CN1855915A

CN1855915A - 在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法

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Publication number: CN1855915A
Application number: CNA2005100646999A
Authority: CN
Inventors: 黄林华; 辜自强; 柯善风
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-01
Also published as: WO2006111051A1

Abstract

本发明涉及一种在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，该方法主要包括：在全球互动微波接入WiMAX设备中设置时间服务器；WiMAX设备的客户端向所述时间服务器发送带有时间戳的消息包；WiMAX设备的客户端根据所述时间服务器返回的带有时间戳的消息包，获得当前系统时间。利用本发明所述方法，可以使WiMAX设备的用户站和基站获得较高准确度和精确度的当前系统时间。

Description

在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法。

背景技术

时间和频率作为重要的基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要作用。时间与频率互为倒数，在中国计量科学研究院中保存着中国时间和频率的计量基准。

Internet(因特网)的发展使得电子货币、网上购物、网上证券、金融交易成为可能，顾客可以坐在家里用个人电脑进行上述活动。要保证这些活动的正常进行就要有统一的时间。

网络上的许多主机并没有时间的观念，并且主机的时间往往可以人为地改变，因此，网络上的许多主机的时间是不一致的，为了使网络上的主机有个同步的时间，人们提出了时间协议。利用时间协议，网络上的主机互相交流各自的时间，以某个时间服务器为参照，以达到主机时间的同步。

在WiMAX(全球互动微波接入)设备中，用户站和基站需要获取当前的时间。在现有技术中，WiMAX设备应用RFC868时间协议，通过UDP(用户数据报协议)或TCP(传输控制协议)向当前时间服务器发送请求，然后，根据当前时间服务器的应答得到当前系统时间。

RFC868时间协议是1983年提出的一个版本。此协议提供了一个独立于站点的，机器可读的日期和时间信息。时间服务器返回的是秒数，是从1900年1月1日午夜到现在的秒数。

RFC868时间协议可以工作在TCP和UDP协议下。下面是该协议工作在TCP协议下的工作过程：这里S代表服务器，U代表客户端。

1、S检测端口37；

2、U连接到端口37；

3、S以32位二进制数向U发送时间；

4、U接收S向其发送的时间；

5、U关闭连接；

6、S关闭连接。

在上述工作过程中，首先服务器在端口37上监听连接。当服务器和客户端通过端口37建立起连接后，服务器向客户端返回一个32位的时间值，然后客户端和服务器分别关闭连接。在该过程中，如果服务器不能决定现在是什么时间，服务器会拒绝连接或不发送任何数据而直接关闭连接。

RFC868时间协议工作在TCP协议下的工作过程如下：这里S代表服务器，C代表客户。

1、S检测端口37；

2、U发送一个空数据包到S的端口37；

3、S接收这个空数据包；

4、S向U发送包含32位二进制数(用于表示时间)的数据包；

5、U接收时间数据包。

在上述工作过程中，首先服务器在端口37上监听数据包。当服务器接收到客户端向其发送的一个空数据包后，服务器向客户端返回一个包含32位的时间值的数据包。在该过程中，如果服务器不能决定现在是什么时间，服务器会抛弃接收到的数据报而不作出任何应答。

客户端根据接收到的32位的时间值，即确定服务器时间和本机时间的差值，并根据该差值调整自己的时间，以与服务器时间同步。

所述现有技术中，WiMAX设备应用RFC868时间协议获取当前系统时间方法的主要缺点为：

1、精度差

由于RFC868时间协议同步时间的算法仅仅是根据服务器返回的时间和本机的时间差来修改本机时间，没有将网络延迟的因素估算在内。因此，如果在网络忙碌时，时间服务器发出时间消息到网络某主机收到该时间消息之间延迟了0.5秒，那么它们之间的时间同步的误差也就是0.5秒，这样的误差在某些对同步时间误差要求比较严格的分布式系统中是不可容忍的。

2、准确性低

在该方法中，网络主机时间同步的参照时间是某时间服务器上的时间，这个时间与国家标准时钟之间本身就存在着误差。因此，如果时间服务器的时间本身不准确，将导致网络内主机时间的不准确。

3、可靠性低

在该方法中，如果时间服务器出错，或者主机与时间服务器之间通信发生暂时故障，将导致WiMAX设备无法获得系统时间。

4、应用场合小

由于RFC868时间协议主要应用于有线电视网，工作模式亦单一，因此，该方法的应用范围比较小。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种在WiMAX设备中获得当前系统时间的方法，从而可以使得WiMAX设备中的SS(用户站)和BS(基站)可以获取较准确的当前系统时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，包括：

A、在全球互动微波接入WiMAX设备中设置时间服务器；

B、WiMAX设备的客户端向所述时间服务器发送带有时间戳的消息包；

C、WiMAX设备的客户端根据所述时间服务器返回的带有时间戳的消息包，获得当前系统时间。

所述的步骤A还包括：

所述时间服务器通过与网络中的主时间服务器或中间级时间服务器进行时间同步操作，获得标准时间，并与标准时间保持同步。

所述的主时间服务器为网络中与标准时间同步的主时钟参考源，所述的中间级服务器通过与主时间服务器进行时间同步操作，获得标准时间。

所述的步骤B进一步包括：

当WiMAX设备的客户端需要获得当前系统时间时，向所述时间服务器发送带有时间戳的消息包。

所述的步骤C进一步包括：

C1、所述时间服务器接收到带有时间戳的消息包后，在此消息包上加上自己的时间戳，并将该消息包返回给WiMAX设备的客户端；

C2、WiMAX设备的客户端接收到所述时间服务器返回的消息包后，在此消息包上再加上代表其接收时间的时间戳，并根据该消息包获得当前系统时间。

所述的步骤C1进一步包括：

所述时间服务器在接收到的消息包上，加上其接收所述消息时间和发送所述消息时间的时间戳。

所述的步骤C2进一步包括：

C21、WiMAX设备的客户端根据带有时间戳的消息包，计算出消息包的时延，及客户端与时间服务器之间的时间偏移量；

C22、WiMAX设备的客户端根据计算出的时延和时间偏移量，调整自己的时间，与所述时间服务器保持同步，获得当前系统时间。

所述的步骤C22进一步包括：

WiMAX设备的客户端根据计算出的时延和时间偏移量，调整自己的时间的过程可以通过一步更新来实现，也可以通过对本地时钟进行渐进的相位调节使偏差逐步较少到零来实现。

所述的步骤C2还包括：

WiMAX设备的客户端通过时钟选择算法丢弃无效的数据，选择有效的数据来进行与所述时间服务器之间的同步操作。

所述的WiMAX设备的客户端包括：

WiMAX设备的用户站和基站。

所述的方法可以基于网络时间协议NTP或简单网络时间协议SNTP来实现。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、同步时间精度高。

由于NTP(网络时间协议)通常能够使广域网内的所有系统时钟在10毫秒内同步。因此，利用本发明，WiMAX设备可以获得高精度的同步时间。

2、准确性高。

由于，在本发明中，多个通过有线或无线系统与国家标准时钟同步的主参考源被连接到INTERNET网中，如：骨干网关，这些主参考源作为主时间服务器运行在网络中，可以被广泛访问。因此，WiMAX设备以这些主参考源作为主时间服务器，可以获得绝对误差小的主机同步时间。

3、可靠性高。

在本发明中，同一网络内的分层结构的多台时间服务器、对等体互相参考，因此，在出现网络故障时，WiMAX设备仍然可以获得高精度的同步时间。

4、适合于INTERNET网络的应用。

和现有技术主要应用于有线电视网相比，本发明更能适用于INTERNET网络，并且有多种工作模式可选择。

附图说明

图1为本发明所述方法的具体处理流程图；

图2为本发明中主时间服务器和二级时间服务器在internet网中构成的分层主从结构示意图；

图3为本发明中WiMAX设备的客户端与时间服务器互相传递消息包的原理示意图；

图4为NTP协议的实现模型示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种在WiMAX设备中获得当前系统时间的方法。本发明的核心为：通过在WiMAX设备中设置时间服务器，然后WiMAX设备的客户端与该时间服务器之间互相传递带有时间戳的消息包，来获得一定精度的当前系统时间。

下面结合附图来详细描述本发明，本发明所述方法的具体处理流程如图1所示。包括如下步骤：

步骤1-1、在WiMAX设备中设置一个时间服务器。

本发明首先需要在WiMAX设备中设置一个Time of Day Server(时间服务器)。然后将该时间服务器连接在internet网络中。WiMAX设备将通过该时间服务器获得当前系统时间。

步骤1-2、该时间服务器通过internet网络实现与标准时间同步。

利用NTP或其它一些协议，可以将多个通过有线或无线系统与国家标准时钟同步的主参考源，如：骨干网关，连接到internet网络中，这些主参考源作为主时间服务器运行在internet网络中，通过NTP或其它一些协议将其时间信息传送到其它时间服务器。其中包括在WiMAX设备中设置的时间服务器。其它时间服务器作为二级时间服务器运行在局网内部，并且通过NTP或其它一些协议，将时间信息传送到局网内部的其它主机。主时间服务器和二级时间服务器在internet网中构成了一个分层主从结构，其结构图如图2所示。其中，括号中的数字代表时间服务器的层数，在这种分层结构中，标准时钟位于顶部，主时间服务器和二级时间服务器按照不同的层次依次展开，层数越高，时间服务器的时间准确性越低。层数是NTP中一个比较重要的概念，它代表了一个时间服务器的时钟的准确度，层数为1的时钟准确度最高(国家标准时钟)，从1到15依次递减。。另外，需要说明的是，服务器和客户端的概念是相对而言，提供时间标准的机器称为时间服务器，接收时间服务的机器称为客户端。

在图2所示结构中，主时间服务器直接同步到标准时钟，标准时钟通常是Radio Clock(无线时钟源)，二级时间服务器其中包括在WiMAX设备中设置的时间服务器，通过NTP或其它一些协议与主时间服务器或者其它二级时间服务器互相交换时间信息，并通过一定的选择算法、过滤算法，与标准时钟取得较高精度、准确度的时间同步。为了保证获得精确的同步时间，时钟同步过程需要长期进行并且经过多次对比。

NTP中的选择算法使用了许多Bellman-Ford(距离向量路由算法)分布式路由算法来计算以主时间服务器为根的最小生成树。该算法中的距离矢量由层数加上同步距离计算，而同步距离由偏差加上绝对延迟的一半组成。因此，同步路径一般采用到达根节点经过的服务器最少的路径。

当一台或多台主/次级服务器或它们之间的网络路径发生故障时，子网的分层主从结构将自动发生重构。当子网中所有的主服务器(例：运行在最低同步距离的高准确度的WWVB Radio Clock)都失效时，一台或多台备用主服务器(运行在较大的同步距离准确度较低的WWV Radio Clock)继续运行。当子网中所有的主服务器都失效时，其它次级服务器将在它们内部达到同步，当一台服务器通向其它服务器的各条路径都发生故障时，这台服务器将脱离子网，自动运行它最后一次确定的时间和频率。由于NTP协议的计算精度很高，尤其是频率，所以当一台具有比较稳定的振荡器的服务器长时间脱离子网时，它的计时误差可以保持在一天不大于几毫秒。

当有多台主时间服务器时，生成树计算通常选择最小同步距离的服务器。但是，当这些主时间服务器处于大致相同的距离时，选择方式可能会是在它们中间进行随机选择。只要任何两台主时间服务器之间的偏差与同步距离相比较足够小，这种随机选择不会降低准确性。如果任何两台主时间服务器之间的偏差与同步距离相比较比较大时，过滤算法和选择算法将在可利用的服务器中选择最好的，丢弃较差的时间服务器。

通过上面所述时间同步过程，在WiMAX设备中设置的时间服务器作为二级时间服务器，通过与网络中主时间服务器和其它时间服务器进行时间同步操作，实现与标准时间较高精度、准确度的时间同步。

步骤1-3、WiMAX设备的用户站和基站向时间服务器发送带有时间戳的消息包。

WiMAX设备的客户端，包括SS(用户站)和BS(基站)，为了获得较准确的时间，需要向所述WiMAX设备中设置的时间服务器发送带有时间戳的消息包，并根据时间服务器返回的带有时间戳的消息包，来调整自己的时间。WiMAX设备的客户端与时间服务器互相传递消息包的原理示意图如图3所示。

首先，WiMAX设备的客户端，包括SS(用户站)和BS(基站)，向时间服务器发送一个消息，该消息包带有它离开客户端时的时间戳T1，假设T1为10:00:00。

该步骤可以通过NTP协议的发送进程来实现，NTP协议的实现模型如图4所示。应用该实现模型，一台WiMAX设备的主机中运行了4个进程，即发送进程、接收进程、更新进程和本地时钟进程。

WiMAX设备中的客户端通过独立的计时器控制发送进程，利用发送进程收集数据文件中的信息并向时间服务器发送NTP报文，该NTP报文中包括报文发送时的本地时间戳和其它确定层次和管理关联所必须的信息。报文发送速度取决于本地时钟和时间服务器所需要的准确度。

步骤1-4、时间服务器向WiMAX设备的用户站和基站返回带有时间戳的消息包。

WiMAX设备的客户端发送的消息包在时间T2到达时间服务器后，时间服务器在该消息包上加上到达时间的时间戳T2，假设T2为10:00:01。

当此消息包离开时间服务器时，时间服务器再在该消息包上加上离开时间的时间戳T3，假设T3为10:00:02。

该步骤可以通过NTP协议的接收进程、发送进程来实现。

时间服务器通过接收进程，接收WiMAX设备上报的NTP报文和来自于与主机直接相连的Radio Clocks的信息。然后，时间服务器在接收到的NTP报文上加上自己的时间戳，通过发送进程向WiMAX设备的客户端返回数据包。

步骤1-5、WiMAX设备的用户站和基站根据时间服务器返回的消息包，获得当前系统时间。

当时间服务器返回的消息包在时间T4到达WiMAX设备的客户端后，WiMAX设备的客户端在此消息包上再加上代表其接收时间的时间戳T4。WiMAX设备的客户端便可以根据消息包中的时间戳T1、T2、T3和T4的信息，来计算两个重要的参数：消息包来回一个周期的时延Delay、客户端和时间服务器之间的时间偏移量offset。

Delay＝(T2-T1)+(T4-T3)

假设请求消息包和回复消息包在网上传播的时间相同，则

Offset = \frac{(T 2 - T 1) - (T 4 - T 3)}{2}

由此，WiMAX设备的SS和BS便可以根据Delay和Offset，慢慢调整各自的时间，使自己的时间与时间服务器的时间同步，获得具有一定精度的当前系统时间。

该步骤可以通过NTP协议的接收进程、本地时钟进程和更新进程来实现。

以下先介绍一下NTP协议中使用的一些标准术语：

时钟的稳定性：指时钟维持在一个恒定的频率的能力。

时钟的准确性：指时钟的频率和时间与国家标准时间相比是否准确。

时钟精度：指在特定的计时系统内，时钟的频率和时间可以维持在什么精度级。

两个时钟的时间偏移量(offset)：除非特别指明，Offset指这两个时钟所显示的时间差。

Skew：指两个时钟的频率差(也就是时间偏移量对时间的一次导数(First deritive of offset with time))。

Drift：两个时钟表现出的在Skew上的变化(Offset对时间的二次导数)。在RFC-1305中假设Drift为零。

NTP协议中用到三个数据：时钟偏移量，往返延迟和离差。这三个数据都是指本地时钟相对于某一选定的参考时钟而言的。时钟偏移量指将本地时钟调节到与所选参考时钟一致所要调节的量。往返延迟规定了本地时钟在指定时间内将一条信息发送到参考时钟的能力。离差指本地时钟相对于参考时钟的最大误差。

WiMAX设备的客户端通过接收进程接收到NTP报文后，即启动更新进程，利用更新进程计算出WiMAX设备的客户端和时间服务器之间的时间偏移量、往返延迟等偏移数据，该偏移数据与其它对确定误差有用的信息一起被写进接收到的NTP报文中的数据文件。

同时，WiMAX设备的客户端通过NTP协议，采取了一种时钟选择算法，这种算法通过丢弃一些比较差的数据来提高时钟选择的准确性。

然后，WiMAX设备的客户端通过本地时钟进程，根据由更新进程中产生的偏移数据来对本地时钟的相位和频率进行调节。这种调节可以通过一步更新实现，也可以通过对本地时钟进行渐进的相位调节使偏差逐步较少到零来实现。WiMAX设备的客户端的本地时钟还向系统中的其它用户或者是为NTP本身的一些后续参考提供了稳定的时间信息。

利用NTP协议，本发明所述方法可以工作于主/被动对等模式、客户端/服务器模式和广播模式。

在最常用的客户端/服务器模型中，WiMAX设备的客户端向一个或多个服务器发送NTP报文，并处理接收到的服务器返回的应答消息。服务器端交换地址和端口号，填写报文中的某些字段，重新计算校验和，然后立即向客户端发送应答报文。WiMAX设备的客户端可以根据NTP报文中的信息确定服务器端的时间，并相应的调整自己的本地时钟。另外，NTP报文中还包含计算计时的准确性和可靠性的信息。

客户端/服务器模式可以在只有一台公共服务器和多台工作站客户端的局网内使用。但是使用NTP协议的更一般的情况是主/被动对等模式，在该模式中，有多个客户端/服务器或对等体的分布在可动态重构的、具有分层分布式结构的网络中。这种情况下需要有复杂的关联管理、数据处理和本地时钟控制的算法。

本发明所述方法还可以通过RFC2030 SNTP(Simple Network TimeProtocol，简单网络时间协议)Version 4协议来实现，SNTP是在RFC1305NTP的基础上的一个改写的简化版本，当NTP的所有实现在需求中不是完全需要时，可以用SNTP来代替相对实现较复杂的NTP，RFC2030 SNTPVersion 4对以前版本协议最大的改动在于增加了一种IPv6(因特网协议版本6)中的任播模式。

SNTP的服务器端跟NTP的实现很相似，而对于客户端，SNTP的客户端只能跟单一的服务器端通信，这与NTP不同，所以SNTP的客户端实现较简单，适用于时间同步的客户端主机。由于本发明在WiMAX设备中设置的是单一的时间服务器，所以在WiMAX设备的客户端(即SS和BS)能使用SNTP协议，这样不仅简化了客户端协议的实现，同时也能达到系统所需要的要求。而且SNTP Version 4支持IPv6，这对以后的扩展也有好处。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1、一种在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，包括：

A、在全球互动微波接入WiMAX设备中设置时间服务器；

2、根据权利要求1所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括：

3、根据权利要求2所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，

4、根据权利要求1所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤B进一步包括：

5、根据权利要求1所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤C进一步包括：

6、根据权利要求5所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤C1进一步包括：

7、根据权利要求5或6所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤C2进一步包括：

8、根据权利要求7所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤C22进一步包括：

9、根据权利要求8所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的步骤C2还包括：

10、根据权利要求1所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的WiMAX设备的客户端包括：

WiMAX设备的用户站和基站。

11、根据权利要求1或10所述在全球互动微波接入设备中获得当前系统时间的方法，其特征在于，所述的方法可以基于网络时间协议NTP或简单网络时间协议SNTP来实现。