DE102006017208B4

DE102006017208B4 - Verfahren zum Wiederherstellen der Taktung über ein granulares Paketnetzwerk

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Publication number: DE102006017208B4
Application number: DE102006017208A
Authority: DE
Inventors: Willem Leendert Repko; Robertus Laurentius Van Der Valk
Original assignee: Zarlink Semoconductor Inc
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: CN1905424A; GB0507624D0; US7738501B2; GB2425234B; GB2425234A; US20060269029A1; DE102006017208A1; FR2886791A1

Abstract

Verfahren zum Wiedergewinnen von Taktungsinformation zwischen Master- und Slave-Knoten (1, 2) mit jeweiligen Master- und Slave-Takten, die über ein Paketnetzwerk (3) miteinander verbunden sind, welches ein zugrundeliegendes Zeitgitter mit einer bestimmten Granularität hat, das aufweist:
Austauschen einer Anzahl von Taktungspaketen zwischen den Master- und Slave-Knoten (1, 2) oder Verschicken von Taktungspaketen von einer Netzwerkkomponente (4) zu den Master- und Slave-Knoten (1, 2);
basierend auf den Ankunftszeiten der Pakete, Messen eines Granularitätsgitters (G_M) des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Master-Takt und Messen eines Granularitätsgitters (G_S) des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Slave-Takt, wobei die Zeitgitter (G_M, G_S) relativ zu dem Master- und dem Slave-Takt gemessen werden, indem die Anzahl der Taktungspakete überprüft wird, die an dem jeweiligen Master- und Slave-Knoten (1, 2) empfangen werden, um einen Nennerwert zu finden, der einen gemeinsamen Rest für die Anzahl der empfangenen Pakete liefert; und
Wiedergewinnen des Master-Taktes an dem Slave-Knoten...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Paketnetzwerke und insbesondere ein Verfahren zum Wiederherstellen von Taktungsinformation über solche Netzwerke.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wenn zeitempfindliche Daten, so wie Sprach- oder Videodaten, zwischen einem Quellenknoten (Master) und einem Zielknoten (Slave) über ein Paketnetzwerk verschickt werden, werden der Quellen- und Zielknoten lokale Uhren haben, die nicht synchronisiert sind. Es werden Verfahren benötigt, um den Takt der Quelle am Zielknoten wiederherzustellen, um die zeitempfindlichen Daten wiederzugewinnen.
Vorliegende Zeitverteilungssysteme, so wie das Network Time Protocol (NTP), IEEE-1588, die Paketnetzwerke einsetzen, um Uhren zu synchronisieren, senden sogenannte Taktungspakete in beiden Richtungen zwischen dem Quell- und dem Zielknoten. Aus diesen Paketen wird die Übertragungszeit mit der Ankunftszeit verglichen, um zu ermöglichen, daß die genaue Paketübergangszeit festgestellt wird. Die Taktfrequenz des Zielknotens wird angepaßt, um eine gemessene konstante Übergangszeit für alle Taktungspakete zu erhalten, die durch das Netzwerk laufen. Auf diese Weise kann die Uhr an den Slaves mit der Uhr am Master synchronisiert werden. Dieses Verfahren wird als 'Konstantübergangszeit (Constant-Transit-Time)' (CTT)-Taktverteilung bezeichnet.
Ein CTT-Verfahren kann die Übergangszeit für Pakete für beide Richtungen zwischen Quell- und Zielknoten kombinieren. Unter der Annahme, daß beide Wege der gleichen Verzögerung unterliegen, kann die konstante Übergangszeit abgetrennt werden, so daß die Slave-Uhr ohne Vorsatz relativ zu dem Master-Knoten läuft. Die Technik wird als 'Gleichzeit (Same-Time)'-Synchronisierung bezeichnet.
Vorliegende Taktsynchronisationsverfahren, so wie das Network Time Protocol (NTP) oder Precision Time Protocol (PTP) von IEEE-1588, basieren auf der Tatsache, daß Pakete sich mit einer konstanten Übergangszeit (CTT-Verfahren) über das Netzwerk bewegen. Solche Verfahren sind empfindlich auf Variationen in der Verzögerung der Pakete.
Das CTT-Verfahren verliert an Genauigkeit, wenn Taktungspakete an Schaltkomponenten in der Warteschlange sind und wenn die Schaltkomponenten eine hohe Granularität in der Taktung zeigen, was bedeutet, daß die Pakete in diskreten Zeitintervallen hinausgeschickt werden. In Ethernet-Netzwerken ist eine Granularität gemessen worden, die sich auf die Dauer bezieht, die erforderlich ist, 3, 64 oder 72 Bytes über eine Verbindung mit 100 Mbit/s zu verschicken. Auf TDM basierende Netzwerke, so wie T1 und E1, zeigen eine Granularität in der Zeit in bezug auf die Wiederholrate von 8 kHz.
Es ist nicht möglich, die Übergangszeit mit einem Präzisionsgrad besser als die zugrundeliegende Granularität in der Taktung zu bestimmen, und so führt die Granularität des Netzwerkes zu einem Verlust der Präzision in der Taktungsinformation, die zwischen dem Quell- und dem Zielknoten ausgetauscht wird.
Die EP 0 876 017 A1 offenbart einen Mechanismus zum Wiederherstellen des Taktes für einen ATM-Receiver, der einen Service- oder Quellen-Takt, der über ein ATM-Netzwerk übermittelt wurde, wiederherstellt. Der Mechanismus enthält einen Eingang für das Empfangen eines SRTSs von dem ATM-Netzwerk, einen lokalen SRTS-Generator für das lokale Erzeugen eines SRTSs, einen Vergleicher für das Vergleichen des empfangenen SRTSs und eines lokal erzeugten SRTSs und einen Generator für den wiederhergestellten Service-Takt, der auf eine Ausgabe des Vergleichers antwortet, zum Erzeugen des wiederhergestellten Service-Taktes und zum Steuern des lokalen SRTS-Generators. Dabei werden Zeitstempel durch ein Netzwerk geschickt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet den Verlust an Präzision, der auftritt, wenn eine Schaltkomponente, die in der Zeit granular ist, oder eine synchrone Anzahl solcher Komponenten eine Grenze für die erreichbare Genauigkeit setzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Wiedergewinnen von Taktungsinformation zwischen Master- und Slave-Knoten zur Verfügung gestellt, wobei jeweilige Master- und Slave-Takte, die über ein Paketnetzwerk miteinander verbunden sind, ein zugrundeliegendes Zeitgitter mit einer bestimmten Granularität haben, wobei es das Austauschen einer Anzahl von Taktungspaketen zwischen den Master- und Slave-Knoten oder das Verschicken von Taktungspaketen von einer Netzwerkkomponente zu den Master- und Slave-Knoten; basierend auf den Ankunftszeiten der Pakete, Messen eines Granularitätsgitters des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Master-Takt und Messen eines Granularitätsgitters des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Slave-Takt; und Wiedergewinnen des Master-Taktes an dem Slave-Knoten durch Vergleichen der gemessenen Master-Granularität mit der gemessenen Slave-Granularität, um einen Versatz zwischen den Master- und Slave-Takten zu bestimmen, aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein verteiltes System verwendet, um die Frequenz der Slave-Uhren mit einer Master-Uhr über ein geschaltetes/geroutetes Paketnetzwerk zu synchronisieren. Das System schickt Pakete in beide Richtungen zwischen Master- und Slave-Knoten, die an das Paketnetzwerk angeschlossen sind. Die Pakete werden bei der Ankunft zeitgestempelt, wobei die lokale Uhr des Knotens verwendet wird, der das Paket erhält. Das Paketnetzwerk enthält einen Schalter oder Router, der diese Pakete zu bestimmten Vielfachen eines zugrundeliegenden Zeitgitters weiterleitet. Das granulare Zeitgitter ist von dem Typ, der in einigen der heutigen Schalt- und Routing-Komponenten zu sehen ist.
Bei einer Ausführungsform kann die Granularität an den Knoten bestimmt werden, die die Pakete erhalten, indem nach einem Wert für den Nenner gesucht wird, der einen gemeinsamen Teilungsrest für eine Anzahl von Zeitstempeln liefert, die bei der Ankunft eingefangen worden sind. Ein Frequenzversatzder lokalen Uhr des Slaves erzeugt einen Versatz für beide Werte der Nenner, die beim Master und beim Slave gefunden worden sind. Das System verwendet den gefundenen Versatz, um die Taktfrequenz des Slaves anzupassen oder um einen neuen Takt aus dem Slave-Takt zu erzeugen, wobei Frequenzsynthesetechniken verwendet werden. Das System kann in Kombination mit existierenden Zeitsynchronisationstechniken verwendet werden, um die Präzision zu verbessern.
Diese Erfindung verwendet das Netzwerk-Zeitgitter als eine gemeinsame Referenz und wird als 'Referenz-Granularitäts' (RG)-Taktverteilung bezeichnet. Das RG-Verfahren kann für sich verwendet werden, wodurch ein präzises Taktfrequenzverteilungsverfahren zur Verfügung gestellt wird, oder in Kombination mit einem CTT-Verfahren, um Gleichzeit-Präzision bereitzustellen.
Die Messung der Granularität des Zeitgitters ist beispielsweise in „Modifications of the Euclidean Algorithm for Isolating Periodicities from a Sparse Set of Noisy Measurements (Modifikationen des euklidischen Algorithmus zum Isolieren von Periodizitäten aus einem spärlichen Satz von Rauschmessungen)” – B. M Sadler, S. D. Casey (http://techreports.isr.umd.edu/reports/1995/TR95-105.pdf) und „On Periodic Pulse Interval Analysis with Outliers and Missing Observations (Über periodische Pulsintervallanalyse mit Ausreißern und fehlenden Beobachtungen)” – B. M Sadler, S. D. Casey (http://techreports.isr.umd.edu/reports/1996/TR96-6.pdf) diskutiert. Diese Dokumente zeigen, daß nur 10 bis 100 Zeitstempel-Abfragewerte, in einer kurzen Zeit aufgenommen, ausreichend sind, um die Granularität zu bestimmen, die in den Messungen vorliegt. Beim Vorliegen von Rauschen könnten mehr Abfragewerte benötigt werden, obwohl die Leistungsfähigkeit abnimmt, wenn es zu viele Abfragewerte gibt.
Das auf RG basierende Verfahren der Erfindung ist dem CTT-Verfahren überlegen, wenn Komponenten, die granular in der Zeit sind, Teil des Datenweges der Taktungspakete sind. Ein CTT-Verfahren würde viele Taktungspakete benötigen, um das Rauschen auszumitteln, das in den Messungen der Übergangszeit eingebettet ist. Jegliches Mitteln benötigt Zeit, um die Präzision zu erhöhen. Je mehr Präzision erforderlich ist, desto mehr Abfragewerte werden benötigt, und, bei vorgegebener konstanter Abfragerate, um so mehr Zeit ist notwendig. Jedoch gibt es eine Grenze für die Menge an Zeit, die für das Mitteln verbraucht werden kann, um die Präzision zu verbessern, da der Slave-Takt zwischenzeitlich beginnen könnte abzudriften und somit eine weitere Quelle der Ungenauigkeit einführt.
Drift kann auch die Empfindlichkeit des RG-Verfahrens verschlechtern. Jedoch haben Experimente gezeigt, daß sich die Genauigkeit viel schneller verbessert und eine Präzision besser als 1 ppb (10^–9) erreicht, wenn Paket-Ankunftszeiten von nur 10 bis 100 Paketen innerhalb eines Intervalls von nicht mehr als wenigen Sekunden und eine Ungenauigkeit bei der Messung des Zeitstempels von mehr als 50 ns verwendet werden.
Aus der Perspektive der Hardwaregestaltung her kann der Ansatz mit dem modifizierten euklidischen Algorithmus aus den obigen Dokumenten vom Fachmann implementiert werden, ohne die Notwendigkeit eines Operators für die numerische Division oder eines Modulus-Operators. Der Datensatz benötigt aufeinanderfolgende Iterationen der Differenzierung und schnelles Sortieren. Dies kann abgebildet werden, indem einige Register, ein Subtrahierer, ein Komparator, eine Speichereinheit und ein einfacher Controller verwendet werden. Wenn verfügbar, können diese Iterationen auch auf einem programmierbaren Prozessor abgebildet werden.
Diese Erfindung kann auch bei einer Ausführungsform angewendet werden, bei der Pakete von einem dritten Knoten zu Master- und Slave-Knoten verschickt werden, unter der Bedingung, daß diese Pakete durch dieselbe in der Zeit granulare Referenzkomponente für Schalten/Routing laufen. Der dritte Knoten nimmt nicht notwendigerweise an der Synchronisierung zwischen Master- und Slave-Knoten teil, da er keine Information von diesen Knoten benötigt. Diese Erfindung findet auch Anwendung, wenn die Schaltkomponente selbst in der Zeit granulare Pakete an Master- und Slave-Knoten schickt. In beiden alternativen Fällen können diese Pakete im Unicast(Punkt-zu-Punkt-Verbindung)-, Multicast(Sendung an eine bestimmte Menge von Teilnehmern)- oder Broadcast(Sendung an alle Teilnehmer)-Modus verschickt werden, immer unter der Bedingung, daß die Pakete über eine gemeinsame in der Zeit granulare Referenzkomponente verschickt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
1 einen Master-Knoten und einen Slave-Knoten zeigt, die mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden sind;
2 ein Taktungsdiagramm ist, das das Zeitgranularitätsgitter des Netzwerks zeigt;
3 ein Blockschaubild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen des Zeitgranularitätsgitters ist, wobei eine Anzahl rauschfreier Zeitstempel verwendet wird;
4 ein Blockschaubild ist, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Wiederherstellen eines Master-Taktes zeigt, wobei ein Frequenzsynthesizer verwendet wird;
5 ein Blockschaubild ist, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Wiederherstellen des Master-Taktes durch Anpassen der Taktfrequenz des Slave zeigt;
6 ein Blockschaubild ist, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen einer groben Abschätzung des Zeitgranularitätsgitters, das in einem gegebenen Satz verrauschter Zeitstempel vorliegt, zeigt;
7 ein Blockschaubild ist, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Implementieren eines vereinfachten Verfahrens zum Bestimmen eines komplexen exponentiellen Ausdrucks zeigt; und
8 ein Ergebnis aus tatsächlichen Ankunftszeit-Messungen zeigt, die an Paketen vorgenommen wurden, welche sich durch eine in der Zeit granulare Schaltkomponente bewegen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese Erfindung beschreibt ein Verfahren für die Taktsynchronisation zwischen Master- und Slave-Knoten, wenn Variationen in der Paketverzögerung eine Ursache einer in der Zeit granularen Schalt- oder Routing-Komponente sind, die Pakete an ihrem Ausgang auf diskreten Vielfachen eines zugrundeliegenden Zeitgitters plant. Das Verfahren beschreibt auch Anwendungen, wenn eine Anzahl solcher Komponenten auf einem gemeinsamen Zeitgitter läuft, so wie bei SDH- und TDM-Netzwerken.
Ein Satz Knoten ist mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden. Das Netzwerk enthält eine Schalt/Routing-Komponente, welche diese Pakete mit diskreten Vielfachen eines zugrundeliegenden Zeitgitters weiterbefördert. Das Netzwerk könnte auch eine Anzahl dieser Komponenten enthalten, die Pakete mit einem gemeinsamen Zeitgitter verschicken. Jeder Knoten ist mit einer lokalen Uhr versehen, die verwendet wird, um die Ankunftszeit eines Paketes aus dem Netzwerk zu bestimmen. Slave-Knoten schicken Pakete durch das Netzwerk zu dem Master-Knoten. Der Master-Knoten schickt die Ankunftszeit des Paketes an den ursprünglichen Slave-Knoten. Der Slave-Knoten mißt die Ankunftszeit des Paketes.
Die Taktungspakete sollten zu feinkörnigen zufälligen Zeiten verschickt werden, um eine Zeitgranularität zu verhindern, die durch das erfinderische Taktverteilungssystem selbst eingeführt wird.
Jeder Slave-Knoten mißt die Granularität in der Ankunftszeit und vergleicht sie mit der Granularität der Ankunftszeit am Master-Knoten. Der Unterschied beider Werte bestimmt den Frequenzversatz des Slave-Taktes. Die Frequenz des Slave-Taktes kann aus der Gleichung: F_S = F_M·G_M/G_S berechnet werden, wobei S: Slave, M: Master, G: Granularitätsgitter in Sekunden, F in Hertz.
Die Referenzgranularität (RG) basiert auf der Analyse von Paket-Ankunftszeiten bei Paketen, die sowohl an Master- als auch Slave-Knoten ankommen und durch eine gemeinsame in der Zeit granulare Zeit/Routing-Komponente geschickt wurden. Aus diesen Ankunftszeiten wird das zugrundeliegende Zeitgitter bestimmt.
Das Zeitgranularitätsgitter kann aus rauschfreien Zeitstempel-Abfragewerten bestimmt werden, wobei ein anfänglicher Zeitstempel t₀, ein erster Zeitstempel t₁ und ein zweiter Zeitstempel t₂ verwendet werden und der größte gemeinsame Teiler (GCD) von (t₁ – t₀) und (t₂ – t₀) berechnet wird, wozu zum Beispiel 3 verwendet wird. Das Zeitgitter, das bei Master und Slave gemessen wird, wird einen leichten Versatz zeigen, der linear in bezug zu dem Frequenzversatz zwischen dem Master- und Slave-Takt steht. Der gemessene Zeitgitterversatz wird dann verwendet, um einen Takt am Slave zu erzeugen, der frei von einem Frequenzversatz ist.
Das neue Verfahren ist unanfällig gegenüber Rauschen in den Messungen und legt ein genaues Ergebnis fest. Experimente haben eine Genauigkeit besser als 1 ppb (10^–9) gezeigt, wenn Ankunftszeiten von 10 bis 100 Paketen in einem Intervall von wenigen Sekunden verwendet werden.
Mit Bezug nun auf 1 sind sowohl ein Master-Knoten 1 als auch ein Slave-Knoten 2 jeweils mit einem Kommunikationsnetzwerk 3 verbunden, das eine in der Zeit granulare Schalt/Routing-Komponente 4 oder eine Anzahl solcher Komponenten umfaßt. Der Master-Knoten 1 und der Slave-Knoten 2 tauschen Pakete über das Netzwerk 3 aus. Die Komponente 4 arbeitet auf einem Zeitgitter und führt Granularität in das Netzwerk 3 ein.
2 ist ein Taktungsschaubild, das dasselbe Zeitgranularitätsgitter zeigt, gemessen relativ zu dem Master-Takt (t_m) und zu dem Slave-Takt (t_s). g_M und g_S sind die Granularitätsintervalle, die relativ zu dem Master- bzw. dem Slave-Takt gemessen werden. Die Ankunft von Paketen auf diesem Gitter, gemessen relativ zu dem jeweiligen Master- und Slave-Takt, ist durch die vertikalen Pfeile angezeigt.
Um das Zeitgranularitätsgitter zu messen, wird eine Anzahl von Paketen in beide Richtungen durch das Netzwerk 3 zwischen dem Master- und dem Slave-Knoten verschickt. Die Pakete werden bei der Ankunft zeitgestempelt, wobei die lokale Uhr verwendet wird, welche dem Knoten zugeordnet ist, der die Pakete empfängt. Die Pakete kommen an dem empfangenen Knoten zu Zeiten an, die diskrete Vielfache des zugrundeliegenden Zeitgitters des Netzwerks sind, welches, wie angemerkt, eine bestimmte Granularität hat. Der empfangende Knoten sucht dann einen Wert für den Nenner, der einen gemeinsamen Teilungsrest für die Anzahl von Zeitstempeln bildet, die bei der Ankunft eingefangen worden sind. Wie in 3 gezeigt, werden die Zeitstempel durch Verzögerungsleitungen 5a, 5b und Addierer 6a, 6b geleitet, bevor sie in eine Schaltung 7 eingegeben werden, welche den größten gemeinsamen Teiler (GCD) der Anzahl ankommender Pakete bestimmt.
Wenn einmal der gemeinsame Nenner gefunden worden ist, erzeugt ein Frequenzversatz des lokalen Slave-Taktes einen Versatz für beide Werte des Nenners, die beim Master und beim Slave gefunden worden sind. Das System verwendet den gefundenen Versatz, um die Frequenz des Slave-Taktes anzupassen oder um einen neuen Takt aus dem Slave-Takt zu erzeugen, wobei Frequenzsynthesetechniken verwendet werden. Das System kann in Kombination mit bestehenden Zeitsynchronisationstechniken verwendet werden, um die Genauigkeit zu verbessern.
4 ist in ein Blockschaubild, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Wiederaufbauen eines Master-Taktes zeigt, wobei ein Frequenz-Synthesizer 11 verwendet wird, welcher die Frequenz des Slave-Taktes 12 mit dem Quotienten aus der Zahl, welche das Zeitgitter 9b bzw. G_S des Slaves darstellt, und der Zahl, welche das Zeitgitter 9a bzw. G_M des Masters darstellt, multipliziert. Dieser Quotient wird von dem Dividierer 10c erzeugt, der Eingaben 10a, 10b von jeweiligen Zeitgittereinheiten 9a, 9b erhält. Das Zeitgitter des Slaves wird erhalten, indem die einlaufenden Zeitstempel in die Zeitstempeleinheit 8 eingespeist werden, welche die einlaufenden Pakete mit der Zeit basierend auf der Uhr des Slaves stempelt. Der Frequenz-Synthesizer 11 gibt einen wiederhergestellten Master-Takt aus, welcher, wie zu sehen ist, erhalten wird, indem eine Frequenzsynthesetechnik verwendet wird, die den Slave-Takt mit dem Quotienten G_S/G_M multipliziert.
5 ist ein Blockschaubild, das eine alternative Ausführungsform zeigt, bei der die Ausgaben der Zeitgittereinheiten 9a, 9b in einem Subtrahierer 6c subtrahiert werden, um ein Differenzsignal zu entwickeln, welches in einen Regelkreis 13 eingegeben wird. Dieser steuert einen digital gesteuerten Oszillator 14, um den wiedergewonnenen Master-Takt zu erzeugen, welcher den lokalen Takt für den Slave-Knoten zur Verfügung stellt. Der Regelkreis 13 verringert die Differenz 6c (G_M – G_S) zwischen dem gemessenen Master-Zeitgitter 9a und dem gemessenen Slave-Zeitgitter 9b auf Null.
4 und 5 bilden zwei Beispiele einer möglichen Implementierung der beschriebenen Erfindung. Das Beispiel der 5 kann auf Hardware abgebildet werden. Das Beispiel der 4 erfordert eine Division, für die die Ausführung auf einem programmierbaren Prozessor besser geeignet ist.
6 ist ein Blockschaubild, das eine Vorrichtung zum Bestimmen einer groben Abschätzung des Zeitgranularitätsgitters, das in einem gegebenen Satz verrauschter Serien von Zeitstempeln vorliegt, zeigt. Die einlaufenden Zeitstempel werden durch einen Multiplexer 15 geleitet, und die Differenz zwischen der Übergangszeit eines gegenwärtigen Paketes und eines verzögerten Paketes wird in einem Subtrahierer 6d gefunden. Die Pakete, die unter einen Schwellenwert fallen, werden von einer Einheit 16 entfernt, und dann werden die verbleibenden Pakete in einer Einheit 17 sortiert.
Das Zeitgranularitätsgitter kann auch beim Vorliegen von Synchronisationsstörungseffekten und verrauschten Zeitstempelproben durch einen iterativen Prozeß auf einem Datensatz gewonnen werden, der mit einer nach Wert sortierten Anzahl von Zeitstempelabfragewerten (t_n) beginnt und arbeitet, indem die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) Aktualisieren des Datensatzes durch Differenzieren der Abfragewerte in dem Datensatz;
b) Entfernen aller Abfragewerte unterhalb eines gegebenen Schwellenwertes. Wenn nur ein Abfragewert verbleibt, dann ist dieser die Abschätzung für das Zeitgranularitätsgitter, und die Iterationen sind abgeschlossen.
c) Sortieren des gegebenen Satzes der Abfragewerte nach Wert.
d) Hinzufügen eines Null-Abfragewertes zu dem Satz der Proben und Sortierthalten des Satzes.
e) Weiter Wiederholen der Iteration mit dem Schritt a).

Der Schwellenwert ist ein Optimierungsfaktor und sollte kleiner sein als der minimal erwartete Wert der Granularität und größer als die erwartete Menge an Messungsrauschen. Die Schritte b) und c) können ausgetauscht werden, jedoch ist dies weniger effizient.
Eine genaue Abschätzung des Zeitgranularitätsgitters kann erhalten werden, indem eine anfängliche Abschätzung für 'G' verwendet wird, wobei ein iterativer Prozeß auf einem Datensatz ausgeführt wird, der mit einer nach Wert sortierten Anzahl von Zeitstempel-Abfragewerten (t_n) beginnt und arbeitet mit:

a) Aktualisieren des Datensatzes durch Differenzieren der Abfragewerte in dem Datensatz;
b) Entfernen aller Abfragewerte unterhalb eines gegebenen Schwellenwertes, bis nur ein Abfragewert verbleibt;
c) Sortieren der Abfragewerte nach Wert;
d) Hinzufügen eines Null-Abfragewertes zu dem Satz der Abfragewerte, wobei der Satz sortiert gehalten wird;
e) weiter Wiederholen der Iteration mit Schritt a). Der Wert für 'G' kann dann weiter verfeinert werden, indem 'A' bei gegebenen Zeitstempel-Serien 't_n' in der komplexen exponentiellen Gleichung maximiert wird, die gegeben ist durch:

Ein schnelles Verfahren, den Wert von G zu verfeinern, ist es, zwei Ergebnisse A₁ und A₂ aus der obigen Gleichung für zwei nahe beieinander liegende Werte G₁ und G₂ und unter der Voraussetzung, daß G₁ < G < G₂ ist, zu berechnen.
Der verfeinerte Wert für G wird dann aus der Gleichung erhalten, die gegeben ist durch:
Ein vereinfachtes Verfahren zum Berechnen der Summe des komplexen exponentiellen Ausdrucks oben ist es, ganzzahligwertige Zeitstempel, eine Division und eine Nachschlagetabelle 20, die eine abgetastete und skalierte Version eines komplexen Einheitskreises des exponentiellen Ausdruckes enthält (7), zu verwenden. Für jeden Zeitstempel wird ein Zahlenpaar Re, Im aus einer Nachschlagetabelle 20 gelesen, die 16 dieser Zahlenpaare enthält. Die Tabelle wird mit dem 4 Bit langen ganzzahligen Teilungsrest aus der Division des Zeitstempels multipliziert mit 16 und dividiert durch den Wert von G adressiert. Die Anzahl der Zahlen Re wird addiert und dann quadriert; die Anzahl der Zahlen Im wird addiert und dann quadriert; schließlich werden beide quadrierten Ergebnisse addiert, um die quadrierte Amplitude (A²) aller summierten Re, Im-Vektoren zu erhalten.
Als andere Möglichkeit kann irgendeine alternative Nachschlagetabelle verwendet werden, die irgendeine kleinere oder größere Anzahl Einträge in die Tabelle aufnimmt oder die andere Auflösungen der Abfragewerte Re, Im verwendet.
Das RG-Verfahren, welches die obige Gleichung verwendet, verliert an Empfindlichkeit, wenn die Abweichung der Taktfrequenz über das Meßintervall eine Zeitabweichung hervorruft, die nahe bei oder größer ist als das Zeitgranularitätsgitter. Das iterative Verfahren ist weniger empfindlich auf Taktabweichungen, jedoch empfindlicher auf Rauschen, was dann zu geringerer Präzision führt. Je mehr Iterationen erforderlich sind, um das Ergebnis zu liefern, desto größer ist die Empfindlichkeit auf Rauschen.
8 zeigt das Ergebnis aus echten Ankunftszeitmessungen, die von Paketen erhalten wurden, welche sich durch eine in der Zeit granulare Schaltkomponente bewegen. Die Ankunftszeiten wurden durch einen Modulus-Operator gegeben. Diese Zahlen können nur erzeugt werden, wenn eine sehr genaue Abschätzung des Granularitätsgitters verwendet wird. Selbst eine geringe Abweichung von der Abschätzung wird zu einem dicken Band aus Meßpunkten führen, die sich über den gesamten Bereich des angewendeten Moduls verstreuen. Die Krümmungen in der Kurve sind eine Ursache der Frequenzabweichung des Systemtaktes der Paketschaltkomponente.
Es ist zu sehen, daß die Erfindung das Wiederherstellen einer Taktfrequenz an einem Zielknoten (Slave) erlaubt, die eine präzise Kopie eines Taktes an einem Quellknoten (Master) ist, indem Pakete über ein Paketnetzwerk verschickt werden. Ein Quellknoten schickt Pakete zu Zielknoten, die Zielknoten schicken Pakete an den Quellknoten. Das Paketnetzwerk kann irgendein Typ sein, z. B. Ethernet, ATM oder synchrone Netzwerke. Diese Erfindung findet Anwendung in einem Netzwerk, welches eine Netzwerk-Schalt/Routing-Komponente enthält, die Pakete mit diskreten Vielfachen eines zugrundeliegenden Zeitgitters verschickt. Diese Erfindung findet auch Anwendung bei einem synchronen Netzwerk, in dem eine Anzahl dieser Schalt/Routing-Komponenten Daten mit gemeinsamen diskreten Vielfachen eines zugrundeliegenden Zeitgitters verschicken, z. B. SDH-Netzwerke.
Alle Dokumente sind hierin durch Bezugnahme aufgenommen.

Claims

Verfahren zum Wiedergewinnen von Taktungsinformation zwischen Master- und Slave-Knoten (1, 2) mit jeweiligen Master- und Slave-Takten, die über ein Paketnetzwerk (3) miteinander verbunden sind, welches ein zugrundeliegendes Zeitgitter mit einer bestimmten Granularität hat, das aufweist: Austauschen einer Anzahl von Taktungspaketen zwischen den Master- und Slave-Knoten (1, 2) oder Verschicken von Taktungspaketen von einer Netzwerkkomponente (4) zu den Master- und Slave-Knoten (1, 2); basierend auf den Ankunftszeiten der Pakete, Messen eines Granularitätsgitters (G_M) des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Master-Takt und Messen eines Granularitätsgitters (G_S) des zugrundeliegenden Zeitgitters relativ zu dem Slave-Takt, wobei die Zeitgitter (G_M, G_S) relativ zu dem Master- und dem Slave-Takt gemessen werden, indem die Anzahl der Taktungspakete überprüft wird, die an dem jeweiligen Master- und Slave-Knoten (1, 2) empfangen werden, um einen Nennerwert zu finden, der einen gemeinsamen Rest für die Anzahl der empfangenen Pakete liefert; und Wiedergewinnen des Master-Taktes an dem Slave-Knoten (2) durch Vergleichen der gemessenen Master-Granularität (G_M) mit der gemessenen Slave-Granularität (G_S), um einen Versatz zwischen den Master- und Slave-Takten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Versatz verwendet wird, um die Frequenz des Slave-Taktes so einzustellen, daß sie an den Master-Takt angepaßt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Differenz zwischen den Zeitgittern (G_M, G_S), gemessen relativ zu dem Master- und dem Slave-Takt, verwendet wird, um die Frequenz des Slave-Taktes zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Frequenzversatz verwendet wird, um einen Frequenz-Synthesizer (11) zu steuern, der den Slave-Takt erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Quotient aus dem gemessenen Granularitätsgitter G_M des Master-Taktes und dem gemessenen Granularitätsgitter (G_S) des Slave-Taktes verwendet wird, um den Frequenz-Synthesizer (11) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Slave-Knoten (2) die Anzahl der Taktungspakete an den Master-Knoten (1) schickt und der Master-Knoten (1) die Ankunftszeit des Paketes relativ zu dem Master-Takt zurück zu dem ursprünglichen Slave-Knoten (2) schickt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Taktungspakete zu feinkörnigen zufälligen Zeiten verschickt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Frequenz des Slave-Taktes aus der Gleichung F_S = F_M·G_M/G_S berechnet wird, wobei S: Slave, M: Master, G: Granularitätsgitter in Sekunden, F in Hertz.
Verfahren nach Anspruch 1, geeignet für den Einsatz beim Vorliegen von Synchronisationsstörungseffekten und verrauschten Zeitstempel-Probenwerten, das das Durchführen eines iterativen Prozesses auf einem Datensatz, der mit einer nach Wert sortierten Anzahl von Zeitstempel-Probenwerten (t_n) beginnt und arbeitet mit: a) Aktualisieren des Datensatzes durch Differenzieren der Probenwerte in dem Datensatz; b) Entfernen aller Probenwerte unterhalb eines gegebenen Schwellenwertes, bis eine Probe verbleibt; c) Sortieren der Probenwerte nach Wert; d) Addieren eines Null(0000)-Probenwertes zu dem Satz der Probenwerte, wobei der Satz sortiert gehalten wird; e) weiter Wiederholen der Iteration mit a) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zeitgranularitätsgitter für jeden Knoten erhalten wird, indem eine anfängliche Abschätzung für das Zeitgitter G verwendet wird, wobei das Verfahren nach Anspruch 10 eingesetzt wird, und weiter Verfeinern von G durch Maximieren von A gegebenen Zeitstempel-Anzahlen 't_n' in der komplexen exponentiellen Gleichung, die gegeben ist durch:
Verfahren nach Anspruch 10, das das Auffinden von zwei Ergebnissen A₁ und A₂ für A für zwei nahe beieinander liegende Wert G₁ und G₂ aufweist, vorausgesetzt daß G₁ < G < G₂ und Erhalten des verfeinerten Wertes für G aus der Gleichung:
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Summe des komplexen exponentiellen Ausdruckes in der Gleichung
berechnet wird, indem ganzzahlige Zeitstempel, eine Division und eine Nachschlagetabelle (20), die eine abgetastete und skalierte Version eines komplexen Einheitskreises des exponentiellen Ausdrucks verwendet werden, berechnet wird.
Anordnung zum Wiedergewinnen von Taktungsinformation zwischen Master- und Slave-Knoten (1, 2) mit jeweiligen Master- und Slave-Takten, die über ein Paketnetzwerk (3) mit einem zugrundeliegenden Zeitgitter mit einer bestimmten Granularität verbunden sind, mit: einer Einrichtung (9a) zum Messen eines Granularitätsgitters (G_M) des zugrundeliegenden Taktes relativ zu dem Master-Takt und einer Einrichtung (9b) zum Messen eines Granularitätsgitters (G_S) des zugrundeliegenden Taktes relativ zu dem Slave-Takt, wobei die Einrichtung (9a, 9b) zum Messen des Zeitgitters einen Rechner (7) für den größten gemeinsamen Teiler (GCD) aufweist, um den größten gemeinsamen Teiler der Anzahl der Taktungspakete zu bestimmen, der einen gemeinsamen Rest liefert, und wobei das Messen auf Ankunftszeiten der Pakete basiert; einer Einrichtung (6c, 10c) zum Messen eines Versatzes des Zeitgitters relativ zu dem Master- und Slave-Takt; und einer Einrichtung (11, 14) zum Erzeugen eines Taktes an dem Slave-Knoten (2), der mit dem Master-Takt übereinstimmt, wobei der gemessene Versatz verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 13, bei der der Slave-Knoten (2) einen digital gesteuerten Oszillator (14) aufweist, der durch die Einrichtung zum Messen eines Versatzes des Zeitgitters gesteuert wird.
Anordnung nach Anspruch 14, weiter mit einer Differenzschaltung (13) zum Erzeugen eines Differenzsignals, welches den digital gesteuerten Oszillator (14) steuert, wobei die Differenzschaltung (13) Eingaben (10a, 10b) jeweils von der Einrichtung (6c) zum Messen eines Versatzes des Zeitgitters relativ zu dem Master-Takt erhält und die Einrichtung einen Versatz des Zeitgitters relativ zu dem Master-Takt mißt.
Anordnung nach Anspruch 13, weiter mit einem Frequenz-Synthesizer (11) zum Erzeugen eines wieder hergestellten Taktes aus dem Slave-Takt und dem Verhältnis der Zeitgitter, gemessen relativ zu dem Master- und dem Slave-Takt.
Anordnung nach Anspruch 13, bei der die Einrichtung (9a, 9b) zum Messen des Zeitgitters eine erste und eine zweite Verzögerungseinheit (5a, 5b) in Reihe zum Empfangen einlaufender Pakete, ein erstes Element (6a) zum Auffinden der Differenz zwischen einer Eingabe der ersten Verzögerungseinheit (5a) und einer Ausgabe der zweiten Verzögerungseinheit (5b) und Ausgeben des Ergebnisses an einen ersten Eingang des Rechners (7) für den größten gemeinsamen Teiler und ein zweites Element (6b) zum Auffindender Differenz zwischen einer Eingabe in die zweite Verzögerungseinheit (5b) und der Ausgabe der zweiten Verzögerungseinheit (5b) und Ausgeben des Ergebnisses an einen zweiten Eingang des Rechners (7) für den größten gemeinsamen Teiler aufweist.
Anordnung nach Anspruch 13, bei dem die Einrichtung (9a, 9b) zum Messen des Zeitgitters eine Nachschlagetabelle (20) zum Erzeugen von Real- und Imaginärteil einer komplexen Zahl A für jeden Zeitstempel aufweist, wobei