DE60037008T2

DE60037008T2 - Verfahren und vorrichtung zur synchronisierung

Info

Publication number: DE60037008T2
Application number: DE60037008T
Authority: DE
Inventors: Stefano Ruffini
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: EP1145477A1; CA2360591C; SE513899C2; WO2000042728A1; CA2360591A1; SE9900053D0; EP1145477B1; AU2140700A; US6532274B1; SE9900053L; DE60037008D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für das Synchronisieren von zumindest einem lokalen Oszillator mit einer zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit. Der lokale Oszillator dient einem sogenannten in einem Netzwerk enthaltenen Element und die Zeit-erzeugende-Einheit ist in einer sogenannten Haupt-Einheit enthalten, welche auch in dem Netzwerk enthalten ist.
Die Frequenz des lokalen Oszillators kann durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Es ist seit langem bekannt, dass zu einem Telekommunikations-Netzwerk gehörende Knoten oder Elemente durch eine gemeinsame Referenz-Zeit synchronisiert werden müssen. Dieses ist besonders wichtig in Bezug zu Telekommunikations-Netzwerken, welche Mobiltelefone bedienen, wobei ein und dieselbe Referenz-Zeit zwischen verschiedenen Basisstationen verwendet werden muss, um einem Nutzer zu ermöglichen, sich ohne Behinderung während einer andauernden Kommunikation zwischen den durch die Basisstationen überdeckten Gebieten zu bewegen.
Es ist in letzter Zeit mehr und mehr gebräuchlich geworden, in Telekommunikations-Netzwerken Übertragungs-Medien und Transport-Techniken zu verwenden, welche obgleich neuartig betreffend Telekommunikation früher zum Beispiel für die Übertragung von Daten verwendet worden sind.
Das Problem, das angetroffen wird, wenn neue Transport-Techniken verwendet werden, ist eines des Transferierens der Synchronisation von dem Zentrum des Netzwerks zu dessen peripheren Grenzen. Das verwendete physikalische Medium und Protokoll sind nicht immer geeignet für die Transferierung von Synchronisation. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Verwendung von Internet-Protokoll(IP)-Technik zwischen Basisstationen und Basisstation-Steuerungen (BSC) in Mobil-Telekommunikations-Netzwerken.
Bekannte Lösungen für diese Probleme werden gefunden in der Verwendung von autonomen Uhren oder in Uhren, welche an ein verfügbares Navigations-System, ein solches wie das ,Global Positioning System' (GPS); starr angekoppelt sind.
Aus Kostengründen sind autonome Uhren gewöhnlich aus Quartz-Oszillatoren aufgebaut. Diese Uhren erfordern jedoch periodische manuelle Kalibrierung, um fähig zu sein, ein Zeit-Referenz-Signal innerhalb festgelegter Anforderungen zu erzeugen.
Es ist auch bekannt, dass Oszillatoren automatisch bezüglich Frequenz gesteuert/geregelt werden können, ohne manuelle Mitwirkung zu erfordern, durch automatisches Zuteilen eines Korrektur-Werts an den Oszillator in Übereinstimmung mit einer gegebenen Periodizität. Ein Beispiel von Oszillatoren, welche automatisch gesteuert/geregelt werden können, sind Spannungs-gesteuerte/geregelte Oszillatoren, bei welchen ein Spannungs-Niveau die Frequenz des Oszillators bestimmt. In dem Fall eines Oszillators dieser Art ist es möglich den Oszillator periodisch und automatisch durch Steuern/Regeln des betreffenden Spannungs-Niveaus zu kalibrieren und einzustellen. Dieses erfordert jedoch, dass ein relevanter Korrekturwert gegeben wird, das bedeutet ein Spannungs-Niveau, welches zu der Frequenz korrespondiert, auf welche der Oszillator eingestellt werden soll. Entsprechend betrifft der in dieser Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck ,die Frequenz kann durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden' einen Oszillator, welcher bezüglich der Frequenz durch Einstellen eines Signals, eines solchen wie eines Spannungs-Niveaus, auf einen bestimmten Wert ohne manuelle Mitwirkung gesteuert/geregelt werden kann.
Es ist nicht immer möglich GPS zu verwenden, weil es nicht immer möglich ist notwendige Signale zu empfangen, so wie im Fall von Untergrund-Basisstation-Installationen. Die Verwendung von GPS kann auch rein aus Kostengründen nicht praktikabel sein.
Die Probleme des Transferierens eines synchronisierenden Referenz-Signals können in zwei getrennte Gruppen aufgeteilt werden. Erstens, es kann notwendig sein, eine absolute Zeit zu kennen, also die Zeit des Tages (ToD), und zweitens kann von einem lokalen Oszillator gefordert werden, innerhalb einer gegebenen Fehler-Toleranz mit der gleichen Frequenz zu oszillieren wie eine spezifizierte Referenz-Frequenz. Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich dieses letztere Problem, in anderen Worten die Möglichkeit, den in dem Netzwerk aktiven Oszillatoren zu erlauben mit einer gemeinsamen Frequenz zu oszillieren.
Nachfolgend aufgelistet sind frühere Publikationen, welche verschiedene Lösungen für Probleme beschreiben, welche innerhalb dieses speziellen technischen Gebiets auftreten können.
Publikation EP-A1-0 838 916 lehrt ein Verfahren des Synchronisierens eines Empfangs-Knoten auf eine Bit-Rate von hereinkommenden Bits. Eine Zeitmarke wird einem an einem empfangenden Puffer ankommenden Daten-Paket zugeteilt. Wenn das Daten-Paket aus dem Puffer gelesen wird, wird die Zeit zu welcher das Daten-Paket gelesen worden war verglichen mit der Zeitmarke und die Zeitdifferenz, das ist die Zeit zwischen dem Einlesen des Daten-Pakets in den Puffer und dem Lesen des Daten-Pakets aus dem Puffer, liefert eine Messung der Anzahl von Daten-Paketen in dem Puffer.
Die Bit-Rate mit Bezug zu dem empfangenden Knoten wird in Übereinstimmung mit einer erwünschten Anzahl von Daten-Paketen in dem Puffer reguliert. Die Bit-Rate wird verringert, wenn die Anzahl von Daten-Paketen zu klein wird und wird vergrößert, wenn die Anzahl von Daten-Paketen zu groß wird. Die lokale Bit-Rate kann in dieser Weise eingestellt werden, um die gleiche zu sein wie die Bit-Rate des sendenden Knotens.
Publikation US-A-5,822,383 beschreibt ebenfalls eine Lösung für das Problem des Synchronisierens eines empfangenden Knoten mit der Bit-Rate eines sendenden Knotens.
Publikation WO 98/13969 behandelt das Tageszeit-Problem. Eine gute Zeit-Referenz ist bereits verfügbar geworden durch GPS-Signale an die Netzwerk-Knoten. Die Publikationen WO 98/13966 und SE-C2 508 460 beschreiben ebenso eine Lösung, in welcher alle System-Knoten Zugang zu einem GPS-Signal haben.
In den Proceedings: ,Twelfth Real-Time Systems Symposium', ist der Artikel „Efficient Synchronization of Clocks in a Distributed System" durch Sympath Rangarajan and Satish K. Tripathi präsentiert, welcher die Möglichkeit des Zuteilens einer gemeinsamen Frequenz an verschiedene Uhren in einem System, welche basiert auf einem Mittelwert von verschiedenen Frequenzen der System-Uhren, beschreibt, wobei die verschiedenen Uhren in dem System eine der anderen wechselseitig Zeitmarken zusendet und diese hiernach auf einen gemeinsamen Takt-Wert synchronisiert werden, berechnet in Übereinstimmung mit einem gemeinsamen statistischen Algorithmus. Die System-Uhren werden auf diese Weise auf eine statistisch berechnete gemeinsame Frequenz synchronisiert und nicht als ,Slawe'-Uhren nach einer ,Master'-Uhr.
Ein bekanntes Verfahren des Synchronisierens eines lokalen Oszillators mit einem zentralen Oszillator ist Zeitmarken zu verwenden, wobei eine erste Zeitmarke von dem lokalen Oszillator an den zentralen Oszillator gesendet wird und eine zweite Zeitmarke zurück gesendet wird. Die zurück gesendete Information schließt Information ein dazu, wann die erste Zeitmarke empfangen wurde und wann die zweite Zeitmarke gesendet wurde. Der lokale Oszillator kann mit dem zentralen Oszillator synchronisiert werden auf der Basis der Rundreiseverzögerung und auf der Basis der in der zweiten Zeitmarke enthaltenen Information.
In der ,1997 IEEE International Conference an Communications' wurde ein Artikel „On Assessing Unidirectional Latencies in Packet-Switching Networks" by Andreas Fasbender and Ingo Rulands, Seiten 490–494, präsentiert, welcher die Möglichkeit des Synchronisierens eines lokalen Oszillators mit einem zentral positionierten Oszillator auf der Basis der Rundreise-Verzögerung beschreibt.
Dieser Artikel beschreibt auch die Möglichkeit des Verwendens einer Ein-Weg-Verzögerung bei dem Sicherstellen, ob oder ob nicht der Kommunikationsweg zwischen zwei Einheiten in einem Netzwerk geeignet ist für das Übertragen der Zeit-Information, welche zuverlässig im Sinne von Synchronisation ist.
Es sollte auch erwähnt werden, dass in einem Vorschlag für einen amerikanischen Standard, bezeichnet ANSI T1.101–1994 „Draft American National Standard for Telecommunications – Synchronizing Interface Standard", dort Typen von digitalen Netzwerk-Schnittstellen, welche Referenzen für Synchronisation transferieren können, beschrieben sind sowie Synchronisations-Spezifikationen betreffend Referenz-Signale in Netzwerk-Schnittstellen zwischen DS1 und SONST beschrieben und spezifiziert sind.
Sektion 8 dieser Publikation beschreibt, wie ein lokaler Oszillator gesteuert/geregelt werden kann, um zu bestimmen ob er einen bestimmten Qualitäts-Standard für Oszillatoren aufrechterhält, nachdem ein Referenz-Signal für den Oszillator verloren worden ist.
Oszillatoren können in Kategorien eingeteilt werden, bezeichnet mit „Stratum", wobei Stratum-Niveaus, Stratum 1 bis Stratum 4, Genauigkeits-Niveaus der Oszillatoren bezeichnen und wobei Stratum 1 ein höchstes Niveau und Stratum 4 ein niedrigstes Niveau bezeichnen. Jedes Niveau kann weiter in Unter-Niveaus in Übereinstimmung mit verschiedenen alphabetischen Bezeichnungen unterteilt werden.
ANSI T1.101–1994 offenbart Berechnungs-Algorithmen dafür, wie relative Frequenzabweichungen und Driften eines Oszillators und deren jeweilige Grenzen in Bezug zu den verschiedenen Stratum-Niveaus berechnet werden können.
Publikation EP-A2-0705000 beschreibt eine Synchronisations-Schaltung für Verwendung in einem gemultiplexten Paketbasiertem Telekommunikations-Netzwerk, fähig des Transportierens von Daten konstanter Bit-Rate (Constant Bit Rate (CBR)), umfassend: einen lokalen Oszillator, einen lokalen Residuum-Zeitmarken-Erzeuger (Residual Time Stamp, (RTS)), eingerichtet, um einen lokalen RTS-Wert aus einer lokalen Oszillator-Frequenz zu bestimmen, einen Komparator um die Differenz zwischen dem lokalen RTS-Wert und einem Quellen-RTS-Wert, extrahiert aus an einem Austausch-Ziel empfangenen Paketen, zu bestimmen und eine Oszillator-Steuerung/Regelung, reagierend auf die Differenz, um die Frequenz und Phase des lokalen Oszillators einzustellen, um die Differenz konstant zu halten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE PROBLEME
Wenn der frühere Stand der Technik, wie oben beschrieben, betrachtet wird, wird ersichtlich, dass in Verbindung mit einem Verfahren oder einer Anordnung, in welchen ein lokaler Oszillator als ein so genanntes Netzwerk-Element dient und in welchen eine Zeit-erzeugende-Einheit in einer sogenannten Netzwerk-Haupt-Einheit enthalten ist, und in welchen die Frequenz des lokalen Oszillators gesteuert/geregelt werden kann durch periodische und automatische Kalibrierung, ein Problem vorhanden ist in dem Befähigen des lokalen Oszillators, synchronisiert zu sein mit der zentralen Zeiterzeugenden-Einheit, auch wenn das zwischen diesen agierende Netzwerk ungeeignet oder unfähig ist für das Transferieren der für direkte Synchronisation benötigten Information.
Ein anderes technisches Problem ist, solche Information zu befähigen transferiert zu werden, allein durch Senden einer periodischen Zeitmarke von der Zeit-erzeugenden-Einheit an das betroffene Element.
Ein anderes technisches Problem ist eines des Bereitstellens einer gut definierten und wiederholbaren Transfer-Zeit für den Transfer einer Zeitmarke zwischen der Haupt-Einheit und dem betroffenen Element.
Wieder ein anderes Problem ist eines des Sendens der für die Synchronisation erforderlichen Zeitmarken zwischen der Haupt-Einheit und dem betroffene Element, ohne mit anderem Netzwerk-Verkehr zu interferieren.
Ein anderes technisches Problem ist eines des Ermöglichens, dass die Ankunftszeit einer Zeitmarke bei einem empfangenden Element statistisch sicher evaluiert wird.
Wieder ein anderes technisches Problem ist eines des Findens eines mathematischen Algorithmus, welcher die Kalibrierung eines lokalen Oszillators mit einem Startpunkt von gemessenen Intervallen zwischen den durch ein Netzwerk-Element empfangenen Zeitmarken ermöglicht.
Ein anderes technisches Problem ist eines des Aufteilens des Kalibrierungs-Vorgangs in verschiedene Phasen, wobei relevante Zeit-Intervalle für das korrekte Kalibrieren und für die Einstellung des lokalen Oszillators zugeteilt werden.
Noch ein anderes technisches Problem ist eines des Einstellens eines lokalen Oszillators, wenn das Signal von der Zeit-erzeugenden-Einheit verloren ist.
Ein weiteres technisches Problem ist eines des Einstellens eines lokalen Oszillators in Übereinstimmung mit einem empfangenen Kalibrierungs-Wert.
Wieder ein anderes technisches Problem ist eines des Evaluierens eines lokalen Oszillators, welcher neu installiert worden ist, während einer Initialisierungsperiode, um so fähig zu sein, schnell Eigenschaften zu erhalten, welche charakteristisch für den neu installierten Oszillator sind.
Ein anderes Problem ist eines, fähig zu sein ein Element bereitzustellen, welches einen neu installierten lokalen Oszillator mit der notwendigen Information für das Befähigen dieses Elements einschließt, sich die durch die Erfindung erbrachten Vorteile nutzbar zu machen.
Ein weiteres technisches Problem besteht im Synchronisieren eines lokalen Oszillators in Bezug zur absoluten Zeit, das ist die Tageszeit, ToD, zusätzlich zum Synchronisieren eines lokalen Oszillators in Bezug zu Frequenzabweichungen und das Korrigieren des Oszillators in dieser Hinsicht.
Ein anderes technisches Problem ist eines, fähig zu sein bestimmte Elemente von geforderten Berechnungen und der Hardware und Software, betreffend die Kalibrierung eines lokalen Oszillators, zu entlasten.
Wieder ein anderes technisches Problem ist eines des Bereitstellens einer geeigneten Referenz für die zentrale Zeit-erzeugende-Einheit.
LÖSUNG
Mit der Absicht, eines oder mehrere der oben dargestellten technischen Problem zu lösen, beginnt die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren oder einer Anordnung für das Synchronisieren von zumindest einem lokalen Oszillator mit einer zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit, wobei der lokale Oszillator als ein sogenanntes Netzwerk-Element dient, wobei die Zeit-erzeugenden-Einheit in einer sogenannten ebenfalls in dem Netzwerk enthaltenen Haupt-Einheit enthalten ist, und wobei die Frequenz des lokalen Oszillators gesteuert/geregelt werden kann durch periodische und automatische Kalibrierung. Jener Teil des Netzwerks, welcher zwischen der Haupt-Einheit und den jeweiligen lokalen Elementen operiert, ist dabei entweder ungeeignet oder unfähig für das Transferieren der für direkte Synchronisation der lokalen Einheit erforderlichen Information.
Die Erfindung betrifft beides, ein Verfahren und eine Anordnung. Diese werden getrennt in der nachfolgenden Beschreibung von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen getrennt beschrieben, wohingegen beide, das Verfahren und die Anordnung, umfassender und gemeinsam in dieser Beschreibung der Lösung beschrieben werden.
Mit der Absicht, den lokalen Oszillator zu befähigen mit der Haupt-Einheit synchronisiert zu werden, unabhängig von den Mängeln des zwischen diesen operierenden Netzwerks, ist in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, das die Zeit-erzeugenden-Einheit eine Zeitmarke in vordefinierten Zeit-Intervallen sendet, dass die physikalischen Bedingungen in diesem Teil des Netzwerks, welches die Haupt-Einheit und das Element einschließt, hier bezeichnet als ein begrenztes Netzwerk, so gut definiert sind, dass die Transfer-Zeit einer Zeitmarke von der Haupt-Einheit an die jeweiligen Elemente den jeweiligen Elementen mit einem gegebenen Grad an Genauigkeit bekannt ist, und dass wechselseitige Ankunftszeiten der empfangenen Zeitmarken verwendet werden zusammen mit der bekannten Transfer-Zeit, um den lokalen Oszillator zu kalibrieren.
Eine gut definierte und wiederholbare Transfer-Zeit zwischen der Haupt-Einheit und den jeweiligen Elementen kann bereitgestellt werden dadurch, dass den Zeitmarken die höchste Priorität gegenüber allen anderen Informations-Übertragungen innerhalb des begrenzten Netzwerks gegeben wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Zeitmarken an alle Elemente innerhalb des begrenzten Netzwerks in einem allgemeinen Rundruf gesendet.
Mit der Absicht des Ermöglichens, dass die Ankunftszeit einer Zeitmarke statistisch garantiert wird, ist in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Gruppe von Zeitmarken bei jeder Übertragung innerhalb eines kurzen Zeit-Abstands (Interims) zwischen diesen übertragen wird, so wie drei zueinander sequentielle Zeitmarken in Ein-Sekunden-Intervallen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein mathematisches Verfahren bereit, in welchem die Variationen von Zeitmarken- Ankunftszeiten für die Kalibrierung verwendet wird und wobei diese Variationen durch einen Zeitfehler beschrieben werden, welcher gebildet ist als die Differenz zwischen dem vordefinierten und daher erwarteten Zeit-Intervall und dem tatsächlichen Zeit-Intervall zwischen empfangenen Zeitmarken, gemessen durch den lokalen Oszillator.
Dieser Zeitfehler kann aufgeteilt werden in eine Oszillatorabhängige Komponente und eine Netzwerk-abhängige Komponente, wobei die Oszillator-abhängige Komponente bestimmt ist durch die Eigenschaft des lokalen Oszillators und die Netzwerkabhängige Komponente bestimmt ist durch die Variationen in den Übertragungszeiten für die jeweiligen Zeitmarken von der Zeit-erzeugenden-Einheit an das Element und durch irgendeinen möglichen Messfehler in dem verwendeten Messverfahren.
Eine Evaluierungsperiode für das Kalibrieren eines lokalen Oszillators ist geteilt in eine erste Phase und eine zweite Phase, wobei die erste Phase andauert zumindest bis die Netzwerk-abhängige Komponente nicht länger irgendeinen schädlichen Einfluss auf die Berechnung der relativen Frequenzabweichung mit Bezug zu dem lokalen Oszillator hat und wobei die zweite Phase sofort nach der ersten Phase aufgenommen wird.
Die zweite Phase schließt kontinuierliche Evaluierung des Zeitfehlers ein und wird beendet mit der Kalibrierung und Einstellung des lokalen Oszillators.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die zweite Phase beendet, bevor die relative Frequenzabweichung des lokalen Oszillators eine maximale akzeptierte relative Frequenzabweichung erreicht hat.
Alternativ kann die zweite Phase beendet werden, bevor der Zeitfehler einen vorbestimmten Wert erreicht, welcher kleiner oder gleich zu einem maximalen akzeptierten Zeitfehler ist.
Das mathematische Verfahren schließt eine Evaluierung der relativen Frequenzabweichung des lokalen Oszillators in Übereinstimmung mit dieser Formel ein:
wobei Y die relative Frequenzabweichung, N die Anzahl von empfangenen Zeitmarken, τ₀ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken, TE_i der Zeitfehler in Bezug zu den empfangenen Zeitmarken und Nτ₀ damit der Zeitraum der zweiten Phase ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Zeitmarken in Intervallen von 15 Minuten bis 4 Stunden gesendet werden, so wie mit einem einstündigen Intervall. Andere Intervalle sind möglich und Teil der Kriterien, welche die Wahl dieser Intervalle steuern, werden in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden.
Mit der Absicht, den lokalen Oszillator zu befähigen korrigiert zu werden, auch wenn die Zeitmarken verloren sind, wird vorgeschlagen, dass die Frequenz-Drift dieses lokalen Oszillators evaluiert wird und dass die Drift verwendet wird, um den lokalen Oszillator zu korrigieren, wenn die Zeitmarken der zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit verloren sind.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann diese Drift evaluiert werden durch die folgende Formel:
wobei D die Drift des lokalen Oszillators, M die Anzahl der Zeitmarken, τ₁ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken und TE_i der Zeitfehler der jeweiligen Zeitmarken ist.
Die Ergebnisse von verschiedenen Kalibrierungen können gespeichert werden, wodurch ein charakteristischer Wert der Drift des lokalen Oszillators für die Verwendung bei dem Einstellen des Oszillators in dem Fall, dass Zeitmarken von der zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit verloren sind, erhalten wird.
Mit der Absicht es zu ermöglichen, dass ein neu installierter lokaler Oszillator evaluiert werden kann, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass während einer Initialisierungsperiode für den neuen Oszillator ein Zeit-Intervall zwischen übertragenen Zeitmarken verwendet wird, welches viel kürzer ist als das Zeit-Intervall zwischen übertragenen Zeitmarken in einem Kalibrierungs-Vorgang.
Dieses Zeit-Intervall kann 10 Sekunden sein und die Initialisierungsperiode kann 30 Minuten dauern.
Entsprechend der Erfindung können diese Zeitmarken von dem Element, welches den neuen Oszillator enthält, durch eine Anforderung an die Haupt-Einheit angefordert werden, feststellend ein gewünschtes Zeit-Intervall, eine gewünschte Initialisierungsperiode, etc.
Wenn ein neuer Oszillator initialisiert wird, ist es möglich der Haupt-Einheit zu erlauben notwendige Parameter an das Element, welches den neuen Oszillator enthält, zu senden, solche wie angenommene Zeit-Intervalle zwischen gesendeten Zeitmarken, der Zeitraum der ersten Phase, der Zeitraum der zweiten Phase und möglicherweise andere Parameter, um so den lokalen Oszillator zu befähigen entsprechend der vorliegenden Erfindung an der Synchronisation teilzunehmen.
Mit der Absicht, das begrenzte Netzwerk der geringstmöglichen Last zu unterwerfen, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der Informations-Teil der Zeitmarken nur Information einschließt, die notwendig ist, um eine Zeitmarke zu erkennen und irgendwelche Information, um die Übertragung der Zeitmarke über das begrenzte Netzwerk sicher zu stellen.
Es ist auch möglich den Zeitmarken zu erlauben Information betreffend die absolute Zeit einzuschließen, wodurch die Bestimmung der Tageszeit (ToD) ermöglicht wird.
Um einen hohen Grad an Genauigkeit in der Bestimmung von TOD zu erzielen, kann die vorliegende Erfindung mit irgendeinem Verfahren kombiniert werden, das in Übereinstimmung mit dem Rundreise-Prinzip, einem solchen wie dem Netzwerk-Zeit-Protokoll (Network Time Protocol), funktioniert.
Mit der Absicht, die jeweiligen Elemente von der für das Berechnen der Frequenzabweichung des lokalen Oszillators erforderlichen Last zu befreien, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die jeweiligen Elemente die erforderliche Kalibrierungs-Information während der zweiten Phase sammeln und dass diese Elemente diese Information an die Haupt-Einheit senden und dass die Haupt-Einheit die Berechnungen ausführt, die notwendig sind, um einen Wert für das Kalibrieren des lokalen Oszillators zu erhalten, und dass die Haupt-Einheit den Einstell-Wert für das Kalibrieren des lokalen Oszillators an das betroffene Element sendet und dass dieses Element die notwendige Einstellung ausführt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Zeiterzeugende-Einheit einen GPS-Empfänger einschließen, wodurch die Zeitmarken-Zeit-Referenz erhalten wird.
VORTEILE
Jene Vorteile, welche primär charakteristisch für ein Verfahren und eine Anordnung entsprechend der Erfindung sind, finden sich im Befähigen des lokalen Oszillators, mit einer Haupt-Einheit über ein Netzwerk synchronisiert zu sein, unabhängig von den Eigenschaften des Netzwerks. Zum Beispiel befähigt dies ein für IP (Internet Protokoll) entworfenes Netzwerk, welches für direkte Übertragung von Synchronisations-Information nicht geeignet ist, für Mobil-Telekommunikation, solche wie GSM, welche gute Synchronisation zwischen System-Basisstationen erfordert, verwendet zu werden.
Die primären charakteristischen Eigenschaften eines Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung werden dargelegt in der charakterisierenden Klausel des begleitenden Anspruchs 1, während die Haupt-Eigenschaften einer erfinderischen Anordnung in der charakterisierenden Klausel des begleitenden Anspruchs 23 dargelegt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein Verfahren und eine Anordnung, aufweisend charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun in größerem Detail auf dem Wege des Beispiels mit Bezugnahme zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine sehr vereinfachte schematische Illustration eines Netzwerks, welches eine Haupt-Einheit, Elemente und Knoten einschließt;
2 ist eine schematische Illustration einer Haupt-Einheit;
3 ist eine schematische Illustration eines Elements;
4 illustriert schematisch die Variation zwischen gesendeten Zeitmarken und empfangenen Zeitmarken;
5 ist eine Diagramm-Illustration von Zeitfehlern, akkumuliert über verschiedene Zeitspannen;
6 ist eine Diagramm-Illustration der relativen Frequenzabweichung eines lokalen Oszillators;
7 zeigt schematisch, dass Zeitmarken in Gruppen mehrfacher Zeitmarken gesendet werden können;
8 illustriert ein alternatives Zeit-Intervall zwischen Zeitmarken, welche für die Initialisierung eines lokalen Oszillators gesendet werden;
9 illustriert schematisch eine Zeitmarke, welche ein Byte umfasst;
10 illustriert schematisch eine Zeitmarke, welche Zeit-Information für das Bestimmen der absoluten Zeit einschließt; und
11 illustriert schematisch eine alternative Ausführungsform, in welcher die Haupt-Einheit die notwendigen Berechnungen ausführt.
BESCHREIBUNG VON GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 illustriert ein Verfahren des Synchronisierens von zumindest einem lokalen Oszillator 21, gehörend zu einem Element 2 mit einer zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit 11, gehörend zu einer Haupt-Einheit 1. Die Haupt-Einheit 1 ist klarer in 2 dargestellt, wohingegen das Element klarer in 3 dargestellt ist.
Der lokale Oszillator 21 bedient das so genannte Element 2 und die Zeit-erzeugende-Einheit 11, enthalten in der sogenannten Haupt-Einheit 1, welche beide in dem Netzwerk A enthalten sind. Das Netzwerk schließt auch andere Elemente 3, 4 ein, welche ebenso lokale Oszillatoren einschließen, die notwendige Synchronisations-Information von der Haupt-Einheit 1 erhalten, und andere Knoten 51, 52, 53. Es wird verstanden werden, dass das Netzwerk A auch weitere Knoten einschließen kann, obgleich diese nicht gezeigt wurden, weil sie keine entscheidende Funktion in Bezug zur vorliegenden Erfindung haben.
Mit Netzwerk ist ein Netzwerk von Knoten gemeint, welche wechselseitig interagieren mittels einer Art von Kommunikation. Diese Kommunikation kann erreicht werden durch elektrische Signale in für diesen Zweck vorgesehenen Leitungen, durch optische Signale in für diesen Zweck vorgesehenen Leitungen, oder durch elektromagnetische Signale über Wellenleiter oder über die freie Atmosphäre. Obgleich die Beschreibung auf dem Wege des Beispiels mit Bezug zu Leitungs-gebundenen elektrischen Signalen gegeben wird, wird es für mit diesem Gebiet vertrauten Personen offensichtlich sein, dass das vorliegende erfinderische Konzept auch auf andere Übertragungstechniken angewendet werden kann.
Bestimmten Knoten sind in der folgenden Beschreibung auch bestimmte Bezeichnungen zugeordnet worden, mit der Absicht das Verstehen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wobei ein Knoten, aufweisend eine Zeit-Referenz für Synchronisation, als Haupt-Einheit bezeichnet ist und wobei Knoten, welche lokale Oszillatoren enthalten, die mit der Haupt-Einheit zu synchronisieren sind, als Elemente bezeichnet sind.
In der Absicht, die Beschreibung zu vereinfachen, wird nur eines von den Elementen in solchem Detail beschrieben, wie erforderlich ist, um dessen Funktion in Beziehung zur vorliegenden Erfindung zu verstehen, obgleich es verstanden werden wird, dass weitere Elemente, die Synchronisations-Information von der Haupt-Einheit empfangen, fähig sind dies zu tun in Übereinstimmung mit der vorliegenden Beschreibung des erfinderischen Konzepts.
Es ist für Elemente auch möglich, Synchronisations-Information in Übereinstimmung mit einem anderen Verfahren zu empfangen und es steht nichts entgegen, das beschriebene Verfahren und die beschriebene Anordnung mit anderen Verfahren und/oder Anordnungen für das Synchronisieren gegebener in dem Netzwerk enthaltener Elemente zu kombinieren.
Die zentrale Zeit-erzeugende-Einheit 1 schließt einen Oszillator ein, welcher eine zuverlässige Referenz-Frequenz hat und welcher als eine Referenz für die Synchronisation des lokalen Oszillators 21 verwendet werden wird.
Wegen der Eigenart des Netzwerks A ist das Übertragungs-Medium zwischen der Haupt-Einheit 1 und den Elementen 2, 3, 4, welche bezüglich der Synchronisations-Information von der Haupt-Einheit abhängig sind, für direkte Übertragung solcher Information ungeeignet.
Die Frequenz des lokalen Oszillators 21 kann durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden.
Beginnend mit einem solchen System wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Zeiterzeugende-Einheit 11 eine Zeitmarke TS in vorbestimmten Zeit-Intervallen τ₀, entsprechend 4, sendet, die Zeitmarke TS mittels einer üblichen Übertragung, das bedeutet durch einen Rundruf an alle Elemente 2, 3, 4, innerhalb eines Teils des Netzwerks überträgt, welches die Haupt-Einheit 1 und die Elemente 2, 3, 4 einschließt und in diesem Dokument als ein begrenztes Netzwerk B bezeichnet ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die physikalischen Bedingungen innerhalb dieses begrenzten Netzwerks B so gut definiert, dass die Übertragungs-Zeit der Zeitmarke TS von der Haupt-Einheit 1 an die jeweiligen Elemente 2, 3, 4 für die jeweiligen Elemente mit einem gegebenen Grad an Genauigkeit statistisch bekannt sein wird.
Entsprechend dem erfinderischen Konzept werden die wechselseitigen Ankunftszeiten der Zeitmarken zusammen mit der bekannten Übertragungszeit verwendet, um den lokalen Oszillator 21 zu kalibrieren.
Die Zeitmarken-Übertragungszeit kann gut bekannt sein, weil den Zeitmarken die höchste Priorität gegenüber allen anderen Informations-Übertragungen innerhalb des begrenzten Netzwerks B gegeben worden ist. Das bedeutet, dass andere Knoten 51, 52, 53 in dem Netzwerk B von der Haupt-Einheit 1 übertragene Zeitmarken TS1, TS2, TS3, ..., TSn sofort an verschiedene Einheiten 2, 3, 4, bei Fehlen irgendwelcher Wartezeiten in den jeweiligen Knoten 51, 52, 53, weiterleiten. Mit Wartezeit ist das Warten wegen anderen Verkehrs gemeint, obgleich es eine bestimmte Verzögerung geben wird, durch das Handhaben des Weiterleitens der Zeitmarke in jedem Knoten, welcher die Zeitmarke weiterleiten soll. Diese Verzögerung bildet jedoch einen Teil der Übertragungs-Zeit, welche mit einem bestimmten Grad an Genauigkeit bekannt ist.
Es wird damit den Zeitmarken TS₁, TS₂, TS₃, ..., TSn Priorität gegenüber irgendwelcher wartender Information gegeben, sogar wenn diese Information Sprach-Übertragung betreffend sollte, solcher Information wird in bestimmten Netzwerken höchste Priorität gegeben. Dieses befähigt jedes individuelle Element 2, 3, 4 die Übertragungs-Zeit für eine Zeitmarke TS₁, TS₂, TS₃, ..., TSn von der Haupt-Einheit 1 zu dem Element 2 mit großer Genauigkeit vorherzusagen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird Synchronisation bewirkt mit der Hilfe eines für die Kalibrierung von Oszillatoren adaptierten mathematischen Verfahrens, in welchem die Variation der Zeitmarken-Ankunftszeiten für den tatsächlichen Kalibrierungs-Vorgang verwendet wird.
Diese Variation wird beschrieben durch einen Zeitfehler TE, welcher als die Differenz zwischen dem vordefinierten und daher erwarteten Zeit-Intervall τ₀ und dem tatsächlichen Zeit-Intervall τ₀' zwischen empfangenen Zeitmarken TS₁, TS₂, TS₃, ..., TS_n, gemessen durch den lokalen Oszillator 21, gebildet wird.
Der Zeitfehler TE kann in eine Oszillator-abhängige Komponente TE_o und eine Netzwerk-abhängige Komponente TE_n unterteilt werden. Die Oszillator-abhängige Komponente TE_o wird bestimmt durch die Eigenschaft des lokalen Oszillators 21, wohingegen die Netzwerk-abhängige Komponente TE_o bestimmt wird durch die tatsächlichen Variationen in den Übertragungs-Zeiten der jeweiligen Zeitmarken TS von der Zeit-erzeugenden-Einheit 11 an die Elemente 2 und irgendeinen Messfehler in dem verwendeten Messverfahren.
Die Netzwerk-abhängige Komponente TE_n kann auf verschiedene Arten bestimmt werden. Zum Beispiel kann sie empirisch aus verschiedenen Messungen bestimmt werden, während die Oszillator-abhängige Komponente TE_o ein charakteristischer Parameter für verwendete Oszillatoren ist, wobei der Lieferant des Oszillators einen höchsten Wert offenbart, welcher durch den Oszillator gehandhabt werden kann.
Die Zeit-Abhängigkeit der Oszillator-abhängigen Komponente kann durch die folgende Formel beschrieben werden, welche den Zeitfehler TE_o nach τ Sekunden angibt: TE0(τ) = aτ + 0,5τ2 + c (1)
Der Parameter a beschreibt eine anfängliche Frequenzabweichung und einen aus Temperaturveränderungen resultierenden Phasenfehler, Parameter b bezeichnet die Drift der Oszillator-Frequenz und Parameter c bezeichnet Phasensprünge, welche bei Übergängen zwischen verschiedenen Arbeits-Moden des Oszillators auftreten können. Die Formel zeigt, dass der Zeitfehler quadratisch mit der Zeit anwächst.
Diese Zeit-Abhängigkeit wird auch in 5 dargestellt, in welcher der gesamte Zeitfehler TE gezeigt ist.
Die relative Frequenzabweichung Y eines Oszillators in Relation zu einer nominalen Frequenz f_nom ist definiert als:
wobei f die tatsächliche Frequenz des Oszillators ist. Die relative Frequenzabweichung Y und deren Zeit-Abhängigkeit kann auch als Ableitung des Zeitfehlers TE_o evaluiert werden, wofür diese Formel erhalten wird: Y(τ)=a + bτ (3)
6 illustriert schematisch die relative Frequenzabweichung entsprechend der Formel (3).
Um eine relevante Evaluierung der Leistung des Oszillators machen zu können, ist es wichtig zu unterscheiden zwischen der Oszillator-abhängigen Komponente TE_o des Zeitfehlers TE und der Netzwerk-abhängigen Komponente TE_n des Zeitfehlers TE.
Wie in 5 illustriert, kann eine Evaluierungsperiode für einen lokalen Oszillator in eine erste Phase F₁ und eine zweite Phase F₂ unterteilt werden. Die erste Phase soll eine Zeitspanne T₁ einschließen, welche zumindest zu dem Zeitraum korrespondiert, welcher für den Zeitfehler TE benötigt wird, um eine Größe zu erreichen, bei welcher die Netzwerkabhängige Komponente TE_n die relative Frequenzabweichung Y entsprechend der Formel (2) nicht schädlich beeinflussen wird.
Der ersten Phase F₁ folgt die zweite Phase F₂, welche sich über eine Zeitspanne T₂ erstreckt, während welcher der Oszillator 21 kalibriert und eingestellt werden kann. Es ist hierfür wichtig, fähig zu sein eine geeignete Zeitspanne T₂ für die zweite Phase F₂ und ein geeignetes Zeit-Intervall τ₀ zwischen den Zeitmarken TS wählen zu können.
Weil der Zeitfehler quadratisch mit der Zeit anwächst, wird eine übermäßig lange Zeitspanne T₂ ein falsches Bild des Zeitfehlers TE ergeben. Eine übermäßig lange zweite Phase F₂ ist daher nicht wünschenswert. Die zweite Phase F₂ soll also von ausreichender Dauer sein, so dass das zur-Wirkung-kommen des verbleibenden Messfehlers ε das Ergebnis nicht schädlich beeinflusst. Mit verbleibendem Messfehler ε ist ein Fehler gemeint, welcher abhängig ist von der Netzwerk-abhängigen Komponente TE_n und genauer von Variationen in den Paket-Übertragungszeiten durch das begrenzte Netzwerk.
Zum Beispiel, wenn der Beitrag von dem verbleibenden Messfehler ε 10% nicht übersteigen darf, dann kann die Zeitspanne T₂ für die zweite Phase F₂ gewählt werden als:
wobei der verbleibende Messfehler ε zweifach angesetzt wurde, jedoch die Qaudratwurzel aus der Zahl 2 genommen wurde, da der Messfehler zufällig variiert. Darüber hinaus sollte die zweite Phase F₂ ausreichend lang sein dafür, dass die gewünschte Anzahl von Zeitmarken TS Zeit haben, um empfangen zu werden und in der Evaluierung des Zeitfehlers TE der relativen Frequenzabweichung Y verwendet zu werden.
Die gesamte Evaluierungsperiode T₁ plus T₂ ergibt eine Kalibrierungsperiode, während welcher die relative Frequenzabweichung Y eine maximal akzeptierte relative Frequenzabweichung Y_max nicht überschreiten darf.
Als ein Ergebnis der langsamen Variation der Netzwerkabhängigen Komponente TE_n des Zeitfehlers TE und weil dieser als zufällig variierend betrachtet wird, ist es nicht möglich, ein übermäßig kurzes Zeit-Intervall τ₀ zwischen den Zeitmarken TS zu verwenden, da die Variation zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitmarken dann einen nicht-zufälligen Netzwerk-abhängigen Fehler einschließen könnte.
Es kann auch so sein, dass der gesamte Zeitfehler TE einen maximal akzeptierten Zeitfehler TE_max nicht überschreiten darf, einen solchen wie bei der Bestimmung von ToD oder einem Phasenfehler in Bezug zu dem lokalen Oszillator.
5 zeigt, dass die zweite Phase F₂ sich über einen Zeitraum T₂ erstreckt und beendet wird, bevor der Zeitfehler TE einen vorbestimmten Wert TE₁ erreicht, welcher kleiner oder gleich einem maximal akzeptierten Zeitfehler TE_max ist.
Es wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die relative Frequenzabweichung Y evaluiert wird in Übereinstimmung mit der folgenden Formel:
wobei N die Anzahl der Zeitmarken, τ₀ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken, TE_i der Zeitfehler, mit welchem die jeweiligen Zeitmarken empfangen werden, ist und Nτ_o der Zeitraum T₂ der zweiten Phase F₂ ist.
Die relative Frequenzabweichung Y erhält eine ppm (Teile pro Million)-Größe, wenn das Zeit-Intervall zwischen den Zeitmarken τ₀ in Sekunden (S) und der Zeitfehler TE in Nanosekunden (ns) gemessen wird.
Um das Netzwerk nicht übermäßigem Verkehr zu unterwerfen, welchem hohe Priorität gegenüber allem anderen Verkehr gegeben ist, und um das Risiko zu vermeiden, dass die Netzwerk-abhängige Komponente TE₀ zwischen den verschiedenen Zeitmarken zufällig schwankt, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Zeitmarken in Intervallen τ₀ von 15 Minuten bis 4 Stunden, so wie in einstündigen Intervallen gesendet werden. Dieses ist auch als ein geeignetes Zeit-Intervall für die Formel (5) gefunden worden, wenn Quartz-Oszillatoren in Verwendung sind, welche normalerweise in Telekommunikationsanwendungen verwendet werden. Es ist jedoch erwähnt, dass andere Zeit-Intervalle verwendet werden können, obgleich ein Problem mit kürzeren Zeit-Intervallen darin besteht, dass die Netzwerk-abhängige Komponente des Zeitfehlers nicht immer als zufällig variierend betrachtet werden kann, während ein Problem mit längeren Zeit-Intervallen ist, dass die erforderliche Anzahl von Zeitmarken innerhalb der Kalibrierungsperiode nicht empfangen werden kann.
Mit einem Zeit-Intervall τ₀ von 1 Stunde ist vorgeschlagen, dass der Zeitraum T₂ für die zweite Phase auf zumindest 12 Stunden festgelegt ist, bevorzugt mehr als 24 Stunden, um so fähig zu sein, eine erforderliche Anzahl von Zeitmarken und damit Werten des Zeitfehlers TE zu erhalten.
7 zeigt, dass es auch möglich ist eine Gruppe von Zeitmarken innerhalb eines kurzen Zeitraums τ₁₀ mit jeder Übertragung TS₁, TS₂ zu senden, eines solchen wie bei drei aufeinander folgenden Zeitmarken mit einem Zeit-Interim (Zeitabstand) von 1 Sekunde zwischen diesen. Dieses ermöglicht, dass das gemessene Zeit-Intervall τ₀' und damit der Zeitfehler TE mit größerer Sicherheit bestimmt wird, zum Beispiel, wenn eine Zeitmarke in der Übertragung verloren wurde oder wenn gefunden wird, dass eine von drei Zeitmarken beträchtlich von den anderen beiden abweicht, wenn das Zeit-Intervall τ_o' in Relation zu einer vorangegangenen Gruppe von Zeitmarken gemessen wird, um so die verbleibenden Zeitmarken für die Bestimmung des gemessenen Zeit-Intervalls τ₀' verwenden zu können.
Zum Beispiel, mit einem lokalen Oszillator, welcher entsprechend der Spezifikation eine relative Frequenzabweichung von weniger als 1 × 10^–9 pro Tag aufweist, was Stratum 3e entspricht, und angenommen dass der verbleibende Messfehler e in der Größenordnung von 50 μs liegt und mit einer maximalen akzeptierten relativen Frequenzabweichung Y_max von 30 × 10^–9, wird die erste Phase etwa 29 Kalendertage dauern und die maximal akzeptierte relative Frequenzabweichung Y_max wird nach etwa 30 Kalendertagen erreicht. Eine geeignete Kalibrierungs-Routine würde dann eine Einstellung pro Monat einschließen, wobei die zweite Phase F2 aus 24 Stunden während des letzten Kalendertages bestehen würde.
Natürlich müssen die Parameter, in dem Fall eines anderen Stratum-Niveaus oder in dem Fall von anderen Netzwerkabhängigen Zeitfehlern, unterschiedlich für akzeptable Kalibrierung und Einstellung ausgewählt werden.
Es ist auch möglich die Frequenz-Drift des lokalen Oszillators 21 zu evaluieren, wenn der Wert dieser Drift verwendet wird, um den lokalen Oszillator in dem Fall zu korrigieren, in welchem die Zeitmarken TS von der zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit 11 verloren sind. Ein solcher Verlust kann zum Beispiel eintreten bei einem Systemfehler in der Haupt-Einheit 1 oder in dem Fall einer Art von Kommunikations-Fehler zwischen der Haupt-Einheit 1 und einem Element 2.
Eine solche Drift D kann entsprechend dieser Formel bestimmt werden:
wobei M die Anzahl der Zeitmarken, τ₁ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken und TE_j der Zeitfehler betreffend die jeweiligen Zeitmarken ist. Es ist auch möglich, die gleichen Zeit-Intervalle und die gleiche Anzahl von Zeitmarken zu verwenden, wie verwendet werden bei der Evaluierung der relative Frequenzabweichung des Oszillators, in anderen Worten, zu erlauben, dass τ₀ gleich ist zu τ₁ und M gleich ist zu N, obgleich bei der Evaluierung der Drift D die Anzahl der Zeitmarken M bevorzugt die Anzahl von Zeitmarken N, welche bei der Evaluierung der relativen Frequenzabweichung Y des Oszillators verwendet werden, übersteigt.
Es ist auch möglich, die Ergebnisse der verschiedenen Kalibrierungen zu speichern und damit einen charakteristischen Wert der Drift des lokalen Oszillators für die Verwendung bei der Einstellung des Oszillators 21 in dem Fall, dass die Zeitmarken TS verloren sind, zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein mögliches Verfahren des Initialisierens eines neuen Oszillators 61, gehörend zu einem Element 6 in dem Netzwerk A und gelegen in dem begrenzten Netzwerk B.
Es ist in Übereinstimmung mit der Erfindung möglich, ein anderes Zeit-Intervall τ_i zum Beispiel während einer Initialisierungs-Phase eines neu installierten Oszillators 61 in Übereinstimmung mit 8 zu verwenden.
Es wäre dann möglich, ein Zeit-Intervall τ_i von z. B. 10 Sekunden während einer Initialisierungsperiode T_i von z. B. 30 Minuten für eine anfängliche Evaluierung des Oszillators zu verwenden. Diese Zeitmarken können angefordert werden durch eine Anforderung des Elements 6, das den neuen Oszillator 61 beinhaltet, an die Haupt-Einheit 1, wobei das erwünschte Zeit-Intervall τ_i und die erwünschte Initialisierungsperiode T_i in der Anforderung aufgeführt sind.
Es ist auch möglich der Haupt-Einheit 1 zu erlauben notwendige Parameter an das Element 6, das den neuen Oszillator 61 beinhaltet, bei der Initialisierung des Oszillators zu senden, solche wie ein angenommenes Zeit-Intervall τ₀, Zeitspanne T₁ für die erste Phase F₁, Zeitraum T₂ für die zweite Phase F₂ und irgendwelche sonstigen Parameter.
9 zeigt, dass die verwendeten Zeitmarken TS nur die Information enthalten, die notwendig für diese ist, um als Zeitmarke identifiziert zu werden. Geeignete Markierung diesbezüglich könnte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit nur einem Byte erreicht werden. Jedoch enthält dieses keine Information betreffend die absolute Zeit.
Damit ist der Informations-Teil (Nutzlast) der übertragenen Daten-Information gemeint. Irgendwelche Adressierungs-Information etc. 7 kann in dem begrenzten Netzwerk B in Übereinstimmung mit dem verwendeten Protokoll eingeschlossen werden. Es wird verstanden werden, dass der Informations-Teil auch die notwendigen Bits für das Sicherstellen korrekter Übertragung der Zeitmarke, solche wie ein oder mehrere Paritäts-Bits für Paritäts-Prüfungen oder einen anderen Code für das Verschlüsseln der Zeitmarke, einschließen kann.
Es ist auch möglich Zeitmarken zu verwenden, welche Information bezüglich absoluter Zeit TS' entsprechend 10 einschließen, wobei die ToD (Tageszeit (Time of Day)) auch abhängig von der absoluten Verzögerung zwischen der Haupt-Einheit 1 und dem Element 2 mit einem bestimmten Grad an Unsicherheit bestimmt werden kann. Es wird in Bezug hierzu verstanden werden, dass notwendige Adressierungs-Information, etc 7' eingeschlossen ist zusätzlich zu der Information, die direkt die Zeitmarke TS' betrifft.
Größere ToD-Genauigkeit kann erreicht werden, wenn ein Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kombiniert wird mit einem Verfahren, welches in Übereinstimmung mit der Rundreise-Verzögerung (Round Trip Delay), solcher wie dem Netzwerk-Zeit-Protokoll (NTP, Network Time Protokol), funktioniert.
Die Algorithmen für das Berechnen der relativen Frequenzabweichung Y entsprechend der Formel (5) und für das Berechnen der Drift D entsprechend der Formel (6) sind illustriert und beschrieben in dem Vorschlag für einen Standard, bezeichnet ANSI T1.101–1998 „Draft American National Standard for Telecommunications – Synchronization Interface Standard" in Teil 8.2 „Performance of clocks during reference failure".
Es wird verstanden werden, dass die beschriebene Anwendung dieser Formeln jedoch einen Zweck hat, welcher verschieden ist von demjenigen dieser Erfindung. Es müssen zum Beispiel verschiedene Parameter an die vorliegende Erfindung angepasst werden, wie in dem Vorangegangenen beschrieben, um zu ermöglichen, dass die Formeln in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden können.
Wie in 11 illustriert, ist es auch möglich einem Element 2' zu erlauben, während der Phase F₂ die Informationen zu sammeln, die für das Ausführen der Kalibrierung notwendig sind, und dann die Information an die Haupt-Einheit 1' zu senden, welche die Berechnungen in Übereinstimung mit dem Vorangegangenen ausführt und dann einen Wert für die Einstellung des Oszillators 21' an das Element 2' sendet und womit dann das Element 2' die Einstellung ausführt.
Dieses bedeutet, dass die Haupt-Einheit 1 fähig ist alle Berechnungen für die Elemente 2', 3', 4' auszuführen und dass die Elemente für die notwendigen Berechnungen weder Mittel enthalten noch Kapazität nutzen müssen.
Diese Ausführungsform wird allerdings eine größere Verkehrslast auf dem begrenzten Netzwerk B' mit sich bringen.
Mit der Absicht sicherzustellen, dass die Haupt-Einheit 1 eine zuverlässige Zeit-Referenz haben wird, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Zeit-erzeugende-Einheit 11 einen GPS-Empfänger 13 einschließt, durch welchen die Zeit-Referenz für die Zeitmarken TS erhalten wird. Jedoch ist dieses nur eine vorgeschlagene Ausführungsform und es gibt nichts, was hindern würde, die Referenz auf eine andere zuverlässige Weise zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anordnung, welche im folgenden Text beschrieben ist. Diese Anordnung ist fähig in Übereinstimmung mit dem zuvor beschriebenen Verfahren zu funktionieren und wo die Anordnung nicht vollständig beschrieben wird, wird für ein besseres Verständnis der Anordnung auf die korrespondierende Beschreibung des Verfahrens verwiesen.
Es wird Bezug genommen zurück zu den 1, 2 und 3. In diesen ist eine erfinderische Anordnung dargestellt, die beabsichtigt ist für das Ermöglichen, dass zumindest ein lokaler Oszillator 21 mit einer zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit synchronisiert wird, wobei der lokale Oszillator 21 eingerichtet ist, um als in einem Netzwerk A enthaltenes so genanntes Element 1 zu dienen und wobei die Zeit-erzeugende-Einheit 11 in einer sogenannten Haupt-Einheit 1 enthalten ist.
Die Frequenz des lokalen Oszillators 21 kann durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden.
Beginnend bei einer solchen Anordnung wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Haupt-Einheit 1 eine Sende-Einheit 12 einschließt, welche eingerichtet ist, um eine durch die Zeit-erzeugende-Einheit 11 erzeugte Zeitmarke in vorbestimmten Zeit-Intervallen τ₀ zu senden.
Es wird auch vorgeschlagen, dass die Sende-Einheit 12 eingerichtet ist, um die Zeitmarke durch allgemeine Sendung (Rundruf) an die Empfangs-Einheit 23 zu senden, die mit jeweiligen Elementen in einem Teil des die Haupt-Einheit 1 und die betroffenen Elemente 2, 3, 4 enthaltenden Netzwerks verbunden ist, wobei dieser Netzwerk-Teil als begrenztes Netzwerk B bezeichnet ist.
Die physikalischen Anforderungen innerhalb dieses begrenzten Netzwerks B sind so gut definiert, dass die Übertragungszeit einer von der Sende-Einheit 12 an die jeweiligen Elemente 2, 3, 4 gesendeten Zeitmarke für die jeweiligen Elemente mit einem gegebenen Grad an Sicherheit bekannt sein wird.
Eine Kalibrierungs-Einheit 22, zu dem Element 2 gehörend, ist eingerichtet, um den lokalen Oszillator 21 mit der Hilfe wechselseitiger Ankunftszeiten der Zeitmarken zusammen mit der bekannten Übertragungszeit betreffend das Element 2 zu kalibrieren.
Es ist möglich, die Übertragungszeiten an die jeweiligen Elemente 2, 3, 4 zu erfahren, da die in dem begrenzten Netzwerk B enthaltenen Knoten 51, 52, 53 eingerichtet sind, um den Zeitmarken TS1, TS2, TS3, ..., TSn die höchste Priorität gegenüber aller anderen Information zu geben.
Wie in 4 illustriert, ist die Sende-Einheit 12 eingerichtet, um die Zeitmarken TS1, TS2, TS3, ..., TSn in dem vorgegebenen Intervall τ₀ zu senden.
Die Kalibrierungs-Einheit 22 ist auch eingerichtet, um ein mathematisches Verfahren für Oszillator-Kalibrierung zu verwenden, wobei die Variation der Ankunftszeiten der Zeitmarken in der Kalibrierung verwendet werden kann. Diese Variation kann beschrieben werden als ein Zeitfehler, der gebildet wird als die Differenz zwischen dem vorgegebenen und daher erwarteten Zeit-Intervall τ₀ zwischen den Zeitmarken und dem tatsächlichen Zeit-Intervall τ₀' zwischen empfangenen Zeitmarken, wobei der lokale Oszillator 21 eingerichtet ist, um dieses tatsächliche Zeit-Intervall T' zu messen.
Die Kalibrierungs-Einheit 22 ist auch eingerichtet, um den Zeitfehler TE in eine Oszillator-abhängige Komponente TE_o und eine Netzwerk-abhängige Komponente TE_n aufzuteilen, wobei die Oszillator-abhängige Komponente TE_E durch die Eigenschaft des lokalen Oszillators 21 und die Netzwerk-abhängige Komponente TE durch die Variationen in den Übertragungszeiten von der Sende-Einheit 12 an die Empfangs-Einheit 23 für die jeweiligen Zeitmarken TS und aus möglichen Messfehlern in dem verwendeten Messverfahren bestimmt werden kann.
Entsprechend 5 ist die Kalibrierungs-Einheit 22 eingerichtet, um eine Evaluierungsperiode für die Kalibrierung eines lokalen Oszillators 21 in eine erste Phase F₁ und eine zweite Phase F₂ zu unterteilen.
Die Kalibrierungs-Einheit 22 ist eingerichtet, um der ersten Phase zu erlauben über zumindest ein Zeitspanne T₁ anzudauern, bis die gemessene relative Frequenzabweichung Y keine schädliche Wirkung auf die Netzwerk-abhängige Komponente TE_n des Zeitfehlers TE hat.
Die zweite Phase wird durch die Kalibrierungs-Einheit 22 sofort nach der ersten Phase begonnen. Die Evaluierungs-Einheit 22a ist eingerichtet, um den Zeitfehler TE kontinuierlich während der zweiten Phase F₂ zu evaluieren, und die Kalibrierungs-Einheit 22 ist eingerichtet, um die zweite Phase F₂ mit Kalibrierung und Einstellung des lokalen Oszillators 21 zu beenden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Kalibrierungs-Einheit 22 eingerichtet, um die zweite Phase F₂ am Ende eines Zeitraum T₂ und bevor die relative Frequenzabweichung Y eine maximale akzeptierte relative Frequenzabweichung Y_max erreicht oder bevor der Zeitfehler TE einen vorgegebenen Wert TE₁ erreicht, welcher kleiner oder gleich einem maximal akzeptierten Zeitfehler TE_max ist, zu beenden.
Die Kalibrierungs-Einheit 22 ist eingerichtet, um die relative Frequenzabweichung Y für den lokalen Oszillator 21 in Übereinstimmung mit Formel (5) zu evaluieren.
Die Zeit-erzeugende-Einheit 11 und die Sende-Einheit 12 sind eingerichtet, um die Zeitmarken in Intervallen τ₀ von 15 Minuten bis 4 Stunden, so wie in einstündigen Intervallen, zu erzeugen und zu senden.
Wenn Quartz-Oszillatoren verwendet werden, welche üblicher Weise in Telekommunikations-Anwendungen verwendet werden, ist gefunden worden, dass ein geeignetes Zeit-Intervall bezüglich der Formel (5) und bei einem restlichen Messfehler ε und bei einer maximal akzeptierten relativen Frequenzabweichung Y_max von 30 × 10^–9 bei etwa 50 μs liegt. Die gegebenen Zeit-Intervalle können verschieden gewählt werden, wenn ein Oszillator eines anderen Stratum-Niveaus verwendet wird oder wenn die Netzwerk-abhängige Fehler-Komponente TE_n verändert ist, und damit auch der restliche Messfehler.
Die zuvor beschriebenen Zeit-Intervalle sind jedoch geeignet mit Bezug zu den Variationen der Netzwerk-abhängigen Fehler-Komponente TE_n und der Last auf dem Netzwerk A.
Die Sende-Einheit 12 kann auch eingerichtet sein, um eine Gruppe von Zeitmarken mit einem kurzen Zeit-Intervall τ₀, so wie drei aufeinander folgende Zeitmarken, jede mit einem Ein-Sekunden-Intervall, zu senden, wie in 7 dargestellt. Günstiger Weise ist die Kalibrierungs-Einheit 22 eingerichtet, um diese drei Zeitmarken zu verwenden, um sicherzustellen, dass ein relevanter Wert für das gemessene Zeit-Intervall τ₀' erhalten wird.
Die Evaluierungs-Einheit 22a kann auch eingerichtet sein, um die Frequenz-Drift des lokalen Oszillators 21 entsprechend der Formel (6) zu berechnen. Der Wert dieser Drift kann dann in einem Speicherbereich 24, verfügbar in der Kalibrierungs-Einheit 22, gespeichert werden.
Es ist auch möglich zu erlauben, dass die Ergebnisse früherer Kalibrierungen in dem Speicherbereich 24 gespeichert werden.
In jeder dieser Ausführungsformen ist es möglich der Kalibrierungs-Einheit 22 zu erlauben, den in dem Speicherbereich 24 gespeicherten Wert für die Einstellung des lokalen Oszillators 21 zu verwenden, in dem Fall in welchem die von der zentralen Zeit-erzeugenden-Einheit 11 gesendeten Zeitmarken verloren sind.
Die vorliegende Erfindung stellt auch die Möglichkeit bereit, einen neuen Oszillator in einem Element 6 in dem begrenzten Netzwerk B zu initialisieren.
Es ist dabei möglich ein anderes Zeit-Intervall τ_i entsprechend der Illustration in 8 zu verwenden, zum Beispiel während einer Initialisierungs-Phase eines neu installierten Oszillators 61. Es wäre dann möglich, der Zeiterzeugenden-Einheit 11 zu erlauben Zeitmarken TS in einem Zeit-Intervall τ_i von zum Beispiel 10 Sekunden während einer Initialisierungsperiode T_i von zum Beispiel 30 Minuten für die anfängliche Evaluierung des neuen Oszillators zu erzeugen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das Element 6, das den neuen Oszillator 61 enthält, eingerichtet, um diese Zeitmarken durch Senden einer Anforderung an die Haupt-Einheit 1 anzufordern, welche das erwünschte Zeit-Intervall τ_i, die erwünschte Initialisierungsperiode T_i, etc., angibt.
Es ist auch möglich, der Haupt-Einheit 1 zu erlauben eingerichtet zu sein, um die erforderlichen Parameter an das Element 6 zu senden, wenn der Oszillator 61 initialisiert wird, solche wie erwartete Zeit-Intervalle τ₀, Zeitraum T₁ für die erste Phase F₁, Zeitraum T₂ für die zweite Phase F₂ und irgendwelche anderen Parameter.
Die Zeit-erzeugende-Einheit 11 ist eingerichtet, um Zeitmarken TS, welche notwendige Zeitmarken-Identifikations-Information einschließen, zu erzeugen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung sollte 1 Byte ausreichend sein, um eine geeignete Markierung, wie in 9 gezeigt, zu erstellen. Dieses schließt jedoch keine Information betreffend absolute Zeit ein.
Damit ist der Informations-Teil der übertragenen Daten-Information gemeint, welcher auch Daten-Bits einschließen kann, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Zeitmarken korrekt übertragen werden, solche wie Paritäts-Bits für eine Zeitmarken-Paritäts-Prüfung oder ein Code für das Verschlüsseln der Zeitmarken. Irgendwelche Adressierungs-Information (Kopfsatz) etc. 7 wird eingeschlossen sein in Übereinstimmung mit dem in dem begrenzten Netzwerk B verwendeten Protokoll.
Wie in 10 gezeigt, kann die Zeit-erzeugende-Einheit 11 auch eingerichtet sein, um Zeitmarken TS' zu erzeugen, welche auch Information betreffend die absolute Zeit einschließen und welche auch ermöglichen ToD (Tageszeit) mit einem bestimmten Grad an Unsicherheit, abhängig von der Netzwerkabhängigen Komponente des Zeitfehlers TE_n, zu bestimmen. Es wird verstanden werde, dass die erforderliche Adressierungs-Information etc. 7' eingeschlossen ist zusätzlich zu der Information, die die Zeitmarke TS' direkt betrifft.
Eine erfinderische Anordnung kann für das Bereitstellen größerer TOD-Genauigkeit angepasst sein, durch Veranlassen der Anordnung entsprechend dem ,Rundreise'-Prinzip zu arbeiten, solchem wie NTP, in Kombination mit dem zuvor Beschriebenen.
Wie in 11 dargestellt, kann eine Sammel-Einheit 25', gehörend zu einem Element 2', eingerichtet sein, um notwendige Kalibrierungs-Information während der zweiten Phase F₂ zu sammeln und diese Information dann an eine Haupt-Einheit 1' zu senden.
Die Haupt-Einheit wird dann eine Berechnungs-Einheit 14' einschließen, die Berechnungen in Übereinstimmung mit dem Vorangegangenen ausführen kann und dann einen Wert für das Einstellen des lokalen Oszillators 21' an das Element 2' sendet, wobei das Element 2' funktioniert, um diese Einstellung auszuführen.
Dieses befähigt die Haupt-Einheit 1 Berechnungen für alle betroffenen Elemente 2', 3', 4' auszuführen, weshalb die Elemente Mittel für die notwendigen Berechnungen nicht enthalten müssen und auch keine Kapazität hierfür aufwenden müssen. Diese Ausführungsform ergibt jedoch eine höhere Verkehrslast auf dem begrenzten Netzwerk B'.
Entsprechend einer vorgeschlagenen Ausführungsform kann die Zeit-erzeugende-Einheit 11 einen GPS-Empfänger 13 einschließen, mit welchem die Zeit-Referenz für die Zeitmarken erhalten werden kann.
Entsprechend einer weiteren vorgeschlagenen Ausführungsform kann der lokale Oszillator 21 ein Spannungsgesteuerter/geregelter Oszillator sein, welcher es ermöglicht die Frequenz des Oszillators durch Einstellen der Referenz-Spannung des Spannungs-gesteuerten/geregelten Oszillators einzustellen.
Es wird verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene und illustrierte Ausführungsform beschränkt ist und Modifikationen gemacht werden können innerhalb des Geltungsbereichs des erfinderischen Konzepts, das in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Ein Verfahren des Synchronisierens zumindest eines lokalen Oszillators (21) mit einer zentralen Zeiterzeugenden Einheit (11), wobei der lokale Oszillator (21) ein in einem Netzwerk (A) enthaltenes sogenanntes Element (2) bedient, die Zeit-erzeugende Einheit (11) in einer ebenfalls in dem Netzwerk (A) enthalten sogenannten Haupt-Einheit (1) enthalten ist, und wobei die Frequenz des lokalen Oszillators (21) durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden kann, gekennzeichnet dadurch, dass: die Zeit-erzeugende Einheit (11) eine Zeitmarke (TS) in vordefinierten Zeit-Intervallen (τ₀) sendet; die Übertragungszeit der Zeitmarke (TS) von der Haupt-Einheit (1) zu den jeweiligen Elementen (2, 3, 4) für die jeweiligen Elemente mit einem gegebenen Grad an Sicherheit evaluiert wird, auf Grund der physikalischen Anforderungen in dem Teil des Netzwerks (A), welches die Haupt-Einheit (1) und die Elemente (2, 3, 4) einschließt, hier bezeichnet als begrenztes Netzwerk (B), wobei die physikalischen Anforderungen so gut definiert sind, dass die Übertragungszeit der Zeitmarken (TS) von der Haupt-Einheit (1) an die jeweiligen Elemente (2, 3, 4) statistisch bekannt sein wird, wodurch eine solche Evaluierung möglich gemacht wird; und die Zeit zwischen dem Eintreffen der Zeitmarken (TS) zusammen mit der bekannten Übertragungszeit verwendet wird, um den lokalen Oszillator (21) zu kalibrieren.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Übertragungszeit evaluiert werden kann dadurch, dass den Zeitmarken (TS) die höchste Priorität unter allen anderen Informations-Übertragungen in dem begrenzten Netzwerk (B) zugeteilt wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeitmarke (TS) in einem allgemeinen Rundruf an alle Elemente (2, 3, 4) in dem begrenzten Netzwerk (B) gesendet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Gruppe von Zeitmarken in einer kurzen Zeit-Spanne (τ₁₀) bei jeder Übertragung (TS₁, TS₂) übertragen wird, so wie drei aufeinander folgende Zeitmarken in einer Zeit-Spanne von einer Sekunde.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein mathematisches Verfahren, in welchem die Ankunftszeiten der drei Zeitmarken verwendet werden, um die Kalibrierung zu bewirken, wobei die Schwankungen durch einen Zeitfehler (TE) beschrieben werden, welcher durch die Differenz zwischen den vordefinierten und daher erwarteten Zeit-Intervallen und dem durch den lokalen Oszillator (21) gemessenen tatsächlichen Zeit-Intervall (τ₀') zwischen empfangenen Zeitmarken gebildet ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: der Zeitfehler (TE) in eine Oszillator-abhängige Komponente (TE_o) und eine Netzwerk-abhängige Komponente (TE_n) aufgeteilt ist; die Oszillator-abhängige Komponente (TE_o) durch die Eigenschaft des lokalen Oszillators (21) bestimmt ist; die Netzwerk-abhängige Komponente (TE_n) bestimmt ist durch Schwankungen der Übertragungszeiten der jeweiligen Marken von der Zeit-erzeugenden Einheit (11) an die Elemente (2, 3, 4) und durch irgendeinen Messfehler des verwendeten Messverfahrens; eine Evaluierungs-Periode für die Kalibrierung eines lokalen Oszillators in eine erste Phase (F₁) und eine zweite Phase (F₂) unterteilt ist; die erste Phase (F₁) zumindest so lange fortgesetzt wird, bis die Netzwerk-abhängige Komponente (TE) nicht länger eine schädliche Wirkung auf eine Berechnung der relativen Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) hat; die zweite Phase (F₂) sofort nach der ersten Phase (F₁) begonnen wird; die zweite Phase (F₂) kontinuierliche Evaluierung des Zeitfehlers (TE) einschließt; und die zweite Phase (F₂) mit Kalibrierung und Einstellung des lokalen Oszillators (21) beendet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Phase (F₂) beendet wird, bevor die relative Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) eine akzeptierte maximale relative Frequenzabweichung (Y_max) erreicht.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Phase (F₂) beendet wird, bevor der Zeitfehler (TE) einen vorbestimmten Wert erreicht, welcher kleiner als oder gleich einem akzeptierten maximalen Zeitfehler (TE_max) ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das mathematische Verfahren eine Evaluierung der relativen Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) entsprechend der Formel
einschließt, wobei Y die relative Frequenzabweichung, N die Anzahl der empfangenen Zeitmarken, τ₀ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken, TE_i der Zeitfehler für die jeweiligen empfangenen Zeitmarken sind und Nτ₀ daher die Zeit-Dauer der zweiten Phase ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeitmarken in Intervallen von 15 Minuten bis 4 Stunden gesendet werden, solchen wie einem einstündigen Interim (Zeitabstand).
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: Evaluieren der Frequenz-Verschiebung (D) des lokalen Oszillators (21); und Verwenden der Verschiebung (D) für das Korrigieren des lokalen Oszillators (21) in dem Fall, in welchem die Zeitmarken von der zentralen Zeit-erzeugenden Einheit (11) verloren sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Verschiebung (D) entsprechend der folgenden Formel evaluiert wird:
in welcher D die Verschiebung des lokalen Oszillators, M die Anzahl der Zeitmarken, τ₁ das Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken und TE_j der Zeitfehler betreffend die jeweiligen Zeitmarken ist.
Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Speichern der Ergebnisse der verschiedenen Kalibrierungen, um so einen für die Verschiebung des lokalen Oszillators (21) charakteristischen Wert zu erhalten, zur Verwendung bei der Einstellung des Oszillators in dem Fall, in welchem die Zeitmarken (TS) von der Zeit-erzeugenden Einheit (11) verloren sind.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Verwenden eines Zeit-Intervalls zwischen gesendeten Zeitmarken, welches viel kürzer ist als das Zeit-Intervall (τ_i) für das Senden der Zeitmarken in einem Kalibrierungs-Vorgang für das anfängliche Evaluieren eines Oszillators bei der Initialisierung eines zu einem Element (6) in dem begrenzten Netzwerk (B) gehörenden neuen Oszillators (61) während eines Initialisierungs-Intervalls für den neuen Oszillator (61).
Ein Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass Zeitmarken von dem Element (6), welches den neuen Oszillator (61) enthält, durch das Mittel einer das erwünschte Zeit-Intervall (τ_i), das erwünschte Initialisierungs-Intervall (T_i), etc., feststellenden Anforderung von der Haupt-Einheit (1) angefordert werden.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Haupt-Einheit (1) bei der Initialisierung eines neuen Oszillators (61) verlangte Parameter an das Element (6), welches den neuen Oszillator (61) enthält, sendet, solche wie die erwarteten Zeit-Intervalle (τ₀) zwischen gesendeten Zeitmarken (TS), die Zeit-Periode für die erste Phase (F₁), die Zeit-Periode für die zweite Phase (F₂), sowie eventuell andere Parameter.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Informations-Teil der Zeitmarken (TS) nur solche Information enthält, die notwendig ist, um die Zeitmarke in einer korrekten Weise als Zeitmarke zu identifizieren.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeitmarken (TS') absolute Zeit-Information einschließen, wobei auch die Bestimmung von TOD (Tageszeit (Time of Day)) bereitgestellt ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch das Kombinieren des Verfahrens mit einem Verfahren, welches entsprechend dem ,Rundreise-Verzögerungs-Prinzip' (Round Trip Delay Principle), einem solchen wie dem ,Netzwerk-Zeit-Protokoll' (Network time Protocol), funktioniert.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass: die Elemente (2') erforderliche Information sammeln, um eine Kalibrierung während der zweiten Phase (F₂) zu bewirken; die Elemente (2') diese Information an die Haupt-Einheit (1') senden; die Haupt-Einheit (1') die notwendigen Berechnungen ausführt, um einen Wert für die Kalibrierung des lokalen Oszillators (21') zu erzeugen; die Haupt-Einheit (1') einen Einstell-Wert für den lokalen Oszillator (21') an das Element (2') sendet; und das Element (2') die notwendigen Einstellungen ausführt.
Ein Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeiterzeugende Einheit (11) einen GPS-Empfänger (13) einschließt, durch welchen die Referenz-Zeit für die Zeitmarken (TS) erhalten wird.
Eine Anordnung für das Synchronisieren von zumindest einem lokalen Oszillator (21) mit einer zentralen Zeiterzeugenden Einheit (11), wobei der lokale Oszillator (21) angepasst ist, um ein in einem Netzwerk (A) enthaltenes sogenanntes Element (2) zu bedienen, wobei die Zeit-erzeugende Einheit (11) in einer sogenannten Haupt-Einheit (1) in dem Netzwerk (A) enthalten ist und wobei die Frequenz des lokalen Oszillators (21) durch periodische und automatische Kalibrierung gesteuert/geregelt werden kann, gekennzeichnet dadurch, dass: die Haupt-Einheit (1) eine Sende-Einheit (12) einschließt; die Sende-Einheit (12) angepasst ist, um eine durch die Zeit-erzeugende Einheit (11) in vordefinierten Zeit-Intervallen (τ₀) erzeugten Zeitmarke (TS) zu senden; die physikalischen Erfordernisse innerhalb eines Teils des Netzwerks, welches die Haupt-Einheit (1) und die Elemente (2, 3, 4) einschließt, der Teil hier bezeichnet als begrenztes Netzwerk (B), so gut definiert sind, dass die Übertragungszeit der Zeitmarke (TS) von der Sende-Einheit (12) an eine zu einem bestimmten Element (2) gehörige Empfangs-Einheit (23) mit einem gegebenen Grad von Sicherheit evaluiert werden kann; und eine zu dem Element gehörige Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um den lokalen Oszillator (21) mit Hilfe des Ankunfts-Interims (Zeit-Abstands) der Zeitmarken und der bekannten Übertragungszeit zu kalibrieren.
Eine Anordnung nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, dass in dem begrenzten Netzwerk (B) enthaltene Knoten (S1, S2, S3) angepasst sind, um den Zeitmarken die höchste Priorität unter allen Informations-Übertragungen zuzuteilen, so dass die bekannte Übertragungszeit mit einem höheren Grad an Sicherheit evaluiert werden kann.
Eine Anordnung nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, gekennzeichnet dadurch, dass die Sende-Einheit (12) angepasst ist, um die Zeitmarke (TS) an alle Elemente (2, 3, 4) innerhalb des begrenzten Netzwerks (B) in einer allgemeinen Sendung oder einem Rundruf zu senden.
Eine Anordnung nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, gekennzeichnet dadurch, dass die Sende-Einheit (12) angepasst ist, um eine Gruppe von Zeitmarken innerhalb einer kurzen Zeit-Spanne (τ₁₀) in jeder Übertragung (TS₁, TS₂) zu senden, solche wie drei aufeinender folgende Zeitmarken bei einem Interim (Zeit-Abstand) von einer Sekunde.
Eine Anordnung nach Anspruch 22, 23, 24 oder 25, gekennzeichnet dadurch, dass: die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um ein mathematisches Oszillator-Kalibrierungs-Verfahren zu verwenden, welches die Ankunfts-Zeiten der Zeitmarken in der Kalibrierung verwendet; die Schwankungen durch einen Zeitfehler (TE) beschrieben werden können, welcher die Differenz zwischen vordefinierten, und daher erwarteten, Zeit-Intervallen (τ₀) und dem tatsächlichen Zeit-Intervall (τ₀') zwischen empfangenen Zeitmarken darstellt; und der lokale Oszillator (21) angepasst ist, um das tatsächliche Zeit-Intervall (τ₀') zu messen.
Eine Anordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet dadurch, dass die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um den Zeitfehler (TE) in eine Oszillator-abhängige Komponente und eine Netzwerk-abhängige Komponente aufzuteilen; die Oszillator-abhängige Komponente (TE₀) auf der Basis der Eigenschaft des lokalen Oszillators (21) bestimmt werden kann; die Netzwerk-abhängige Komponente (TE_n) bestimmt werden kann durch Schwankungen der Übertragungszeiten der jeweiligen Zeitmarken von der Sende-Einheit (12) an die Empfangs-Einheit (23) und durch mögliche Messfehler des verwendeten Messverfahrens; die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um eine Evaluierungs-Periode für die Kalibrierung eines lokalen Oszillators (21) in eine erste Phase (F₁) und eine zweite Phase (F₂) zu unterteilen; die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um der ersten Phase (F₁) zu erlauben, zumindest so lange anzudauern, bis die Netzwerk-abhängige Komponente (TE_n) nicht länger irgendeine schädliche Wirkung auf eine Berechnung der relativen Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) hat; die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die zweite Phase (F₂) sofort nach der ersten Phase (F₁) zu beginnen; die Kalibrierungs-Einheit (22) eine Evaluierungs-Einheit (22a) einschließt, welche angepasst ist, um den Zeitfehler (TE) kontinuierlich während der zweiten Phase (F₂) zu evaluieren; und die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die zweite Phase (F₂) mit Kalibrierung und Einstellung des lokalen Oszillators (21) zu beenden.
Eine Anordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet dadurch, dass die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die zweite Phase (F₂) zu beenden, bevor die relative Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) eine maximal akzeptierte relative Frequenzabweichung (Y_max) erreicht.
Eine Anordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet dadurch, dass die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die zweite Phase (F₂) zu beenden bevor der Zeitfehler (TE) einen vorbestimmten Wert erreicht, welcher kleiner als oder gleich einem maximal akzeptierten Zeitfehler (TE_max) ist.
Eine Anordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet dadurch, dass die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die relative Frequenzabweichung (Y) des lokalen Oszillators (21) mittels eines mathematischen Verfahrens entsprechend der Formel
zu evaluieren, in welcher Y die relative Frequenzabweichung, N die Anzahl der empfangenen Zeitmarken, τ₀ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken, TE_i der Zeitfehler für die jeweiligen empfangenen Zeitmarken sind und Nτ₀ daher die Zeit-Dauer der zweiten Phase ist.
Eine Anordnung nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeit-erzeugende Einheit (11) und die Sende-Einheit (12) angepasst sind, um die Zeitmarken in Intervallen von 15 Minuten bis zu 4 Stunden zu erzeugen und zu senden, solchen wie einem einstündigen Interim.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 31, gekennzeichnet dadurch, dass die Evaluierungs-Einheit (22a) angepasst ist, um die Frequenz-Verschiebung (D) des lokalen Oszillators (21) zu evaluieren; der Wert der Verschiebung (D) in einem Speicher-Bereich (24) gespeichert werden kann, welcher für die Kalibrierungs-Einheit verfügbar ist; die Kalibrierungs-Einheit angepasst ist, um den gespeicherten Wert für das Korrigieren oder Einstellen des lokalen Oszillators (21) zu verwenden, wenn die Zeitmarken von der zentralen Zeit-erzeugenden Einheit (11) verloren sind.
Eine Anordnung nach Anspruch 32, gekennzeichnet dadurch, dass die Evaluierungs-Einheit (22a) angepasst ist, um die Verschiebung entsprechend der folgenden Formel
zu evaluieren, in welcher D die Verschiebung des lokalen Oszillators, M die Anzahl der Zeitmarken, τ₁ das Zeit-Intervall zwischen gesendeten Zeitmarken und TE_E der Zeitfehler betreffend die jeweiligen Zeitmarken ist.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 31, gekennzeichnet dadurch, dass: die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die Ergebnisse von verschiedenen Kalibrierungen in einem Speicher-Bereich zu speichern; und die Kalibrierungs-Einheit (22) angepasst ist, um die gespeicherten Ergebnisse für das Einstellen der Oszillatoren in dem Fall zu verwenden, in welchem die Zeitmarken von der zentralen Zeit-erzeugenden Einheit (11) verloren sind.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 34, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeit-erzeugende Einheit (11) angepasst ist, um Zeitmarken mit einem Zeit-Intervall (τ_i) zwischen gesendeten Zeitmarken zu erzeugen, welches viel kürzer ist als das Zeit-Intervall (τ₀) für gesendete Zeitmarken in einem Kalibrierungs-Vorgang während einer Initialisierungs-Stufe eines neuen zu einem Element (6) in dem begrenzten Netzwerk (B) gehörigen Oszillators (61).
Eine Anordnung nach Anspruch 35, gekennzeichnet dadurch, dass das Element (6), welches den neuen Oszillator (61) enthält, angepasst ist, um die Zeitmarken in einer Anforderung, feststellend die erwünschten Zeit-Intervalle (τ_i), die erwünschten Initialisierungs-Intervalle (T_i), etc., bei der Haupt-Einheit (1) anzufordern,
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 36, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Initialisierung eines neuen Oszillators (61) die Haupt-Einheit (1) fungiert, um notwendige Parameter, wie erwartete Zeit-Intervalle (τ_i) zwischen gesendeten Zeitmarken (TS), Zeit-Perioden der ersten Phase (T₁), Zeit-Perioden der zweiten Phase (T₂) und etwaige andere Parameter, an das den neuen Oszillator (61) enthaltende Element (6) zu senden.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 37, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeit-erzeugende Einheit (11) angepasst ist, um Zeitmarken (TS) zu erzeugen, wobei der Informations-Teil der Zeitmarken nur Information einschließt, die notwendig ist, um die Zeitmarke in einer korrekten Weise als Zeitmarke zu identifizieren.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 38, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeit-erzeugende Einheit (11) angepasst ist, um Zeitmarken (TS') zu erzeugen, welche absolute Zeit-Information einschließen, wodurch auch die Bestimmung von TOD (Tageszeit (Time of Day)) bereitgestellt ist.
Eine Anordnung nach Anspruch 39, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung angepasst ist, um in Kombination mit einem anderen Verfahren zu arbeiten, welches entsprechend dem ,Rundreise-Verzögerungs-Prinzip' (Round Trip Delay Principle), einem solchen wie dem ,Netzwerk-Zeit-Protokoll' (Network time Protocol), funktioniert.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 40, gekennzeichnet dadurch, dass: das Element (2') eine Sammel-Einheit (25') einschließt; die Sammel-Einheit (25') angepasst ist, um Information zu sammeln, die erforderlich ist, um die Kalibrierung während der zweiten Phase (F₂) zu bewirken und um diese Information an die Haupt-Einheit (1') zu senden; die Haupt-Einheit eine Berechnungs-Einheit (14') einschließt, welche angepasst ist, um einen Kalibrierungs-Wert des lokalen Oszillators zu erhalten und den Wert an das Element (2') zu senden; und das Element (2') angepasst ist, um die notwendige Einstellung in Übereinstimmung mit dem empfangenen Wert zu bewirken.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 41, gekennzeichnet dadurch, dass die Zeit-erzeugende Einheit (11) einen GPS-Empfänger (13) einschließt, mittels welchem die Referenz-Zeit für die Zeitmarken erhalten werden kann.
Eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 42, gekennzeichnet dadurch, dass: der lokale Oszillator (21) ein Spannungsgesteuerter/geregelter Oszillator ist; und die Einstellung bewirkt wird durch Einstellen der Referenz-Spannung des Spannungs-gesteuerten/geregelten Oszillators.