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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur einfachen Driftkompensation lokaler Zeitmesser und eine Vorrichtung, die einen Prozessor definiert, der das Verfahren abbildet.
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Das Verfahren ermöglicht ein einfaches und damit schnelles Verfahren zur Driftkompensation und damit genauer Synchronisation lokaler Zeitmesser, bei dem jeweils zwei Zeitdifferenzen in ein Verhältnis gesetzt werden, um jeweils einen Zeitdrift zur Synchronisation bereitzustellen. Weiter kann das Verfahren einfach variiert werden und auch einfache statistische Verfahren implementieren.
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Als Vorrichtung ist ein eigenständiges Prozessormodul mit mindestens drei Bausteinen definierbar.
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Der Stand der Technik, wie z.B. die
US 8,959,381 B2 ,
EP 1 976 164 A2 oder die
US 8,102,787 B2 zeigen einfache Synchronisationsverfahren, die zu einer nicht nachhaltigen Zeitsynchronisation führen. Dies bedeutet, dass nach der Zeitsynchronisation Sender und Empfänger stark auseinanderlaufen.
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Um den Zeitpunkt einer Neu-Synchronisation zwischen Sender und Empfänger zu strecken, muss eine Nachführung dieser Abweichung und Kompensation-Abweichungsrate der lokalen Uhr zur Referenzuhr durchgeführt werden (Clock-Drift-Kompensation). Hierzu führen wenige Synchronisationsverfahren mehrere Messungen durch, um mittels Mehrfachnachrichtenaustausch statische Modelle anwenden zu können. Dies erhöht den Aufwand, der für eine nachhaltige Synchronisation benötigt wird, und setzt voraus, dass die statistischen Modelle auch im aktuellen Fall anwendbar sind.
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Es ist bekannt, dass die statistische Annahme einer Gaußverteilung der Abweichungsrate nur im begrenzten Maße einzuhalten ist und damit statistische Modelle nicht ausreichend für eine genaue Synchronisationsmethode sind, wie durch die Publikationen [1] Leugner, Swen, Mathias Pelka, and Horst Hellbrück. „Comparison of wired and wireless synchronization with clock drift compensation suited for U-TDoA localization.“ Positioning, Navigation and Communications (WPNC), 2016 13th Workshop on. IEEE, 2016 und [2] TriClock - Clock Synchronization compensating Drift, Offset and Propagation Delay (Swen Leugner, Manfred Constapel, Horst Hellbrück), In IEEE International Conference on Communications, 2018 gezeigt.
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Bei allen derzeit bekannten Verfahren wird nur mit statistischen Modellen gearbeitet, die einen Overhead in dem Synchronisationsverfahren erzeugen. Dabei werden jedoch nicht die drei erforderlichen Hauptkriterien
- - Kompensation der Uhren-Abweichung (Clock-Offset)
- - Kompensation der Uhren-Abweichrate (Clock-Drift-Rate)
- - Kompensation der Signallaufzeit der Synchronisation (Signal Time-Of-Flight; Propagation Delay)
für ein erfolgreiches, nachhaltiges Synchronisationsverfahren eingehalten.
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Mit dem erfinderischen Verfahren werden die Mängel des Standes der Technik beseitigt, indem der Synchronisationsaufwand soweit vereinfacht wird, dass die bereits übermittelte Nachricht beziehungsweise Teile dieser Nachricht zur Synchronisation des lokalen Zeitmessers genutzt wird/werden. Die Korrektur des lokalen Zeitmessers erfolgt dabei kontinuierlich anhand der Uhren-Abweichungsrate. Die Synchronisation erfolgt daher quasi in Echtzeit mit der Übermittlung der Nachricht. Hiervon ist insbesondere die Berechnung der Uhren-Abweichrate betroffen.
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Die Kriterien-Kompensation der Uhren-Abweichung (Clock-Offset) und Kompensation der Uhren-Abweichrate (Clock-Drift-Rate) werden mittels nur eines Nachrichtenaustausches erhalten.
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Die Kompensation der Signallaufzeit der Synchronisation (Signal Time-Of-Flight; Propagation Delay) benötigt nur eine weitere Nachricht und kann, sofern der Empfänger ortsfest bleibt, nach einmaliger Bestimmung der Signallaufzeit auf eine Nachricht reduziert werden.
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Eine Kombination mit statistischen Methoden ist ergänzend möglich.
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Die erfinderische Vorrichtung betrifft einen TCM (TriClockMethode)-Modul (300). Das TCM (TriClockMethode)-Modul (300) weist neben einem TCM (TriClockMethode)-Prozessor (301), mindestens einem Zählwerkbaustein (302), der ein Signal von einem lokalen Oszillator (303) erhält, und mindestens einem Bitübertragungsmodul (304) einen Zeitstempelgenerator (305) triggert. Das mindestens eine Bitübertragungsmodul (304) und der eine Zeitstempelgenerator (305) sind über einen Präamble-/Nachrichtenlängendetektor (306) mit dem TCM (TriClockMethode)-Prozessor (301) verbunden. Weiter ist das Bitübertragungsmodul (304) über einen Zeitstempelextraktor (307) und der mindestens eine Zählwerkbaustein (302) mit dem TCM (TriClockMethode)-Prozessor (301) verbunden. Der TCM (TriClockMethode)-Prozessor (301) stellt als Ausgangsignale die synchronisierte Zeit und die Abweichungsrate εc3 als Parameter bereit.
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Es ist eine erste Aufgabe ein einfaches und schnelles Verfahren zur Driftkompensation bereit zu stellen, um damit eine genaue Synchronisation lokaler Zeitmesser sicher zu stellen.
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Eine weitere Aufgabe besteht in der optionalen Aufnahme statistischer Methoden/Verfahren in das erfinderische Verfahren.
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Eine weitere Aufgabe ist es einen einfachen Hardwarebaustein bereit zu stellen, der das Verfahren technisch abbildet.
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Diese Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß Hauptanspruch 1 sowie dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Driftkompensation zur genauen Synchronisation lokaler Zeitmesser zwischen einem Server und Clients weist die Schritte auf:
- - Festlegen eines ersten Zeitstempels (1);
- - Anhängen des ersten Zeitstempels (1) an eine Nachricht als Broadcast, bestehend aus Präambel und Nachricht aus Symbolen als Bitübertragungsschicht in einen Server / Sendespeicher;
- - Versenden der Nachricht vom Server / Sendespeicher zum Zeitpunkt t0 (2) an die jeweiligen Clients;
- - Vollständiges Verlassen der Präambel der Bitübertragungsschicht aus einer Antenne zum Zeitpunkt tPs (3);
- - Verlassen eines letzten Symbols der Bitübertragungsschicht der Nachricht aus einer Antenne zum Zeitpunkt t4 (4);
- - Eingang der Präambel (6) der Bitübertragungsschicht bei einem jeweiligen Client nach einer relativen jeweiligen Signallaufzeit delta t5 (5);
- - Anhängen eines zweiten Zeitstempels zum Zeitpunkt des Eingangs t6 (6) der Präambel beim jeweiligen Client an die Präambel;
- - Anhängen eines dritten Zeitstempels zum Zeitpunkt des vollständigen Eingangs tPr (7) der Präambel beim jeweiligen Client an die Präambel;
- - Anhängen eines vierten Zeitstempels zum Zeitpunkt des Eingangs t1 (8) des letzten Symbols der Bitübertragungsschicht der Nachricht an die Präambel;
- - Ablegen der Nachricht mit den Sendezeitstempeln (21) in einem Sendespeicher (20) beim jeweiligen Client und Anfügen der Sendezeitstempel an die Nachricht;
- - Bestimmung einer Abweichungsrate εc3 über die Formel:
- - Festlegen eines ersten Sendezeitstempels (20) beim jeweiligen Client;
- - Versenden der Nachricht vom jeweiligen Client zum Zeitpunkt des ersten Sendezeitstempels t21 (21) an den Server;
- - Eingang der jeweiligen Nachricht beim Server nach einer relativen jeweiligen Signallaufzeit delta t31 (31);
- - Anhängen eines fünften Zeitstempels zum Zeitpunkt des Eingangs t22 (22) der jeweiligen Nachricht an die Nachricht;
- - Festlegen eines zweiten Sendezeitstempels (23) beim Server;
- - Versenden der Nachricht vom Server zum Zeitpunkt t24 (24) des zweiten Sendezeitstempels (24) an den jeweiligen Client;
- - Eingang der jeweiligen Nachricht beim jeweiligen Client nach einer relativen jeweiligen Signallaufzeit delta t33 (33);
- - Anhängen eines sechsten Zeitstempels zum Zeitpunkt des Eingangs t25 (25) der jeweiligen Nachricht an die Nachricht;
- - Bestimmung der Differenz Δts (32) aus dem Versenden der Nachricht vom Server zum Zeitpunkt t24 (24) und dem Anhängen eines fünften Zeitstempels zum Zeitpunkt des Eingangs t22 (22) beim Server;
- - Bestimmung der Differenz Δtc (30) aus dem Versenden der Nachricht vom jeweiligen Client zum Zeitpunkt des ersten Sendezeitstempels t21 (21) an den Server und dem Eingang der jeweiligen Nachricht beim jeweiligen Client zum Zeitpunkt des Eingangs t25 (25) nach einer relativen jeweiligen Signallaufzeit delta t33 (33);
- - Bestimmung der Signallaufzeit tof der Nachricht über die Formel:
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren.
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Es zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm der Server - Client Kommunikation;
- 2 ein Beispiel eines Schaltbildes für einen TCM (TriClockMethode)-Prozessor;
- 3 ein Beispiel eines Schaltbildes für einen TCM (TriClockMethode)-Modul mit TCM (TriClockMethode)-Prozessors und weiteren Bauteilen
- 4 ein Ablaufdiagramm der Server - Client Kommunikation bei der Kompensation.
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1 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zwischen Server und Client zur Bestimmung der Abweichrate
Bezeichnung aus | Bezeichnung εCS Patentanmeldung (korrigiert) |
(2) | t0 |
(3) | tPs |
(6) | t6 |
(7) | tPr |
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Der Server ist als Netzwerkzeitinstanz definiert. Die gestrichelte Linie zwischen (1), (2), (3), (4) zeigt diskrete Zeitpunkte auf einer Zeitachse an, die bei (1) beginnt. Zum Zeitpunkt (1) wird ein eine Nachricht am Server vorbereitet, um zum Zeitpunkt (2) an die Clients versendet zu werden. Der Server sendet zum Zeitpunkt (2) eine Nachricht als Broadcast an die Clients aus. Die Nachricht enthält einen Sendezeitstempel der Äquivalent zum Zeitpunkt (2) und zum Beginn der Nachrichten-Präambel ist. Die Nachricht wird nach Zeit (5) beim Client zum Zeitpunkt (6) empfangen. Zum Zeitpunkt (6) wird die Nachricht beim Client mit einem Zeitstempel versehen. Die gestrichelte Linie im Client über (6), (7), (8), (9) zeigt diskrete Zeitpunkte auf einer Zeitachse an, die in Relation zur Zeitachse des Servers steht. Die versendete Broadcastnachricht, bestehend aus Präambel und Nachricht als Bitübertragungsschicht, enthält den Sendezeitstempel, welcher zum Zeitpunkt (1) festgelegt, zur Nachricht ergänzend angehängt und in den Sendespeicher übertragen wurde. Zum Zeitpunkt (3) verlässt das Ende der Präambel den Server, die Länge der Präambel und Symbolrate ist konstant.
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Zum Zeitpunkt (3) verließ die Präambel der Bitübertragungsschicht die Antenne und zum Zeitpunkt (4) verließ das letzte Symbol der Bitübertragungsschicht die Antenne. Zum Zeitpunkt (4) verlässt das letzte Nachrichtensymbol den Server.
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Nach der relativen Signallaufzeit Server/Client (5) empfängt der Client die Präambel (6). Der Zeitpunkt (6) wird vom Client mit einem Zeitstempel versehen und ist der Empfangsbeginn der Nachricht. In Abhängigkeit der Übertragungsrate vergeht eine gewisse Zeit bis die Präambel empfangen wurde.
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Zeitpunkt (7) markiert das Empfangsende der Präambel auf Clientseite, welcher beim Empfang vom Client ebenfalls mit einem Zeitstempel versehen wird. Der Zeitstempel markiert exakt den Zeitpunkt des Endes der Präambel. Das Ende der Präambel wird beim Client zum Zeitpunkt (7) empfangen und mit einem Zeitstempel versehen. Zeitpunkt (7) wird der Empfangsnachricht des Clients angehängt.
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Zum Zeitpunkt (8) wird das letzte Nachrichtensymbol beim Client empfangen. Die Nachricht ist zum Zeitpunkt (8) komplett empfangen. Der Zeitpunkt (8) wird mit einem Zeitstempel versehen, welche das Empfangsende exakt markiert. Aufgrund der konstanten Symbolrate und Länge der Präambel lässt sich mit bekannten Mitteln der Lehre die Übertragungsdauer der Präambel, serverseitig, ermitteln. Mit Kenntnis des Clients über den Zeitpunkt (2) ist damit Zeitpunkt (3) über einfache Addition ermittelbar. Es wird daher keine Follow-Up-Nachricht benötigt.
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Die Client-Synchronisation mit dem Server erfolgt zum Zeitpunkt (9) über den in 2 als Schaltbild beschrieben TCM (TriClockMethode)-Prozessor mit dem erfinderischen Verfahren. Aufgrund der bekannten Beziehung aus (3) und (2) ist die Bestimmung der Uhren-Abweichrate zwischen Server-Client möglich, da die Präambellänge über die Datenrate eine konstante Übertragungszeit ergibt. Da der Server mit der eigenen lokalen Uhr die Verarbeitung und Erzeugung durchführt, wird das eindeutige Zeitverständnis als Bestimmungsbasis der Nachricht mitgegeben.
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Die Abweichungsrate ε
cs wird über
bestimmt.
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Das mit dem TCM-Prozessor abgebildete Verfahren (vgl. 2) wird zum Zeitpunkt (9) vom Client benötigt und dient dem Verfahren im TCM-Prozessor als Eingangsgröße.
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Von (9) als Eingangsgröße ausgehend, wird nun zunächst über Subtraktion von (6) die Uhren-Abweichung kompensiert. Damit liegt zwischen Server und Client ein ähnliches Zeitverständnis vor (200). Da Server und Client für die folgenden Prozesse und bis zur nächsten Neu-Synchronisationsphase aufgrund ihrer Uhren-Abweichrate auseinanderdriften, wird die Uhren-Abweichrate für eine nachhaltige Synchronisation verwendet.
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Die Uhren-Abweichrate wird über die Differenzbildung aus (7) und (6) erreicht, welche in das Verhältnis zu (3) und (2) gesetzt wird. Damit liegt die Uhren-Abweichrate fest. Im Anschluss wird die Uhren-Abweichrate dazu verwendet, das Zeitintervall zwischen (9) und (6) zu kompensieren (210). Der Zeitpunkt (9) ist dabei streckbar bis zum Zeitpunkt an dem der Client eine (6) vom Server erhält. Um nun die Zeitbasis des Servers zu übernehmen, wird (2) auf (210) aufaddiert. Das Resultat ist eine Serverzeit ohne Berücksichtigung der Signalausbreitung (220).
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Liegt das Ergebnis einer Signalausbreitungsmessung vor, wird diese zu (220) hinzugefügt. Liegt keine Messung des Signallaufzeitversatzes vor, wird der Wert 0 addiert und die Synchronisation ist bei (10) abgeschlossen. Mittels Statistik lässt sich das Verfahren einfach erweitern, zum Beispiel indem Ausreißer geglättet und Signale gefiltert werden. Als Eingangsgröße für die statistische Auswertung dient dabei der jeweilige Wert der Uhren-Abweichungsrate (100).
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Im TCM-Modul (300) des Clients nach 3 wird ein Bitübertragungsmodul (304) eingesetzt, welches den Symbolstrom in einen Bitstrom umwandelt. Wird eine Nachricht beim Client erhalten, wird über Präambel-/Nachrichtenlängen Detektor (306) mittels Zeitstempelgenerator (305) die Nachricht mit einem Zeitstempel versehen. Der Präambel-/Nachrichtenlängen Detektor (306) liefert zudem das Ergebnis, ob die Präambel/Nachricht nun zu Ende ist und übergibt in diesem Fall dem TCM-Prozessor (301) ebenfalls einen Zeitstempel. Der Zeitstempelgenerator (305) wird von einem hochauflösenden Zählwerkbaustein (302) gespeist, welcher als Grundzeitverständnis für den TCM-Prozessor (301) dient. Der hochauflösende Zählwerkbaustein (302) wird dabei von einem lokalen Oszillator (303) angetrieben.
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Der Bitstrom enthält den Sendezeitstempel des Servers, dieser wird über den Zeitstempel Extraktor (307) aus dem Bitstrom entnommen und dem TCM-Prozessor (301) zugeführt. Der TCM-Prozessor (301) arbeitet nach 2 und lieferte eine auf den Server synchronisierte Zeit. Mittels Zwei-Wege-Distanzmessung wird die Signallaufzeit kompensiert.
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4 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm der Server Client Kommunikation bei der Kompensation.
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Zum Zeitpunkt (20) wird eine Nachricht des Clients vorbereitet, um zum Zeitpunkt (21) an den Server versendet zu werden. Die Nachricht enthält einen Sendezeitstempel der äquivalent zum Zeitpunkt (21) und zum Beginn der Nachrichten-Präambel ist. Die Nachricht wird nach dem Zeitintervall (31) beim Server zum Zeitpunkt (22) empfangen. Zum Zeitpunkt (22) wird die Nachricht beim Server mit einem Zeitstempel versehen. Zum Zeitpunkt (23) legt der Server eine Antwortnachricht an den Client fest, die Antwortnachricht enthält den Zeitpunkt (24). Zum Zeitpunkt (24) sendet der Server den Beginn der Präambel. Nach dem Zeitintervall (33) und zum Zeitpunkt (25) wird der Beginn der Präambel beim Client empfangen. Zum Zeitpunkt (25) wird die Nachricht beim Client mit einem Zeitstempel versehen.
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Zum Zeitpunkt (26) verlässt das Ende der Präambel den Server, die Länge der Präambel und Symbolrate ist konstant. Das Ende der Präambel erreicht den Client zum Zeitpunkt (27) und wird mit einem Zeitstempel versehen. Zeitpunkt (27) wird der Antwortnachricht vom Client angehängt.
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Aufgrund der konstanten Symbolrate und Länge der Präambel lässt sich mit bekannten Mitteln der Lehre die Übertragungsdauer der Präambel, serverseitig, ermitteln. Mit Kenntnis des Clients über den Zeitpunkt (24) ist damit Zeitpunkt (26) über einfache Addition ermittelbar. Es wird daher keine Follow-Up-Nachricht benötigt.
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Zum Zeitpunkt (28) verlässt das letzte Nachrichtensymbol den Server. Zum Zeitpunkt (29) wird das letzte Nachrichtensymbol beim Client empfangen.
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Aus der Differenz Δt
S des Servers (
32) und der Differenz Δt
C des Clients (
30) wird nun die Signallaufzeit t
of der Nachricht über die Formel
bestimmt.
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Die Abweichungsrate εcs wird über die TCM und Anhand der Antwortnachricht des Servers bestimmt.
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Mathematisch wird die Abweichrate ε
cs über
bestimmt.
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Definiert wird Δtc = (25) - (21) = (30)
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Definiert wird Δts = (24) - (22) = (32)
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Die Signallaufzeit t
of wird dann über
bestimmt.
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Getroffen wird die Annahme, dass (31) - (33) ist d.h. die Signallaufzeiten zum Server beziehungsweise zurück zum Client ungefähr gleich sind.
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Zeitpunkte
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- (1)
- Zeitpunkt indem die Nachricht präpariert, und in den Sendespeicher des Prozessors geschrieben wird. Die Nachricht enthält den Sendezeitstempel.
- (2)
- Zeitpunkt an dem die Nachricht die Antenne verlässt. Der Zeitpunkt entspricht dem Sendezeitstempel. Der Zeitpunkt stellt auch den Beginn der Präambel der Bitübertragungsschicht dar
- (3)
- Ende der Präambel der Bitübertragungsschicht
- (4)
- Ende der Bitübertragung
- (5)
- Signallaufzeit
- (6)
- Zeitpunkt an dem (2) beim Client empfangen wird
- (7)
- Zeitpunkt an dem (3) beim Client empfangen wird
- (8)
- Zeitpunkt an dem (4) beim Client empfangen wird
- (9)
- Zeitpunkt beim Client an dem die Serverseitige Zeit (synchronisiert) benötigt wird
- (10)
- Zeitpunkt beim Client unter Anwendung von TCM auf Serverzeit transformiert
- (20)
- Zeitpunkt indem die Nachricht präpariert, und in den Sendespeicher des Prozessors geschrieben wird. Die Nachricht enthält den Sendezeitstempel
- (21)
- Zeitpunkt an dem die Nachricht die Antenne verlässt. Der Zeitpunkt entspricht dem Sendezeitstempel. Der Zeitpunkt stellt auch den Beginn der Präambel der Bitübertragungsschicht dar
- (22)
- Signalausbreitungszeit der Anforderungsnachricht
- (23)
- Zeitpunkt an dem (2) beim Server empfangen wird
- (24)
- Zeitpunkt indem die Nachricht präpariert, und in den Sendespeicher des Prozessors geschrieben wird. Die Nachricht enthält (26)
- (25)
- Zeitpunkt an dem die Nachricht die Antenne verlässt. Der Zeitpunkt entspricht dem Sendezeitstempel. Der Zeitpunkt stellt auch den Beginn der Präambel der Bitübertragungsschicht dar.
- (26)
- Differenz aus Sende- und Empfangszeitstempel der bis die Antwortnachricht den Server verlässt (Prozessverzögerung)
- (27)
- Signalausbreitungszeit der Antwortnachricht
- (28)
- Zeitpunkt an dem (2) beim Client empfangen wird
- (29)
- Differenz aus Sende- und Empfangszeitstempel der bis die Antwortnachricht des Servers gegeben wird (Prozessverzögerung)
- (30)
- Zeitintervall
- (31)
- Zeitintervall
- (32)
- Zeitintervall
- (33)
- Zeitintervall
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Uhren-Abweichungsrate
- 110
- Simultaner Reset der Uhr
- 120
- Signalausbreitungskompensation ermittelt über Zwei-Wege-Nachricht
- 200
- Kompensation Uhren-Abweichung
- 210
- Kompensation Uhren-Abweichung + Kompensation Uhren-Abweichrate
- 220
- Synchronisation zur Serverzeit (2)
- 230
- Synchronisation zur Serverzeit (2) + (5) = Finale Synchronisation auf Serverzeit
- 300
- TCM (TriClockMethode)-Modul
- 301
- TCM (TriClockMethode)-Prozessor
- 302
- Zählwerkbaustein
- 303
- Oszillator
- 304
- Bitübertragungsmodul
- 305
- Zeitstempelgenerator
- 306
- Präamble-/Nachrichtenlängendetektor
- 307
- Zeitstempel Extraktor
- 308
- Bitstrom
- 309
- Ausgabe synchronisierte Zeit
- 310
- Ausgabe Abweichungsrate εcs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8959381 B2 [0004]
- EP 1976164 A2 [0004]
- US 8102787 B2 [0004]