CN1905424A - 在粒状分组网络上恢复定时的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在具有独特粒度的基本时间网格的分组网络上恢复相互连接的分别具有主时钟和从时钟的主节点和从节点之间的定时信息的方法。串行定时分组在所述主节点和从节点之间被交换，以测量相对于主时钟和从时钟的时钟的时间网格的时间偏差。然后，这个偏差被用来调节从节点中的本地时钟，或使用数字控制振荡器生成时钟。

Description

在粒状分组网络上恢复定时的方法
技术领域
本发明涉及分组网络的领域，具体地，其涉及一种在这样的网络上恢复定时信息(timing information)的方法。
背景技术
当时间敏感性数据，诸如语音或视频数据，通过分组网络在源节点(主机)和目的节点(从机)之间发送时，源节点和目的节点将具有不同步的本地时钟。为了恢复该时间敏感性数据，需要某种方法以在目的节点恢复源时钟。
现有的使用分组网络来同步时钟的诸如网络时间协议(NTP)、IEEE1588的时间分配系统在源节点和目的节点之间双向发送所谓的定时分组。根据这些分组，将发出时间与到达时间进行比较，以便能够确定精确的分组传送时间。调节目的节点的时钟频率，来为经过该网络的所有定时分组保留测定的常量传送时间。这样，从机的时钟可同步于主机的时钟。这种方法被称为“常量传送时间”(Constant-Transit-Time(CTT))时钟分配。
CTT方法可结合用于源节点和目的节点之间双向的分组的传送时间。假定两条路径都经过相同的延迟，可消除固定的传送时间，从而从时钟的运转相对于主节点无偏差。该技术被称为“同时(Same-Time)”同步。
现有的时钟同步方法，如根据IEEE-1588的网络时间协议(NTP)或精确时间协议(PTP)，都基于分组以常量传送时间(CTT-方法)在网络上传播的事实。这些方法对分组延迟变化很敏感。
当定时分组在交换组件排队并且该交换组件呈现较高定时粒度时，也就是意味着分组在离散的时间间隔被发送时，CTT方法失去精度。在以太网网络中，测量粒度涉及在100Mbps链路上发送3、64或72个字节所需的持续时间。基于TDM的网络，如T1和E1，呈现涉及8kHz的帧速率的时间粒度。
不可能以比基本定时粒度(underlying timing granularity)更高的精度来确定传送时间，由此网络的粒度导致源节点和目的节点之间交换的定时信息中精度的损失。
发明内容
本发明克服了当时间粒状(time granular)交换组件或这些组件的同步序列在可达到的精度上加以限制时出现的精度损失。
根据本发明，提供一种在具有独特粒度的基本时间网格的分组网络上恢复相互连接的分别具有主时钟和从时钟的主节点和从节点之间的定时信息的方法，包括在所述主节点和从节点之间交换串行定时分组，或将定时分组从网络组件发送到所述主节点和从节点；测量相对于主时钟和从时钟的所述时间网格的偏差；以及使用所述偏差在从节点创建与所述主时钟匹配的时钟。
根据本发明的一方面，分布式系统用于在交换/路由的分组网络上，使从时钟的频率与主时钟同步。系统在连接到分组网络的主节点和从节点之间双向发送分组。使用接收分组的节点的本地时钟，在分组到达时，以时间标出该分组。分组网络包括在基本时间网格的不同的多个中转发这些分组的交换机或路由器。粒状时间网格是能在一些当今的交换和路由组件中见到的类型。
在一个实施例中，通过搜索为到达时获得的时间戳(timestamp)序列提供共同余数的分母值，可以在接收分组的节点中确定粒度。本地从时钟的频率偏差对于主节点和从节点中找到的分母值都产生了偏差。系统使用找到的偏差来调节从时钟频率或使用频率合成技术从从时钟生成新的时钟。系统可结合现有的时间同步技术使用，以改进精度。
本发明使用网络时间网格作为公共参考，并被称为“参考粒度”(Reference-Granularity)(RG)时钟分配。RG方法可独立使用提供精确的时钟频率分配方法或结合CTT方法提供同时(Same-Time)精确性。
例如，在“Modifications of the Euclidean Algorithm for IsolatingPeriodicities form a Sparse Set of Noisy Measurements”-B.M.Sadler，S.D.Casey( http：//techreports.isr.umd.edu/reports/1995/TR 95-105.pdf)和“OnPeriodic Pulse Interval Analysis with Outliers and Missing Observations”-B.M.Sadler，S.D.Casey( http：//techreports.isr.umd.edu/reports/1996/TR 96-6.pdf)中，讨论了时间网格粒度的测量法。这些参考文件显示出只有在短时间内获得的10-100个时间戳样本才足以确定测量中呈现的粒度。当存在噪音时，可能需要更多的样本，虽然如果样本太多会降低性能。
当时间粒状组件是定时分组的数据路径的一部分时，本发明的基于RG的方法更优于CTT方法。CTT方法将需要许多定时分组，以平均嵌入在传送时间测量中的噪音。任何平均都需要时间以获取精度。需要的精度越高，则需要更多的样本，且若给定常量的抽样率，则需要更多的时间。然而，可花费在平均上以改进精度的时间量是有限的，因为从时钟可能在这期间开始漂移，从而引入另一不精确源。
漂移也能降低RG方法的灵敏度。然而，实验已显示出通过使用不超过几秒的间隔内仅10-100个分组的分组到达时间和超过50ns的时间戳测量误差，精度改进得更快且达到比1ppd(10-9)更好的精度。
从硬件设计观点来看，来自上述参考文件的改进的欧几里得算法可由本领域技术人员执行，而无需数值除法运算符或取模运算符。数据集需要微分和快速排序的连续迭代。这个可通过使用若干寄存器、减法器、比较器、存储器单元和简单控制器被映射。当可用时，这些迭代也可映射到可编程的处理器上。
本发明也应用于以下实施例，该实施例中，在这些分组经过相同时间粒状交换/路由参考组件的条件下，分组由第三节点发送到主节点和从节点。第三节点不必参与主节点和从节点之间的同步，因为其不需要任何来自这些节点的信息。本发明也应用于当交换组件自身将时间粒状分组发送到主节点和从节点的情况。在两个可选案例中，这些分组仍然在分组通过一个公共的时间粒状参考组件发送的条件下，可以单播、组播或广播的模式被发送。
附图说明
现在参考附图，仅通过实例详细描述本发明，其中：
图1示出了连接到通信网络的主节点和从节点；
图2是示出了网络的时间粒度网格的时序图；
图3是根据本发明的用于通过使用无噪声时间戳序列来测量时间粒度网格的装置的一个实施例的方框图；
图4是根据本发明一个实施例的用于使用频率合成器重构主时钟的装置的方框图；
图5是示出了根据本发明一个实施例的用于通过调节从时钟的频率以恢复主时钟的装置的方框图；
图6是示出了根据本发明一个实施例的用于确定给定的一组噪声时间戳中呈现的时间粒度网格的粗略推测的装置的方框图；
图7是示出了根据本发明一个实施例的用于执行简化的方法以确定复指数项的装置的方框图；和
图8示出了从分组通过定时粒状交换组件获得的真实到达时间的测量所产生的结果。
具体实施方式
本发明描述了当分组延迟变化是在基本时间网格的多个不同目标上调度分组到它们的输出的时间粒状交换或路由组件的原因时，用于主节点和从节点之间时钟同步的方法。上述方法也适用于当一系列这些组件在一个共同的诸如在SDH和TDM网络中的时间网格运行的情况。
一组节点被连接到通信网络。该网络包含一个在基本时间网格的多个不同目标中转发这些分组的交换/路由组件。网络也可包含在共同的时间网格中转发分组的一系列这些组件。每一个节点设置有用于确定来自网络的分组的到达时间的本地时钟。从节点经由网络将分组发送到主节点。主节点将分组的到达时间发送给始发从节点。从节点测量那个分组的到达时间。
定时分组应在细粒状的随机时间被发送，以防止由发明的时钟分配系统自身引入的时间粒度。
每一个从节点测量到达时间粒度并将其与主节点中的到达时间粒度相比较。两个值的偏差确定从时钟的频率偏差。从时钟的频率可由方程式：FS＝FM*GM/GS来计算。其中S：从节点，M：主节点，G：以秒为单位的粒度网格，以赫兹为单位的F。
参考粒度(RG)是基于对通过一个共同的时间粒状交换/路由组件被发送的到达主节点和从节点的分组的分组到达时间的分析的。从这些到达时间可确定基本时间网格。
时间粒度网格可由使用初始时间戳t0、第一时间戳t1和第二时间戳t2的无噪声时间戳样本确定，并例如使用图3计算(t1-t0)和(t2-t0)的最大公约数(GCD)。在主机和从机测量的时间网格将显示出，与主时钟和从时钟之间的频率偏差线性相关的微小偏差。然后，已测量的时间网格偏差被用于在从机中生成无频率偏置时钟。
新颖的方法对于测量中的噪声是健壮的，并确定精确的结果。通过使用几秒的间隔中10-100个分组的到达时间，实验显示出优于1ppb(10-9)的精度。
现在参考图1，主节点1和从节点2各自连接于包括时间粒状交换/路由组件4或一系列这样的组件的通信网络3。主节点1和从节点2通过网络3交换分组。组件4在时间网格上工作，并将粒度引入到网络3中。
图2示出了相对于主时钟(tM)和从时钟(tS)测量的相同时间粒度网格的时序图。gM和gS是分别相对于主时钟和从时钟测量的粒度间隔。垂直的箭头符号表示分别相对于主时钟和从时钟测量的这个网格上分组的到达。
为了测量时间粒度网格，分组序列经由网络3在主节点和从节点之间双向发送。通过使用与接收分组的节点相关联的本地时钟，在分组到达时对其进行时间标记。分组在作为如已注明的具有独特粒度的基本网络时间网格的不同多个的时间处到达接收节点。然后，接收节点搜索为到达时所获得的时间戳序列提供共同余数的分母值。如图3中所示，时间戳在被输入到电路7之前，经过延迟线5和加法器6，从而确定该到达的分组序列的最大公约数(GCD)。
一旦找到了公分母，本地从时钟的频率偏置对主节点和从节点中找到的分母值都产生偏差。系统使用已找到的偏差调节从时钟频率，或使用频率合成技术从从时钟生成新的时钟。系统可结合现有的时间同步技术使用，以改进精度。
图4是示出了根据本发明的用于通过使用频率合成器(11)以重构主时钟的装置，其中频率合成器(11)用从时钟(12)的频率乘代表从时间网格(9b)的数字与代表主时间网格(9a)的数字的比值。这由接收分别来自时间网格单元9a、9b的输入10a、10b的除法器10产生。通过将进入的时间戳供给时间戳单元8，获得从时间网格，其中时间戳单元8用基于从时钟的时间对进入的分组进行标记。频率合成器11输出重构的主时钟，如所见，其通过使用以GS/GM的比乘从时钟的频率的合成技术来获得。
图5是示出了另一实施例的方框图，在该实施例中，时间网格单元9a、9b的输出在减法器6中进行减法运算，以产生输入到环路控制单元13的差分信号。这样控制了数字控制振荡器14，以产生为从节点提供本地时钟的恢复的主时钟。环路控制器13将测量的主时间网格9a和测量的从时间网格9b之间的差值6(GM-GS)减小到零。
图4和图5提供了所述发明可能实施的两个实例。图5的实例可被映射于硬件上。图4的实例需要更适于在可编程处理器上执行的除法。
图6是示出了用于确定在一组给定的有噪声时间戳序列中呈现的时间粒度网格的粗略推测的装置的方框图。进入的时间戳通过Muc 15，且在减法器6中找到当前分组和延迟分组的传送时间之间的差值。通过单元16除去低于阈值的分组，然后在组件17中，将剩余的分组分类。
时间粒度网格也可通过在数据集上的迭代处理，在存在抖动效应(jitter effect)和有噪声时间戳的情况下被获得，其中数据集以按值分类的时间戳样本(tn)序列开始且通过执行以下步骤来操作：
a)通过在数据集中对样本进行微分更新数据集。
b)除去低于给定阈值水平的所有样本。如果只剩下一个样本，则这就是对时间粒度网格的推测，且完成迭代。
c)依据值将给定的样本集分类。
d)将一个零样本添加到样本集，并保持已分类的集。
e)在步骤-a持续重复迭代。
阈值水平是最优因子，且应小于最低期望的粒度水平并大于期望的噪声测量量。步骤b和步骤c可交换，但是效率较低。
通过使用数据集上执行迭代处理获得的“G”的初始推测，可获得时间粒度网格的精确估计，其中数据集以按值分类的时间戳样本(tn)序列开始且通过以下步骤来操作：
a)通过在数据集中对样本进行微分更新数据集；
b)除去低于给定阈值水平的所有样本，直到只剩一个样本；
c)依据值将样本分类；
d)将一个零样本添加到该组样本集，同时保持已分类的集；
e)在步骤a持续重复迭代。然后，通过在以下复指数方程中给定时间戳序列“tn”对“A”取最大值，可进一步改进“G”的值。所述复指数方程式是：
A = | Σ n e ( 2 · π · i · t n G ) |
改进G的值的快速方法是对于两个邻近值G1和G2，从上述方程式计算两个结果A1和A2，且假设G1＜G＜G2。然后，通过以下给出的方程式可获得G的改进值(refined value)：
G = A 1 2 · G 1 + A 2 2 · G 2 A 1 2 + A 2 2
用于计算上述方程式中的复指数项的总和的简易方法是使用整数值的时间戳、除法和查询表，其中查询表包含指数项的复数单位圆的抽样并测量的形式(图7)。对于每一个时间戳，从包含16对这些数偶的查询表中读出Re、Im数偶。该表由时间戳乘16并除以G值的除法所得的4位整数余数寻址。将Re数字序列相加并随后求其平方；将Im-数字序列相加并随后求其平方；最后将两个平方的结果相加，以获得所有相加的Re、Im向量的平方的幅值(A2)。
可选地，可使用任何可选的查询表，在表中取得任何更小或更大的条目数量、或取得Re、Im样本的其他解决方案。
当在测量间隔中的时钟频率漂移导致接近或大于时间粒度网格的时间偏差时，使用上述方程式的RG方法会失去灵敏度。迭代方法对时钟漂移较不敏感，但对噪声更敏感，从而导致更小的精度。为提供结果所需要的迭代越多，则对噪声的灵敏度越高。
图8示出了由分组通过定时粒状交换组件所取得的真实到达时间测量产生的结果。到达时间通过取模运算符提供。这些数字只可使用粒度网格的非常精确的估计而被产生。即使是对于那个估计的较小偏差也将导致浓密条状的测量点遍布于所应用的模数的整个范围。曲线中的转弯是分组交换组件的系统时钟的频率漂移的原因。
将看到，本发明允许目的节点(从机)中时钟频率的恢复，其中时钟频率是通过在分组网络上发送分组在源节点(主机)中时钟的精确副本。源节点将分组发送到目的节点，目的节点将分组发送到源节点。分组网络可以为诸如以太网、ATM或同步网络的任何类型。本发明应用于包含在基本时间网格的多个不同目标中转发分组的网络交换/路由组件的网络中。本发明也应用于如SDH网络的同步网络，其中这一系列交换/路由组件在共同的基本时间网格的多个不同目标中转发数据。
所有参考文件都结合在本文中以作参考。

Claims (20)

1.一种在具有独特粒度的基本时间网格的分组网络上恢复相互连接的分别具有主时钟和从时钟的主节点和从节点之间的定时信息的方法，其包括：
在所述主节点和从节点之间交换串行定时分组，或从网络组件发送定时分组到所述主节点和从节点；
测量相对于所述主时钟和从时钟的所述时间网格的偏差；和
使用所述偏差，以在所述从节点上创建与所述主时钟匹配的时钟。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述偏差被用于调节所述从时钟的频率以匹配所述主时钟。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于相对于所述主时钟和从时钟测量的所述时间网格之间的差值被用于控制所述从时钟的频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述频率偏差被用于控制生成所述从时钟的频率合成器。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于相对于所述主时钟和从时钟测量的所述时间网格的比率被用于控制所述频率生成器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述时间网格通过检查分别在所述主节点和从节点被接收的定时分组序列，相对于所述主时钟和从时钟被测量，以找到为接收的分组序列提供共同余数的分母值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述从节点将所述定时分组序列发送到所述主节点，并且所述主节点将相对于所述主时钟的分组的到达时间发回到始发从节点。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述定时分组在细粒状的随机时间被发送。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述从时钟的所述频率由以下方程式计算：FS＝FM*GM/GS，其中S：从节点，M：主节点，G：以秒为单位的粒度网格，以赫兹为单位的F。
10.如权利要求1所述的方法，其适用于存在抖动效应和有噪声时间戳样本的情况，包括在数据集上执行迭代处理，所述数据集以按值分类的时间戳样本(tn)序列开始并通过以下步骤操作：
a)通过在所述数据集中对所述样本进行微分来更新所述数据集；
b)除去低于给定阈值水平的所有样本，直到剩下一个样本；
c)依据值对所述样本进行分类；
d)将一个零样本添加到所述样本集，同时保持已分类的所述集；
e)在步骤a连续重复迭代。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于每个节点的所述时间粒度网格是通过使用权利要求10所述的方法得出的对所述时间网格G的初始推测，以及进一步通过在以下给出的复指数方程式中通过给定时间戳序列“tn”取A的最大值以进一步改进G来获得的，所述方程式为：
A = | Σ n e ( 2 · π · i · t n G ) | .
12.如权利要求11所述的方法，其包括为A找到两个邻近值G1和G2的两个结果A1和A2，假定G1＜G＜G2，并从以下方程式获得G的改进值，所述方程式为：
G = A 1 2 · G 1 + A 2 2 · G 2 A 1 2 + A 2 2 .
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于在方程式 A = | Σ n e ( 2 · π · i · t n G ) | 中所述复指数项的总和通过使用整数值的时间戳、除法和查询表来计算，其中该查询表包含指数项的复数单位圆的抽样和测量形式。
14.一种在具有独特粒度的基本时间网格的分组网络上恢复相互连接的分别具有主时钟和从时钟的主节点和从节点之间的定时信息的配置，其包括：
用于测量相对于所述主时钟和从时钟的所述时间网格的偏差的装置；和
使用所述测量的偏差，用于在所述从节点创建匹配所述主时钟的时钟的装置。
15.如权利要求14所述的配置，其特征在于所述从时钟包括由用于测量所述时间网格的偏差的所述装置控制的数字控制振荡器。
16.如权利要求15所述的配置，其特征在于进一步包括用于生成控制所述数字控制振荡器的差分信号的差分电路，所述差分电路接收分别来自用于测量相对于所述主时钟的所述时间网格的偏差的所述装置，和测量相对于所述主时钟的所述时间网格的偏差的所述装置的输入。
17.如权利要求14所述的配置，其特征在于进一步包括根据所述从时钟和相对于所述主时钟和从时钟测量的所述时间网格比率，用于创建重构的时钟的频率合成器。
18.如权利要求14所述的配置，其特征在于所述时间网格测量装置包括最大公约数计算器，以确定提供共同余数的所述定时分组序列的最大公分母。
19.如权利要求14所述的配置，其特征在于所述时间网格测量装置包括用于接收进入的分组的串联的第一和第二延迟单元，第一元件用于找到所述第一延迟单元的输入和所述第二延迟单元的输出之间的差值，并将该结果输出到所述最大公约数计算器的第一输入；并且第二元件用于找出所述第二延迟单元的输入和所述第二延迟单元的输出之间的差值，并将该结果输出到所述最大公约数计算器的第二输入。
20.如权利要求14所述的配置，其特征在于用于测量所述时间网格的所述装置包括查询表，其用于为每个时间戳产生复数A的实部和虚部，其中 A = | Σ n e ( 2 · π · i · t n G ) | .
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