一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，以PTP报文中的时间戳作为观测值,对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率进行计算,以计算值对时钟进行补偿,同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度。旨在改善由于RRU时钟晶振的硬件特征决定的时钟频率漂移而造成的时间戳计数偏差，从而导致高精度时间同步的瞬时抖动现象，可以有效提高PTP时间同步的收敛精度，保证RRU业务运行的可持续稳定性和峰值吞吐量，降低运营商的基站维护成本。的基站维护成本。的基站维护成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法


[0001]本专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法。

技术介绍

[0002]IEEE 1588 的全称是网络化测量和控制系统的精密时钟同步协议，通常称为精密时间协议 (PTP，Precision Time Protocol)。一般使用 IEEE 1588 精密时间协议的目的是在以太网中保持不同结点之间的精确时间同步、频率同步。在工厂自动化、测量以及通信中也需要大量应用要求非常精密的时间同步，这通常会超出以标准软件方式的解决方案所能提供的范围。
[0003]室内基带处理单元(Building Base band Unit，BBU) 作为主时钟，射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU) 作为从时钟。BBU 依赖 GPS 实现全网时钟同步，RRU通过 Synchronous Ethernet（SyncE）+PTP 模式与 BBU 保持时钟同步。
[0004]RRU 从 BBU 恢复 SyncE 频率(一般为 156.25MHz 或其整数倍)作为DCO的参考频率源输入。PTP 同步是通过不断调节本地TSU (Time Stamp Unit）的ToD和DPLL 的频差，使offset 趋近于0。通常，PTP对时钟芯片的调节主要分为三类：时间粗调，频率粗调，频率微调。时间粗调根据计算的offset 直接调整 TSU 的 ToD将时间偏差保持在 1 秒内，频率粗调将 offset 转换为频差，直接调整时钟芯片的频率控制字 FCW（Frequency Control Word）。频率微调主要针对时钟伺服器进入 Servo_Locked_Stable(S3)状态时，将offset转换为频差，微调时钟芯片的相位控制字(PCW,Phase Control Word)。
[0005]IEEE 1588是一种时间同步的协议，可用于设备之间的高精度时间同步、频率同步。PTP 的时间同步精度为纳秒级，然而，有一些缺陷会导致BBU与RRU之间时间传输的准确性。这些主要是由于传输路径不对称和数据包延迟变化。通常IEEE 1588假设消息传入和传出是以路径对称延时传输，事实上并非如此。路径不对称可以通过手动缓解，但一般情况下很难完全消除。由于是通过在报文中加入时间戳来传递时间信息，故要求中间链路双向时延必须保持一致，时延不一致会引起相位测量偏差，从而对时间精度造成一定的影响。另外，时间精度还会受丢包等因素的影响。而且使用软件实现 IEEE 1588 协议栈的设置，还会因为软件处理流程和操作系统的多任务导致协议栈处理延时的抖动，因此，如果采用软件方式来实现 IEEE 1588v2 协议将很难达到预期的传输高精度时间同步的要求。
[0006]一般来说，BBU 采用较高精度的恒温晶振（Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO） 作为本地时钟源，以 SyncE将高精度的频率时钟信号传给下级 RRU， RRU的物理层从SyncE 提取频率时钟信号，保证 RRU 和 BBU 之问的精确频率同步。这样做的好处，RRU 无须使用成本较高OCXO ，只需使用较为低廉的TCXO 就可以做到高精度的频率同步。TCXO(Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator)具有确定的温度
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频率特性，正因如此，使其在受温度影响的同时，频率会随温度的变化而变化。同时，TCXO的破坏和老化也会引起频率的不稳定，测试过程中温度升高会导致TCXO的漂移，不免会出现
时间戳异常，该专利技术可以过滤该异常值，使整个同步系统不受干扰。
[0007]由于卡尔曼滤波器能够有效地消除噪声对测量值的干扰, 卡尔曼滤波器在时钟同步中的应用也得到了深入的研究。它是一种最优状态估计算法，可以提取精确信息。它综合利用上一次的状态和测量值来对delay的状态进行预测估计，针对任何一种含有不确定信息的动态系统中使用卡尔曼滤波，对系统下一步的走向做出有根据的预测，即使伴随着各种干扰，它总是能指出真实发生的情况。本专利技术通过卡尔曼滤波器算法对主从时钟之间的delay进行估计, 使用估计值对从时钟进行补偿与修正。该方法能够消除从时钟的不稳定性对时钟同步的影响。
[0008]滑动窗口算法可以在给定窗口大小的数组上进行操作，可以降低问题的复杂度，进而减少时间复杂度。

技术实现思路

[0009]在实际应用中，考虑到RRU受到温度等外界因素以及TCXO晶体振荡器自身老化的影响, 时钟的频率偏移不是固定不变的。故为了充分考虑异常情况，进一步提高测试数据的稳定性和精度。本专利技术主要通过滤波算法过滤一些由于晶振不稳定引起的时间戳异常的现象。
[0010]为达到上述目的，本专利技术的技术方案实现如下：一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，以PTP报文中的时间戳作为观测值, 对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率同时进行计算, 以计算值对时钟进行补偿, 同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度，具体包括以下步骤：步骤1：two_step的工作模式下，主时钟周期性发出 Sync 报文，并记录下 Sync 报文精确发送时间 t1，主时钟将精确发送时间 t1 封装到 Follow_up 报文中，发送给从时钟；从时钟记录 Sync 报文到达从时钟的精确时间为t2，当所述Sync 报文到达从时钟，PTP事件报文发送时戳寄存器和sequenceId寄存器，寄存器有更新时，触发中断。
[0011]步骤2：从时钟发出 Delay Req 报文并且记录下 Delay Req报文的精确发送时间 t3；主时钟记录下 Delay Req 报文到达主时钟的精确到达时间 t4；主时钟发出携带精确时间戳 t4 的 Delay Resp 报文给从时钟。
[0012]步骤3：从时钟可以得到 t1、 t2、 t3、 t4 四个时间戳，利用t1~t4时间戳，计算得出原始delay，offset值，通过利用卡尔曼滤波方法得到观测值，在每次同步过程中，重复对时钟偏差，时钟漂移以及时钟变化率进行估计。使用滤波后的值对网络延时进行补偿，同时对时钟模型的参数进行修正。
[0013]步骤4：对offset值进行滤波，得到offset_k值，进而对从时钟进行微调，并将滤波后的offset_k值送入时钟芯片DCO进行修正，然后计算均方差rms。
[0014]其中，p表示PTP报文的发包频率，当p=1时表示一秒一次；p=16表示一秒16次。当p=16时，则表示为一秒中第n个offset值（），表示一秒内offset的平均值。
[0015]进一步的，所述步骤3具体为：然后利用卡尔曼算法对状态进行估计，得到滤波后的delay值。
[0016]进一步的，所述步骤4具体为：首先根据计算后的offset值，依次存储N个offset数据，其中N表示滑动窗口大小，每次处理offset时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，以PTP报文中的时间戳作为观测值, 对时钟偏差、频率偏差、以及频率变化率进行计算, 以计算值对时钟进行补偿, 同时修正时钟模型,提高主从节点之间的时钟同步精度，具体包括以下步骤：步骤1：两步时钟模式two
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step下，主时钟周期性发出 Sync 报文，并记录下 Sync 报文精确发送时间 t1，主时钟将精确发送时间 t1 封装到 Follow_up 报文中，发送给从时钟；从时钟记录 Sync 报文到达从时钟的精确时间为t2，当所述Sync 报文到达从时钟，PTP事件报文发送时戳寄存器和sequenceId寄存器，寄存器有更新时，触发中断；步骤2：从时钟发出 Delay Req 报文并且记录下 Delay Req报文的精确发送时间 t3；主时钟记录下 Delay Req 报文到达主时钟的精确到达时间 t4；主时钟发出携带精确时间戳 t4 的 Delay Resp 报文给从时钟；步骤3：从时钟可以得到 t1、 t2、 t3、 t4 四个时间戳，利用t1~t4时间戳，计算得出原始网络延时delay和主从时钟之间的时间偏差offset值；步骤4：对主从时钟之间的时间偏差offset值进行滤波，得到滤波后的offset_k值，并将滤波后的offset_k值送入时钟芯片DCO进行修正，然后计算均方差rms，所述均方差rms为RRU与BBU之间的时间差。2.根据权利要求所述的一种基于卡尔曼滑动窗口滤波的RRU高精度时钟同步方法，其特征在于，所述步骤1中：所述PTP事件报文包括：sync报文和delay_req报文，所述时戳寄存器为80bits时戳寄存器。3.根据权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：华得成，何玉军，武波，黄艮燕，
申请(专利权)人：南京典格通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：