一种分组网中时钟频率同步方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102412954 A (43)申请公布日 2012.04.11 C N 1 0 2 4 1 2 9 5 4 A *CN102412954A* (21)申请号 201110369809.8 (22)申请日 2011.11.19 H04L 7/00(2006.01) H04L 12/56(2006.01) (71)申请人西安邮电学院 地址 710021 陕西省西安市韦郭路 (72)发明人陈文艺 (74)专利代理机构西安恒泰知识产权代理事务 所 61216 代理人李郑建 (54) 发明名称 一种分组网中时钟频率同步方法 (57) 摘要 本发明涉及一种分组网中时钟频率同步方

2、 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2

3、 页 CN 102412967 A 1/2页 2 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(n)， ，CB(1)，CB(2)，CB(n)， ； 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

4、为TB(n)，定义时钟周期比值K(n)TB(n)/TA(n)，则在目标节 点B从同步帧收发时刻序列中求出K(n)值，用K(n)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(n)值的求解步骤如下： 1)定义源节点A、目标节点B间帧时延值： (n)(n-1)+CB(n)-K0*CA(n)；n2，3，； 式中，CB(n)CB(n)-CB(n-1)，CA(n)CA(n)-CA(n-1)，(1)0； K0为设定的K(n)初值，为常数； 2)设置当前最小时延值 min 初值为一个大正整数，并作如下处理： If(n) min ) m

5、in (n)； min (n)(n)； 进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数 else 本帧(n)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 min (n)和对应CA(n)作为输入，即 min (n)的估计值为： 式中，w 0 (n)为估计的直线斜率，w 1 (n)为估计的直线截距； 估计误差： 最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中，为遗忘系数，按实际情 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

6、处于捕获状态，若检测到 (n) min 值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)w 0 (n)；求估计的直 线斜率w 0 (n)的差分值：w 0 (n)w 0 (n)-w 0 (n-1)，若|w 0 (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(n) 权 利 要 求 书CN 102412954 A CN 102412967 A 2/2页 3 min 值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w 0 (n)的差分值；若|w 0 (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

7、)w 0 (n)；若 |w 0 (n)|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-1)；若|w 0 (n)|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A、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K(n)代替 min (n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值作为滤波输出： 式中，a 0 (n)为估计的直线斜率，a 1 (n)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

8、通 过检测直线拟合误差e 2 (n)实现；具体判别方法与检测|w 0 (n)|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。 权 利 要 求 书CN 102412954 A CN 102412967 A 1/6页 4 一种分组网中时钟频率同步方法 技术领域 0001 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 0002 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

9、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。 0003 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

10、，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。 0004 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

11、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： 0005 (n) 0 + 1 (n) 0006 式中， 0 是固有时延值为常数， 1 (n)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.X，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

12、恢复方法的文章和相关专利，不再一一列举。 发明内容 0007 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。 0008 为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案： 0009 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： 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 2/6页 5 0010 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； 0011 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； 0012 源节点

13、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(1)，CA(2)，CA(n)， ，CB(1)，CB(2)，CB(n)， ； 0013 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(n)/TA(n)，则在目 标节点B从同步帧收发时刻序列中求出K(n)值，用K(n)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。 0014 上述K(n)值的求解步骤如下： 0015 1)定义源节点A、目标节点B间帧时延值： 0016 (n)(n-1)+CB

14、(n)-K0*CA(n)；n2，3，； 0017 式中，CB(n)CB(n)-CB(n-1)，CA(n)CA(n)-CA(n-1)，(1)0； 0018 K0为设定的K(n)初值，为常数； 0019 2)设置当前最小时延值 min 初值为一个大正整数，并作如下处理： 0020 If(n) min ) 0021 min (n)； 0022 min (n)(n)； 0023 进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数 0024 else 0025 本帧(n)值丢弃；保持上次最小二乘法迭代参数不变； 0026 End； 0027 3)在步骤2)中所述最小二乘法迭代算法用 min (n)和对应CA(n)作为

15、输入， 即 min (n)的估计值为： 0028 0029 式中，w 0 (n)为估计的直线斜率，w 1 (n)为估计的直线截距； 0030 估计误差： 0031 最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中，为遗忘系数，按实 际情况合理设置； 0032 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； 0033 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(n) min 值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)w 0 (n)。求估计 的直线斜率w 0 (n)的差分值：w 0 (n)

16、w 0 (n)-w 0 (n-1)，若|w 0 (n)|持续小于设定门限值， 则进入跟踪状态； 0034 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(n) min 值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，检测w 0 (n)的差分值；若 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 3/6页 6 |w 0 (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) w 0 (n)；若|w 0 (n)|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-1)；若|w

17、0 (n)|持续大于设定值，则确认为失锁， 重新进入捕获状态； 0035 7)源节点A、目标节点B的时钟频率同步参数为：K(n)K0+dK(n)； 0036 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K(n)代替 min(n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值作为滤波输出： 0037 式中，a 0 (n)为估计的直线斜率，a 1 (n)为估计的直线截距。 0038 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e 2 (n)实现；具体判 别方法与检测|w 0 (n)|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。 0039 本

18、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。 附图说明 0040 图1是分组网中时钟频率同步系统模型图； 0041 图2是节点A、B间同步帧收发时刻与帧时延示意图； 0042 图3是K0修正后节点A、B间同步帧时延示意图； 0043 图4是时钟频率同步参数K(n)值示意图； 0044 图5是本发明在局域以太网中的一种具体实施系统框图； 0045 图6是实测A、B节点时钟频率未同步的时延值； 0046 图7是用本发明方法进行时钟频率同步后得到的时延值； 0047 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 具体实施方式 0048 本发明的分组网中时

19、钟频率同步方法，具体包括如下步骤： 0049 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。 0050 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CA(1

20、)，CA(2)，CA(n)， ，CB(1)， CB(2)，CB(n)， ，如图2所示。 0051 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(n)，CLKB的时钟周期为TB(n)，定义时钟 周期比值K(n)TB(n)/TA(n)，则在目标B节点求出K(n)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(n)K(n)f B (n)，其中f B (n)1/TB(n)。 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 4/6页 7 0052 4)定义源节点A、目标节点B间帧时延

21、值： 0053 (n)(n-1)+CB(n)-K0*CA(n)；n2，3， 0054 式中，CB(n)CB(n)-CB(n-1)，CA(n)CA(n)-CA(n-1)，(1)0； 0055 合理设定K0值，使帧时延值(n)的最小值随n减小，如图3所示。 0056 5)设置当前最小时延值 min 初值为一个大数，然后逐帧跟踪比较(n)值，检测 出当前最小值 min (n)和对应CA(n)值，并如下处理： 0057 if (n) min ) 0058 min (n)； 0059 min (n)(n)； 0060 进行最小二乘法迭代计算；更新迭代参数 0061 Else 0062 本帧(n)值丢弃；

22、保持上次最小二乘法迭代参数不变； 0063 End 0064 6)在步骤5)中最小二乘法迭代算法用 min (n)和对应CA(n)作为输入，拟合 出直线如图3虚线所示，即 min (n)的估计值为： 0065 0066 式中，w 0 (n)为估计的直线斜率，w 1 (n)为估计的直线截距。 0067 估计误差： 0068 最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中为遗忘系数，需 按实际情况合理设置。 0069 7)上述 min (n)的最小二乘直线拟合过程分两种状态进行，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。 0070 8)首先处于捕获状态：若检测到(n) min 值

23、，进行当前序列号为n的直线迭 代拟合，并置dK(n)w 0 (n)。求估计的直线斜率w 0 (n)的差分值：w 0 (n)w 0 (n)-w 0 (n-1)， 若|w 0 (n)|持续小于设定门限值，则进入跟踪状态。 0071 9)在跟踪状态。若检测到(n) min 值后，进行当前序列号为n的直线迭代拟 合，检测w 0 (n)的差分值；若|w 0 (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)w 0 (n)；若|w 0 (n)|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-1)；若|w 0 (n)

24、|持续 大于设定值，则确认为失锁，重新进入捕获状态。 0072 10)源节点A、目标B节点时钟同步参数：K(n)K0+dK(n)，如图4所示。 0073 11)进一步可用上述步骤6)到步骤9)所述的两状态最小二乘直线拟合处理方法， 用K(n)代替 min (n)，n代替CA(n)作为输入，拟合K(n)估计值： 0074 0075 式中，a 0 (n)为估计的直线斜率，a 1 (n)为估计的直线截距。 0076 估计误差： 0077 最小二乘拟合使目标函数为最小值，其中为遗忘系数，需按 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 5/6页 8 实际情况合理设置。输出作为

25、滤波后的源A节点、目标B节点时钟同步参数。 0078 12)上述捕获状态与跟踪状态的转换也可以通过检测直线拟合误差e 2 (n)实现，判 别方法与检测|w 0 (n)|相似；也可以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。 0079 以下是发明人给出的一个具体的实施例。 0080 本实施例在局域以太网中的一种具体实现方式，系统框图如图5所示，包括如下 实施步骤： 0081 1)现场可编程门阵列(FPGA)实现的源节点A中，设计帧发送时刻计数器ACOUNT， 该计数器时钟为A节点时钟CLKA；在以太网帧发送的物理层(PHY)输入处，设定帧发送参 考点，当同步帧第一位通过该参考

26、点时，用帧发送使能信号锁存ACOUNT计数器值CA作为同 步帧的发送时刻，并随下一个同步帧发送到目标节点。源节点A定时发送同步帧。 0082 2)在FPGA实现的目标节点B中，设计帧接收时刻计数器BCOUNT，该计数器时钟为 B节点时钟CLKB；在以太网帧接收物理层(PHY)输出处，设定帧接收参考点，当同步帧最后 一位通过该参考点时，用帧接收使能信号锁存BCOUNT计数器值CB作为同步帧的接收时刻。 在B节点中，从收到帧中得到同步帧发送时刻序列值：CA(1)，CA(2)，CA(n)， ，从 BCOUNT计数器得到对应的接收时刻序列值CB(1)，CB(2)，CB(n)， ，如图2所示。 0083

27、 3)根据源节点A、目标B节点时钟的精度范围，设定K0值，如A、B节点时钟精度若 为50ppm，设定K01.00005，则计算的帧时延值(n)的最小值将随n减小，如图3所 示。 0084 4)编制程序，在目标B节点中用软件计算出值。具体是设置 min 初值为一个 大数，然后迭代计算如下： 0085 if(n) min ) 0086 min (n)； 0087 min (n)(n)； 0088 进行最小二乘法迭代计算； 0089 else 0090 本帧(n)值丢弃；保持最小二乘法迭代参数不变； 0091 End 0092 5)上述最小二乘法迭代算法的一种具体实现算法如下： 0093 设：X k

28、 CA(n)，1 T ，W n w 0 (n)，w 1 (n) T ，P 0 0，0 T ， 0094 则迭代公式： 0095 P k P k-1 + min (n)X k 0096 W n S k R k 0097 本实施例中，取0.97。 0098 6)上述 min (n)的最小二乘直线拟合过程分两种状态进行，一个是捕获状态，另 一个是跟踪状态。先处于捕获状态，置状态标志LOCK0，清计数器Lcnt0。若检测到 (n) min 值，进行当前序列号为n的直线迭代拟合，并置dK(n)w 0 (n)。 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 6/6页 9 0099

29、求估计的直线斜率w 0 (n)的差分值：w 0 (n)w 0 (n)-w 0 (n-1)，若|w 0 (n)| T w ，则Lcnt加1；当Lcnt大于设定值后，进入锁定跟踪状态，置LOCK1，清计数器Lcnt 0。T w 为设定的判决门限值。 0100 7)在跟踪状态，LOCK1。若检测到(n) min 值后，进行当前序列号为n的 直线迭代拟合，检测w 0 (n)的差分值；若|w 0 (n)|T w ，则确认本帧是固有时延帧，迭代 参数有效，置dK(n)w 0 (n)，并清计数器Lcnt0；若|w 0 (n)|T w ，则确认本帧不是固 有时延帧，本次迭代参数S k ，P k ，W n 丢弃

30、，保持上次迭代参数不变，置dK(n)dK(n-1)，计数 器Lcnt加1；若计数器Lcnt值大于设定值，则确认为失锁，置LOCK0，清计数器Lcnt 0，重新进入捕获状态。 0101 8)A、B节点时钟同步参数：K(n)K0+dK(n)。 0102 9)进一步可用两状态最小二乘直线拟合处理方法，用K(n)代替 min (n)，n代替 CA(n)作为输入，0.997，拟合K(n)估计值作为输出： 0103 0104 式中，a 0 (n)为估计的直线斜率，a 1 (n)为估计的直线截距。 0105 10)在算法具体实施中，一般ACOUNT计数器设置为32bit，当ACOUNT计数器 满时，下一个计

31、数值将回零，需进行计数器回绕处理，即若CA(n)0，则CA(n) CA(n)+(CA max +1)；式中CA max 为ACOUNT计数器的最大值。当BCOUNT计数器满时类似处理。 0106 11)在以太网电路仿真应用中，用K(n)值控制小数分频电路，修正B节点时钟 CLKB，再用锁相环电路消除时钟抖动，可得到恢复的A节点时钟。 0107 12)在以太网单向随机时延测量应用中，用K(n)按下式计算随机时延值： 0108 (n)(n-1)+CB(n)-K(n)*CA(n)；n2，3，。 0109 可以消除A、B节点时钟不同步的影响。 0110 图6为局域以太网中，用本实施例实测的A、B节点时

32、钟未同步时的随机时延值，可 以看到明显的时钟不同步产生的随机时延最小值变化。时延单位为时钟周期数。 0111 图7为局域以太网中，用本实施例实测的A、B节点时钟同步时的随机时延值，可以 看到随机时延最小值几乎无变化，表明A、B节点时钟频率相等。 0112 以上结合附图，实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员可根据本发 明内容，在具体实施中作出各种具体实施方案变动，本实施例的具体细节不构成对本发明 的限制，本领域的技术人员对本申请的技术方案作出的非必要的添加或等效的替换，均视 为本发明的保护范围。 说 明 书CN 102412954 A CN 102412967 A 1/2页 10 图1 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102412954 A CN 102412967 A 2/2页 11 图5 图6 图7 说 明 书 附 图CN 102412954 A