专利名称：利于无线网状网络中同步的装置及相关方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种利于网状网络例如固定宽带接入网络或移动专用(ad hoc)网状网络中节点之间的时间同步的方法。更特别地，本发明涉及给网状网络中节点提供准确的时间参考戳记，以允许按照同步分级结构进行时间和时钟同步的装置及相关方法。时间戳记在保存更新时间参考值的节点处加到数据包上。当发送给另一节点时，时间戳记被提取以向该另一节点提供更新时间参考值。时间参考值缓冲并更新于寄存器中，并且可选择地从那里取得以形成时间戳记。
背景技术：
远距离位置的发送和接收站之间的数据通信是现代社会的必需附属物。很多不同类型的通信系统已被开发并正式用来实现发送和接收站之间的数据通信。
通信技术进步已使新类型通信系统的开发和商业实施成为可能。无线电通信系统是已得益于通信技术进步的通信系统的例子。现有类型的无线电通信系统的改进，以及新类型的无线电通信系统，由于通信技术进步已变成可能。
与使用常规的有线通信系统对比，使用无线电通信系统固有地可以增加通信移动性。定义于无线电通信系统的发送和接收站之间的通信信道基于在发送和接收站之间构建的无线电链路来定义。通信信道称作无线电信道，并且它们的建立不需要固定连接。
已使新类型通信系统的开发和实施成为可能的通信技术进步包括，例如数据通信技术。数字通信技术的使用使通信系统的通信容量可以增加，而且还提高在通信系统中实现的通信的质量水平。
待于数字通信系统中传送的信息被数字化。一旦被数字化，数字化信息被格式化成例如称作数据包的数据分组。数据包由发送站经无线电信道发送到接收站，从而实现发送站和接收站之间的数据包通信。独立的一些包或包群可以按离散间隔传送，并且一旦被传送，数据分组可以连接在一起以再现发送信息的信息内容。
因为数据分组可以按离散间隔发送，无线电或其他通信信道不需要只贡献给按照一个发送站和一个接收站之间单个通信会话的数据通信。相反地，常规的电路交换通信中需要专用信道。在包交换通信中，单个信道可以按照许多不同通信会话的实现来使用。由于包交换通信中所允许的通信信道共享特性，提高的通信容量是可能的。
无线网状网络是一种无线电通信系统，它可以构造来提供例如按照数字通信技术的包数据通信。无线网状网络典型地包括许多节点，每个节点能够与至少一个其他节点通信。无线网状网络例如实施成能够在构成节点的固定位置通信站之间传送宽带数据的固定宽带接入网络。移动自组织网状网络也是无线网状网络的代表。
网络同步是无线网状网络中完全地利用可用来在其上通信的无线电资源所必需的。发送和接收时序安排在无线网状网络中按惯例来使用。时序安排是确保网络节点在时间上同步所必需的。通过适当的时间同步，分隔无线电链路上的通信的保护间隔可以减小，因为同步限制了超过所定义发送时段的包数据组的漂移量。如果没有适当的同步，增加长度的保护间隔是必需的，从而减小在网络节点之间构建的无线电链路上的通信容量。
在网状网络中，形式上的分级结构不一定被定义。并且，如果分级结构被定义，执行同步所依照的参考分布分级地实现。参考误差在分级定义的结构的递次分支中累积地增加。
因此，提供系统参考以通过系统参考来在网状网络，例如固定宽带接入网络或移动自组织网状网络中实现时间同步的方法是有利的。
本发明的重大革新是根据与网状网络中的通信相关的这些背景资料来展开的。
发明内容
因此，本发明有利地提供利于网状网络例如固定宽带接入网络或移动自组织网状网络中节点之间的时间同步的装置及相关方法。
通过本发明一种实施方案的操作，准确的时间参考戳记提供给网状网络的节点，以允许按照同步分级结构进行时间和时钟同步。
更新时间参考值保存于网状网络的节点处。时间参考值用作加到待从节点传送到另一节点的数据包上的时间戳记。当被发送到另一节点时，时间戳记被提取以向另一节点提供更新时间参考值。时间参考值保存于第一节点的寄存器中，并且可选择地从那里取得以使用时间戳记。
在本发明一个方面，网络时间寄存器安置于构成网状网络的第一通信站的第一节点处。时钟信号施加到网络时间寄存器上，并且网络时间寄存器的内容正地或负地增加，从而将更新保存于更新时间参考值的寄存器中。至少选定的数据包用从网络时间寄存器中取得的时间参考值来加上时间戳记。当数据包传送到构成另一通信站的第二或其他节点时，时间戳记从数据包中提取并用来使该另一通信站与第一通信站时间同步。
发送时间也就是数据包由第一通信站发送的时间与接收时间也就是数据在第二通信站被接收的时间之间的延迟通过计算传输历时来补偿。该计算通过从第二通信站向第一通信站返回数据包来进行。被返回的数据包在第一通信站被接收的时间可以确定两个通信站之间的传输时间。另一个数据包发送到第二通信站，以通知第二通信站传输时间以及保存于第二通信站中的时间参考值的相应变更。
在本发明另一方面，另一个寄存器，锁存寄存器，也在第一通信站构建。网络锁存寄存器连着网络时间寄存器，并且缓冲并保存于网络时间寄存器中的时间参考值也可选择地存储于网络锁存寄存器中。当触发信号施加到锁存寄存器上时，值被取得并锁存在那里。当触发信号施加到锁存寄存器上时，网络时间寄存器的内容被复制到那里。
在本发明另一方面，网络选通寄存器也在第一通信站构建。选通寄存器也连着网络时间寄存器，以接收存储于那里的参考时间的值。选通寄存器点数，并且当寄存器点数时产生构成触发信号的信号。因此，当选通寄存器点数时，触发信号以周期性的间隔产生并施加到锁存寄存器上。
在网状网络中的通信站上构建的、实施成硬件装置或软件装置的寄存器提供一种保存及更新时间参考值的方法。通过给从通信站传送到另一通信站的选定数据包加上时间戳记，通信站之间的时间同步可以被提供。并且，当网状网络中的相继节点即通信站包括这种寄存器时，网络范围的同步是可实现的。伪分级结构也通过定义通信站中的一个来保存参考时间值来提供。
因此，在这些及其他方面，装置及相关方法提供给具有第一通信站和至少第二通信站的无线网状网络。第一和至少第二通信站之间的数据通信的时间同步被提供。网络时间寄存器被连着，以接收具有代表参考时间的值的时间参考信号。网络时间寄存器缓冲并保存参考时间的更新值。数据格式器连着网络时间寄存器。数据格式器把待于无线网状网络的第一和至少第二通信站之间传送的数据格式化。一旦被格式化，数据包含与缓冲于网络时间寄存器中的参考时间的更新值相关的戳记。
本发明更完整的了解及其范围可以从下面简要概述的附图、下面的本发明当前优选实施方案的详细描述，以及附加权利要求书中获得。
图1说明可实施本发明实施方案的示例无线网状网络的功能框图；图2说明本发明实施方案的示例网络定时电路的功能框图；图3说明本发明可选实施方案的定时电路的，类似于图2中所示的功能框图；图4说明图2和3中所示实施方案的定时电路的实施的功能框图；图5说明本发明实施方案的时钟同步电路的功能框图；图6说明本发明实施方案的操作方法的方法流程图；图7也说明同样代表本发明实施方案的操作方法的方法流程图；图8说明图1中所示的示例无线网状网络中第一和第二节点之间的通信表示。
具体实施例方式
首先参照图1，总体上以10显示的示例无线网状网络提供全体构成网状网络的许多节点12之间的无线通信。在示例实施中，无线网状网络构成固定无线宽带接入网络。在另一种实施中，网状网络10代表移动自组织网络。
每个节点12构成能够与其他通信站收发通信信号的无线通信站。当网状网络提供包数据通信时，通信站可操作来在其间传送包数据。
虽然网状网络不一定包含分级结构，图中所示的网状网络10定义了相对于中心(如所示)通信站12-C的伪分级结构。通信站12-C构成参考节点。从参考节点到其他节点的距离用跃距(hop)来定义。
关于参考节点12-C，在这里以12-1显示的构成通信的第一组节点位于离参考节点12-C一个跃距距离。在这里以12-2显示的构成节点的另一组通信站离参考节点12-C两个跃距距离。并且，这里以12-C显示的构成节点的第三组通信站离参考节点12-C三个跃距距离。节点12-4和12-5相应于它们各自离参考节点的跃距距离而类似地编号。
虽然仅单个参考节点12-C在图1中表示，包括多个参考的伪分级结构也可以在无线网状网络中定义。在这种实施中，图1中所示关于信号参考节点的过分简单化的跃距分布不被使用。但是，在这种实施中，单个节点与例如它的邻居同步，具有离参考节点最近距离。
为了提供分配给网状网络的无线电资源的有效利用，适当的时间同步水平需要在网状网络中实现。本发明实施方案按照伪分级结构来提供时间和时钟同步，伪分级结构提供网状网络中节点之间适当的同步水平以允许分配给网络的无线电资源的有效同步。提供同步的方法允许使用多个同步源的网状网络实现时间同步，以及向各个目的节点提供参考。
图2说明本发明一种实施方案的总体上以20显示的定时电路。定时电路就其功能来表示，并且可以用任何期望方式来实施，软件实施、硬件实施，以及硬件及软件实施两者的组合。在示例实施中，定时电路20在网状网络的一个或多个节点中实施。在图1中所示的实施中，其显示由构成节点12-C的通信站构成的信号参考，定时电路至少在参考节点12-C中构建。为了允许在节点之间的几个跃距上传送的数据包的同步，构成其他节点的其他通信站也包括定时电路20。
电路20包括网络时间寄存器22，寄存器22的寄存器容量能够缓冲定义参考时间的时钟值。这里在线路24上产生的输入时钟信号施加到寄存器22上，以改变存储于寄存器中的缓冲时间参考值。
保存于寄存器22中的时间参考值是可访问的，在这里通过数据格式器26来取得缓冲于寄存器22中的参考值，并且把代表时间参考值的值加到由数据格式器格式化的数据被格式化成的数据包上。时间参考值构成时间戳记。并且，时间戳记代表参考时间，并且包含于输出或输入数据包的头部分。当加到输出数据包中时，时间戳记信息加到包中，而当加到输入数据包中时，时间戳记信息添加为数据包在构建了电路20的节点处被接收的接收时间的分离指示。
对于施加到时间寄存器22上的时钟信号的每个时钟周期，缓冲于网络时间寄存器22中的时间参考值增加。如果待加到数据包中的精确时间戳记值不需要最低有效位被使用的话，不是缓冲值的所有最低有效位都需要是可用的。通过可选择地选择待用于时间戳记功能的位数目，电路20可以在广阔频率范围上使用，从而允许不同类型的参考信号。
电路20还包括锁存寄存器32。锁存寄存器连着网络时间寄存器22，并且可选择地操作，以将缓冲并保存于寄存器22中的时间参考值取来并锁存到锁存寄存器中。当在线路34上施加触发信号到锁存寄存器上时，锁存寄存器将缓冲于寄存器22中的时间参考值的值锁存。当在线路34上施加触发信号到锁存寄存器32上时，网络时间寄存器22的内容被复制到锁存寄存器32中并保存在那里。当触发信号基于选定事件的发生而产生时，存储于锁存寄存器中的时间参考值表示选定事件的发生时间。因此，某个事件发生时间的准确读数存储于锁存寄存器32中。对事件发生时间的访问可用于随后的分析或处理。
因此，几个输出源能够与单个输入源同步。输入源将例如成为网络时间寄存器22的控制者。各个输出源的各个时间戳记电路可访问网络时间寄存器22，以与图2中所示的数据格式器26的时间戳记电路能够访问缓冲于网络时间寄存器22中的时间参考值的方式相类似的方式。如果输出源安置在不同的装置中，例如在不同的集成电路芯片或不同的集成电路板上，同步通过把线路24上产生的时钟信号和施加于线路34上的触发信号提供到每个输出源上来获得。在线路24上产生的时钟信号提供时基。并且，通过当选定事件发生时产生触发信号，时间参考值被锁存于锁存寄存器中。
图3说明本发明再一种实施方案的定时电路。同样地，该定时电路包括网络时间寄存器22和锁存寄存器32。并且，网络时间寄存器连着数据格式器26，数据格式器26包括用于可选择地给选定的数据包加上时间戳记的时间戳记电路。再次画出时钟信号在其上产生以施加到寄存器22上的线路24。
在这里，定时电路20还包括选通(strobe)寄存器42。选通寄存器42连着网络时间寄存器，并且可选择地将从网络时间寄存器中取得的值缓冲在那里。当寄存器点数时，选通信号在线路34上产生，其构成施加到锁存寄存器32上的触发信号。在该实施中，触发信号使两个触发信号的发生之间的周期长度的值写入寄存器32中，并且触发信号以高的准确度周期性地产生。
图4说明电路40，其表示实施了图2或3中所示的定时电路的多重装置配置。在这里，实施了图2或3中所示的定时电路的时钟振荡器。在这里，时钟振荡器41在线路24上产生时钟信号，它施加到电路装置44，46和48的时钟引脚。在电路装置48产生的触发信号施加到装置46和44的选通引脚52。电路装置44，46和48表示很多种装置中任何一种，例如无线电接口，以太网以及GPS(全球定位系统)接收器。
图5说明时钟同步电路60，其包括先前在图2和3中显示的定时电路20。在这里，参考时钟信号由电压控制时钟振荡器(VCXO)62产生。时钟信号施加到定时电路20上。并且，时间戳记由定时电路提供。电路60还包括接口电路64，它在线路66上产生偏压信号以施加到时钟振荡器上。物理接口电路64跟踪输入信号的频率。如果输入信号是同步参考信号，偏压信号在线路66上产生，以改变时钟振荡器62的振荡频率。当参考时钟信号的振荡频率被校正时，准确的参考时钟频率可从物理信号本身，或至少偏差的计算来获得。当参考时钟偏压可获得时，装置能够调整其自身的参考来协调网络的参考。
图6说明本发明一种实施方案的操作方法的方法流程图，其总体上以70来显示，通过该方法用缓冲并保存于网络时间寄存器22(图2和3中所示)中的时间参考值给数据包加上时间戳记。
首先，如由方框72所示，由无线网状网络的节点构成的第一和第二通信站之间的数据包传送被启动。如由方框74所示，一组数据包被产生。然后，如由判定方框76所示，确定时间戳记是否加到这组数据包上。如果加上，“是”分支连到方框78，并且时间戳记加到数据包上。否则相反地，时间戳记不加到这组数据包上，“否”分支连到判定方框82。也从方框78取线路连到判定方框82。
在判定方框82，确定跃距信息是否也加到数据包上。如果加上，“是”分支连到方框84，并且与跃距数相关的跃距值加到数据包上。然后分支连到判定方框86。否则相反地，跃距信息不加到数据包上，“否”分支也连到判定方框86。
在判定方框86，确定事件定时信息是否加到数据包上。如果加上，“是”分支连到方框88，并且定时信息加到数据包上，分支连到方框92。否则从判定方框86取“否”分支，分支也连到方框92。在方框92，数据包组被发送。然后，路线连到结束方框94。
图7说明本发明一种实施方案的方法，其总体上以100来显示，通过该方法来使用加到数据包上的时间戳记，数据包在构成网状网络例如图1中所示网状网络的节点的第二通信站被接收。时间戳记信息用来使第二通信站与从那里发送数据包的第一通信站同步。
首先，在开始接收方框102之后，数据组被接收，由方框104指示。接收时间戳记加到数据包上，由方框106指示，以标识数据组的数据包被接收的接收时间。
然后，如由判定方框108所示，确定是否试图使第二通信站与第一通信站同步。如果不打算的话，“否”分支连到结束方框112。否则，“是”分支连到方框114，并且跃距值从数据包中提取。然后，如由方框116所示，确定这组数据包的来源是否为网状系统中定义的伪分级结构中的参考。如果不是，“否”分支连到结束方框。否则，“是”分支连到方框118，并且包含于数据包中发送时间戳记被提取。然后，如由判定方框122所示，确定与事件发生相关的定时信息是否可获得。如果可以，“是”分支连到方框124，并且定时信息从数据包中提取。然后，分支连到方框126。判定方框122的“否”分支也连到方框126。
在方框126，时间戳记被比较。然后，在判定方框128，确定时间戳记是否一致。如果一致，“是”分支连到结束方框112。否则，时间同步通过将“否”分支连到方框132来执行，并且第二通信站处的定时信息使用从在通信站被接收的数据包中提取的时间信息来设置。
图8说明按照本发明一种实施方案的操作过程中实施的同步操作，构成图1中所示网状网络10中的节点的两个通信站之间的信号传送。在这里，数据包在参考节点12-C和位于离参考节点一个跃距距离的节点12-1之间传送。包括至少一个数据包的数据组，其中时间戳记已经用上述方式加到数据包上，从参考节点发送到12-1，如由箭头122所示。数据包在节点12-1被接收，并且时间戳记信息从数据包中提取，也如上所述。确认组从节点12-1返回参考节点12-C，在这里由线段124指示。通过向参考节点提供确认组，从参考节点到节点12-1的数据传送中的传输延迟可以确定。当确认包在参考节点12-C被接收时，对应于两倍传输延迟的累积定时误差包含在信号中。参考节点能够响应于包含在确认包中的定时信息来计算传输延迟，并且然后产生一个消息，在这里由线段126表示，该消息包括校正传输延迟的校正因子。因此，节点12-1变得与参考节点完全时间同步。
图1中所示网状网络中相继节点之间的数据包的多跃距传送。
数据包的发送在时隙期间发生。首先，例如参考节点12-C发送到节点12-1。数据包的发送因将数据包发送到节点12-1所需的传输时间而提前。包发送在时隙开始之前启动。节点12-1将数据包传递到随后的节点，例如节点12-2。并且，节点12-1的发送在时隙开始处发生，因为从参考节点到节点12-1的传送中的传输延迟。然后，一旦在随后的节点12-2处被接收，数据包发送到其他节点，例如节点12-3。节点12-1和12-2之间数据包通信中的传输延迟在将数据包发送到节点12-3之前产生附加的延迟。
因此，通过本发明实施方案的操作，提供了一种给网状网络的节点提供准确的时间参考戳记，以允许按照伪分级结构使用一个或多个参考来进行时间和时钟同步的方法。
用于实施本发明的优选实施例的先前描述，以及本发明的范围不应当被该描述所限制。本发明的范围由下面的权利要求书来定义。
权利要求
1.在具有第一通信站和至少第二通信站的无线网状网络中，一种装置改进用于分别使第一和至少第二通信站之间的数据通信时间同步，所述装置包括网络时间寄存器，被连上以接收具有代表参考时间的值的时间参考信号，所述网络时间寄存器用于缓冲并保存参考时间的更新值；以及连接所述网络时间寄存器的数据格式器，所述数据格式器用于把在无线网状网络的第一和至少第二通信站之间传送的数据格式化，一旦被格式化，数据包含与缓冲于所述网络时间寄存器中的参考时间的更新值相关的戳记。
2.根据权利要求1的装置，还包括连接所述网络时间寄存器的锁存寄存器，所述锁存寄存器用于将缓冲于所述网络时间寄存器中的参考时间的锁存值缓冲。
3.根据权利要求2的装置，其中触发信号可选择地施加到所述锁存寄存器上，并且其中参考时间的更新值在触发信号施加到所述锁存寄存器上时被缓冲到所述锁存寄存器中并锁存在那里。
4.根据权利要求3的装置，其中触发信号响应于选定事件的发生而施加到所述锁存寄存器上，所述锁存寄存器的缓冲和锁存事件驱动地响应于选定事件的发生。
5.根据权利要求4的装置，其中缓冲于所述锁存寄存器中的锁存值可由第一和至少第二通信站中至少选定的一个来访问，可在那里访问的值表示选定事件发生的参考时间。
6.根据权利要求1的装置，其中所述网络时间寄存器构成第一和至少第二通信站中选定一个的一部分，并且其中第一和至少第二通信站中构建了所述网络时间寄存器的该选定的一个构成时间参考通信站，由第一和至少第二通信站中待与之同步的不被选择的至少一个使用。
7.根据权利要求1的装置，其中在第一通信站和至少第二通信站之间传送的数据包括包数据，并且其中所述数据格式器将数据格式化成数据包，数据包中至少选定的一些包括与参考时间更新值相关的戳记。
8.根据权利要求5的装置，还包括连接所述网络时间寄存器的选通寄存器，所述选通寄存器用于产生可选择地施加到所述锁存寄存器上的触发信号。
9.根据权利要求8的装置，其中所述选通寄存器设置有选通值，并且其中触发信号每当选通值点数时产生。
10.根据权利要求1的装置，还包括时钟振荡器，所述时钟振荡器用于产生时间参考信号，所述网络时间寄存器被连上以接收时间参考信号的值。
11.根据权利要求10的装置，还包括连接所述时钟振荡器及所述网络时间寄存器的接口电路，所述接口电路被连上以接收在外部产生的主时钟信号，并且所述接口电路用于可选择地给时钟振荡器加偏压，以改变在那里产生的时间参考信号。
12.根据权利要求11的装置，其中所述网络时间寄存器，所述数据格式器、所述时钟振荡器、以及所述接口电路在第一通信站和至少第二通信站中选定的一个上构建，并且其中在外部产生的主时钟信号分别由第一和至少第二通信站中的另一个产生。
13.在权利要求12的无线网状网络中，还包括改进的装置用于第一和至少第二通信站中的另一个，所述装置包括当数据传送到第一和至少第二通信站中的另一个时提取与参考时间的更新值相关的戳记的提取器。
14.根据权利要求13的装置，其中所述网络时间寄存器包括在第一和至少第二通信站中选定的一个上构建的第一网络时间寄存器，以及在第一和至少第二通信站的另一个上构建的第二时间寄存器，并且其中所述数据格式器包括在第一和至少第二通信站中选定的一个上构建的第一数据格式器，以及在第一和至少第二通信站的另一个上构建的第二数据格式器。
15.在一种用于在具有第一通信站和至少第二通信站的网状网络中通信的方法中，一种方法改进用于分别使第一和至少第二通信站之间的数据通信时间同步，所述方法包括响应于时间参考信号的接收，缓冲并保存参考时间的更新值；以及把待于第一和至少第二通信站之间传送的数据格式化，一旦被格式化，数据包含与在所述缓冲操作过程中被缓冲的参考时间的更新值相关的戳记。
16.根据权利要求15的方法，还包括把在所述缓冲操作过程中被缓冲的参考时间的缓冲值锁存的操作。
17.根据权利要求16的方法，还包括可选择地产生触发信号的操作，并且其中所述锁存操作响应于触发信号的产生而执行。
18.根据权利要求17的方法，其中所述可选择地产生触发信号的操作响应于选定事件的发生而执行。
19.根据权利要求15的方法，其中待于第一和至少第二通信站之间传送的数据包括包数据，并且其中所述格式化操作包括将与参考时间的更新值相关的戳记加到包数据的数据包中至少选定的一些上。
20.根据权利要求19的方法，其中所述缓冲及格式化操作在第一通信站执行，并且其中所述方法还包括下面操作发送包数据到第二通信站；从数据包中至少选定的一些中提取与参考时间的更新值相关的戳记；以及使用在所述提取操作过程中提取的戳记来使第二通信站与在所述缓冲及保存操作过程中被缓冲的参考时间同步。
全文摘要
使无线网状网络例如固定宽带网络或移动自组织网状网络中的节点同步的装置及相关方法。时间戳记在按照伪分级结构定义的参考节点处加到数据包上。数据包从参考节点传送到接收节点。时间戳记信息从数据包中提取，以提供构成时间戳记信息的时间参考值的指示。在节点处寄存器保存有定时信息的更新值，其用于网状网络的节点之间的时间同步。
文档编号H04L12/56GK1606839SQ02825460
公开日2005年4月13日 申请日期2002年12月19日 优先权日2001年12月21日
发明者大卫·A·拜尔, 约里·阿拉科斯基, 米卡·卡斯林 申请人:诺基亚公司