CN1578255A - 一种用于包交换网络的自适应时钟恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包交换网络自适应时钟恢复方法，该方法通过在一个时钟频率调整周期中对接收端数据缓冲区大小多次采样，获得该时钟频率调整周期内一组缓冲采样序列，并将该缓冲采样序列进行线性化处理，从而可以获得源端、接收端时钟频率偏差的估计，以调整接收端的时钟频率。其中，线性化处理可以使用最小二乘线性回归法。由于在同一时钟频率调整周期内不同采样时刻的时延抖动能够部分抵消掉，所以该方法能有效抑制时延抖动影响，使得接收端时钟频率调整能够快速、准确地跟随源时钟频率。

Description

一种用于包交换网络的自适应时钟恢复方法

(1)技术领域

本发明涉及一种用于包交换的网络时钟恢复方法，尤其涉及一种基于接收端数据缓冲区测量的包交换网络自适应时钟恢复方法。

(2)背景技术

目前，包交换网络具有价格便宜、协议灵活、技术成熟等优势，正得到了广泛的应用。许多实时业务，例如IP电话、TDM(时分复用)电路仿真业务等已经或者即将尝试在包交换网络上传输。包交换网络采用异步传输方式，而大多数的实时业务要求端到端的时钟同步，这要求接收端时钟和源端时钟保持一致。当接收端和源端的时钟不是取自于同一个公共时钟同步网时，接收端需要根据接收到的数据包序列取出源端时钟信息，即时钟恢复。实时周期性业务经过包交换网络传输，由于排队、拥塞、不同路径选择等影响，数据包的传输时延不断在随机变化。如图1所示，包交换网络中的传输过程中产生的时延主要包括两个部分：一个是固定的传输时延A，即信号的传播时延等；另一部分是不确定的时延B，它包括排队、拥塞、不同路径选择等所造成的随机性时延。这样一来，源端发出的实时周期性的数据包在接收端的到达时间是不确定的，这样给接收端的时钟恢复带来困难，时钟恢复的主要任务是在网络时延抖动影响下正确提取源端的时钟信息。

目前，时钟恢复方法主要有基于时标的时钟恢复方法和基于缓冲区测量的自适应时钟恢复方法。基于时标的时钟恢复方法就是把源端的时钟信息显式地传送给接收端，其缺点是在数据包中需要保留专门的时钟信息字段。基于缓冲区测量的自适应时钟恢复方法就是根据接收端数据缓冲区数据包到达序列的快慢来恢复源端的时钟信息，从而抑制时延抖动的影响。

如图2所示，基于接收端数据缓冲区测量的自适应时钟恢复方法的基本结构原理如下：接收端将到达的数据包放入一个数据缓冲区，数据包进入这个数据缓冲区的快慢取决于发送端的时钟频率和网络时延抖动的影响，同时，接收端按照本地时钟取走数据缓冲区中的数据。接收端有一检测器周期性对数据缓冲区进行采样。将采样结果送往控制器，当数据缓冲区数据量减少到达设定下限时，说明本地时钟快于源端时钟，控制器降低本地时钟频率；当数据缓冲区数据量增加到达设定上限时，说明本地时钟慢于发送端时钟，控制器增加本地时钟频率。这样，通过维持接收到的数据在数据缓冲区的中间位置来调整本地时钟频率使之接近源时钟。美国专利US6400683，公开日2002年6月4日，发明创造名称为“一种异步传输网络自适应时钟恢复”(Adaptive clock recovery inasynchronous transfer mode networks)就公开了一种类似方法。

通常，基于缓冲区测量的自适应时钟恢复方法中，接收端数据缓冲区的变化由源端和接收端的时钟频率偏差和时延抖动两个因素决定的。如图3所示，横坐标k表示采样时刻，纵坐标φ(k)表示第k采样时刻接收端数据缓冲区采样值，其中图3(a)表示不考虑时延抖动的情况下，仅仅由时钟频率偏差引起的接收端数据缓冲区变化。在短时间内时钟频率偏差可以认为是不变的，所以该数据缓冲区变化时间序列满足线性函数。而且通常情况下时钟频率偏差是很小的，时钟频率偏差引起的数据缓冲区变化是一个缓慢过程。图3(b)表示仅仅由时延抖动引起的接收端数据缓冲区变化，时延抖动引起的数据缓冲区变化被认为是噪声，频率高，长时间的时延抖动影响能部分正负抵消。图3(c)表示综合考虑时钟频率偏差和时延抖动两个因素，接收端实际的数据缓冲区变化。从图中可以看出，当采样周期足够长时，时延抖动的影响能够部分正负抵消，而接收端数据缓冲区变化趋势能够反映时钟频率偏差。

1994年5月IEEE Trans.Commun第42卷2189-2196页公开了一篇文章，作者为R.P.Singh，S.-H.Lee等，文章名称为“宽带包通信网络中周期性信号传输的抖动现象和时钟恢复方法”(Jitter and clock recovery for periodic traffic in broadbandpacket networks)，给出了一种基于缓冲区测量的自适应时钟恢复方法，其基本步骤描述如下：

1)、接收端以指定的时间间隔(l_inter)采样数据缓冲区的大小，当前采样时刻的数据缓冲区大小φ(n)与前一时刻的数据缓冲区大小φ(n-1)的差值Δφ(n)反映了接收端数据缓冲区变化；

2)、Δφ(n)除以l_inter就得到了数据包到达和离开数据缓冲区速度偏差的估计，并由此可计算出源端、接收端时钟频率偏差的估计值

3)、根据

调整接收端时钟频率 $f_2(n+1)=f_2\left(n\right)+\mathrm{\δ}\·\mathrm{\Δ}\hat{f}\left(n\right),$ 其中，δ是权重系数，f₂(n)是接收端当前时刻时钟频率。

在该时钟恢复方法中，数据缓冲区的变化是由采样时刻数据缓冲区大小的差值来描述，受采样时刻的时延抖动影响很大。在较短的时间间隔内，相对于源端、接收端时钟频率不匹配，时延抖动对于数据缓冲区的变化影响大的多，其影响甚至会完全淹没因为时钟频率不匹配所引起的数据缓冲区变化。以上基于数据缓冲区测量的自适应时钟恢复方法仅仅通过观测数据缓冲区当前时刻的变化来恢复时钟，没有考虑有效地抑制时延抖动，使其对于时钟恢复的效果有很大影响。在时延抖动较大时，为了取得时钟偏差信息，只能加大采样的间隙时间，也就是增加频率调整的时间间隔，其结果是使得接收端无法及时跟随源时钟变化。

(3)发明内容

本发明以抑制时延抖动对于接收端时钟恢复影响为出发点，提出一种包交换网络通信自适应时钟恢复方法。

本发明是通过如下技术方案实现的，包括如下步骤：

1)、在接收端，设置时钟频率调整周期、时钟频率调整周期内的采样时间间隔，获取初始时刻时钟频率、接收数据包长度；

2)、在一个时钟频率调整周期中，以所定义的采样时间间隔对数据缓冲区大小多次采样，获得该时钟频率调整周期内一组缓冲采样序列；

3)、对步骤2)所获得的缓冲采样序列，进行线性化处理，所取得的线性函数的斜率反映数据缓冲区变化快慢；

4)、利用对步骤3)所述的所取得的线性函数的斜率进行源端、接收端时钟频率偏差的估计；

5)、根据当前时刻接收端时钟频率及步骤4)所述的源端、接收端时钟频率偏差的估计来调整接收端的时钟频率；

在下一时钟频率调整周期，重复上述步骤2)-5)。

本发明方法通过在一个时钟频率调整周期中对数据缓冲区大小多次采样，对获得的缓冲采样序列进行线性化处理，然后获得源端、接收端时钟频率偏差的估计，以调整接收端的时钟频率。由于同一时钟频率调整周期内不同采样时刻的时延抖动能够部分抵消掉，所以该方法能有效抑制时延抖动影响，使得接收端时钟频率调整能够快速、准确地跟随源时钟频率。

(4)附图说明

图1、包交换网络中周期性数据包传输时延；

图2、基于数据缓冲区测量的自适应时钟恢复结构原理图；

图3、时钟频率偏差和时延抖动对接收端数据缓冲变化影响示意图；

图4、本发明方法流程示意图；

图5a、本发明方法与传统的时钟恢复方法仿真实验对比中时延抖动示意图；

图5b、本发明方法与传统的时钟恢复方法仿真实验对比结果示意图。

(5)具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图4，图4是本发明方法流程示意图，它包括如下具体步骤：

1)、系统参数设置：这里，需要对接收端时钟频率调整计算周期、采样时间间隔、本地时钟频率等进行定义或提取。为便于理解，我们用n表示接收端时钟频率的第n次调整(n≥0)，同时定义在一次时钟频率调整计算周期中，按照一定的采样时间间隔采样m次，取得本地初始时钟频率为f₂(0)，以及接收数据包的长度l_packet。

2)、数据缓冲区采样：在第n个时钟频率调整周期内，以所定义的时间间隔对数据缓冲区大小m次采样，取得该时钟频率调整周期n内一组缓冲采样序列φ_n(i)，其对应的采样时间表示为t_n(i)。其中，φ_n(i)表示时钟频率调整周期n内的第i次采样时数据缓冲区大小，这里，我们以位秒表示，t_n(i)表示时钟频率调整周期n内的第i次采样时间(0≤i＜m)。

3)、对采样获得的缓冲采样序列φ_n(i)，进行线性化处理：

本实施例中，我们采用最小二乘线性回归法(LSLR)计算进行线性化处理，并计算线性函数的曲线斜率

该值反映数据缓冲区变化快慢：

$\hat{a}\left(n\right)=\frac{m\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_n\left(i\right)\·t_n\left(i\right))-\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_n\left(i\right)\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\left(i\right)}{m\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n{\left(i\right)}^2-{\left(\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\left(i\right)\right)}^2}$

4)、时钟频率偏差估计：计算第n个时钟频率调整周期中源端、接收端时钟频率偏差的估计

(包/秒)：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}\left(n\right)=-\hat{a}\left(n\right)/l_{\mathrm{packet}}$

为便于理解，我们定义f₁(n)是第n个时钟频率调整周期中的源端时钟频率(包/秒)，f₂(n)是第n个时钟频率调整周期中的接收端时钟频率(包/秒)，因为时钟调整周期较短而且时钟频率的漂移是一个缓慢过程，可以认为f₁(n)和f₂(n)在一个时钟频率调整周期中是不变的，Δf(n)代表是第n个时钟频率调整周期中源端与接收端的时钟频率偏差(包/秒)，即：

                Δf(n)＝f₂(n)-f₁(n)

则是我们对源端、接收端时钟频率偏差的估计，因为数据缓冲区的变化和时钟频率的偏差是反方向变化过程，所以负号是必须的。

5)接收端时钟频率调整：在第n个时钟频率调整周期的结束时刻，根据当前时钟频率及源端、接收端时钟频率偏差的估计调整接收端的时钟频率调整接收端时钟频率：

$f_2(n+1)=f_2\left(n\right)+\mathrm{\δ}\·\mathrm{\Δ}\hat{f}\left(n\right),$

其中δ是权重系数。

在下一时钟频率调整周期n+1内，重复上述步骤2)-5)。

图5a给出了本发明方法与传统的时钟恢复方法仿真实验对比中时延抖动示意图。它具有很大的随机性，在仿真中，我们将其应用在仿真实验中模仿包交换网络中时延抖动。

首先，给出本发明的仿真模型描述：

定义源时钟频率：f₁(n)＝29.4117647Hz，0＜n＜∞，即源时钟频率恒定。

接收端起始时刻时钟频率：f₂(0)＝29.3944738Hz，即接收端起始时刻时钟频率和源时钟有频率偏差；

数据缓冲区的采样时间频率：和接收端恢复时钟频率f₂(n)一致，初始值即是接收端起始时刻时钟频率f₂(0)，即29.3944738Hz，以后随着接收端时钟频率调整而改变；

接收端时钟频率调整计算周期：以每5000采样点为一个调整周期；

接收数据包为定长1024bits，仿真时间4800s，仿真起始时间100s，δ＝0.8；

线性化方法采用最小二乘线性回归法(LSLR)。

对比的方法采用R.P.Singh，S.-H.Lee文章中描述的时钟恢复方法。

图5b给出了本发明方法与传统的时钟恢复方法仿真实验结果对比示意图。图中，直线a是源时钟频率；曲线b是R.P.Singh，S.-H.Lee文章中描述的时钟恢复方法所恢复的时钟频率；曲线c是利用本发明方法所恢复的接收端时钟频率。从仿真结果可以看出，本发明是可行有效的，相对于传统的时钟恢复方法接收端能够更加快速准确跟踪源时钟。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明作出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种包交换网络自适应时钟恢复方法，其特征在于它采用如下步骤：

1)、在接收端，设置时钟频率调整周期、时钟频率调整周期内的采样时间间隔，获取初始时刻时钟频率(f₂(0))、接收数据包长度(l_packet)；

2)、在一个时钟频率调整周期中，以所定义的采样时间间隔对数据缓冲区大小多次采样，获得该时钟频率调整周期内一组缓冲采样序列；

3)、对步骤2)所获得的缓冲采样序列，进行线性化处理，所取得的线性函数的斜率((n))反映数据缓冲区变化快慢；

4)、利用对步骤3)所取得的线性函数的斜率((n))进行源端、接收端时钟频率偏差的估计

5)、根据当前时刻接收端时钟频率及步骤4)所述的源端、接收端时钟频率偏差的估计 来调整接收端的时钟频率；

在下一时钟频率调整周期，重复上述步骤2)-5)。

2、如权利要求1所述的包交换网络自适应时钟恢复方法，其特征在于所述的步骤3)线性化处理采用最小二乘线性回归法，所取得的线性函数的斜率((n))满足等式：

$\hat{a}\left(n\right)=\frac{m\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_n\left(i\right)\·t_n\left(i\right))-\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_n\left(i\right)\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\left(i\right)}{m\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n{\left(i\right)}^2-{\left(\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n\left(i\right)\right)}^2}$

其中，n表示第n个时钟频率调整周期，m表示一个时钟频率调整周期内采样m次，φ_n(i)表示第n个时钟频率调整周期内的第i次采样时数据缓冲区大小，t_n(i)表示第n个时钟频率调整周期内的第i次采样时间(0≤i＜m)。

3、如权利要求1所述的包交换网络自适应时钟恢复方法，其特征在于所述的步骤4)中的源端、接收端时钟频率偏差的估计 满足等式： $\mathrm{\Δ}\hat{f}\left(n\right)=-\hat{a}\left(n\right)/l_{\mathrm{packet}}.$

4、如权利要求1所述的包交换网络自适应时钟恢复方法，其特征在于所述的调整接收端的时钟频率满足等式：

$f_2(n+1)=f_2\left(n\right)+\mathrm{\δ}\·\mathrm{\Δ}\hat{f}\left(n\right),$

其中，δ是权重系数，f₂(n)是第n个时钟频率调整周期中的接收端时钟频率。

Images