專利名稱：一種分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信與信息系統(tǒng)中的異步時(shí)鐘同步技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法。
背景技術(shù)：
分組網(wǎng)本質(zhì)上是異步的，并不需考慮端到端的時(shí)鐘同步問(wèn)題，但在電路交換網(wǎng)向分組交換網(wǎng)演進(jìn)過(guò)程中，必須考慮原有TDM業(yè)務(wù)信號(hào)，如傳統(tǒng)話音、2M租用線、GSM基站等信號(hào)，如何通過(guò)分組網(wǎng)傳輸問(wèn)題，這些信號(hào)通過(guò)分組網(wǎng)傳輸后，必須有準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步和定時(shí)才能正確恢復(fù)；此外在分組網(wǎng)絡(luò)行為測(cè)量，基于IP網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、 傳感系統(tǒng)中，都需要對(duì)分組網(wǎng)的時(shí)鐘進(jìn)行同步。目前分組網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘頻率同步實(shí)現(xiàn)方式可以分成2個(gè)基本類別第一類是具有公共參考時(shí)鐘的系統(tǒng)，如有來(lái)自電路交換網(wǎng)絡(luò)、GPS的參考時(shí)鐘，這樣的分組網(wǎng)時(shí)鐘同步問(wèn)題是由系統(tǒng)外部解決的，統(tǒng)稱為外同步方法，顯然這種方法需要在分組網(wǎng)外建單獨(dú)的同步網(wǎng)； 第二類是分組網(wǎng)中沒(méi)有公共同步參考時(shí)鐘的系統(tǒng)，可以采用專門(mén)的時(shí)鐘恢復(fù)方法，如同步以太網(wǎng)和自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法，統(tǒng)稱為內(nèi)同步方法。自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法可用于分組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)公共時(shí)鐘，也不需傳輸網(wǎng)絡(luò)任何改造的情況，這是分組網(wǎng)絡(luò)中最普遍的情況，但自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法的性能與承載網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)幀傳輸時(shí)延變化的嚴(yán)重影響。自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法最早是在ATM網(wǎng)上傳輸TDM信號(hào)時(shí)采用的技術(shù)，通過(guò)接收幀隊(duì)列深度(簡(jiǎn)稱水位)變化來(lái)控制壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生恢復(fù)時(shí)鐘，簡(jiǎn)稱水位法，華為公司 2005年申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專利“包交換網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步方法及裝置”，中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?200510132327. 5)就公開(kāi)了一種類似方法。分組網(wǎng)的幀時(shí)延主要由節(jié)點(diǎn)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延等組成，幀傳輸時(shí)延序列是非線性、非平穩(wěn)的隨機(jī)序列。幀時(shí)延可以分為兩部分，一部分由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的時(shí)延值是固定不變的，稱固有時(shí)延，另一部分由幀排隊(duì)等原因產(chǎn)生的時(shí)延值是隨機(jī)的稱隨機(jī)時(shí)延，幀時(shí)延可以表示為τ (η) = T^x1 (η)式中，％是固有時(shí)延值為常數(shù)，T1(I1)為隨機(jī)時(shí)延值。幀隨機(jī)時(shí)延變化對(duì)自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法的時(shí)鐘同步精度影響很大，如何減小幀隨機(jī)時(shí)延的影響是研究的重點(diǎn)，上海貝爾阿爾卡特申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專利“一種用于包交換網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法”，申請(qǐng)?zhí)?3141883.Χ，公開(kāi)了先采集一組水位數(shù)據(jù)，然后用最小二乘線性回歸算法計(jì)算斜率，再用斜率值控制VCO調(diào)節(jié)時(shí)鐘恢復(fù)的方法，減小了幀隨機(jī)時(shí)延對(duì)時(shí)鐘同步精度的影響。國(guó)內(nèi)外有大量研究自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)方法的文章和相關(guān)專利，不再一一列舉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種新的分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法及實(shí)現(xiàn)的裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法，其特征在于采用如下步驟
1)源節(jié)點(diǎn)A定時(shí)發(fā)送同步幀，同步幀中包含發(fā)幀時(shí)刻值；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B接收同步幀， 并記錄同步幀接收時(shí)刻值；2)源節(jié)點(diǎn)A的幀發(fā)送時(shí)刻CA由A節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘CLKA度量；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的幀接收時(shí)刻 CB由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘CLKB度量；源節(jié)點(diǎn)A、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收一系列的同步幀，構(gòu)成了同步幀收發(fā)時(shí)刻序列{CA(l)，CAQ)，···, CA (η), ···}, {CB (1), CB (2), ···, CB (η), ...};3)源節(jié)點(diǎn)A與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘是異步的，即存在一定的頻率差，設(shè)CLKA的時(shí)鐘周期為T(mén)A(n)，CLKB的時(shí)鐘周期為ΤΒ(η)，定義時(shí)鐘周期比值K(n) = TB(η)/TA(η)，則在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B從同步幀收發(fā)時(shí)刻序列中求出Κ(η)值，用Κ(η)值修正CLKB，得到恢復(fù)的源節(jié)點(diǎn)A 時(shí)鐘CLKA，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的同步。上述K (η)值的求解步驟如下1)定義源節(jié)點(diǎn)Α、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B間幀時(shí)延值τ (η) = τ (η_1) + [ Δ CB (η) _Κ0* Δ CA (η) ] ；η = 2,3, Λ ；式中，ΔCB (η) = CB (η)-CB (η_1)，Δ CA (η) = CA (η) -CA (η-1), τ (1) = 0 ；KO為設(shè)定的Κ(η)初值，為常數(shù)；2)設(shè)置當(dāng)前最小時(shí)延值Tmin初值為一個(gè)大正整數(shù)，并作如下處理If ( τ (η) < τ min)、in= τ (η)；Tmin (η) = τ (η)；{進(jìn)行最小二乘法迭代計(jì)算；更新迭代參數(shù)}else{本幀τ (η)值丟棄；保持上次最小二乘法迭代參數(shù)不變；}End ；3)在步驟2)中所述最小二乘法迭代算法用{ Tmin (η)}和對(duì)應(yīng){CA(n)}作為輸入， 即Tmin (η)的估計(jì)值為T(mén)mm (n) = W0 (η) · CA(n) + W1 (η)式中，wQ (η)為估計(jì)的直線斜率，W1(Ii)為估計(jì)的直線截距；估計(jì)誤差:e(n)= Tmm (η) — Tmm (η)最小二乘擬合使目標(biāo)函數(shù)^(“) = ^^"〃、)為最小值，其中，λ為遺忘系數(shù)，按實(shí)
i=2
際情況合理設(shè)置；4)在步驟2、中所述最小二乘迭代算法分兩種狀態(tài)進(jìn)行，一個(gè)是捕獲狀態(tài)，另一個(gè)是跟蹤狀態(tài)，稱兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法；5)在步驟4)中所述兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法首先處于捕獲狀態(tài)，若檢測(cè)到τ (η) < τ min值，進(jìn)行當(dāng)前序列號(hào)為η的直線迭代擬合，并置dK (η) =w0(n)o求估計(jì)的直線斜率W (η)的差分值Δ W(l (η) = W(1 (n)-W(1 (η-1)，若| AW(1(n) |持續(xù)小于設(shè)定門(mén)限值， 則進(jìn)入跟蹤狀態(tài)；6)在步驟4)中所述兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法在跟蹤狀態(tài)，若檢測(cè)到τ (η) < 值后，進(jìn)行當(dāng)前序列號(hào)為η的直線迭代擬合，檢測(cè)W(l(n)的差分值；若Δ w0 (η) I小于等于設(shè)定門(mén)限值，則確認(rèn)本幀是固有時(shí)延幀，更新迭代參數(shù)有效，置dK (η)= w0(η)；若I Δw0(η) |大于設(shè)定門(mén)限值，則確認(rèn)本幀不是固有時(shí)延幀，本次迭代參數(shù)丟棄，保持上次迭代參數(shù)不變，置dK(n) = dK(n-l)；若I Awtl(η) |持續(xù)大于設(shè)定值，則確認(rèn)為失鎖， 重新進(jìn)入捕獲狀態(tài)；7)源節(jié)點(diǎn)Α、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘頻率同步參數(shù)為K(n) = K0+dK(n)；求出K(n)值后，進(jìn)一步用兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法濾波，即用Κ(η)代替丁!11^1(11)，11代替04(11)作為輸入，擬合Κ(η)估計(jì)值作為濾波輸出㈨= ㈨“+巧…)；式中，a0(n)為估計(jì)的直線斜率，B1 (η)為估計(jì)的直線截距。上述捕獲狀態(tài)與跟蹤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換或者通過(guò)檢測(cè)直線擬合誤差e2(n)實(shí)現(xiàn)；具體判別方法與檢測(cè)I Δ Wtl (η) I相似，或者根據(jù)具體情況選擇其他的相似判據(jù)進(jìn)行捕獲狀態(tài)與跟蹤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法，可廣泛用于分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率的同步和網(wǎng)絡(luò)單向時(shí)延測(cè)量。


圖1是分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步系統(tǒng)模型圖；圖2是節(jié)點(diǎn)A、B間同步幀收發(fā)時(shí)刻與幀時(shí)延示意圖；圖3是KO修正后節(jié)點(diǎn)A、B間同步幀時(shí)延示意圖；圖4是時(shí)鐘頻率同步參數(shù)K(η)值示意圖；圖5是本發(fā)明在局域以太網(wǎng)中的一種具體實(shí)施系統(tǒng)框圖；圖6是實(shí)測(cè)A、B節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率未同步的時(shí)延值；圖7是用本發(fā)明方法進(jìn)行時(shí)鐘頻率同步后得到的時(shí)延值；下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法，具體包括如下步驟1)源節(jié)點(diǎn)A定時(shí)發(fā)送同步幀，同步幀可以是專門(mén)的幀，也可以是一般數(shù)據(jù)幀中插入幀發(fā)送時(shí)刻值的幀，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B接收同步幀，并記錄同步幀接收時(shí)刻，其系統(tǒng)模型如圖1 所示。2)源節(jié)點(diǎn)A的幀發(fā)送時(shí)刻CA由A節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘CLKA度量，具體值與幀發(fā)送參考點(diǎn)有關(guān)，即由幀發(fā)送時(shí)刻計(jì)數(shù)器記錄幀通過(guò)發(fā)送參考點(diǎn)的計(jì)數(shù)值即是CA值；參考點(diǎn)越靠近節(jié)點(diǎn)的物理層，CA值受節(jié)點(diǎn)軟、硬件時(shí)延的影響越?。煌?，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的幀接收時(shí)刻CB由B節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘CLKB度量，由幀接收時(shí)刻計(jì)數(shù)器記錄幀通過(guò)接收參考點(diǎn)的計(jì)數(shù)值即是CB值。收發(fā)一系列的同步幀，構(gòu)成了同步幀收發(fā)時(shí)刻序列ICAa)，CA⑵，...，CA(n)，...}，{CB(1)， CB(2),…，CB(η)，…}，如圖2所示。3)在步驟1)和步驟2)所述系統(tǒng)模型中，源節(jié)點(diǎn)A與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘是異步的， 即存在一定的頻率差。設(shè)CLKA的時(shí)鐘周期為T(mén)A(η)，CLKB的時(shí)鐘周期為T(mén)B (η)，定義時(shí)鐘周期比值K(n) = TB (η)/TA(η)，則在目標(biāo)B節(jié)點(diǎn)求出K(η)值就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的同步， 即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B跟蹤源節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘頻率f (η) = Κ(η) · fB(n)，其中fB(n) = l/TB(n)。
4)定義源節(jié)點(diǎn)A、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B間幀時(shí)延值τ (η) = τ (η_1) + [ Δ CB (η) _Κ0* Δ CA (η) ] ；η = 2,3, Λ式中，ΔCB (η) = CB (η)-CB (η_1)，Δ CA (η) = CA (η) -CA (η-1), τ (1) = 0 ；合理設(shè)定KO值，使幀時(shí)延值τ (η)的最小值隨η減小，如圖3所示。5)設(shè)置當(dāng)前最小時(shí)延值τ min初值為一個(gè)大數(shù)，然后逐幀跟蹤比較τ (η)值，檢測(cè)出當(dāng)前最小值Tfflin(η)和對(duì)應(yīng)CA(η)值，并如下處理if ( τ (η) < τ min )Tmin = τ (η)；Tmin (η) = τ (η)；{進(jìn)行最小二乘法迭代計(jì)算；更新迭代參數(shù)}Else{本幀τ (η)值丟棄；保持上次最小二乘法迭代參數(shù)不變；}End6)在步驟5)中最小二乘法迭代算法用{ Tmin (η)}和對(duì)應(yīng){CA(n)}作為輸入，擬合出直線如圖3虛線所示，S卩(n)的估計(jì)值為T(mén)min {n) = W0 {η) · CA{n) + W1 (η)式中，wQ(η)為估計(jì)的直線斜率，W1(Ii)為估計(jì)的直線截距。 _7]估計(jì)誤差-.e{n) = Tmm (η) - Tmm (η)

最小二乘擬合使目標(biāo)函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法，其特征在于采用如下步驟1)源節(jié)點(diǎn)A定時(shí)發(fā)送同步幀，同步幀中包含發(fā)幀時(shí)刻值；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B接收同步幀，并記錄同步幀接收時(shí)刻值；2)源節(jié)點(diǎn)A的幀發(fā)送時(shí)刻CA由A節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘CLKA度量；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的幀接收時(shí)刻CB由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘CLKB度量；源節(jié)點(diǎn)A、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送和接收一系列的同步幀，構(gòu)成了同步幀收發(fā)時(shí)刻序列 {CA(1), CA(2), ···, CA (η), ···}, {CB (1), CB (2), ···, CB (η), ...};3)源節(jié)點(diǎn)A與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘是異步的，即存在一定的頻率差，設(shè)CLKA的時(shí)鐘周期為T(mén)A(n)，CLKB的時(shí)鐘周期為T(mén)B(n)，定義時(shí)鐘周期比值K(n) = TB(η)/TA(η)，則在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B從同步幀收發(fā)時(shí)刻序列中求出Κ(η)值，用Κ(η)值修正CLKB，得到恢復(fù)的源節(jié)點(diǎn)A時(shí)鐘 CLKA,實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的同步。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的K(η)值的求解步驟如下1)定義源節(jié)點(diǎn)Α、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B間幀時(shí)延值τ (η) = τ (η_1) + [ Δ CB (η) _Κ0* Δ CA (η) ] ；η = 2,3, Λ ；式中，Δ CB (η) = CB (η)-CB (η-1), Δ CA (η) = CA (η)-CA (η_1)，τ (1) = 0 ；KO為設(shè)定的K(η)初值，為常數(shù)；2)設(shè)置當(dāng)前最小時(shí)延值Tmin初值為一個(gè)大正整數(shù)，并作如下處理If(τ (η) < Tmin)Tmin = Τ (η)；Tmin(n) = τ (η)；{進(jìn)行最小二乘法迭代計(jì)算；更新迭代參數(shù)}else{本幀τ (η)值丟棄；保持上次最小二乘法迭代參數(shù)不變；}End ；3)在步驟幻中所述最小二乘法迭代算法用l>min(n)}和對(duì)應(yīng){CA(n)}作為輸入，即 Tfflin (η)的估計(jì)值為^mm (n) = W0 (η) · CA(n) + W1 (η)式中，為估計(jì)的直線斜率，W1 (η)為估計(jì)的直線截距；估計(jì)誤差= rmin {n) - fmin {η)最小二乘擬合使目標(biāo)函數(shù)Κ^ζ ^"·6、)為最小值，其中，λ為遺忘系數(shù)，按實(shí)際情i=2況合理設(shè)置；4)在步驟幻中所述最小二乘迭代算法分兩種狀態(tài)進(jìn)行，一個(gè)是捕獲狀態(tài)，另一個(gè)是跟蹤狀態(tài)，稱兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法；5)在步驟4)中所述兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法首先處于捕獲狀態(tài)，若檢測(cè)到 τ (η) < 值，進(jìn)行當(dāng)前序列號(hào)為η的直線迭代擬合，并置dK (η) =W0 (η)；求估計(jì)的直線斜率Wtl (η)的差分值Δ Wtl (η) = W(1 (n)-W(1 (η-1)，若| AW(1(n) |持續(xù)小于設(shè)定門(mén)限值，則進(jìn)入跟蹤狀態(tài)；6)在步驟4)中所述兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法在跟蹤狀態(tài)，若檢測(cè)到τ(η)< Tmin值后，進(jìn)行當(dāng)前序列號(hào)為η的直線迭代擬合，檢測(cè)W(l (η)的差分值；若I AW(l(n) |小于等于設(shè)定門(mén)限值，則確認(rèn)本幀是固有時(shí)延幀，更新迭代參數(shù)有效，置dK(n) =W0(η)；若 Δw0(η) I大于設(shè)定門(mén)限值，則確認(rèn)本幀不是固有時(shí)延幀，本次迭代參數(shù)丟棄，保持上次迭代參數(shù)不變，置dK(n) = dK(n-l)；若I Awtl(η) |持續(xù)大于設(shè)定值，則確認(rèn)為失鎖，重新進(jìn)入捕獲狀態(tài)；7)源節(jié)點(diǎn)Α、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘頻率同步參數(shù)為=K(n) = K0+dK(n)； 求出K(n)值后，進(jìn)一步用兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法濾波，即用Κ(η)代替 Tmin(n)，n代替CA(n)作為輸入，擬合K(n)估計(jì)值作為濾波輸出= ㈨“+巧…)； 式中，為估計(jì)的直線斜率， (η)為估計(jì)的直線截距。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的捕獲狀態(tài)與跟蹤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換或者通過(guò)檢測(cè)直線擬合誤差e2 (η)實(shí)現(xiàn)；具體判別方法與檢測(cè)I Δ W(l (η) |相似，或者根據(jù)具體情況選擇其他的相似判據(jù)進(jìn)行捕獲狀態(tài)與跟蹤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率同步方法，該方法由源節(jié)點(diǎn)A定時(shí)發(fā)送同步幀，同步幀帶有幀發(fā)送時(shí)刻信息，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B接收同步幀，并記錄幀接收時(shí)刻值。在B節(jié)點(diǎn)得到同步幀發(fā)送和接收時(shí)刻序列值，從中可跟蹤計(jì)算A、B節(jié)點(diǎn)時(shí)延值，并用兩狀態(tài)最小二乘直線擬合處理方法求出A、B節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘周期的比值K(n)。用K(n)值實(shí)時(shí)修正B節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘CLKB，可在B節(jié)點(diǎn)恢復(fù)源節(jié)點(diǎn)A時(shí)鐘CLKA，也可直接用K(n)值修正計(jì)數(shù)器值，消除A、B節(jié)點(diǎn)中計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘偏移誤差，可廣泛用于分組網(wǎng)中時(shí)鐘頻率的同步和網(wǎng)絡(luò)單向時(shí)延測(cè)量。
文檔編號(hào)H04L12/56GK102412954SQ201110369809
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月19日
發(fā)明者陳文藝 申請(qǐng)人:西安郵電學(xué)院