CN1934809A - 由不可靠数据分组网络分离时校准时间基准的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种时间控制机制在网络上接受时间的抽样(真实或虚假)，并对网络的随机延迟启用动态补偿，从而即使当抽样被随机延迟时，也把由时间控制机制控制的从时钟的输出维持在相对于主时钟的时间的所需边界中。在一个实施例中，提供一种硬件加时戳方法和装置。该硬件加时戳方法和装置用于实现对接收的抽样和发送的请求进行加时戳所需的精细分辨率。在另一实施例中，提供一种延迟改变平滑方法和装置。该延迟改变平滑方法和装置允许时间控制机制计算网络延迟以把从时钟维持在所需的时间边界中。此外，提供一种不仅补偿抽样中的随机延迟而且动态调整其操作以适于延迟路径(通常是网络)的改变特性的方法和装置。

Description

由不可靠数据分组网络分 离时校准时间基准的方法和装置
相关申请数据
本申请根据35U.S.C§119(c)要求于2004年2月9日提交的临时申请60/543,340的优先权。
技术领域
本发明涉及定时控制方法和装置的领域，更具体地说，涉及一种用于提供时间的拷贝、稳定的频率和/或锁定到远程点的信号的定时控制机制。
背景技术
时间关系是电子系统的测量和控制的重要方面。随着这样的电子系统变得更加复杂和在物理上是分布的，日益需要时间信号的精确同步，但同时却难以实现。为了解决网络系统中的时钟同步的需要，电子电气工程师协会(IEEE)采用IEEE-1588(“Standard for a PrecisionClock Synchronization Protocol for Networked Measurement andControl Systems”)。
通过示例的方式，通信网络已经从电路交换为主转换为分组交换为主。当这样的网络的交换节点以及形成它们之间的链路的电路没有按照使其可跟踪到共同网络时钟的方式而被同步时，某些现有的设备将变得脱离同步网络，并可能因此终止其正确的运行，除非采取措施来避免该情况。根据IEEE-1588，在参与的时钟经由网络进行通信的过程中定义主-从关系。从设备通过交换由IEEE-1588定义的消息来将其本地时钟同步到主时钟。
IEEE-1588定义的时钟同步机制的缺点在于，其在下述网络上不能良好地运行，在所述网络中，节点由较大的距离(例如互联网)所分隔，或者节点由调用显著消息延迟抖动的网络所分离，所述抖动减少从时钟的精度和稳定性。在这样的网络上通信的消息可通过一些转发器、交换机和路由器，从而引入随机长度延迟。这些随机延迟阻止从时钟在所需的边界中维持对主时钟的同步。
因此，需要一种用于通过可动态调整以适合于延迟路径(通常是网络)的改变特性的抽样来补偿随机延迟的时间控制机制。
发明内容
本发明关注于在网络上接受时间的抽样的时间控制机制。本发明提供一种动态补偿网络的随机延迟的方法和装置，以便即使当抽样被随机延迟时，也把由时间控制机制控制的从时钟的输出维持在与主时钟的时间有关的所需的边界中。
在一个实施例中，提供一种硬件加时戳方法和装置。该硬件加时戳方法和装置用于实现用于对接收的抽样和发送的请求加时戳所需的精细分辨率。
在另一实施例中，提供一种延迟改变平滑方法和装置。该延迟改变平滑方法和装置允许时间控制机制计算网络延迟，以把从时钟维持在所需的时间边界中。此外，提供一种不仅以抽样补偿随机延迟而且动态调整其操作以适合于延迟路径(通常是网络)的改变特性的方法和装置。
将通过考虑以下优选实施例的详细描述，向本领域技术人员提供本发明的系统和方法的更完整的理解及其附加优点和目的的实现。具体地说，下面的详细描述包括关于根据本发明的实施例的硬件加时戳的部分以及关于根据本发明的其它实施例的延迟改变平滑的部分。硬件加时戳部分将详细描述用于实现对接收的抽样和发送的请求两者加时戳所需的精细分辨率的方法和装置。延迟改变平滑部分将描述如何计算网络延迟以及用于把从时钟维持在主时钟的所需的时间边界中。还将参照首先简要描述的附图。
附图说明
附图示出本发明的优选实施例的设计和实用性。无需按比例绘制附图中的组件，相反，做出某些突出来示出实施例的原理。此外，在附图中，在所有不同的附图中，相同的标号指示对应的部分。
图1示出结合根据本发明的示例性实施例定义的消息时戳点的到来和离去消息栈；
图2示出用于图1的到来消息栈的到来分组的示例性硬件加时戳机制；
图3示出用于图1的离去消息栈的离去分组的示例性硬件加时戳机制；
图4是示出相对于实际时间的主时间和时钟时间的示图；
图5是示出根据本发明的示例性实施例校准的相对于实际时间的主时间和时钟时间的示图；
图6示出用于实现时间校准的系统的流程图；
图7示出用于时间控制机制的示例性滤波器网络的实施例；
图8示出根据本发明的示例性实施例的用于馈送和清空分组接受数据的数组和指针；
图9是密度分组接受器的接受程度对相对分组密度的线性曲线图；
图10是密度分组接受器的接受程度对相对分组密度的对数线性曲线图；以及
图11示出根据本发明的主设备和从设备之间的消息分组的通信。
                      具体实施方式
本发明针对在网络上接受时间的抽样(正确或错误)的时间控制机制。如本发明的示例性实施例所展示的那样，时间控制机制使用诸如检错和纠错方法和装置的用于维持多个抽样的方法和设备。展示的时间控制机制还应调整从时钟的输出频率和相位。使用本发明的其它实施例来控制所述调整。由示例性时间控制机制控制的从时钟可以是如IEEE-1588描述的从时钟。然而，展示的时间控制机制并不限于基于IEEE-1588的应用。
更具体地说，本发明提供一种用于动态补偿网络的随机延迟的时间控制机制以在与主时钟的时间有关的所需边界中维持时间控制机制控制的从时钟的输出的方法和装置。更具体地说，当(例如由网络)随机延迟抽样时，本发明的时间控制机制在与主时钟的时间有关的所需边界中维持从时钟输出。在一个实施例中，由时间控制机制使用硬件加时戳方法和装置来实现对接收抽样和发送请求两者进行加时戳所需的精细分辨率。在另一实施例中，延迟改变平滑方法和装置允许时间控制机制计算网络延迟以在所需的时间边界中维持从时钟。此外，提供一种用于不仅补偿抽样中的随机延迟而且动态调整其操作以适合于延迟路径(通常是网络)的改变特征的方法和装置。
时间锁定环
在本发明的示例性实施例中展示的时间控制机制使用锁相环(PLL)的变形。如本领域所知，PLL是控制振荡器从而其在输入信号或基准信号的频率上维持恒定平均相位角(即锁定)的电子电路。PLL确保通信信号锁定在特定频率上，并还可用于生成信号，对信号进行调制和解调，并划分频率。本发明的时间控制机制使用时间而不是相位的抽样，因此称为时间锁定环(TLL)。虽然两种技术以相似的原理操作，但TLL使用已经由另一时钟发送到其的时间的抽样，而不是如PLL中所使用的技术那样，对到来信号抽样以获得相位的抽样。
TLL通常包括以下部件，其中一些部件可一起装配在一个地方，而其它部件装配在另一地方。所述两种组件之间的分离可以是大的。TLL具有用于从主时钟源产生一系列瞬时时间值的一个组件以及用于使用这些时间值以作为从时钟输出来构建主时钟的副本的另一个组件。从主时钟源生成时间抽样的TLL的部分被称为主时钟，另外的部分被称为从时钟。主时钟通过对以由主时钟源控制的速率驱动的计数器进行抽样而简单地生成主时钟。在初相(epoch)的开始重置计数器，但连续运行计数器直到重置初相。TLL的从设备部分的动作不会以任何方式影响时间值。
从时钟控制振荡器，从而由振荡器驱动的、并且使用与主设备相同的初相的从时钟运行与主时钟进行校准。从时钟对由主设备发送到其的时间值和通过当其从主设备接收到新的时间抽样时对计数器抽样所获得的相应的时间值进行比较。考虑到传输时间延迟，从时钟控制振荡器的速率，直到其(a)以和主时钟相同的速率运行，(b)计数器被校准。从设备使用在来自主设备的消息中提供的主时间的抽样以及来自其自身时钟的从时间的抽样，并更快或更慢地驱动时钟，直到其与主时间匹配。因此，将从时钟输出锁定到主时钟的时间。
如图11所示，在根据本发明的主设备和从设备之间交换时钟同步信息。主时钟1120从诸如协调通用时间(UTC)的可靠源1110接收时钟。主时钟1120在通过引入随机的长度延迟的各个网络节点的路径上以消息将时钟的抽样发送到从时钟1130。对于每一消息，主设备到从设备消息的发送时间(Tms)可不同，这反映在所测量的可变长度延迟中。相似地，从设备到主设备消息的发送时间(Tsm)也可反映可变长度延迟。在考虑到传输时间延迟的情况下，从设备使用从主设备接收的时间抽样来确定从时钟1130是否超出来自主时钟1120的同步。消息中的时戳还可用于量化传输时间延迟。
TLL和PLL之间的差别在于PLL跟随其输入的平均频率(基本上在输入上对噪声进行衰减)，而TLL跟随主时钟源的频率，并容许在由各个时间抽样经受的传输路径中的延迟的改变。
TLL的优点在于其运行而不管传递来自主时钟的时间抽样的信号的频率如何。在传统PLL链脱离理想行为的情况下，即当PLL必须漂移时，TLL在主时钟的从时钟之间维持良好校准。此外，当由具有诸如SONET和以太网的各种传输技术的网络分离TLL的主部分和从部分时，PLL链将不能在网络中同步多个节点，而TLL仍旧能够在网络中同步多个节点。
TLL的另一优点在于可以不管从时钟及其控制时钟之间的传输路径的特性而发送时间抽样。传输路径的不同部分可具有十分不同的特征，并被设计成非常不同的标准。例如，可根据以太网来设计传输路径的一部分，而另一部分可以是SONET。这些并非是仅有的可能的组合。反之，PLL依赖于传输路径的特性，并经受路径的无规则行为的影响。例如，由于以太网部分的频率可以是在比允许SONET的范围更广的范围中的任意频率，因此位于包括以太网和SONET两者的传输路径的一端的PLL通常不满足与TLL相同的性能准则。因此，以太网时钟并非总是可传送到PLL。这种情况十分常见，TLL避免这种情况。
PLL的另一问题在于经常沿着传输路径一个接一个地提供(或加固)它们，并且更远地来自源的任意PLL的性能在路径中受到其前面的PLL的性能的强烈影响。为了在路径的末端实现期望的总体性能，通常需要每一PLL的行为仍旧处于特定的严格边界内，并且路径中的PLL的数量为有限的。这样增加了传输路径的成本并限制了其扩展。另一方面，TLL使用已经在路径的开始获得的抽样，以及这些抽样通常没有受到路径上的各个部件干扰，从而可根据需要来扩展传输路径。本发明的实施例的时间控制机制补偿路径延迟中的任意不规则性，并纠正时间抽样中的任意可检测和可纠正的误差。因此，TLL脱离传输路径的行为。
防止不规则网络行为
网络经常在抽样中引入误差。这些误差可以是单个比特误差或可扩展到许多比特。本发明的实施例使用时间控制机制该机制通过使用纠错技术或通过丢弃抽样来防止其自身出现误差。纠错的使用限于可对误差进行可靠检测的情况，在产业中通常使用一些技术。所使用的纠错技术必须在时间控制机制和主时钟之间进行协商。
网络有时经受从服务中移除传输路径的一部分的故障。典型示例可以是道路工程使缆线断开。通常提供可选部分以恢复传输路径，并且通常由网络运营商来调用这种恢复。时间控制机制具有在用于延长的网络停歇的周期的所需的边界中维持从时钟的输出的能力，并可补偿新的传输路径的不同延迟。此外，可从选择的主时钟中在不同路径上提供时间抽样，或可从多于一个的主时钟中提供抽样。如果没有及时修复来自选择的主时钟或去到选择的主时钟的所使用的路径，则时间控制机制可切换到可选路由或可选源。
此外，网络有时调用新的路由来避免拥塞的节点或失效的节点。通常，这将在至少一个方向上引入误差。展示的实施例的时间控制机制对其进行补偿。此外，如果选择的主时钟失效，则如果一个路由可用，则时间控制机制可切换到可选路由。展示的实施例的时间控制机制将补偿不同的路径延迟。
硬件加时戳
如上所述，本发明的一方面在于提供一种硬件加时戳方法和设备。IEEE-1588要求以绝对最小等待时间来执行时戳。传统的软件栈增加非常明显的等待时间，更重要的是，等待时间中的十分明显的改变。因此，本发明的实施例以硬件执行加时戳，而不使用软件栈。在本发明的时间控制机制中，以位于十分靠近物理接口端口以提供最佳可能的性能的专用硬件来执行加时戳。
在一个实施例中，根据IEEE-1588对到来分组和离去分组两者执行时间控制机制。根据IEEE-1588，每一从设备通过与主时钟交换同步消息而同步到主设备的时钟。同步处理分为两个阶段。首先，参照偏移测量纠正主设备和从设备之间的时间差。在该偏移纠正期间，主设备以定义的间隔(例如默认每2秒)循环地将唯一同步(Sync)消息发送到有关的从时钟。该Sync消息包含用于发送消息的时间的估计值。主时钟测量发送的确切时间，从时钟测量接收的时间。其后，主设备在后面的消息中将相应的Sync消息的发送的时间发送到从时钟。当接收Sync消息和接收可选地对应的后面的消息时，从时钟考虑Sync消息的接收时戳关于主时钟计算纠正(偏移)。其后，必须由该偏移来纠正从时钟。同步处理的第二阶段(延迟测量)确定从设备和主设备之间的延迟或等待时间。从时钟将延迟请求消息发送到主设备，并确定消息的发送时间。当接收到分组时，主设备生成时戳，并在延迟响应消息中将接收时间发送回到从设备。
图1示出关于到来消息栈110和离去消息栈112定义的消息时戳点100。将同步消息(即由主设备广播到其所有从设备的消息或分组)和延迟请求消息(即由从设备发送到其主设备的消息或分组)发送到到来消息栈110或离去消息栈112，随后由合适的时间协议代码114对其进行处理。消息时戳点100是以消息格式定义的位置(例如如图1所示的消息中的A的开始)。时钟时戳点101、102分别是消息所通过的到来消息栈110和离去消息栈112的物理点。当消息时戳点100通过这些物理点时，生成到来和离去时钟时戳点101、102。如图1所示，典型的同步或延迟请求消息进入内边界协议栈110。期望边界内反应时间105和边界外反应时间106在本发明中是极小的；然而，当物理设备增加等待时间时，期望能够读取用于设备的寄存器并在确定时钟同步中使用该值。如下面进一步描述的那样，本发明的实施例提供一种用于生成将置于所述定义的时戳点100的时戳的机制。
图2是根据本发明示例性实施例的用于时戳到来分组的示例性机制的框图。该机制可用于主时钟或从时钟位置。到来分组230到达物理层250的到来端口235，并通过媒体访问控制(MAC)层220以在传递到缓冲存储器290之前进行处理。当分组230到达MAC层220时，时戳器260检测包含在分组230中的消息时戳，并将该数据提供给计数器240。时间时钟210驱动计数器240，计数器240对产生计数器(或时戳)值进行响应。在主时钟实现的情况下，时间时钟210是主时钟；在从时钟实现的情况下，时间时钟210是从时钟。在计数器240中锁存计数器值，以用作用于在稍后点处的分组中插入的时戳的基础。同时，在MAC层220处理分组。如果发现明显误差，则丢弃分组。
如果MAC层220将分组识别为同步分组类型(或延迟请求分组)，则其与时戳器260通信，时戳器260从计数器240中检索时戳值，并将其传递到MAC层220以插入分组。在该特定实施例中，一旦已经验证时戳值，就将该值插入分组来代替循环冗余校验(CRC)。这样具有维持分组的长度并维持具有分组的时戳的优点。应理解，可抽样其它方法，并且其后，后续分组处理功能将必须考虑分组长度的改变。时戳可随着其被处理而依附于分组，并可在需要的情况下使用，还可由缓冲存储器290保持以根据需要而重传。在本发明的上下文中，该计数器240也可称为“时戳生成器”。
时间时钟可运行在频率的范围。例如，77.76MHz或100MHz的速率给出12.86ns或10ns的分辨率，但应理解，可使用其它速率。由于本领域公知的各种目的，其它时钟信号也可存在于该机制中。可由与时间时钟210没有关系的线路时钟来驱动到来端口235。线路时钟还可驱动MAC层220的功能。应考虑由亚稳定性导致的数据误差的概率并使其最小。为了给出最大灵活性，可配置本发明的上述时戳机制的各种特征。例如，应该可按时戳被写入分组的格式在可生成时戳的分组中的点处，和/或在分组标识标签的位置和格式，来配置机制。
图3是用于时戳离去分组的时戳机制的框图。该机制可用于主时钟或从时钟应用。离去分组330从缓冲存储器390去到媒体访问控制(MAC)层320、物理层350，并在离去端口335上被发送。该机制包括由时间时钟310驱动的计数器340。在主时钟应用中，将从主时钟得到其；在从时钟应用中，将自从时钟中得到其。计数器340产生将用作时戳值的基础的值。随着分组离开时戳机制，离去时戳器360检测分组中的消息时戳点何时已经到达离去端口335，并将该事件指示到计数器340。锁存计数器值并将其传递到时戳器360。通常，期望仅在同步或延迟请求分组(或分组类型)中到来时戳值，因此3360提供与3320通信来检测分组类型。如果分组是合适的类型，则时戳器360将时戳(即计数器值)传递到MAC层320以处理离去分组中的合适的点中的到来。
除了同步和延迟请求分组之外，上述时戳机制还可根据需要在其它类型的分组中到来时戳。这在诸如计费应用的要求时戳的应用中是有用的。
与图2的实施例相似，该离去时戳机制的许多特征被配置为适合各种应用。例如，应可将所述特征配置为将添加时戳的分组类型、离去时戳的格式、离去分组中的时戳的位置、和/或触发生成时戳的离去分组中的消息时戳点。此外，还应可配置各种功能的互连。例如，可改变离去分组中的时戳的位置以适合不同分组类型和/或可按不同分组类型改变时戳的格式。
延迟改变平滑
如上所述，本发明的另一方面提供一种延迟改变平滑方法和装置。该延迟改变平滑方法和装置允许时间控制机制计算网络延迟以在应用所需的时间边界中将从时钟(节点)维持为其主设备的输入的精确表示。此外，本发明提供一种应用不仅在抽样中补偿可变延迟而且动态调整其操作以适合于延迟路径的改变特性的时间控制机制的方法和装置。
A、分组接受
如上所述，用于时间控制机制的承载时间的抽样的分组将由在其上承载它们的网络延迟可变时间量。如果时间控制机制可在可接受的误差裕量中计算出每一分组经受的延迟，则其仅可使用时间抽样。本发明的分组接受方法和装置可响应于这种确定。
可将由网络引入的延迟分解两部分。延迟的一个部分将是主时钟和从设备之间的分组的传输延迟。该延迟部分由在网络中的物理介质的组合长度上的传输速度而导致，而部分由网络的节点中的不可避免的处理延迟导致。其表示最小延迟，并由物理属性相对地固定，假设对每一分组提供相同的传输路径。
除了传输延迟之外，仅由网络引入可变延迟，这由需要共享来自各个源的分组之间的路径中的节点的正进行的链路而导致，使得节点有时不能像其到达那样快的传递分组。在队列中保持到达节点的分组，仅当正进行的链路空闲时向前移动该分组。由队列导致的延迟称为队列延迟，其可根据流量负载和分组类型的混合而广泛改变。如果网络节点可给出对高优先级分组的优选，则在平均程度上可使队列延迟最小。例如，承载时间抽样的同步分组将被标记为高优先级。特别对轻负载的网络，这通常将导致在网络节点处仅轻微延迟同步分组。但更经常的是，高优先级分组必须等待节点是否已经发送出分组，与当前分组已经完成同样快的发送所述高优先级分组。这是分组网络的统计复用特性，并导致分组延迟的改变。分组的优先级有助于减少所述延迟。无论网络如何进行该优先级，网络节点都可偶尔同时接收一些高优先级分组。因此，网络不能保证对任意特定同步分组最小化延迟。可通过使用高速节点来最小化这样的队列延迟，但当如在某些网络配置中的情况那样还调用较低速度的节点时，这将变得更长。改变延迟的另一原因是通过网络的传输路径。为了允许时间控制机制提供其提出的服务，传输路径必须尽可能长地保持相同。时间控制机制可适用于新的路径延迟，但新的路径应在其改变之前在一段时间周期是稳定的。
队列延迟中的改变通常远大于由网络的物理属性导致的相对固定的延迟。期望由网络路径中的改变导致的延迟的改变将是恒定偏移，并且所述改变可被识别和补偿。
无论分组延迟如何，时间控制机制都必须在要求的性能边界中运行。面对上述广泛改变分组延迟，本发明的分组接受算法是时间控制机制的性能的关键。目的在于移除队列延迟并暴露出固定延迟，从而可将从时钟引入具有主时钟的正确的校准。
可通过对在接收的分组中承载的时间抽样和在从时钟处的本地时间进行比较来获得在传输期间由分组经受的延迟的测量。该值包括固定延迟和队列延迟分量两者以及主时钟和从时钟之间的偏移。虽然队列延迟将具有取决于网络架构和流量情况的分布，并可在时间上并在网络之间改变，但延迟的分布通常将显示对于特定的窄范围的延迟的偏好，从而许多分组将在该范围中延迟，而较少的分组被延迟大于该范围或小于该范围。如果在根据示例性算法实施例具有相同权重的分组的情况下使用传统的滤波器来找出平均延迟，则具有较少延迟的分组将具有对滤波不成比例的效果，并且时间控制机制将花费更长的时间来找出平均延迟。通过使用关于延迟的测量的前述术语“平均”，在以下的整个讨论中，应理解，模式、均值或中值计算中的一个可有利地运用于合适的情形中。
本发明的时间控制机制使用的算法性实施例(或算法)识别具有较接近与平均值的延迟的分组应该被给定比那些远离平均值的分组更高的优选，这导致大量减少设置时间。如稍后解释的那样，本发明的算法使用分组延迟的相对密度值以确定权重。该方法的优点在于其避免了由具有较少延迟的偶然的分组导致的干扰。在近似高斯分布的延迟曲线的情况下，例如，本发明的算法减少对具有十分短或十分长的延迟的分组的延迟计算的贡献，从而防止偏斜。
更具体地说，在本发明的实施例中，可使用延迟请求过程来计算取决于通过网络的路径的固定延迟值，从而主时钟对由从设备发送的延迟请求分组进行响应。应答包含主时钟接收延迟请求分组的时间。通过获知在发送和接收延迟请求分组的从时钟处的本地时间，并允许由多个经受的队列延迟，本发明的时间控制机制可计算固定延迟，并从而调整本地时间以将其引入具有主时钟的校准。
一旦已经确定平均延迟和固定延迟，时间控制机制就可计算何时由消息时戳发送新的分组，其后确定时钟是否正漂移离开。如果时钟漂移离开，则可控制频率来维持校准。
主时钟并不能总是以精确的规则间隔来发送时间抽样。它可能具有其自身的十分大的处理负载，并且这将影响行为。例如，除了发送其通常的时间抽样分组之外，它可具有用于控制的大量从时钟，并且每一从时钟将发送延迟请求分组，主设备必须快速响应于延迟请求分组。因此，处理延迟改变之外，从时钟必须忍受改变分组间空隙。
为了示出本发明的算法性实施例所基于的原理，图4示出从时钟初始地迟运行并以低于主时钟的速率运行的示例。图5示出当已经校准时钟的情况。
参照图4，在主时钟410之后，从时钟400以较低速率(频率)运行。明显的延迟随时间而增加。作为主时钟和从时钟之间的明显时间偏移的偏移时间Toff已经增加到较大的值。需要调整从时钟的频率来稳定平均明显延迟，从而是从时钟以与主时钟相同的速率运行。还调整从时间，直到从主设备到从设备的平均明显延迟等于平均单向延迟。其后，两个时钟将如图5所示运行。
参照图4，水平轴430表示实际时间(例如UTC)，垂直轴440表示时钟时间(主时钟或从时钟)。上部轨迹410表示在实际时间上主时钟时间中的改变——如果斜率为1∶1，则将主时钟时间精确校准为实际时间，但运行快或慢导致较陡或较浅的斜率。下部轨迹400表示在实际时间上从时钟中的改变。将轨迹400、410两者显示为连续的线，但实际上是分段线性的，以反映可用于时钟的受限的有限分辨率。将以较精细的分辨率减少步长。将轨迹400、410偏移一个偏移误差Toff，如果两条轨迹400、410平行，则其是恒定的，但如果它们不平行，则将改变。系统的目的在于消除Toff。主设备在其自身的时钟测量的时间Tmfn生成同步分组，主设备以向前方向(主设备到从设备)将分组发送到从设备。在由时戳(如上所述)确定的精度中，发送时间Tmfn包含在分组中。从设备在自身的时钟所测量的明显的时间Tsfn接收这些分组。接收的精度将受到接收机中的时戳的精度的影响。网络将延迟分组达到在实际时间中测量的延迟时间Drfn，或由主时钟测量的Dmfn，或当由从时钟测量时的Dsfn。当Dmfn＝Drfn时，主设备精确地运行为实际时间。当Dsfn＝Dmfn时，从设备运行在具有主设备的校准中。从设备将看到用于Dsafn的每一接收的分组的明显延迟，其中，Dsafn＝Tsfn-Tmfn。其后，将由从设备在主时钟读取Tmfrn(其中，Tmfrn＝Tmfn+Dmfn)的从时间Tsfn接收由主设备在Tmfn(＝Tsfn+Dsafn)发送的并由网络延迟Drfn的分组。由于Tmfn＝Tsfn+Dsafn，因此Tsfn＝Tmfn-Dsafn，并且如果将时钟真实地校准，则Tsfn＝Tmfrn。因此，校准两个时钟要求Tsfn＝Tmfn+Dmfn，或Dsfn＝Dmfn。由于时戳的精度以及主时钟离开实际时间的偏差而导致将存在误差δ。使用上述本发明的硬件加时戳技术将误差的第一源最小化。应基于本领域公知的技术来纠正误差的第二源。本发明的时间控制机制用于校准到主时间，而非实际时间。在此情况下，如果整个系统在于在从设备输出处提供实际时间，则由主设备决定以实际时间维持校准。
为了将从时钟校准到主时钟，本发明的算法必须将偏移时间Toff减少并维持在可接受的阈值之下。上述推理示出当Dsfn等于Dmfn时时钟被校准，但这还需要不存在偏移时间。可安全地假设将以偏移时间值启动从设备，这可使其超前或落后与主设备。这里，如果主时钟时间主导从时钟时间，则Toff具有正值。从设备可通过简单改变其时间以抽样在接收的分组中给定的Toff来移除一些偏移，但这将存在根据前向飞行时间(在此情况下，由承载主时间的抽样的分组导致的前向网络延迟Drfn)的误差。为了移除该误差，从设备必须算出由分组导致的网络延迟。由于延迟通常将改变，并且取决于从设备的控制的外部的事件，因此误差移除任意使用特定近似。可如下获得第一近似。在分组的飞行时间期间，如果主时钟和从时钟两者的改变的速率充分接近等于实际时间的改变的速率(从而即使两个时钟具有固定偏移时间，它们也以大致相同的速率增加)，则Dsfn近似等于Dmfn，并近似等于Drfn。因此，如果从设备通过抽样主设备值已经严格校准其自身，则Toff将近似等于Dsfn(或Dmfn)。找到Dsfn或Dmfn将允许进一步减少Toff。
当本发明的从设备接收新的分组时，其还应计算用于前向路径的明显延迟。分组将包含主时间Tmfn的最新的抽样，并且将在从时间Tsfn接收所述分组。从设备知道主时间Tmfn和从时间Tsfn，因此Dsafn将等于Tsfn-Tmfn。然而，将有根据Toff的误差。因此，Dsafn＝Tsfn-Tmfn＝Dsfn-Toff，给定Dsfn＝Tsfn-Tmfn+Toff。当接收分组时的从时间Tsfn将等于分组中的主时间Tmfn加上分组经受的特定前向路径延迟Dsfn，减去误差Toff：Tsfn＝Tmfn+Dsfn-Toff。因此，Dsfn＝Tsfn-Tmfn+Toff。
在理想状况下，往返路径的每一方向将包含相同的时间偏移，但在每一方向由相反的标记。因此，在理想状况下，往返延迟将没有时间偏移误差。在网络不支持真实往返测量的情况下，应结合延迟请求过程(其使用返回路径)使用正常前向路径来对真实往返时间进行仿真。可由从设备发送延迟请求分组，并由主设备注意该延迟请求分组。当从设备发送分组时，其注意从时间Tsrn，此时主设备具有时间Tmsrn，其偏离从时间偏移时间Toff，从而Tmsrn＝Tsrn+Toff。当主设备在Tmrn接收到分组时，对其进行时戳。在分组的飞行时间期间，主设备和从设备将分别超前Dmrn(＝Tmrn-Tmsrn)和Dsrn，从而Tmrn＝Tmsrn+Dmrn。其后，主设备附属地将新的分组发送到具有时戳值Tmrn的从设备。优选地，尽快完成该操作，但无需立即完成该操作。
当从设备接收分组时，其恢复主设备时戳值Tmrn，并将其与其发送延迟请求分组的时间Tsrn进行比较。两个值相差由从时钟测量的明显反向路径延迟Dsarn，其包括偏移误差Toff。接收的分组中的主设备时戳值将等于从设备发送延迟请求分组的时间Tmsrn加上反向由主设备测量的路径延迟Dmrn：Tmrn＝Tmsrn+Dmrn。当从时钟以充分接近与主时钟相同的速率运行时，由从设备测量的反向路径延迟Dsrn将十分接近于由主设备测量的反向路径延迟Dmrn；因此，假设Dsrn＝Dmrn，Tmrn＝Tmsrn+Dsrn，或Tmrn＝Tsrn+Toff+Dsrn。因此，Dsrn＝Tmrn-Tsrn-Toff。往返延迟是两个单向延迟的和，Dsfn+Dsrn，并且等于(Tsfn-Tmfn+Toff)+(Tmrn-Tsrn-Toff)。因此，Dsfn+Dsrn＝(Tsfn-Tmfn)+(Tmrn-Tsrn)。
如果已知在每一方向中的延迟之间的关系，则可发现并消除时间偏移误差Toff，以将从时钟校准到主设备。在很对情况下有效的好的工作假设是在每一方向中的延迟接近于充分相等。其后，Dsfn＝Dsrn＝(Tsfn-Tmfn)+(Tmrn-Tsrn)/2。如果延迟是恒定的，则如果值Dsfn在主时间Tmfn的抽样之后，则将从时钟校准到主时钟。
上面的讨论仅是示例性的。其得自基于使用IEEE 1588标准的系统碰到的情况。其仅应用于最简单的情况，但本发明不限于此。在某些应用中发现的复杂情况下不可应用上述示例，可对其实施例进行各种修改、改变和替换。更具体地说，在特定的不同情况下，一些区域导致误差。上面的讨论要求延迟是恒定的并且在每一方向相同；他还要求时间偏移Toff是恒定的。如上所述，在许多应用中，通过网络的延迟不是恒定的，而是可在时间上广泛改变。此外，在每一方向上，延迟可不充分相等。最后，如果主时钟或从时钟的改变速率在时间上变化，则时间偏移误差可改变。这将导致可从最小的可能的延迟到最大的可能的延迟的范围中的误差。如果不抽样控制机制来纠正该误差，则其将始终存在。在许多应用中，永久的大的误差是不可接受的，因此必须抽样控制机制来纠正它。下面的讨论描述在本发明的更具体的实施例的特定控制机制背后的原理。
B、用于未知延迟的控制机制
期望一种可在时间上广泛改变的用于由未知延迟导致的误差的控制机制。使用简单的均值滤波器来标识所遇到的延迟的平均值对于该应用并非是理想的，因为它具有一些不期望的特征，包括对新的延迟范围(诸如可由网络路径中的改变导致的)的慢反应。此外，相同的慢响应将导致延长校准时间，这对一些重要应用是不可接受的。本发明的实施例使用在每一方向中标识最有可能的延迟值的控制机制，并使用其将从时钟校准为主设备。该实施例通常可应用于对在正进行的延迟值的集合中快速找出典型延迟的任意情况，并且不限于由在此描述的时间控制机制服务的应用。
如果在主时钟和从时钟之间将分组延迟最可能的延迟D同步消息，并且当接收分组时从时间超前于包含在分组中的主时间的抽样相同的量，则以主设备校准从时钟。基于对于往返延迟的以上得到的关系，Dsfn+Dsrn＝(Tsfn-Tmfn)+(Tmrn-Tsrn)，在主设备到从设备方向中最可能的单向延迟是Tsfn-Tmfn和Tmrn-Tsrn的值的连续集合的加权平均的和的接受的比例。在最简单的情况下，接受的比例是往返延迟的一半，但如果已知更好的比例，则其可改变。
当将明显前向延迟的连续值Tsfn-Tmfn提供给相对密度加权接受过程(稍后描述)时，通过对相对密度加权接受过程的输出进行滤波来获得主设备到从设备延迟的加权平均值[Tsfn-tmfn]wa。值Tsfn是从设备接收包含主时钟的抽样Tmfn的分组从时钟的值Tmfn。每一新的分组生成明显前向延迟，Dsafn＝Tsfn-Tmfn，的新的抽样。将每一新的抽样提供给相对密度函数(用于测量多个分组经受的延迟的范围)，其后，将其连同用于所述抽样的接受值一起提供给组合滤波器。
图7示出为时间控制机制选择三个无限冲击响应(IIR)滤波器的实施例，因为其提供实施的性能和简单性之间的折衷的优化。还可使用可选滤波器(例如具有以输出保持滤波器的先前输入的数组是数组的部件的均值的有限冲击响应滤波器)。IIR滤波器允许加权过程直接应用于每一新的抽样，如下所示：
O n = 2 πB A n f s ( I n - O n - 1 ) + O n - 1
其中，
On＝新的滤波器输出，
On-1＝当前滤波器输出，
In＝新的输入值(明显前向延迟，Tsfn-Tmfn)，
B＝滤波器带宽，
fs＝抽样速率，
An＝用于新的输入值的接受值。
如图7所示，滤波器包括接受相关滤波器710、接受独立滤波器715和接受独立滤波器720。分组延迟应用于接受相关滤波器710和接受独立滤波器720两者。接受相关滤波器710的输出幅度随接受值An的强度而改变。接受独立滤波器715和720具有一致的An集合。可选择每一滤波器710、715和720的带宽以适合于特定应用。根据以下表达式，根据“锁定的”信号的值对图7所示的上部分支和下部分支的输出求和：
滤波的分组延迟＝L×Outu+(l-L)×Outl
当将明显返回延迟Tmrn-Tsrn的连续值提供给相对密度加权接受过程时，通过对相对密度加权接受过程滤波来获得返回路径延迟的加权平均(从设备到主设备方向)[Tmrn-Tsrn]wa。值Tmrn是当主设备从从设备接收延迟请求分组时主时钟的值。值Tsrn是当从时钟将延迟请求分组发送到主设备时从时钟的值。每一新的延迟响应分组生成明显返回延迟的值Tmrn-Tsrn。如上所述，将明显延迟和接受的值提供给另一组合滤波器，并与处理前向路径延迟相似地对其进行处理。此外，选择IIR滤波器，但也可使用可选滤波器。
可通过对每一滤波器的输出求和来获得最可能往返延迟。其后，可计算分配给前向(主设备到从设备)路径的比例。该值和明显前向延迟值(Tsfn-Tmfn)的加权平均之间的差将指示从时钟的误校准。所述差可用于控制从时钟的速率以将其引入校准。
在根据本发明的示例性操作性的情况下，图6示出可如何实现校准。在示例性情形的上下文中，定时系统包括主处理器和从处理器。主设备接收时间基准信号，从设备维持并产生包含在该信号中的时间信息的拷贝。在该示例中，由以太网网络链接主设备和从设备。主设备和从设备使用IEEE 1588协议通信。协议包含同步、延迟请求和延迟响应分组。
如图6所示，同步分组时间差计算器600计算主时钟发送同步分组605的时间和该节点接收它的时间之间的差。延迟请求时间差计算器610计算该节点发送延迟请求分组615的时间和主设备接收它的时间之间的差。同步分组接受器640和延迟请求分组接受器650中的每一个确定主设备和这些节点中的每一个之间的时间差(从接收的分组中的信息计算)是否是这些节点中的每一个和其主设备的本地时间之间的时间中差的真实反映。信号滤波器660使用计算的时间差生成该节点及其主设备的节点时间之间的平均差。频率生成器680使用该节点及其主设备之间的平均时间差生成频率670。时间生成器690(在一个实施例中可用硬件来完整实现)对生成的频率进行计数以将节点时间622提供给延迟请求分组时间差计算器610。当发送延迟请求分组时，请求存储器695保持发送时间625和发送的分组617的标识697。标识697是16比特序列号。当客户提供与存储的标识697匹配的分组标识时，请求存储器695返回对应的存储的发送时间625。
更具体地说，请求存储器695保持显著的延迟请求的列表。列表保持序列号和每一延迟请求的发送时间。当将序列号呈现给它时，请求存储器695以对应的请求的发送时间进行响应。其后，其检测该记录和任意旧的记录。
在一个实施例中，每一分组接受器640、650还可移除被认为没有承载可靠的时间信息的分组。通过对分组中的时间信息和其它分组中的时间信息进行比较来进行判断。在更具体的实施例中，每一分组接受器640、650包括密度分组接受器。密度分组接受器提供在1和0之间的数字。该数字指示分组已经被接受的程度，其中，1指示完全接受，而0指示完全拒绝。
在本发明的实施例的以下描述中，下面的参数应用定义密度分组接受器，其中：
N＝存储在每一接受器中的分组延迟的数量，
L＝作为每一接受器的一部分的列表的数量，
NL＝存储在每一列表中的分组延迟的数量＝N/L，
ρl＝存储在列表l中的值的密度，
ρmax＝接受器的所有列表的ρl的最大值，
Δmaxl＝存储在列表l中的最大延迟值，
Δminl＝存储在列表l中的最小延迟值，
Al＝根据其延迟被添加到列表l中的分组的接受程度。
密度分组接受器存储已经在L个相等大小的列表的一个中接收的先前N个分组。以大于在列表i-l中的分组的延迟接收列表i中的所有分组。计算每一列表中的密度 ρ l = N l Δ max l - Δ min l , 其中，ρl的单位是分组/秒。该值测量由分组经受的延迟的范围，而且不参照分组接收的速率。也就是说，ρl指的是接收的分组的数量的延迟的分布。如果Nl＝0，Nl＝1或Δmaxl＝Δminl，则ρl＝0。通过将每一列表的密度除以密度最大的列表来计算每一列表的相对密度。将新接收的分组所经历的延迟添加到合适的接受器列表(列表“l”)，通过使用关系式
Figure A20058000881300252
该列表的相对密度 A l = e - 50 ( 1 - ρ l ρ max ) 5 用于生成接受程度(Al)。图9和图10分别示出Al 900、1000对相对密度910、1010的关系。
返回参照图6，同步分组时间差计算器600和延迟请求时间差计算器610分别计算前向路径延迟的最新估计Tsfn-Tmfn，以及反向路径延迟Tmrn-Tsrn。这些估计通过分组接受器640、650和滤波器660，并由减法器650对其彼此进行相减，从而提供时间误差控制信号以调整从时间。因为Dsfn＝(Tsn-Tmn)，并且当Dsfn＝((Tsfn-Tmfn)+(Tmrn-Tsrn))/2时，(Tsfn-Tmfn)-(Tmrn-Tsrn)＝0，所以减去两个延迟值给出正确的控制信号。如果从时间开始脱离校准，则控制信号变为非零，并将从时间拉回到校准。
上面的描述是根据本发明的示例性算法的基本操作的示意。为了实现用于时间控制机制的特定性能特征，可对该算法进行其它修改。例如，当首先接通从时钟时，或在网络中在灾难性事件之后，可通过抽样在早的同步分组中所包含的来允许时间控制机制快速调整其时间。然而，除此之外，从设备应该十分缓慢地改变其时间，以提供相对稳定的时间改变速率。这是由可使用时间控制机制的许多业务所要求的，因为这些业务不能接受发生太快的改变。例如，某些业务可能不接受负时间步长。其它应用可要求时间控制机制在合理的时间内校准。例如，通信系统时钟可仅有100秒在期望的性能目标中校准。可通过下面更加详细描述本发明的算法来解决这些矛盾的要求。
C、对网络改变的响应
通过网络的路径偶尔可能必须改变，例如对拥塞点或故障进行路由。这将改变延迟和将使从时钟脱离与主设备的校准，除非采取正确的行动。本发明的算法经由延迟请求过程识别延迟中的改变，并进行自动补偿，从而维持校准。自然地，补偿中存在延迟，这导致临时偏移，但这包含在边界中(可被定义)。
时间控制机制要求通过网络的路径至少直到其已经完成校准过程都是稳定的。如果在校准过程期间路径改变，则时间控制机制不应将从设备校准到主设备。
D、相对密度加权的接受过程
为了确保本发明的算法将偏好给予比较接近于最可能的延迟值的那些分组延迟，将明显延迟加载到一系列列表中，每一列表包含适合于总延迟范围的小的细分的那些延迟。在根据本发明的算法的实施例中，已经使用总共十个列表，并维持总的2000个分组延迟。当由选择接收到新的分组时，将其延迟加载到包含相似延迟的列表中，并根据需要重新安排列表。如由在以下的锁定检测器部分的描述中定义的值L指示的那样，列表的深度根据锁定的质量而改变。其后，当已经极大地改进校准时，使用越来越多的延迟，直到涉及所有2000个分组延迟。
在上述实施例中，当值小于0.6时，仅使用2000个分组延迟，其后，当L大于0.9时，逐渐使用更多的分组延迟，直到使用所有2000个分组延迟。该时间控制机制改善了校准速度，同时最大化一次锁定的抗噪声度(noise immunity)。可使用对于L的值使用的分组延迟的数量的其它选择以适合于不同情况。一旦已经接收2000个分组，第一列表就将在任意一次包含最短延迟，第二列表将包含下一最短延迟等。由于存在十个列表，因此每一列表将自然地包含第十延迟抽样。例如，第一列表中的最大延迟值是第一个十分位数，表示包含在第一列表中的所有延迟值是两百个最小延迟。第十列表包含最长延迟。为了便于实现而已经选择该具体布置，算法的其它实施例可使用可选布置，例如100个列表每个可包含100个延迟值。
数组和指针的组合用于存储列表中分组接受算法所需的数据。该要求是根据元素所经受的延迟来排列元素，但当必须丢弃元素时，必须选择最老的元素。由于元素必须被插入在其它元素之间，所以第一要求期望使用链表。由于必须按顺序创建或丢弃元素，所以第二要求期望使用数组。链表和数组的双重组合允许两个系统获得好处。将每一链表实现为传统的双重链表。
如图8所示，列表的元素包括：(a)表示由分组经受的延迟的延迟值800；(b)表示列表中的下一元素的地址的下一地址值810；(c)表示列表中的先前元素的先前地址值820；(d)表示该元素是成员的列表的地址的列表值830。所有元素存储在数组中，按地址的顺序被分配。当将丢弃元素时，选择最近分配的元素。当分配元素时，反过来搜索列表以找出正确的列表。对元素的下一指针和先前指针、其邻近元素的那些指针、如果需要的话，列表的头指针和尾指针进行修改，以将元素插入到列表中的正确位置。此外，将列表元素更新为指向保持该元素的列表。当丢弃元素时，使用其列表指针来找出保持该元素的列表，其后，搜索该列表以找出该元素，并将该元素从列表中移除。
下面的表示出所需的操作数量的明显减少。
假设：
L＝列表
E＝元素
E/L＝每列表的元素
  操作   单独使用链表的操作的平均数量   使用所述组合的操作的平均数量
  插入元素   L/2个指针间接访问L/2个比较E/L/2个指针间接访问E/2个比较4个指针更新   L/2个指针间接访问L/2个比较E/L/2个指针间接访问E/2个比较5个指针更新
  丢弃元素   E/2个指针间接访问E/2个比较2个指针更新   2个指针更新
在稳定状态条件下，一旦完全填充列表，则每当新的延迟抽样到达时，必须将其插入到其正确的位置并丢弃最老的元素。上述方法的关断优点在于，与替代方法相比，丢弃元素所需的资源大量减少，从而将资源释放用于其它目的。
一旦已经将延迟值排列为列表，就计算每一列表的密度。在该实施例的上下文中，术语密度表示存储在由保持在列表中的延迟值的范围划分的列表中的延迟值。因此，密度是对列表的延迟值彼此的接近程度的测量。通过将每一列表的密度除以最高密度列表的密度来计算相对密度，给定相对密度值在0和1之间。相对密度是列表的密度的归一化值。每当接收到信道分组时就执行密度和相对密度计算。最高密度列表可能附带最可能的延迟值。
一旦相对密度可用，就使用关系式 A l = e - 50 ( 1 - ρ l ρ max ) 5 对每一列表中的延迟加权，并将其加和到滤波器。该过程给出对于接近于平均延迟值的那些延迟的较高的重要性，并给出对于远离于平均延迟值的那些延迟的较低的重要性。通过减少远离的延迟的重要性，该算法更快地找出最可能延迟。在此给出的关系由于本发明的该实施例，但可使用其它关系来代替以适合于特定应用或操作条件。也可抽样根据操作条件的关系。
E、锁定检测器
返回参照图6，还示出锁定检测器665。锁定检测器665维持被称为“锁定的”信号，其初始值和最小值为0，表示节点665完全解锁，其最大值为1，表示节点完全锁定。在本发明的实施例中，锁定检测器665由于修改比例、积分和微分控制器(PID)的增益，用于响应于从设备的校准质量而控制从设备输出频率，并调整列表中的延迟的群体大小。锁定检测器655有助于缩短校准时间，提供可感知的时间以在网络改变下解锁，并提高对校准故障损耗的抵抗性。
如果来自相位误差最后改变的标记或值的时间的相位误差的积分增加超过阈值“P”，则“锁定”的信号用于减少PID控制器的相对增益，或如果相位误差的积分已经大于P达到一段时间周期“T”，则增加PID控制器的相对增益。在本发明的实施例中，如果相位误差增加超过P＝20×10-6秒2，则“锁定的”减少4％的步长(即：锁定＝锁定-0.04)，或如果超过周期T＝10秒，同时相位误差尚未大于P，则增加4％(锁定＝锁定+(1-锁定)×0.04)。可替换地选择用于增加、减少的其它值P或T。
F、频率生成器
图6示出的频率生成器680接收滤波的相位误差(在该节点看见的时间和在主设备看见的时间之间的差)，并设置节点的时间基准的频率以在将来最小化该值。由该节点生成的频率是以下三项的和：1)输入和比例增益(比例路径)的乘积；2)输入和积分增益(积分路径)的乘积的积分；以及3)输入的改变速度和微分增益(微分路径)的乘积。微分增益将抽样一个或两个值，如果输入和输入的改变速率的标记相同(输入变得较大)，则抽样一个值，如果所述标记不同，则抽样另一个值。
具体地说，频率生成器680可响应从而生成从时钟的改变的速率。本发明实施例使用离散数字合成(DDS)技术来得到频率控制的十分精细的分辨率。PID控制器用于改变生成器的行为以适合于从设备的校准状态。比例路径响应于相位误差(从时间和主时间之间的差)的量。积分路径响应于相位误差的积分。微分路径响应于相位误差的改变。因此本发明提供一种使用本领域公知的DDS和PID技术根据校准状态组合PID路径的增益的方法。
如上所述，PID路径应包括比例路径、积分路径和微分路径。以下分别示出所述三种路径及其信号和特性。
  信号   比例路径   积分路径   微分路径
  步长相位改变   好   差，原因是过冲   好
  步长频率改变   好，但给出恒定相位误差   好   几乎没有影响
  高斯噪声   差   差，但与其它项相比较为不差   差
根据从设备校准的状态以不同方式组合所述三种路径。如下所示，由通过上述锁定检测器655提供的“锁定的”信号来控制所述组合。
  路径   单位   增益(具有P秒的分组周期)
  比例   Hz   GP＝K1L+K2(1-L)
  积分   Hz2   Gl＝P(K3L+K4(1-L))
  微分   无量纲   GD＝0  L≥K5GD＝0  相位误差和相位误差的改变速率是不同的标记(即相位误差正在减少)GD＝K7(K6-L)其它
在上表中，可改变固定值K1-K7以适用于对各种条件和应用的响应。频率生成器680的输出是所需频率对由本地振荡器生成的标称频率的比率。在该实施例中，已经选择以下值：
L＝来自锁定检测器的“锁定的”信号
K1＝0.003
K2＝0.06
K3＝2×10-6
K4＝1×10-3
K5＝0.5
K6＝0.5
K7＝2
以上值给出在从设备未锁定的同时对相位和频率中的改变的良好响应，并给出在锁定(例如通过上述TLL)的同时对高斯噪声的良好抵抗性。频率生成器680可同时产生多个频率，所有频率由校准算法控制，因此锁定为主时间的改变速率。当到主设备的链路中断时，频率生成器680可基于其过去的历史和本地振荡器的稳定性来维持频率。这被称为延期(holdover)模式(以下更加详细地描述)。
G、时间生成器
时间生成器690以各种格式生成从时间。如果允许，则可抽样主时间的最近的抽样，但其通常以由频率生成器680控制的速率增加。如果从时间需要向前移动，则频率生成器680将产生稍微较快的时钟速率；如果从时间需要下降返回，则频率生成器680将稍微变慢。
H、延期
如果从时钟变成与主设备分开，则其能够将其输出速率(从时间的改变速率)保持在当其被校准时与其成十分严格的比例中。在本发明的实施例的上下文中，当从设备不可再从主设备接收分组时，通常期望使用延期。其尝试将从时间维持在边界中，直到恢复路径。这在较短时间上也是有用的，从而保护从时间不受临时网络干扰。
I、网络路径的改变
当通过在主设备和从设备之间的路径改变时，新的路径通常将具有不同的延迟曲线。延迟计算表明网络已经改变，并通过吸收单向延迟中的差别来进行补偿，以将从时间维持为校准到主设备。当主时钟出现故障并由替换的主时钟来代替它时发生相同的事件。在前者的情况下(即改变网络路径)，根据本发明的机制可进入延期模式(如上所述)，同时计算新的延迟值。注意，这样提供相位扩建特征，从而即使路径延迟已经改变，从时钟也保留其速率和对主设备的校准。在后者的情况下(即改变主设备)，时间控制机制可从待机主时钟接受分组，并在切换之前计算延迟。注意，作为源切换(既便某些路径仍旧与以前相同)的形式的这种情况允许即使已经采用新的主设备(和新的路径)从设备也保留其速率和与实际时间的校准(在新的主设备的精度中)。
应用
本发明的时间控制机制可应用于许多领域。通常，可在需要时间的拷贝和期望的稳定频率、锁定到远程点的任何地方使用本发明的时间控制机制。例如，将其流量空载传输(back-haul)无线网络控制器的无线基站可使用本发明的时间控制机制，从而提供：(a)用于与无线网络关联的时戳活动的UTC；以及(b)用于驱动空中接口频率的基准时钟。可按独立的方式来使用本发明，或可在GPS设备出现故障或不可用的情况下结合作为可靠备份的本地GPS接收机来使用本发明。使用本发明的时间控制机制允许将链路转换为诸如以太网的较新的传输技术，或克服在传统的丢失SONET或SDH信号的链路上产生的麻烦的相位瞬态。
另一示例可以是工业控制网络，其中，可更容易地关于共同发布的时间信号而不是关于彼此来控制各种机制或处理。
另一示例可以是在设备使用例如共享的以太网链路而不是专用链路的情况下定时信号的发布，从而简化定时发布并减少成本。
可将最后的示例提供给在经由将固有地支持传统技术的链路连接到网络的远程设备中的定时信号的拷贝；例如，链接到大厦的以太网通常不能承载网络定时信号，但通过在大厦中将时间的抽样从网络发送到本发明的时间控制机制，可容易地获得可用于适合于对非实时网络的实时业务的网络时间的拷贝。
可由可使用在此描述的本发明的在IEEE 1588中定义的时间服务器主设备/从设备系统来满足所有上述示例。
每一应用中的性能可适用于应用的需求，这样可实现较好的性能/成本目标。此外，上述应用仅是示例的目的，因此，本发明不限于此。
因此，已经描述了用于使用本发明的时间控制机制来控制时间的系统和方法的优选实施例，本领域技术人员应理解，已经实现了所描述的系统和方法的某些优点。还应理解，可在本发明的范围和精神中对其实施例进行各种修改、改变和替换。

Claims (27)

1、一种用于在通信网络中校准时间基准的方法，包括：
在通信网络的主设备处：
生成消息时戳，所述消息时戳至少包括主时钟源的抽样；
在预定的消息时戳点将消息时戳插入到消息中；和
将消息发送到通信网络中的至少一个从设备；以及
在通信网络的从设备处：
接收消息；
生成时钟时戳，所述时钟时戳与消息时戳点经过由从时钟源测量的预定时钟时戳点的时间相对应；
从消息时戳和时钟时戳之间的比较中量化对传输路径延迟的测量；
根据对传输路径延迟的先前测量来加权对传输路径延迟的测量；和
响应于加权的测量值来调整从时钟源。
2、如权利要求1所述的方法，其中，接收消息分组的步骤还包括：在从设备的消息栈处接收消息，所述消息栈包括时钟时戳点。
3、如权利要求1所述的方法，其中，生成时钟时戳的步骤还包括：
检测包含在消息中的消息时戳；
锁存与检测消息时戳的时间对应的从时钟源的时间值；以及
将所述时间值插入到消息中。
4、如权利要求3所述的方法，其中，插入时间值的步骤还包括：插入时间值代替消息的循环冗余校验(CRC)值。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述消息包括同步消息和延迟请求消息中的至少一个。
6、如权利要求1所述的方法，其中，生成消息时戳的步骤还包括：
锁存与生成时戳的时间对应的主时钟源的时间值；以及
在消息时戳点将时间值插入到消息中。
7、如权利要求1所述的方法，其中，量化对传输路径延迟的测量的步骤还包括：确定传输路径延迟的固定延迟分量和可变延迟分量。
8、如权利要求1所述的方法，其中，加权对传输路径延迟的测量的步骤还包括：生成传输路径延迟的加权平均。
9、如权利要求1所述的方法，其中，加权对传输路径延迟的测量的步骤还包括：对传输路径延迟的测量进行滤波。
10、如权利要求1所述的方法，还包括：将对传输路径延迟的测量加载到根据延迟量排列的至少一个链表。
11、一种用于在通信网络中将从时钟时间基准与主时钟时间基准相校准的方法，包括：
经由通信网络接收由主设备发送的多个消息，每一消息包括消息时戳，所述消息时戳至少包括在预定的消息时戳点处插入到消息的主时钟时间基准的抽样；
对于每一接收的消息，生成与消息时戳点通过由从时钟时间基准测量的预定时钟时戳点的时间对应的时钟时戳；计算与消息时戳和时钟时戳之间的时间差对应的消息延迟；并且从多个消息中根据对消息延迟的先前计算对计算的消息延迟加权；以及
响应于加权的计算来调整从时钟时间基准。
12、如权利要求11所述的方法，其中，接收多个消息的步骤还包括：在从设备的消息栈处接收消息，所述消息栈包括时钟时戳点。
13、如权利要求11所述的方法，其中，生成时钟时戳的步骤还包括：
检测包含在消息中的消息时戳；
锁存与检测消息时戳的时间对应的从时钟时间基准的时间值；以及
将时间值插入到消息。
14、如权利要求13所述的方法，其中，插入时间值的步骤还包括：插入时间值代替消息的循环冗余校验(CRC)值。
15、如权利要求11所述的方法，其中，所述消息包括同步消息和延迟请求消息中的至少一个。
16、如权利要求11所述的方法，其中，计算消息延迟的步骤还包括：确定消息延迟的固定延迟分量和可变延迟分量。
17、如权利要求11所述的方法，其中，对计算的消息延迟加权的步骤还包括：确定消息延迟的加权平均。
18、如权利要求17所述的方法，其中，对计算的消息延迟加权的步骤还包括：对消息延迟计算进行滤波。
19、如权利要求18所述的方法，其中，对消息延迟计算进行滤波的步骤还包括：根据以下表达式对每一消息延迟计算加权：
O n = 2 πBA n f s ( I n - O n - 1 ) + O n - 1
其中，
On＝新的滤波器输出，
On-1＝当前滤波器输出，
In＝新的输入值(明显转发延迟，Tsfn-Tmfn)，
B＝滤波器带宽，
fs＝抽样率，
An＝用于新的输入值的可接受值。
20、如权利要求18所述的方法，其中，对消息延迟计算进行滤波的步骤还包括：消除消息延迟计算中被确定为不可靠的消息延迟计算。
21、如权利要求18所述的方法，其中，对消息延迟计算进行滤波的步骤还包括：将延迟计算加载到根据延迟的量排列的至少一个链表。
22、如权利要求21所述的方法，还包括：确定用于所述至少一个链表的相对密度值。
23、如权利要求21所述的方法，还包括：选择性地丢弃来自所述至少一个链表的消息延迟计算中的一个。
24、如权利要求23所述的方法，其中，选择性地丢弃多个消息延迟计算中的一个的步骤还包括：丢弃所述多个消息延迟计算中的最老的一个。
25、如权利要求21所述的方法，还包括：确定至少一个链表的每一个的密度，所述密度与包含在链表中的消息延迟计算的数量除以包含在链表中的消息延迟计算的范围相对应。
26、如权利要求25所述的方法，还包括：确定多个链表之间的相对密度。
27、如权利要求11所述的方法，其中，调整从时钟时间基准的步骤还包括：改变从时钟时间基准的频率。
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