用於使多個組件時鐘同步的方法
2023-09-10 17:05:40 1
專利名稱：用於使多個組件時鐘同步的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於使信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件時鐘同步的方法。
背景技術：
例如在信息技術或者通信技術中，並且在此尤其是在實現模擬或者數字電信接口網關中，要使多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件、尤其是軟體控制的外圍組件在其時鐘上同步，其中外圍組件例如通過標準LAN耦合。公知的解決方案規定，組件框架的所有外圍組件通過特定的時鐘信號藉助特定硬體與中央時鐘發生器連接。與此相對，公知的基於軟體的解決方案要麼完全省去同步，要麼這些解決方案基於根據IEEE 1588的標準化PTP協議，其同樣需要特定硬體部件來頒發高度準確的時間戳。
發明內容
本發明所基於的任務是給出了一種用於使信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件時鐘同步的技術教導，該技術教導儘可能避免或者克服了公知解決方案的可能的缺點或者局限。該任務通過根據獨立權利要求之一所述的方法和裝置來解決。根據本發明，設置了一種用於使信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件時鐘同步的方法或者一種相對應的裝置，在所述方法中或在所述裝置中，所述組件中的至少兩個由所述組件的本地時鐘發生器以可調整的頻率來控制並且通過該網絡以時鐘信號分組的形式與其本地時鐘同步地發送始時鐘信號。所述至少兩個組件之一在此承擔了主機組件的功能，所述至少兩個組件的所有其餘組件、即(多個)從機組件將所述所有其餘組件的本地時鐘同步到該主機組件的時鐘上，其方式是所述所有其餘組件通過將由主機組件發送的時鐘信號與其自己的時鐘信號進行比較來確定其本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量(Mass)，並且為了調節其本地時鐘發生器而使用該度量，優選地其方式是所有其餘組件縮小或者最小化其本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量。信息技術或者通信技術系統的組件就此而言要被理解為信息技術或者通信技術系統的可在結構上確定界限的功能單元，尤其是用於實現模擬和數字電信接口的外圍組件。信息技術或者通信技術系統就此而言要被理解為可用來實現信息技術或者通信技術業務的任何系統。對於這種系統的重要例子是電信設備、尤其是電話設備。優選地，電信設備使用脈衝編碼調製(PCM, Pulse-Code Modulation)的方法，以便將模擬信號、例如語音或者視頻轉換成數位訊號(http://en.wikipedia.0rg/wiki/PCM)。在PCM方法中，產生連續的數字數據流，該連續的數字數據流表示模擬信號。為此，時間連續的和值連續的模擬信號被轉換成時間離散的和值離散的數位訊號。
為了在數字側進行傳輸,優選地應用時分復用(TDM, Time-Division Multiplex)方法(http://en.wikipedia.0rg/wiki/Time_division_multiplexing)0 在這種情況下，通過復用方法將多個通信信道的串行數據流聚集在一起。這優選地藉助幀結構來實現。例如，如果串行數據流之內的32個信道被傳輸，則這以順序相繼的32個時隙來實現。這32個時隙接著形成一個PCM幀。典型的例子會是8比特解析度和8000Hz的採樣率的32個信道，由此得到分別為64 kbit/s的比特率以及為32 X 64 kbit/s=2048 Mbit/s的總比特率。PCM幀在這種情況下每隔125 μ s被重複，這對應於為8kHz的PCM幀時鐘(Rahmentakt )。PCM傳輸時鐘優選地對應於總比特率、即在本例子中的2048MHz。這些時鐘彼此同步；由此例如也會可能由該幀時鐘產生傳輸時鐘。PCM時鐘的提供優選地由時鐘發生器承擔。這種PCM/TDM信號的(例如從在空間上確定界限的功能單元到另一功能單元的)無幹擾傳輸的前提是PCM時鐘信號的同步。如果同步不能被保證，則提及比特滑動(Bitschlupf)。如果功能單元A的PCM時鐘高於其他功能單元B的PCM時鐘，那麼在從A向B傳輸時各個位被丟棄，這導致跳過各個採樣值。在反方向上，比在A處所需的採樣值少的採樣值到達A處；通常嘗試通過內插掩蓋丟失的值。這種幹擾在語音信號的情況下通常會作為咔嚓聲被察覺，在 傳真傳輸的情況下，這種幹擾可導致終止，而在數據傳輸的情況下，這種幹擾可導致數據吞吐量下降。時鐘發生器就此而言要被理解為被設立用於產生時鐘信號的功能單元。組件的本地時鐘發生器要被理解為與該組件在功能上關聯的時鐘發生器，即產生用於該組件的時鐘的時鐘發生器。這種本地時鐘發生器優選地以通過軟體(即程序)可調整的頻率來驅動。時鐘發生器、時鐘信號發生器或者時鐘脈衝發生器(Taktgeber)被理解為產生時鐘信號(即優選地以確定的頻率發出脈衝)的構件。在此不僅可以涉及機械的、電的構件或者組件而且可以涉及電子構件或者組件，這些構件或者組件尤其是對於數據處理和同步而言是必要的。時鐘脈衝發生器常常藉助計算器中的控制裝置來出現。時鐘脈衝發生器在電子計算器中優選地對計算步驟進行時鐘控制。時鐘脈衝發生器在許多情況下是觸發器電路或者振蕩器。優選地，為此使用數字控制的振蕩器。數字控制的振蕩器(Digitally Controlled Oscillator (DCO))或者也為數值控制的振蕩器是電子電路或者是電子器件，所述電子電路或者電子器件優選地基於直接數字合成(DDS)的方法產生震蕩，該震蕩的頻率優選地直接通過如下數值來調整:該數值優選地通過程序來確定。由此，獲得非常精確調整的頻率，該頻率(在電路的構件或部件的規範的範圍中)保持恆定。分組交換網絡就此而言要被理解為其中通過所謂的分組傳輸信息的網絡。這種分組交換網絡的例子是計算機網絡、尤其是本地計算機網絡，即所謂的LAN，但是也是所謂的廣域網(Wide Area Network)和網際網路。就此而言，主機組件要被理解為如下組件，所有其餘組件、即所謂的從機組件將其本地時鐘同步到這些主機組件的時鐘上。這優選地通過如下方式實現:這些從機組件通過將由主機組件發送的時鐘信號與這些從機組件的自己的時鐘信號進行比較來確定這些從機組件的本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量，並且為了調節這些從機組件的本地時鐘發生器而使用該度量。根據本發明的優選實施形式(所述優選實施形式的特徵也可以與本發明的其他實施形式的特徵組合)，設置一種方法或者一種裝置，其中所述至少兩個組件的每個單個組件在如下時間窗中發送其時鐘信號分組:該時間窗與所述至少兩個組件的所有其他組件的時間窗不同。以這種方式可能的是，通過網絡要傳輸的時鐘信號分組在時間上被定位為使得尤其是由於網絡部件(如交換機或者路由器)的有限處理速度引起的一向不可避免的隨機延遲完全不能形成。由此，取消了必須應用複雜方法、譬如在IEEE 1588中詳細規定的方法的必需性。這尤其是意味著，為了建立根據本發明裝備的網絡可以動用網絡接口中的標準硬體和軟體部件，這帶來了顯著的成本優點。通過根據本發明的方法在適當選擇實施形式的情況下要達到在2-5 μ s的範圍中的精度，這遠在具有為125 μ s的典型長度的PCM幀的長度之下。比特滑動因此可以在很大程度上被排除。根據本發明的另一優選實施形式(所述另一優選實施形式的特徵也可以其他實施形式的特徵組合)，設置與每個組件關聯本地控制單元，該本地控制單元通過網絡與中央控制計算機連接。根據本發明的另一優選實施形式(所述另一優選實施形式的特徵也可以與其他實施形式的特徵組合)設置，每個本地控制單元具有帶有可調整的頻率的石英振蕩器，該石英振蕩器優選地由程序通過數字模擬轉換器來控制。石英振蕩器是用於產生震蕩的電子電路，該電子電路利用振蕩石英作為頻率確定器件。在狹義上，石英振蕩器是構造完成的振蕩器電路，該振蕩器電路與頻率確定的石英一起被安裝在殼體中並且作為標準部件而是可得到的。石英振蕩器在其頻率(每個時間單位的振蕩數目)上非常精確並且有通常在IOOppm之下的偏差。其他簡單的振蕩器電路、例如帶有LC震蕩迴路的這種振蕩器電路在額定頻率的偏差超過1% (IOOOOppm)的情況下是顯著不精確的。在實踐中，石英振蕩器通常被發現作為用於處理器、微控制器、無線電設備的時鐘脈衝發生器以及在鐘錶中的時鐘脈衝發生器。然而，石英振蕩器日益被成本更低廉的陶瓷諧振器替換。被使用在石英振蕩器電路中的振蕩石英大多是晶體小板、晶體棒或者晶體叉(如音叉)，它們可以通過電 壓而獲得機械形狀改變，所述機械形狀改變又產生電壓。該反應通過壓電體(振蕩石英以及也為陶瓷振蕩器)的機械振蕩模式來給出。在確定頻率的交流電壓的情況下，振蕩石英被激發到特別強烈的諧振震蕩(壓電聲輻射器也擁有該特性)。該頻率被稱作諧振頻率。在合適的晶體切割的情況下，該頻率幾乎與如溫度或者幅度的周圍影響無關並且因此可以被用作精確的時鐘脈衝發生器(長期穩定性優於0.0001%)。進行震蕩的石英片可以在如下電/機械模式下被驅動:
在串聯諧振的情況下，石英片的針對交流電流的視在電阻特別低，並且所述石英片如由線圈和電容器構成的串聯電路那樣表現。在並聯諧振的情況下，石英片的視在電阻在這種情況下特別大。接著，所述石英片如電容器和線圈的並聯電路那樣表現，特別之處在於，沒有直流電流可流動(石英是非常好的絕緣體)。並聯諧振比串聯挾制略微高0.1%並且可以通過並聯的小電容器略微被改變(所謂的石英的拉(Ziehen))。與本發明結合優選的類型的振蕩器形成具有可通過電壓控制的(「可拉的」)頻率的振蕩器(VCXO 壓控晶體振蕩器(Voltage Controlled Crystal Oscillator))。在此,頻率大多可以僅在IOOppm的量級上改變。VCXO的通常應用是相位調節迴路中的可控的振蕩器。頻率可變的振蕩器或者具有可調整的頻率的石英振蕩器(縮寫為VX0)是頻率可以被改變的石英振蕩器。如果石英振蕩器是可通過電壓微調的，則該石英振蕩器被稱為VCXO(英語為:voltage controlled crystal oscillator,即頻率可通過電壓微調的石英振蕩器。調節電壓優選地通過數字模擬轉換器(Digital-Analog-Wandler)產生。數字模擬轉換器(DAU,英語為digital-to-analog converter (DAC))(也稱為數字模擬轉換器或者D/A轉換器)被用於將量化的數位訊號或者各個值轉換成模擬信號。信號源在此是模擬數字轉換器和/或數字信息或者計算。通常，DAU被實施為集成電路(IC)(http://de.wikipedia.0rg/wiki/Digital-Analog-ffandler)。根據本發明的另一優選實施形式(所述另一優選實施形式的特徵也可以與其他實施形式的特徵組合)設置，時鐘信號包括至少一個脈衝編碼調製信號(通常為PCM幀時鐘)，所述脈衝編碼調製信號以分組的形式優選地根據實時傳輸協議(Real Time TransportPiOtokoll)與脈衝編碼調製信號的時鐘同步地經由網絡來發送。實時傳輸協議(RTP)是用於經由基於IP的網絡連續地傳輸視聽數據(流(Stream))的協議(http://de.wikipedia.0rg/wiki/Real_Time_Transport_Protocol)。該協議曾於1996年首次在RFC 1889中被標準化。在2003年，曾公開了修訂過的RFC。RFC3550由此替換了 RFC 1889。該協議用於經由網絡傳輸多媒體數據流(音頻、視頻、文本等)，也就是說對數據進行編碼、打包和發送。RTP是基於分組的協議並且通常通過UDP來驅動。RTP在網際網路中不僅可以用於單播連接而且可以用於組播通信。實時控制協議與RTP協作並且用於協商和遵守服務質量參數(QoS)。該實時控制協議被應用於許多領域，尤其是在IP電話技術H.323和SIP中用於傳輸通話的音頻/視頻流。RTP的功能主要在於傳輸實時敏感的數據流，而實時流傳輸協議(RTSP, Real-Time Streaming Protocol)用於控制和檢驗數據傳輸。數據報擁塞控制協議(DCCP, Datagram Congestion Control Protocol)是目前為了也能夠針對媒體流基於RTP/UDP實現擁塞控制的方法。根據本發明的另一優選實施形式(所述另一優選實施形式的特徵也可以與其他實施形式的特徵組合)設置，針對每個從機組件確定在由從機組件發送的分組流與主機組件的分組流之間的相位差和頻率差。根據本發明的另一優選實施形式(所述另一優選實施形式的特徵也可以與其他實施形式的特徵組合)設置，相對於其他分組、尤其是相對於其他信令分組具有更高優先級的時鐘信號分組在網絡中被運送。
以下依據優選實施例和藉助附圖更詳細地描述了本發明。在此:
圖1以示意性方式示出了根據本發明的裝置的優選實施例；
圖2以示意性方式示出了根據本發明的優選實施形式的信令；
圖3以示意性方式示出了根據本發明的優選實施形式的分組流。
具體實施例方式在本發明的在 這些圖中所示出的實施形式中，每個外圍組件10、12、22、32都通過本地控制單元(SE) 11、21、31經由LAN交換機(LS) 5與中央控制計算機(SR) 6連接。外圍組件和本地控制單元一起優選地分別形成模塊1、2、3，所述模塊1、2、3例如實現專用電信
接口束。優選地用於對組件進行中央控制的軟體可以粗略地被分為兩種複合體(Komplex):第一複合體用於信令；第二複合體用於媒體處理。信令優選地是網關應用(GA)61的組成部分；媒體處理優選地在由網關應用控制的媒體伺服器(MS) 62中實現。每個控制單元11、21、31優選地都擁有在其頻率上可變化的石英振蕩器(VCXO) 8，該石英振蕩器(VCXO)S優選地通過軟體和數字模擬轉換器來控制。時鐘同步通過主機-從機方法來實現,其中所有模塊除了針對時鐘主機說明的模塊之外還將其本地時鐘調節到主機時鐘上。各個PCM信道成束地經由網絡4、優選地區域網(LAN，Local Area Network)優選地以RTP分組的形式被發送9。發送率優選地是固定預給定的值，該值優選地與信道的數目以及與所選的分組大小有關。在被測試的協議類型的情況下，例如曾選擇每秒400個分組的速率。這些分組的發送優選地與PCM時鐘同步地實現。用於調節從機組件的軟體算法部分地在中央媒體伺服器62上，部分地在網關應用61中。對於每個從機組件優選地確定622在從機組件的分組流與主機組件的分組流之間的頻率差和/或相位差。根據作為實際值的差可以確定用於將VCXO時鐘振蕩器再調節到從機組件上的控制信息611。在測量頻率差和相位差時，由於控制計算機6的作業系統中的高度偶發的延遲可導致個別錯誤的值。這 些值可以藉助自適應的似然性檢驗來識別和丟棄。例如，在起振的狀態下可能的相位差改變被限制到VCXO 8的溫度漂移上。最大出現的差可以被估計並且所有偽裝較高差的測量值可以容易地被剔除。通常，所發送的分組在LAN交換機5中被隨機延遲。在N個分組的隨機形成的分組累積(Pakethaeufung)(所謂的「突發(Burst)」)的情況下,在利用為1518位元組的最大分組大小和例如為100 Mbit/s的傳輸率時出現為N乘121 μ s的延遲，或在千兆比特乙太網的情況下出現為N乘12μ s的延遲。這些延遲幹擾時鐘同步。因此，相位調節優選地被修改為使得每個外圍組件ml、m2、m3、...、ml0在確定的時間窗t0、tl、t2、...、tlO中發送其RTP分組pi。由此，分組累積(突發)和由此得到的在LAN交換機5中的延遲一開始就被抑制。其他LAN分組p2、例如UDP分組(其例如用於信令7或者用於進行控制)在下級緊跟在RTP分組之後被發送，使得距接下來的RTP分組保留足夠的間距。圖3的下部軸線示意性地示出了在LAN交換機5之後至媒體伺服器62的被復用的分組流。本發明的主要思想在於，提供給LAN交換機5的分組在時間上被定位為使得完全不能形成一向不可避免的隨機延遲。由此，取消了必須應用複雜方法、譬如在IEEE 1588之下詳細規定的方法的必需性。這有利地導致，標準化的硬體和軟體部件可以被使用在LAN接口中，這意味著極大的成本優點。
權利要求
1.一種用於使信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡(4)耦合的分布式組件(12，22，32)時鐘同步的方法， 其特徵在於， a)所述組件中的至少兩個組件由所述組件的本地時鐘發生器以可調整的頻率來控制並且通過網絡以時鐘信號分組形式與所述組件的本地時鐘同步地發送時鐘信號， b)所述至少兩個組件之一承擔了主機組件的功能，所述至少兩個組件的所有其餘組件、即從機組件將所述所有其餘組件的本地時鐘同步到該主機組件的時鐘上，其方式是所述所有其餘組件通過將由主機組件發送的時鐘信號與所有其餘組件的自己的時鐘信號進行比較來確定所有其餘組件的本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量並且為了調節所有其餘組件的本地時鐘發生器而使用所述度量。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述至少兩個組件的每個單個組件都在如下時間窗中發送所述組件的時鐘信號分組:該時間窗不同於所述至少兩個組件的所有其他組件的時間窗。
3.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，與每個組件都關聯本地控制單元(11，21，31)，所述本地控制單元(11，21，31)通過網絡(4)與中央控制計算機(6)連接。
4.根據權利要求3所 述的方法，其特徵在於，每個本地控制單元都具有帶有可調整的頻率的石英振蕩器(8 )，該石英振蕩器(8 )優選地由程序通過數字模擬轉換器來控制。
5.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，時鐘信號包括至少一個脈衝編碼調製信號，所述至少一個脈衝編碼調製信號以分組的形式優選地根據實時傳輸協議與脈衝編碼調製信號的時鐘同步地經由網絡被發送。
6.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，針對每個從機組件確定(622)在由從機組件發送的分組流與主機組件的分組流之間的頻率差和相位差。
7.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，相對於其他分組、尤其是相對於其他信令分組具有更高優先級的時鐘信號分組在網絡中被運送。
8.一種信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件的裝置， 其特徵在於， a)所述組件中的至少兩個組件被設立用於，所述組件的本地時鐘發生器以可調整的頻率被控制並且通過網絡以時鐘信號分組形式與所述組件的本地時鐘同步地發送時鐘信號， b)所述至少兩個組件之一被設立用於承擔主機組件的功能，所述至少兩個組件的所有其餘組件、即一個或多個從機組件將所述所有其餘組件的本地時鐘同步到該主機組件的時鐘上，其方式是所述所有其餘組件通過將由主機組件發送的時鐘信號與所有其餘組件的自己的時鐘信號進行比較來確定所有其餘組件的本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量，並且為了調節所有其餘組件的本地時鐘發生器而使用所述度量。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，與每個組件都關聯本地控制單元，所述本地控制單元通過網絡與中央控制計算機連接。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，每個本地控制單元都具有帶有可調整的頻率的石英振蕩器，該石英振蕩器優選地由程序通過數字模擬轉換器來控制。
11.根據權利要求8至10之一所述的裝置，其特徵在於，時鐘信號包括至少一個脈衝編碼調製信號，所述至少一個脈衝編碼調製信號以分組的形式、優選地根據實時傳輸協議與脈衝編碼調製信號的時鐘同步地經由網絡被發送。
12.根據權利要求8至11之一所述的裝置，其特徵在於，針對每個從機組件確定在由從機組件發送的分 組流與主機組件的分組流之間的頻率差和相位差。
全文摘要
在用於使信息技術或者通信技術系統的多個通過分組交換網絡耦合的分布式組件時鐘同步的方法或者裝置中，所述組件中的至少兩個由所述組件的本地時鐘發生器以可調節的頻率被控制，並且通過該網絡以時鐘信號分組形式與其本地時鐘同步地發送時鐘信號。所述至少兩個組件之一承擔了主機組件的功能，所述至少兩個組件的所有其餘組件、即(多個)從機組件將所述所有其餘組件的本地時鐘同步到該主機組件的時鐘上，其方式是所述所有其餘組件通過將由主機組件發送的時鐘信號與其自己的時鐘信號進行比較來確定其本地時鐘發生器相對於主機組件的時鐘發生器的偏差的度量並且為了調節其本地時鐘發生器而使用所述度量。
文檔編號H04L7/08GK103229437SQ201180057947
公開日2013年7月31日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月11日
發明者T.林德納 申請人:西門子企業通訊有限責任兩合公司