FR2837038A1 - Procede et systeme d'extraction de signal d'horloge permettant une synchronisation des horloges sur un reseau de transmission par paquets - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un système d'extraction de signal d'horloge pour services isochrones dans un réseau de transmission de paquets, le système comprenant des premier et deuxième oscillateurs locaux stables (20, 22) se trouvant respectivement en des noeuds d'émission et de réception, une première couche de transfert de positionnement temporel (25) servant à synchroniser les oscillateurs sur la base de la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre les oscillateurs, et une deuxième couche de transfert de positionnement temporel servant à transférer les informations de positionnement temporel entre les noeuds d'émission et de réception par l'envoi d'informations de positionnement temporel se rapportant à un signal d'horloge de service, dans le noeud d'émission, à destination du premier oscillateur stable (20) et par l'extraction dudit signal d'horloge de service, dans le noeud de réception, à partir desdites informations de positionnement temporel et dudit deuxième oscillateur stable (22), sans qu'il faille faire usage d'un signal d'horloge commun du réseau.
Description
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La présente invention concerne de façon générale la synchronisation des réseaux et l'extraction des signaux d'horloge et, plus particulièrement, elle concerne les réseaux de transmission de paquets qui émettent et reçoivent des données isochrones. Plus particulièrement, l'invention concerne un noeud de réseau qui maintient la synchronisation du réseau en utilisant une estampille de temps résiduel synchrone (SRTS, d'après "Synchronous Residual Time Stamp"), où un positionnement temporel de référence est déduit de signaux d'horloge locaux qui sont disponibles au niveau des noeuds de source et de destination, par opposition à un signal d'horloge de réseau commun de bout en bout.
Les réseaux de paquets sont commodes pour transférer des données insensibles au temps, comme des fichiers d'ordinateur, entre des noeuds éloignés. Lorsque l'on souhaite envoyer des données sensibles au temps, ou isochrones, comme des signaux vocaux et vidéo, sur un réseau de paquets, il faut trouver certains moyens pour transporter le signal d'horloge de service, à savoir, le signal d'horloge qui est originaire du service isochrone. Les caractéristiques de ce signal d'horloge ainsi que les données isochrones associées doivent être transportées sur le réseau sans devoir envoyer réellement le signal d'horloge lui-même.
Le réseau de paquets utilise un signal d'horloge de référence commun, connu sous l'appellation d'horloge de réseau, ou de signal d'horloge de réseau, afin de cadencer les données sur le réseau de paquets. Parfois, mais pas toujours, le signal d'horloge de réseau est rendu disponible aux noeuds de source et de destination.
Chaque noeud produit un signal d'horloge local dont la fréquence peut être numériquement ajustée. On utilise celle-ci pour régénérer le signal d'horloge de service sur le noeud de réception.
Le transfert de données vocales et vidéo synchrones sur un réseau de paquets entre des noeuds nécessite que les signaux d'horloge des noeuds soient synchronisés pour qu'on puisse empêcher des pertes de données dues à des dérives. Une dérive peut être définie comme un débordement (dépassement positif) ou un dépassement négatif de tampons de données, qui sont typiquement conçus pour absorber les instabilités et les errements (variations d'horloge de basse fréquence). Les dérives des signaux vidéo dégradent les performances visuelles et il est donc important de reconstruire avec une grande précision la
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synchronisation de la source. Des dérives de signaux d'horloge dans les connexions de signaux vocaux numériques provoquent des bruits de cliquetis et de détonation qui dégradent les performances audio.
L'accumulation d'instabilités et d'errements dans des réseaux vocaux doit être contrôlée pour qu'on puisse assurer un service de qualité élevée. La précision voulue d'un signal d'horloge extrait, ou reconstitué, à l'extrémité asservie d'un réseau de paquets peut dépendre des exigences du reste du réseau que ce signal d'horloge doit synchroniser.
L'accumulation d'instabilités et d'errements dans des réseaux vocaux doit être contrôlée pour qu'on puisse assurer un service de qualité élevée. La précision voulue d'un signal d'horloge extrait, ou reconstitué, à l'extrémité asservie d'un réseau de paquets peut dépendre des exigences du reste du réseau que ce signal d'horloge doit synchroniser.
Il existe plusieurs procédés pour transporter des informations d'horloge sur des réseaux de paquets, comme par exemple un moyen permettant de produire un cadencement d'horloge synchronisé à l'une et l'autre extrémité du réseau pour les services isochrones (par exemple signaux vocaux et vidéo). Les procédés les plus remarquables sont le mode plésiochrone, le procédé SRTS (ou une variante du procédé RTS, à savoir "estampille de temps résiduel"), ou le procédé du récepteur adaptatif de signal d'horloge (ACR,"Adaptative Clock Receiver"). On préfère généralement le procédé SRTS lorsqu'un signal d'horloge de réseau commun de bout en bout est disponible, et on choisit, aussi, souvent le procédé ACR lorsqu'un signal d'horloge de réseau commun n'est pas disponible. On peut utiliser le mode plésiochrone lorsqu'une source de signaux d'horloge"stratem-1"pouvant être retrouvée est disponible aux deux bouts du réseau, par exemple lorsqu'un signal d'horloge GPS (d'après"global positionning system") est disponible. On utilise largement les procédés SRTS aussi bien que ACR dans les réseaux à mode de transfert asynchrone (ATM), le procédé ACR étant de plus en plus utilisé du fait de l'absence d'un signal d'horloge de réseau synchronisé de bout en bout. Les deux procédés peuvent aussi être utilisés pour d'autres types de réseaux de paquets, par exemple des réseaux IP (à savoir "protocole Internet") avec couche 2 d'Ethernet, même si le signal d'horloge de réseau synchrone est rarement disponible avec Ethernet. Les procédés d'extraction de signal d'horloge selon la technique antérieure semblent utiliser l'un des procédés ci-dessus, ou bien peuvent sélectionner l'un d'eux à un moment donné quelconque, selon ce qui est nécessaire.
Dans le procédé SRTS, des informations de positionnement temporel sont transportées dans le réseau avec les données transmises.
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Le noeud de destination utilise ces informations de positionnement temporel pour reconstituer la fréquence du signal d'horloge de service du noeud de source, qui détermine la fréquence du signal d'horloge de service du noeud de destination. Le procédé SRTS doit avoir un signal d'horloge commun disponible aux deux bouts du réseau de paquets. Le procédé SRTS est basé sur le codage de la différence de fréquence entre le signal d'horloge de service et un signal d'horloge de référence de réseau, qui est codée en une estampille de temps résiduel (RTS). Cette estampille de temps résiduel est codée à l'intérieur des entêtes de paquet et est transportée jusqu'à l'autre côté du réseau. La même différence de fréquence est reproduite de l'autre côté du réseau, ce qui a pour effet de reproduire le signal d'horloge de service sur le noeud de réception.
Le procédé ACR permet la reconstruction de la fréquence d'horloge du côté maître dans le noeud esclave sans qu'il faille utiliser un signal d'horloge de réseau commun. La distribution d'un signal d'horloge de réseau commun n'est ordinairement pas possible dans les réseaux Ethernet, par exemple.
Le procédé ACR repose généralement sur le niveau de remplissage d'un tampon recevant le trafic de données entrant. La fréquence locale est ajustée de façon à maintenir le niveau de remplissage du tampon à un niveau plus ou moins constant (par exemple à moitié plein). D'autres procédés ACR ont également été publiés, où on prend la moyenne à long terme des temps d'arrivée d'estampilles temporelles à l'intérieur des paquets, que l'on compare localement avec les estampilles temporelles produites, et que l'on filtre pour produire un signal de commande de correction d'erreur que l'on applique à la fréquence de l'oscillateur local.
Le procédé SRTS a pour avantage qu'il donne généralement une plus grande précision de reconstruction (extraction) de signal d'horloge que ne le fait le procédé ACR. Le procédé SRTS ne s'appuie pas sur des statistiques relatives à l'instabilité du paquet ou de la cellule, sauf que celle-ci a une amplitude limitée connue. Par conséquent, le signal d'horloge extrait offre la capacité d'un haut degré de stabilité en fréquence qui n'est pas affecté par les variations de retard de la cellule ou du paquet, et il est en mesure de transférer les caractéristiques d'errements du signal d'horloge de service (ce qui est important).
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Un inconvénient du procédé d'extraction de signal d'horloge SRTS est que celui-ci suppose qu'un signal d'horloge de référence de e réseau commun est fourni aux noeuds de source et de destination. Un signal d'horloge de référence de réseau commun est souvent non disponible, et cela pour plusieurs raisons. Chaque partie du réseau peut avoir un domaine séparé de positionnement temporel et il serait donc synchronisé sur un signal d'horloge de référence différent. Plusieurs réseaux ATM interconnectés constituent un exemple, puisque les réseaux ATM séparés n'utilisent pas le même signal d'horloge. Des réseaux IP qui font appel à Ethernet constituent un autre exemple (plus extrême), où chaque saut de réseau peut utiliser une horloge physique différente, la différence de positionnement temporel étant compensée par l'insertion de données inactives inter-trames. Une perte de synchronisation pourrait se produire et, dans ce cas, le réseau continuera à fonctionner en utilisant un signal d'horloge de maintien venant d'une source locale interne à un noeud de réseau, c'est-à-dire ne pouvant pas faire l'objet d'une localisation à un PRS.
Le procédé ACR a pour avantage qu'il n'a pas besoin d'un signal d'horloge de réseau commun, mais il a pour inconvénient qu'il faut tenter de dégager par filtrage les statistiques relatives aux variations de retard des paquets. Ceci nécessite une boucle à phase asservie ayant une fréquence de coupure très basse. Il y a un compromis entre la constante de temps de filtrage (qui affecte le temps de convergence) et les performances en matière d'errements. Il est souvent nécessaire de transférer les caractéristiques d'errements du signal d'horloge de service plutôt que de tenter de les filtrer. Le procédé ACR peut, en réalité, ajouter de grandes quantités d'errements au signal d'horloge de service transporté, du fait des statistiques changeantes des variations des retards des paquets de réseau.
Les brevets des EUA suivants concernent de façon générale ces
systèmes SRTS et ACR connus : 5 260 978 ; 6 122 337 ; 5 742 649 ; 5 896 427 ; 5 396 492 ; 6 157 646 ; 5 812 618 ; 6 026 074 ; 6 144 714 ; 6 167 048 ; 5 822 383 ; 6 044 092 ; 5 912 880 ; 5 740 173 ; 5 825 750 ; 6 046 645 ; 6 111 878 ; 6 137 778 ; 6 144 674 ; 6 195 353 ; 6 011 823 ; 5 608 731 ; 5 896 388 ; 6 108 336.
systèmes SRTS et ACR connus : 5 260 978 ; 6 122 337 ; 5 742 649 ; 5 896 427 ; 5 396 492 ; 6 157 646 ; 5 812 618 ; 6 026 074 ; 6 144 714 ; 6 167 048 ; 5 822 383 ; 6 044 092 ; 5 912 880 ; 5 740 173 ; 5 825 750 ; 6 046 645 ; 6 111 878 ; 6 137 778 ; 6 144 674 ; 6 195 353 ; 6 011 823 ; 5 608 731 ; 5 896 388 ; 6 108 336.
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Il est possible de trouver une description complète du procédé SRTS dans"Synchronous Residual Time Stamp (SRTS)", présenté dans ITU-T 1. 363.1 B-ISDN ATM Adaptation Layer specification : Type 1 AAL, pages 13-16, auquel on voudra bien se reporter.
Selon l'invention, il est proposé un procédé permettant d'extraire un signal d'horloge de service dans un réseau de paquets en vue de la fourniture de services isochrones, qui comprend les opérations suivantes : placer des premier et deuxième oscillateurs locaux stables en des noeuds respectifs d'émission et de réception ; produire de premières informations de positionnement temporel se rapportant audit premier oscillateur local stable ; transférer lesdites premières informations de positionnement temporel entre lesdits noeuds d'émission et de réception
sur le réseau de paquets en se basant sur la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux stables ; utiliser lesdites premières informations de positionnement temporel pour commander le deuxième oscillateur local stable ; produire des deuxièmes informations de positionnement temporel se rapportant audit signal d'horloge de service à destination dudit premier oscillateur local stable ; et extraire ledit signal d'horloge de service, dans le noeud de réception, à partir desdites deuxièmes informations de positionnement temporel et dudit deuxième oscillateur local stable.
sur le réseau de paquets en se basant sur la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux stables ; utiliser lesdites premières informations de positionnement temporel pour commander le deuxième oscillateur local stable ; produire des deuxièmes informations de positionnement temporel se rapportant audit signal d'horloge de service à destination dudit premier oscillateur local stable ; et extraire ledit signal d'horloge de service, dans le noeud de réception, à partir desdites deuxièmes informations de positionnement temporel et dudit deuxième oscillateur local stable.
L'invention emploie un système d'extraction de signal d'horloge à deux couches. Dans un mode de réalisation préféré, la première couche est constituée d'oscillateurs locaux se trouvant aux noeuds du réseau ayant un degré relativement élevé de stabilité de fréquence (par rapport au signal d'horloge de service), en liaison avec un procédé ACR visant à accorder l'oscillateur local se trouvant du côté esclave sur la même fréquence que celle existant du côté maître. L'appareil peut comporter un oscillateur local pouvant être numériquement commandé, dont la fréquence est accordée, par exemple, au moyen du procédé ACR qui mesure la différence entre la fréquence locale et une fréquence moyenne à long terme de temps d'arrivée inter-paquet d'estampilles de temps (notées TS). Beaucoup d'autres procédés aboutissant à cela sont bien connus de l'homme de l'art.
La deuxième couche consiste en un appareil et un procédé d'extraction de signal d'horloge SRTS, mais agissant sans utilisation d'un
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signal d'horloge de réseau commun de bout en bout. Au lieu du signal d'horloge de réseau, on utilise le signal d'horloge local de stabilité élevée, qui a été précédemment décrit au titre du signal d'horloge de la première couche. Le degré de performance du signal d'horloge de service extrait par rapport au signal d'horloge de service de la source dépend de la stabilité à long terme du signal d'horloge local, et de la durée correspondante disponible pour qu'un algorithme ACR résolve la différence de fréquence des oscillateurs locaux.
En utilisant une combinaison de procédé SRTS et de procédé ACR en même temps, on peut éliminer la nécessité d'un signal d'horloge de réseau commun (qui est imposé dans le procédé SRTS).
La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 est un schéma fonctionnel montrant un appareil SRTS selon la technique antérieure ; la figure 2 est un schéma fonctionnel montrant un système SRTS amélioré doté d'oscillateurs de signal d'horloge locaux selon un mode de réalisation de l'invention ; et la figure 3 est un graphe montrant la relation qui existe entre la stabilité d'oscillateurs locaux et la durée Vs d'écart de fréquence qui est disponible pour déterminer la différence de fréquence entre oscillateurs locaux.
Comme représenté sur la figure 1, dans une application isochrone typique, un signal d'horloge de service 1 associé à des données vocales ou vidéo devant être transféré sur le réseau de paquets 12 est fourni dans le générateur SRTS 10, lequel produit une estampille de temps SRTS qui est fournie à l'unité 11 d'assemblage de paquet. L'estampille de temps SRTS est transférée dans le réseau de paquets 12 à un récepteur 13, où il est extrait et utilisé pour produire le signal d'horloge de service local 2, qui reproduit le signal d'horloge d'émission 1.
Les données sont cadencées sur le réseau de paquets par un signal d'horloge de réseau 14, lequel est rendu disponible aux noeuds d'émission et de réception. Comme noté ci-dessus, l'inconvénient dans cette disposition est que le signal d'horloge de réseau 14 doit être
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disponible aux deux noeuds pour que le récepteur puisse extraire les informations de positionnement temporel de la source.
La figure 2 est un schéma fonctionnel montrant un système SRTS amélioré selon un mode de réalisation de l'invention. On utilise une approche SRTS telle que décrite en liaison avec la figure 1, sauf que, au lieu d'employer un signal d'horloge de réseau commun, on emploie des oscillateurs locaux stables.
Du côté d'émission, l'oscillateur local 20, qui présente un haut degré de stabilité par rapport à l'horloge de service, produit un signal d'horloge"local", qui est appliqué en entrée au générateur SRTS 10. Il est alors produit une estampille de temps SRTS sur la base du signal d'horloge local.
Une unité de première couche 21 produit alors des paquets à estampille de temps TS dans une première installation 25 d'estampille de temps de première couche, qui sont envoyés via le réseau 12 à une unité 21 boucle à phase asservie double et de suppression d'instabilité des paquets, laquelle unité commande un oscillateur local 22 pouvant être commandé numériquement qui se trouve du côté réception. On effectue le réglage d'accord de l'oscillateur local 22 en utilisant par exemple le procédé ACR, qui mesure la différence entre la fréquence locale et une fréquence moyenne à long terme des temps d'arrivée inter-paquet des estampilles de temps. L'homme de l'art comprendra qu'on peut employer dans ce but un grand nombre de techniques connues.
La deuxième couche est constituée par l'appareil d'extraction de signal d'horloge SRTS, lequel utilise l'horloge locale de stabilité élevée 20 pour produire l'estampille de temps SRTS dans l'unité SRTS 10.
Dans le noeud de réception, le récepteur 13 utilise l'horloge locale régénérée 22, au lieu de l'horloge du réseau, pour extraire le signal d'horloge de service 2 de l'estampille de temps SRTS reçue. Le degré de performance du signal d'horloge de service extrait relativement au signal d'horloge de service de source dépend de la stabilité à long terme de l'horloge locale et de la durée correspondante disponible pour qu'un algorithme ACR résolve la différence de fréquence des oscillateurs locaux 20 et 22.
La figure 3 montre la relation qui existe entre l'écart de fréquence et la durée disponible pour l'algorithme ACR en fonction de la
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stabilité à long terme de l'oscillateur local. La stabilité à long terme de l'oscillateur augmente avec l'augmentation de la durée disponible pour calculer la différence de fréquence entre les oscillateurs locaux.
Selon l'invention, les oscillateurs locaux de stabilité élevée sont en effet"disciplinés"en fréquence par le procédé ACR, sur la base de la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre les noeuds du réseau. A titre d'exemple, lorsqu'on dispose d'une horloge locale au rubidium ou au césium qui est très stable, la différence de fréquence initiale entre les signaux d'horloge locaux des noeuds du réseau doit être très petite, par conception. L'action de"discipline"visant à effectuer l'accord de fréquence de l'oscillateur esclave ne sera effectuée qu'après de longues périodes de temps de mesure pour déterminer et éliminer la différence de fréquence entre les oscillateurs. A la limite, on se retrouve dans le cas où une horloge de réseau commune était disponible pour les noeuds du réseau.
II est important de noter que ce procédé à deux couches selon l'invention offre la possibilité de transférer des informations d'errements et de changements de phase qui sont propres au signal d'horloge de service de la source, avec un haut niveau de performance. La première couche peut utiliser des constantes de longue durée pour la détermination de la différence de fréquence ou pour un filtre à boucle à phase asservie.
La deuxième couche peut donc utiliser un procédé tel que le procédé SRTS, qui peut transférer des caractéristiques à court terme du signal d'horloge de service sans qu'il y ait dépendance avec la statistique des variations des retards du réseau.
Etant donné que l'on peut choisir, par conception, la stabilité de fréquence des oscillateurs locaux, il doit donc être possible de déterminer le niveau de performance du signal d'horloge de service extrait en fonction de la stabilité (et, par conséquent, du coût) des oscillateurs locaux.
Alors que, pour des raisons de commodité, l'invention a été décrite en relation avec un noeud d'émission et un noeud de réception, l'homme de l'art comprendra naturellement que les noeuds sont bidirectionnels. L'un et l'autre noeud peuvent aussi bien émettre que recevoir.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du système dont la description vient d'être donnée à
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titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.
Claims (11)
1. Procédé permettant d'extraire un signal d'horloge de service dans un réseau de transmission de paquets en vue de la fourniture de services isochrones, comprenant les opérations suivantes : prévoir des premier et deuxième oscillateurs locaux stables respectivement en un noeud d'émission et un noeud de réception ; produire des premières informations de positionnement temporel pour ledit premier oscillateur local stable ; transférer lesdites premières informations de positionnement temporel entre lesdits noeuds d'émission et de réception sur le réseau de paquets en se basant sur la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre les premier et deuxième oscillateurs locaux stables ; utiliser lesdites premières informations de positionnement temporel pour commander ledit deuxième oscillateur local stable (22) ; produire des deuxièmes informations de positionnement temporel se rapportant audit signal d'horloge de service à destination dudit premier oscillateur local stable (20) ; et extraire ledit signal d'horloge de service, dans le noeud de réception, à partir desdites deuxièmes informations de positionnement temporel et dudit deuxième oscillateur local stable.
2. Procédé selon la revendication 1, où lesdites premières informations de positionnement temporel sont transférées au moyen d'une technique ACR, à savoir récepteur adaptatif de signal d'horloge.
3. Procédé selon la revendication 2, où lesdites deuxièmes informations de positionnement temporel sont codées au moyen d'une estampille de temps résiduel synchrone, ce que l'on note SRTS, sur la base desdits premier et deuxième oscillateurs locaux sans qu'il soit fait référence à un signal d'horloge de réseau commun.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où des paquets à estampille de temps sont produits dans le noeud d'émission et sont transférés sur le réseau à destination du noeud de réception, et le noeud de réception extrait les premières informations de positionnement temporel à partir de la moyenne à long terme des temps d'arrivée inter-paquet de paquets à estampille de temps.
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5. Procédé selon la revendication 4, où lesdits paquets à estampille de temps sont reçus par une unité de suppression des instabilités et formant une boucle à phase asservie double, qui commande ledit deuxième oscillateur local.
6. Procédé selon la revendication 5, où ledit deuxième oscillateur local stable est un oscillateur local commandé numériquement.
7. Système d'extraction de signal d'horloge pour services isochrones dans un réseau de transmission de paquets, comprenant : des premier et deuxième oscillateurs locaux stables (20,22) se trouvant respectivement à des noeuds d'émission et de réception ; une première couche de transfert de positionnement temporel (25) servant à synchroniser lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux sur la base de la moyenne à long terme de la différence de fréquence entre lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux stables ; et une deuxième couche de transfert de positionnement temporel servant à transférer des informations de positionnement temporel entre lesdits noeuds d'émission et de réception par l'envoi d'informations de positionnement temporel se rapportant à un signal d'horloge de service, dans le noeud d'émission, à destination du premier oscillateur local stable et par extraction dudit signal d'horloge de service, dans le noeud de réception, à partir desdites informations de positionnement temporel et dudit deuxième oscillateur stable, sans qu'il faille utiliser un signal d'horloge de réseau commun.
8. Système d'extraction de signal d'horloge selon la revendication 7, où ladite première couche emploie une technique d'extraction de signal d'horloge adaptative afin de synchroniser lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux (20,22).
9. Système d'extraction de signal d'horloge selon la revendication 8, où ladite première couche de transfert de positionnement temporel comprend une unité de production d'estampille de temps, placée dans le noeud d'émission, afin de produire des paquets à estampille de temps pour ledit premier oscillateur local stable, et une deuxième unité d'extraction de positionnement temporel placée dans ledit noeud de réception et servant à extraire des informations de positionnement
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temporel à partir de la moyenne à long terme des temps d'arrivée interpaquet de paquets à estampille de temps.
10. Système d'extraction de signal d'horloge selon la revendication 9, où ladite deuxième couche de transfert de positionnement temporel utilise une technique SRTS, à savoir estampille de temps résiduel synchrone, en se basant sur lesdits premier et deuxième oscillateurs locaux stables pour transférer lesdites informations de positionnement temporel sans qu'il faille faire usage d'un signal d'horloge de réseau commun.
11. Système d'extraction de signal d'horloge selon la revendication 10, où les premier et deuxième oscillateurs sont choisis dans le groupe comprenant les oscillateurs au rubidium et au césium.
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