一种时钟同步方法与系统

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线通信系统的时钟同步 方法与系统。

时钟同步技术是通信系统的基本技术。时钟同步的目的在于确保发送端 与接收端的时间步调一致，以实现正确、可靠通信。随着信息技术的发展， 对时间同步的要求越来越高。当前大部分TDD(Time Division Duplexing，时分双 工)模式的通信技术，如TD‑SCDMA、CDMA2000、WiMAX等，以及正在研 发和部署的LTE系统，往往需要全网空口之间保持精确的时间或相位同步，通 常频率稳定度要求在±0.05ppm之内，相位精度至少在±5μs范围内。为实现 时钟同步，现有技术的普遍做法是采用基于GPS和OCXO(OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator，恒温晶振振荡器)的时钟提取方式。该方式 通过安装在每个的GPS信号接收装置接收卫星发送的时钟信号，然后在基 站侧进行反馈式回归算法，对GPS原始输出的1pps信号和OCXO输出同步 信号进行高频鉴相，进行统计滤波后实现全网同步。然而，基于GPS和OCXO 的时钟提取方式需要架设和维护GPS天线以及相应的室内转发设备， 时钟板采用高精度的压控OCXO，整个时钟同步过程复杂、收敛速度慢，成本 较高。此外，由于GPS信号效果受天气影响较大，在恶劣气候情况下容易导致 系统间失步，出现较高的掉话率。

有鉴于现有技术的时钟同步方法存在的问题，本发明实施例的发明目的 在于提供一种新的时钟同步方法与系统，以降低现有技术的时钟同步过程的 复杂度、提高同步收敛速度慢、解决成本较高的问题。

本发明实施例提供的时钟同步方法包括：

接收主时钟设备发送的同步消息，解析同步消息，获取同步消息包含的 同步消息发送时间T1；记录同步消息到达时本地晶振的时钟计数T2；

向主时钟设备发送延时校正申请消息，记录发送该申请消息时本地晶振 的时钟计数T3，并启动对同步以太网时钟的计数；

接收时延校正申请响应消息，解析响应消息，获取响应消息包含的主时 钟设备接收到延时校正申请消息的时间T4；

根据T1、T2、T3和T4计算传输延迟，根据T1、T2、T3和传输延迟计 算T3的主时钟等效值；

将T3的主时钟等效值与同步以太网时钟的计数值进行求和运算，根据 求和运算结果调整时钟输出。

优选地，根据T1、T2、T3和T4计算传输延迟具体包括：用T2与T4 之和减去T1与T3之和，用相减结果除以2以获得传输延迟；根据T1、T2、 T3和传输延迟计算T3的主时钟等效值具体包括：用T1与传输延迟之和加 上T3与T2之差以获得T3的主时钟等效值。

优选地，根据相邻两次的T1和T2计算频差系数，用该频差系数分别乘 以T2和/或T3以修正T2和/或T3，所述根据相邻两次的T1和T2计算频差 系数具体包括：用相邻两次T1之差除以相邻两次T2之差以获得频差系数。

优选地，在接收到主时钟设备发送的同步消息时启动定时器，定时器达 到预设时间时，向主时钟设备发送延时校正申请消息。

进一步优选地，所述预设时间范围为2M至2M+1，所述M为主时钟设备 根据自身数据处理能力指示的延时校正申请消息最小发送间隔。

本发明实施例还提供了一种时钟同步系统。该系统包括：第一获取单元、 第一记录单元、第二记录单元、时钟计数单元、第二获取单元、第一计算单 元和调整单元，其中：

所述第一获取单元，用于在接收到主时钟设备发送的同步消息后，解析 同步消息，获取同步消息包含的同步消息发送时间T1；

所述第一记录单元，用于记录同步消息到达时本地晶振的时钟计数T2；

所述第二记录单元，用于在向主时钟设备发送延时校正申请消息时记录 本地晶振的时钟计数T3；

所述时钟计数单元，用于在向主时钟设备发送延时校正申请消息时启动 对同步以太网时钟的计数；

所述第二获取单元，用于在接收时延校正申请响应消息后解析响应消息， 获取响应消息包含的主时钟设备接收到延时校正申请消息的时间T4；

所述第一计算单元，用于根据T1、T2、T3和T4计算传输延迟，根据 T1、T2、T3和传输延迟计算T3的主时钟等效值；

所述调整单元，用于根据T3的主时钟等效值与对同步以太网时钟的当 前计数值之和调整时钟输出。

优选地，所述第一计算单元用T2与T4之和减去T1与T3之和，用相减 结果除以2以获得传输延迟；用T1与传输延迟之和加上T3与T2之差以获 得T3的主时钟等效值。

优选地，所述系统还包括第二计算单元和修正单元，第二计算单元用于 根据相邻两次的T1和T2计算频差系数；所述修正单元用于将频差系数分别 乘以T2和/或T3以修正T2和/或T3，所述第二计算单元用相邻两次T1之差 除以相邻两次T2之差以获得频差系数。

优选地，所述系统还包括定时器，该定时器在接收到主时钟设备发送的 同步消息时启动，在定时器达到预设时间时向主时钟设备发送延时校正申请 消息。

优选地，所述预设时间的范围为2M至2M+1，所述M为主时钟设备根据 自身数据处理能力指示的延时校正申请消息最小发送间隔。

本发明实施例分别从同步消息和延时校正申请响应消息中解析出T1、 T4，在同步消息到达时记录本地晶振的时钟计数T2，在发送延时校正申请消 息时记录本地晶振的时钟计数T3，并在发送申请消息时启动计数，通过T1、 T2、T3和T4计算出T3的主时钟等效值，根据该等效值与同步以太网时钟 当前计数值之和调整时钟输出。与现有技术相比，本发明实施例从同步消息 和延时申请响应消息中获得相应时间后，结合本地晶振计数，通过简单运算 得到T3的主时钟等效值，然后根据等效值与同步以太网的时钟计数之和调 整输出时钟，从而实现了时钟同步，由于避免了繁琐的计算，时钟同步的收 敛速度加快。而且，本发明实施例利用现有的同步以太网提供时钟，不需要 预先建设大量的GPS天线和室内转发设备，不需要对晶振设备进行特殊限 制，省掉了运营商GPS部署费用，从而降低了成本。此外，本发明实施例利 用同步以太网而不采用GPS，有网络的地方即可传递时钟，时钟同步过程不 再受天气影响，解决了恶劣气候情况下系统间容易失步、出现高掉话率 的问题。

图1为现有技术的时钟同步的原理图；

图2为本发明的一个方法实施例的流程图；

图3(a)为图2所述实施例的一个实例的流程图；

图3(b)为图3所述实例的硬件模块图；

图4为本发明的系统实施例的组成框图。

本发明实施例提供了一种新的时钟同步方法和相应系统，该方法和系统 从同步消息和延时校正申请响应消息中解析出T1、T4，在同步消息到达时记 录本地晶振的时钟计数T2，在发送延时校正申请消息时记录本地晶振的时钟 计数T3，并在发送申请消息时启动计数，通过T1、T2、T3和T4计算出T3 的主时钟等效值，根据该等效值与同步以太网时钟当前计数值之和调整时钟 输出，从而通过简单的计算实现了时钟同步过程，由于避免了繁琐的运算， 提高了时钟同步的收敛速度；由于不采用GPS和OCXO，不需要进行天线架 设和室内设备购置，降低了成本，时钟同步过程不再受天气影响。

为便于理解本发明的技术方案和技术特征，下面先概要介绍现有技术的 时钟同步的原理，然后结合本发明的附图和实施例对本发明进行详细叙述。

美国电气和电子工程师协会(IEEE)于2000年开始针对工业测量和控 制应用领域的标准同步协议精确时间同步协议(Precision Time Protocol，简 称PTP协议，又称1588协议)进行开发，用于满足工业测量和控制等应用 领域的特殊需求，如分布式环境、微秒或亚微秒精度、无需管理等应用领域。 随着来自其他应用领域同步需求的日益增长，IEEE在2002年发布的1588v1 基础上，开发了增强特性版本，即IEEE 1588TM‑2008，简称1588v2。1588v2 可满足包括测量与控制、工业自动化、军事以及电信系统等众多领域对频率 和时间同步的需求。1588组网采用主从式拓扑结构，对于处于末端的而 言，通常仅实现协议中slave模式的ordinary clock(普通时钟)即可。

参见附图1，该图示出了时钟同步的原理。时间同步过程通过PTP协议 消息交互，在slave(从)端计算相对于主时钟的传输延迟(Delay)和时间 偏移(Offset)，利用该传输延迟和时间偏移逐渐修正本地时钟，最终逼近主 时钟。PTP协议时钟同步机制的系统包含一个主时钟和多个从时钟，时间同 步主要通过对在发送方和接收方中包含时间的信息打时间戳，并在接收方根 据时间戳计算出主时钟的时间偏差和时间信息在网络中传输的延时来实现。 PTP协议定义了四种消息类型，包括Sync(同步消息)、FollowUp(跟随消 息)、DelayReq(延时校正申请消息)和DelayResp(时延校正申请响应消息)。 主从时钟的差异主要由时钟偏差Offset和信息包在网络的传输延迟Delay构 成。PTP协议时钟同步机制主要分为两个阶段，偏移校正和延时校正阶段。

在偏移校正阶段，即图中的A阶段，首先由主时钟在T1时刻发出Sync 消息到从时钟，在Sync消息中包含一个时间戳，描述了数据发出的预计时间。 由于同步消息包含的是预计发出时间而不是真实发出时间，Sync消息真实的 发出时间被测量后由随后的FollowUp消息中发出。在从时钟一方，记录下 Sync消息真实的接收时间T2，由T1和T2可计算出从时钟相对于主时钟的 时间偏差T_ms：T_ms＝T2‑T1。可由该时间偏差来校正从时钟，但由此计算 出来的结果包含有时间信息在网络中传输造成的延时，因此还需要进行延时 校正。

在延时校正阶段，即图中的B阶段。首先由从时钟发出DelayReq信息 到主时钟，从时钟记录下发送时间T3，主时钟记录下接收的准确时间T4， 并将该时间通过DelayResp返回到从时钟，从时钟通过这两个时间计算出网 络延时T_sm＝T4‑T3。由此得到，offset＝(T_ms‑T_sm)/2，Delay＝(T_ms+T_sm) /2。计算出offset和Delay后即可据此修正本地时钟时间。

如前述所述，为实现时钟同步，现有技术基于上述原理借助GPS和 OCXO进行时钟同步，这种方式存在诸多缺点。为此，本发明实施例提供了 一种时钟同步方法。参见附图2，该图示出了本发明的一个实施例的流程图， 本实施例的时钟同步方法包括：

步骤S201：接收主时钟设备发送的同步消息，解析同步消息，获取该同步 消息包含的同步消息发送时间T1；记录同步消息到达时本地晶振的时钟计数 T2；

为实现时钟同步，主时钟设备会定时或周期性地发送同步消息，同步消息 中包含有主时钟设备发送该同步消息的发送时间T1，该T1是标准时间。侧 接收到同步消息后，对同步消息进行解析，获得同步消息包含的T1。在 侧接收到同步消息时(同步消息达到时)记录本地晶振的时钟计数T2，该T2 是从时钟时间，相对于主时钟存在偏移。这里需要说明的是：无论主时钟设 备，还是从时钟设备，均是通过对时钟脉冲进行计数得到时间的，T1、T2以 时钟脉冲数量值的形式存在。

步骤S202：向主时钟设备发送延时校正申请消息，记录发送该申请消息时 本地晶振的时钟计数T3，并启动对同步以太网时钟的计数；

接收到同步消息后，将向主时钟设备发送延时校正申请消息，这里值 得注意的是发送延时校正申请消息可以在接收到同步消息后的任何时刻进 行，但是在实际应用场合，为了留出有关器件本身存在的延时，本发明优选 设定一个定时器，在定时器的预设时间到来时才发送延时校正申请消息。在 发送该申请消息时需要对本地晶振时钟计数T3进行记录，并启动对同步以太 网时钟的计数。这里启动对以太网时钟计数可通过中断的方式进行，即在发 出延时校正申请消息时产生一个中断，由该中断通知进行时钟计数。

步骤S203：接收时延校正申请响应消息，解析并获取该响应消息包含的主 时钟设备接收到延时校正申请消息的时间T4；

侧向主时钟设备发送延时校正申请消息后，主时钟设备将向侧返 回时延校正申请响应消息，该响应消息包含主时钟设备接收到时延校正申请 的时间T4，侧获得响应消息后从中解析出该时间T4。

步骤S204：根据T1、T2、T3和T4计算传输延迟，根据T1、T2、T3和传输 延迟计算T3的主时钟等效值；

按照前述步骤得到T1、T2、T3和T4之后，即可根据该四个量计算传输延 迟delay，具体计算传输延迟的方式很多，不同方式之间仅是运算公式上的差 别，本发明实施例优选用T2与T4之和减去T1与T3之和，再用相减的结果除以 2以获得传输延迟delay，公式为：delay＝[(T2+T4)‑(T1+T3)]/2。得到传输延迟 delay，即可根据根据T1、T2、T3和传输延迟计算T3的主时钟等效值，该主时 钟等效值为T3时刻对应的主时钟的标准时间，等效值的具体计算方式也很多， 本发明优选按照如下的公式计算：T3时刻的标准时间＝T1+delay+(T3‑T2)。

步骤S205：将T3的主时钟等效值与同步以太网时钟当前计数值进行求和运 算，根据求和运算结果调整时钟输出。

在步骤S202中启动了对同步以太网时钟的计数，当计算出T3的主时钟等效 值时，即可终止对以太网时钟脉冲的计数。然后用T3的主时钟等效值加上同 步以太网时钟当前计数值，该求和结果反映了与主时钟的同步时钟。由于时 钟信号通过脉冲的形式发出，得到上述求和结果后，用该结果调整脉冲的输 出位置，由此得到精确时钟。

本实施例从同步消息和时延校正申请响应消息中解析出T1、T4，在同步消 息到达时记录本地晶振的时钟计数T2，在发送延时校正申请消息时记录本地 晶振的时钟计数T3，并在发送申请消息时启动计数，通过T1、T2、T3和T4计 算出T3的主时钟等效值，根据该等效值与同步以太网时钟当前计数值之和调 整时钟输出。与现有技术相比，本实施例从同步消息和时延响应消息中获得 相应时间后，结合本地晶振计数，通过简单运算即可得到T3的主时钟等效值， 然后根据等效值与同步以太网的时钟计数之和调整输出时钟，从而实现了时 钟同步，由于避免了繁琐的计算，时钟同步的收敛速度加快。而且，本实施 例利用现有的同步以太网提供时钟，不需要预先建设大量的GPS天线和室内转 发设备，采用普通晶振设备，省掉了运营商GPS部署费用，从而降低了成本。 此外，本实施例利用同步以太网而不采用GPS，有网络的地方即可传递时钟， 时钟同步过程不再受天气影响，解决了恶劣气候情况下系统间容易失步、 出现高掉话率的问题。

上述实施例中T2、T3是通过对本地晶振的时钟计数进行记录得到的，在实 际应用场合，由于本地晶振通常与同步以太网恢复时钟之间存在频差，为了 得到同步时钟结果更为精确，需要对T2、T3进行补偿，补偿的方式是先计算 频差系数，利用该频差系数作为调整因子对原T2、T3进行修正。频差系数按 照如下公式进行计算：

coeff_freq＝(T1cur‑T1prev)/(T2cur‑T2prev)

式中：coeff_freq为频差系数，T1cur、T2cur为当前得到的T1和T2，T1prev、T2prev 为前次得到的T1和T2。计算出频差系数后用该系数分别乘上T2和T3即可实现 对T2、T3的修正。需要说明的是：通常情况应当将T2和T3均进行修正，但是 仅对其中任何一个进行调整也不妨碍本发明的发明目的。

上述实施例计算出频差系数coeff_freq和传输延迟delay后，可直接用于计 算T3时刻的主时钟等效值，但在实际应用中，本发明优选对上述两个量进行 滤波处理，以便平滑异常值，补偿晶振的温度漂移。

上述实施例在接收主时钟设备发送的同步消息和发送延时校正申请消息 之间没有限定时间间隔，尽管这样并不妨碍本发明的发明目的的实现。但是， 在实际应用过程中，鉴于侧硬件的实现问题和主时钟设备的数据处理能 力，较难做到在接收到同步消息后马上发送申请消息，通常这两者存在延迟， 即使两个操作前后相序无缝衔接，对于同步时钟的计算也未必更为精确。因 此，本发明优选设定一个定时器，该定时器在接收到主时钟设备发送的同步 消息时启动，当定时器的预设时间到来时，侧向主时钟设备发送延时校 正申请消息。这里的预设时间可以根据经验进行设定，也可以根据主时钟设 备的指示进行设定。主时钟设备根据自身的数据处理能力，向从时钟发送最 小发送间隔delay_req_interval(M)，该delay_req_interval值通过主时钟设备 发送的时延响应消息delay_resp到达从时钟设备，从时钟设备在下次发送时 延申请消息时即根据该发送间隔进行发送调整，将定时器的预设时间设置在 2delay_req_interval至2delay_req_interval+1范围之内。

为了更清楚地说明本发明的时延同步方法，下面以一个具体实例进行说 明。参见附图3和图4，图3示出了本实例的流程图，图4示出了本实例的 硬件模块结构图。本实例的时钟同步过程具体包括：

步骤S301：初始化PHY和PTP协议处理模块。PHY指物理层，OSI的 最底层，这里指与外部信号接口的芯片。

步骤S302：PHY从同步以太网中提取同步时钟，并通过PLL模块(Phase Locked Loop，锁相环)将提取的以太网同步时钟输出到FPGA。

步骤S303：PHY检测同步消息Sync是否到来。

步骤S304：如果检测到Sync消息，则由PHY将本地晶振产生的时钟计 数T2插入到Sync消息报文的扩展字段，将打有T2时间戳的报文提交给CPU 的PTP协议处理模块；在检测到Sync消息时启动定时器。CUP是运行PTP 协议、对PTP协议进行处理的功能单元，该单元包括多个功能层，PTP协议 处理模块是CPU内的一个子模块。

步骤S305：PTP协议处理模块解析出T1和T2后进行缓存，并计算t_ms 和频差系数coeff_freq，利用频差系数修正T2。t_ms表示主时钟到从时钟 的时延，t_ms＝T2‑T1：频差系数coeff_freq＝(T1cur‑T1prev)/(T2cur‑T2prev)， 将T2乘以频差系数后的结果作为新的T2缓存。

步骤S306：判断定时器的预设时间是否到来，如果到来，则执行步骤 S307；

步骤S307：PHY调用注册到网络驱动程序的回调函数发送延时校正申 请消息delay_req；在发送delay_req消息时PHY产生中断通知FPGA，由FPGA 对同步以太网时钟进行计数。

步骤S308：delay_req消息发送完成后，通过回调函数从本地晶振产生的 时钟计数获得发送delay_req消息的发送时间T3，将T3传递到PTP协议处 理模块。

步骤S309：PHY检测到主时钟的延时校正响应消息delay_resp消息后， 传递给PTP协议处理模块，由该模块从响应消息中解析出主时钟接收 delay_req消息的时间T4；

步骤S310：PTP协议处理模块根据T3和T4计算出t_sm，利用t_ms、 t_sm计算出传输时延delay和T3时刻对应的主时钟等效值。t_sm表示从时 钟到主时钟的时延，t_sm＝T4‑T3；T3时刻的主时钟等效值＝ T1+delay+(T3‑T2)。本步骤中也可以对T3进行校正。

步骤S311：将计算出的T3时刻的主时钟等效值配置到FPGA，即向FPGA 配置时间为：T1+(T3‑T2)*coeff_freq+Delay；

步骤S312：停止FGPA计数，记录下此时的t_fpga，将配置到FGPA的 T3等效值加上该计数值t_fpga，相加后的结果作为1pps输出时刻的基准。

上面详细描述了本发明的方法实施例，相应地，本发明还提供了一种时 钟同步的系统。参见附图4，本系统实施例400包括：第一获取单元401、第 一记录单元402、第二记录单元403、时钟计数单元404、第二获取单元405、 第一计算单元406和调整单元407，其中：

所述第一获取单元401，用于在接收到主时钟设备发送的同步消息后解 析同步消息，获取同步消息包含的同步消息发送时间T1；

所述第一记录单元402，用于记录同步消息到达时本地晶振的时钟计数 T2；

所述第二记录单元403，用于在向主时钟设备发送延时校正申请消息时 记录本地晶振的时钟计数T3；

所述时钟计数单元404，用于在向主时钟设备发送延时校正申请消息时 启动对同步以太网时钟的计数；

所述第二获取单元405，用于在接收时延校正申请响应消息后解析响应 消息，获取响应消息包含的主时钟设备接收到延时校正申请消息的时间T4；

所述第一计算单元406，用于根据T1、T2、T3和T4计算传输延迟，根 据T1、T2、T3和传输延迟计算T3的主时钟等效值；

所述调整单元407，用于根据T3的主时钟等效值与同步以太网时钟当前 计数值之求和调整时钟输出。

本系统实施例的工作过程是：第一获取单元401在接收到主时钟设备发 送的同步消息后解析并获取该同步消息包含的同步消息发送时间T1；第一记 录单元402记录同步消息到达时本地晶振的时钟计数T2；然后在向主时钟设 备发送延时校正申请消息时，由第二记录单元403记录本地晶振的时钟计数 T3，并触发时钟计数单元404启动对同步以太网时钟的计数；在接收时延校 正申请响应消息后，由第二获取单元405解析并获取该响应消息包含的主时 钟设备接收到延时校正申请消息的时间T4；接下来，第一计算单元406根据 T1、T2、T3和T4计算传输延迟，根据T1、T2、T3和传输延迟计算T3的 主时钟等效值；调整单元407根据T3的主时钟等效值与同步以太网时钟当 前计数值之求和调整时钟输出。

本系统实施例从同步消息和时延校正申请响应消息中解析出T1、T4，在 同步消息到达时记录本地晶振的时钟计数T2，在发送延时校正申请消息时记 录本地晶振的时钟计数T3，并在发送申请消息时启动计数，通过T1、T2、 T3和T4计算出T3的主时钟等效值，根据该等效值与同步以太网时钟当前 计数值之和调整时钟输出。与现有技术相比，本系统实施例从同步消息和时 延响应消息中获得相应时间后，结合本地晶振计数，通过简单运算即可得到 T3的主时钟等效值，然后根据等效值与同步以太网的时钟计数之和调整输出 时钟，从而实现了时钟同步，由于避免了繁琐的计算，时钟同步的收敛速度 加快。而且，本实施例利用现有的同步以太网提供时钟，不需要预先建设大 量的GPS天线和室内转发设备，采用普通晶振设备，省掉了运营商GPS部 署费用，从而降低了成本。此外，本实施例利用同步以太网而不采用GPS， 有网络的地方即可传递时钟，时钟同步过程不再受天气影响，解决了恶劣气 候情况下系统间容易失步、出现高掉话率的问题。

上述系统实施例的第一计算单元可按照如下方式进行计算：用T2与T4 之和减去T1与T3之和，用相减结果除以2以获得传输延迟；用T1与传输 延迟之和减去T3与T2之差以获得T3的主时钟等效值。

上述系统实施例还可以包括第二计算单元和修正单元，第二计算单元用 于根据相邻两次的T1和T2计算频差系数；所述修正单元用于将频差系数分 别乘以T2和/或T3以修正T2和/或T3，所述第二计算单元用相邻两次T1之 差除以相邻两次T2之差以获得频差系数。通过该两个单元可实现对T2、T3 的修正，补偿同步以太网恢复时钟与本地晶振之间的频差，有利于更精确地 实现时钟同步。

上述系统实施例还可以包括定时器，该定时器在接收到主时钟设备发送 的同步消息时启动，在定时器达到预设时间时向主时钟设备发送延时校正申 请消息。此处的预设时间一般取值范围为2M至2M+1，所述M为主时钟设备 根据自身数据处理能力指示的延时校正申请消息最小发送间隔。通过该定时 器能调节接收同步消息与发送延时校正申请消息之间的间隔，满足实际应用 场合的需要。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明 的保护范围之内。