论文摘要
以太网是目前全球使用最广泛的网络之一。作为IP网络的一种有效实现方式,以太网技术已经由桌面办公环境逐步进入到企业网、园区网和城域网的建设中。除了非实时的数据业务外,各种实时业务,如通过IP的电路仿真业务、流媒体业务和实时测控等都希望通过廉价的以太网进行传输。以太网最初的用途不是用来作为传输实时业务的,当通信网络演进到基于以太网的下一代网络时,必须在以太网中制定时钟同步的传输机制,以便提高恒定比特率业务的传输质量。本文主要围绕以太分组网络中时钟同步的关键问题进行了理论和实验研究,从以太网IP层、无线局域网中MAC层及以太物理层的角度出发,对网络中源时钟传输与恢复问题进行了研究,针对不同的应用环境提出了不同的时钟同步方法。另外,对以太无源光网络中电路仿真业务的时钟同步也进行了应用研究。本文的主要内容和贡献如下:首先论述了基于IP网络的源时钟恢复方法。从研究CBR分组业务间的IPDV的特点开始,提出了一种新的基于分组到达间隔的二次移动平均加PI控制器的源时钟恢复方法。该方法将统计平均和PI控制器结合起来,使恢复时钟的抖动功率可控,初始响应时间较快。文中还应用排队理论对单节点交换情况下的CBR分组的IPDV进行了分析,指出了其分布特性受网络背景流量影响的特点。最后,利用Parsavel关系式和z域中离散数学等分析工具,获得了在输入时钟样本具有弱相关性情况下时钟恢复算法的剩余输出抖动功率的解析式,同时,通过同步响应时间解析式的简化获得了响应时间低界的表达式。然后研究了基于以太网帧间隔(IPG)的带外时钟传输方法。在分析了IPG数据传输机理和数据传输帧格式基础上,提出了基于以太物理层中IPG的CBR业务同步时钟传输方法,并将同步剩余时戳(SRTS)的算法引入该方法中。基于IPG的剩余时戳同步算法是一种不受以太分组流量影响的带外时钟传输方法。文中通过连分数展开分析了恢复时钟的各阶抖动成分,解决了基于IPG的SRTS算法的参数选择问题,通过软件仿真和FPGA硬件实验证明了其优良的同步性能。接着,论文研究了以太无源光网络中电路仿真业务的传输方法。介绍了以太无源光网络的MAC层、PHY层及电路仿真业务在分组网络中的数据封装和时钟恢复方法。提出了基于频率比值计算的TDM over EPON的时钟同步方法。该方法能同时将多路具有独立时钟的E1信号经EPON系统传输。另外,用于恢复TDM的时钟无需特殊要求,频率可以各不相关,这为该时钟同步方法在实际应用中带来了便利。文中还给出了TDM业务在EPON系统中的时钟传输方法。本文最后研究了基于无线局域网的时钟同步方法。简述了WLAN中MAC层的功能、时钟模型和软件时钟同步的概念,在此基础上提出基于WLAN的信标的连续时钟同步算法,该算法的特点是利用了信标时戳作为公共参考时钟,将同步设备中的软件时钟同步到WLAN的AP定时时钟上去。这部分还对所提出的连续时钟同步算法在容错性能、抗信标延迟能力等方面进行了理论分析和NS2软件仿真,仿真结果证明了所提出的连续时钟同步算法能满足工业自动化的实时信号传输要求。
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