专利名称：用于使多个组件时钟同步的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络耦合的分布式组件时钟同步的方法。
背景技术：
例如在信息技术或者通信技术中，并且在此尤其是在实现模拟或者数字电信接口网关中，要使多个通过分组交换网络耦合的分布式组件、尤其是软件控制的外围组件在其时钟上同步，其中外围组件例如通过标准LAN耦合。公知的解决方案规定，组件框架的所有外围组件通过特定的时钟信号借助特定硬件与中央时钟发生器连接。与此相对，公知的基于软件的解决方案要么完全省去同步，要么这些解决方案基于根据IEEE 1588的标准化PTP协议，其同样需要特定硬件部件来颁发高度准确的时间戳。
发明内容
本发明所基于的任务是给出了一种用于使信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络耦合的分布式组件时钟同步的技术教导，该技术教导尽可能避免或者克服了公知解决方案的可能的缺点或者局限。该任务通过根据独立权利要求之一所述的方法和装置来解决。根据本发明，设置了一种用于使信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络耦合的分布式组件时钟同步的方法或者一种相对应的装置，在所述方法中或在所述装置中，所述组件中的至少两个由所述组件的本地时钟发生器以可调整的频率来控制并且通过该网络以时钟信号分组的形式与其本地时钟同步地发送始时钟信号。所述至少两个组件之一在此承担了主机组件的功能，所述至少两个组件的所有其余组件、即(多个)从机组件将所述所有其余组件的本地时钟同步到该主机组件的时钟上，其方式是所述所有其余组件通过将由主机组件发送的时钟信号与其自己的时钟信号进行比较来确定其本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量(Mass)，并且为了调节其本地时钟发生器而使用该度量，优选地其方式是所有其余组件缩小或者最小化其本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量。信息技术或者通信技术系统的组件就此而言要被理解为信息技术或者通信技术系统的可在结构上确定界限的功能单元，尤其是用于实现模拟和数字电信接口的外围组件。信息技术或者通信技术系统就此而言要被理解为可用来实现信息技术或者通信技术业务的任何系统。对于这种系统的重要例子是电信设备、尤其是电话设备。优选地，电信设备使用脉冲编码调制(PCM, Pulse-Code Modulation)的方法，以便将模拟信号、例如语音或者视频转换成数字信号(http://en.wikipedia.0rg/wiki/PCM)。在PCM方法中，产生连续的数字数据流，该连续的数字数据流表示模拟信号。为此，时间连续的和值连续的模拟信号被转换成时间离散的和值离散的数字信号。
为了在数字侧进行传输,优选地应用时分复用(TDM, Time-Division Multiplex)方法(http://en.wikipedia.0rg/wiki/Time_division_multiplexing)0 在这种情况下，通过复用方法将多个通信信道的串行数据流聚集在一起。这优选地借助帧结构来实现。例如，如果串行数据流之内的32个信道被传输，则这以顺序相继的32个时隙来实现。这32个时隙接着形成一个PCM帧。典型的例子会是8比特分辨率和8000Hz的采样率的32个信道，由此得到分别为64 kbit/s的比特率以及为32 X 64 kbit/s=2048 Mbit/s的总比特率。PCM帧在这种情况下每隔125 μ s被重复，这对应于为8kHz的PCM帧时钟(Rahmentakt )。PCM传输时钟优选地对应于总比特率、即在本例子中的2048MHz。这些时钟彼此同步；由此例如也会可能由该帧时钟产生传输时钟。PCM时钟的提供优选地由时钟发生器承担。这种PCM/TDM信号的(例如从在空间上确定界限的功能单元到另一功能单元的)无干扰传输的前提是PCM时钟信号的同步。如果同步不能被保证，则提及比特滑动(Bitschlupf)。如果功能单元A的PCM时钟高于其他功能单元B的PCM时钟，那么在从A向B传输时各个位被丢弃，这导致跳过各个采样值。在反方向上，比在A处所需的采样值少的采样值到达A处；通常尝试通过内插掩盖丢失的值。这种干扰在语音信号的情况下通常会作为咔嚓声被察觉，在 传真传输的情况下，这种干扰可导致终止，而在数据传输的情况下，这种干扰可导致数据吞吐量下降。时钟发生器就此而言要被理解为被设立用于产生时钟信号的功能单元。组件的本地时钟发生器要被理解为与该组件在功能上关联的时钟发生器，即产生用于该组件的时钟的时钟发生器。这种本地时钟发生器优选地以通过软件(即程序)可调整的频率来驱动。时钟发生器、时钟信号发生器或者时钟脉冲发生器(Taktgeber)被理解为产生时钟信号(即优选地以确定的频率发出脉冲)的构件。在此不仅可以涉及机械的、电的构件或者组件而且可以涉及电子构件或者组件，这些构件或者组件尤其是对于数据处理和同步而言是必要的。时钟脉冲发生器常常借助计算器中的控制装置来出现。时钟脉冲发生器在电子计算器中优选地对计算步骤进行时钟控制。时钟脉冲发生器在许多情况下是触发器电路或者振荡器。优选地，为此使用数字控制的振荡器。数字控制的振荡器(Digitally Controlled Oscillator (DCO))或者也为数值控制的振荡器是电子电路或者是电子器件，所述电子电路或者电子器件优选地基于直接数字合成(DDS)的方法产生震荡，该震荡的频率优选地直接通过如下数值来调整:该数值优选地通过程序来确定。由此，获得非常精确调整的频率，该频率(在电路的构件或部件的规范的范围中)保持恒定。分组交换网络就此而言要被理解为其中通过所谓的分组传输信息的网络。这种分组交换网络的例子是计算机网络、尤其是本地计算机网络，即所谓的LAN，但是也是所谓的广域网(Wide Area Network)和因特网。就此而言，主机组件要被理解为如下组件，所有其余组件、即所谓的从机组件将其本地时钟同步到这些主机组件的时钟上。这优选地通过如下方式实现:这些从机组件通过将由主机组件发送的时钟信号与这些从机组件的自己的时钟信号进行比较来确定这些从机组件的本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量，并且为了调节这些从机组件的本地时钟发生器而使用该度量。根据本发明的优选实施形式(所述优选实施形式的特征也可以与本发明的其他实施形式的特征组合)，设置一种方法或者一种装置，其中所述至少两个组件的每个单个组件在如下时间窗中发送其时钟信号分组:该时间窗与所述至少两个组件的所有其他组件的时间窗不同。以这种方式可能的是，通过网络要传输的时钟信号分组在时间上被定位为使得尤其是由于网络部件(如交换机或者路由器)的有限处理速度引起的一向不可避免的随机延迟完全不能形成。由此，取消了必须应用复杂方法、譬如在IEEE 1588中详细规定的方法的必需性。这尤其是意味着，为了建立根据本发明装备的网络可以动用网络接口中的标准硬件和软件部件，这带来了显著的成本优点。通过根据本发明的方法在适当选择实施形式的情况下要达到在2-5 μ s的范围中的精度，这远在具有为125 μ s的典型长度的PCM帧的长度之下。比特滑动因此可以在很大程度上被排除。根据本发明的另一优选实施形式(所述另一优选实施形式的特征也可以其他实施形式的特征组合)，设置与每个组件关联本地控制单元，该本地控制单元通过网络与中央控制计算机连接。根据本发明的另一优选实施形式(所述另一优选实施形式的特征也可以与其他实施形式的特征组合)设置，每个本地控制单元具有带有可调整的频率的石英振荡器，该石英振荡器优选地由程序通过数字模拟转换器来控制。石英振荡器是用于产生震荡的电子电路，该电子电路利用振荡石英作为频率确定器件。在狭义上，石英振荡器是构造完成的振荡器电路，该振荡器电路与频率确定的石英一起被安装在壳体中并且作为标准部件而是可得到的。石英振荡器在其频率(每个时间单位的振荡数目)上非常精确并且有通常在IOOppm之下的偏差。其他简单的振荡器电路、例如带有LC震荡回路的这种振荡器电路在额定频率的偏差超过1% (IOOOOppm)的情况下是显著不精确的。在实践中，石英振荡器通常被发现作为用于处理器、微控制器、无线电设备的时钟脉冲发生器以及在钟表中的时钟脉冲发生器。然而，石英振荡器日益被成本更低廉的陶瓷谐振器替换。被使用在石英振荡器电路中的振荡石英大多是晶体小板、晶体棒或者晶体叉(如音叉)，它们可以通过电 压而获得机械形状改变，所述机械形状改变又产生电压。该反应通过压电体(振荡石英以及也为陶瓷振荡器)的机械振荡模式来给出。在确定频率的交流电压的情况下，振荡石英被激发到特别强烈的谐振震荡(压电声辐射器也拥有该特性)。该频率被称作谐振频率。在合适的晶体切割的情况下，该频率几乎与如温度或者幅度的周围影响无关并且因此可以被用作精确的时钟脉冲发生器(长期稳定性优于0.0001%)。进行震荡的石英片可以在如下电/机械模式下被驱动:
在串联谐振的情况下，石英片的针对交流电流的视在电阻特别低，并且所述石英片如由线圈和电容器构成的串联电路那样表现。在并联谐振的情况下，石英片的视在电阻在这种情况下特别大。接着，所述石英片如电容器和线圈的并联电路那样表现，特别之处在于，没有直流电流可流动(石英是非常好的绝缘体)。并联谐振比串联挟制略微高0.1%并且可以通过并联的小电容器略微被改变(所谓的石英的拉(Ziehen))。与本发明结合优选的类型的振荡器形成具有可通过电压控制的(“可拉的”)频率的振荡器(VCXO 压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator))。在此,频率大多可以仅在IOOppm的量级上改变。VCXO的通常应用是相位调节回路中的可控的振荡器。频率可变的振荡器或者具有可调整的频率的石英振荡器(缩写为VX0)是频率可以被改变的石英振荡器。如果石英振荡器是可通过电压微调的，则该石英振荡器被称为VCXO(英语为:voltage controlled crystal oscillator,即频率可通过电压微调的石英振荡器。调节电压优选地通过数字模拟转换器(Digital-Analog-Wandler)产生。数字模拟转换器(DAU,英语为digital-to-analog converter (DAC))(也称为数字模拟转换器或者D/A转换器)被用于将量化的数字信号或者各个值转换成模拟信号。信号源在此是模拟数字转换器和/或数字信息或者计算。通常，DAU被实施为集成电路(IC)(http://de.wikipedia.0rg/wiki/Digital-Analog-ffandler)。根据本发明的另一优选实施形式(所述另一优选实施形式的特征也可以与其他实施形式的特征组合)设置，时钟信号包括至少一个脉冲编码调制信号(通常为PCM帧时钟)，所述脉冲编码调制信号以分组的形式优选地根据实时传输协议(Real Time TransportPiOtokoll)与脉冲编码调制信号的时钟同步地经由网络来发送。实时传输协议(RTP)是用于经由基于IP的网络连续地传输视听数据(流(Stream))的协议(http://de.wikipedia.0rg/wiki/Real_Time_Transport_Protocol)。该协议曾于1996年首次在RFC 1889中被标准化。在2003年，曾公开了修订过的RFC。RFC3550由此替换了 RFC 1889。该协议用于经由网络传输多媒体数据流(音频、视频、文本等)，也就是说对数据进行编码、打包和发送。RTP是基于分组的协议并且通常通过UDP来驱动。RTP在因特网中不仅可以用于单播连接而且可以用于组播通信。实时控制协议与RTP协作并且用于协商和遵守服务质量参数(QoS)。该实时控制协议被应用于许多领域，尤其是在IP电话技术H.323和SIP中用于传输通话的音频/视频流。RTP的功能主要在于传输实时敏感的数据流，而实时流传输协议(RTSP, Real-Time Streaming Protocol)用于控制和检验数据传输。数据报拥塞控制协议(DCCP, Datagram Congestion Control Protocol)是目前为了也能够针对媒体流基于RTP/UDP实现拥塞控制的方法。根据本发明的另一优选实施形式(所述另一优选实施形式的特征也可以与其他实施形式的特征组合)设置，针对每个从机组件确定在由从机组件发送的分组流与主机组件的分组流之间的相位差和频率差。根据本发明的另一优选实施形式(所述另一优选实施形式的特征也可以与其他实施形式的特征组合)设置，相对于其他分组、尤其是相对于其他信令分组具有更高优先级的时钟信号分组在网络中被运送。
以下依据优选实施例和借助附图更详细地描述了本发明。在此:
图1以示意性方式示出了根据本发明的装置的优选实施例；
图2以示意性方式示出了根据本发明的优选实施形式的信令；
图3以示意性方式示出了根据本发明的优选实施形式的分组流。
具体实施例方式在本发明的在 这些图中所示出的实施形式中，每个外围组件10、12、22、32都通过本地控制单元(SE) 11、21、31经由LAN交换机(LS) 5与中央控制计算机(SR) 6连接。外围组件和本地控制单元一起优选地分别形成模块1、2、3，所述模块1、2、3例如实现专用电信
接口束。优选地用于对组件进行中央控制的软件可以粗略地被分为两种复合体(Komplex):第一复合体用于信令；第二复合体用于媒体处理。信令优选地是网关应用(GA)61的组成部分；媒体处理优选地在由网关应用控制的媒体服务器(MS) 62中实现。每个控制单元11、21、31优选地都拥有在其频率上可变化的石英振荡器(VCXO) 8，该石英振荡器(VCXO)S优选地通过软件和数字模拟转换器来控制。时钟同步通过主机-从机方法来实现,其中所有模块除了针对时钟主机说明的模块之外还将其本地时钟调节到主机时钟上。各个PCM信道成束地经由网络4、优选地局域网(LAN，Local Area Network)优选地以RTP分组的形式被发送9。发送率优选地是固定预给定的值，该值优选地与信道的数目以及与所选的分组大小有关。在被测试的协议类型的情况下，例如曾选择每秒400个分组的速率。这些分组的发送优选地与PCM时钟同步地实现。用于调节从机组件的软件算法部分地在中央媒体服务器62上，部分地在网关应用61中。对于每个从机组件优选地确定622在从机组件的分组流与主机组件的分组流之间的频率差和/或相位差。根据作为实际值的差可以确定用于将VCXO时钟振荡器再调节到从机组件上的控制信息611。在测量频率差和相位差时，由于控制计算机6的操作系统中的高度偶发的延迟可导致个别错误的值。这 些值可以借助自适应的似然性检验来识别和丢弃。例如，在起振的状态下可能的相位差改变被限制到VCXO 8的温度漂移上。最大出现的差可以被估计并且所有伪装较高差的测量值可以容易地被剔除。通常，所发送的分组在LAN交换机5中被随机延迟。在N个分组的随机形成的分组累积(Pakethaeufung)(所谓的“突发(Burst)”)的情况下,在利用为1518字节的最大分组大小和例如为100 Mbit/s的传输率时出现为N乘121 μ s的延迟，或在千兆比特以太网的情况下出现为N乘12μ s的延迟。这些延迟干扰时钟同步。因此，相位调节优选地被修改为使得每个外围组件ml、m2、m3、...、ml0在确定的时间窗t0、tl、t2、...、tlO中发送其RTP分组pi。由此，分组累积(突发)和由此得到的在LAN交换机5中的延迟一开始就被抑制。其他LAN分组p2、例如UDP分组(其例如用于信令7或者用于进行控制)在下级紧跟在RTP分组之后被发送，使得距接下来的RTP分组保留足够的间距。图3的下部轴线示意性地示出了在LAN交换机5之后至媒体服务器62的被复用的分组流。本发明的主要思想在于，提供给LAN交换机5的分组在时间上被定位为使得完全不能形成一向不可避免的随机延迟。由此，取消了必须应用复杂方法、譬如在IEEE 1588之下详细规定的方法的必需性。这有利地导致，标准化的硬件和软件部件可以被使用在LAN接口中，这意味着极大的成本优点。
权利要求
1.一种用于使信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络(4)耦合的分布式组件(12，22，32)时钟同步的方法， 其特征在于， a)所述组件中的至少两个组件由所述组件的本地时钟发生器以可调整的频率来控制并且通过网络以时钟信号分组形式与所述组件的本地时钟同步地发送时钟信号， b)所述至少两个组件之一承担了主机组件的功能，所述至少两个组件的所有其余组件、即从机组件将所述所有其余组件的本地时钟同步到该主机组件的时钟上，其方式是所述所有其余组件通过将由主机组件发送的时钟信号与所有其余组件的自己的时钟信号进行比较来确定所有其余组件的本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量并且为了调节所有其余组件的本地时钟发生器而使用所述度量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个组件的每个单个组件都在如下时间窗中发送所述组件的时钟信号分组:该时间窗不同于所述至少两个组件的所有其他组件的时间窗。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，与每个组件都关联本地控制单元(11，21，31)，所述本地控制单元(11，21，31)通过网络(4)与中央控制计算机(6)连接。
4.根据权利要求3所 述的方法，其特征在于，每个本地控制单元都具有带有可调整的频率的石英振荡器(8 )，该石英振荡器(8 )优选地由程序通过数字模拟转换器来控制。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，时钟信号包括至少一个脉冲编码调制信号，所述至少一个脉冲编码调制信号以分组的形式优选地根据实时传输协议与脉冲编码调制信号的时钟同步地经由网络被发送。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，针对每个从机组件确定(622)在由从机组件发送的分组流与主机组件的分组流之间的频率差和相位差。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，相对于其他分组、尤其是相对于其他信令分组具有更高优先级的时钟信号分组在网络中被运送。
8.一种信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络耦合的分布式组件的装置， 其特征在于， a)所述组件中的至少两个组件被设立用于，所述组件的本地时钟发生器以可调整的频率被控制并且通过网络以时钟信号分组形式与所述组件的本地时钟同步地发送时钟信号， b)所述至少两个组件之一被设立用于承担主机组件的功能，所述至少两个组件的所有其余组件、即一个或多个从机组件将所述所有其余组件的本地时钟同步到该主机组件的时钟上，其方式是所述所有其余组件通过将由主机组件发送的时钟信号与所有其余组件的自己的时钟信号进行比较来确定所有其余组件的本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量，并且为了调节所有其余组件的本地时钟发生器而使用所述度量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，与每个组件都关联本地控制单元，所述本地控制单元通过网络与中央控制计算机连接。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，每个本地控制单元都具有带有可调整的频率的石英振荡器，该石英振荡器优选地由程序通过数字模拟转换器来控制。
11.根据权利要求8至10之一所述的装置，其特征在于，时钟信号包括至少一个脉冲编码调制信号，所述至少一个脉冲编码调制信号以分组的形式、优选地根据实时传输协议与脉冲编码调制信号的时钟同步地经由网络被发送。
12.根据权利要求8至11之一所述的装置，其特征在于，针对每个从机组件确定在由从机组件发送的分 组流与主机组件的分组流之间的频率差和相位差。
全文摘要
在用于使信息技术或者通信技术系统的多个通过分组交换网络耦合的分布式组件时钟同步的方法或者装置中，所述组件中的至少两个由所述组件的本地时钟发生器以可调节的频率被控制，并且通过该网络以时钟信号分组形式与其本地时钟同步地发送时钟信号。所述至少两个组件之一承担了主机组件的功能，所述至少两个组件的所有其余组件、即(多个)从机组件将所述所有其余组件的本地时钟同步到该主机组件的时钟上，其方式是所述所有其余组件通过将由主机组件发送的时钟信号与其自己的时钟信号进行比较来确定其本地时钟发生器相对于主机组件的时钟发生器的偏差的度量并且为了调节其本地时钟发生器而使用所述度量。
文档编号H04L7/08GK103229437SQ201180057947
公开日2013年7月31日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月11日
发明者T.林德纳 申请人:西门子企业通讯有限责任两合公司