分组网络中的增强型时钟控制的制作方法

专利名称：分组网络中的增强型时钟控制的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般地涉及部署在通信网络内的网络元件的时钟控制 方法，尤其是涉及分组网络中的增强型时钟控制。
背景技术：
在许多电信应用中，网络中的每个元件均具有其自身的、与网络中的 其它时钟独立运行的时钟(这里称为"客户端时钟")。晶振通常用作网 络元件中的客户端时钟，从而提供频率以支持本地时标的生成。虽然晶振 在短期测量间隔内提供良好的频率稳定性，但是它们的中期和长期频率稳 定性并不满足电信标准。因此，必须针对外部可追溯源来检查和校正客户 端时钟。而且，在网络中有极大量元件的情况下，需要每个元件的时钟不 仅提供在所有测量间隔内的良好频率稳定性，而且在整个网络内可再生， 同时每个元件具有最低成本。
存在向客户端网络元件处的客户端时钟提供定时信息的多种方式。在
传统电信网络中，网络元件利用诸如Tl和SONET之类的时分复用 (TDM)链路，这些链路固有地能够在物理层从服务器向客户端运载可靠 频率信息。但是，下一代网络可能基于分组交换体系结构(这种网络在这 里称为"分组网络")，并且可能存在这样的情形，其中，互连网络元件 的物理介质不再能够在物理层传送频率信息。因此，需要用于传送定时信 息的基于分组的方法。图1图示了对于网络元件100而言可能可得的各种 定时源。定时源包括网络时间协议(NTP)服务器110、精确定时协议 (PTP)服务器120、直接链路源130、多播NTP服务器140、多播PTP 服务器150、和实时协议(RTP)服务器160。 NTP服务器110和PTP服 务器120分别使能了通过IP-WAN 115和LAN 125传送定时信息的基于分 组的方法。除非另作特别指定，这里所使用的术语"NTP服务器"和"PTP服务器"意味着服务器操作于单播模式中，其中，在服务器和客户 端之间存在安全的一对一关联，从而确保某种级别的可追溯性。直接链路
源130是诸如全球定位卫星(GPS)、楼宇综合定时供给(BITS)、 SONET、 SDH和PDH之类的源，其通过直接链路135向网络元件提供定 时信息。多播NTP服务器140和多播PTP服务器150是多播服务器，其 能够通过服务器和客户端之间的N对M关联来提供基于分组的定时信 息，其中，N和M可以是大于或等于1的任意整数，并且N〈《M。
虽然对于网络元件100而言可用多种定时源，但是并不是在所有情况 下都可用所有定时源。此外，它们的频率稳定性并不总是满足电信标准。 在通过引用结合于此的美国专利5,751 ，777和美国专利5,943,381中公开的 多输入锁频环(MiFLL)通过最佳地组合主次层级输入实现了对于任意指 定时间测量间隔而言都具有良好稳定性的客户端时钟。"主层级输入"指 的是经由可核实(可追溯)路径来自已知的可靠定时源(例如，NTP服务 器110、 PTP服务器120或直接链路源130)的定时信息。"次层级输入" 源自比本地振荡器更好或相等的层级的源，但并不显式可核实。多播NTP 服务器140和多播PTP服务器150可以被用作次层级输入，其将允许以较 低成本、较低功率的本地振荡器来提取时间和频率信息，而不会向主层级 源增加额外客户端事务的负担。
但是，从多播NTP和PTP流提取时间和频率信息将产生多个问题。 首先，并不总是知道这些流是否源自可靠的服务器时钟。其次，在实践 中， 一个流中的各个分组经历具有极其随机的分量的不同延时，即，称为 "分组延时变差"(PDV)的现象。其结果是，可能会向MiFLL发送不准 确的数据，从而折衷了客户端时钟的性能。
如上所述，本领域中所需的是这样的技术和装置，其用于自治地验证 从多个源获得的时间和频率数据并通过减轻PDV的影响来生成对客户端 时钟和各个源之间的频率差的合适估计，以使得仅向MiFLL发送可靠数 据
发明内容
本发明的一个实施例提出了一种用于自治地验证从服务器时钟接收的 时间和频率信息并生成在客户端时钟和所述服务器时钟之间的频率估计的 方法。该方法包括以下步骤接收至少两个协议数据单元(PDU)，其 中，每个PDU包括多个时间戳；从每个PDU中提取该多个时间戳；针对
每个PDU执行偏移量测量，以计算每个PDU的在客户端时钟和服务器时
钟之间的时间偏移量，其中，每个偏移量测量均基于与正在执行的偏移量
测量所针对的PDU相关联的至少两个时间戳。该方法还包括以下步骤
对所述时间偏移量执行最小偏移量滤波(MOF)以去除基于无效时间戳数 据的任何时间戳；以及对经过滤波的所述时间偏移量执行频率估计滤波 (FEF)以生成频率估计，并向MiFLL提供该频率估计以实现客户端时钟 在任何指定时间测量间隔内的良好稳定性。
所公开的方法的一个优点是，可以通过使用诸如多播NTP和多播PTP 服务器之类的不怎么可靠的定时源来补充主层级(tier)源从而实现对客户 端时钟的控制。所公开的方法包括以下算法用于反复核对从多播NTP和 多播PTP服务器获得的测量数据的算法，用于自治地建立信道的有效性的 算法，以及用于推断根据信道的当前频率估计是否可以用于MiFLL算法的 算法。其结果是，可以利用较低成本、较低功率的振荡器来提取客户端时 钟处的时间和频率信息，而不会增加主层级源的负担，从而降低服务器和 客户端两者的成本。


因此，可以按其来详细地了解以上所记载的本发明的特征的方式、本 发明的更具体的描述、以上的简要描述可以参考实施例来获得，其中一些 实施例被示出在附图中。但是，应当注意，附图仅仅例示了本发明的典型 实施例，因此不应当被视为对本发明的范围的限制，因为本发明容许其它 等效实施例。
图1图示了网络元件可得的多种定时源；
图2图示了根据本发明一个实施例的时间戳的概念；
图3A图示了根据本发明一个实施例的频率估计生成处理；图3B图示了根据本发明一个实施例的MiFLLPDU测量处理的步骤； 图3C图示了根据本发明另一个实施例的MiFLL PDU测量处理的步
骤；
图4是被配置为实现本发明的一个或多个方面的同步元件的示意以及
图5图示了被配置为实现本发明的一个或多个方面的计算设备。
具体实施例方式
本发明是在美国专利5,751 ,777和美国专利5,943,381的基础上的改 进，这两个专利的全部内容通过引用而结合于此，以用于所有目的。
图2图示了根据本发明一个实施例的时间戳的概念。主层级源和次层 级源两者均利用了图2所示的时间戳印压(time stamping)处理的变体 (variant)。如图所示，时间测量处理可能涉及沿时间线200的四个时间 戳，其定义如下所示
Tl是表示从客户端210的时钟发起的协议数据单元(PDU)的发送发 起间期(epoch)的最佳估计的时间戳，
T2是表示在服务器220的时钟处终止的PDU的接收终止间期的最佳 估计的时间戳，
T3是表示从服务器220的时钟发起的PDU的发送终止间期的最佳估 计的时间戳，以及
T4是表示在客户端210的时钟处终止的PDU的接收终止间期的最佳
估计的时间戳。
各个时间戳表示在协议事务处理中的关键间期。除了以精确时间戳来 支持连续分组(follow-up packet)的概念的PTP之外，精确的时间戳通常 在单个分组中被传送，或者更一般地，在单个PDU中被传送。 一旦在客 户端时钟处接收到PDU，就使用时间戳来生成对客户端时钟和服务器处的 发起源时钟之间的频率差的估计，这里称为"频率估计"。此外，在以下 描述中，术语"信道"用于指示特定服务器时钟和关联信道，术语"异常 点"(outlier)用于指示被确定为无效的定时源。图3A图示了根据本发明一个实施例的频率估计生成处理。时间戳 305被提供给MiFLL PDU测量处理310，其过滤由PDV导致的错误分量 (如在图3B中更详细描述的)，并生成输出375。在随后的附图中还将更 详细描述，输出375可以是具有针对与服务器220相关联的信道的关联有 效性标志的频率估计，或者具有关联有效性标志且去除了频率异常点的频 率估计。本领域技术人员将会了解，因为在给定事务上的时间戳取决于事 务的类型(单向或双向事务)，所以并不是所有四个时间戳Tl-T4都总是 出现在PDU中。例如，对于诸如多播NTP、多播PTP和RTP之类的次层 级输入，事务是单向流的结果，因此，仅仅Tl和T2存在于PDU中。另 一方面，对于诸如单播NTP和PTP之类的主层级输入，时间戳组可以由 所有四个时间戳组成。具体而言，对于单播NTP，所有四个时间戳都存在 于每个事务中，但是对于单播PTP，仅仅每N个事务出现一次所有四个时 间戳，而其余时间仅存在时间戳Tl和T2。
图3B图示了根据本发明一个实施例的MiFLL PDU测量处理310的步 骤。该处理从步骤320开始，在步骤320中，执行PDU验证。这是评定下 述各项的标准步骤分组是否被正确形成，分组是否没有错误，以及分组 是否具有所期望的地址。可选地，步骤320可以检查分组是否通过了认 证。
一旦PDU经过验证，时间戳数据325就被提供给步骤330，在步骤 330中，执行偏移量测量。针对多播单向测量的偏移量测量通常不支持对 传播延时的任何校正，而双向测量包括补偿，其中，时间精度受到路径中 的延时不对称的限制。针对诸如发起于服务器220的时钟且终止于客户端 210的时钟的分组或PDU流之类的单向传送操作的偏移量测量是直截了当 的。在这种情况下，发起时间戳T3是针对服务器的时间角度(服务器时 标)来记录的，而终止时间戳T4是针对客户端的时间角度(客户端时 标)来记录的，对于事务n的测量偏移量Sm可以如下所示地计算
S m(n) = T4(n) - T3(n) 偏移量测量存在多个重要的特性。第一特性是，单向分组延时使偏移量测 量产生偏差。分组延时无法利用单向测量来估计。其次，可以通过以较小值对在相对较短时间帧上的测量进行加权来最小化分组延时偏差。用于非 拥塞网络的分组流模型支持这样的观点，g卩，可以有效地建立网络的最小
延时基底(delay floor)(在步骤340中将更详细论述)。最后，可以通过 利用其它方式(例如，使用与相反方向相关联的时间戳)来估计单向延时 从而降低残余偏差，或者在频率估计的情况下忽略残余偏差，这是因为频 率偏移量只是相位偏移量的变化率，其对于恒定的相位偏差误差而言为 零。
偏移量和有效性数据被从步骤330提供给步骤340，在步骤340中， 最小偏移量滤波器(MOF)对偏移量数据进行预处理以提取集中于延时基 底附近的数据。这个步骤极大地提高了得到的客户端时钟性能。分组网络 的一个特性是，分组延时变差具有利用"基底"的分布函数。基底在这里 被定义为分组或PDU在给定路径中可能经历的最小延时。基底可以被视 为这种情况其中，当特定分组需要资源时，(在流所涉及的所有设备 中，包括源、目的地和中间元件)输出和系统队列两者均接近它们的最小 值。在非拥塞负载情况下，分组总数的一小部分将在或接近这个基底处穿 过网络，即使其它可能经历显著更长的延时。大体上，基于基底的传送噪 声将最少受以下四个因素的限制。第一因素是物理层传播"光速"延时。 第二因素是时间戳解析度。第三因素是在基于TDM的传送上的映射延 时。最后，第四限制因素是其它较小的延时变差机制，例如，物理层时钟 抖动和背板(backplane)时钟域抖动。
步骤340的MOF算法利用了与时间间期n处的各个信道相关联的数 据和信道测量特性数据。以下数据与时间间期n处的各个信道相关联 Smi[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的测量偏移量估计； Sutmi[n]:时间索引n处第i条信道的非倾斜(un-tilted)测量偏移量估 计；
Smini[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的最小测量偏移量估 计；
In—Validj[n]:时间索引n处第i条信道的输入有效性标志；以及 Out—Validi[n]:时间索引n处第i条信道的输出有效性标志。这五个数据元素被维护在MOF输入缓冲器中。各个缓冲器条目用时间间 期索引(n)来索引。循环缓冲器实现方式是优选方式，用以高效地对最
后N个样本进行操作。初始化条件是对于缓冲器中的所有条目，
In—Valid[j]和Out—Valid[j]均为FALSE。
用于步骤340的MOF算法的信道测量特性数据被如下所示地定义 bi:输入偏移量缓冲器大小比例(sizing)系数。缓冲器深度是2bi (=N) 个元素；
resi:测量的原本时间戳解析度(纳秒每Isb);
bufmin1:处理有效输出所需的有效缓冲器条目的最小数目；
tilti:连续的偏移量样本之间的估计倾斜度(以原本测量解析度为单位)；
以及
Slewm。f:用以约束从基底偏离而引起的异常点的转换限制系数，0<Slewm。f <1。
使用以上所定义的变量，步骤340的MOF算法如下所示 步骤l:将当前(索引n)的样本添加到MOF缓冲器，并移除最旧的索引 样本。
步骤2:验证是否至少buftnini个输入为有效。如果不是，则将当前 Out—Validi[n]设置为false并退出。
步骤3:更新非倾斜缓冲器条目。
步骤3a:计算新的倾斜度系数
tilti二NCOsystTo/reSi，其中，NCOsyst是当前应用于本地振荡器的整个 系统的分式(fractional)频率校正(ppb的分式单位)，To是偏移量 样本之间的间隔(秒)； 步骤3b:将累积倾斜度(ctilt)初始化为零；
步骤3c:对循环存储进行操作，如下所示。当前样本是n模N，最旧
的样本是(n-N+1)模N。设置索引〗=(n-N+1)模N;
步骤3d: Sutmi[j]= Smi[j]+Ctilt;
步骤3e: ctilt=ctilt+tilti;
步骤3f:如果j二n模N，则退出步骤3;步骤3g: j= (j+l)模N,则去往步骤3d。 步骤4:更新时间n处的当前最小测量偏移量值。
步骤4a:搜索整个非倾斜条目的集合(in—valid设置为TRUE)，并 确定最小条目的索引jfl。OT。在不相上下的情况下，较新的条目具有优 先权；
步骤4b:如果S mi[jfl。OT]< S^i[(n-1)模N]，则S産[(n)模N]=
5 mi[jfloor];
步骤4c:否则，Smini[(n)模N]= S mini[(n隱l)模N] (l-slewm。f) +
5 mi [j floor]。
从步骤340，最小偏移量数据345被提供给步骤350，在步骤350 中，频率估计滤波器(FEF)执行现行滤波处理并生成针对本地振荡器的 特定输入信道的相位延时变化率(分式频率误差)。FEF算法的输出375 是一个频率估计和针对当前信道的关联有效性标志。本领域技术人员将会 了解，在不脱离本发明的基本范围的情况下，也可以实现替代线性滤波器 结构。在本实施例中呈现的FEF算法构成了计算上的高效操作。
步骤350的FEF算法利用了与时间间期n处的各条信道相关联的数据 以及FEF数据。以下数据与时间间期n处的各条信道相关联 S smini[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的最小的经平滑的测 量偏移量估计；
fsmini[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的最小的经平滑的频 率估计；
U[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的输出频率估计； In—FEF—Validi[n]:时间索引n处第i条信道的输入有效性标志；以及 Out—FEF—Validi[n]:时间索引n处第i条信道的输出有效性标志。 所定义的五个数据元素被维护在FEF缓冲器中。各个缓冲器条目用时间间 期索引(n)来索引。循环缓冲器实现方式是用以对最后N个样本进行高 效操作的优选方式。初始化条件是对于缓冲器中的所有条目， In—FEF—Valid[j]和Out—FEF—Valid[j]均为FALSE。
用于步骤350的FEF算法的FEF数据如下所示地定义bi: FEF缓冲器大小比例系数。缓冲器深度是2bi (M)个元素； Tsf:第一阶段频率滤波平滑时间常数；以及
rest:用以控制第二阶段的频率平滑滤波器的时间常数的比率参数。
使用以上所定义的变量，步骤350的FEF算法如下所示 步骤1:将当前(索引n)的样本添加到FEF缓冲器，并移除最旧的索引 样本。
步骤2:如果输入数据有效，则将osmini[n]参数更新为 S smini[n]= [ S smini[n-l〗((Ts/T0)-l)+ S smini[n]]/( Tsf/T0)。
步骤3:转换为经平滑的频率估计。
步骤3a:如果最新和最旧的In一FEF一Validi[n]条目两者都有效，则将
频率转换为以下频率估计
fsmini[n]=[ Ssmini[n]- S smini[n-M]]/(M T0), 将当前条目Out一FEF一Validi[n]设置为TRUE;
步骤3b:否则，将当前条目Out_FEF—Validi[n]设置为FALSE。 步骤4:如果Out—FEF_Valid为TRUE,则将f^[n]参数更新为 festi[n]=[ festi[n-l]((restTsf/T0)-l)+fsmini[n]]/( restTsf/T0)。
图3C图示了根据本发明另一个实施例的MiFLL PDU测量处理的步 骤。在这个实施例中，步骤320、 330、 340和350如图3B所述，而具有 额外步骤360。从步骤350，频率估计355被提供给步骤360，在步骤360 中，频率群集化(FC)算法检测与先前的信道行为不一致的频率估计异常 点，并在这些异常点能够对客户端输出频率产生负面影响之前将它们移 除。期望与各个服务器时钟相关联的频率估计和关联路径在给定时间间期 n处应当相似。估计的相似性基于以下三个假设。第一假设是，本地振荡 器频率偏移量对给定时间间期的所有测量是共同的。第二假设是，在频率 估计处理中，PDV将引入有界误差。最后，源时钟的正常操作以相比于路 径影响而言基本上无关紧要的偏差进行操作。在实践中，PDV将在频率群 集的各个元素之间生成最显著的距离。因此，FC算法用于调整各条信道 之间的处于稳定状态的PDV的差值。另外，FC算法调整频率估计的基本 稳定性的渐变。因此，诸如负载或路径变化之类的真实世界影响是可预期的。换而言之，检测并移除频率异常点的FC算法可以被视为消除可检测 异常点的防火墙。在这个防火墙内的噪声影响无法消除，但是该算法的
MiFLL部分中的加权系集(ensembling)被设计为最小化所述影响。
步骤360的FC算法利用了与时间间期n的各条信道相关联的数据， 这些数据被如下所示地定义
fi[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的频率误差估计； o 2i[n]:关于时间索引n处第i条信道的本地振荡器的Allan方差估计； In一Validi[n]:时间索引n处第i条信道的输入有效性标志；以及 Cluster—Validi[n]:时间索引n处第i条信道的群集有效性标志；以及 ad[n]:用于时间索引n处第i条信道群集Allan方差滤波器的平滑系数， (0<amin<ac<amax<l)。
使用以上所定义的变量，步骤360的FC算法如下所示 步骤1:将所有Cluster—Valid标志都初始化为TRUE。 步骤2:计算m，其中，m是在In—Valid和Cluster—Valid两者均被断言
(assert)的情况下的元素的数目。 步骤3:计算候选群集的质心
步骤3a:针对m的集合中的每条有效信道计算权重Wi[n]=Wri[n]/2 wri[n](对全部m条有效信道求和)，其中，Wri[n]=l/02i[n-l]， o人[n] 的计算在稍后论述；
步骤3b:使用3a中的权重来计算群集加权平均feavg[nh 2 fi[n]Wri[n]， 对全部m条有效信道求和。 步骤4:针对各条有效信道
步骤4a:计算群集异常点阈值Tci[nhp—i[n-l][l+l/m]，其中，p是固 定的百分点系数，通常[Kp〈];
步骤4b:如果距离超过阈值lfi[n]-fcavg[n]l〉Tei[n]，则将Cluster—Valid,[n] 设置为FALSE。
步骤5:重新计算m。如果没有变化，则完成群集化，否则去往步骤3。
计算Allan方差估计对于支持FC算法是必要的。Allan方差是用于估 计真实世界随机频率处理的频率稳定性的度量。如这里所述，频率估计样本fi[n]是针对本地自由运行的振荡器的。MiFLL算法基于允许本地振荡器 在自由运行状态中操作。不必对振荡器进行变容二极管导引(varactor-steer)，其又将引入噪声和非线性影响。当采用了变容二极管导引时，通 过利用导引校正的估计很容易扩展MiFALL算法，以高效地获得自由运行 的数据。系统的最终输出通常通过数字频率合成来实现以补偿本地振荡器 中的开环(自由运行)误差。大体上，在用于频率估计的综合时间内，振 荡器噪声将对方差估计产生偏差。对于所有的实际情况，这个额外的振荡 器噪声与信道噪声相比是很小的，并且本地振荡器可以被用作短期输入噪
声计算的基准。
仅在时间n处完成群集化算法之后才更新Allan方差估计。仅更新m 条信道的有效集合。针对信道来构造Allan方差样本，如下所示 Si[nHfi[n]-fi[n-l])/2，并且Allan方差被更新为 a2i[n]=(l-a2ci[n]) a2i[n-l]+ oc2ci[n] S2i[n].
如本文中先前所述，(Xei[n]是用于时间索引n处第i条信道群集Allan方差 滤波器的平滑系数。平滑系数利用估计器的置信区间使估计器的响应均衡 化，以逐渐改变噪声水平。该行为受全局最大和最小值的约束 (0<ad[n]<ae<amax<l)。为了支持初始收敛，ad被设置为a皿并被逐渐减
小到CXmi。，如下所示
ad[n]=(l-ae)ad[n-l]+acad[n]，其中ac是系统的全局适应系数。 在信道重新初始化中，aci被设置为amax，而c^[n]被设置为全局最大水平 o2cmax。在系统启动时，所有信道均需要初始化。此外，在无效情况(输入 或群集)的一持续时段之后，信道应当被重新初始化。
图4是被配置为实现本发明的一个或多个方面的同步元件400的示意 图。如图所示，同步元件400 (没有限制地)包括时钟单元410、频率估 计生成单元430、网络协议栈460、介质访问控制器(MAC) 470和物理 层(PHY) 480。同步元件400经由发送输出(TX) 385发送分组，并经 由接收输入(RX) 495接收分组。时钟单元410 (没有限制地)包括客户 端时钟425和用以生成时间戳的时间戳单元(TSU) 415。频率估计生成单 元430 (没有限制地)包括端口接口 435、时间戳接口 445和时钟接口455。频率估计生成单元430通过连接到客户端时钟425和硬件TSU 415 来实现这里所描述的算法。端口接口 435用于派遣和/或接收多播NTP和 PTP消息。时间戳接口 445用于派遣和/或接收时间戳。在某些实例中，时 间戳接口 445和端口接口 435可以被集成为单个组合接口。时钟接口 455 用于根据在频率估计生成单元430中生成的结果来读取和修改本地时钟 425。同步元件400可以被实现在包含时间戳印压单元和本地时钟的任意 处理器中。
图5图示了被配置为实现本发明的一个或多个方面的计算设备500。 如图所示，计算设备500包括处理器510、存储器515和应用电路520。 存储器515和应用电路520与处理器510相耦合。处理器510又包括同步 元件400。同步元件400执行在本发明中描述的算法并使得计算设备500 内的客户端时钟425可以与网络上的更精确的服务器时钟相同步。计算设 备500可以是包括需要客户端时钟产生定时信号的应用电路的任何类型的 计算设备。计算设备的一些示例包括但不限于个人计算机、数据中心服务 器、路由器、IP电话设备、蜂窝电话和个人数字助理。更有可能的实例在 内置了时间戳和时钟支持的嵌入式计算设备中。这些计算设备发现， 一般 应用是需要客户端同步的电信和工业应用，包括DSL聚合器、无源光网络 ONU以及无线基站和接入点。
本发明使得计算设备可以 -从各种定时源接收时间和频率信息；
-反复核对从各种定时源接收的数据，生成在客户端时钟和各个定时源之 间的合适的频率差，并通过执行以下步骤自治地建立各个定时源的有效 性
〇PDU验证；
偏移量测量； 最小偏移量过滤； 频率过滤； O频率群集化； -向MiFLL提供最可靠的主和次层级输入；-针对任何指定的时间测量间隔，实现具有良好稳定性的客户端时钟。
所公开方法的一个优点在于，可以通过使用诸如多播NTP和多播PTP 之类的不怎么可靠的定时源来补充主层级源，从而实现对客户端时钟的控 制。所公开的方法包括以下算法用于反复核对从多播NTP和多播PTP 服务器获得的测量数据的算法，用于自治地建立信道有效性的算法，和用
于推断当前的根据信道的频率估计是否可用于MiFLL算法的算法。其结果 是，可以利用较低层本、较低功率的振荡器来生成客户端时钟处的时间和 频率信息，而不会对主层级时钟增加负担，从而降低了服务器和客户端两 者的成本。此外，所公开的方法按照"有效性"和"适当性"来划分可得 的各种定时源，并适当地对它们加权以用于整个解决方案中。这种划分改 善了 MiFLL算法的结果，因为仅仅最可靠的主次层级输入才被提供给 MiFLL。另外，所公开的方法使能了在短期、中期和长期测量间隔内具有 良好稳定性的且在整个网络内可以很容易地再生的客户端时钟。
本发明可以用硬件或软件来实现，其中，软件被作为结合计算机系统 使用的程序产品来呈递。程序产品的程序限定了各实施例(包括这里所描 述的方法)的功能，并且可以被包含在各种计算机可读存储介质上。例示 性的计算机可读存储介质包括但不限于(0信息被永久地存储在其上的 不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储设备，例如由CD-ROM驱 动器可读的CD-ROM磁盘)；(ii)其上存储了可更改的信息的可写存储 介质(例如，磁盘驱动器或硬盘驱动器内的软盘)。在承载指导本发明的 功能的计算机可读指令时，这种计算机可读存储介质是本发明的实施例。
虽然以上描述是针对本发明实施例的，但是在不脱离本发明的基本范 围的情况下，可以设计本发明的其它和更进一步的实施例。
权利要求
1. 一种方法，用于自治地验证从服务器时钟接收的时间和频率信息并生成在客户端时钟和所述服务器时钟之间的频率估计，所述方法包括接收至少两个协议数据单元(PDU)，其中，每个PDU包括多个时间戳；从每个PDU中提取所述多个时间戳；针对每个PDU执行偏移量测量，以计算每个PDU的在所述客户端时钟和所述服务器时钟之间的时间偏移量，其中，每个偏移量测量均基于与正在对其执行所述偏移量测量的PDU相关联的至少两个所述时间戳；对所述时间偏移量执行最小偏移量滤波(MOF)以去除基于无效时间戳数据的任何时间戳；以及对经过滤波的所述时间偏移量执行频率估计滤波(FEF)以生成所述频率估计，并向MiFLL提供所述频率估计以实现所述客户端时钟对于任何指定时间测量间隔的良好稳定性。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述多个时间戳包括由以下时 间戳构成的群组中的至少两个包括从所述客户端时钟发起的所述PDU 的发送发起间期的最佳估计的时间戳1\，包括终止于经由网络与所述客户 端相连接的所述服务器时钟的所述PDU的接收终止间期的最佳估计的时 间戳T2，包括从所述服务器时钟发起的所述PDU的发送发起间期的最佳 估计的时间戳T3，以及包括终止于所述客户端时钟的所述PDU的接收终 止间期的最佳估计的时间戳T4，其中，"间期"指的是时间间隔。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述频率估计被与针对信道的 关联有效性标志一道输出，其中，所述信道包括所述服务器时钟以及从所 述服务器时钟到所述客户端时钟的关联路径。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述最小偏移量滤波步骤包括 以下步骤步骤l:将当前(索引n)样本添加到MOF缓冲器，并移除最旧的索引样 本；步骤2:验证是否至少biifmini个所述输入是有效的，如果不是，则将当前 Out—Validi[n]设置为false并退出；步骤3:更新非倾斜缓冲器条目；步骤3a:计算新的倾斜度系数tilti二NCO一To/res,，其中，NCOsyst是当前应用于本地振荡器的整个 系统的分式频率校正(ppb的分式单位)，To是偏移量样本之间的间 隔(秒)；步骤3b:将累积倾斜度(ctilt)初始化为零；步骤3c:对循环存储操作如下当前样本是n模N，最旧的样本是 (n-N+l)模N，设置索引』=(n-N+l)模N;步骤3d: Sutmi[j]=Smi[j]+Ctilt;步骤3e: ctilt=ctilt+tilti;步骤3f:如果j二n模N，则退出步骤3;步骤3g: j= (j+l)模N，并去往步骤3d; 步骤4:更新时间n处的当前最小测量偏移量值；步骤4a:搜索整个非倾斜条目的集合(in—valid设置为TRUE)，并 确定最小条目的索引jfl。。r，在不相上下的情况下，较新的条目具有优 先权；步骤4b:如果S mi[jfloor]< S mini[(n-l)模N]，则S mini[(n)模N]=5 mi0floor];步骤4c:否则，Smini[(n)模N]= S mini[(n-l)模N] (l-slewm。f) +5 mi[jfloor] SleWmof。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述频率估计滤波步骤包括以下步骤步骤1:将当前(索引n)的样本添加到FEF缓冲器，并移除最旧的索引 样本；步骤2:如果输入数据有效，则将osmini[n]参数更新为S咖ini[n]: [ S smini[n-l]((Tsf/T0)-l)+ S mim[n]]/( Tsf/T0); 步骤3:转换为经平滑的频率估计；步骤3a:如果最新和最旧的In_FEF—Validi[n]条目两者都有效，则将 频率转换为以下频率估计fsmini[n]=[ S smini[n]- S smini[n-M]]/(M T0)， 将当前条目Out—FEF—Validi[n]设置为TRUE; 步骤3b:否则，将当前条目Out—FEF—Validi[n]设置为FALSE; 步骤4:如果所述Out—FEF—Valid为TRUE,则将festi[n]参数更新为 festi[n]=[ festi[n-l]((restTsf/T0)-l)+fsmini[n]]/( restTsf/T0)。
6. 如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤对所述频率估计滤波步骤的输出应用频率群集化(FC)，以去除与给定时间间期中的在前的信道行为不一致的频率估计异常点。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述频率群集化算法包括以下步骤步骤h将所有Cluster—Valid标志都初始化为TRUE;步骤2:计算m，其中，m是在In—Valid和Cluster—Valid两者均被断言的情况下的元素的数目；步骤3:计算候选群集的质心歩骤3a:针对m的集合中的每条有效信道计算权重Wi[n]=Wn[n]/2: wri[n]，对全部m条有效信道求和，其中，Wri[nhl/o人[n-l]， o气[n]的 计算在稍后论述；步骤3b:使用3a中的权重来计算群集加权平均fcavg[nh Sfi[n]wri[n]， 对全部m条有效信道求和；步骤4:针对各条有效信道步骤4a:计算群集异常点阈值Tci[nhpo、[n-l][l+l/m]，其中，p是固 定的百分点系数，通常[Kp〈3];步骤4b:如果距离超过阈值lfi[n]-f，g[nH[n]，则将Cluster—Validi[n] 设置为FALSE;步骤5:重新计算m。如果没有变化，则完成群集化，否则去往步骤3。
8. 如权利要求6所述的方法，还包括计算和更新Allan方差估计的步 骤，其中，在所述时间间期的末端，在所述FC算法完成之后，针对被确定为有效的延伸至所述客户端时钟的一组信道来更新所述Allan方差估 计。
9. 一种计算设备，用于自治地验证从服务器时钟接收的时间和频率 信息并生成在客户端时钟和所述服务器时钟之间的频率估计，所述计算设 备包括存储器；和与所述存储器相耦合的处理器，该处理器具有同步元件，其中，所述同步元件包括时钟单元，和频率估计生成单元，被配置用于接收至少两个协议数据单元(PDU)，其中每个PDU包括多 个时间戳；从每个PDU中提取所述多个时间戳；针对每个PDU执行偏移量测量，以计算每个PDU的在所述 客户端时钟和所述服务器时钟之间的时间偏移量，其中，每个偏 移量测量均基于与正在对其执行所述偏移量测量的PDU相关联的 至少两个所述时间戳；对所述时间偏移量执行最小偏移量滤波以去除基于无效时间 戳数据的任何时间戳；以及对经过滤波的所述时间偏移量执行频率滤波以生成所述频率 估计，并向MiFLL提供所述频率估计以实现所述客户端时钟对于 任何指定时间测量间隔内的良好稳定性。
10. 如权利要求9所述的计算设备，其中，所述多个时间戳包括由以 下时间戳构成的群组中的至少两个包括从所述客户端时钟发起的所述 PDU的发送发起间期的最佳估计的时间戳T,，包括终止于经由网络与所述 客户端相连接的所述服务器时钟的所述PDU的接收终止间期的最佳估计 的时间戳T2，包括从所述服务器时钟发起的所述PDU的发送发起间期的 最佳估计的时间戳T3，以及包括终止于所述客户端时钟的所述PDU的接 收终止间期的最佳估计的时间戳T4，其中，"间期"指的是时间间隔。
11. 如权利要求9所述的计算设备，其中，所述频率估计生成单元被 配置为将针对信道的关联有效性标志与频率估计一道输出，其中，所述信 道包括所述服务器时钟以及从所述服务器时钟到所述客户端时钟的关联路 径。
12. 如权利要求9所述的计算设备，其中，所述频率估计生成单元还被配置为包括以下步骤对所述频率估计滤波步骤的输出应用频率群集化(FC)，以去除与给定时间间期中的在前的信道行为不一致的频率估计异常点。
13. 如权利要求9所述的计算设备，其中，所述服务器包括多播NTP 服务器，该多播NTP服务器能够提供在服务器和客户端之间具有N对M 关联的基于分组的定时信息，其中，N和M可以是大于或等于1的任意整 数。
14. 如权利要求9所述的计算设备，其中，所述服务器包括多播PTP 服务器，该多播PTP服务器能够提供在服务器和客户端之间具有N对M 关联的基于分组的定时信息，其中，N和M可以是大于或等于l的任意整 数。
15. —种计算机可读存储介质，包含用于通过一种方法来控制计算机 系统自治地验证从服务器时钟接收的时间和频率信息并生成在客户端时钟和所述服务器时钟之间的频率估计的指令，所述方法包括接收至少两个协议数据单元(PDU)，其中，每个PDU包括多个时 间戳；从每个PDU中提取所述多个时间戳；针对每个PDU执行偏移量测量，以计算每个PDU的在所述客户端时 钟和所述服务器时钟之间的时间偏移量，其中，每个偏移量测量均基于与 正在对其执行所述偏移量测量的PDU相关联的至少两个所述时间戳；存储针对每个PDU的所述偏移量测量的结果；对所存储的所述时间偏移量执行最小偏移量滤波(MOF)以去除基于 无效时间戳数据的任何时间偏移量； 存储所述MOF的结果；对所存储的经过滤波的所述时间偏移量执行频率估计滤波(FEF)以 生成频率估计；以及向用户显示频率估计，以使得所述用户能够决定是否使用该频率估计 作为向MiFLL的输入。
16. 如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述多个时 间戳包括由以下时间戳构成的群组中的至少两个包括从所述客户端时钟 发起的所述PDU的发送发起间期的最佳估计的时间戳Tp包括终止于经 由网络与所述客户端相连接的所述服务器时钟的所述PDU的接收终止间 期的最佳估计的时间戳T2，包括从所述服务器时钟发起的所述PDU的发 送发起间期的最佳估计的时间戳T3，以及包括终止于所述客户端时钟的所 述PDU的接收终止间期的最佳估计的时间戳T4，其中，"间期"指的是 时间间隔。
17. 如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述频率估 计被与针对信道的关联有效性标志一道显示，其中，所述信道指的是服务 器时钟以及从所述服务器时钟到所述客户端时钟的关联路径。
18. 如权利要求15所述的计算机可读存储介质，还包括以下步骤 对所述频率估计滤波步骤的输出应用频率群集化(FC)算法，以去除与给 定时间间期中的在前的信道行为不一致的频率估计异常点。
19. 如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述服务器 包括多播NTP服务器，该多播NTP服务器能够提供在服务器和客户端之 间具有N对M关联的基于分组的定时信息，其中，N和M可以是大于或 等于1的任意整数。
20. 如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述服务器 包括多播PTP服务器，该多播PTP服务器能够提供在服务器和客户端之间 具有N对M关联的基于分组的定时信息，其中，N和M可以是大于或等 于1的任意整数。
全文摘要
本发明的一个实施例提出了一种方法，用于自治地验证从多个源获得的时间和频率信息并生成在客户端时钟和源之间的频率差的适当估计。该方法包括以下步骤协议数据单元验证，偏移量测量，最小偏移量滤波，和频率滤波。利用这些步骤，可以减轻分组延时变化的负面影响，并且确定了所考虑的源的频率估计，以及关联有效性状态。因此，以相对于现有方法极大降低了的成本和降低的复杂度水平来实现对本地时钟的质量控制。
文档编号G04G5/00GK101416431SQ200780012003
公开日2009年4月22日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月1日
发明者乔治·P·扎木帕蒂 申请人:迅腾有限公司