CN1839573A - 分组交换网络中的远程同步 - Google Patents

Abstract

使用差别时间戳，在分组交换网络的两个或多个节点之间实现了远程频率同步。使用最小延迟原理对多个差别时间值拟合直线。使用上行链路和下行链路差别时间值之一或两者，并通过最小延迟原理对差别时间值拟合第一和第二直线之一或两者，可实现这两个节点之间的频率同步和/或绝对时间同步。

Description

分组交换网络中的远程同步

                          背景

本发明涉及远程节点同步，并且更具体地说，涉及通过分组交换网络的远程节点同步，而在该网络中所有中间节点不一定要同步。

由于同步网络往往成本高，因此，分组交换网络通常不同步，这意味着在网络中没有公共参考时钟。经常称为以太网的IEEE 802.3标准是一种在所有节点中使用自由运行时钟的示例异步网络。虽然异步网络适用于许多应用，但在其它应用中，同步是重要或需要的。

同步重要的一个示例应用是在移动无线电通信中使用的无线电接入网络(RAN)。现在，电路交换RAN使用RAN节点之间的准同步数字系列(PDH)(例如E1)或同步数字系列(SDH)(例如，STM-1)链路。由于这些传输技术良好控制的抖动和漂移特征，时钟恢复技术可用于达到第三代宽带码分多址(WCDMA)空中接口所需的十亿分之五十(ppb)的频率准确度。

不使用同步是基于SDH或PDH的电路交换通信，由于分组交换网络基础设施已经存在，因此，可能希望对RAN节点通信采用分组交换网络技术。如果这种情况要发生，则在像无线电基站(RBS)、无线电网络控制器(RNC)或诸如此类等RAN节点之间将存在中间中继器、交换机和路由器(以下称为中间节点)。中间节点将电路交换网络中未遇到的延迟和不确定性注入同步进程。但是，如上述WCDMA的某些应用需要很高准确度的频率同步，并可能还需要绝对时间同步。后者对于蜂窝终端的几种定位方法是重要的，例如，全球定位系统(GPS)辅助定位。另外，时钟恢复技术不可用于分组交换异步网络技术，像以太网、因特网协议(IP)或异步传送模式(ATM)。

需要一种解决方案，该解决方案一般提供在发送节点与接收节点之间通过分组交换网络实现远程节点同步而无需任何中间节点的同步的工具。该解决方案还应解决与使采用分组交换通信的RAN节0点同步相关联的特定问题和需要，例如对于频率和绝对时间均很准确的同步。

通过分组交换网络的同步可使用几种方案实现。如图1所示，一种方案是基于弹性抖动缓冲器的“填充水平”来调整接收节点的时钟。上部和下部窗口边界定义在抖动缓冲器中间周围。对于每n个样本，计算缓冲器指针的平均位置。在正常操作中，平均指针位置应在窗口中间周围。如果平均指针位置高于上部窗口边界或低于下部窗口边界，则校正接收节点的时钟以使平均指针位置返回缓冲器的中间。

此方案的缺陷包括对帧/分组丢失的灵敏度。如果帧/分组丢失，则缓冲器降低。另一个缺陷是需要具有很准确周期的时间服务器。市场上提供的允许达到ppb准确度的准确周期时间服务器很少，并且它们慢，具有大约几秒的周期。

通过分组交换网络实现频率同步的另一方案采用图2所示的定期时间戳传输。时间服务器Q(例如，RNC)以预定的周期发送时间戳到客户机接收器P(例如，RBS)。Q与P之间的频率漂移和时间偏移根据时间戳周期来估计，因此，周期必须准确。此方案的缺陷类似于针对上述抖动缓冲器方案描述的那些缺陷，包括对帧/分组丢失的灵敏度和具有很准确周期的时间服务器。

第三种方案依赖于时间服务器P与客户机Q之间的时间差异。优点包括对帧/分组丢失不灵敏和无周期要求。图3示出单向时间戳过程。例如网络时间协议(NTP)消息的时间戳消息从时间服务器通过若干中间节点(例如，交换机)发送到客户机。在发送消息时，时间服务器将绝对本地时间t₃插入消息中。在客户机收到消息时，它将绝对本地时间t₄添加到消息中。然后，可由客户机计算和评估差别时间Δt₄₃＝t₄-t₃。

在Δt₄₃＝t₄-t₃的这种情况下，差别时间与客户机中的绝对本地时间t4进行比较。图4示出相对于绝对本地时间t₄绘出的多个差别时间Δt₄₃。客户机中的振荡器频率漂移作为差别时间的漂移出现，这在图4中示出为虚线。漂移斜率ρ(即，虚线的斜率)对应于与时间服务器相比的客户机频率漂移。最小二乘算法可用于估计差别时间漂移，不过，可惜它需要长的收敛时间。

                          概述

本发明通过使用不受分组丢失影响的差别时间戳方案，保证在通过分组交换网络的节点通信之间实现远程同步。只评估到达客户机的时间戳。丢失的时间戳不解释。中间节点无需同步或修改。无需周期(循环计时)。使用过滤进程实现了快速收敛时间，其中，使用最小延迟原理，对多个差别时间值拟合直线。通过使用上行链路和下行链路差别时间值之一或两者，并且对最小差别时间值拟合第一和第二直线之一或两者，可实现两个节点之间的频率同步和/或绝对时间同步。

通信系统包括具有第一振荡器、通过分组交换网络发送多个消息的第一节点。第一节点包括对应于第一节点发送该消息的时间的第一时间戳，或将对应于第一节点发送该消息的时间的第一时间戳与每个消息相关联。具有第二振荡器的第二节点接收每个消息，并包括对应于第二节点接收该消息的时间的第二时间戳，或将对应于第二节点接收该消息的时间的第二时间戳与该消息相关联。上述节点之一为每个消息确定在对应的第一与第二时间戳之间的第一时间差。从多个第一时间差中，该一个节点对第一时间差的两个或多个值拟合直线。直线的斜率ρ和第一与第二振荡器之间的频率漂移相关。该一个节点根据直线确定频率调整以使第一和第二振荡器同步。在一个实施例中，频率调整的系数为(1-ρ)。绝对计时调整也可使用该直线进行。

在分散式实施例中，该一个节点可能是使用频率调整来调整第二振荡器的第二节点。此方案还适用于广播或多播情况，其中，通过一个第一节点广播或多播同步消息可使多个第二节点同步。在集中式实施例中，该一个节点是发送消息到第二节点的第一节点，该消息包括用于调整第二振荡器的频率调整。

在一个示例实施中，第一节点是时间服务器，而第二节点是客户机节点，以及消息通过分组交换网络传输。在许多其它应用的一个应用中，系统是移动通信系统，第一节点可以是无线电网络控制器，而第二节点是无线电基站。或者，第一节点可以是无线电基站，而第二节点是无线电网络控制器。在无线电基站与无线电网络控制器之间的消息是分组交换式。

为在第一与第二节点之间实现更准确的绝对计时同步，可使用往返时间延迟测量(而不是单向测量)。单向测量进行后，第二节点包括对应于第二节点将该消息送回第一节点的时间的第三时间戳，或将对应于第二节点将该消息送回第一节点的时间的第三时间戳与消息相关联。第一节点包括对应于第一节点接收该消息的时间的第四时间戳，或将对应于第一节点接收该消息的时间的第四时间戳与每个接收的消息相关联。第一和第二节点之一为每个接收的消息确定对应的第一与第二时间戳之间的第一时间差和对应的第三与第四时间戳之间的第二时间差。从第一和第二时间差的多个集合中，该一个节点确定第一最小时间差直线和第二最小时间差直线。从那些第一和第二直线中，可确定准确的绝对时间调整以分别使在第一和第二节点中的第一和第二计时器同步。作为网络状态检查，该一个节点确定是否第一和第二直线的斜率具有大致相同的绝对值，并且是否第一和第二斜率之一为正而另一为负。

虽然该一个节点可使用各种方法来将时间差的多个集合拟合成直线，但直线拟合优选地是基于最小延迟原理。以往返测量为示例，该一个节点通过识别每个集合的延迟值/点的至少两个最小延迟时间差点，对时间差的第一和第二集合拟合第一和第二直线。在一个方案中，确定集合中以最长距离分开的两个最小延迟点。该一个节点确定与两个最小延迟时间差点相交的直线的方程式。

更复杂的“混合”算法通过提供构成直线的不止两个最小延迟点而改善最小延迟直线拟合进程。延迟值集合分成间隔，并且最小延迟点从每个间隔选择。陈述的过程确定间隔的最优数量及每个间隔中要包括的延迟点的最优数量。

结合附图，通过示例说明本发明原理的以下详细说明，将明白本发明的其它特性、方面和优点。

                       附图简述

图1示出抖动缓冲器同步方法；

图2示出使用周期时间戳的频率同步；

图3示出发送时间戳；

图4示出通过对差别时间值拟合直线而估计的差别时间漂移；

图5是描述时间服务器节点与客户机节点之间同步过程的功能框图；

图6是示出时间服务器与客户机之间一组以太网消息的典型延迟分布的图；

图7A和7B示出对上行链路和下行链路差别时间集合的最小时间拟合直线的原理；

图8是示出示例频率同步原理的流程图；

图9是示出示例绝对计时同步原理的流程图；

图10示出对两个最小延迟点拟合的下行链路直线；

图11示出定位两个最小时间值以在最小时间直线拟合中使用的原理；

图12示出曲线拟合算法的原理；

图13示出优化的混合曲线拟合算法的原理；

图14是示出曲线拟合的方差最小值的曲线，对应于每个间隔中时间戳的最优数量；以及

图15是示出不同直线拟合算法的收敛时间的图。

                        详细说明

以下为解释而不是限制的说明陈述了特定的细节，如特殊的组件、电子电路、技术等，以便理解本发明。但本领域的技术人员将明白，本发明可在脱离这些特定细节的其它实施例中实践。在其它情况下，忽略熟知的方法、装置和技术等的详细说明以免不必要的细节混淆本说明。各个功能块示出在一个或多个图中。本领域的技术人员将理解可使用分立组件或多功能硬件实施功能。处理功能可通过使用编程的微处理器或通用计算机、使用专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)来实施。

图5示出示例通信系统10，它包括经分组交换网络14连接在一起的时间服务器节点(Q)12和客户机节(P)点16。在无线电接入网络(RAN)的一个非限制性示例应用中，时间服务器12可以是无线电网络控制器(RNC)，分组交换网络可以是以太网、IP网络或ATM网络，并且客户机可以是无线电基站(RBS)。分组交换网络14包括一个或多个中间交换和中继器节点。时间服务器和客户机应同步。在不同的非限制性实施例中，它们是频率同步、绝对时间同步或两者。

时间服务器12包括处理器18、频率振荡器20、绝对时间计时器22、用于存储要发送和接收的数据分组的缓冲器24及用于发送和接收数据分组的收发信机26。功能块18-26通过总线28进行通信。客户机16包括处理器30、频率振荡器32、绝对时间计时器34、用于存储要发送和接收的数据分组的缓冲器36及用于发送和接收数据分组的收发信机38。功能块30-38通过总线40进行通信。诸如NTP消息的时间戳消息M由处理器之一生成、存储在其缓冲器中并且经其收发信机通过分组交换网络14传送。

为说明，描述使用往返测量的优选示例同步实施例。使用往返测量通常更好地实现绝对时间同步—频率同步只需要单向测量。但由于往返测量允许双向独立地测量频率漂移，从而限制上行链路或下行链路方向上的负拥塞效应，因而往返测量可能也是频率同步所需要的。

客户机16将例如过程类NTP消息的时间戳消息M发送到时间服务器12，而该服务器将消息M传回客户机16。发送消息时，客户机16在消息M中插入由其计时器34输出的本地时间(绝对时间)t₁(①)。时间服务器12接收消息M并将其计时器22输出的本地时间t₂添加到消息中(②)。时间服务器12在时间t₃将消息M送回客户机16(③)并将本地时间t₃插入消息M中。客户机16在本地时间t₄接收消息M(④)，并将t₄插入消息M中。

此同步过程是分散式的。每个客户机发起的消息M包括所有四个时间戳。时间服务器12因此无需为同步而监视每个客户机。相反，时间服务器12只是等待从每个客户机接收时间戳消息。在时间服务器12发送时间戳消息以轮询每个客户机16的地方还可使用集中式方案。但集中式方案需要从时间服务器发送额外的调整消息到客户机。分散式和集中式方案均可用于上行链路或下行链路方向的单向差别时间测量。下行链路方向的单向差别时间测量适用于时间服务器将时间戳消息同时发送到一组客户机的广播或多播同步。

同步需要为时间服务器12与客户机16之间的消息延迟进行补偿。延迟包括传播延迟(行进时间)和在时间服务器、客户机和任意中间节点中的处理延迟。但该消息延迟因传播延迟和/或处理延迟变化而变化。例如，传播时间由于消息行进不同路径通过分组交换网络而改变。处理延迟由于中间节点、时间服务器和/或客户机中变化的排队延迟而改变。差别时间戳允许解释这两种延迟源。

图4(上面已描述)示出在从时间服务器发送不同的消息到客户机中的多个不同的延迟值(x)。消息延迟具有概率密度函数(PDF)。由于中间节点中的排队效应，因此，优选是在短的时期内评估大量的时间戳消息。通过使用大量的消息可获得此分布的快照。

本发明中的同步不使用从所有测量的延迟确定的平均延迟值，而是基于最小延迟来确定。时间戳消息可能经历的最小延迟时间由交换机处理部分明确定义，实质上是恒定的，例如，最短中间交换机路径、用于诸如地址查找、优先化、检错码的功能的最小处理时间等。最小延迟时间在图6中由波形峰清晰地指示。另一方面，由于时间戳可能受到由例如每个中间节点中排队的不同量而引起的可变延迟量的影响，因此，未太明确定义最大时间或平均时间。

现在解释使用最小延迟原理的频率和绝对时间同步两者的框架。如就图5所示示例所述，客户机发送时间戳消息M(例如，NTP消息)。在往返示例中，每个消息M在其返回到客户机时包括四个时间戳t₁、t₂、t₃和t₄。相对于时间服务器的振荡器20，在客户机的振荡器32中，存在变化的差别或“漂移”。该漂移ρ在图4中示出。

假设t_min+α和t_min+β(α≥0，β≥0)分别为上行链路和下行链路经历的实时延迟。t_min是P到Q或Q到P的最小时间(假定在上行链路与下行链路之间对称)。变量α和β表示网络中变化的延迟(例如，排队)。假设在P和Q的本地时间可依据时间差项Δt_PQ表示为：

            t_P＝t_Q+Δt_PQ                 (1)

还假设Δt_PQ包括偏移项t_offset(由时间服务器计时器22与客户机计时器34生成的绝对时间之间的偏移)和频率漂移项ρ：

            Δt_PQ≡ρ·t_P+t_offset               (2)

Δt_PQ可采用正值和负值。

从往返时间戳可获得依据t₁、t₂、t₃和t₄的两个时间差：

               Δt₄₃≡(t₄-t₃)                               (3)

               Δt₂₁≡(t₂-t₁)                               (4)

依据t_min、α、β和Δt_PQ表示t₄和t₂是可能的：

                t₄＝t_P＝t_Q+Δt_PQ＝t₃+t_min+β+Δt_PQ

                ＝＞Δt₄₃＝t_min+β+(ρ·t₄+t_offset)          (5)

同样地，我们获得t₂的表达式：

               t₂＝t_Q＝t_P-Δt_PQ＝t₁+t_min+α-Δt_PQ

其中，

               Δt_PQ＝ρ-t_P+t_offset＝ρ·(t₁+t_min+α)+t_offset

               ＝＞Δt₂₁＝(1-ρ)(t_min+α)-(ρ·t₁+t_offset)   (6)

在消息未经历任何可变延迟(α，β＝0)时考虑Δt₂₁和Δt₄₃的最小值：

        Δt_21，min＝Δt₂₁(α＝0)＝(1-ρ)t_min-ρt₁-t_offset     (7)

        Δt_43，min＝Δt₄₃(β＝0)＝t_min+(ρ·t₄+t_offset)       (8)

图7A示出根据方程式(7)的Δt₂₁与t₁图，带有对最小延迟时间拟合的直线。直线具有对应于频率振荡器漂移的斜率-ρ和带有y轴为(1-ρ)t_min-t_offset的截距。类似地，方程式(8)表明图8B所示Δt₄₃与t₄值的图中最小延迟值可由具有斜率ρ并具有t_min+t_offset的y轴截距的直线拟合。通过比较每个最小延迟直线与熟知的直线方程式y＝kx+m，我们可从拟合的直线识别其斜率k及其y轴截距m：

               k₂₁＝-ρ                                          (9)

               m₂₁＝(1-ρ)t_min-t_offset     (10)

               k₄₃＝ρ                                            (11)

               m₄₃＝t_min+t_offset           (12)

上行链路和下行链路斜率k₄₃和-k₂₁的幅度应大致相同以确保结果的有效性和准确度。如果|k₄₃+k₂₁|＞ε，其中，ε是阈值参数，则测量应丢弃。其原因可能是网络中的拥塞。

等式(10)和(12)得出

             m₄₃-m₂₁＝ρt_min+2t_offset≈2t_offset      (13)

方程式(13)的简化在t_offset中引入误差。由于频率漂移一般为～10^-8和t_min一般为～10^-3秒，因此，此误差应比1纳秒小得多，这在大多数情况下是可接受的。因此，我们获得了t_offset-由时间服务器计时器22与客户机计时器34生成的绝对时间之间的偏移的表达式：

              t_offset＝(m₄₃-m₂₁)/2          (14)

客户机(P)16的计时器34的绝对时间可由处理器30调整以根据以下方程式使两个计时器22和34同步：

t_P，adjusted＝t_Q＝{(1)}＝t_P-Δt_PQ＝{(2)}＝t_P(1-ρ)-t_offset    (15)

由于上行链路和下行链路拟合直线的y轴截距m₄₃和m₂₁已知，因此，从方程式(14)知道t_offset的值，并且斜率ρ的幅度也已知。

从方程式(1)和(2)，可获得时间服务器(Q)12与客户机(P)16的振荡器频率之间的关系：

                   f_Q＝(1-ρ)f_P            (16)

为使客户机P振荡器32与时间服务器Q振荡器20的频率f_Q同步而进行的频率调整可写为：

                f_P，adjusted＝f_Q＝(1-ρ)f_P           (17)

例如，处理器30可将频率调整值f_P，adjusted发送到锁相环，该锁相环然后调整振荡器32。

频率调整和/或绝对时间调整还可通过只使用单向延迟测量来确定。例如，假设有只包括t₃和t₄值的单向延迟测量。图7B示出绘出的Δt₄₃对t₄。如果我们对Δt₄₃的最小延迟值拟合直线，则方程式(8)可用于抽取t_min+t_offset和ρ。但在单向情况下由于只有一条直线和三个未知数，因此，t_min和t_offset无法分开。但在知道有关中间节点性能、媒体延迟等的情况下，可在一定程度上估计t_min，以致方程式(15)可用于为客户机计时器确定绝对时间调整。尽管如此，只有单向延迟测量的绝对时间准确度不如往返延迟的准确。然而，单向延迟测量的频率调整准确度与往返延迟测量的相同，因为从单向延迟直线知道直线斜率ρ，并且一旦知道直线斜率ρ，便可解方程式(17)。

参照图8频率同步流程图中所述的示例通用过程。这些过程采用单向延迟测量，但需要时可使用往返测量。第一节点N1将消息M发送到第二节点N2，每个消息M包括对应于发送该消息的时间的第一时间戳TS1(步骤S1)。节点N2在收到每个消息M时添加第二时间戳TS2(步骤S2)。为每个消息确定时间差Δt₂₁(TS2-TS1)(步骤S3)。从多个Δt₂₁中，对多个Δt₂₁组成的集合中的两个或多个Δt₂₁值拟合直线(步骤S4)。频率调整根据最小延迟拟合的直线的特征确定，并用于使在节点N1和N2的振荡器同步(步骤S5)。在上述非限制性示例中，直线特征是直线的斜率，这与在节点N1和N2的振荡器之间的频率漂移相关，并且频率调整的系数为1减斜率。

参照图9绝对计时同步流程图中所述的示例通用过程。这些过程采用往返延迟测量，但如上所述，可使用单向测量。图8和图9中的过程可一起或单独或与其它过程一起使用。

第一节点N1将消息M发送到第二节点N2，每个消息M包括对应于发送该消息的时间的第一时间戳TS1(步骤S1)。节点N2在收到每个消息M时添加第二时间戳TS2，并在发回消息时添加第三时间戳TS3(步骤S2)。节点N1在收到消息M时添加第四时间戳TS4(步骤S3)。为每个消息确定第一时间差Δt₂₁(TS2-TS1)(步骤S4)。为每个消息确定第二时间差Δt₄₃(TS4-TS3)(步骤S5)。从Δt₂₁和Δt₄₃的多个集合中，对多个Δt₂₁组成的集合中的两个或多个Δt₂₁值拟合第一直线，并且对多个Δt₄₃组成的集合中的两个或多个Δt₄₃值拟合第二直线(步骤S6)。根据第一和第二直线，确定频率调整以使在N1和N2中的振荡器同步和/或确定时间调整以使在N1和N2中的第一和第二计时器同步(步骤S7)。

有许多方式可对时间延迟值拟合直线。一个示例技术是使用熟知的最小二乘算法。但最小二乘算法具有相对慢的收敛时间，特别是在需要高度同步时。需要具有更快收敛时间的其它延迟直线拟合算法。将描述两种此类算法：最小延迟算法和混合算法。

最小延迟算法旨在对像图7所示的最小延迟峰拟合直线。通常，如果直线位于曲线上，则最可能的情况是具有如图10和图11所示的两个接触点。最小延迟算法背后的想法是识别这些接触点并对这些点拟合直线，如图10和图11所示。理想的情况是那两个点相隔很大的距离。图12中概念性示出的以下过程描述如何对最小消息延迟值或“点”拟合方程式(7)和(8)。

1.计算从数据集中的第一Δt数据点(即，图12中的“1”)到所有其它数据点的多个斜率k，并选择具有最小值的斜率：

               k_min1＝min[(Δt_i-Δt₁)/(t_i-t₁)]，i＝2到数据点数

2.从第一数据点(1)到对应于k_min1的数据点(A)，计算从第一数据点(1)到新数据点(A)的距离l₁：

             l₁ ²＝(Δt_A-Δt₁)²+(t_A-t₁)²

3.计算从点A到所有剩余实验消息延迟数据点的斜率，并选择最小斜率：

           k_minA＝min[(Δt_i-Δt_A)/(t_i-t_A)]，i＝A+1到数据点数

4.从(A)到对应于k_minA的消息延迟数据点(B)，计算从数据点(A)到新数据点(B)的距离l_A：

            l_A ²＝(Δt_B-Δt_A)²+(t_B-t_A)²

5.如果l_A ²＞l₁ ²，则k_minA是最佳近似；否则，k_min1是迄今为止的最佳近似。

6.从数据点(B)，重复步骤3到6直至集合中的所有数据点均已评估。

实际上，最小延迟算法确定在其之间具有最长距离的两个最小延迟值。然后，拟合直线以与那两个点相交。此算法很适合评估像图6所示的统计分布。与此相反，最小二乘算法实质上呈现高斯(对称)分布，并且不应用任何过滤来丢弃数据集中的异常值。

最小延迟算法的缺陷在于其准确度只与两个选定的最小延迟点一样好。如果使用不止两个最小延迟点，则可实现更佳的准确度，例如，通过采用不同加权的最小延迟过程。不是只使用两个接触点，而可以使用k_min，i的加权平均，例如以l_i、l_i ²或l_i ⁴进行加权：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_{\min ,i}\·l_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l}_i}---\left(18\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_{\min ,i}\·l_i^2}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l}_i^2}---\left(19\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_{\min ,i}\·l_i^4}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l}_i^4}---\left(20\right)$

第二和优选直线拟合算法还为数据点中的各个误差提供更佳的弹性，它是最小延迟算法和最小二乘算法的组合，称为“混合”算法。混合算法将集成时间分成若干间隔，并如图13所示对每个间隔中的最小延迟值拟合直线。间隔越多，意味着拟合进程的数据点越多，这限制了一个或多个数据点的误差对最终结果的影响。

虽然可使用任意数量的间隔，但优选是确定每个间隔中要包括的时间戳延迟值的最优数量。如果间隔包括的时间戳太少，则每个间隔中的最小延迟值将不是准确的最小值。另一方面，如果包括的时间戳太多，则由于漂移效应(斜率)将起主要作用，所以最小值将不准确。换言之，如果包括太多时间戳，则最小延迟值可能将在间隔开始处(在正斜率情况下)或者对于负斜率的情况接近间隔结尾处发现。这种假象引入可通过限制时间戳数量控制的误差。

时间戳的最优数量的解析表达式在下面陈述。从方程式(30)可以看到，时间戳的最优数量取决于时间戳的数量和周期、频率漂移及分组抖动幅度。为优化时间戳的数量，我们尝试找到最小二乘斜率σ_b ²的最小方差，这可表示为

                   σ_b ²＝S/Δ             (21)

其中

                   Δ＝S·S_xx-(S_x)²       (22)

$S=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_i^2}$

$S_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(23\right)$

$S_{\mathrm{xx}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x_i^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}$

其中，σ_i ²是每个延迟值或点的方差，而N是用于拟合的延迟点的数量，即，如图13所示的间隔的数量。假定存在以下条件：

            ·总共有n个数据点可用。

            ·每个间隔中有m个数据点，并且存在σ_b应优

         化到的参数。

这得出：

             N＝n/m                      (24)

             ·假定x_i是有些周期性的，即，或多或少地定

          期发送时间戳。

              ·t_j是此分组抖动，而T是总实验时间

使用上述条件，我们可以写：

                x_i＝i·(T/n)·m          (25)

我们现在关于σ_i提出两种假设：它对所有延迟点是相同的(σ_x)，以及它随着间隔中延迟点的数量而降低：

                σ_i＝σ_x＝t_j/(c·m)      (26)

其中，c是恒量。c＝1相当于一致抖动PDF，而c＞1表明更多时间戳具有更小抖动，如图7所示。

关于标准偏差的漂移效应可近似为1/2·ρ·(m/n)·T，这产生了：

         σ_i＝σ_x＝t_j/(c·m)+1/2·ρ(m/n)·T    (27)

将方程式(21)-(27)和这两个求和一起使用

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i=\frac{N(N+1)}{2},\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2=\frac{N(N+1)(2N+1)}{6}---\left(28\right)$

我们得出

           σ_b ²＝σ_x ²·(N/T²)·12/(N²-1)            (29)

通过使用方程式(24)、(27)、(29)并通过取导数dσ_b ²/dm＝0而相对于m最小化σ_b ²，获得在每个间隔m中数据点的最优数量的表达式：

$m_{\mathrm{optimal}}=\sqrt{\frac{3}{2B}[(B{n}^2+1)-\sqrt{{(B{n}^2+1)}^2-\frac{4}{9}B{n}^2}]}---\left(30\right)$

其中

               B＝·c·ρ·t_av/t_j                 (31)

并且

               t_av＝T/n                             (32)

t_av是时间戳之间的平均时间。因此，对于n个延迟点组成的给定集合，已知总时间T和已知恒量c、估计的分组抖动t_j，可使用方程式(30)-(32)来计算时间戳的最优数量m_optimal。

时间戳的最优数量取决于几个因素，包括漂移、抖动、时间戳之间的时间及时间戳数量。图14示出40个时间戳、30毫秒抖动、时间戳之间32秒及20ppb漂移情况下的σ_b ²与m/n。每个间隔中时间戳的最优数量大约为12％，相当于每个间隔中4个时间戳。

图15示出各种直线拟合算法的模拟收敛性能与时间戳数(或秒数—这种情况下每秒发送时间戳)。点线对应于最小二乘算法。粗线对应于最小延迟算法，而细线对应于混合最优算法。即使在80个时间戳后，最小二乘算法也未达到30ppb同步窗口。最小延迟和混合最佳算法均快得多，在20到30个时间戳内达到30ppb窗口。这种收敛速度对于某些同步应用是重要的。一个示例是冷启动，需要在大约5到10分钟实现RBS频率同步。

根据本发明的各种特性的同步提供了许多优点。频率和绝对时间同步均可实现。分组交换网络的中间节点无需改变。在比较等同数量的时间戳流量时，与其它同步算法相比，实现同步快得多。无需有利于提高的时间戳流量的时间戳周期，从而更进一步加快同步进程。通过此方法可能在几分钟内达到50ppb的准确度，从而使得使用此同步方案冷启动RBS成为可能。分组丢失不是问题，并且可轻松地支持标准的主-客户机配置以及广播/多播配置。优选的使用是在分散式配置中，但同步过程还可以在集中式配置中使用，如在UMTS类型通信网络中在Iub接口上的NodeSync。此外，由于频率漂移可以以两种独立的方式估计使得可容易地分类出假象，因此，往返实施例对网络拥塞效应是弹性的。本发明可应用于任一分组交换异步网络，非限制性的示例是以太网、ATM、IP等。

虽然本发明已结合目前认为最可行和优选的实施例进行描述，但本发明并不限于公开的实施例。相反，本发明涵盖在随附权利要求范围内包括的各种修改和等同布置。

Claims (41)

1.一种通信系统(10)，包括：具有第一振荡器(32)的第一节点(16)，用于通过网络发送多个消息，并包括对应于所述第一节点(16)发送该消息的时间的第一时间戳，或将对应于所述第一节点(16)发送该消息的时间的第一时间戳与每个消息相关联；以及具有第二振荡器(20)的第二节点(12)，用于接收每个消息，并包括对应于所述第二节点(12)接收该消息的时间的第二时间戳，或将对应于所述第二节点(12)接收该消息的时间的第二时间戳与该消息相关联，其特征在于：

所述第一和第二节点之一配置为，为每个消息确定对应的所述第一与第二时间戳之间的第一时间差，并从多个第一时间差中，对所述第一时间差的两个或多个最小延迟值拟合直线，所述直线的特征和所述第一与第二振荡器之间的频率漂移相关，

其中，所述一个节点配置为根据所述直线确定频率调整以使所述第一和第二振荡器(32、20)同步。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一节点配置为使用所述频率调整来调整所述第一振荡器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一节点配置为将消息发送到所述第二节点以使用所述频率调整来调整所述第二振荡器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述一个节点是所述第二节点，配置为使用所述频率调整来调整所述第二振荡器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括：

多个第二节点，

其中，配置所述第一节点和所述第二节点，使得所述第一节点通过向所述第二节点广播所述频率调整来使所述第二节点同步。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述一个节点是所述第一节点，配置为将包括所述用于调整所述第二振荡器的频率调整的消息发送到所述第二节点。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一节点(16)是时间服务器，而所述第二节点(12)是客户机节点，并且所述消息通过分组交换网络传输。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统是移动通信系统，所述第一节点是无线电网络控制器，而所述第二节点是无线电基站。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统是移动通信系统，所述第一节点是无线电基站，而所述第二节点是无线电网络控制器。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述直线的特征是所述直线的斜率ρ，并且所述一个节点配置为通过系数1-ρ来调整所述第二振荡器。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为确定与所述两个最小第一时间差值相交的直线的方程式。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为从所述多个时间差中确定相隔最远的两个最小第一时间差值。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为确定在拟合所述直线中要使用的所述第一时间差最小值的最佳数量。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为将所述第一时间差分成最佳数量的时隙、为每个时间间隔确定最小时间差值、拟合所述直线以与每个时间间隔的最小时间差值相交以及为每个时间间隔确定时间差值的最小数量。

15.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于所述第一节点(16)包括第一计时器(34)，以及

所述第二节点(12)包括第二计时器(22)，用于包括对应于所述第二节点将该消息送回所述第一节点(16)的时间的第三时间戳，或将对应于所述第二节点将该消息送回所述第一节点(16)的时间的第三时间戳与每个消息相关联，

其中，所述第一节点(16)配置为包括对应于所述第一节点(16)接收该消息的时间的第四时间戳，或将对应于所述第一节点(16)接收该消息的时间的第四时间戳与每个接收的消息相关联；

其中，所述第一和第二节点之一配置为，为每个接收的消息确定对应的所述第三与第四时间戳之间的第二时间差，并从第一和第二时间差的多个集合中，确定最小第一时间差和最小第二时间差，以及

其中，所述一个节点配置为从所述最小第一和第二时间差之一或两者中确定(1)用于使所述第一和第二振荡器(32、20)同步的频率调整和(2)用于使所述第一和第二计时器(34、22)同步的时间调整之一或两者。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述第一节点(16)配置为调整所述第一振荡器(32)以与所述第二振荡器(20)同步。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述第一节点(16)配置为调整所述第一计时器(34)以与所述第二计时器(22)同步。

18.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述第一节点(16)配置为将调整消息发送到所述第二节点(12)以调整所述第二振荡器(20)和所述第二计时器(22)之一或两者。

19.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述第一节点(16)配置为，在所述第一时间差的多个集合中确定相隔最远的两个最小第一时间差，并在所述第二时间差的多个集合中确定相隔最远的两个最小第二时间差。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为，确定拟合所述两个最小第一时间差的第一直线和拟合两个所述最小第二时间差的第二直线，以及根据所述第一和第二直线，确定所述频率调整和所述时间调整之一或两者。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为确定所述第一和第二直线中每个的方程式并使用所述第一直线的第一斜率和第一垂直轴截距及所述第二直线的第二斜率和第二垂直轴截距来确定所述频率调整和所述时间调整之一或两者。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为确定是否所述第一斜率和所述第二斜率具有大致相同的幅度以及是否所述第一和第二斜率之一为正而另一为负。

23.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为确定在对所述第一时间差的多个值拟合所述直线中要使用的所述第一时间差最小值的最佳数量。

24.如权利要求23所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为，将所述第一时间差的多个值分成最佳数量的时隙并为每个时间间隔确定最小时间差值以及拟合所述直线以与每个时间间隔的最小时间差值相交。

25.如权利要求24所述的系统，其特征在于所述一个节点配置为，为每个时间间隔确定时间差值的最小数量。

26.一种在包括具有第一振荡器(32)的第一节点(16)和具有第二振荡器(20)的第二节点(12)的通信系统(10)中使用的方法，包括：所述第一节点(16)通过网络(14)发送多个消息，并包括对应于所述第一节点(16)发送该消息的时间的第一时间戳，或将对应于所述第一节点(16)发送该消息的时间的第一时间戳与每个消息相关联；以及所述第二节点(12)接收每个消息，并包括对应于所述第二节点(12)接收该消息的时间的第二时间戳，或将对应于所述第二节点(12)接收该消息的时间的第二时间戳与该消息相关联，所述方法的特征在于：

为每个消息确定对应的所述第一与第二时间戳之间的第一时间差，并从多个第一时间差中，对所述第一时间差的两个或多个最小值拟合直线，所述直线的特征和所述第一与第二振荡器之间的频率漂移相关，以及

根据所述直线确定频率调整以使所述第一和第二振荡器同步。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于所述直线的特征为所述直线的斜率ρ。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述频率调整与(1-ρ)相关。

29.如权利要求26所述的方法，其特征在于还包括：

确定与所述两个最小时间差值相交的直线的方程式，以及

确定相隔最远的两个最小时间差值。

30.如权利要求26所述的方法，其特征在于还包括：

确定在拟合所述直线中要使用的所述第一时间差最小值的最佳数量；

将所述第一时间差的多个值分成最佳数量的时隙；

为每个时间间隔确定最小时间差值；以及

拟合所述直线以与每个时间间隔的最小时间差值相交。

31.一种在通信系统中使用的节点(12、16)，包括：第一振荡器(20或32)；控制器(18或30)，用于通过网络(14)从另一节点(16或12)接收多个消息，每个消息具有对应于所述第一节点发送该消息的时间的第一时间戳，以及用于包括对应于所述另一节点接收该消息的时间的第二时间戳，或将对应于所述另一节点接收该消息的时间的第二时间戳与该消息相关联，其特征在于：

所述控制器配置为(1)为每个消息确定对应的所述第一与第二时间戳之间的第一时间差，并从多个第一时间差中，对所述第一时间差的两个或多个最小值拟合直线，所述直线的特征和所述第一与第二振荡器之间的频率漂移相关；以及(2)根据所述直线确定频率调整以使所述第一振荡器和所述另一节点中的第二振荡器同步。

32.如权利要求31所述的节点，其特征在于所述直线的特征为所述直线的斜率ρ。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述频率调整与(1-ρ)相关。

34.如权利要求31所述的节点，其特征在于所述控制器还配置为：

确定与所述两个最小时间差值相交的直线的方程式，以及

确定相隔最远的两个最小时间差值。

35.如权利要求31所述的节点，其特征在于所述控制器还配置为：

确定在拟合所述直线中要使用的第一时间差最小值的最佳数量；

将所述第一时间差的多个值分成最佳数量的时隙；

为每个时间间隔确定最小时间差值；以及

拟合所述直线以与每个时间间隔的最小时间差值相交；以及

为每个时间间隔确定时间差值的最小数量。

36.如权利要求31所述的节点，其特征在于所述节点是时间服务器(16)，而所述另一节点(12)是客户机节点，并且所述消息通过分组交换网络(14)传输。

37.如权利要求31所述的节点，其特征在于所述通信系统是移动通信系统，所述节点是无线电网络控制器和无线电基站之一，而所述另一节点是所述无线电网络控制器和所述无线电基站另外之一。

38.如权利要求31所述的节点，其特征在于还包括：

第一计时器(34或22)；

其中，所述控制器还配置为：

包括对应于所述节点将该消息送回所述另一节点的时间的第三时间戳，或将对应于所述节点将该消息送回所述另一节点的时间的第三时间戳与每个接收的消息相关联，所述另一节点包括对应于所述另一节点接收该消息的时间的第四时间戳，或将对应于所述另一节点接收该消息的时间的第四时间戳与每个接收的消息相关联；

为每个接收的消息确定对应的所述第三与第四时间戳之间的第二时间差，并从第一和第二时间差的多个集合中，确定最小第一时间差和最小第二时间差，以及从所述最小第一和第二时间差之一或两者中确定(1)用于使所述第一和第二振荡器同步的频率调整和(2)用于使所述第一计时器和与所述另一节点相关联的第二计时器同步的时间调整之一或两者。

39.如权利要求38所述的节点，其特征在于所述控制器还配置为：

确定拟合所述第一时间差的多个集合的第一直线和拟合所述第二时间差的多个集合的第二直线，以及

根据所述第一和第二直线，确定所述频率调整和所述时间调整之一或两者。

40.如权利要求39所述的节点，其特征在于所述控制器还配置为：

通过识别每个集合的至少两个最小时间差点并确定与所述两个最小延迟时间差点相交的直线的方程式，对所述时间差的第一和第二集合拟合所述第一和第二直线。

41.如权利要求40所述的节点，其特征在于所述控制器还配置为：

在每个所述第一和第二集合中确定相隔最远的两个最小时间差点；

使用所述第一直线的第一斜率和第一垂直轴截距及所述第二直线的第二斜率和第二垂直轴截距来确定所述第一和第二最小时间差；以及

确定是否所述第一斜率和所述第二斜率具有大致相同的幅度，以及是否所述第一和第二斜率之一为正而另一为负。

Images