[发明专利]一种基于M估计稳健回归的时间触发以太网时钟补偿方法

摘要

本发明公开了一种基于M估计稳健回归的时间触发以太网时钟补偿方法，包括的步骤有首先运用时钟模型选择时钟拟合函数；然后通过TTE时钟同步算法，获取各同步主节点和从节点的补偿值；接着通过所述补偿值运用M估计稳健回归方法预测下一时钟周期的补偿值；最后采用动态值的渐进调整方法调整各个本地时钟值，实现时钟同步，并进入下一次时钟同步补偿流程，直至通信完成。本发明方法解决了时钟补偿过程中渐进补偿值选取困难的问题，避免了渐进补偿值依据经验值，不能很好适应于TTE的实时性要求的现象。

主权项

一种基于M估计稳健回归的时间触发以太网时钟补偿方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一，获取本地时钟的时钟补偿参数；步骤11，记录本地时钟；步骤12，协议控制帧的传输；步骤13，计算同步主节点的本地时钟补偿值；步骤14，计算从节点的本地时钟补偿值；步骤15，构建同步主节点本地时钟补偿模型；步骤16，获取同步主节点的本地时钟的补偿拟合函数；步骤17，获取从节点的本地时钟的补偿拟合函数；步骤二，采用稳健回归M估计方法预测同步主节点和从节点的本地时钟第一次时钟补偿值；步骤21，运用最小二乘算法得到同步主节点和从节点的第一次预测的初始补偿估计系数矩阵；步骤22，求得同步主节点和从节点的加权估计系数矩阵；步骤23，判断同步主节点和从节点估计系数矩阵的收敛性；步骤三，对同步主节点和从节点的本地时钟值进行补偿；步骤11，记录本地时钟；记录同步主节点在任意一个时钟周期里的本地时钟结束时刻在任意一个时钟周期里，第一个同步主节点SM1的本地时钟值记为第二个同步主节点SM2的本地时钟值记为第c个同步主节点SMc本地时钟值记为记录压缩主节点在任意一个时钟周期里的本地时钟结束时刻在任意一个时钟周期里，第一个从节点SC1的本地时钟值记为第二个从节点SM2的本地时钟值记为第b个从节点SCb的本地时钟值记为步骤12，协议控制帧的传输；在任意一个时钟周期里，首先，同步主节点向压缩主节点发送协议控制帧PCF，规定每个周期只发送一个协议控制帧PCF；然后，压缩主节点从接收到的协议控制帧PCF中提取出全局时钟周期结束时刻然后将发送给同步主节点和从节点最后采用压缩计算方法CCM对TTE网络的系统时间进行同步；步骤13，计算同步主节点的本地时钟补偿值；利用压缩主节点中任意周期结束时刻的全局时钟值与同步主－本地时钟结束进行对比，得到同步主节点的时钟补偿值和同步主节点的任意周期下时钟补偿值为和步骤14，计算从节点的本地时钟补偿值；利用压缩主节点中任意周期结束时刻的全局时钟值与从节点－本地时钟结束进行对比，得到从节点的时钟补偿值和从节点的任意周期下时钟补偿值为和步骤15，构建同步主节点本地时钟补偿模型；针对同步主节点的本地时钟模型记为为同步主节点MSM的本地时钟T本地相对于理想时钟T理想的时钟漂移；为同步主节点的高斯白噪声；针对从节点的本地时钟模型记为为从节点MSC的本地时钟T本地相对于理想时钟T理想的时钟漂移；为从节点的高斯白噪声；步骤16，获取同步主节点的本地时钟的补偿拟合函数；采用TTE时钟同步算法计算全局时钟T全局下的同步主节点MSM＝{SM1,SM2,…,SMc}的时钟信息记为然后以全局时钟T全局的时间点与所述的拟合得到全局时钟－同步主节点－时钟信息的线性模型dMSM表示同步主节点－时钟信息的截距，kMSM表示同步主节点－时钟信息的斜率，t表示参考时间；以同步主节点－本地时钟与全局时钟T全局之间的时钟差异，作为本地时钟的补偿，即同步主节点－本地时钟的补偿拟合函数记为令则可得到同步主节点－本地时钟的补偿拟合函数符合线性关系，即R(t)MSM为同步主节点MSM的本地时钟T本地与理想时钟T理想的关联时钟漂移率；步骤17，获取从节点的本地时钟的补偿拟合函数；采用TTE时钟同步算法计算全局时钟T全局下的从节点MSC＝{SC1,SC2,…,SCb}的时钟信息记为然后以全局时钟T全局的时间点与所述的拟合得到全局时钟－从节点－时钟信息的线性模型dMSC表示从节点－时钟信息的截距，kMSC表示从节点－时钟信息的斜率，t表示参考时间；以从节点－本地时钟与全局时钟T全局之间的时钟差异，作为本地时钟的补偿，即从节点－本地时钟的补偿拟合函数记为令则可得到同步主节点－本地时钟的补偿拟合函数符合线性关系，即第二步，采用稳健回归M估计方法预测同步主节点和从节点的本地时钟第一次时钟补偿值；选取不同时钟同步周期下的所有同步主节点MSM＝{SM1,SM2,…,SMc}的时钟补偿值，然后采用稳健回归法预测同步主节点的下一个时钟同步周期N+1的补偿值，且N＜Z；全局时钟T全局中包含有Z个时钟周期，在一个时钟周期T周期里只同步一次全局时钟T全局；第一个时钟周期记为第二个时钟周期记为第N个时钟周期记为第Z个时钟周期记为步骤21，运用最小二乘算法得到同步主节点和从节点的第一次预测的初始补偿估计系数矩阵；获取第一个同步主节点的初始补偿估计系数矩阵；选取不同时钟同步周期下第一个同步主节点SM1的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法第一次预测该同步主节点SM1的初始估计补偿系数矩阵；为了使第一同步主节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第一个同步主节点SM1时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素(即周期数)，为第一个同步主节点SM1时钟补偿值的估计残差值，为第一个同步主节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第一个同步主节点的估计残差平方和能够得到第一个同步主节点SM1的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；获取第二个同步主节点的初始补偿估计系数矩阵；选取不同时钟同步周期下第二个同步主节点SM2的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法预测该同步主节点SM2的下一个时钟同步周期N+1的补偿值；为了使第二同步主节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第二个同步主节点SM2时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素，为第二个同步主节点SM2时钟补偿值的估计残差值，为第二个同步主节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第二同步主节点的估计残差平方和能够得到第二个同步主节点SM2的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；获取第c个同步主节点的初始补偿估计系数矩阵；选取不同时钟同步周期下第c个同步主节点SMc的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法预测该同步主节点SMc的下一个时钟同步周期N+1的补偿值；为了使第c同步主节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第c个同步主节点SMc时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素，为第c个同步主节点SMc时钟补偿值的估计残差值，为第c个同步主节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第c同步主节点的估计残差平方和能够得到第c个同步主节点SMc的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；获取第一个从节点的初始补偿估计系数矩阵；选取不同时钟同步周期下第一个从节点SC1的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法第一次预测该从节点SC1的初始估计系数矩阵；为了使第一从节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第一个从节点SC1时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素，为第一个从节点SC1时钟补偿值的估计残差值，为第一个从节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第一从节点的估计残差平方和能够得到第一个从节点SC1的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；获取第二个从节点在下一个时钟同步周期的补偿；选取不同时钟同步周期下第二个从节点SC2的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法第一次预测该从节点SC2的初始估计系数矩阵；为了使第二从节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第二个从节点SC2时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素，为第一个从节点SC2时钟补偿值的估计残差值，为第二个从节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第二从节点的估计残差平方和能够得到第二个从节点SC2的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；获取第b个从节点在下一个时钟同步周期的补偿；选取不同时钟同步周期下第b个从节点SCb的时钟补偿值，分别记为通过最小二乘算法第一次预测该从节点SCb的初始估计系数矩阵；为了使第b个从节点的估计残差平方和的值最小，应满足对的偏导数以及对的偏导数均为0；则有：其中，为第b个从节点SCb时钟补偿值的估计残差平方和，i表示求和元素，为第b个从节点SCb时钟补偿值的估计残差值，为第b个从节点－本地时钟补偿值的拟合函数，为函数的初始估计截距，为函数的初始估计斜率；通过第b个从节点的估计残差平方和能够得到第b个从节点SCb的初始估计系数矩阵为其中：为初始估计系数矩阵；为自变量矩阵；为的转置矩阵；为因变量矩阵；步骤22，求得同步主节点和从节点的加权估计系数矩阵；运用M估计计算第一个同步主节点SM1的残差尺度和权重值；在中，为第一同步主节点SM1的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第一同步主节点SM1在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第一同步主节点SM1在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第一同步主节点SM1在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；η为一常量；其中，为第一个同步主节点SM1在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第一个同步主节点SM1的残差尺度与权重，得到加权估计系数矩阵为其中：为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；运用M估计计算第二个同步主节点SM2的残差尺度和权重值；在中，为第二同步主节点的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第二同步主节点在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第二同步主节点在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第二同步主节点在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；其中，为第二个同步主节点在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第二个同步主节点的残差尺度与权重，得出加权估计系数矩阵为其中：为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；运用M估计计算第c个同步主节点SMc的残差尺度和权重值；在中，为第c个同步主节点的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第c个同步主节点在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第c个同步主节点在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第c个同步主节点在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；其中，为第c个同步主节点在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第c个同步主节点的残差尺度与权重，得出加权估计系数矩阵为其中：为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；运用M估计计算第一个从节点SC1的残差尺度和权重值；在中，为第一从主节点的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第一从节点在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第一从节点在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第一从节点在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；η为一常量；其中，为第一个从节点在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第一个从节点的残差尺度与权重，得出加权估计系数矩阵为其中：为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；运用M估计计算第二个从节点SC2的残差尺度和权重值；在中，为第二从主节点的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第二从节点在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第二从节点在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第二从节点在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；η为一常量；其中，为第二个从节点在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第二个同步主节点的残差尺度与权重，得出加权估计系数矩阵为其中:为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；运用M估计计算第b个从节点SCb的残差尺度和权重值；在中，为第二从主节点的残差尺度；Median为取变量的中位数；为第b从节点在第一个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第b从节点在第二个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；为第b从节点在第N个时钟周期结束时刻的时钟补偿估计残差值；η为一常量；其中，为第b个从节点在第i(1≤i≤N，i为正整数)个时钟周期结束时刻的权重，为常量；联立第b个同步主节点的残差尺度与权重，得出加权估计系数矩阵为其中：为加权估计系数矩阵；为向量矩阵；步骤23，判断同步主节点和从节点估计系数矩阵的收敛性；判断第一个同步主节点SM1中的和是否满足当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；δ为常数矩阵判断第二个同步主节点SM2中的和是否满足当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；判断针对第c个同步主节点SMc中的和是否满足当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；判断针对第一个从节点SC1中的和是否满足当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；判断针对第二个从节点SC2中的和是否满足下式当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；判断针对第b个从节点SCb中的和是否满足当满足则收敛；反之转到步骤22，直至收敛；步骤三，对同步主节点和从节点的本地时钟值进行补偿；根据第一个同步主节点SM1的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的同步主节点SM1的本地时钟补偿值补偿后的第一个同步主节点SM1的本地时钟第一个同步主节点SM1第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束，则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿选取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第一个同步主节点SM1的时钟补偿值，得到周期下的第一个同步主节点SM1的本地时钟同理可得到任意周期下的第一个同步主节点SM1的本地时钟直至通信过程结束；根据第二个同步主节点SM2的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的同步主节点SM2的本地时钟补偿值补偿后的第二个同步主节点SM2的本地时钟第二个同步主节点SM2第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿选取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第二个同步主节点SM2的时钟补偿值，得到周期下的第二个同步主节点SM2的本地时钟同理可得到任意周期下的第二个同步主节点SM2的本地时钟直至通信过程结束；根据第c个同步主节点SMc的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的同步主节点SMc的本地时钟补偿值补偿后的第c个同步主节点SMc的本地时钟第c个同步主节点SMc第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿选取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第c个同步主节点SMc的时钟补偿值，得到周期下的第c个同步主节点SMc的本地时钟同理可得到任意周期下的第c个同步主节点SMc的本地时钟直至通信过程结束；根据第一个从节点SC1的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的从节点SC1的本地时钟补偿值补偿后的第一个从节点SC1的本地时钟第一个从节点SC1第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿选取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第一个从节点SC1的时钟补偿值，得到周期下的第一个从节点SC1的本地时钟同理可得到任意周期下的第一个从节点SC1的本地时钟直至通信过程结束；根据第二个从节点SC2的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的从节点SC2的本地时钟补偿值补偿后的第二个从节点SC2的本地时钟第二个从节点SC2第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第二个从节点SC2的时钟补偿值，得到周期下的第二个从节点SC2的本地时钟同理可得到任意周期下的第二个从节点SC2的本地时钟直至通信过程结束；根据第b个从节点SCb的本地时钟补偿拟合函数，可得到周期下的从节点SCb的本地时钟补偿值补偿后的第b个从节点SCb的本地时钟第b个从节点SCb第一次同步补偿完成；判断通信过程是否结束，若结束则结束整个时钟补偿过程；否则返回第一步重复整个补偿过程；与第一次同步补偿不同的是，第二次同步补偿取时钟同步周期2,3，...N+1(N＜Z)的第b个从节点SCb的时钟补偿值，得到周期下的第b个从节点SCb的本地时钟同理可得到任意周期下的第b个从节点SCb的本地时钟直至通信过程结束。