专利名称：应用于电信网的时间供给与同步系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于电信网的时间供给与同步系统(以下简称为时间供给与同步系统)，特别是一种由时间同步中心设备(以下简称中心设备)将接收到的国际标准时间—协调世界时(UTC)传送到各远端时间同步从设备(以下简称远端从设备)，使所有远端从设备时间精确同步于协调世界时的一个系统。远端从设备可在其服务范围内对所有需要标识时间的对象附上时间标签。
背景技术：
对于传统电话网和移动通信网都是布及全国的网络，它们的局间通信和网间通信，包括传送接续、控制消息以及与用户和呼叫有关的数据，在中国均采用七号公共信道信令，因此，对电信网起着支撑作用的信令网运行状况直接影响通信的服务质量。近几年来，各电信运营商纷纷提出并着力实施信令监测系统的建设，监测信令网的运行，采集局间信令链路上传送的消息，掌握全网运行的实时信息，进行分析、统计，及时处理发生的问题，提高通信网服务质量。
由于通信的实时性和随机性较强，一次接续处理过程需要传送许多信令消息，为对消息进行有效、正确地分析，要求信令监测系统对监测到的每一条信令消息标出其发生的时间。信令监测点一般设在信令转接点，有的设在信令点。每一个监测点上需要同时监测许多信令链路，这样不但要求监测系统中分布在不同地点的远端监测设备与监测中心时间同步，一个监测点内的多个监测单元也要实现时间同步。由于一次通信接续中的二个消息包的间隔时间可能非常短，因此，对时间同步的准确度要求也就非常高。若监测点采用未经同步的独立时钟，则是不可能实现的。
在先技术(1)，中国专利申请号01104016.5(公开号CN 11309486A)提供了一种时间同步方式，它包含的时间分配器能向多个长距离的终端装置发送时间同步信号。它的时间是直接取自于全球卫星定位系统(简称GPS系统)，。它的时间同步信号是由表示信号起始的识别信号和表示时间的绝对时间信号构成的，也就是识别信号的前沿定时同步于协调世界时(简称UTC)，是将两个信号叠加成串行信号后发送。
在先技术(2)，中国专利申请号93104567.3(公开号CN 1082285A)提供了一种时间同步系统，它的核心是时钟同步，也就是本地晶振的调整，即将本地时钟的工作频率调整到与外部标准输入频率相一致，通过使用GPS时钟源，来不断地对本地时钟的偏差进行纠正。它的信号传输是利用寻呼网中无线通路以广播方式传送时间消息，降低了投资。所以可以说是一种适用于无线寻呼网络的系统。它用于维持响应计时信号的时钟时间信号时，是用一个连续步进的计数器。该计数器步进电路是一个发生可变频率输出信号的一个压控振荡器。用于产生一个可变频率计的信号。由同步电路将控制电压提供给相关的压控振荡器，用于建立所说的计时信号。它是一个维护操作点对多个寻呼台之间的时间同步。
发明内容
本发明为了达到使所有的远端从设备的时间都能够精确地同步于协调世界时(简称UTC)的目的，提供一种应用于电信网的时间供给与同步系统。
本发明为达到上述目的，所采取的技术措施是要求本发明的时间供给与同步系统主要包含时间同步中心设备(简称为中心设备)、远端时间同步从设备(简称为远端从设备)和连接两者之间的传输通路。本发明中所说的中心设备主要是将从多种时间源获取的标准时间信号，定时周期地通过传输通路传送给远端从设备，并接收远端从设备反馈回来的时间信号，进行修正时间延迟；所说的远端从设备从传输通路中接收中心设备传来的标准时间信号，同步发送到各服务单元，并同时反馈给中心设备。所说的中间传输通路是利用2.048Mbit/S数字链路或电信传送网。
具体地说，本发明时间供给与同步系统是一个具有接收协调世界时(UTC)的时间同步中心设备和远端时间同步从设备，两者通过传输通路连接，可借助于电信网中传输系统实现。时间同步中心设备中的时间服务器接收到协凋世界时(UTC)后，由主时间通信单元将时间信号变换成高速数据链路控制规格(HDLC)消息包，经数字交叉连接单元(DXC)周期性地向网络内所有远端时间同步从设备进行发送。系统通过对信号远程传输时延的测定和时间广播，中断驱动和时间段校正，使所有的远端从设备以及远端从设备内部各分单元的时间与UTC保持一致，实现相互间时间精确同步，时间误差达到小于1ms。远端从设备的服务单元可用通用计算机平台，能向服务对象以多种方式进行时间信息传递，并可与服务对象合成在一个物理体内。
本发明的时间供给与同步系统应用于七号信令监测系统时，远端从设备的ITU(国际电联)制定的一种国际性的标准化的No.7公共信道信令。中国电信网中局际通信也采用此信令，包括在公用电话网(传统的电话网)、移动通信网和智能网中。通信网上No.7信令的运行情况对通信的服务质量至关重要，为此，中国各电信运营公司正在各地的电信网中装设No.7信令监测系统。
本发明的特点在于(1)本发明的时间供给与同步系统实现了由一个中心设备接收国际标准时间—协调世界时(UTC)，经传输通路(2.048M数字链路或电信传送网)将时间信号传送到所有需要标准时间的各远端节点，建立当地的时间钟。并可以通过使用传输时间的测量、2kHz脉冲同步、正点5秒脉冲校正和UDP(用户数据包报)广播，实现远端从设备及内部各单元的时间精确同步于UTC。也就是本发明的时间供给与同步系统与在先技术(2)不同，本发明是各节点的时间源来自一个中心设备，本地时间同步的核心是同步各地用户单元上操作系统的时钟，异地同步是通过数字通信链路同步各地时间同步单元。
(2)本发明的中心设备向远端从设备采用HDLC高速数据链路通信方式，周期发送带有标准时间的消息包，接收远端从设备发回的消息，从而测定传输延迟，在下一周期将标准时间和传输时延发送给各远端从设备。各远端从设备根据中心设备发来的时间和传输时延，确定本地的标准时间。实现各远端节点间时间同步误差小于1ms。
(3)本发明的远端从设备与中心设备同步；定时每5秒向服务单元发出一个UDP时间广播消息包，使未同步上的单元能够在5秒内获得一个较精确的初始时间。
(4)本发明的远端从设备内的正点5秒同步脉冲，使所有服务单元取得初始时间和一旦发生时间偏离时及时得到纠正。
(5)本发明的远端从设备在输出的秒脉冲间插入2KHz脉冲时钟同步信号，作为一个外部高优级的中断提供给操作系统。操作系统将此中断作为时间中断。本地所有服务单元都与2KHz脉冲连接，确保了时间同步的一致性，误差小于0.5ms。
(6)本发明的中心设备和远端从设备均有时间保持功能，系统安全可靠。一旦运行中时钟源信号中断，中心设备中主时间通信单元和数字交叉单元、传输线路或远端从设备中从时间通信单元中任何一部分出现故障，服务单元仍能维持工作，继续向服务对象提供标准时间。
(7)本发明系统可通过电信传送网实现长距离传送信号，使远端从设备可布设在任何地点，获得广泛的应用。
(8)本发明系统主要应用于电信网内的时间同步。由于电信网中局、站及它们与管理中心之间，普遍设有数字通信链路，而且所有的数字传输通路，对一个高精度的时钟实现全网同步，给时间同步系统提供了一个精确的时钟源信号，利用这一资源，实现异地各设备的时间同步，传输质量高。而且不必铺设专用电缆/光缆，充分利用电信资源，降低建设成本。
(9)本发明的时间供给与同步系统中设有时间服务器，可从GPS接收器中取得时间信号，也可从其它时钟源取得标准时间信号。
图1为本发明系统构成的示意图。
图2为本发明的时间同步中心设备2构成的示意图。
图3为本发明的远端时间同步从设备4构成的示意图。
图4为本发明中远端从设备标准时间信息接收过程的示意图。
图5为本发明系统的UDP与5秒脉冲同步过程的示意图。
图6为远端从设备中各服务单元与2kHz脉冲同步过程的示意图。
图7为上述图2中本发明中心设备包含的时间服务器201的构成示意图。
图8为上述图2中主时间通信单元202的构成示意图。
图9为上述图2中数字交叉连接单元203的构成示意图。
图10为上述图3中从时间通信单元401的构成示意图。
具体实施例方式
下面结合附图具体地说明本发明系统的结构特征。
图1是本发明的时间供给与同步系统的简单结构框图。中心设备2与多种标准时间源1相连。中心设备2通过中间传输通路3与多个含有数个服务单元的远端从设备4相通。
所说的中间传输通路3是2.048Mbit/s数字链路中的各个64kbit/s通路。传输手段可为准同步数字体系(PDH)或同步数字体系(SDH)。通常可借助于电信传送网，所以说本发明系统中的时间同步中心设备和远端从设备均为电信传送网中一个节点。
所说的多种标准时间源1包括能够提供协调世界时(UTC)的全球卫星定位系统(GPS)接收器，或者是互联网上的网络时间协议(NTP)所传送的协调世界时(UTC)等。
时间同步中心设备2接收国际标准时间UTC，并以5秒时间间隔周期地将UTC时间信号和测定的信号传输时延输出到2.048Mbit/s数字链路上，通过数字交叉连接单元(DXC)的交换，分别向各远端时间同步从设备4发送。远端从设备4接收到时间信号后，向服务单元广播标准时间，并对服务单元的时间钟进行中断驱动和时间校正，从而实现全系统的以国际标准时间(协调世界时UTC)为基准的时间精确同步。并为向服务对象—信令监测系统的信令采集模块—提供标准时间。同时，远端从设备在收到中心发来的时间信号后立即将信号返回给中心设备，以提供中心设备计算传输时延。
图2是本发明系统中中心设备2的结构示意图。本发明的中心设备2主要包含时间服务器201，与时间服务器201输出端相连的主时间通信单元202，与主时间通信单元202输出端相连的数字交叉连接单元203，数字交叉连接单元203的输出经传输通路连接到远端从设备4上。
时间同步中心设备的国际标准时间—协调世界时(UTC)—由时间服务器201采获，通过以太网口送至主时间通信单元202。
所说的时间服务器201具有时间保持功能。它含有内部时间钟和时钟源同步于外部时间信号，一旦系统失去外部时间源，内部时钟源能按照原来的锁定的频率工作，维持标准时间的输出。时间服务器201并具有多种时间源的选择功能，可从全球卫星定位系统(GPS)接收器101或从互联网上通过NTP(网络时间协议)102取得UTC时间，以适应不同的使用环境，提高系统安全性。
所说的主时间通信单元202将接收到的标准时间转换成高速数据链路控制规格(HDLC)消息包，以5秒周期，从2.048Mbit/s数字链路中的各个64kbit/s通路发送到数字交叉单元203(DXC)。
图3是远端从设备4的结构示意图。它主要包含从时间通信单元401，从时间通信单元401的输出连通到数个服务单元402、403、404…。各服务单元402、403、404…，均连通到服务对象405处。
各远端时间同步从设备根据中心设备发来的5秒周期消息包中标准时间和传输延迟的值，计算出本远端从设备接收到消息的实际时间，以该时间校准本地时间钟。并每5秒产生一个带有当前标准时间的UDP包，发给服务单元。同时产生一个2kHz频率的脉冲驱动使本地时间钟运行。另外还产生一个正点5秒周期脉冲，用以对时间的校正。
远端时间同步从设备具有时间保持功能。在时间同步中心设备发生故障的时候，能继续维持国际标准时间的输出。
由上述图1、图2、图3可知，本发明系统中时间同步中心设备2的标准时间由时间服务器201取得。时间服务器201的时间源1可来自具有协调世界时输出的GPS(全球卫星定位系统)101、或互联网102等。
中心设备1的主时间通信单元202收到时间服务器201发送来带有标准时间的信号和秒脉冲后，以高速数据链路控制规程(HDLC)形式的消息包，在每5秒正点时刻周期地通过数字交叉连接单元(DXC)203，从各个2.048Mbit/s链路的64kbit/s通路或电信传送网将该时刻的标准时间传送给远端时间同步从设备4。
远端时间同步从设备4接收到的带有标准时间的消息包后，立即将原消息包返回给中心设备。消息中保留着中心设备发来的标准时间。
中心设备收到各远端从设备返回的消息后，根据接收到返回包的时间和包内保留的时间，算出对各远端从设备传输程所需要的时间，随着下一个5秒所发送的标准时间消息包分别送给各远端时间同步从设备，以提供其确定当地的标准时间。
图4为本发明中远端从设备4时间的确定原理图。如图4所示，由时间同步中心设备2给各远端时间同步从设备4发送一个时间同步消息M包，该消息M包含一个当前时间的值t1和一个传输延迟的值d，d的初始值等于0。消息M以HDLC方式发送给远端从设备4，远端时间同步从设备4收到该HDLC消息后立即将此消息返回给中心设备2。中心设备2收到该返回的消息后，计算收到该返回消息的时间t2与消息包内所含的发送时间t1之间的差，算出单程传输延迟值d。随后，中心设备2将该传输延迟值d附在下一个消息M包内，发送给远端从设备4。各远端从设备4得到中心设备2发送消息M时的时间t1和传输延迟的值d，即可计算出本远端时间同步从设备4接收到消息M的实际时间，根据该值校正本地时间钟。
图5为本发明系统中用户数据报(UDP)与5秒脉冲的同步过程。当各远端从设备的时间钟被时间同步中心设备同步后，每正点5秒产生一个用户数据报(UDP)消息，通过网络广播发送给本远端从设备4内所有服务单元。该消息包内包含发送消息时的标准时间。服务单元收到UDP广播消息后，当UDP包内所含时间与服务单元时间偏差大于一定值时，以UDP包内所给出的时间为准，重新初始服务单元当前时间。同时各远端从设备产生一个脉冲，发送给其所有的服务单元，使本远端从设备内所有服务单元的当前时间向最接近的正5秒对齐。，以修正UDP包传送中带来的时延。
图6是各服务单元的2kHz同步过程。当远端时间同步从设备4根据本身的时钟，产生一个2kHz的脉冲，向本远端从设备内所有服务单元或时间同步设备同时申请中断(IRQ)。远端从设备每产生一个脉冲，各服务单元或时间同步设备就响应一个中断，使该中断驱动操作系统的最小时间片不断前进。并以操作系统的最小时间片为时间单位来调度各个进程，统一了各个服务单元或时间同步设备上的操作系统的最小时间片，就能将各个服务单元的时间钟保持一致，致所有服务单元保持同步。2kHz同步过程见图6。
综上所述，本发明时间供给与同步系统通过HDLC消息包的发送，实现对各远端时间同步从设备的UTC时间供给与同步；通过UDP消息广播时间，正点5秒脉冲校准时间及2kHz的脉冲的驱动，实现远端时间同步从设备内所有的服务单元时间同步，从而使系统内各设备的时间精确同步于UTC。
图7是中心设备2中时间服务器201的结构示意图。时间服务器201的核心部分是中央处理单元2011。中央处理单元2011带有多个(至少四个)时间源信号输入端口，并通过第一以太网口2012和第一秒脉冲接口2013连接到主时间单元202上。中央处理单元2011可接GPS接收器101，接收其发来的标准时间串行信号和1秒脉冲，也可接互联网102，用网络时间协议(NTP)从网上取得标准时间。并根据指定的优先次序取其中一个时间源信号，以简单网络时间(SNTP)协议包形式，通过第一以太网2012发送给主时间通信单元202。时间服务器201的中央处理单元2011同时产生一个本地秒脉冲信号通过第一秒脉冲接口2013，随同一起发给主时间通信单元202。时间服务器201除直接接收GPS信号外，还可接收其它多种时间格式编码信号，如美国靶场时间组时间编码格式B000(ITIG DCLS BOOO Inter-RangeInstrumentation Group，Time Code Format B000)，美国靶场时间组时间编码格式B120(IRIG Time Code Format B120)以及NTP等国际通用时间格式编码的信号，以满足不同场合应用的需要。
图8是中心设备2中主时间同步单元202的结构示意图。主时间通信单元202主要包含有主处理器单元2021、主数字接口2022、第二以太网口2023和第二秒脉冲接口2024。主处理器单元2021通过第二以太网口2023和第二秒脉冲接口2024分别与时间服务器201内的中央处理单元2011上的第一以太网口2012和第一秒脉冲接口2013相连。主处理器单元2021通过主数字接口2022与数字交叉连接单元203相连。主处理器单元2021接收时间服务器201经第二秒脉冲接口2024发来的秒脉冲信号和经第二以太网口2023发来的SNTP协议包形式的时间信号。经过处理后，将时间信号转换成HDLC消息包，在2.048Mbit/s数据链路的各个时隙上以5秒周期送到主数字接口2022。主数字接口2022将HDLC数据包以码流方式发送给数字交叉连接单元(DXC)203。主时间通信单元202从主数字接口2022接收DXC203传送来的远端从设备返回信号，根据收到返回信号消息包的时间和包内记录的原发HDLC包的时间算出传输过程所需的时间，在下一个5秒周期的HDLC消息包中发送给远端从设备。
图9是中心设备2中数字交叉连接单元203的结构示意图。数字交叉连接单元(DXC)203主要含有带多个接线口的时分接线器2031，采用半固定交换方式实现对N条2.048Mbit/s数字链路的时隙交换。其中一条2.048Mbit/s链路接时间同步中心设备主时间通信单元202。其余各条链路经传输通路至远端从时间同步设备4。DXC通过时隙交换，将来自主时间通信单元202的2.048Mbit/s链路中各个64Mbit/s时间信号，按照预先设置的路由，从各条2.048Mbit/s链路中的一个64Mbit/s通路发送给远端时间同步从设备。2.048Mbit/s链路是双向通路。主时间通信单元在向各远端从设备发送标准时间信号的同时，在2.048Mbit/s输入口中接收各个远端从设备返回的消息。
图10是图3远端从设备4中从时间通信单元401的结构示意图。从时间通信单元401主要包含有从处理器单元4011、从数字接口4012、5秒脉冲接口4013、2kHz脉冲接口4014和第三以太网口4015。从处理器单元4011通过第三以太网口4015、2kHz脉冲接口4014和5秒脉冲接口4013与服务单元402相连。从处理器单元4011通过从数字接口4012和传输通路3与中心设备2相连。从时间通信单元401由从数字接口4012接收时间同步中心设备以5秒周期、经传输通路发来的时间消息包。将它转送给从处理器单元4011。从处理器单元4011收到标准时间后进行处理，每5秒通过第三以太网口4015周期地将时间消息包UDP以广播方式同时发送给各服务单元。并根据中心发来时间消息包校正本身的时间，产生正点5秒周期脉冲和2kHz脉冲信号，通过5秒脉冲接口4013和2kHz脉冲接口4014直接发给各服务单元402。
服务单元402根据从时间通信单元401发来的2kHz脉冲和经由以太网发来的时间消息包UDP，在本单元内部建立与国际标准时间同步时间钟，并以接收到的正点5秒周期脉冲核对时间的准确性。如上面所描述的同步过程。
权利要求
1.一种应用于电信网的时间供给与同步系统，主要包含时间同步中心设备(2)、远端时间同步从设备(4)以及连接两者之间的传输通路(3)，其特征在于所说的时间同步中心设备是将从多种时间源(1)获取的标准时间信号定时周期地通过传输通路(3)传送给远端时间同步从设备(4)，并接收远端时间同步从设备(4)反馈回来的时间信号，进行时间延迟计算；所说的远端时间同步从设备(4)通过传输通路(3)接收时间同步中心设备(2)传来的标准时间信号，同步发送到各服务单元，并同时反馈给时间同步中心设备(2)；所说的传输通路(3)是2.048Mbit/s数字链路，或是电信传送网。
2.根据权利要求1所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的时间同步中心设备(1)主要包含时间服务器(201)，与时间服务器(201)输出端相连的主时间通信单元(202)，与主时间通信单元(202)输出端相连的数字交叉连接单元(203)，数字交叉连接单元(203)的输出通过传输通路(3)连接到远端时间同步从设备(4)上。
3.根据权利要求2所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的时间服务器(201)的核心部分是中央处理单元(2011)，中央处理单元(2011)带有多个时间源信号输入端口，中央处理单元(2011)通过第一以太网口(2012)和第一秒脉冲接口(2013)连接到主时间通信单元(202)上。
4.根据权利要求2或3所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的主时间通信单元(202)主要含有主处理器单元(2021)、主数字接口(2022)、第二以太网口(2023)和第二秒脉冲接口(2024)；主处理器单元(2021)通过第二以太网口(2023)和第二秒脉冲接口(2024)分别与时间服务器(201)的中央处理单元(2011)上的第一以太网口(2012)和第一秒脉冲接口(2013)相连，主处理器单元(2021)通过主数字接口(2022)与数字交叉连接单元(203)相连。
5.根据权利要求2所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的数字交叉连接单元(203)主要含有带多个接线口的时分接线器(2031)，其中一个接线口接于主时间通信单元(202)，其它接线口通过传输通路(3)接到远端时间同步从设备(4)上。
6.根据权利要求1所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的远端时间同步从设备(4)主要包含从时间通信单元(401)，从时间通信单元(401)的输出连通到数个服务单元(402、403、404)，各服务单元(402、403、404)均连通到服务对象(405)处。
7.根据权利要求6所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的从时间通信单元(401)主要包含从处理器单元(4011)、从数字接口(4012)、5秒脉冲接口(4013)、2kHz脉冲接口(4014)以及第三以太网口(4015)，从处理器单元(4011)通过第三以太网口(4015)、2kHz脉冲接口(4014)和5秒脉冲接口(4013)与服务单元(402、403、404)相连，从处理器单元(4011)通过从数字接口(4012)和传输通路(3)与时间同步中心设备(2)相连。
8.根据权利要求1所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于所说的多种时间源(1)是发射协调世界时(UTC)的全球卫星定位系统(GPS)接收器，或是网络时间协议(NTP)。
9.根据权利要求1所述的应用于电信网的时间供给与同步系统，其特征在于通过时间同步中心设备经数字传输链路向远端时间同步从设备周期发送带有标准时间的消息包，接收远端从设备发回的消息，从而测定传输延迟。
10.根据权利要求6所述的远端时间同步从设备，其特征在于产生正点5秒脉冲、UDP消息包和2kHz中断申请来实现所有的服务单元与UTC同步。
全文摘要
一种应用于电信网的时间供给与同步系统，含有从多种时间源接收协调世界时并定时周期地通过传输通路传送给远端时间同步从设备的时间同步中心设备。远端时间同步从设备接收到时间同步中心设备的标准时间信号，同步地向各服务单元发送并同时反馈给时间同步中心设备，时间中心设备进行时延计算，再发送给远端时间同步从设备。本发明的系统有传输时延的校正，实现各远端节点时间同步误差小于1ms。时间同步中心设备和远端时间同步从设备均有时间保持功能。本发明的系统主要应用于电信网内的时间同步。充分地利用电信资源，不仅传输质量高，同时也降低了建设成本。
文档编号H04L7/00GK1642068SQ20041001562
公开日2005年7月20日 申请日期2004年1月2日 优先权日2004年1月2日
发明者许永毅, 唐涛, 王炼栋, 何林 申请人:上海欣泰通信技术有限公司