一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法

文档序号:7668759阅读:219来源:国知局
专利名称:一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法
技术领域
本发明涉及分组网传送TDM技术(TDMoP , TDM Over Packet)
中的自适应时钟方法,具体为一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟 方法。
背景技术
随着Intemet的飞速发展,以IP和以太网为代表的分组网将是未来 网络的主体架构,现有网络向分组网演进是大势所趋。但传统的TDM (Time Division Multiplexing)业务仍然是目前电信业务收益的主要 来源,在网上已经有大量应用。
下一代网络是基于分组的多业务网络,最终需要具备同时承载语 音,视频和数据等业务的能力,而当前的语音业务多以TDM传输。 因而以诸如以太网的分组网传送TDM业务是必要的,如何实现分组 网和现有TDM网络的无缝连接是网络研究领域重要的课题。
CESoPSN(Circuit Emulation Service over Packet Switch Network) 或TDMoP (Time Division Multiplexing over Packet)是解决现有分组 网传送TDM业务的技术。文献[1]-[5]对分组网传送TDM的技术作了详 细说明,其功能框架如图l所示。CE1、 CE2是用户边缘设备,PE1、 PE2是服务提供商边缘设备,对于TDMoP来说,CE是TDM业务的发 起和终结者。PE为CE提供TDM业务仿真。//、 ^分别为CE1、 CE2的 TDM发送时钟,/r、 /T则分别是PE2、 PE1的TDM发送时钟。
用基于统计复用的异步的IP或以太网来承载基于同步的TDM业 务需要解决的问题很多,定时和同步是其中的难点和重点。
从文献[6][7][8]可知,TDM对同步的要求是非常高的。频偏小于 5^pm是基本要求之一,其它性能指标如抖动和漂移等都有严格的要 求。
文献[5][6]给出了 CESoPSN的定时的三种方案网络同步时钟、
差异方法和自适应时钟方法。
前两种方案要求两端(CE1和CE2)具备同一参考时钟源。这是现 有分组网难以满足的条件。
自适应时钟方法则是从携带TDM载荷的分组流中得到时钟信 息,也就是根据分组流的到达率或到达时间,通过反馈调节机制,使 得本端的业务时钟与远端的业务时钟具有相同的频率。
自适应时钟方法的功能结构如图2所示,与PLL (Phase Lock Loop)的结构很相似。"调节信号产生逻辑"等价于PLL中的鉴相器, 它的功能是根据本端业务时钟和远端业务时钟的差异得到一个控制 信号,"S+"和"是它的两个输入。经环路滤波后消除干扰和噪声后 控制本地振荡器产生经过纠正的业务时钟。之所以将"5V'和"5"-"用虚 线表示,是因为"S+"和"S-"并不直接对应远端和本地业务时钟,而是 通过分组到达率或分组到达时间关联起来。尸w和iV分别是缓冲区的 读写指针。
现有的分组网的节点设备一般并不具备同一的外部时钟源,因 此,前两种同步方法并不能广泛应用。大多数情况下,需要采用自适 应时钟方法来实现同步。
自适应时钟方法一般可以归纳为两类基于去抖缓冲区的填充级 (关联的是分组的到达率,是数据包到达的快慢情况的直观反映,间 接反映两端时钟的差异)和基于时戳(关联的是分组的到达时间,从 数据包提取远端时戳,并根据本地业务时钟产生本地时戳)。
如果图2中"调节信号产生逻辑"的输出是根据数据包携带的时戳 产生,则可以归结为基于时戳的方法。基于时戳的方法时钟锁定的过 程较快,但需要两端都具备时戳生成机制,并有专门的机制传递时戳, 同时受分组网时延变化(抖动)的影响较大。文献[9][10]研究的是基
于时戳方法。
如果图2中"调节信号产生逻辑"的输出是根据去抖缓冲区的填充 级产生,则可以归结为基于缓冲区填充级的方法。普通的基于缓冲区 填充级的方法则实现起来简单,比较稳定,不需要额外机制,但锁定
时间相对较长。文献[11]-[13]是基于缓冲区方法的相关研究。
下面,对普通基于缓冲区填充级的自适应时钟方法进行一下分析。
不失一般性,这里假设仿真的TDM业务为El ,分组网为以太网, 压控/数控震荡器的输出与控制信号成线性关系。
由于两端的业务时钟在锁定之前频率不相同,通常为防止去抖缓 冲区上溢(缓冲区满)和下溢(缓冲区空),初始状态下/V和/V的 距离为去抖缓冲区的一半。
现有的基于缓冲区填充级的自适应恢复方法可以用下述的数学 模型描述。
以/w和表示^时刻本地和远端的业务时钟。则两端时钟
的偏差df(t)可以用(1)式表示
<formula>formula see original document page 5</formula>
以F^)表示t时刻本地去抖缓冲区的填充级。则F^可以(2)
式表示
<formula>formula see original document page 5</formula>
这里的是去抖缓冲区能存储的最大比特数。考虑以太网的特
性,数据是以数据包(分组)的形式传送的,所以一个数据包携带的
TDM信息从远端同时传送到本端。因此iV移动的时间和空间都不 是连续的,它每次移动的宽度是一个数据包携带的信息,两次移动的 时间间隔是传送两个相邻数据包的时间间隔。
因此,将F^看作时间"勺连续函数并不具有应用意义,户〃可看
作时间上连续。但仅有尸r的变化造成的f,^的改变没有参考价值。
因此将/w 、/yo 、 ^w以及i^;作为时间上离散的变量更接近 实际应用。采样点分别是o, a..","对应缓冲区处于半填充状态后 从远端传送的第"个数据包,、/r"j 、 以及f ^则表示 第"个数据包到达本地时刻的远端业务时钟频率、本地业务时钟频率 以及缓冲区填充级。
一般来说,两端的业务时钟频率并不是常量。但由于时钟随环境 变化比较缓慢,不失一般性,可以假定/(^在一个时间段内是常数,
也就是乂w = y; -"=...=乂仰成立。
以"表示^r^,则"是一个常数,其意义是初始状态本地业务 时钟相对于发送端业务时钟的频率差异。
则下列四个等式可以描述普通的基于填充级自适应时钟恢复的 一般方法。
<formula>formula see original document page 6</formula>
& 、 &分别表示f w随j/t"-"变化的以及^yw随耵"/变化的速
度。^表示在单位采样间隔里,两端业务时钟的单位差异(Hz)引起
的缓冲区的变化,^表示单位缓冲区变化引起的本地业务时钟的变化
(Hz)。以m表示采样频率,换句话说,m表示每秒发送的数据包个数, 则
& = M4X解^ P /附 &2=M4X 。# 。J p /似5DJ "J 为讨论方便,这里暂假定将TDM映射成以太网数据包(以下简 称数据包)时,每个数据包携带的TDM信息长度为一个E1时隙的
长度£,丄=32字节=256位(这里将这种封装简称为1包1时隙)。而 两端的去抖缓冲区的大小为1024字节,也就是8192比特。而"对应
每个数据包到达的时刻。
另夕卜,文献[14]对E1的频偏的规定为W必^t5印pw,令C-2似^:, 那么/仰,/仰都应该落在区间《"-50ppm" Q7+5印;w^J,那么 d/^^/C二s—定落在"/0印/ m, MAX (|df (0) |)=
= 2似.Sife,也就是说,对E1来说,两端业务时钟的初始 差异的最大值为2似.S/fe,这实际上就是自适应时钟应纠正的偏差范 围。
由于附表示每秒发送的数据包个数,则w-每秒划分的El时隙 数=8000,那么&、 ^可以用下式计算
<formula>formula see original document page 7</formula>
通过上面的分析可以看出,普通的基于缓冲区填充级的方法是从 整个缓冲区出发,考虑的是缓冲区的使用率,换句话说,输入到VCO 的调节信号从整个缓冲区的变化率得到,可以说其考虑的是缓冲区的 绝对变化;普通的基于缓冲区填充级的方法仅有低通滤波,滤波一般 使用硬件实现,对拥塞产生的低频噪声未有效考虑;普通的基于缓冲 区填充级的方法,设计缓冲区初始状态的读写指针有最大的跨距,但 无其它措施防止缓冲区溢出;普通的基于缓冲区填充级的方法一般目 标是锁定在半填充状态。

发明内容
本发明的目的在于提供一种锁定更快,滤波机制更加完善、灵活 的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法。
本发明的技术方案如下 一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟 方法,该方法以d/Y/ y"表示单位采样时间间隔内缓冲区的变化,同 时设置"a5-"A (U5+"Z^为缓冲区填充级的有效空间,(5是一个可配 置的小于0.5的数,定义变量SF表示缓冲区填充状态 '-l 当F(n) e (0,(0.5-S)D]
SF = 乂 0 当F(n) e ((0.5-S)D,(0.5+S)D )
1 当F(n) e ((0.5+S)D,D]
则本地和远端的时钟偏差W W = W 6 -" + + & * 入
其中,调节系数^ - " /M^ 〃"/ "J 〃 /6>",历为采样频率,j'是 两个采样点之间收到的数据包,J'是每个数据包携带的时隙数;^为 反射系数。
(5可以根据网络当前的QOS(Quality of Service)情况选定,如果网 络时延抖动比较大,则(5可选择较大的值,反之则可选择较小的值。
如上所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法,其中, 的取值大于等于512。
如上所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法,其中,反射 系数^应根据仿真的n)M信号级确定,当7DM信号级为E1时,反 射系数^从区间fO, 2似.<§//^选取。
如上所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法,其中,令 」尸'6 ^表示实际采样得到的J/Y"X直,则利用下述公式得到真实 的辟>
AF(n )= "U AF 6 -" W * & W 式中a和P为加权因子,其值从(0, 1)区间选取, & "J是第一级£『M4滤波器的输出和第二级£^M4滤波器的输
入,a/Y刀Ji第二级滤波器的输出,^厂^ J是第一级
滤波器的输入。
本发明的有益效果如下
(1) 该方法基于缓冲区的相对变化速度来实现目标,也就是说, 使用单位时间内,缓冲区的变化与理论上最大可能的变化的比值,并 从中得到VCO调节信号,其灵敏度更高,锁定更快;
(2) 该方法使用拥塞检测机制来排除其影响,同时使用两级 EWMA滤波消除高频噪声,两级EWMA滤波可用硬件实现,也可借 助于软件实现,滤波机制更完善,也更灵活;
(3) 该方法通过设置安全区间,将区间的上下界作为反射墙, 以防止缓冲区上溢或下溢,对于去抖缓冲区来说更加安全;
(4) 该方法的设计目标是保证缓冲区填充级处在一个安全区间。


图1为CESoPSN的系统结构图。
图2为自适应时钟方法的逻辑示意图。
图3为TDM数据包通过分组网络的示意图。
图4为滤波前后的功率谱示意图。
图5为仿真设备的硬件结构示意图。
图6为仿真测试拓扑结构图。
图7为普通方法与本发明的仿真和测试结果图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。 首先,分组网的特性决定其数据包从远端到达本地在时间上是离 散的,如果采用1包1时隙的封包方法,两个数据包之间的平均时间 间隔是125/^,如采用1包40时隙(一个以太网数据包可达1518字 节,最多可封装47个E1时隙)的封包方法,则两个数据包之间的平 均时间间隔可达5ms。 其次,由于两端的频率差异较小,去抖缓冲区填充级的变化其实 是非常缓慢的,使得每次对振荡器的调整幅度也较小。
所以文献[9][10]提出了基于时戳的方法来改善自适应时钟的收 敛性能,但需要两端都生成时戳信息并通过数据包交换时戳,实现起 来较为复杂,并且牺牲了分组网的传送带宽。
本发明提出一种快速锁定的方法,仍然以去抖缓冲区为基础,但 调整了对振荡器的控制策略。
以z!FfV^表示单位采样时间间隔内缓冲区的变化,则有^P J =
F「w」-耵"-"。同时设置(T0.5-"A P.5+"Z^是缓冲区填充级的有效空 间,^是一个可配置的小于0.5的数,设置这个有效空间为防止缓冲 区上溢或下溢。<5可以根据网络当前的QOS(Quality of Service)情况选 定,如果网络时延抖动比较大,则(5可选择较大的值,反之则可选择 较小的值。
定义变量SF表示缓冲区填充状态
一l
0
1
当F(n) e (0,(0.5-S)D] 当F(n) e ((0,5-S)D,(0.5+5)D ) (11) 当F(n) e ((0.5+5)D,D]
将(6)式修改为:
:#-7」+^SF +^*新"」(12)
^可以称为调节系数,可以用下式表示。
z'是两个采样点之间收到的数据包,j'是每个数据包携带的时隙 数。m表示采样频率,换句话说,m等于每秒发送的数据包个数,通 常等于7DM业务将一秒划分的时隙数,固定为8000。
由于M4X 0# "9 P = 204.8,则每秒的缓冲区变化量小于204.8 比特,则平均约需5ms才有1比特的变化,因此,fz,取太小的值不具 有应用意义,实际应用时取C卩大于等于512比较好。这里令(7*》=512,
那么在每个采样点间的缓冲区平均增量最大为204.8 * 512 / 8000 = 13.11。
也就是说,z/F y)-13时,表示df(n)约等于204.8。 ^可以称作反射系数,根据仿真的n)M信号级确定,原则上^
应从区间(o,两端频率偏移允许的最大值)中选取,例如,n)M信
号级为El时,两端频率偏移允许的最大值为2似.S/fe,因此反射系 数^从区间A 2似.处fe)选取。可以假设^.5-^D和(0.5+"D是去抖缓 冲区的两堵墙,当去抖缓冲区的有突破这两堵墙的趋势时,^可以反 转这种趋势。
与普通填充级方法不同的是,本方法不需将去抖缓冲区的填充级 稳定在半填充状态,在处于时钟锁定状态时,只要缓冲区填充级落在 (Tft5-"D, (^.5+^Qj区间内,既可确认系统处于有效的锁定状态。
当分组的时延处于稳定状态时,也就是时延抖动zW = 0时,该 方法基本可以在*7Z5/ 内锁定,当fz力;;^572,收敛周期约等于
由于卩是一个较弱的信号,但在时延抖动的影响下,测量得
到的J尸f^往往与实际的zLFT" j有相当大的差异。
不失一般性,将位于两端TDM中间的网络看作一个网络节点, 则携带TDM信息的数据包(以下简称数据包)通过分组网络的过程 可以用图3表示。灰色矩形表示数据包,进入分组网络时是均匀的, 如果是一包一时隙,则两个数据包之间的间隔为"5戸。但离开分组 网络时,受网络时延的影响,数据包之间的间隔不再是均匀的。
时延抖动产生源可以归纳为两大类(1)由于网络传输的随机因 素影响产生的时延变化,如传输时延变化,网络节点处理能力波动等, 常常表现为高频低幅;(2)由于突发性大流量进入网络,导致网络出 现拥塞,引起数据在网络节点的长时间排队等待导致时延变化,往往 表现为低频高幅。
可用拥塞检测方法来削弱或避免拥塞引起时延抖动的影响。
如图3所示,设第w个数据包A在网络中的等待时间为nU单位
为^,下同),它在网络中的处理时间为&。
在采用一包一时隙的封装时,由于相邻两个数据包进入网络的时
间间隔为125/^,则第"+7个数据包的等待时间w"+7可以用(14) 式表示
由于数据包等长,且属于同一数据流,那么&可以看作是一个
当H^过大时,去抖缓冲区填充级将以较快的速度减少。所以可
以将JFfh)有明显的负向变化(相对通常情况下的zli^^)作为拥塞 开始的标志。
同样,当拥塞解除时,di^O有明显的正向变化,而后趋向平稳。 所以可以利用以上特性检测拥塞,并放弃使用拥塞阶段的样本数据。
对于高频低幅的时延抖动,可以使用低通滤波器来过滤时延抖动 导致的噪声。
这里采用两级EWMA (Exponential Weight Moving Average)方
法来实现低通滤波。
令JF丫" J表示实际采样得到的zlFfn」值,则可以用(15)式表示 /1尸7>0与/^(>0游关,,
」=z/伸J +咖 "" (15)式中ef^是高频低幅时延抖动产生的偏差。 则真实的^T"」可以用(16)-(17)式计算。
<formula>formula see original document page 12</formula>
<formula>formula see original document page 12</formula>(16)式、(17)式分别表示两级EWMA滤波的输入和输出关系,式
中OC和々是加权因子,它们的值可以从(0, 1)区间选取。
是第一级五『M4滤波器的输出和第二级五『M4滤波器的输入,」/Y", ;f第二级£『M4滤波器的输出,^ J是第一级五『M^滤波器的 输入。
下面分析经两级EWMA滤波的性能。
由于网络时延的随机性,可以把<")6z-" 7, 2。。。9看作独立 同分布的随机变量,其数学期望为0,方差为^。
则其自相关函数i(7'^^^#">>可用(18)式计算。
<formula>formula see original document page 13</formula>
<")的功率谱为£尸(P可用(19)式表示(
<formula>formula see original document page 13</formula> (19)
由于TDM每秒传送8000时隙,由(13)式及其相关说明可知,每 秒采样8000/(。)次,而/1PT"卩在相对较短的时间可看作常数(以^ 表示),贝UzlF丫")的功率谱^F (P可由(20)式表示。
<formula>formula see original document page 13</formula>(20)
(16)式、(17)式对应的EWMA滤波功能的频率响应如(21) 式、(22)式所示。
<formula>formula see original document page 13</formula>(2i) <formula>formula see original document page 13</formula> (2 2)
那么两级EWMA滤波器的合并频率响应如(23)式所示。
<formula>formula see original document page 13</formula>(23)
<formula>formula see original document page 14</formula>则由(19)式、(21) - (23)式可得图 4,图4中的三条曲线分别表示滤波前、经一级DWMA滤波和两级 EWMA滤波后的功率谱。X轴表示频率(单位为HZ), Y轴表示功 率(单位为dB)。由于实际的功率都为负值,为作图方便,图中的纵 坐标值都等于实际值+150dB。而且这里0 dS处对应的功率实际值也 为0。
从图4可看出,在滤波前,干扰部分的功率甚至比直流成份(对 应真实Ji^^的功率)大,在经两级EWMA滤波后,直流成份没有 变化,干扰成分得到极大的抑制,干扰成分的功率则远小于直流成份, 滤波后的信号也基本和真实Z/F(>7 ,目等。
为评测本方法设计的硬件平台的功能结构如图5所示。图5中的 FPGA (Field-programmable gate array)实现如下功能
(1) 从E1收发器接收TDM数据。
(2) 将TDM数据封装成以太网数据包,并将封装好的数据包 通过交换芯片从千兆以太网端口发送出去。
(3) 从交换芯片接收远端发送的携带TDM信息的数据包并存 入去抖缓冲区。
(4) 借助了 CPU的运算和压控振荡器,基于去抖缓冲区恢复本 地的业务时钟。
(5) 利用恢复的业务时钟将去抖缓冲区的数据发送到El收发器。
FPGA同时实现了前述的普通填充级方法和快速锁定的填充级 方法,并可以通过CPU配置FPGA采用哪种方法。
CPU除了执行对FPGA的配置外,还周期性的从FPGA读取去 抖缓冲区统计信息,并完成两级EWMA滤波算法,并将滤波后的信 息写入FPGA。
搭建的测试拓扑如图6所示。 三台仿真设备具备图5表示的功能结构。
测试仪表ANT-20E的两个El端口分别连接到两端仿真设备的 El接口。并各使用一个千兆以太网口 (GE口)与中间的设备相联。 相当于三台设备连接成链形结构。
Smartbits测试仪表的两个千兆接口分别与两端的设备的另外一 个千兆端口相联,随机的输入背景流量。
背景流量的输入可以使TDM仿真流产生一定的时延变化,但背 景流量和TDM仿真流总量不能超过千兆,否则线路会产生丢包。
分别将仿真设备配置成采用普通的基于填充级的方法和采用本 方法进行测试和记录数据,如图7所示。
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权利要求
1.一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法,其特征在于该方法以ΔF(n)表示单位采样时间间隔内缓冲区的变化,同时设置((0.5-δ)D,(0.5+δ)D)为缓冲区填充级的有效空间,δ是一个可配置的小于0.5的数,定义变量SF表示缓冲区填充状态id="icf0001" file="S2007103019457C00011.gif" wi="95" he="22" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>则本地和远端的时钟偏差df(n)=df(n-1)+k3SF+k4*ΔF(n),其中,调节系数k4=m/MAX(|df(0)|)/(i*j),m为采样频率,i是两个采样点之间收到的数据包,j是每个数据包携带的时隙数;k3为反射系数。
2. 如权利要求1所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法, 其特征在于。'的取值大于等于512。
3. 如权利要求1或2所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟 方法,其特征在于反射系数^根据仿真的7DM信号级确定,当7DM 信号级为El时,反射系数^从区间A 2似.S/fej选取。
4. 如权利要求1或2所述的基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法,其特征在于令」,Y/7,表示实际采样得到的4/Y/7X直,则利用下述公式得到真实的Ji^7j:<formula>formula see original document page 2</formula> 式中,a和"为加权因子,其值从(0, 1)区间选取,是第一级^F湖滤波器的输出和第二级fM4滤波器的输入, ^J^第二级,厕滤波器的输出,^,' 6卩是第一级,鹏滤波器 的输入。
全文摘要
本发明涉及分组网传送TDM技术(TDMoP,TDM Over Packet)中的自适应时钟方法,具体为一种基于去抖缓冲区的快速自适应时钟方法。该方法使用单位时间内缓冲区的变化与理论上最大可能的变化的比值,并从中得到VCO的调节控制信号,其灵敏度更高,锁定更快;该方法使用拥塞检测机制来排除拥塞造成的影响,同时使用两级EWMA滤波消除网络时延抖动引入的高频噪声,两级EWMA滤波可用硬件实现,也可借助于软件实现,滤波机制更完善,也更灵活;另外,该方法通过设置安全区间,将区间的上下界作为反射墙,以防止缓冲区上溢或下溢,对于去抖缓冲区来说更加安全。
文档编号H04J3/16GK101188469SQ20071030194
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者余少华, 戴锦友 申请人:武汉烽火网络有限责任公司
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