5中被示出。如图4,包括本地晶体振荡器28和计数器30。RF前端电路32和解码单元34接收信标帧并且根据这些信标帧,使用来自信标帧的接入点计数器值来解码和更新站点计数器30。
在该示例中,取代了速率控制站点计数器30,在接入点计数器被接收时,物理层时钟生成对应于接入点计数器和站点计数器的一对值。这些值在时间戳和对生成单元42中被生成。这被称作相关接入点和站点计数器对。为实现该目的,接入点计数器的到达时间是被站点计数器30盖戳的时间并且站点计数器值接着从该时间戳中读取/获得。一旦相关的计数器对已经生成,它可能被传递到更高的软件层处理。这些更高的软件层可以执行对站点晶体和接入点晶体28之间的速率差的补偿。例如,这可以如下面所描述的由NTP时钟接口执行。因为接入点和站点计数器对与相同时间戳相关,如果更高的层花费一些时间处理该接入点和站点计数器对并执行该补偿是没关系的。
在该示例中,更高软件层能通过在站点接收的信标帧之间的时间周期的过程上使用相关计数器来监测站点计数器距离接入点计数器偏离了多少。优选地,这通过多个信标帧监测以改善偏离或者偏移的精确度。一旦该偏移已知,更高软件层能通过确定自最后一个信标帧以后的时间和计算站点计数器将在该周期中偏离多少并且相应地调整当前计数器值来速率补偿站点计数器值。
通过使用以上参考图4和5描述的物理层时钟的实施方式中的任意一者,每个站点2具有大大改善了与接入点计数器18的同步的计数器30。如果用足够的精确度实施,站点和接入点计数器将基本上同步。
然而,物理层时钟中的计数器本身不适于以NTP方式使用。因为这样,如图6所示,需要Wi-Fi系统的应用层中的NTP时钟接口。接口50采用来自物理层时钟52的当前计数器值。如果用于以上参考图5描述的第二示例中,这可被速率补偿以针对信标帧的接收间的任意偏移来调整。NTP时钟接口解析物理层时钟,以使NTP时钟接口适用于NTP适用的形式,换言之,NTP时钟接口以相似的形式被放置在由因特网时钟服务器提供的NTP时钟接口。为了同步站点间的媒体回放的目的,NTP时钟接口是否提供日间校准时间是无关紧要的,但重要的是所有站点和它们的时钟与同步为相同时间。
NTP源选择器54被配置为从经由NTP时钟接口50的物理层时钟或者从一个或多个基于因特网的时钟源中选择NTP时钟。该选择可基于所需的精确度等级或者基于整个系统的配置,或者基于其他合适的因素。这之后,NTP以与其在已知的有线网络环境中的相同的方式操作。NTP周期性地轮询时钟源并且所选择的NTP源向NTP精确度预测器56提供来自所选择的源的时钟值,该NTP精确度预测器56基于时钟轮询的往返时间(RTT)来应用标准NTP预测算法。在一个示例中,算法可以保持不变,及时时钟源可以在站点的内部(非常短的RTT)。在另一个实施例中,算法可以被优化以考虑时钟源的本地性质。基于时钟源值和该预测来对站点中的操作系统软件时钟8进行NTP调整。
相同的过程在所有站点中执行。因为使用图4或者5的电路实现的物理层时钟间的同步,同步的操作系统软件时钟在每个站点中得到。因此,使用这样的同步操作系统软件时钟在不同站点上的媒体回放是同步的,以使媒体在站点上以彼此同步的方式听到。
对以上描述的系统的进一步增强可以使用Wi-Fi的附加特征来向同步状态上的站点中的每一者提供附加信息。Wi-Fi标准包括“探测请求”帧,该“探测请求”帧被从站点发送至接入点以提供有关(除其他之外)支持的数据速率的信息。然而,探测请求帧还具有能用于其他信息的供应商特定字段。例如,最近计算的示出接入点计数器和站点计数器间的差的误差值也可以包括在该字段中。虽然该帧主要被发送至接入点,但是实际上该帧在Wi-Fi网络上被广播,这意味着所有其他站点也能够接收到该帧。
站点中的一或者多者可以从其他站点收集关于误差值的信息,并且这可以被用于改善系统性能,例如,该信息可以被用作NTP选择器的输入。在这种情况下,如果误差都足够低,则可切换至基于TSF的时钟源,或者相反地如果STA具有由于接收差而带来的高误差,则基于因特网的源可以更加可靠并且应该由NTP选择器选择。在另一实施例中,这可以被用于确定误差是否足够低以通过不同站点使左右立体声信道分离。如果该确定的结果是分离左右信道将不能充分同步,则系统可以被控制以通过每个信道还原成相同的媒体(音频)回放,换言之无需任何立体声分离。在进一步的示例中,该信息可以被提供给用户,以帮助用户设置STA,以得到足够的准确度来使得立体声信道能够被输出。这在具有显著的多条路径失真的环境中特别有用。
Claims (19)
1.一种无线站点,该无线站点包括:
物理层时钟;以及
接收和解码电路,用于重复接收和解码广播信标帧和包括在该广播信标帧中的时间戳,
其中所述物理层时钟包括:
振荡器,被配置成产生时钟信号;
计数器,被配置成根据所述时钟信号而进行增加;
误差计算单元,被配置成确定当前计数器值和在所述时间戳中接收的值之间的误差;以及
速率调整模块,被配置成根据所确定的误差调整所述时钟信号并且
将所调整的时钟信号提供至所述计数器,
其中,所述物理层时钟被配置成利用在所述时间戳中接收的值来重写所述计数器。
2.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述接收的值为在接入点处计数器的值。
3.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述误差计算单元被配置成在所述计数器被利用在所述时间戳中接收的值重写之前,确定所述误差。
4.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述速率调整模块被耦合在所述振荡器和所述计数器之间。
5.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述速率调整模块为相位锁定环路。
6.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述振荡器为自由运行的晶体振荡器。
7.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述误差计算单元被配置成在接收所述信标帧和确定所述当前计数器值之间根据所述计数器的滴答数来确定所述误差。
8.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述速率调整模块被配置成根据自从之前的校准以后逝去的时间和所确定的误差来确定所调整的速率。
9.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述信标帧为Wi-Fi协议的信标帧。
10.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述时间戳为Wi-Fi协议的时间同步功能。
11.根据权利要求1所述的无线站点,其中所述无线站点被配置成根据所输出的时钟信号来播放媒体。
12.根据权利要求1所述的无线站点,其中媒体源被耦合至所述站点。
13.根据权利要求1所述的无线站点,其中媒体源经由因特网而被接入。
14.根据权利要求1所述的无线站点,进一步包括软件时钟,该软件时钟被配置成使用所述物理层时钟作为时间源。
15.根据权利要求14所述的无线站点,其中所述软件时钟被用于控制媒体的回放。
16.一种无线站点,该无线站点包括:
物理层时钟;以及
接收和解码电路,用于重复接收和解码广播信标帧和包括在该广播信标帧中的时间戳,
其中所述物理层时钟包括:
振荡器,被配置成产生时钟信号;
计数器,被配置成根据所述时钟信号而进行增加;
误差计算单元,被配置成确定当前计数器值和在所述时间戳中所接收的值之间的误差;以及
速率调整模块,被耦合在所述振荡器和所述计数器之间,且被配置成根据所确定的误差调整所述时钟信号并且将所调整的时钟信号提供至所述计数器。
17.一种无线媒体分配系统,包括:
根据上述任意一项权利要求所述的无线站点;以及
接入点AP,用于广播媒体,其中所述AP被配置成重复传输信标帧,该信标帧包括在所述AP的物理层时钟中提取的时间戳。
18.根据权利要求17所述的无线媒体分配系统,其中所述AP物理层时钟包括AP计数器和被配置成增加所述AP计数器的AP振荡器,其中所述速率调整模块被配置成调整所述时钟信号以便匹配所述AP振荡器增加所述AP计数器的速率。
19.一种用于将无线站点的物理层时钟同步至接入站点的物理层时钟的方法,该方法包括在所述无线站点处:
重复接收和解码信标帧及包含在该信标帧中的时间戳;
产生时钟信号;
根据所产生的时钟信号增加计数器;
确定当前计数器值和在所述时间戳中接收的值之间的误差;
根据所确定的误差来调整所述时钟信号且将所调整的信号提供至所述计数器;以及
利用在所述时间戳中接收的值来重写所述计数器。
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