CN110581742B - 一种时钟同步方法、系统及基站 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种时钟同步方法、系统及基站，所述时钟同步系统包括主基站以及从基站，其中，所述主基站，用于获取参考时钟源信号，并在达到预设条件时，将所述参考时钟源信号发送至所述从基站；所述从基站，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定所述从基站的系统时钟；其中，在所述从基站的系统时钟未锁定时，所述预设条件包括实时发送条件；在所述从基站的系统时钟已锁定时，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。通过上述的主基站与从基站间并不是长时间实时通信的模式，可以节省通信带宽资源，降低了从基站对主基站的依赖程度，提高了从基站的环境适应能力。

Description

一种时钟同步方法、系统及基站

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种时钟同步方法、一种时钟同步系统以及一种基站。

背景技术

时钟是任何时序数字电路的关键组成部分，特别是对于定时和频率要求高的通信设备、自动控制系统、计算机硬件等而言更是影响通信质量、控制准确度、计算效率等指标的关键因素。时钟好坏直接影响单板甚至整个系统的性能。

在通信系统中，时钟锁定是帧号同步、创建小区、开展业务的前提条件，需要时钟长时间工作于稳定的锁定状态，因此通信基站对时钟同步提出了很高的要求。

在现有技术中，通信系统的时钟同步方法大多是基于GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)、北斗、级联、1588等较为传统的常用时钟同步方式，其中：

GPS的授时方式是：GPS射频线缆将GPS天线信号传到NodeB基站内的GPS接收机，GPS接收机通过对卫星信号进行处理，输出秒脉冲1PPS(1Pulse Per Second)以及日时间TOD(Time of Day，表征1PPS具体的整秒时间值)为基站授时。GPS系统通过测量时间差计算距离，具有精确到ns精度的时间，且GPS时钟同步技术较为成熟，可靠性较高，因此GPS为默认的、最常用的基站时钟同步方式。

1588授时方式是：1588时钟同步系统通过以太网的瞬间同步协议来进行基站间对齐。主时钟(master)透过支持1588的网络，与基站的1588模块进行PTP(Precision TimeProtocol，精确时间协议)消息交互。基站根据交互的PTP消息，恢复出时间与master同步。1588网络授时主要优势在于传输距离较长，授时终端成本降低，受外界干扰较少。

北斗是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，授时精度为10ns。而级联时钟同步方式，则是通过422差分信号通过背板传输1PPS和TOD信号。

然而，上述授时方式分别存在以下不足：

由于通信基站工作环境信号差，若使用GPS、北斗等时间同步方式，需要每个基站连接天线，多处天线资源损耗，并对每处天线的信号都严格要求，这对于信号不稳定地区，很难达到每台基站的时钟稳定性要求，且天线布局分散，难于维护。

而级联和1588则需要主时钟一直锁定，只要主时钟出现故障，从时钟就会失锁，对主时钟依赖性极高，且需要专用的传输模块，对传输模块的实时可靠性也同样有着很高的要求。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种时钟同步方法，以解决现有的基站授时过程出现的天线资源损耗、难以维护，从基站对主基站依赖性高等问题。

相应的，本发明实施例还提供了一种时钟同步系统以及一种基站，用以保证上述方法的实现及应用。

为了解决上述问题，本发明公开了一种时钟同步系统，所述时钟同步系统包括主基站以及从基站，其中，

所述主基站，用于获取参考时钟源信号，并在达到预设条件时，将所述参考时钟源信号发送至所述从基站；

所述从基站，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定所述从基站的系统时钟；

其中，在所述从基站的系统时钟未锁定时，所述预设条件包括实时发送条件；

在所述从基站的系统时钟已锁定时，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

优选地，所述时钟同步系统还包括用于连接所述主基站与所述从基站的点对点NTN无线网络。

优选地，所述参考时钟源信号包括参考秒脉冲1PPS信号；

所述从基站包括用于对所述从基站的系统时钟进行锁定的锁相模块；

所述锁相模块至少包括晶体振荡器、鉴相器、滤波器、数模转换器、分频器；

所述鉴相器，用于检测所述参考1PPS信号与本地产生的本地1PPS信号的相位差值，并将所述相位差值转换成电压信号输出至滤波器；

所述滤波器，用于对所述电压信号进行滤波，以影响所述锁相模块对应的锁相环路的带宽，经滤波后的电压信号输出至所述数模转换器；

所述数模转换器，用于将所述电压信号转换成模拟信号后输出至所述晶体振荡器，以对所述晶体振荡器的输出信号的频率实施控制。

优选地，所述参考时钟源信号还包括参考日时间TOD包；

所述从基站还包括：

TOD消息对齐模块，用于将本地维护的本地TOD消息与所述参考TOD包进行对齐，其中，所述本地TOD消息包括本地绝对秒，所述绝对秒按照接收到的参考1PPS信号的次数而递增。

优选地，所述锁相模块还包括：

锁相环状态确定子模块，用于在从基站的系统时钟锁定过程中，确定所述系统时钟的锁相环状态。

优选地，所述锁相环状态确定子模块，包括：

TOD判断单元，用于判断接收到的所述参考TOD包是否连续；

相位差值判断单元，用于在判定所述接收到的TOD包连续时，判断所述鉴相器输出的相位差值是否小于预设阈值；

状态确定单元，用于根据所述TOD判断单元和/或所述相位差值判断单元的输出结果，以及当前的锁相环路的带宽，确定锁相环状态。

优选地，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动时，若判定所述启动为软件复位启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，确定当前锁相环状态为开始状态；

若判定所述启动为上电启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，则确定当前锁相环状态为预热状态。

优选地，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动后，在判定接收到的第一指定次数的所述参考TOD包连续时，开始进行相位快速捕获工作；

在所述相位快速捕获工作过程中，当判定每秒接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位快速捕获工作，并确定当前锁相环状态为快速跟踪状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则进行相位跟踪工作；

在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则确定当前锁相环状态为锁定状态；

在所述相位跟踪工作过程中，当判定连续第三指定次数次接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位跟踪工作，并进行相位修正；若修正后的1PPS信号的相位与本地1PPS信号的相位的相位差值大于预设阈值，则确定当前锁相环状态为保持状态；

在进行相位修正后，若第一预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为保持超时状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，第二预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为异常状态。

优选地，所述从基站还包括：

时钟源通道切换模块，用于将当前的时钟源通道切换为自组网时钟源通道。

本发明还公开了一种时钟同步方法，所述方法包括：

接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

本发明还公开了一种基站，所述基站包括：

第一信号接收模块，用于接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

锁相环调节模块，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

第二信号接收模块，用于当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：

在本发明实施例中，当从基站的系统时钟还没有锁定时，主基站从时钟源中获取到参考时钟源信号以后，只需要在启站初期实时将该参考时钟源信号发送至从基站，从基站根据该参考时钟源信号进行锁相环调节，以进行时钟的同步工作，待从基站的系统时钟锁定以后，不需要主基站实时同步参考时钟源信号，只需主基站定时或在检测到从基站失锁时再发送参考时钟源信号进行短期稳定。通过这样的主基站与从基站间并不是长时间实时通信的模式，可以节省通信带宽资源，降低了从基站对主基站的依赖程度，提高了从基站的环境适应能力。

附图说明

图1是本发明一种时钟同步系统实施例的结构框图；

图2是本发明一种时钟同步系统另一实施例的结构框图；

图3是本发明一种时钟同步系统另一实施例中的时钟同步结构示意图；

图4是本发明一种时钟同步系统另一实施例中的三级环路带宽调整策略示意图；

图5是本发明一种时钟同步系统另一实施例中的锁相环PLL的基本模型示意图；

图6是本发明一种时钟同步系统另一实施例中的正弦鉴相器示意图；

图7是本发明一种时钟同步系统另一实施例中的状态转换示意图；

图8是本发明一种时钟同步方法实施例的步骤流程图；

图9是本发明一种基站实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种时钟同步系统实施例的结构框图，在本发明实施例中，时钟同步系统可以包括主基站10以及从基站20，其中，

所述主基站10，用于获取参考时钟源信号，并在达到预设条件时，将所述参考时钟源信号发送至所述从基站；

所述从基站20，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定所述从基站的系统时钟；

其中，在所述从基站20的系统时钟未锁定时，所述预设条件包括实时发送条件；

在所述从基站20的系统时钟已锁定时，所述预设条件包括检测到所述从基站20失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

在本发明实施例中，当从基站20的系统时钟还没有锁定时，主基站10从时钟源中获取到参考时钟源信号以后，只需要在启站初期实时将该参考时钟源信号发送至从基站20，从基站20根据该参考时钟源信号进行锁相环调节，以进行时钟的同步工作，待从基站20的系统时钟锁定以后，不需要主基站10实时同步参考时钟源信号，只需主基站10定时或在检测到从基站20失锁时再发送参考时钟源信号进行短期稳定。通过这样的主基站10与从基站20间并不是长时间实时通信的模式，可以节省通信带宽资源，降低了从基站20对主基站10的依赖程度，提高了从基站20的环境适应能力。

参照图2，示出了本发明一种时钟同步系统另一实施例的结构框图，在本发明实施例中，时钟同步系统可以包括主基站(又称主站)10、从基站(又称从站)20以及用于连接所述主基站10与所述从基站20的点对点NTN(Node-to-Node)无线网络30。

其中，该NTN无线网络30基于MAC地址转发原理，每个节点维护一张包含下一跳节点信息的路由表，基于NTN无线网络，从基站20不需要连接天线，避免天线资源损耗，并且便于对从基站20的维护，提高了从基站20的环境适应能力。

所述主基站10，用于获取参考时钟源信号，并在达到预设条件时，将所述参考时钟源信号发送至所述从基站；

在具体实现中，参考图3的时钟同步结构示意图所示，主基站10作为作为网管基站，可以连接GPS、北斗天线等时钟源，接收来自GPS、北斗天线等时钟源的参考时钟源信号，并将该参考时钟源信号通过NTN网络传递给从基站20。

作为本发明实施例的一种优选示例，该参考时钟源信号至少可以包括参考秒脉冲1PPS信号以及日时间TOD包(或称参考TOD包)。

具体的，从基站20和主基站10需要支持通过1PPS和TOD输入，获得同步定时信息，使得基站间满足空口时间和频率精度要求的同步。

TOD其实就是一种串行时间接口协议的简称，一般采用串行RS232/422进行通信，不同的用户有各自的通信协议，一般只要通信协议里面含有年月日时分秒等信息就可以称之为TOD，有的包含的语句稍微多一点，还包含星期、设备状态等。

1PPS一般和TOD配合使用，1PPS即为一秒一个脉冲的意思。

在实际中，TOD波特率默认为9600，无奇偶校验，1个起始位(用低电平表示)，1个停止位(用高电平表示)，空闲帧为高电平，8个数据位，应在1PPS上升沿1ms后开始传送TOD包，并在500ms内传完，此TOD包表示当前1PPS触发上升沿时间。TOD协议报文发送频率为每秒1次。

对于1PPS，采用上升沿作为准时沿，上升时间应小于50ns，脉宽应为20ms～200ms。

作为本发明实施例的一种优选示例，该TOD包可以包括但不限于如下信息：绝对秒、经纬度等位置信息、锁定的卫星信息等。

在本发明实施例的一种优选实施例中，在从基站20的系统时钟未锁定时，所述预设条件包括实时发送条件。

具体的，当从基站20的系统时钟未锁定时，主基站10每次获取参考时钟源信号，实时将该参考时钟源信号发送至从基站20中。

该从基站20作为普通基站，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定所述从基站的系统时钟。

具体的，由于1PPS会涉及业务层的帧号对齐、毫秒级的对齐等问题，业务层是在1PPS相位调整在容错范围内，即锁相环锁定后才能启动，1PPS的相位不能在业务层启动后再跳变，相位跳变会引起业务错误，因此本发明实施例由从基站20自适应调节自身的系统时钟，从而实现与主基站10的时钟同步。

如图3所示，所述从基站20可以包括EPLD(Erasable Programmable LogicDevice，可擦除可编辑逻辑器件)。

进一步的，在EPLD中可以包括寄存器，当从基站20从NTN网络中接收到参考时钟源信号以后，可以将该参考时钟源信号存储在EPLD对应的寄存器中。

在本发明实施例的一种优选实施例中，如图2所示，从基站20可以包括锁相模块201，该锁相模块201用于对所述从基站20的系统时钟进行锁定。

在具体实现中，该锁相模块201可以包含在EPLD中。进一步的，锁相模块201可以为PLL(Phase Locked Loop，锁相回路或锁相环)，其中，PLL是一种反馈控制电路，其特点是利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

在实际中，锁相模块201可以运行在MPC8560处理器平台上。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述锁相模块201可以包括但晶体振荡器、鉴相器、滤波器、数模转换器、分频器等。具体的，

所述鉴相器，用于检测所述参考1PPS信号与本地产生的本地1PPS信号的相位差值，并将所述相位差值转换成电压信号输出至滤波器；

所述滤波器，用于对所述电压信号进行滤波，以影响所述锁相模块对应的锁相环路的带宽，经滤波后的电压信号输出至所述数模转换器；

所述数模转换器，用于将所述电压信号转换成模拟信号后输出至所述晶体振荡器，以对所述晶体振荡器的输出信号的频率实施控制。

在实现中，本地1PPS信号以及本地TOD消息可以通过EPLD产生。

在具体实现中，从基站20可以将首次接收到的1PPS作为基准，维护本地1PPS，后续的本地1PPS根据锁相模块201进行调整。每次调整后的本地1PPS可以存储在EPLD对应的寄存器中。

作为一种示例，该本地TOD消息可以包括本地绝对秒、经纬度等位置信息以及锁星情况等。

其中，该绝对秒按照接收到的参考1PPS信号的次数而递增。具体的，本地绝对秒由从基站20在本地维护，由于主基站并不是一直传来参考时钟信号，故需要本地通过每接收到一个参考1PPS，绝对秒进行加1，以此来维护本地的绝对秒，供上层使用。

锁星情况可以包括如锁定的卫星数量等，在实现时，主基站10传来的卫星信息可以包括卫星的信号强度，当从基站20检测到某个卫星的卫星强度大于预设强度阈值时，则将该卫星作为有效卫星，并在计数器上加1，以此得到有效的卫星的数量作为锁定的卫星数量。

在一种实施方式中，如图3所示，该晶体振荡器可以包括恒温晶体振荡器(OvenControlled Crystal Oscillator，简称OCXO)，其是利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。

如图3所示，晶体振荡器给出的信号，一部分作为输出，另一部分通过分频器输入至鉴相器，与参考1PPS作相位比较。

作为一种示例，如图3所示，该鉴相器可以包括数字鉴相器，数字鉴相器可以计算参考1PPS信号的相位与本地1PPS信号的相位的差值，得到相位差值，即图3中的a差值，并将该相位差值通过EPLD反馈回NTN网络，NTN网络在之后主基站10传来的参考1PPS信号的相位的基础上进行加减运算，减去此相位差值，以此修正本地1PPS信号的相位。

在实际中，如图3所示，相位差值通过EPLD反馈回NTN网络时，还会携带影响参数(如图3中的b影响)来影响下次调节。

在一种实施方式中，上述相位差值(a差值)至少可以包括：

1)同步误差，±0.5采样偏差时，约±16ns；

2)精同步过程中的相对运动造成的同步误差(参考：15.625ms时间内，360km/h，同步偏差为±5.2ns)；

3)硬件延迟2ns；

4)节点间本地晶体带来的同步偏差。

在一种实施方式中，上述b影响至少可以包括：1.28s同步周期内，节点间本地晶体带来的同步偏差±10ns(晶振稳定度为±0.01PPM)。

鉴相器计算得到参考1PPS信号与本地1PPS信号的相位差值以后，可以将该相位差值转换成电压信号输出给滤波器进行滤波，从而根据滤波来影响锁相模块对应的锁相环路的带宽。

在本发明实施例中，滤波器可以包括预滤波器以及环形滤波器(Loop Filter)。

预滤波器用于对主基站10传来的参考1PPS信号进行滤波，因为参考1PPS信号有比较大的误差(根据图3中的a差值可以看出其误差)。

在实现时，预滤波器的滤波过程可以连续取30个点采样，通过LMS(Least meansquare，最小均方算法)进行线性拟合Y＝aX+b，分别进行频差估计和相差估计，从而实现滤波。

作为一种示例，环形滤波器可以包括IIR(Infinite Impulse Response，无限冲激响应)滤波器，IIR滤波器使用2阶巴特沃斯低通滤波，通过改变IIR滤波器的滤波带宽、比例增益和积分增益就可以调节整个锁相环路(PLL环路)的带宽。

具体的，PLL环路的带宽决定了PLL的锁定时间、PLL的输出频率稳定度和稳态相位误差。环路带宽大，则锁定时间快，但是环路滤除噪声的能力低，会导致PLL输出频率稳定度差，稳态相位误差大。环路带宽小，则环路滤除噪声能力强，但入锁时间慢，动态跟踪能力差，容易失锁。

根据本发明的锁相环路的架构，可以使用三级环路带宽调整策略，分别是快速捕获、快速跟踪、慢速跟踪三个等级，如图4的三级环路带宽调整策略示意图所示。

在PLL捕获阶段可以使用大带宽和大增益，从而加快捕获时间；在跟踪阶段可以使用小带宽和小增益，从而提高频率稳定度。

具体的，在图4中，快速捕获状态下，PLL具有较大的带宽，能迅速捕获相差和频差，在2-3分钟能使频率误差(即频差)减小到10-9量级，相位误差(即相差)在100ns以内，当相差小于100ns，频差小于0.03Hz，持续100s即认为可进入快速跟踪状态。在快速跟踪状态下，PLL具有较小带宽，能纠正0.05Hz的频差，相位偏差控制在100ns内，当相差小于60ns，持续300s即认为可进入慢速跟踪状态。在慢速跟踪状态下，PLL具有极低的带宽，只能纠正0.002的频差，相位误差被控制在60ns内，当相差大于80ns，持续10s即认为可进入快速速跟踪状态。在快速跟踪状态下，当相差大于150ns或者频差大于0.04Hz，持续10s即认为可进入快速捕获状态。

需要说明的是，环路滤波器中的比例项实际是调整每个周期内生成的频率差对环路的影响程度。因此比例增益较大时，环路会更多的考虑每个周期的相位差，比例增益的选择可以根据环路的配置及所能容许的频率差来定。环路的积分增益主要体现了相位差的累加对环路性能的影响。

参考图5，示出了锁相环PLL的基本模型示意图，在图5的PLL中，可以包括鉴相器(Phase Detector)、环形功放器(Loop Amplifier)、环形滤波器(Loop Filter)、恒温晶体振荡器OCXO。

鉴相器的输入信号可以定义为：x_in(t)＝A_ccos[2πf_ct+φ(t)]

OCXO的输出(即反馈值)可以定义为：x_vco(t)＝-A_vsin[2πf_ct+θ(t)]

PLL的基本功能是同步输入信号和OCXO输出信号的相位，即满足θ(t)＝φ(t)，在实现时要使得相位误差

鉴相器在很大程度上决定了PLL的工作特点，一般来说鉴相器的模型的选择取决于应用场景。例如，鉴相器的模型可以是正弦鉴相器，其输出是相位误差的正弦函数。

正弦鉴相器可以用图6所示的乘法器和低通滤波器表示，鉴相器中低通滤波器的作用是移除输入信号和OCXO输出信号相乘后的二次谐波，但是在实际应用中可以不需要这个低通滤波器，则正弦鉴相器可以表示为：

当PLL达到稳态时，理想的相位误差应该为零，但实际上由于输入信号是动态变化的，环路滤波器不可能做到实时响应信号的变化，所以相位误差不会为零，但设计的目的是让相位误差尽可能逼近零。

环路滤波器IIR的传递函数可以定义为F(s)，其冲激响应可以定义为f(t)。鉴相器的输出e_d(t)首先要做增益放大，即乘以增益系数μ，如果鉴相器采用正弦函数，其输出可以表示为下式：

OCXO的输出θ(t)的微分正比于OCXO的输入e_co(t)，可用下式描述：

其中，K_d为OCXO常数，单位为Hz/v

因此可得到OCXO的输出：

将上式展开可得：

其中，G定义为PLL环路增益，主要有输入输出信号的幅度和环路放大增益决定，其中，G＝πK_dA_cA_vμ

通过改变IIR滤波带宽、比例增益和积分增益就可以调节整个环路带宽。

经过滤波后的电压信号输入值数模转换器DAC(Digital to analog converter)，为了DAC输出的模拟信号有稳定的频率，从而对晶体振荡器的输出信号的频率实施控制。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述锁相模块201还可以包括如下子模块：

锁相环状态确定子模块，用于在从基站的系统时钟锁定过程中，确定所述系统时钟的锁相环状态。

作为一种示例，该锁相环状态可以包括但不限于如下状态：

开始状态(START)、预热状态(WARM UP)、快速跟踪状态(FAST)、锁定状态(LOCK)、保持状态(HOLD OVER，也可以称为失锁状态)、保持状态超时(HOLD OVER TIMEOUT)、异常状态(ABNORMAL)、保持状态异常(HOLD OVER FOR ABNORMAL)等。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述锁相环状态确定子模块还可以包括如下单元：

TOD判断单元，用于判断接收到的所述参考TOD包是否连续；

相位差值判断单元，用于在判定所述接收到的TOD包连续时，判断所述鉴相器输出的相位差值是否小于预设阈值；

状态确定单元，用于根据所述TOD判断单元和/或所述相位差值判断单元的输出结果，以及当前的锁相环路的带宽，确定锁相环状态。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动时，若判定所述启动为软件复位启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，确定当前锁相环状态为开始状态；

若判定所述启动为上电启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，则确定当前锁相环状态为预热状态。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动后，在判定接收到的第一指定次数的所述参考TOD包连续时，开始进行相位快速捕获工作；

在所述相位快速捕获工作过程中，当判定每秒接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位快速捕获工作，并确定当前锁相环状态为快速跟踪状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则进行相位跟踪工作；

在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则确定当前锁相环状态为锁定状态；

在所述相位跟踪工作过程中，当判定连续第三指定次数次接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位跟踪工作，并进行相位修正；若修正后的1PPS信号的相位与本地1PPS信号的相位的相位差值大于预设阈值，则确定当前锁相环状态为保持状态；

在进行相位修正后，若第一预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为保持超时状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，第二预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为异常状态。

需要说明的是，上述第一指定次数、第二指定次数、第三指定次数、预设阈值、第一预设时间段、第二预设时间段等可以根据实际情况设定，本发明实施例对此不作限制。例如，可以设定第一指定次数＝5；第二指定次数＝30；第二指定次数＝10；预设阈值＝±150ns。

在具体实现中，可以根据本地存储的绝对秒来判断第一指定次数的参考TOD包是否连续。例如，若本地TOD包对应的本地存储的绝对秒与上一个TOD包对应的绝对秒是否相差1，若两者相差1，则判定这两个TOD包连续。

具体的，参考图7所示的状态转换示意图，不同的锁相环状态的转换流程可以包括如下过程：

Step 1：从基站上电，软件初始化，判断是上电启动还是软件复位启动；当判断为上电启动后流程跳转至Step 2，当判断为软件复位启动且判断5次主站时钟通过NTN网传过来的TOD包连续，则判定时钟可用，状态跳转至Step 3，如果不能满足5次TOD包连续正常，则软件时钟的锁相环状态处于START状态。

在具体实现中，可以通过从基站的SSD驱动模块(Shared Secret Data，共享秘密数据)来判断从基站是上电启动还是软件复位启动。具体的，每次在下电前SSD驱动模块都会记录复位原因，并将此记录写入EPLD对应的寄存器，再次上电时，读此寄存器，即可知道之前复位的原因，从而知道是上电启动还是软件复位启动。

Step 2：系统时钟的软件模块通过DELAY(延迟)方式，等待10分钟让硬件OCXO芯片完成预热状态，同时判断主站时钟通过NTN网传过来的TOD包是否连续。如果TOD包连续5次连续，则状态跳转至Step 3，如果TOD包不能满足5次连续工作正常，则软件时钟的锁相环状态处于WARMUP状态。

Step 3：系统时钟的数字锁相环开始进行相位快速捕获工作，同时每秒判断主站时钟通过NTN网传过来的TOD包是否连续，当判断主站传过来的TOD包不连续时，锁相环停止相位捕获工作，软件时钟的锁相环状态处于FAST状态。当判断主站传过来的TOD包连续，并对鉴相器输出的相位差值进行判断，当连续30次相位差值小于±150ns时则认为相位差值收敛到足够小的状态，并跳转至Step 4。如果在主站传来的TOD包连续正常情况下，相位差值在很长时间内不能收敛到±150ns以内，跳转至Step 7。

其中，在相位快速捕获工作过程中，有较大带宽2-3分钟内使频率误差减小到10-9量级，相位误差在100ns以内，当相位误差小于100ns，频差小于0.03Hz，持续100s即认为可进入下一阶段。

Step 4：系统时钟数字锁相环开始进行相位跟踪工作，同时每秒判断主站时钟通过NTN网传过来的TOD包是否连续。如果连续判断10次主站的TOD包不连续，停止锁相环相位跟踪工作，并跳转至Step 5。当判断主站传来的TOD包连续后，对鉴相器输出的相差进行判断，当连续30次相差数值大于±150ns时，则认为相差处于发散状态，整个锁相环路工作异常，停止锁相环相位跟踪工作，跳转至Step 7。当每次得到的相差都小于±150ns时，则认为相差一直处于收敛状态，则软件时钟的锁相环状态处于LOCK状态。

其中，在相位跟踪工作过程中，通过较小带宽，能纠正0.05Hz的频差，相位偏差在100ns以内。当相差小于60ns，持续300S，则认为可以进入下一阶段，否则一直停留在此阶段。

Step 5：在主站非稳定期间，从站通过锁相环自行调节，每秒钟判断一次修正后相位与本地的1PPS信号前一次相位差值是否小于±150ns。若相差大于±150ns，则进入HOLDOVER状态，同时每秒钟检查是否有主站连续传过来的TOD包。当检查一直没有连续的主站传过来的TOD，软件计时器发现处于此状态时间达到24小时后，状态跳转至Step 6。当检查到有主站传过来的TOD包后，锁相环从新开始捕获工作，当连续判断相差小于±150ns30次后，也认为相差处于稳定的收敛状态，状态跳转至Step 4。

Step 6：从站的系统时钟自我调节，同时等待主站再次通过NTN网传过来连续的TOD包，当发现其恢复正常后，状态跳转至Step 1。当一直不能恢复时，软件时钟的锁相环状态处于HOLDOVER TIMEOUT状态，从站告警，等待工作人员进行排障。

Step 7：系统时钟仍每秒钟判断是否有主站连续传过来的TOD包，等待其恢复连续TOD包，当发现其恢复连续后，状态跳转至Step 1。当一直不能恢复时，软件时钟的锁相环状态处于ABNORMAL状态。从站告警，等待工作人员进行排障。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述从基站20还包括：

TOD消息对齐模块202，用于将本地维护的本地TOD消息与所述参考TOD包进行对齐。

在具体实现中，当从基站20锁定以后，从基站20可以通过TOD消息对齐模块202将本地TOD消息与参考TOD包进行对齐。

在一种实施方式中，由于主基站10并不是一直传来时钟信息，上述对齐可以是将本地维护的本地绝对秒与主基站10传来的TOD包中包含的绝对秒进行对齐，供上层使用。

在本发明实施例中，当从基站20锁定以后，主基站10发送参考时钟源信号的预设条件可以包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

在具体实现中，NTN网络是双向的，在从基站反馈给NTN调节的相差时，也会传递给主基站，若调整的相差的幅度超出主基站设定的阈值，则认为该从基站失锁(此处的失锁是指1PPS相位误差超出业务层可容许的范围内，导致小区退服等业务层错误)。

在实际中，由于即使从基站的锁相环不是LOCK锁定状态，而是HOLDOVER保持状态，并有HOLDOVER保持8小时功能，OCXO会维护1PPS相位误差在业务层可容许的范围内。而主基站设定的定期给从基站发信息的时间段远小于8小时的时间，所以检测从基站失锁的预设条件并不常用，常用的是主基站到了设置的时间段主动给从基站发TOD包及1PPS。

在本发明实施例的一种优选实施例中，所述从基站还可以包括：

时钟源通道切换模块203，用于将当前的时钟源通道切换为自组网时钟源通道。

在具体实现中，由于从基站20还有GPS、1588等常见时钟源，故需要用不同的硬件通道来接收对应的TOD和1PPS，本发明实施例所使用的硬件时钟源通道为自组网时钟源通道。当切换至自组网时钟源通道以后，可以进一步判断该自组网时钟源通道的网络是否可用，如果可用，则进行从基站的自适应调节过程。

以下结合从基站的各个模块(锁相模块201、TOD消息对齐模块202以及时钟源通道切换模块203)，整体说明从基站的自适应调节过程：

从基站内部由EPLD和CPU软件组合实现的锁相环称为基站的系统时钟，系统时钟主要向从基站提供10MHz的频率信号和1PPS同步信号。

主基站连接GPS天线获取接收机的TOD包及参考1PPS，通过NTN传给从基站，从基站将TOD包及参考1PPS存入EPLD对应的寄存器，从基站通过GPS模块写EPLD通道寄存器，切换到自组网时钟源通道，将EPLD对应的寄存器中存储的主基站传送的参考1PPS与本地的1PPS通过数字鉴相器和恒温槽晶体振荡器(OCXO)作用的分频器，进行相差调节，同时将调节的相差通过EPLD反馈回NTN。从鉴相器出来的相位差值若在预设的相差范围内，则判定次相位差值可用，随后将相位差值传输给滤波器进行滤波，使用滤波后的值用于控制DAC芯片。其次，对处理器的SPI端口进行驱动配置(即设置对应管脚电平的高低使SPI器件(即10MHz的OCXO)为输出模式)，从而控制板卡上的DAC器件使10MHZ的OCXO可以输出稳定的频率。同时将绝对秒及、经纬度及锁星信息等信息上报给高层。

通过自适应调节过程将完成如下过程：(1)读入鉴相值，将其转换为相位误差；(2)对时间常数内的相位误差和频率误差进行求和平均；(3)计算数模转换器(DAC)值。锁相模块每隔时间常数T(T＝16.2760417)，计算一次DAC值，并更新。

需要说明的是，上述自适应调节过程都是等待本地1PPS中断触发执行。具体的，本地1PPS由EPLD产生，映射到BSP(板级支持包，为上层驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包)产生对应的中断信号，起任务时，使能并等待1PPS对应的中断信号，EPLD每秒产生一个1PPS，就中断运行一次上述三个任务流程。

在本发明实施例中，通过NTN自组网进行从基站时钟同步，旨在将已锁定的主基站的参考1PPS和TOD包传递给从基站，只需在启站初期进行主基站的时钟的短期稳定同步，然后由从基站进行自适应锁相调节，待从基站锁定后，不需要主基站再实时同步，只需主基站定时在短期稳定时，发送同步信息即可，从而节省通信带宽资源。

参考图8，示出了本发明一种时钟同步方法实施例的步骤流程图，应用于上述时钟同步系统中，具体可以包括如下步骤：

步骤801，接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

步骤802，基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

步骤803，当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

参考图9，示出了本发明一种基站实施例的结构框图，所述基站包含在上述时钟同步系统中，具体可以包括如下模块：

第一信号接收模块901，用于接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

锁相环调节模块902，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

第二信号接收模块903，用于当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件。

对于基站实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种时钟同步方法、系统及基站，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种时钟同步系统，其特征在于，所述时钟同步系统包括主基站以及从基站，其中，

所述主基站，用于获取参考时钟源信号，并在达到预设条件时，将所述参考时钟源信号发送至所述从基站；

所述从基站，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定所述从基站的系统时钟；

其中，在所述从基站的系统时钟未锁定时，所述预设条件包括实时发送条件；

在所述从基站的系统时钟已锁定时，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件；

其中，所述参考时钟源信号还包括参考日时间TOD包；

所述从基站还包括：

TOD消息对齐模块，用于将本地维护的本地TOD消息与所述参考TOD包进行对齐，其中，所述本地TOD消息包括本地绝对秒，所述绝对秒按照接收到的参考1PPS信号的次数而递增。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时钟同步系统还包括用于连接所述主基站与所述从基站的点对点NTN无线网络。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述参考时钟源信号包括参考秒脉冲1PPS信号；

所述从基站包括用于对所述从基站的系统时钟进行锁定的锁相模块；

所述锁相模块至少包括晶体振荡器、鉴相器、滤波器、数模转换器、分频器；

所述鉴相器，用于检测所述参考1PPS信号与本地产生的本地1PPS信号的相位差值，并将所述相位差值转换成电压信号输出至滤波器；

所述滤波器，用于对所述电压信号进行滤波，以影响所述锁相模块对应的锁相环路的带宽，经滤波后的电压信号输出至所述数模转换器；

所述数模转换器，用于将所述电压信号转换成模拟信号后输出至所述晶体振荡器，以对所述晶体振荡器的输出信号的频率实施控制。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述锁相模块还包括：

锁相环状态确定子模块，用于在从基站的系统时钟锁定过程中，确定所述系统时钟的锁相环状态。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述锁相环状态确定子模块，包括：

TOD判断单元，用于判断接收到的所述参考TOD包是否连续；

相位差值判断单元，用于在判定所述接收到的TOD包连续时，判断所述鉴相器输出的相位差值是否小于预设阈值；

状态确定单元，用于根据所述TOD判断单元和/或所述相位差值判断单元的输出结果，以及当前的锁相环路的带宽，确定锁相环状态。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动时，若判定所述启动为软件复位启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，确定当前锁相环状态为开始状态；

若判定所述启动为上电启动，且接收到的第一指定次数的所述参考TOD包不连续时，则确定当前锁相环状态为预热状态。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述状态确定单元还用于：

在所述从基站启动后，在判定接收到的第一指定次数的所述参考TOD包连续时，开始进行相位快速捕获工作；

在所述相位快速捕获工作过程中，当判定每秒接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位快速捕获工作，并确定当前锁相环状态为快速跟踪状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则进行相位跟踪工作；

在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，且所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值均小于预设阈值，则确定当前锁相环状态为锁定状态；

在所述相位跟踪工作过程中，当判定连续第三指定次数次接收到的参考TOD包不连续时，停止所述相位跟踪工作，并进行相位修正；若修正后的1PPS信号的相位与本地1PPS信号的相位的相位差值大于预设阈值，则确定当前锁相环状态为保持状态；

在进行相位修正后，若第一预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为保持超时状态；

在所述相位快速捕获工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，在所述相位跟踪工作过程中，在判定每秒接收到的参考TOD包连续，但所述鉴相器在第二指定次数内输出的相位差值大于预设阈值，和/或，第二预设时间段内没有连续接收到主基站发送的TOD包，则确定当前锁相环状态为异常状态。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述从基站还包括：

时钟源通道切换模块，用于将当前的时钟源通道切换为自组网时钟源通道。

9.一种时钟同步方法，其特征在于，所述方法包括：

当从基站未锁定时，接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件；

其中，所述参考时钟源信号还包括参考日时间TOD包；

所述从基站还包括：

TOD消息对齐模块，用于将本地维护的本地TOD消息与所述参考TOD包进行对齐，其中，所述本地TOD消息包括本地绝对秒，所述绝对秒按照接收到的参考1PPS信号的次数而递增。

10.一种基站，其特征在于，所述基站包括：

第一信号接收模块，当从基站未锁定时，用于接收主基站实时发送的参考时钟源信号；

锁相环调节模块，用于基于所述参考时钟源信号，进行锁相环调节，以锁定从基站的系统时钟；

第二信号接收模块，用于当所述从基站锁定以后，接收所述主基站按照预设条件发送的参考时钟源信号，其中，所述预设条件包括检测到所述从基站失锁的条件，或者，达到预设发送周期的条件；

其中，所述参考时钟源信号还包括参考日时间TOD包；

所述从基站还包括：

TOD消息对齐模块，用于将本地维护的本地TOD消息与所述参考TOD包进行对齐，其中，所述本地TOD消息包括本地绝对秒，所述绝对秒按照接收到的参考1PPS信号的次数而递增。

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