本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步領(lǐng)域，涉及時(shí)鐘偏移估計(jì)，具體涉及非對(duì)稱時(shí)延精確時(shí)間同步的時(shí)鐘偏移最優(yōu)估計(jì)算法。

背景技術(shù)：

精確時(shí)間同步機(jī)制以硬件時(shí)間戳為基礎(chǔ)，使得單跳環(huán)境下其精度可達(dá)納秒級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)從時(shí)鐘源計(jì)時(shí)誤差的精確補(bǔ)償，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

不同于有線鏈路，無線鏈路的傳播時(shí)延通常具有非對(duì)稱性，即數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間上下行通信鏈路中的傳播時(shí)延差具有不確定性，基于主從節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差主要包括：無線鏈路的非對(duì)稱傳播時(shí)延、中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延以及從時(shí)鐘偏移產(chǎn)生的時(shí)延，鏈路非對(duì)稱傳播時(shí)延使得主從時(shí)鐘源間的時(shí)間偏差變得更加難以預(yù)測。

從時(shí)鐘本身的偏移主要為其時(shí)鐘頻率及相位影響產(chǎn)生的時(shí)間延遲，可基于ieee1588協(xié)議雙向信息交互機(jī)制的非對(duì)稱時(shí)延傳輸，建立相應(yīng)含參數(shù)的時(shí)延向量方程，將時(shí)鐘偏移的估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)學(xué)問題，但目前傳統(tǒng)的最小二乘法，極大似然估計(jì)等參數(shù)估計(jì)方法并不適用于該模型下對(duì)向量位置參數(shù)的估計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于非對(duì)稱時(shí)延精確時(shí)間同步的時(shí)鐘偏移最優(yōu)估計(jì)算法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

適用于非對(duì)稱時(shí)延精確時(shí)間同步的時(shí)鐘偏移最優(yōu)估計(jì)算法，包括以下兩個(gè)步驟：

(1)通過主從時(shí)鐘方向及反方向的固定傳輸時(shí)延、傳輸過程中的隨機(jī)隊(duì)列等待時(shí)延以及時(shí)鐘頻率偏移產(chǎn)生的時(shí)延和時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生的時(shí)延之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立時(shí)延向量方程；

(2)引入高斯分布，并利用pitman估計(jì)方法進(jìn)行估計(jì)。

優(yōu)選的，步驟(1)中是以前p次非對(duì)稱雙向傳輸為觀測樣本，從而建立時(shí)延向量方程，向量方程建立后，判斷向量方程是否是y＝aθ+t形式，是則結(jié)束，否則需轉(zhuǎn)化為y＝aθ+t形式，結(jié)束；其中，p為非對(duì)稱雙向傳輸?shù)拇螖?shù)，為不小于1的正整數(shù)。

優(yōu)選的，步驟(1)具體包括：

步驟(11)：建立以第i次主從時(shí)鐘方向及其反方向的固定傳輸時(shí)延d1和d2，隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延ti,1和ti,2，以及時(shí)鐘頻率偏移時(shí)延α和時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生時(shí)延β所組成的時(shí)延關(guān)系方程組：其中d1≠d2，1≤i≤p，i為正整數(shù)，y*i,1、y*i,2分別表示第i次傳輸主從時(shí)鐘方向及其反方向的總時(shí)延，yi,1、yi,2分別表示第i次傳輸主從時(shí)鐘方向及其反方向的非固定傳輸時(shí)延之和；

步驟(12)：由步驟(11)及反饋補(bǔ)償，令d＝d1，得到時(shí)延關(guān)系方程組：

步驟(13)：令y＝[y1^t,y2^t]^t,yk＝[y1,k···yp,k]、t＝[t1^t,t2^t]^t,tk＝[t1,k···tp,k],k＝1,2，將步驟(12)中的時(shí)延關(guān)系方程組轉(zhuǎn)化為以向量y、向量e、向量t及未知參數(shù)α、β組成的向量方程：y＝d·12p+(α+β)e+t，其中y為非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，p為非對(duì)稱雙向傳輸?shù)拇螖?shù)，為不小于1的正整數(shù)，k＝1和k＝2分別表示第i次的主從時(shí)鐘及其反方向的傳輸，y1,k…yp,k分別表示第1次到第p次雙向傳輸過程中主從時(shí)鐘及其反方向的固定時(shí)延、時(shí)鐘偏移造成時(shí)延以及隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延的關(guān)系，α、β為未知參數(shù)分別代表時(shí)鐘頻率偏移及時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生的時(shí)延，t為隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，12p表示元素為1的2p維列向量，e為所推出向量方程中的一個(gè)矩陣，與(α+β)相乘表示一個(gè)向量。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(1)還包括步驟(14)，具體方法是：將步驟(13)中的向量方程y＝d·12p+(α+β)e+t，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為向量方程y＝aθ+t，其中a表示矩陣則y＝aθ+t即為所求時(shí)延向量方程，其中1p表示元素為1的p維的列向量，0p表示元素為0的p維列向量。

優(yōu)選的，步驟(2)具體包括：

步驟(21)：判斷向量方程是否符合向量坐標(biāo)位置問題模型(vectorlocationparameterproblem)，是則進(jìn)入步驟(21)，否則結(jié)束；

步驟(22)：求出向量方程中未知參數(shù)的pitman估計(jì)量，進(jìn)入步驟(23)；

步驟(23)：轉(zhuǎn)化為對(duì)ciθk的pitman最優(yōu)估計(jì)，進(jìn)入步驟(24)；

步驟(24)：引入高斯隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延條件，進(jìn)入步驟(25)；vectorlocationparameterproblem):

步驟(25)：求得最優(yōu)估計(jì)量g*(y)關(guān)于ti,k的表達(dá)式，結(jié)束；其中，ti,k表示第i次雙向傳輸?shù)碾S機(jī)隊(duì)列時(shí)延，k＝1,2。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(22)的具體方法是：針對(duì)時(shí)延向量方程y＝aθ+t，利用函數(shù)g(y)(對(duì)線性組合c^tθ＝α+β進(jìn)行估計(jì)，其中y表示非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，g(y)為以y為變量的函數(shù)。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(23)的具體方法是：由pitman估計(jì)算法，對(duì)時(shí)延向量方程y＝aθ+t中的向量θ所含未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，可得未知參數(shù)α與未知參數(shù)β之和α+β的最優(yōu)估計(jì)量為：由pitman估計(jì)準(zhǔn)則中的將步驟(22)中的代入g*(y)表達(dá)式，則得到：其中，g*(y)表示以向量y為變量的函數(shù)g(y)對(duì)向量方程中向量θ所含參數(shù)之和α+β的最優(yōu)估計(jì)量，θ為向量方程中的向量，f(y|θ)為向量y所服從的概率密度函數(shù)；根據(jù)pitman估計(jì)準(zhǔn)則，g(y)對(duì)向量θ中未知參數(shù)的估計(jì)等于g(y1)和g(y2)對(duì)向量θ1和θ2的未知參數(shù)估計(jì)量之和，y1、y2分別為向量y的分量，θ1、θ2為θ的分量；y1、y2分別表示的含義是：主從時(shí)鐘及其反方向的非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，因此服從的概率密度函數(shù)分別為ft1(y1|θ1)和ft2(y2|θ2)，即ft1(y1|θ1)＝ft1(y1-θ1·1p)，ft2(y2|θ2)＝ft2(y2-θ2·1p)。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(24)的具體方法是：已知第i次傳輸，主從時(shí)鐘方向及其反方向隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延ti,1及ti,2均服從均值為μ，方差為σ²的高斯分布，即：

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(25)的具體方法是：已知k＝1,2及步驟(24)中f1(ti,1)、f2(ti,2)表達(dá)式，則根據(jù)步驟(23)所得g*(y)表達(dá)式可知，此時(shí)g*(y)為：

其中，步驟(2)包括以下要素：

(2-1)第i次主從方向及其反方向隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延ti,1、ti,2，均服從高斯分布，即:f1(ti,1)、f1(ti,2)～n(μ,σ²)；

(2-2)向量方程y＝aθ+t，其中y為轉(zhuǎn)移不變量，滿足g(y+gh)＝g(y)+c^th，g為n×m矩陣(g表示一個(gè)n乘以m維的矩陣)；

(2-3)延遲向量方程y＝aθ+t，y服從概率密度函數(shù)f(y|θ)＝f0(y-aθ)，θ含未知參數(shù)，且僅改變概率密度函數(shù)的位置，而不改變其形狀和大??；

(2-4)對(duì)向量方程y＝aθ+t中向量θ所含未知參數(shù)的估計(jì)，即對(duì)未知參數(shù)表示的時(shí)鐘頻率偏移產(chǎn)生的時(shí)延α和時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生的時(shí)延β之和α+β的估計(jì)；

(2-5)用觀測量y對(duì)應(yīng)的函數(shù)g(y)對(duì)向量θ中的未知參數(shù)c^tθ進(jìn)行pitman估計(jì)，其最優(yōu)估計(jì)量g*(y)等于對(duì)其各分向量ciθk進(jìn)行估計(jì)所得估計(jì)量之和，即：其中ci為常向量c的分量，θ＝[θ1,···,θm]；

(2-6)隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延向量服從高斯分布的條件及概率密度函數(shù)關(guān)系(t＝1,2)，可由此對(duì)最終求得的時(shí)鐘偏移pitman最優(yōu)估計(jì)量進(jìn)一步化簡。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明參考統(tǒng)計(jì)學(xué)中的向量位置參數(shù)問題，將pitman估計(jì)算法引入向量參數(shù)估計(jì)范圍，從而對(duì)基于精確時(shí)間同步非對(duì)稱時(shí)延向量方程中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到時(shí)鐘偏移的最優(yōu)估計(jì)量應(yīng)用于對(duì)從時(shí)鐘計(jì)時(shí)誤差的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。具體的說，本發(fā)明將pitman估計(jì)算法引入到了向量范疇，同時(shí)結(jié)合向量位置參數(shù)問題及已建立的向量方程，提出一種新的算法；本發(fā)明加入了時(shí)鐘頻率偏移時(shí)延的考慮，且在通用模型上引入隨機(jī)時(shí)延服從高斯分布的條件進(jìn)一步進(jìn)行了推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多跳無線網(wǎng)絡(luò)非對(duì)稱時(shí)延傳輸過程中的時(shí)鐘偏移進(jìn)行了最優(yōu)估計(jì)。

本發(fā)明的算法基于精確時(shí)間同步的雙向信息交互機(jī)制，建立了以時(shí)鐘頻率偏移和相位偏移所產(chǎn)生的時(shí)間延遲作為未知參數(shù)的非對(duì)稱時(shí)延向量方程，并在此基礎(chǔ)上引入向量位置參數(shù)問題模型，進(jìn)而基于隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延所服從的高斯分布概率密度函數(shù)，運(yùn)用pitman估計(jì)算法對(duì)方程中向量所含未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，從而得到時(shí)鐘偏移的最優(yōu)估計(jì)量。本發(fā)明通過對(duì)精確時(shí)間同步非對(duì)稱時(shí)延向量方程的建立，引入向量位置參數(shù)問題模型及pitman估計(jì)算法，對(duì)高斯隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延下的時(shí)鐘偏移進(jìn)行了最優(yōu)估計(jì)，使得估計(jì)量的最大均方差值最小化。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為本發(fā)明的整體框架圖；

圖2為基于精確時(shí)間同步的時(shí)延關(guān)系圖；

圖3為時(shí)延向量方程實(shí)現(xiàn)的流程圖；

圖4為pitman時(shí)鐘偏移最優(yōu)估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

適用于非對(duì)稱時(shí)延精確時(shí)間同步的時(shí)鐘偏移最優(yōu)估計(jì)算法，整體框架圖見圖1，包括以下兩個(gè)步驟：

(1)通過主從時(shí)鐘方向及反方向的固定傳輸時(shí)延、傳輸過程中的隨機(jī)隊(duì)列等待時(shí)延以及時(shí)鐘頻率偏移產(chǎn)生的時(shí)延和時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生的時(shí)延之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立時(shí)延向量方程；

如圖2和圖3所示，具體包括：

步驟(11)：建立以第i次主從時(shí)鐘方向及其反方向的固定傳輸時(shí)延d1和d2，隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延ti,1和ti,2，以及時(shí)鐘頻率偏移時(shí)延α和時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生時(shí)延β所組成的時(shí)延關(guān)系方程組：其中d1≠d2，1≤i≤p，i為正整數(shù)，y*i,1、y*i，2分別表示第i次傳輸主從時(shí)鐘方向及其反方向的總時(shí)延，yi，1、yi,2分別表示第i次傳輸主從時(shí)鐘方向及其反方向的非固定傳輸時(shí)延之和；

步驟(12)：由步驟(11)及反饋補(bǔ)償，令d＝d1，得到時(shí)延關(guān)系方程組：

步驟(13)：令y＝[y1^t,y2^t]^t,yk＝[y1,k···yp,k]、t＝[t1^t,t2^t]^t,tk＝[t1,k···tp,k],k＝1,2，將步驟(12)中的時(shí)延關(guān)系方程組轉(zhuǎn)化為以向量y、向量e、向量t及未知參數(shù)α、β組成的向量方程：y＝d·12p+(α+β)e+t，其中y為非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，p為非對(duì)稱雙向傳輸?shù)拇螖?shù)，為不小于1的正整數(shù)，k＝1和k＝2分別表示第i次的主從時(shí)鐘及其反方向的傳輸，y1,k…yp,k分別表示第1次到第p次雙向傳輸過程中主從時(shí)鐘及其反方向的固定時(shí)延、時(shí)鐘偏移造成時(shí)延以及隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延的關(guān)系，α、β為未知參數(shù)分別代表時(shí)鐘頻率偏移及時(shí)鐘相位偏移產(chǎn)生的時(shí)延，t為隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，12p表示元素為1的2p維列向量，e為所推出向量方程中的一個(gè)矩陣，與(α+β)相乘表示一個(gè)向量；

步驟(14)：將步驟(13)中的向量方程y＝d·12p+(α+β)e+t，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為向量方程y＝aθ+t，其中a表示矩陣則y＝aθ+t即為所求時(shí)延向量方程，其中1p表示元素為1的p維的列向量，0p表示元素為0的p維列向量。

(2)引入高斯分布，并利用pitman估計(jì)方法進(jìn)行估計(jì)。

如圖4所示，具體包括：

步驟(21)：判斷向量方程是否符合向量坐標(biāo)位置問題模型，是則進(jìn)入步驟(21)，否則結(jié)束；

步驟(22)：針對(duì)時(shí)延向量方程y＝aθ+t，利用函數(shù)g(y)(對(duì)線性組合c^tθ＝α+β進(jìn)行估計(jì)，其中y表示非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，g(y)為以y為變量的函數(shù)，進(jìn)入步驟(23)；

步驟(23)：由pitman估計(jì)算法，對(duì)時(shí)延向量方程y＝aθ+t中的向量θ所含未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，可得未知參數(shù)α與未知參數(shù)β之和α+β的最優(yōu)估計(jì)量為：由pitman估計(jì)準(zhǔn)則中的將步驟(22)中的代入g*(y)表達(dá)式，則得到：其中，g*(y)表示以向量y為變量的函數(shù)g(y)對(duì)向量方程中向量θ所含參數(shù)之和α+β的最優(yōu)估計(jì)量，θ為向量方程中的向量，f(y|θ)為向量y所服從的概率密度函數(shù)；根據(jù)pitman估計(jì)準(zhǔn)則，g(y)對(duì)向量θ中未知參數(shù)的估計(jì)等于g(y1)和g(y2)對(duì)向量θ1和θ2的未知參數(shù)估計(jì)量之和，y1、y2分別為向量y的分量，θ1、θ2為θ的分量；y1、y2分別表示的含義是：主從時(shí)鐘及其反方向的非固定傳輸總時(shí)延對(duì)應(yīng)的向量，因此服從的概率密度函數(shù)分別為ft1(y1|θ1)和ft2(y2|θ2)，即ft1(y1|θ1)＝ft1(y1-θ1·1p)，ft2(y2|θ2)＝ft2(y2-θ2·1p)，進(jìn)入步驟(24)；

步驟(24)：已知第i次傳輸，主從時(shí)鐘方向及其反方向隨機(jī)隊(duì)列時(shí)延ti,1及ti,2均服從均值為μ，方差為σ²的高斯分布，即：

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(25)的具體方法是：已知k＝1,2及步驟(24)中f1(ti,1)、f2(ti,2)表達(dá)式，則根據(jù)步驟(23)所得g*(y)表達(dá)式可知，此時(shí)g*(y)為：

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。