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技术

本发明专利技术公开了一种基于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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于网络通信领域，设及一种应用于时间触发W太网（TTE)的时钟补偿方 法，具体来说，设及到一种采用M估计稳健回归方法实现TTE的时钟补偿方法。
技术介绍
航空电子系统经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式4个发展阶段。分布式 综合模块化航空电子系统是基于先进综合模块化航空电子系统的改进，采用物理上分布式 放置综合模块的方式，满足了航空电子系统的升级要求。时间触发W太网（Time-Triggered Ethernet, TTE)基于时间触发通信机制的分布式交换，可W在先进综合式航空电子系统的 基础上支持分布式组网需求。 依据时间同步协议的规定，TT网络中的节点根据在时间同步过程中不同的功能， 分为=种类型： 同步主节点（SM):提供本地时钟参与全局统一时间计算的节点，简称为主节点。通 常同步主节点为终端。[000引压缩主节点（CM):按照一定的算法，对同步主节点发送的时钟进行表决计算，W生 成全局统一时间，也称为压缩主节点。通常压缩主节点为交换机。从节点（SC):同步主节点、压缩主节点W外的网络节点为从节点，从节点只接收统 一发布的全局统一时间。 参考图1所示的TTE网络时间同步的系统结构框图，TTE网络定义了 一个两步同步 方法。在第一步中，同步主节点W时间触发方式发送协议控制帖(PCF)给压缩主节点。压缩 主节点根据运些协议控制帖到达的时间计算一个时间平均值，形成一个新的协议控制帖。 在第二步中，压缩主节点发送生成的新协议控制帖，运个新的协议控制帖不仅送给各同步 主节点，还送给各从节点。在图1中，包括有a个压缩主节点、b个从节点和C个同步主节点。 良P :第一个压缩主节点记为CMi,第二个压缩主节点记为CM2,……，最后一个压缩主节点记为 CMa,为了方便说明，所述CMa也称任意一个压缩主节点。第一个从节点记为SCi,第二个从节 点记为SC2,……，最后一个从节点记为SCb,为了方便说明，所述SCb也称任意一个从节点。第 一个同步主节点记为SMi,第二个同步主节点记为SM2,……，最后一个同步主节点记为SMc, 为了方便说明，所述SM。也称任意一个同步主节点。 TTE解决了普通W太网消息传输中的时间确定性问题。它保证消息按照全局统一 时间（global clock)进行调度传输，提高了实时服务质量和错误隔离能力。TTE通过精确的 时间调度让各个子系统交互配合，保证了数据通信的时间确定性，可满足航空电子通信技 术的实时性要求。 时间触发W太网标准AS6802中制定了时钟同步流程，但未解决时钟补偿问题。采 用时钟补偿方法可W更好的保障系统同步精度，降低时钟同步开销和同步阔值，因此时钟 补偿的好坏直接影响系统的实时性和可靠性。目前应用的时钟补偿方法包括有（1)直接利 用计算出的时钟补偿值来达到时钟同步，该补偿方法计算简单，然而会出现时间突变问题， 导致时钟"倒流"和"快进"现象；（2)采用最小二乘法来进行时钟补偿，解决时间突变问题， 该方法未考虑到时钟同步过程中本地时钟（local clock)的"野值"问题，从而加大了时钟 误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于M估计稳健回归的时间触发W太网时钟补偿方法， 该方法结合了TTE的特点，运用时钟模型选择时钟拟合函数，通过M估计稳健回归方法预测 本地时钟下一时刻的补偿信息，进而根据TTE同步时钟的同步算法，获得全局时钟，并对各 时钟进行动态值的渐进补偿。本专利技术方法采用了基于稳健回归的时钟补偿技术手段，即通 过对同步主节点时钟误差的估计，提前调整时钟频率，解决了出现的时钟"倒流"和"快进" 问题，W及由于"野值"而造成时钟不稳定的问题。 本专利技术提出一种基于M估计稳健回归的时间触发W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,协议控制帖的传输； 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=，对同步主节点和从节点的本地时钟值进行补偿； 采用本专利技术的时间触发W太网时钟补偿方法，其优点在于： ①本专利技术方法结合时间触发W太网时钟同步特点，考虑了时钟"野值"带来的影 响，通过M估计稳健回归方法消除野值影响，显著提高了时钟的同步性能。 ②本专利技术方法通过动态值的渐进调整各本地时钟值，解决了由于时间突变而导致 时钟"倒滿'和"快泌'问题。 ③本专利技术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。【附图说明】 图1是传统TTE网络时间同步的系统结构框图。 图2是本专利技术的基于M估计稳健回归的时间触发W太网时钟补偿方法的流程图。 图3A是理想时钟、未经补偿、直接补偿、最小二乘补偿W及稳健回归补偿下的本地 时钟的曲线图。 图3B是未采用本专利技术方法补偿下时钟出现的时钟倒流现象的时钟曲线图。 图4是各时钟间的最大均方根误差比较曲线图。 图5是本地时钟与理想时钟间均方根误差曲线图。【具体实施方式】 下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。 参见图1所示，一个时间触发W太网（Time-IYiggered EthernetJTE)的系统中， 所有的同步主节点采用集合形式表达为MSM= {SMi，SM2，…，SMcJ，C为同步主节点的标识号； 所有的压缩主节点采用集合形式表达为MCM= {CMi，CM2，…，CMa}，a为压缩主节点的标识号； 所有的从节点采用集合形式表达为MSC= {SCi，SC2，…，SCb}，b为从节点的标识号。 时间触发W太网（Time-Triggered EthernetJTE)基于时间触发通信机制的分布 式交换中，理想时钟记为T疆I，本地时钟记为&?，全局时钟记为T全局。全局时钟T全局中包含有Z 个时钟周期。 在本专利技术中，在一个时钟周期Tmw里只同步一次全局时钟T舍1。第一个时钟周期记 为期、第二个时钟周期记为轉期、第N个时钟周期记为了|S? (W < Z )，第N个时钟周期的 前一个周期N-I记为简称前一周期），第N个时钟周期的后一个周期N+1记为简 称后一周期），第Z个时钟周期记为：TjI胃，所述Tjf也称为任意一个时钟周期。每一个周期的 结束时刻即为下一个周期的起始时刻。在全局时钟下，所有时钟周期采用集合形式表达为 MT,那厂纖.,.?巧.?期.,?期，而期,."',Tj哥期!。在第Z个时钟周期下全局时钟义用集 合形式表达为喘期_户全局一|^7^哥期_/防幻-.^^全局'福期_吉2 _了全局，---，和期_/拉14_八全局}全 局时钟的-?占期结束时刻点记为r周期_《励4_写?.局，r本文档来自技高网...

【技术保护点】
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针对从节点的本地时钟模型记为步骤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β1MSM=R(t)MSM-kMSM,]]>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β1MSC=R(t)MSC-kMSC,]]>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S(t)MSC=β1MSCt+β0MSC]]>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；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：β(0)SM1=β(0)0SM1β(0)1SM1]...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何锋，张英静，卢广山，熊华钢，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11