专利名称：用于使通信网络中的时钟同步的方法
技术领域：
本发明涉及用于使通信网络中的时钟同步的方法以及相应的通信网络。
背景技术：
时钟同步在例如自动化网络和蜂窝式通信网络的通信网络中是用于不同过程 (process)的适当运行的基础。在此类网络中，第一网络元件提供第一时钟作为主时钟，并 且使用第二时钟的其它第二网络元件使其时钟与该第一时钟同步。存在用于时钟同步的多个标准，例如标准IEEE 1588 (IEEE =电气和电子工程师 协会)。在已知的同步标准中，从第一网络元件向第二网络元件传送同步消息形式的第一消 息，并且从第二网络元件向第一网络元件传送线延迟(line delay)请求形式的第二消息。 交换消息包括第一网络元件的第一时钟的以及第二网络元件的第二时钟的时间戳。基于那 些消息，可以计算第一网络元件与第二网络元件之间的线延迟，并且可执行第二网络元件 中的第二时钟与第一元件的第一时钟的同步。已知同步方法很好地工作，除非存在由于第一网络元件与第二网络元件之间的其 它网络元件引起的延迟，所述其它网络元件不是同步过程的一部分。这是因为那些中间网 络元件可以例如由于拥塞而引起任意延迟，使得不能正确地计算第一网络元件与各第二网 络元件之间的线延迟。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于使通信网络中的时钟同步的方法和一种相应的通 信网络，其中，即使在引起未知延迟的中间网络元件位于第一网络元件与第二网络元件之 间的传输路径中的情况下，也能够使第二网络元件的时钟与第一网络元件的时钟同步。由根据权利要求1的方法或由根据权利要求23的通信网络来达到此目的。在根据本发明的同步方法中，第一网络元件的第一时钟被用于使一个或多个第二 网络元件的第二时钟同步。第一网络元件可以是与第二网络元件相同的类型，但是也可以 是不同的网络元件。此第一网络元件的时钟被用作用于使通信网络中的第二网络元件的其 它第二时钟同步的所谓的主时钟。处理从第一网络元件传送到第二网络元件的第一消息和 /或从第二网络元件传送到第一网络元件的第二消息以进行同步。在优选实施例中，在同步 过程中使用第一和第二消息两者以便消除网络元件的时钟之间的未知偏移(offset)。在根据本发明的方法中，记录第一消息的第一序列和/或第二消息的第二序列， 每个序列包括随后在第一和第二网络元件之间传送的许多消息。对于每个第一消息而言， 所述第一序列包括关于用于从第一向第二网络元件传送第一消息的第一延迟的信息，并且 对于每个第二消息而言，第二序列包括关于用于从第二向第一网络元件传送第二消息的第 二延迟的信息。第一和/或第二延迟可以被隐式地或明示地包括在关于第一和/或第二延 迟的信息中。在下一步骤中，从第一序列之中识别第一组第一消息和/或从第二序列之中识别第二组第二消息。第一组的每个第一消息已在第一阈值函数以下的第一延迟内被从第一网 络元件传送到第二网络元件，并且第二组中的每个第二消息已在第二阈值函数以下的第二 延迟内被从第二网络元件传送到第一网络元件。措辞“在第一/第二阈值函数以下”可以包 括或不包括以具有第一/第一阈值函数的值的延迟传送的消息。第一阈值函数被定义为使 得其对第一序列之中的具有最小延迟的第一消息进行过滤(filter)且第二阈值函数被定 义为使得其对第二序列之中的具有最小延迟的第二消息进行过滤。可以使用不同的方法来 识别第一和/或第二组消息。特别地，在某些实施例中，可以在不明确地计算第一和/或第 二延迟和/或第一和/或第二阈值函数的情况下识别第一和/或第二组消息。基于第一和 /或第二组消息，估计用于在第一和第二网络元件之间传送的消息的线延迟，并基于所估计 的线延迟来执行第二时钟与第一时钟的同步。根据本发明，可以认识到即使引起任意延迟的中间网络元件是网络的一部分，大 多数消息是在最小常数延迟(constant delay)的情况下被传送的。因此，可以通过定义用 于该延迟的适当阈值函数来滤出那些消息。由于所有那些消息具有相同的延迟，所以能够 估计线延迟并能够执行时钟同步。在本发明的优选实施例中，第一网络元件根据发送第一消息时的第一时钟来记录 第一计数器值且第二网络元件根据接收到第一消息时的第二时钟来记录第二计数器值。基 于这些计数器值，第一延迟被表示为接收到第一消息时的第二计数器值与发送第一消息时 的第一计数器值之间的差。为了使得能够计算第二网络元件中的第一延迟，第一消息优选 地是同步消息，每个包括由第一网络元件记录的第一计数器值。因此，在第二网络元件中可 使用第一计数器值，并且在第二网络元件中能够计算第二计数器值和第一计数器值之间的 上述差。在另一优选实施例中，第二网络元件在发送第二消息时根据第二时钟来记录第二 计数器值且第一网络元件在接收到第二消息时根据第一时钟来记录第一计数器值。基于这 些计数器值，可以将第二延迟表示为接收到第二消息时的第一计数器值与发送第二消息时 的第二计数器值之间的差。优选地，第二消息是从第二网络元件发送到第一网络元件的请 求消息。在接收到请求消息时，第一网络元件在接收到第二消息时向第二网络元件发送包 括第一计数器值的响应消息。因此，在第二网络元件处可获得接收到第二消息时的第一计 数器值，使得能够在第二网络节点中计算接收到第二消息时的第一计数器值与发送第二消 息时的第二计数器值之间的上述差。在本发明的优选实施例中，第一阈值函数是包括第一序列中的第一延迟的最小值 加第一常数值的常数函数和/或第二阈值函数是包括第二序列中的第二延迟的最小值加 第二常数值的常数函数。根据此阈值函数，将例如由于抖动和时间戳误差而引起的延迟的 小的变化考虑在内，以便确定以常数最小延迟传送的消息的正确数目。优选地，第一和/或 第二常数值取决于第一时钟与第二时钟之间的最大时钟频率差。此外，第一常数值优选地 取决于接收到第一序列中的最新(latest)第一消息时的第二计数器值与接收到第一序列 中的最旧(oldest)第一消息时的第二计数器值之间的差。类似地，第二常数值优选地取决 于发送第二序列中的最新第二消息时的第二计数器值与发送第二序列中的最旧第二消息 时的第二计数器值之间的差。此外，可以使用用于控制第一和/或第二常数值的大小的适 当因数(factor)来找到以最小延迟传送的消息的正确数目。优选地，用于控制该大小的因数小于一。第一阈值函数还可以是第一线性函数的近似，该第一线性函数表示第一延迟对发 送相应第一消息的时间加第一常数阈值的依赖性(dependency)或接收到第一消息的时间 对发送第一消息的时间加第一常数阈值的依赖性。为此，优选地将发送相应第一消息的时 间表示为在发送相应第一消息时记录的相应第一计数器值。当使用基于第一线性函数的近似的阈值时，优选地以迭代方式来识别第一组消 息。在此迭代的每个迭代步骤中，对第一线性函数进行近似并从第一序列中去除在所近似 第一线性函数加第一常数阈值以上的第一延迟内传送的那些第一消息，因此，在用于对第 一线性函数进行近似的下一个迭代步骤中使用不再包括所去除消息的第一序列的数目减 少的第一消息。此迭代使得能够准确地确定具有最小延迟的第一消息。优选地，迭代在所 有第一延迟都在第一线性函数加第一常数阈值以下时终止。以上措辞“在第一线性函数加 第一常数阈值以上/以下”可以包括或不包括具有第一线性函数加第一常数阈值的值的第 一延迟。与第一阈值函数类似，第二阈值函数可以是第二线性函数的近似，该第二线性函 数表示第二延迟对发送相应第二消息的时间加第二常数阈值的依赖性或接收到第二消息 的时间对发送第二消息的时间加第二常数阈值的依赖性。可以将发送相应第二消息的时间 表示为在发送相应第二消息时记录的相应第二计数器值。还可以以迭代方式来识别第二组第二消息。在此迭代的每个迭代步骤中，对第二 线性函数进行近似并从第二序列中去除在所近似第二线性函数加第二常数阈值以上的第 二延迟内传送的那些第二消息，因此，在用于对第二线性函数进行近似的下一个迭代步骤 中使用不再包括所去除消息的第二序列的数目减少的第二消息。该迭代优选地在所有第二 延迟都在第二线性函数加第二常数阈值以下时终止。措辞“在第二线性函数加第二常数阈 值以上/以下”可以包括或不包括具有第二线性函数加第二常数阈值的值的延迟。在另一优选实施例中，基于从第一组第一消息和/或第二组第二消息导出的平均 延迟来估计线延迟。平均值的使用使得能够非常准确地确定具有最小延迟的消息。为了估计线延迟，在优选实施例中使用比率补偿值(rate compensation)，该比率 补偿值表示第一时钟的时钟频率与第二时钟的时钟频率的比。可以基于以下差来确定准确 的比率补偿值
-第一差是发送第一消息时的最大和最小第一计数器值之间的差，从第一组第一消息 之中选择最大和最小第一计数器值，
-第二差是接收到第一消息时的最大和最小第二计数器值之间的差，从第一组第一消 息之中选择最大和最小第二计数器值。优选地，所述比率补偿因数是所述第一差和所述第二差的商。在优选实施例中，上文定义的第一和/或第二消息是根据标准IEEE 1588或IEEE 802. Ias或IEEE 802. Iav的用于时钟同步的消息。此外，优选地在无线和/或有线通信 网络中、尤其是在DECT网络中执行本发明的方法。在DECT网络中，优选地使用该方法来使 此网络中的基站同步。除上述方法之外，本发明还参考包括至少一个第一网络元件及一个或多个第二网 络元件的通信网络，所述至少一个第一网络元件提供用于使第二网络元件的第二时钟同步的第一时钟，其中，所述通信网络适合于执行根据本发明的上述方法的任何变体。
现在将相对于附图来描述本发明的实施例，在附图中
图1示出其中可以采用根据本发明的同步方法的通信网络的示例；以及 图2示出举例说明用于在图1的通信网络中使从属(slave)元件的时钟与主元件的时 钟同步的本发明实施例中使用的消息的时序图。
具体实施例方式图1示出DECT通信系统形式的通信网络的示例。所述通信系统包括主元件MA和
多个从属元件SL1、SL2.....SLN。所述主元件以及所述从属元件是DECT系统中的基站，每
个具有内部时钟。先验地选择的主元件的时钟被用于与从属元件的每个内部时钟同步。为 此，主元件和从属元件交换消息。在下文所述的实施例中，那些消息基于指定同步所需的消 息但未指定应如何将所载送的信息用于时钟修正的同步标准IEEE 1588。经由如图1的箭 头所示的现有有线通信线路来交换消息。在图1的网络中，采取中间交换机IS形式的另一网络元件位于主元件MA与从属 元件SLl至SLN之间，使得被用于同步的消息必须通过此中间交换机。与主元件和从属元 件相反，中间交换机不符合同步标准IEEE 1588，即中间交换机不包括要同步的时钟。可以 使用中间交换机来从通信网络中的其它资源接收外部业务。由图1中的箭头ET来指示此 外部业务。由于中间交换机IS，消息可能由于拥塞原因而被任意地延迟，使得不可能用根 据现有技术的方法实现适当的同步。下文所述的本发明通过使用统计过滤方法来解决此问 题。下面，针对图1所示的星形架构来描述本发明的方法，其中，主元件MA分别地与每个从 属元件SLl至SLN通信。然而，可以有替换架构，例如其中主元件经由一个或多个中间从属 元件与从属元件中的一个通信的情况。根据标准IEEE 1588，源自于主元件的所谓同步(sync)消息包含计数器形式的主 时钟的时间戳，该时间戳指示主元件发送消息的时间。从属元件处理此信息并根据在接收 到同步消息时的主时钟来估计主时间，并随后相应地修正其时钟。由从属元件执行的处理 包括同步消息到达该从属元件所需的时间延迟的估计，并且此时间延迟的估计被添加到包 含在同步消息中的接收到的主时间。为了延迟估计，使用称为线延迟请求和线延迟响应消 息的附加消息。所估计的主元件与从属元件之间的线延迟包括纯传输延迟(即电缆延迟)和 由于时间戳和量化准确度引起的误差。此外，在图1所示的网络中，线延迟包括由于中间交 换机IS中的处理而引起的未知延迟。图2示出指示根据标准IEEE 1588在图1所示的通信网络的主元件MA与从属元 件SLi中的一个之间交换的消息的时序图。主元件MA根据主时钟用主计数器来测量时间。 从属元件SLi根据从属时钟用从属计数器来测量时间。从属元件的计数开始时的绝对时间 在Tos开始并在主元件的计数Tom开始时偏移至绝对时间。此偏移在图2的图示中被指示 为OF。由于此偏移，必须对从主元件发送到从属元件和从从属元件到主元件的消息确定线 延迟。在如图2所示的同步过程中，主元件MA在时间tl向从属元件SLi发送同步消息Sync，该同步消息在时间t2到达从属元件SLi。用于传送同步消息的时间延迟在图2中被 指示为LD1。同步消息Sync包括发送此消息时的主计数器。在已接收到同步消息Sync之 后，从属元件SLi在时间t3向主元件MA发送线延迟请求Req。在时间t4在主元件MA中接收到线延迟请求消息Req，并且对应于此时间t4的主 计数器被记录在主元件MA中。传送线延迟请求消息Req所需的时间在图2中被指示为LD2。 在时间t5，包括接收到线延迟请求消息Req的时间t4时的主计数器的线延迟响应消息Res 被发送到从属元件SLi。在时间t6在从属元件SLi中接收到此消息。这时，从属元件具有 关于时间tl、t2、t3和t4的信息，因为时间t2和t3时的从属计数器被记录在从属元件中， 并且经由同步消息Sync和延迟响应消息Res在从属元件中接收到时间tl和t4时的主计 数器。在常规网络中，在没有引起任意延迟的中间交换机IS的情况下，线延迟LDl和LD2 具有相等的值，即LDl = LD2 = LD。因此，可以如下计算线延迟LD
权利要求
1.一种用于使通信网络中的时钟同步的方法，其中，第一网络元件(MA)的第一时钟被 用于使一个或多个第二网络元件(SLl.....SLN)的第二时钟同步，包括步骤-记录从第一网络元件(MA)传送到第二网络元件(SLl.....SLN)的第一消息(Sync)的第一序列和/或从第二网络元件(SLl.....SLN)传送到第一网络元件(MA)的第二消息(Req)的第二序列，其中，对于每个第一消息(Sync)而言，所述第一序列包括关于用于从第一向第二网络元件(MA、SLl.....SLN)传送第一消息(Sync)的第一延迟(LDl)的信息，并且其中，对于每个第二消息(Req)而言，所述第二序列包括关于用于从第二向第一网络元件 (MA、SLl.....SLN)传送第二消息(Req)的第二延迟(LD2)的信息；-识别第一序列之中的第一组第一消息(Sync)和/或第二序列之中的第二组第二 消息(Req)，其中，在第一阈值函数以下的第一延迟(LDl)内从第一向第二网络元件(MA、SLl.....SLN)传送第一组的每个第一消息(Sync)，并且其中，在第二阈值函数以下的第二延迟(LD2)内从第二向第一网络元件(MA、SLl.....SLN)传送第二组的每个第二消息(Req)，所述第一阈值函数对第一序列之中的具有最小延迟的第一消息(Sync)进行过滤，并 且所述第二阈值函数对第二序列之中的具有最小延迟的第二消息(Req)进行过滤；-基于第一组和/或第二组对在第一和第二网络元件(MA、SLl.....SLN)之间传送的消息的线延迟进行估计并基于所估计的线延迟使第二时钟与第一时钟同步。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一网络元件(MA)在发送第一消息(Sync)时根据第一时钟来记录第一计数器值，并且第二网络元件(SLl.....SLN)在接收到第一消息(Sync)时根据第二时钟来记录第二计数器值，第一延迟(LDl)被表示为接收到第一消息 (Sync)时的第二计数器值与发送第一消息(Sync)时的第一计数器值之间的差。
3.根据权利要求2的方法，其中，第一消息(Sync)是同步消息，每个包括由第一网络 元件(MA)记录的第一计数器值。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，第二网络元件(SLl.....SLN)在发送第二消息(Req)时根据第二时钟来记录第二计数器值且第一网络元件(MA)在接收到第 二消息(Req)时根据第一时钟来记录第一计数器值，第二延迟(LD2)被表示为接收到第二 消息(Req)时的第一计数器值与发送第二消息(Req)时的第二计数器值之间的差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，第二消息(Req)是从第二网络元件(SLl.....SLN)发送到第一网络元件(MA)的请求消息，因此第一网络元件(MA)向第二网络元件 (SLl.....SLN)发送包括接收到第二消息(Req)时的第一计数器值的响应消息(Res)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第一阈值函数是包括第一序列 中的第一延迟(LDl)的最小值加第一常数值的常数函数和/或第二阈值函数是包括第二序 列中的第二延迟(LD2)的最小值加第二常数值的常数函数。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述第一和/或第二常数值取决于第一时钟与第二 时钟之间的最大时钟频率差。
8.从属于权利要求2时的根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述第一常数值取 决于接收到第一序列中的最新第一消息(Sync)时的第二计数器值与接收到第一序列中的 最旧第一消息(Sync)时的第二计数器值之间的差。
9.从属于权利要求4时的根据权利要求6至8中的一项所述的方法，其中，所述第二 常数值取决于发送第二序列中的最新第二消息(Req)时的第二计数器值与发送第二序列中的最旧第二消息(Req)时的第二计数器值之间的差。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第一阈值函数是第一线性函 数的近似，该第一线性函数表示第一延迟(LDl)对发送相应第一消息(Sync)的时间加第一 常数阈值的依赖性或接收到第一消息(Sync)的时间对发送第一消息(Sync)的时间加第一 常数阈值的依赖性。
11.从属于权利要求2时的根据权利要求10所述的方法，其中，发送相应第一消息 (Sync)的时间被表示为发送相应第一消息(Sync)时的相应第一计数器值。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，以迭代方式来识别第一组第一消息 (Sync)，其中，在每个迭代步骤中，对第一线性函数进行近似，并从第一序列中去除在所近 似第一线性函数加第一常数阈值以上的第一延迟(LDl)内传送的那些第一消息(Sync)，因 此，在用于对第一线性函数进行近似的下一个迭代步骤中使用不再包括所去除消息的第一 序列的数目减少的第一消息(Sync )。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述迭代在所有第一延迟(LDl)在第一线性 函数加第一常数阈值以下时终止。
14.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二阈值函数是第二线性函 数的近似，该第二线性函数表示第二延迟(LD2)对发送相应第二消息(Req)的时间加第二 常数阈值的依赖性或接收到第二消息(Req)的时间对发送第二消息(Req)的时间加第二常 数阈值的依赖性。
15.从属于权利要求4时的根据权利要求14所述的方法，其中，发送相应第二消息 (Req)的时间被表示为发送相应第二消息(Req)时记录的相应第二计数器值。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，以迭代方式来识别第二组第二消息 (Req)，其中，在每个迭代步骤中，对第二线性函数进行近似，并从第二序列中去除在所近似 第二线性函数加第二常数阈值以上的第二延迟(LD2)内传送的那些第二消息(Req)，因此， 在用于对第二线性函数进行近似的下一个迭代步骤中使用不再包括所去除消息的第二序 列的数目减少的第二消息(Req)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述迭代在所有第二延迟(LD2)在第二线性 函数加第二常数阈值以下时终止。
18.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，基于从第一组第一消息(Sync)和 /或第二组第二消息(Req)中导出的平均延迟(LDl)来估计所述线延迟。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，使用比率补偿值来估计所述线延迟，该比率 补偿值表示第一时钟的时钟频率与第二时钟的时钟频率的比。
20.从属于权利要求2时的根据权利要求19所述的方法，其中，基于以下各项来确定 所述比率补偿值-第一差是发送第一消息(Sync)时的最大和最小第一计数器值之间的差，从第一组第 一消息(Sync)之中选择所述最大和最小第一计数器值，以及-第二差是接收到第一消息(Sync)时的最大和最小第二计数器值之间的差，从第一组 第一消息(Sync)之中选择最大和最小第二计数器值。
21.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第一和/或第二消息(Sync， Req)是用于根据标准IEEE 1588或IEEE 802. Ias或IEEE 802. Iav的时钟同步的消息。
22.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在无线和/或有线通信网络中、尤 其是在DECT网络中执行该方法。
23.一种通信网络，包括至少一个第一网络元件(MA)及一个或多个第二网络元件(SLl.....SLN)，所述至少一个第一网络元件(MA)提供用于使第二网络元件(SLl.....SLN)的第二时钟同步的第一时钟，其中，所述通信网络适合于执行前述权利要求中的一项 的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于使通信网络中的时钟同步的方法，其中，使用作为主元件的第一网络元件(MA)的第一时钟来使作为从属元件的一个或多个第二网络元件的第二时钟同步。根据本发明的方法，记录从第一网络元件传送到第二网络元件的第一消息的第一序列和/或从第二网络元件传送到第一网络元件的第二消息的第二序列。通过相对于那些消息的传输延迟使用适当的阈值函数来识别那些序列之中的第一消息和/或第二消息。那些被识别的消息具有相同的恒定最小延迟，并且基于那些消息来执行第一时钟与第二时钟之间的时钟同步。本发明具有优点即使引起未知延迟的中间交换机位于第一和第二网络元件之间的传输路径中，也可以实现时钟同步。这是因为大多数消息是经由此类中间交换机在最小恒定延迟内传送的，通过识别那些消息，能够估计第一网络元件与第二网络元件之间的线延迟并用于使第二时钟与第一时钟同步。本发明的同步方法被优选地用于使DECT网络中的时钟同步。此外，在优选实施例中，第一和第二消息是根据标准IEEE1588的消息。
文档编号H04J3/06GK102144363SQ200880130951
公开日2011年8月3日 申请日期2008年9月2日 优先权日2008年9月2日
发明者奥布拉多维克 D., 谢特勒 R., 那崇宁 申请人:西门子企业通讯有限责任两合公司