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一种快速实时网络时钟MTIE评估算法

2020-07-29王铮齐昕陈旭东王敬

计算机与网络 2020年10期

王铮 齐昕 陈旭东 王敬

摘要:介绍了一种快速实时的网络时钟最大时间间隔误差(MTIE)评估算法的实现方法和测试结果。MTIE算法是一种通信网络领域重要的时间信号特性评估算法,它可以识别出在给定观测窗口内的最大相位差。描述了快速实时网络时钟MTIE评估算法,实现了MTIE曲线的实时计算,并针对算法效率进行了对比测试。测试结果表明,快速实时MTIE算法可以有效减小运算量,并提高计算效率。

关键词:实时运算;网络时钟测试评估;时钟稳定度

中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:1008-1739(2020)10-64-4

0引言

MTIE算法作为时钟漂移和抖动评估的重要数据处理手段,在通信领域有着广泛的应用,依据通信行业时钟测试与评估标准,部分测试模板测试时间长达120 000 s[1],传统测试采取先采集数据后处理的方式,测试停止后集中运算对处理要求较高、处理时间长,且无法实时查看测试结果。本文介绍了一种快速实时MTIE算法,在数据采集过程中实时计算MTIE结果,测试人员可及时了解测试情况,缓解数据采集结束后的运算压力,适合网络时钟分析仪使用。

1 MTIE算法

1.1基本定义

时间间隔误差(Time Interval Error,TIE)是指在特定时间周期内,一个给定信号相对于理想信号的时延变化[2]。MTIE是指在一个测量周期内,一个给定窗口内的最大相位变化[2]。MTIE和TIE的定义示意图如图1所示。

如果对于给定的时延误差值以0为取样间隔进行采样,结果形成个等间隔取样{ },则最大时间间隔误差能够用以下公式估计:

式中,表示时延的抽样数据;表示抽样数据的总数;0表示取样间隔;表示观测时间内的抽样数。

MTIE算法是在通信领域常用的一种重要的时间信号分析方法[3],依据给定的窗口大小获取窗口内最大时间变化量的算法。MTIE对于一个单个的极值、非定常值或奇异值非常敏感,同时MTIE曲线同样可以反映频率信号的稳定性和准确度[4]。

1.2直接搜索MTIE算法描述

2快速实时法计算MTIE

快速搜索方法是在直接搜索法基础上,通过记录窗口内最大值和最小值位置的方式,避免了在窗口移动过程中的重复求最大值和最小值的方法[6],在窗口移动过程中,其处理方法如图4所示。

对已给定的窗口值,第一次通过最大值和最小值算法求出最大值和最小值及位置。窗口向右移動时,首先判断上一窗口位置最大值或最小值是否移出窗口。若移出窗口,则重新搜索最大或最小值;若未移出窗口,则比较最新进入窗口的值和原最大值和最小值的大小关系,更新或维持最大值和最小值。

加速算法可以大幅度减少重复运算,提高MTIE运算程序执行速度,在快速搜索的基础上,采用实时方法进一步针对MTIE算法进行改进,将其更改为实时运算,主要应用到的中间量为行3列的矩阵Cache,矩阵行号代表窗口大小、矩阵第一列为窗口最大值坐标、矩阵第二列为窗口最小值坐标、矩阵第三列为窗口的MTIE值,单次实时运算流程如图5所示。

主要程序设计流程如下:

①采集数据;

②复制Cache矩阵第-1列,插入列;

③依次判断各最终窗口最大、最小值是否离开窗口;

④若最大值或最小值离开窗口,则重新搜索当前窗口最大或最小值,作为新的窗口最大和最小值,执行步骤⑥;

⑤若未离开窗口直接执行步骤⑥;

⑥依次比较Cache中的第1列、第2列指向的最大数和最小数进行比较,若新增数据大于最大值或小于最小值,则以新增数据替换该行最大值和最小值,并计算最大值和最小值之差,与Cache矩阵第3列值进行比较,若大于第3列值,则替换该值,否则维持Cache矩阵该行不变;

⑦依次更新Cache矩阵原有各行;

⑧对第行,无需判断窗口最大值和最小值是否离开窗口,直接执行步骤④即可;

⑨等待采集新数据后,重复步骤①~⑧;

⑩直至数据采集数量达到要求后,Cache矩阵第3列记为MTIE曲线坐标值。

Cache矩阵的数据处理流程如图6所示。

3算法效率分析

直接搜索法针对样本数量为的数列进行计算式时,均需要针对数列进行( -1)次个窗口运算,每个窗口运算需要进行( - -1)次窗口滑动,每个窗口需要进行次比较以计算最大、最小值,其算法时间复杂度为(2)。快速实时MTIE算法与直接搜索MTIE算法相比,通过记录窗口最大值和最小值的位置,可有效减少搜索窗口最大值和最小值的次数,实现了算法时间复杂度的降低,算法时间复杂度仍为(2)。

为了测试、比较快速实时MTIE算法与直接搜索算法的运算效能,使用Stable32软件生成随机相位噪声数列,并分别使用快速实时MTIE算法和直接搜索MTIE算法同时针对噪声数列求取MTIE曲线,并记录运算时间,测试环境为Windows7系统,使用Matlab2017进行算法仿真运算。其中,采用直接计算法计算1~10 000采样数据时,运算时间—样本数目统计图。采用快速实时算法每次接收到测量数据后,单次实时运算时间—样本个数统计图如图7所示,累积计算用时—样本个数统计图如图8所示。

经比较,快速实时MTIE算法,单次运行时间与样本累积个数具有线性增长关系,总运行时间与样本个数成二次曲线关系。直接搜索法运行时间与样本个数也成二次曲线关系,但由于其重复运算过多算法效率低于快速实时MTIE算法。因此,快速实时MTIE算法可提高MTIE曲线计算效率,并可在数据采集过程中进行实时运算,并实时展示计算结果,可及时发现测试过程中被测时钟故障,及时停止测试并进行维修,适用于应用在网络时钟测试中。

4结束语

通过快速实时MTIE算法,可满足在数据采集过程中实时运算MTIE计算结果的设计要求,使用实时算法缓解了数据采集结束后的运算压力,使得时钟测试结果实时可见,测试人员可随时了解时钟运行状况,及时发现并处理故障。同时快速实时MTIE算法可有效减少运算量、提高计算效率,适合网络时钟分析仪中使用。

参考文献

[1] ITU-T.Definitions and Terminology for Synchronization Networks:ITU-T G.810[S],1996.

[2]中华人民共和国信息产业部.数字同步网独立型节点从钟设备技术要求及測试方法:YD/T 1011-1999[S].北京:人民邮电出版社,1999.

[3]王亚梅,余学锋.频率源时间量特性表征方法及其分析[J].计量与测试技术,2007(11):60-61,64.

[4]余学锋,张红清,李培.最大时间间隔误差计算方法及其分析[J].宇航计测技术,2007(3):39-42,47.

[5] DOBROGOWSKI A, KASZNIA M.Testing of the Methods of Real-time MTIE Calculation[C]//Frequency Control Symposium and Exposition, Proceedings of the 2005 IEEE International,Aug.29-31,2005:397-403.

[6] Dobrogowski A, Kasznia M.Some Concepts of the Real-time MTIE Assessment for Multi-channel Time Error Measurement[C]//IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings,2012.

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