CN114584248A - 一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的rru高精度时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，以PTP报文中的时间戳作为观测值,对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率进行计算,以计算值对时钟进行补偿,同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度。旨在改善由于RRU时钟晶振的硬件特征决定的时钟频率漂移而造成的时间戳计数偏差，从而导致高精度时间同步的瞬时抖动现象，可以有效提高PTP时间同步的收敛精度，保证RRU业务运行的可持续稳定性和峰值吞吐量，降低运营商的基站维护成本。

Description

一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法。

背景技术

IEEE 1588 的全称是网络化测量和控制系统的精密时钟同步协议，通常称为精密时间协议 (PTP，Precision Time Protocol)。一般使用 IEEE 1588 精密时间协议的目的是在以太网中保持不同结点之间的精确时间同步、频率同步。在工厂自动化、测量以及通信中也需要大量应用要求非常精密的时间同步，这通常会超出以标准软件方式的解决方案所能提供的范围。

室内基带处理单元(Building Base band Unit，BBU) 作为主时钟，射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU) 作为从时钟。BBU 依赖 GPS 实现全网时钟同步，RRU通过Synchronous Ethernet（SyncE）+PTP 模式与 BBU 保持时钟同步。

RRU 从 BBU 恢复 SyncE 频率(一般为 156.25MHz 或其整数倍)作为DCO的参考频率源输入。PTP 同步是通过不断调节本地TSU (Time Stamp Unit）的ToD和DPLL 的频差，使offset 趋近于0。通常，PTP对时钟芯片的调节主要分为三类：时间粗调，频率粗调，频率微调。时间粗调根据计算的offset 直接调整 TSU 的 ToD将时间偏差保持在 1 秒内，频率粗调将 offset 转换为频差，直接调整时钟芯片的频率控制字 FCW（Frequency ControlWord）。频率微调主要针对时钟伺服器进入 Servo_Locked_Stable(S3)状态时，将offset转换为频差，微调时钟芯片的相位控制字(PCW,Phase Control Word)。

IEEE 1588是一种时间同步的协议，可用于设备之间的高精度时间同步、频率同步。PTP 的时间同步精度为纳秒级，然而，有一些缺陷会导致BBU与RRU之间时间传输的准确性。这些主要是由于传输路径不对称和数据包延迟变化。通常IEEE 1588假设消息传入和传出是以路径对称延时传输，事实上并非如此。路径不对称可以通过手动缓解，但一般情况下很难完全消除。由于是通过在报文中加入时间戳来传递时间信息，故要求中间链路双向时延必须保持一致，时延不一致会引起相位测量偏差，从而对时间精度造成一定的影响。另外，时间精度还会受丢包等因素的影响。而且使用软件实现 IEEE 1588 协议栈的设置，还会因为软件处理流程和操作系统的多任务导致协议栈处理延时的抖动，因此，如果采用软件方式来实现 IEEE 1588v2 协议将很难达到预期的传输高精度时间同步的要求。

一般来说，BBU 采用较高精度的恒温晶振（Oven Controlled CrystalOscillator，OCXO） 作为本地时钟源，以 SyncE将高精度的频率时钟信号传给下级 RRU，RRU的物理层从SyncE 提取频率时钟信号，保证 RRU 和 BBU 之问的精确频率同步。这样做的好处，RRU 无须使用成本较高OCXO ，只需使用较为低廉的TCXO 就可以做到高精度的频率同步。TCXO(Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator)具有确定的温度-频率特性，正因如此，使其在受温度影响的同时，频率会随温度的变化而变化。同时，TCXO的破坏和老化也会引起频率的不稳定，测试过程中温度升高会导致TCXO的漂移，不免会出现时间戳异常，该发明可以过滤该异常值，使整个同步系统不受干扰。

由于卡尔曼滤波器能够有效地消除噪声对测量值的干扰, 卡尔曼滤波器在时钟同步中的应用也得到了深入的研究。它是一种最优状态估计算法，可以提取精确信息。它综合利用上一次的状态和测量值来对delay的状态进行预测估计，针对任何一种含有不确定信息的动态系统中使用卡尔曼滤波，对系统下一步的走向做出有根据的预测，即使伴随着各种干扰，它总是能指出真实发生的情况。本发明通过卡尔曼滤波器算法对主从时钟之间的delay进行估计, 使用估计值对从时钟进行补偿与修正。该方法能够消除从时钟的不稳定性对时钟同步的影响。

滑动窗口算法可以在给定窗口大小的数组上进行操作，可以降低问题的复杂度，进而减少时间复杂度。

发明内容

在实际应用中，考虑到RRU受到温度等外界因素以及TCXO晶体振荡器自身老化的影响, 时钟的频率偏移不是固定不变的。故为了充分考虑异常情况，进一步提高测试数据的稳定性和精度。本发明主要通过滤波算法过滤一些由于晶振不稳定引起的时间戳异常的现象。

为达到上述目的，本发明的技术方案实现如下：一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，以PTP报文中的时间戳作为观测值, 对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率同时进行计算, 以计算值对时钟进行补偿, 同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度，具体包括以下步骤：

步骤1：two_step的工作模式下，主时钟周期性发出 Sync 报文，并记录下 Sync报文精确发送时间 t1，主时钟将精确发送时间 t1 封装到 Follow_up 报文中，发送给从时钟；从时钟记录 Sync 报文到达从时钟的精确时间为t2，当所述Sync 报文到达从时钟，PTP事件报文发送时戳寄存器和sequenceId寄存器，寄存器有更新时，触发中断。

步骤2：从时钟发出 Delay Req 报文并且记录下 Delay Req报文的精确发送时间t3；主时钟记录下 Delay Req 报文到达主时钟的精确到达时间 t4；主时钟发出携带精确时间戳 t4 的 Delay Resp 报文给从时钟。

步骤3：从时钟可以得到 t1、 t2、 t3、 t4 四个时间戳，利用t1~t4时间戳，计算得出原始delay，offset值，通过利用卡尔曼滤波方法得到观测值，在每次同步过程中，重复对时钟偏差，时钟漂移以及时钟变化率进行估计。使用滤波后的值对网络延时进行补偿，同时对时钟模型的参数进行修正。

步骤4：对offset值进行滤波，得到offset_k值，进而对从时钟进行微调，并将滤波后的offset_k值送入时钟芯片DCO进行修正，然后计算均方差rms。

其中，p表示PTP报文的发包频率，当p=1时表示一秒一次；p=16表示一秒16次。当p= 16时，

则表示为一秒中第n个offset值（

），

表示一秒内offset 的平均值。

进一步的，所述步骤3具体为：

然后利用卡尔曼算法对状态进行估计，得到滤波后的delay值。

进一步的，所述步骤4具体为：

首先根据计算后的offset值，依次存储N个offset数据，其中N表示滑动窗口大小，每次处理offset时，都先与收敛精度参考值进行比较，若为正常值，则对当前的offset值进行备份，num不进行累加，随之，对num值进行判断，若存在1~N-1个num值大于参考值，则认为可能是因外界因素引起，故利用上一组备份值进行微调；否则直接进行微调；

其中num表示异常值的个数，N表示滑动窗口大小，

为上一组备份值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明应用了一种卡尔曼滤波算法用于提高时钟同步的收敛精度，在 PTP 同步测试中，通常认为网络延时（delay）与光纤长度，室内基带处理单元(Building Baseband Unit，BBU) 、RRU 内部时延有关，分析时默认 delay 为固定值。然而实际应用中，delay 的抖动，一方面是由于业务量带来的，如用户面数据，另一方面，与BBU到RRU之间的路由有关系。因次，为了保障delay趋于稳定，该发明利用卡尔曼滤波器对其进行滤波，以实现高精度校准；

2、本发明利用滤波和滑动窗口的思想，减少时间复杂性的同时增加PTP 时间同步的收敛精度；

3、本发明中PTP 协议栈根据 t1、t2、t3、t4 计算 BBU与RRU间的时间偏差 offset(单位为 ns)，然后不断的利用 offset 修正时钟芯片（Digitally ControlledOscillator，DCO）内部的数字锁相环（Digital Phase-Locked Loop，DPLL）来达到时间同步的目的。然而实际测试中存在时钟频率漂移现象导致时间戳偏差，例如：温补型晶振(TCXO)的不稳定性，它会造成Time of Day(ToD)计数有偏差，从而导致打戳误差。故本发明旨在针对一些不稳定性引起的同步异常，利用滤波思想过滤突变的offset值以更新消除协议栈的抖动，使整体趋向平滑。同时以滑动窗口的方式循环比较，自适应的调整offset，以提高整个系统的精度；

4、针对时间戳获取方式，本发明尽量靠近光口实现打戳功能。因为离光口越远，经过的链路越多，delay 误差也就越大。

附图说明

图1为本发明实施例的PTP事件报文同步结构示意图。

图2为本发明中卡尔曼滑动窗口滤波的算法流程图。

图3为本发明中offset算法流程图。

图4为本发明中滑动窗口示意图。

图5为本发明中主从时钟同步结果示意图。

具体实施方式

为了更好地体现本发明，下面结合说明书附图和具体实施例来对本发明做进一步的解释。

如图1所示，本实施例公开了一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，具体包括：

步骤1、two_step的工作模式下，主时钟周期发出 Sync 报文，并记录下 Sync 报文精确发送时间 t1，主时钟将精确发送时间 t1 封装到 Follow_up 报文中，发送给从时钟；从时钟记录 Sync 报文到达从时钟的精确为t2。t2到达时，PTP事件报文(sync/delay_req)发送时戳寄存器(80bits) + sequenceId寄存器，寄存器有更新时，触发中断。

步骤2、从时钟发出 Delay Req 报文并且记录下 Delay Req 的精确发送时间t3；主时钟记录下 Delay Req 报文到达主时钟的精确到达时间 t4；主时钟发出携带精确时间戳 t4 的 Delay Resp 报文给从时钟。

步骤3、从时钟可以得到 t1、 t2、 t3、 t4 四个时间戳，利用t1~t4时间戳，计算得出原始delay，offset值；

我们知道，时钟伺服器处于s3状态时，一般呈收敛状态。通常，状态越稳定，同步效果越好。考虑到实际环境复杂多变，同步精度在一定程度上会受到晶振稳定性影响。故为了消除影响，本发明利用滤波的思想，进行动态调整，提高算法的适应性，以减少误差；

考虑实际的频率漂移, 本实施例应用基于卡尔曼滤波器的时钟同步方法，以PTP报文中的时间戳作为观测值, 对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率进行估计, 以估计值对时钟进行补偿, 同时修正时钟模型, 从而提高主从节点之间的时钟同步精度。卡尔曼滤波精度算法如图2所示。

步骤4、假设k时刻sync报文到达从时钟的时间为

，发送时间为t,主从时钟之间 的网络延时（delay）表示为

；

其中b表示t时刻的offset值，在这里假设offset为0。

测试过程中,TCXO在受温度影响的同时，频率也会随温度的变化而变化。同时， TCXO的破坏和老化也会引起频率的不稳定，温度升高会导致TCXO的漂移,在k时刻时钟漂移

表示为：

若

时，即主从时钟之间只有初始偏差；若

时，则主从时钟之间的偏 差将越来越大；

理想情况下，

为常数；

其中

、

分别表示初始时钟偏差、噪声。事实上，受到外界环境的影响，

并 不能保持恒定不变，此时：

在这里

表示时钟漂移变化率。

为了更好的分析，本发明将时间进行离散化分析，

时刻时钟偏差可离散表示为：

假设每个时间间隔内的时钟漂移和时钟漂移变化率不变，则有：

其中

、

、

分别为非相关的高斯白噪声，方差分别为

、

、

。

同步过程中，需要对delay偏差进行补偿从而进行修正，下一次delay偏差是由当前同步修正以后的时钟漂移的积累，因此，有如下迭代关系：

在这里取k时刻的估计值

、

、

分别表示时钟偏差、时钟漂移以及 时钟漂移变化率的修正值。

实际应用中，我们应用卡尔曼滤波进行滤波处理：

其中x(k)表示k时刻的系统状态，u(k-1)表示k-1时刻对系统的控制量。

为输入控制向量，也就是当前时钟同步周期的控制输入为 上一次的估计值，

表示噪声向量， 状态向量

。状态转移矩阵与输 入控制矩阵表示如下：

假设观测值

得：

其中：

，

为观测噪声。

得到一个计算后的状态估计方程

，以得到卡尔曼滤波方程，它要求

的计算公 式是先验估计和真实测量值与实测预测值之间的加权差值的线性组合，从卡尔曼滤波理论 中得到了以下预测和更新方程，预测方程的定义如下：

式中

为过程噪声协方差矩阵，由于

相互独立，具体如下：

更新方程式的定义如下：

式中

为观测噪声协方差，假设时钟偏差的测量噪声方差为

，则

， 使用

对时钟偏差进行补偿。

步骤5、此时，利用卡尔曼滤波得到滤波后的delay值。

步骤6、 offset处理：首先根据计算后的offset值，依次存储N个offset数据，其中N表示滑动窗口大小，假定滑动窗口大小为5，即N=5，滑动窗口机制如图4所示。每次处理offset时，都先与收敛精度参考值进行比较，若为正常值，则对当前的offset值进行备份，num不进行累加。随之，对num值进行判断，若存在1~4个num值大于参考值，则认为可能是因外界因素引起，故利用上一组备份值进行微调；否则直接进行微调。

其中num表示异常值的个数，N表示滑动窗口大小，

为上一组备份值。

步骤7、更新offset状态，采用滑动窗口算法顺序处理，Offset算法流程图如图3所示：具体处理方法如下：

对于offset，首先根据当前offset对数组进行赋值，并与参考值进行比较，若属于正常值，将其进行备份；

对当前数组进行判断，判断异常值的个数；若不存在或均为异常值，则使用当前值进行微调；否则使用备份值进行微调。

为了更直观的展示滤波算法的优势，本发明列举出几组原始offset值与滤波后进行微调的offset_k值，如表1所示。从表1中可以看出，正常情况下offset趋于稳定，范围固定在+-10ns，然而因晶振的不稳定性等外界环境的影响，可以发现offset存在一组异常值，该值为294；故为了排除异常时间戳，该算法将使用备份值进行微调，此时微调的值为-10。

同时，为了能直观的看到实验过程中PTP的收敛状态，本发明给出部分实验中主从时钟的同步结果，具体如图5所示。从图5可以看出，rms稳定在+-10ns内，且无明显跳变，PTP处于收敛状态。

表1：原始offset与滤波后的offset_k对比

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员而言，本发明可以有各种变化和更改。凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，以PTP报文中的时间戳作为观测值, 对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率进行计算, 以计算值对时钟进行补偿, 同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度，具体包括以下步骤：

步骤1：两步时钟模式two-step下，主时钟周期性发出 Sync 报文，并记录下 Sync 报文精确发送时间 t1，主时钟将精确发送时间 t1 封装到 Follow_up 报文中，发送给从时钟；从时钟记录 Sync 报文到达从时钟的精确时间为t2，当所述Sync 报文到达从时钟，PTP事件报文发送时戳寄存器和sequenceId寄存器，寄存器有更新时，触发中断；

步骤2：从时钟发出 Delay Req 报文并且记录下 Delay Req报文的精确发送时间 t3；主时钟记录下 Delay Req 报文到达主时钟的精确到达时间 t4；主时钟发出携带精确时间戳 t4 的 Delay Resp 报文给从时钟；

步骤3：从时钟可以得到 t1、 t2、 t3、 t4 四个时间戳，利用t1~t4时间戳，计算得出原始网络延时delay和主从时钟之间的时间偏差offset值；

步骤4：对主从时钟之间的时间偏差offset值进行滤波，得到滤波后的offset_k值，并将滤波后的offset_k值送入时钟芯片DCO进行修正，然后计算均方差rms，所述均方差rms为RRU与BBU之间的时间差。

2.根据权利要求所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，所述步骤1中：

所述PTP事件报文包括：sync报文和delay_req报文，所述时戳寄存器为80bits时戳寄存器。

3.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

delay表示网络延时，offset表示主从时钟之间的时间偏差；

。

4.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于：利用卡尔曼算法对状态进行估计，得到滤波后的delay值。

5.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

首先根据计算后的offset值，依次存储N个offset数据，其中N表示滑动窗口大小，每次 处理offset时，都先与收敛精度参考值进行比较，若为正常值，则对当前的offset值进行备 份，表示为

，num不进行累加，随之，对num值进行判断，若存在1~N-1个num值大于 参考值，则认为是因外界因素引起，故利用上一组备份值进行微调；否则直接进行微调；

其中num表示异常值的个数，N表示滑动窗口大小，

为上一组备份值。

6.根据权利要求5所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，所述均方差rms的计算公式为：

其中，p表示PTP报文的发包频率，当p=1时表示一秒一次；p=16表示一秒16次；

当p=16时，

则表示为一秒中第n个offset值（

），

表示一秒内 offset的平均值。

7.根据权利要求5所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于：更新offset状态，采用滑动窗口方法顺序处理，具体为：

首先根据当前offset对数组进行赋值，并与参考值进行比较，若属于正常值，将其进行备份；

然后对当前数组进行判断，判断异常值的个数；若不存在或均为异常值，则使用当前值进行微调；否则使用备份值进行微调。

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