专利名称：一种分组网中时钟频率同步方法
技术领域：
本发明属于通信与信息系统中的异步时钟同步技术领域，具体涉及一种分组网中时钟频率同步方法。
背景技术：
分组网本质上是异步的，并不需考虑端到端的时钟同步问题，但在电路交换网向分组交换网演进过程中，必须考虑原有TDM业务信号，如传统话音、2M租用线、GSM基站等信号，如何通过分组网传输问题，这些信号通过分组网传输后，必须有准确的时钟同步和定时才能正确恢复；此外在分组网络行为测量，基于IP网络或以太网的分布式系统、测控系统、 传感系统中，都需要对分组网的时钟进行同步。目前分组网络中时钟频率同步实现方式可以分成2个基本类别第一类是具有公共参考时钟的系统，如有来自电路交换网络、GPS的参考时钟，这样的分组网时钟同步问题是由系统外部解决的，统称为外同步方法，显然这种方法需要在分组网外建单独的同步网； 第二类是分组网中没有公共同步参考时钟的系统，可以采用专门的时钟恢复方法，如同步以太网和自适应时钟恢复方法，统称为内同步方法。自适应时钟恢复方法可用于分组网络节点无公共时钟，也不需传输网络任何改造的情况，这是分组网络中最普遍的情况，但自适应时钟恢复方法的性能与承载网络密切相关，会受到网络帧传输时延变化的严重影响。自适应时钟恢复方法最早是在ATM网上传输TDM信号时采用的技术，通过接收帧队列深度(简称水位)变化来控制压控振荡器(VCO)产生恢复时钟，简称水位法，华为公司 2005年申请的中国发明专利“包交换网络中的时钟同步方法及装置”，中国专利(申请号 200510132327. 5)就公开了一种类似方法。分组网的帧时延主要由节点时延、网络传输时延、排队时延等组成，帧传输时延序列是非线性、非平稳的随机序列。帧时延可以分为两部分，一部分由系统本身产生的时延值是固定不变的，称固有时延，另一部分由帧排队等原因产生的时延值是随机的称随机时延，帧时延可以表示为τ (η) = T^x1 (η)式中，％是固有时延值为常数，T1(I1)为随机时延值。帧随机时延变化对自适应时钟恢复方法的时钟同步精度影响很大，如何减小帧随机时延的影响是研究的重点，上海贝尔阿尔卡特申请的中国发明专利“一种用于包交换网络的自适应时钟恢复方法”，申请号03141883.Χ，公开了先采集一组水位数据，然后用最小二乘线性回归算法计算斜率，再用斜率值控制VCO调节时钟恢复的方法，减小了帧随机时延对时钟同步精度的影响。国内外有大量研究自适应时钟恢复方法的文章和相关专利，不再一一列举。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新的分组网中时钟频率同步方法及实现的装置。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种分组网中时钟频率同步方法，其特征在于采用如下步骤
1)源节点A定时发送同步帧，同步帧中包含发帧时刻值；目标节点B接收同步帧， 并记录同步帧接收时刻值；2)源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量；目标节点B的帧接收时刻 CB由目标节点B节点的时钟CLKB度量；源节点A、目标节点B节点发送和接收一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列{CA(l)，CAQ)，···, CA (η), ···}, {CB (1), CB (2), ···, CB (η), ...};3)源节点A与目标节点B的时钟是异步的，即存在一定的频率差，设CLKA的时钟周期为TA(n)，CLKB的时钟周期为ΤΒ(η)，定义时钟周期比值K(n) = TB(η)/TA(η)，则在目标节点B从同步帧收发时刻序列中求出Κ(η)值，用Κ(η)值修正CLKB，得到恢复的源节点A 时钟CLKA，实现时钟频率的同步。上述K (η)值的求解步骤如下1)定义源节点Α、目标节点B间帧时延值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为设定的Κ(η)初值，为常数；2)设置当前最小时延值Tmin初值为一个大正整数，并作如下处理If ( τ (η) < τ min)、in= τ (η)；Tmin (η) = τ (η)；{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}else{本帧τ (η)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变；}End ；3)在步骤2)中所述最小二乘法迭代算法用{ Tmin (η)}和对应{CA(n)}作为输入， 即Tmin (η)的估计值为Tmm (n) = W0 (η) · CA(n) + W1 (η)式中，wQ (η)为估计的直线斜率，W1(Ii)为估计的直线截距；估计误差:e(n)= Tmm (η) — Tmm (η)最小二乘拟合使目标函数^(“) = ^^"〃、)为最小值，其中，λ为遗忘系数，按实
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际情况合理设置；4)在步骤2、中所述最小二乘迭代算法分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态，称两状态最小二乘直线拟合处理方法；5)在步骤4)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法首先处于捕获状态，若检测到τ (η) < τ min值，进行当前序列号为η的直线迭代拟合，并置dK (η) =w0(n)o求估计的直线斜率W (η)的差分值Δ W(l (η) = W(1 (n)-W(1 (η-1)，若| AW(1(n) |持续小于设定门限值， 则进入跟踪状态；6)在步骤4)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法在跟踪状态，若检测到τ (η) < 值后，进行当前序列号为η的直线迭代拟合，检测W(l(n)的差分值；若Δ w0 (η) I小于等于设定门限值，则确认本帧是固有时延帧，更新迭代参数有效，置dK (η)= w0(η)；若I Δw0(η) |大于设定门限值，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n) = dK(n-l)；若I Awtl(η) |持续大于设定值，则确认为失锁， 重新进入捕获状态；7)源节点Α、目标节点B的时钟频率同步参数为K(n) = K0+dK(n)；求出K(n)值后，进一步用两状态最小二乘直线拟合处理方法滤波，即用Κ(η)代替丁!11^1(11)，11代替04(11)作为输入，拟合Κ(η)估计值作为滤波输出㈨= ㈨“+巧…)；式中，a0(n)为估计的直线斜率，B1 (η)为估计的直线截距。上述捕获状态与跟踪状态的转换或者通过检测直线拟合误差e2(n)实现；具体判别方法与检测I Δ Wtl (η) I相似，或者根据具体情况选择其他的相似判据进行捕获状态与跟踪状态的转换。本发明的分组网中时钟频率同步方法，可广泛用于分组网中时钟频率的同步和网络单向时延测量。
图1是分组网中时钟频率同步系统模型图；图2是节点A、B间同步帧收发时刻与帧时延示意图；图3是KO修正后节点A、B间同步帧时延示意图；图4是时钟频率同步参数K(η)值示意图；图5是本发明在局域以太网中的一种具体实施系统框图；图6是实测A、B节点时钟频率未同步的时延值；图7是用本发明方法进行时钟频率同步后得到的时延值；下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式本发明的分组网中时钟频率同步方法，具体包括如下步骤1)源节点A定时发送同步帧，同步帧可以是专门的帧，也可以是一般数据帧中插入帧发送时刻值的帧，目标节点B接收同步帧，并记录同步帧接收时刻，其系统模型如图1 所示。2)源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量，具体值与帧发送参考点有关，即由帧发送时刻计数器记录帧通过发送参考点的计数值即是CA值；参考点越靠近节点的物理层，CA值受节点软、硬件时延的影响越小；同理，目标节点B的帧接收时刻CB由B节点的时钟CLKB度量，由帧接收时刻计数器记录帧通过接收参考点的计数值即是CB值。收发一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列ICAa)，CA⑵，...，CA(n)，...}，{CB(1)， CB(2),…，CB(η)，…}，如图2所示。3)在步骤1)和步骤2)所述系统模型中，源节点A与目标节点B的时钟是异步的， 即存在一定的频率差。设CLKA的时钟周期为TA(η)，CLKB的时钟周期为TB (η)，定义时钟周期比值K(n) = TB (η)/TA(η)，则在目标B节点求出K(η)值就可以实现时钟频率的同步， 即目标节点B跟踪源节点A的时钟频率f (η) = Κ(η) · fB(n)，其中fB(n) = l/TB(n)。
4)定义源节点A、目标节点B间帧时延值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 ；合理设定KO值，使帧时延值τ (η)的最小值随η减小，如图3所示。5)设置当前最小时延值τ min初值为一个大数，然后逐帧跟踪比较τ (η)值，检测出当前最小值Tfflin(η)和对应CA(η)值，并如下处理if ( τ (η) < τ min )Tmin = τ (η)；Tmin (η) = τ (η)；{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}Else{本帧τ (η)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变；}End6)在步骤5)中最小二乘法迭代算法用{ Tmin (η)}和对应{CA(n)}作为输入，拟合出直线如图3虚线所示，S卩(n)的估计值为Tmin {n) = W0 {η) · CA{n) + W1 (η)式中，wQ(η)为估计的直线斜率，W1(Ii)为估计的直线截距。 _7]估计误差-.e{n) = Tmm (η) - Tmm (η)
最小二乘拟合使目标函数
权利要求
1.一种分组网中时钟频率同步方法，其特征在于采用如下步骤1)源节点A定时发送同步帧，同步帧中包含发帧时刻值；目标节点B接收同步帧，并记录同步帧接收时刻值；2)源节点A的帧发送时刻CA由A节点时钟CLKA度量；目标节点B的帧接收时刻CB由目标节点B节点的时钟CLKB度量；源节点A、目标节点B发送和接收一系列的同步帧，构成了同步帧收发时刻序列 {CA(1), CA(2), ···, CA (η), ···}, {CB (1), CB (2), ···, CB (η), ...};3)源节点A与目标节点B的时钟是异步的，即存在一定的频率差，设CLKA的时钟周期为TA(n)，CLKB的时钟周期为TB(n)，定义时钟周期比值K(n) = TB(η)/TA(η)，则在目标节点B从同步帧收发时刻序列中求出Κ(η)值，用Κ(η)值修正CLKB，得到恢复的源节点A时钟 CLKA,实现时钟频率的同步。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的K(η)值的求解步骤如下1)定义源节点Α、目标节点B间帧时延值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为设定的K(η)初值，为常数；2)设置当前最小时延值Tmin初值为一个大正整数，并作如下处理If(τ (η) < Tmin)Tmin = Τ (η)；Tmin(n) = τ (η)；{进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数}else{本帧τ (η)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变；}End ；3)在步骤幻中所述最小二乘法迭代算法用l>min(n)}和对应{CA(n)}作为输入，即 Tfflin (η)的估计值为^mm (n) = W0 (η) · CA(n) + W1 (η)式中，为估计的直线斜率，W1 (η)为估计的直线截距；估计误差= rmin {n) - fmin {η)最小二乘拟合使目标函数Κ^ζ ^"·6、)为最小值，其中，λ为遗忘系数，按实际情i=2况合理设置；4)在步骤幻中所述最小二乘迭代算法分两种状态进行，一个是捕获状态，另一个是跟踪状态，称两状态最小二乘直线拟合处理方法；5)在步骤4)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法首先处于捕获状态，若检测到 τ (η) < 值，进行当前序列号为η的直线迭代拟合，并置dK (η) =W0 (η)；求估计的直线斜率Wtl (η)的差分值Δ Wtl (η) = W(1 (n)-W(1 (η-1)，若| AW(1(n) |持续小于设定门限值，则进入跟踪状态；6)在步骤4)中所述两状态最小二乘直线拟合处理方法在跟踪状态，若检测到τ(η)< Tmin值后，进行当前序列号为η的直线迭代拟合，检测W(l (η)的差分值；若I AW(l(n) |小于等于设定门限值，则确认本帧是固有时延帧，更新迭代参数有效，置dK(n) =W0(η)；若 Δw0(η) I大于设定门限值，则确认本帧不是固有时延帧，本次迭代参数丢弃，保持上次迭代参数不变，置dK(n) = dK(n-l)；若I Awtl(η) |持续大于设定值，则确认为失锁，重新进入捕获状态；7)源节点Α、目标节点B的时钟频率同步参数为=K(n) = K0+dK(n)； 求出K(n)值后，进一步用两状态最小二乘直线拟合处理方法滤波，即用Κ(η)代替 Tmin(n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值作为滤波输出= ㈨“+巧…)； 式中，为估计的直线斜率， (η)为估计的直线截距。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的捕获状态与跟踪状态的转换或者通过检测直线拟合误差e2 (η)实现；具体判别方法与检测I Δ W(l (η) |相似，或者根据具体情况选择其他的相似判据进行捕获状态与跟踪状态的转换。
全文摘要
本发明涉及一种分组网中时钟频率同步方法，该方法由源节点A定时发送同步帧，同步帧带有帧发送时刻信息，目标节点B接收同步帧，并记录帧接收时刻值。在B节点得到同步帧发送和接收时刻序列值，从中可跟踪计算A、B节点时延值，并用两状态最小二乘直线拟合处理方法求出A、B节点间时钟周期的比值K(n)。用K(n)值实时修正B节点时钟CLKB，可在B节点恢复源节点A时钟CLKA，也可直接用K(n)值修正计数器值，消除A、B节点中计数器的时钟偏移误差，可广泛用于分组网中时钟频率的同步和网络单向时延测量。
文档编号H04L12/56GK102412954SQ201110369809
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月19日 优先权日2011年11月19日
发明者陈文艺 申请人:西安邮电学院