CN104396180A - 时钟同步***、时钟同步方法和存储有时钟同步程序的存储介质 - Google Patents

Abstract

一种从节点(104)包括：N个时间再生单元(105至107)，其与N个主节点(101至103)中的每一个相应地进行通信，计算每个主节点(101至103)与从节点(104)之间的传播延迟并且执行每个主节点(101至103)的时间的再生；时间比较单元(108)，所述时间比较单元(108)独立地计算由N个时间再生单元(105至107)中的每一个所再生的每个主节点(101至103)的时间与由所述从节点(104)所保持的基准时间之间的每个比较结果；以及基准时间确定单元(109)，所述基准时间确定单元(109)通过对于由所述时间比较单元(108)基于所述传播延迟计算的每个比较结果执行加权来计算每个校正值，并且通过使用所述校正值通过执行统计处理来确定所述从节点(104)的基准时间。从而可能以低成本改进从节点的时间的同步的精度和准确度。

Description

时钟同步***、时钟同步方法和存储有时钟同步程序的存储介质

技术领域

本发明涉及一种时钟同步***、时钟同步方法及时钟同步程序。

背景技术

近年来，已使用了使得存在于网络中的多个节点以协调方式操作的***。在这样的网络中，重要的是使主节点和从节点的时间彼此同步。

基于使用以太网(注册商标)帧并且被定义在例如IEEE1588v2等中的时钟同步协议来执行多个节点之间的时间的同步。然而，当使用了时钟同步协议时，在具有大延迟波动的通信环境中再生的时间的精度可能劣化。此外，再生时间的准确度还可能由于延迟的不对称性而劣化。

最佳主时钟算法是广泛已知的，在该最佳主时钟算法中节点被选择为通过使用时钟质量(Clock Quality)等进行同步，所述时钟质量由主节点利用通告消息(Announce Message)来传送。然而，因为算法仅基于主节点的精度和准确度来选择节点，所以不能够避免来自网络上的延迟波动和延迟不对称性的影响。

在PTL 1中，公开了一种时钟同步***，该时钟同步***在不使用网络中的边界时钟的情况下实现主与从之间的时钟同步，所述网络在其一部分中包括前向和返回传输路径的不对称路径。

在PTL 2中，公开了一种校正方法，该校正方法校正由于通信链路中的不对称延迟而发生的不准确的时间同步。

在PTL3中，公开了一种时钟同步***，该时钟同步***在主节点与从节点之间基于在通信消息上发生的排队延迟来计算主节点和从节点的时间之间的差，并且使从节点的时间与主节点的时间同步。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL 1]日本专利申请特开No.2009-065579

[PTL 2]日本专利申请特开No.2007-174680

[PTL 3]日本专利申请特开No.2011-135482

发明内容

[技术问题]

用来使如PTL 1中所公开的多个从节点之间的每个信息和IEEE1588v2中所定义的透明时钟(TC)相关的方法作为用来减轻网络中的延迟波动和不对称性的方法是有效的。然而，存在这样的问题，即为了使用这些方法，有必要在多个从节点之间实现信息通信功能并且对于所有节点来说有必要实现TC功能，进而，可能增加成本。而且，期望进一步改进从节点的时间的精度和准确度。

[问题的解决方案]

根据本发明的时钟同步***是用来基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来使从节点上的时间同步的时钟同步***，以及从节点与多个主节点进行通信以计算每个主节点与从节点之间的传播延迟，并且包括：时间再生单元，所述时间再生单元被配置成再生每个主节点的时间；时间比较单元，所述时间比较单元被配置成单独地计算时间再生单元单独地再生的每个主节点的时间与由从节点所保持的基准时间之间的比较结果；以及基准时间确定单元，所述基准时间确定单元被配置成通过对于由时间比较单元基于由时间再生单元计算的传播延迟所计算的每个比较结果执行加权针对每个比较结果来计算校正值，并且通过使用每个校正值来确定从节点的基准时间。

根据本发明的时钟同步方法是用来基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来执行从节点上的时间的同步的时钟同步方法，其中从节点再生每个主节点的时间，计算主节点中的每一个的单独地再生的时间与由从节点所保持的基准时间之间的比较结果，基于每个主节点与从节点之间的传播延迟来对于比较结果中的每一个执行加权以计算每个再生时间的校正值，并且通过使用每个校正值来确定从节点的基准时间。

根据本发明的时钟同步程序是基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来执行从节点上的时间的同步的时钟同步程序，并且所述程序获取每个主节点的再生时间，获取每个主节点与从节点之间的传播延迟，计算所获取到的每个主节点的时间与由从节点所保持的基准时间之间的比较结果，通过基于传播延迟对于每个比较结果执行加权来计算校正值，并且通过使用每个校正值来确定从节点的基准时间。

[发明的有益效果]

有可能在执行时间的同步时以低成本改进从节点的精度和准确度。

附图说明

图1是图示第一示例性实施例的时钟同步***的配置的框图。

图2是图示第一示例性实施例的时间再生单元的细节的图。

图3是图示第一示例性实施例的时间比较单元、时间校正单元以及频率再生单元的细节的图。

图4是图示第一示例性实施例的时钟同步***的操作的流程图。

图5是图示第一示例性实施例的协议处理单元的操作的图。

图6是第一示例性实施例的网络的示意图。

具体实施方式

第一示例性实施例

将参考附图在下面描述本发明的示例性实施例。图1是图示根据本发明的时钟同步***10的配置的框图。

时钟同步***10包括第一主节点101、第二主节点102、第三主节点103以及从节点104。

第一主节点101是位于主-从同步网络的顶点处并且本身在网络中生成具有基准频率的信号的最高时钟生成点。第一主节点101向第一时间再生单元105输出具有基准频率的信号和协议帧。

第二主节点102是位于主-从同步网络的顶点处并且本身在网络中生成具有基准频率的信号的最高时钟生成点。第二主节点102向第二时间再生单元106输出具有基准频率的信号和协议帧。

第三主节点103是位于主-从同步网络的顶点处并且本身在网络中生成具有基准频率的信号的最高时钟生成点。第三主节点103向第三时间再生单元107输出具有基准频率的信号和协议帧。假定了每个主节点与相同的同步源，例如全球导航卫星***(GNSS)同步。

从节点104包括第一时间再生单元105、第二时间再生单元106、第三时间再生单元107、时间比较单元108以及基准时间确定单元109。

第一时间再生单元105符合IEEE1588v2协议并且再生由第一主节点101所生成的时间。第一时间再生单元105向时间比较单元108输出再生时间的信息。图2是图示第一时间再生单元105的细节的图。第一时间再生单元105包括计数器单元202、协议处理单元203以及时间校正单元204。第二时间再生单元106和第三时间再生单元107与第一时间再生单元105一样包括计数器单元202、协议处理单元203以及时间校正单元204。

计数器单元202是根据后述基准频率在定时下保持计数的自由运行计数器。计数器单元202向时间校正单元204输出计数的信息。

协议处理单元203执行从主节点接收到的协议帧的处理并且计算主节点与从节点之间的传播延迟和时间差。协议处理单元203向时间校正单元204输出协议帧的处理的结果。将稍后详细地描述协议处理单元203的操作。

时间校正单元204根据通过协议处理单元203处理的结果来校正来自计数器单元202的输出。更具体地，基于由协议处理单元203计算的传播延迟和时间差，校正了计数器单元202的输出。时间校正单元204向时间比较单元108输出校正的结果。

时间比较单元108计算时间之间的比较的结果，所述时间中的每一个是从第一时间再生单元105、第二时间再生单元106以及第三时间再生单元107中的任一个输入的，并且将这些时间中的每一个与由频率再生单元111所生成的从节点的基准时间相比较。时间比较单元108向统计单元110输出比较结果。

时间比较单元108和基准时间确定单元109构成PLL(锁相环)电路。图3是图示这些部件的配置的细节的图。时间比较单元108包括第一比较单元301、第二比较单元302以及第三比较单元303。

基准时间确定单元109包括统计单元110和频率再生单元111。

统计单元110基于从时间比较单元108输入的比较结果来执行时间校正。统计单元110向频率再生单元111输出时间校正的结果。更具体地，统计单元110包括第一校正单元(α1)304、第二校正单元(α2)305、第三校正单元(α3)306以及统计处理单元307。

频率再生单元111生成具有基准频率的信号并且向时间比较单元108输出基准时间。更具体地，频率再生单元111包括基准频率生成单元309和基准时间生成单元310。

第一比较单元301将由第一时间再生单元105输出的时间与由基准时间生成单元310输出的基准时间相比较。第一比较单元301向第一校正单元304输出比较结果Td1。

第二比较单元302将由第二时间再生单元106输出的时间与由基准时间生成单元310输出的基准时间相比较。第二比较单元302向第二校正单元305输出比较结果Td2。

第三比较单元303将由第三时间再生单元107输出的时间与由基准时间生成单元310输出的基准时间相比较。第三比较单元303向第三校正单元306输出比较结果Td3。第一比较单元301、第二比较单元302以及第三比较单元303是彼此独立的。

第一校正单元304对于从第一比较单元301输入的比较结果Td1执行加权。第一校正单元304向统计处理单元307输出加权比较结果Tc1。

第二校正单元305对于从第二比较单元302输入的比较结果Td2执行加权。第二校正单元305向统计处理单元307输出加权比较结果Tc2。

第三校正单元306对于从第三比较单元303输入的比较结果Td3执行加权。第三校正单元306向统计处理单元307输出加权比较结果Tc3。将稍后利用示例对加权的方法进行描述。

统计处理单元307基于分别从第一校正单元304、第二校正单元305以及第三校正单元306输入的比较结果Tc1、Tc2以及Tc3来执行统计处理。利用这个处理，统计处理单元307为从节点104确定校正量。例如，统计处理单元307将所确定的校正量转换为电压并且输出该电压。将稍后详细地描述通过统计处理单元307的统计处理的方法。

基准频率生成单元309生成具有基准频率的信号。通常，基准频率生成单元309是电压控制振荡器(VCO)，其是能够基于输入电压来控制输出信号的频率的电路。在以下描述中，假定了基准频率生成单元309是VCO。VCO 309向基准时间生成单元310输出所生成的具有基准频率的信号。因为VCO对于本领域的技术人员而言是公知的并且不与本发明直接相关，所以将省略详细配置的描述。

基准时间生成单元310基于从VCO 309输入的具有基准频率的信号来生成基准时间。因为基准时间生成单元310的配置对于本领域的技术人员而言是公知的，所以将省略配置细节的描述。基准时间生成单元310向第一比较单元301、第二比较单元302以及第三比较单元303输出所生成的基准时间。

接下来，将在下面对详细操作进行描述。图4是时钟同步***的操作的流程图。

首先，时间再生单元从主节点获取时间信息(步骤S1)。图5图示使用第一主节点101与从节点104之间的协议处理单元203的操作的示例。在本描述中，将描述符合IEEE1588v2的两步操作的操作。

主节点101发送同步消息(Sync message)。在发送时，主节点101记录发送时间T1(步骤S11)。

从节点104接收同步消息。在接收时，从节点104记录时间T2(步骤S12)。

主节点101发送时间T1作为跟随(Follow-up)消息(步骤S13)。

从节点104向主节点101发送延迟-请求(Delay-Request)消息并且记录发送的发送时间T3(步骤S14)。

主节点101记录延迟-请求消息被接收所在的时间T4并且将时间T4作为延迟-响应(Delay-Response)消息发送到从节点104(步骤S15)。

协议处理单元203通过使用这些时间信息片T1、T2、T3以及T4来确定从节点的时间。将在下面对确定的过程进行描述。

当假定了T2和T3表示从节点上的时间时，从节点上的时间与主节点上的时间(绝对时间)的差的偏移由a表示，T2'表示从节点接收到同步消息时的绝对时间，并且T3'表示从节点发送延迟-请求消息时的绝对时间，时间T2和T3由以下公式(1)和(2)表达。

T2＝T2'+a...(1)

T3＝T3'+a...(2)

当还假定了主节点101与从节点104之间的传播延迟由D表示时，T2'和T3'由公式(3)和(4)表达。

T2'＝Tl+D...(3)

T4＝T3'+D，即T3'＝T4-D...(4)

根据公式(1)、(2)、(3)以及(4)，a由以下公式表达。

a＝T2-T2'＝T2-(Tl+D)＝T2-Tl-D...(5)

a＝T3-T3'＝T3-(T4-D)＝T3-T4+D...(6)

根据公式(5)和(6)，

a＝T2-Tl-D＝T3-T4+D...(7)

当公式(7)变形时，

2D＝T2-Tl-T3+T4＝(T2-Tl)+(T4-T3)

D＝{(T2-Tl)+(T4-T3)}/2...(8)

协议处理单元203能够利用公式(8)来计算传播延迟D，而不管从节点104与主节点101之间的时间差如何。协议处理单元203还能够通过使用公式(1)和(2)基于传播延迟D来计算从节点与主节点之间的时间差。

协议处理单元203向时间校正单元204输出传播延迟D和偏移a。时间校正单元204通过将偏移a加到来自计数器单元202的计数器输出而生成再生时间。

接下来，时间比较单元108输出从多个主节点单独地输入的时间的差(步骤S2)。在这个处理中，虽然再生时间指示其中网络延迟是静态的并且延迟是对称的理想环境中的准确时间，但是由于实际网络中的业务等的冲突导致不确保延迟量不是静态的且对称的。因此，时间比较单元108将由第一时间再生单元105、第二时间再生单元106以及第三时间再生单元107所生成的每个再生时间与由频率再生单元111所生成的基准时间相比较，并且输出时间之间的差作为比较结果。

统计单元110对于由时间比较单元108所输出的每个比较结果执行加权(步骤S3)。具体地，第一校正单元304、第二校正单元305以及第三校正单元306分别对于由第一比较单元301、第二比较单元302以及第三比较单元303输出的比较结果执行加权。在这个处理中，给出了权重以便与传播延迟D成反比但是与主节点的时钟精度成比例。通过基于IEEE 1588v2的通告消息(Announce Message)以时钟质量从主节点传送主节点的时钟精度。

当由比较单元301、302以及303中的每一个输出的时间之间的差由Td表示时，传播延迟由D表示，并且主节点的时钟精度由Q表示，被用于通过统计处理单元307的统计处理的校正值Tc由以下公式(9)表达。

Tc＝Td×Q/D...(9)

在这个处理中，小传播延迟D指示主节点与从节点之间的传输距离是短的。从节点104对来自位于短距离处的主节点的时间信息进行优先级排序，并且还高精度地对该时间信息进行优先级排序。

图6是图示时钟同步***10的网络的示意图。参考图6，将描述如下事实：在公式(9)中，传播延迟D越小，主节点与从节点之间的传输距离越短，并且将描述确定校正值Tc以便与传播延迟D成反比的原因。

例如，假定了在主节点101与从节点104之间，存在第一网络元件(NE：诸如交换机和路由器的网络设备)505和第二NE 506，并且，以相似的方式，在主节点102与从节点104之间不存在NE，以及在主节点103与从节点104之间存在NE 507。

在图6的示意图中，主节点、从节点主中的每一个和NE中的每一个通过有线或无线通信信道被连接，并且其传输时间与如果使用了有线通信信道则电信号或光信号以及如果使用了无线通信信道则无线电信号的传输速度及其传输距离成比例。尽管传输时间取决于传输路径的状况而稍微变化，但是传输时间几乎不影响节点间传输延迟的波动。

传播延迟D主要受NE的内部延迟影响。这是因为至少相当于一个帧的持续时间的最小延迟是通过由普通NE所采用的存储并转发(store-and-forward)传输方法引起的，并且，取决于网络的通信状况，在NE内部缓冲进一步增加延迟。传播延迟D的长度它本身主要受缓冲影响，进而延迟变化量与传播延迟相关。

因此，延迟变化量越大，传播延迟D往往变得越长。因此，在公式(9)中，校正值Tc与传播延迟D成反比。

接下来，统计处理单元307执行统计处理(步骤S4)。具体地，分别将对应于主节点101、102以及103的Tc1、Tc2以及Tc3被输入给统计处理单元307。统计处理单元307对于Tc1、Tc2以及Tc3独立地计算平均值和样本方差并且基于已计算的平均值和样本方差来计算中间值。如上所述，统计处理单元307通过估计从节点应该基于从多个主节点输入的再生时间与其同步的主节点上的时间来改进再生时间的精度和准确度。基于统计处理的结果统计处理单元307确定到频率再生单元111中的VCO 309的控制电压并且输出所确定的电压。

最后，基于由统计处理单元307计算的统计结果频率再生单元111计算从节点104上的时间(步骤S5)。具体地，VCO 309根据由统计处理单元307基于统计结果所输出的控制电压来输出时钟信号，并且将该时钟信号的频率用作基准频率。基于该基准频率基准时间生成单元310生成基准时间。

利用这个处理，通过独立地使用来自多个同步源的信号，有可能改进在从节点上最终获取到的时间的精度和准确度。

换句话说，在从节点上，通过对于从多个主节点获取到的每个再生时间单独地执行加权并且对加权值独立地执行统计处理，即使在在网络延迟方面有波动和不对称性的环境中，也有可能改进再生时间的精度和准确度。在从节点上，还有可能通过改进再生时间的精度来改进再生频率的精度。而且，在从节点上，有可能通过软件来实现独立的时间再生单元、时间比较单元以及时间校正单元，进而不引起硬件成本的增加。

本发明不限于上面描述的示例性实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下能够进行适当的修改。例如，尽管在上述描述中，描述了其中存在三个主节点并且基于从三个主节点获取到的时间改进了从节点上的时间的精度和准确度的情况，但是主和从的数目可以是N的任何数目(N表示2或更大的整数)。尽管上述描述基于IEEE1588v2被用作时间同步的协议的假设，但是有可能使得时间再生单元中的协议处理单元基于另一时间同步协议进行操作。尽管描述了两步操作的情况，但是甚至一步操作不对时间再生操作产生任何差异。尽管时间再生单元中的时间再生单元被配置成执行处理以校正在基准频率下操作的计数器，但是该处理不限于这个配置并且通过其能够再生主节点上的时间的配置足够。尽管描述了将与通过使用IEEE1588v2协议的延迟请求和延迟响应所计算的传播延迟的反比例用作时间校正单元中的权重的情况，但是如果在每个主节点处的网络延迟通过外单元测量仪器等的实际测量是可能的，则可以使用测量值。尽管在公式(9)中，三个值，具体地，时间差Td、传播延迟D以及主节点的时钟精度Q被用于确定校正值Tc的确定，但是可以通过使用仅时间差Td和传播延迟D来确定校正值Tc。而且，例如，如果当确定了校正值Tc时预先澄清了每个主节点与从节点之间的传输距离等，则可以使用该传输距离代替传播延迟D。可以预先手动地确定代替通过与主节点通信获取通信质量Q。

尽管在示例性实施例的上述描述中，本发明被假定为配置有硬件，但是本发明不限于该配置。还有可能通过使得CPU(中央处理器)执行计算机程序来实现本发明中的任何处理。在这种情况下，有可能通过将计算机程序记录在记录介质中来提供计算机程序，但是还有可能通过经由因特网或其它通信媒体来发送计算机程序来提供计算机程序。记录媒体例如包括柔性盘、硬盘、磁盘、磁光盘、CD-ROM、DVD、ROM盒、具有备用电池的RAM存储器盒、闪速存储器盒以及非易失性RAM盒。通信媒体包括诸如电话线路的有线通信介质和诸如微波线路的无线通信介质。

工业实用性

诸如长期演进(LTE)-时分双工(TDD)的在上面需要执行时钟同步的网络设备上使用本发明是期待的。除网络设备以外，有可能将本发明应用于通过使用IEEE1588v2或NTP来执行时钟同步并且上面需要时钟同步的精度方面的改进的所有类型的设备。而且，频率的精度方面的改进还可由时钟同步的精度方面的改进实现，进而本发明能够被应用于其中需要实现具有高精度的频率同步的领域。

本申请基于并要求于2012年6月19日提交的日本专利申请No.2012-137859的优先权的权益，其公开内容通过引用整体地并入在本文中。

[附图标记列表]

10        时钟同步***

101       第一主节点

102       第二主节点

103       第三主节点

104       从节点

105       第一时间再生单元

106       第二时间再生单元

107       第三时间再生单元

108       时间比较单元

109       基准时间确定单元

110       统计单元

111       频率再生单元

202       计数器单元

203       协议处理单元

204       时间校正单元

301       第一比较单元

302       第二比较单元

303       第三比较单元

304       第一校正单元

305       第二校正单元

306       第三校正单元

307       统计处理单元

309       基准频率生成单元(VCO：电压控制振荡器)

310       基准时间生成单元

505、506、507   网络元件(NE)

Claims (9)

1.一种时钟同步***，所述时钟同步***基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来执行从节点上的时间的同步，

其中，所述从节点包括：

时间再生装置，所述时间再生装置与所述主节点进行通信，所述主节点的数目是N，计算每个主节点与所述从节点之间的传播延迟，并且再生每个主节点的时间；

时间比较装置，所述时间比较装置计算由所述时间再生装置单独再生的每个主节点的时间与由所述从节点所保持的基准时间之间的比较结果；以及

基准时间确定装置，所述基准时间确定装置通过基于由所述时间再生装置计算的所述传播延迟对由所述时间比较装置所计算的每个比较结果执行加权，来计算对每个比较结果的校正值，并且通过使用每个校正值来确定所述从节点的基准时间。

2.根据权利要求1所述的时钟同步***，

其中，所述基准时间确定装置基于所述传播延迟和从每个主节点获取的时钟精度来对由所述时间比较装置计算的所述比较结果执行加权以针对每个比较结果来计算校正值，并且通过使用每个校正值来确定所述从节点的基准时间。

3.根据权利要求1或2所述的时钟同步***，

其中，所述基准时间确定装置基于每个计算的校正值来确定所述从节点的基准时间，并且确定所述从节点的基准频率。

4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的时钟同步***，

其中，所述基准时间确定装置包括：

统计装置，所述统计装置包括

校正装置，所述校正装置输出校正值，所述校正值是通过对于由所述时间比较装置计算的所述比较结果中的每一个执行加权来计算的；以及

统计处理装置，所述统计处理装置对于由所述校正装置输出的所述校正值中的每一个执行统计处理，并且输出所述统计处理的结果；以及

频率再生装置，所述频率再生装置包括：

基准频率生成装置，所述基准频率生成装置基于所述统计处理的结果来生成基准频率；以及

基准时间生成装置，所述基准时间生成装置基于由所述基准频率生成装置所生成的所述基准频率来生成所述从节点的基准时间。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的时钟同步***，

其中，所述基准时间确定装置独立地针对所述校正值中的每一个来计算平均值和样本方差，基于所计算的平均值和样本方差来计算中间值，并且确定所述从节点的基准时间。

6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的时钟同步***，

其中，所述时间再生装置包括：

计数器装置，所述计数器装置保持根据所述基准频率的定时进行计数；

协议处理装置，所述协议处理装置基于协议的发送和接收中的延迟时间来计算在所述主节点与所述从节点之间的传播延迟和时间差；以及

时间积分装置，所述时间积分装置基于由所述协议处理装置计算的所述传播延迟和所述时间差来校正所述计数器装置的计数。

7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的时钟同步***，

其中，所述基准时间确定装置基于在所述主节点和所述从节点之间的传输距离来对由所述时间比较装置计算的每个比较结果执行加权，计算每个校正值，并且通过使用每个校正值通过执行统计处理来确定所述从节点的基准时间。

8.一种时钟同步方法，所述时钟同步方法基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来执行从节点上的时间的同步，所述方法包括由所述从节点执行的以下步骤：

再生每个主节点的时间；

计算在每个主节点的单独再生的时间与由所述从节点所保持的基准时间之间的比较结果；

基于在每个主节点与所述从节点之间的传播延迟来对于每个比较结果执行加权以计算每个校正值；以及

通过使用每个校正值来确定所述从节点的基准时间。

9.一种存储时钟同步程序的存储介质，所述时钟同步程序基于经由网络从多个主节点接收到的时间信息来执行从节点上的时间的同步，其中，所述程序执行以下步骤：

获取每个主节点的再生时间；

获取在每个主节点与所述从节点之间的传播延迟；

计算在所获取的每个主节点的时间与由所述从节点所保持的基准时间之间的比较结果；

通过基于所述传播时间对每个比较结果执行加权来计算每个校正值；以及

通过使用每个校正值来确定所述从节点的基准时间。