CN107710650B - 用于在时变和有损网络上的时钟同步的方法、系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对允许在网络上的全系统定时信息的改进同步的方法、系统和装置。因此，从时钟能够同步到高质量时钟、例如主时钟。
Description
技术领域
本发明针对一种方法，其允许提供主时间的客户端时钟到若干客户端时钟的同步。服务器机器运行参考时钟，并且形成全系统时间的基础，该全系统时间因此必须分布于网络。本发明提供一种改进机制，其允许以高同步精度将若干客户端机器耦合到特定服务器机器。本发明还针对一种提供经同步的客户端时钟和服务器时钟的系统。此外，提出一种客户端，其能够运行于分布于网络的若干场合，并且然后与这个服务器时间同步。
背景技术
对于许多应用，处于分布式位置的时钟必须同步。这能够通过在连接时钟的通信网络上交换时间消息而进行。但是，通信网络的时变特性影响同步性能。本发明涉及减轻不可靠通信网络对同步性能的影响的方法。
已知方法之一是网络时间协议NTP，其是用于在分组交换、可变等待时间数据网络上同步计算机系统之间的时钟的网络协议。NTP的基本思路是提供时间戳，用于网络中的发送和接收操作并且根据网络延迟时间同步时钟。
在文献中描述了许多方法以应对不可靠传输对同步性能的影响。最简单来说，原始时钟偏移测量(表示为θk)能够求平均或者通过某种低通来滤波。要降低延迟异常值的影响，现有技术将滤波器的输入削波到某个经验3σ等级。对于最佳滤波，已知方法使用数学时钟模型来得出卡尔曼滤波器，以便从θk来估计服务器时钟状态(相位和频率)。卡尔曼滤波器对θk的随机高斯误差是最佳的，但是对于对延迟异常值并且因此对θk中的偶尔大尖峰感兴趣的情况，卡尔曼滤波器已知为过于敏感。但是，存在关于健壮卡尔曼滤波器的大量文献在这里能够应用：在一种已知方法中，如果测量因网络故障而丢失，则简单地抑制状态估计的递归更新。在另一已知方法中，将更新步骤中的新息(innovation)向量削波到某个等级b，以便在某种极小极大意义上选择。一种已知方法组合这些概念：如果新息(的范数)大于阈值，即，检测到异常值，则抑制状态估计的更新。
上述方法修改递归滤波以应对异常值。一种已知方法指示非递归(批量)过程在异常值存在的情况下可能表现更好。具体对于同步，描述了批量线拟合方法。假定时钟服务器周期地广播时间消息，并且考虑客户端与服务器时间戳之间的连续差。延迟异常值则始终为正，因而简化异常值检测和直线拟合。NTP按照自组(ad-hoc)方式使用最近八个测量来检测异常值。
US 2014/068315 A1涉及用于偏斜估计中的时钟偏移的方法和装置，其中从时钟采用单独自激时钟和递归估计技术来估计从与主时钟之间的时钟偏移和时钟偏斜。
US 2012/0269204 A1涉及一种用于生成定时传递系统中的定时校正以评估本地时钟偏移的短期、中期和长期测量的加权平均的方法。
WO 2015/049480 A1涉及用于时间和频率同步的方法和装置。
发明内容
本发明是与来自应对测量异常值的递归处理的概念相结合将批量处理应用于同步。时钟服务器具有高质量时钟(主时钟)，其提供参考时间。通信链路将时钟服务器连接到客户端时钟(从时钟)。任务是将客户端时钟同步到服务器时钟，即，控制客户端时钟，使得客户端时间xC(t)紧密追随服务器时间xS(t)。在众所周知的基于网络的同步方法(又称作“回波”或“乒乓”方法)中，通过在服务器与客户端时钟之间交换定时消息，并且对消息传输和接收时间T1至T4加时间戳，来测量客户端时钟偏移θ。这在图1A中示出。如果客户端时钟的频率误差是可忽略的，则瞬时时钟偏移为
其中，Δd＝dCS-dSC是从客户端到服务器的消息延迟dCS和服务器到客户端的消息延迟dSC的不对称性。实际上，这些延迟是未知的。但是，通常假定双向链路是对称的，即，Δd＝0，因此
是客户端时钟的瞬时测量偏移(在时间tk＝T1)。这个公式是众所周知的，并且是标准化同步协议NTP[RFC 5905]和PTP[IEEE 1588]的基础。
要解决的问题是通过测量序列{θk}的适当处理来减轻这些影响，并且因而改进基于网络的同步的性能。因此，本发明的目的是提供一种在网络中的改进同步方法。
此问题通过具有如权利要求1所述的特征、用于客户端时钟到服务器时钟的基于网络的同步的方法来解决。
相应地，提供一种用于在网络上将客户端时钟同步到服务器时钟的方法，包括下列步骤：通过在客户端与服务器时钟之间交换时间同步消息，在网络上确定至少一个时钟偏移、优选地为多个时钟偏移，其中仅在所提供时间范围之内考虑时钟偏移。所提出的方法还包括利用测量精度对所确定的时钟偏移进行加权，以便得到加权时钟偏移，其可包括估计时钟相位和时钟频率。加权时钟偏移可为滤波器的输出，例如使用卡尔曼滤波器从所确定的时钟偏移序列来产生估计时钟相位和时钟频率，或者优选地，加权时钟偏移可为通过使用如后面所述的等式(3)移动时域直线(horizon line)拟合所得到的时钟相位和时钟频率。在时钟偏移的加权之后，客户端时钟能够根据加权时钟偏移来调整，使得客户端时钟同步到服务器时钟。当同步在网络上执行时，独立权利要求的所提出主题能够基于网络来实现。
本领域技术人员理解，能够应用用于确定至少一个时钟偏移的若干方式，例如这类值的计算、估计、测量或读出。
虽然客户端-服务器架构是本发明的典型应用情形，但是本领域技术人员理解，所涉及的参与者也能够按照对等方式表现。因此，在下文中，服务器机器以及客户端机器均可通过独立对等体来提供，其再次能够实现为硬件资源或软件构件。
基于网络的同步包括诸如定时请求消息和/或定时响应消息(又称作同步和延迟测量消息)的定时消息的交换。本领域技术人员理解，定时消息可包括延迟测量，并且因此延迟测量消息能够被交换。此外，要交换的定时消息能够称作在NTP、PTP和其他类似协议中使用的同步消息或者时间同步消息。按照IEEE 1588，PTP消息是同步消息的通用术语，其中最相关的是：Sync、Delay_Req、Follow_Up、Delay_Resp。关于按照IEEE 1588的时间同步，Sync在t1被发送，以及Delay_Req在t3被发送。
对于这种定时消息的各发送操作并且对于各接收操作，提供时间戳。因此，有可能测量网络的延迟时间，其表示发送与接收消息之间的传输时间。这个过程能够反复执行，使得进行若干测量，并且因此能够更准确地评估网络的等待时间。在网络上按照不同性质来发送消息也可以是有利的。例如，可测量超大消息的传输时间，并且将那些评估结果与多种超短消息的传输时间进行比较。因此，能够确定总体网络特性。
由于仅仅当前网络特性是相关的，所以能够确定时间范围。因此，对于评估网络参数仅考虑特定数量的消息或者特定时间跨度或时间间隔。由于这个过程能够执行若干次，所以确定至少一个时钟偏移，其根据至少一个消息的至少一个传输时间来确定。
一旦确定或测量至少一个时钟偏移，则对其相应地加权。这能够通过选择所提供加权因子、例如测量方差的逆来执行。
一旦正确地检测网络特性，客户端时钟能够根据加权的至少一个时钟偏移来调整。这可通过将延迟时间添加至客户端定时来执行。
在下文中，提供与本发明的技术背景有关的其他信息。本领域技术人员理解，本发明的以下数学背景和方面仅提供技术教导的方面，而不是限制本主题的范围。尤其，通过附加因数或参数来修正所提供技术教导可以是有利的。虽然所提供的数学模型通过数学公式清楚地定义，但是本领域技术人员理解，那些公式也可增强或适配到特定应用情形。因此，仅提供基本功能性。因此，下面描述本发明的基本方面，例如：
-方面A：用于同步的时钟模型和卡尔曼滤波器
-方面B：用于同步的移动时域估计
-方面C：移动时域估计到移动时域直线拟合的简化
方面A：用于同步的时钟模型和卡尔曼滤波器
时钟模型：在最简单时钟模型中，时间偏差x(t)在时间上线性增加，即
x(t)＝y0t+x0 (A.1)
其中y0是恒定分数频率偏移。因此，在离散时间tk的时钟相位x(tk)满足递归
x(tk+1)＝x(tk)+y0(tk+1-tk) (A.2)
更一般来说，不完善时钟的模型通过随机过程X和Y来描述时钟相位x和频率偏差y，因此
Xk+1＝Xk+Yk(tk+1-tk) (A.3)
能够假定时钟相位X(t)和频率偏差Y(t)能够通过分别具有强度(按照单位[s])和(按照单位[1/s])的单独布朗运动来描述，即
dX(t)＝(Y(t)+y0)dt+σ1dW1(t) (A.4)
dY(t)＝a dt+σ2dW2(t) (A.5)
如果包括非恒定频率漂移，则该模型包括三次布朗运动dW3(t)，并且变成三维的。
通过积分，得出时间离散线性随机时钟模型：时钟状态向量是二维的，xk＝[XkYk]′，并且遵守递归
xk+1＝Fkxk+wk (A.7)
其中，wk为i.i.N(0，Q)，其中
从作为时钟的基础的振荡器的测量(数据表)得到时钟参数和参见以下注1。
用于同步的时钟测量：在客户端时钟侧，服务器时钟相位Xk使用涉及时间戳T1至T4的交换的双向回波测量来测量。所产生偏移测量θk直接对应于相位Xk。测量误差归因于加时间戳中的抖动以及消息传输的分组延迟变化(PDV)和延迟不对称性Δd。在该模型中，这些误差全部归入测量噪声vk中。服务器时钟状态xk的测量等式因而为
zk＝H′xk+vk (A.10)
其中，测量zk是标量θk，以及vk是测量噪声，其中具有方差
(按照单位[s2])。例如因消息丢失或网络拥塞引起的测量θk中的偶尔大误差建模为大从而导致测量测量zk中的“加性异常值”，即，Rk→∞。
注1：时钟参数和的值能够从阿伦方差的脱机测量来得到，
y(t)和x(t)是测量的瞬时频率和时钟偏差，以及τ是测量间隔。使用在CristinaZucca和Patrizia Tavella的“The Clock Model and Its Relationship with the Allanand Related Variances”(IEEE Transactions on ultrasonics,ferroelectrics,andfrequency control,vol.52,no.2，2005年2月，第289-296页)中得出的关系，
(对a＝0有效)，从所测量的阿伦方差的图表读出和在某个小τ的的值给出而在大τ的值给出
注2：PC时钟的典型值为和在时间间隔T＝1s之后，这产生时钟相位方差即，10-6s＝1μs的抖动。分数频率方差为即，10-8＝0.01ppm或0.01μs/s的标准偏差。
卡尔曼滤波器：给定时钟偏移测量zk，k＝1,2,…，卡尔曼滤波器产生状态xk+1、即时钟相位(时间偏移)和频率偏移的最小均方误差估计(参见以下注3)。对于上述模型，卡尔曼滤波器递归为
Kk＝FkPk-1H(H′Pk-1H+Rk)-1 (A.14)
Pk＝Fk[Pk-1-Pk-1H(H′Pk-1H+Rk)-1H′Pk-1]F′k+Q＝(A.16)
＝(Fk-KkH′)Pk-1(Fk-KkH′)′+KkRkK′k+Q
其中具有初始化
如果测量噪声vk与已知有限方差Rk不相关，则卡尔曼滤波器是均方最佳的。但是，任何测量异常值将导致估计中的大误差。
要使卡尔曼滤波器更为健壮，通常通过将(A.15)中的“新息”信号与某个阈值进行比较，来检测异常值。如果超过该阈值，则断言异常值，即，对应测量方差设置成Rk→∞，从而引起Kk→0，因而忽略测量zk(＝θk)，并且误差协方差Pk增加Q。阈值的选择是关键，并且可要求某种自组调谐。
客户端时钟控制：(A.15)中的是在时间tk基于直到zk所预测、在时间tk+1的服务器时钟状态xk+1，即，xk的估计为即，和对于客户端时钟的同步，这些值要作为设置点来应用，以调整在时间tk的客户端时钟。
方面B：用于同步的移动时域估计(MHE)
给定对时域k＝1，…N的测量z1，…zN，最小平方状态估计最小化
服从序列{xk}在通过序列{wk}所驱动时是模型(A.7)的解。定义X＝[x1…xN]′和W＝[x1 w1…wN-1]′(维2N的向量)，则J(X)能够写作
其中
最小平方状态估计通过求解二次规划(QP)问题来找出
其中，X、W服从模型状态方程(A.7)。
注3：由于H＇＝[1 0]，所以中的2×2子矩阵并且因此是奇异的(半正定而不是正定的)。因此，的最小化可变成病态问题。但是，具有非奇异正定的附加项使问题稳定(B.10)。
下列步骤根据变换优化变量W来公式化QP问题，使得满足模型状态方程。求解递归(A.7)给出
定义
其中，第二等式从Fk的定义得出。则
或者采取显形式，
根据优化变量
W＝[x1 w1 … wN-1]＇＝[X1 Y1 W1，1 W2,1 … W1，N-1 W2，N-1]＇
X因而变成
二次规划问题则变成
其中具有有界约束(参见下文)
|W|≤q (B.11)
解W通过某种标准数值QP算法来得到。估计状态轨迹使用X＝ΣW来恢复。实际上，只有最近估计是感兴趣的。它适用于在时间k＝N的客户端时钟的控制。估计时域k＝1，…N则前移一个或τ个步长。
因测量异常值引起的约束估计：考虑时钟相位变化Xk+1-Xk。不是归因于频率偏差Yk的它的分量为W1,k。当W1，k～N(0，q11)时，则以高概率，
(使用(A.8))，其中，m是最大数与标准偏差的比率，例如m＝2。频率偏差Yk建模为随机游走，其中i.i.d.增量W2，k～N(0，q22)。以高概率
(参见(A.8))，即，W的分量受限。与大W1,k、W2,k对应、即具有大跳跃的估计可能是测量中的大误差和异常值所引起的伪影，并且因而应当阻止。这通过强制估计被约束于|W|≤q来取得。
异常值检测：在卡尔曼滤波器中，异常值通常通过观测“新息”信号来检测。使用以下方面C所述的MHE或MHLF，没有新息信号是可用的，并且要求某种备选异常值检测方法。在这里，基于观测连续测量θk提出简单方法：从(A.3)，
θk-θk-1＝Yk-1(tk-tk-1)+vk-vk-1 (B.14)
通常大测量误差vk被认为是异常值，因此θk分类为异常值，若
其中，m是阈值与稳态测量偏差σθ的比率。当断言异常值时，则通过在(A.14)、(B.1)或(C.3)中将其逆权重Rk设置为大值、例如来抑制对应测量值zk(＝θk)。
方面C：MHE到移动时域直线拟合(MHLF)的简化
假定W≡0，从(B.8)得出，在时间tk的过往状态xk通过下式与在时间tk的当前状态xk＝[Xk Yk]′相关
对在tk-N+1，..，tk的最近N个测量的移动时域的平方误差(B.1)变成
使用H′＝[1 0]。在具有已知方差Rk的单独高斯测量误差vk的假设下，(C.2)的最小化与Xk和Yk的最大似然估计相同。这个解释激发目标函数(C.2)的选择。因此，J(.)的最小化简化为简单直线拟合，即，相对时钟偏移Xk和频率偏移(斜率)Yk的最小化。这些通过求解正规方程来找出
对于增加时域、即N＝k，众所周知的递归最小平方(RLS)算法允许递归地计算Xk、Yk，但是根据不断增加的因子(tk-t1)，但是这是不切实际的。
对于恒定大小N的移动时域，不存在递归算法。等式(C.3)必须建立并且在各步求解。对于恒定更新间隔T、即tk＝kT，(C.3)中的元素能够通过N抽头FIR滤波器来计算：例如，(C.3)的RHS的第二项是FIR滤波器的输出，其中具有系数fi＝iT，i＝0..N-1，以及输入-zk/Rk，并且对于(C.3)的其他项类似。
按照本发明的另一方面，时钟偏移zk＝θk根据在发送与接收定时测量消息之间所测量的传输时间来测量。这提供如下优点：已知方法能够再用于当前应用情形中，并且还能够适配到本发明的技术教导。因此，遗留系统能够易于适配。
按照本发明的另一方面，客户端根据时间戳确定至少一个时钟偏移，各时间戳指示时间延迟测量消息的发送或接收操作。这提供如下优点：相关方法步骤在客户端侧执行，这允许客户端主动执行所提出的方法，同时服务器仅需要应答特定消息。
按照本发明的另一方面，时间戳基于本地自激(free-running)振荡器。这提供如下优点：客户端时间戳、例如参照图2所述的时间戳T1和T4，基于驱动计数器、例如HW计数器的本地自激振荡器。不是应用已知闭环同步，时间戳而是基于运行于开环的自激时基。这也将在具体实施例中描述。
按照本发明的另一方面，利用测量精度进行加权的步骤通过选择逆测量方差参数作为加权参数来执行。此外，本领域技术人员知道，利用测量精度进行加权的步骤也可通过选择测量方差参数作为逆加权参数来执行。这提供如下优点：按照本发明，特定网络特性和参数能够被考虑用于调整客户端时钟。
按照本发明的另一方面，在正确执行全部发送和接收操作的情况下，为方差参数提供缺省值。这提供如下优点：至少一个偏移能够按照所确定参数(其能够对特定网络情形专门选择)来加权。
按照本发明的另一方面，在发送或接收操作失败的情况下，为方差参数提供无限值。无限值表示比缺省值要大许多的值。在具体实施例中，要大许多意味着提供特定因子，其能够与缺省值相乘，以用于确定这种大值。例如，不是选择无限值，而是能够选择1000的因子，其对方差参数的缺省值相乘。
按照本发明的另一方面，在一个所确定时钟偏移与先前测量的时钟偏移相差所指定程度的情况下，为方差参数提供无限值。本领域技术人员理解，例如通过如以上所提供的无限的定义，为方差参数所提供的无限值再次能够是比缺省值要大许多的值。
按照本发明的另一方面，时间范围通过一组技术中的至少一种来确定，该组包括先前消息交换的数量和所确定的时间跨度。这提供如下优点：例如通过秒数所指定的特定时间间隔可被考虑用于调整客户端时钟。因此，时间范围能够通过最后N个定时消息交换来指定。因此，有可能指定考虑先前消息交换的数量或者特定时间跨度。这又能够称作到期时间，因为不考虑较早的测量。最后定时消息交换的这种数量N的一个示例是在10与1,000之间的范围，即，10<N<1000。“移动时域”和“滑动窗口”表示“时间范围”。因此，这个术语能够可互换地使用。
按照本发明的另一方面，确定定时偏移考虑客户端与服务器之间的不对称传输时间。这提供如下优点：从客户端到服务器的传输时间可与从服务器到客户端的传输时间有所不同。再次，要注意，客户端和服务器架构能够增强到对等架构，这再次可提供不对称传输时间。因此，能够更精确地测量网络特性。
按照本发明的另一方面，应用一组估计技术中的一个，该组包括移动时域估计和在滑动窗口技术上的直线拟合。这提供如下优点：已知到期时间技术能够应用和增强到本发明的技术教导。
按照本发明的另一方面，根据因时钟中的硬件和软件延迟引起的加时间戳不准确性、通信网络中的消息丢失以及因网络负荷和拥塞引起的时变延迟和延迟不对称性中的至少一个，感知测量精度。这提供能够解决多种误差源的优点。
此目的通过一种用于在网络上客户端时钟到服务器时钟的同步的系统来解决，该系统包括确定单元，其设置成通过在客户端与服务器之间交换定时同步消息在网络上确定至少一个时钟偏移，其中仅在所提供的时间范围之内考虑时钟偏移。该系统还包括加权单元，其设置成利用其测量精度对所确定的至少一个时钟偏移进行加权，并且还包括调整单元，其设置成根据加权时钟偏移来调整客户端时钟，使得客户端时钟同步到服务器时钟。
此问题也通过一种客户端机器来解决，该客户端机器设置成执行在网络上客户端时钟到服务器时钟的同步，包括确定单元、加权单元和调整单元，其按照如以上所提供的那些单元来设置。
本领域技术人员理解，该系统包括客户端和服务器或相应对等体，以及所提出的客户端能够与服务器无关地操作，这意味着客户端能够自行执行测量、加权和调整。因此，服务器机器只需要向客户端机器回送定时消息。
此外，提出一种计算机可读介质，其包含用于使计算机执行所提供方法的程序指令。
本发明提供用于基于网络的同步的简单健壮方法，其中在因时变和有损网络连接引起的测量异常值存在的情况下具有改进性能。该方法系统地得出，并且在明确定义的意义上(如通过目标函数(B.1)或(C.2)所给出)是最佳的。
为算法所选的唯一参数是时域长度NT和异常值检测阈值mσθ。它们具有直观解释，并且因而调谐简单。
即使基础的加时间戳方法具有低精度并且网络连接是时变和有损的，本发明也改进同步性能。这降低基于网络的同步的实现成本，因为它可允许基于软件(而不是硬件)的加时间戳以及低成本有损网络(而不是宽带确定性网络)的使用。
本发明中使用的移动时域方法可要求在处理能够开始之前在本地存储器中存储一批N个测量点，与其中只有最新时钟状态需要被存储和更新的递归滤波方式形成对照。
同步的时间常数可通过时域长度、即NT秒来给出。这具体影响当客户端振荡器遭遇例如因振动或温度变化而引起的时钟相位或频率的快速变化时的同步响应时间。NT必须作为要求高NT的高测量精度和异常值检测可靠性与要求低NT的控制响应的低时滞之间的折衷来选择。
要注意，同步精度和响应时间还可取决于振荡器稳定性以及自激振荡器与客户端处的同步时钟之间的“联动”控制的实现。
附图说明
在下文中，将参照附图只作为说明来描述本发明。
图1A示出已知同步方法；
图1B示出按照本发明的一个方面、用于客户端时钟到服务器时钟的基于网络的同步的方法；
图2示出按照本发明的一个方面、设置成执行基于网络的同步的装置；
图3示出用于基于网络的同步的模拟结果，示出通过应用所提出的发明所取得的改进；以及
图4示出按照本发明、用于客户端时钟到服务器时钟的基于网络的同步的方法的一个方面。
具体实施方式
本发明改进图1所示的众所周知的基于网络的同步方法。主要新颖性之一是应用移动时域估计(MHE)以执行时钟相位和频率偏移的最佳批量估计。MHE允许引入估计中的显式约束，以便抑制测量异常值对估计的影响。它还允许基于其感知精度对测量进行加权。因此，相位和频率的估计在异常值存在的情况下得到改进。估计用来控制客户端时钟，这产生改进的同步性能。
MHE或MHLF的使用要求客户端时间戳(T1和T4)基于自激时基(振荡器)，即，其运行于开环。(这与使用PLL和耦合振荡器[NTP]的传统闭环同步形成对照，其中时间戳基于按照闭环方式所控制的同步时钟。这影响估计时域之内的后续T1和T4测量，这是不期望的)。因此，图2所示的开环架构是本发明的先决条件和组成部分。
优选实施例使用MHE的简化形式，在这里称作移动时域直线拟合(MHLF)。客户端时钟可使用下列步骤来同步到服务器时钟：
1.原始测量：在时间tk，客户端时钟使用带有定时请求和定时响应的众所周知协议来发起与服务器时钟的定时消息交换。从所产生的时间戳T1至T4，客户端时钟计算瞬时时钟偏移θk，
按照本发明，客户端时间戳(T1和T4)基于驱动计数器(图2中的“HW计数器”)的本地自激振荡器。
2.测量加权和异常值检测：测量能够通过选择要用于以下(3)的“测量方差”参数Rk，按照其感知精度来加权。示例方法如下：(i)如果消息交换是正常和成功的，则Rk设置成某小缺省值Rk＝R。(ii)如果消息交换失败，即，定时请求或响应消息的传输不成功，则Rk设置为无限或者某个大值、例如Rk＝1000R。(iii)另外，如果测量为异常值，则设置Rk＝1000R。检测异常值的简单健壮方法考虑连续原始测量：
如果它们相差比预计的要大许多，给定频率偏移，即，如果
则θk分类为异常值和其对应Rk＝1000R。在(2)中，是频率偏移的当前估计，以及mσθ是适当选择的阈值，参见方面B中的(B.15)。
移动时域直线拟合：客户端在通过最后N个定时消息交换所得到的从tk-N+1至tk的移动时域上收集测量zk＝θk。它建立和求解线性方程组(3)，以得到时钟相位和频率的新估计，
在方面C中给出(3)的推导。如所看到，高Rk降低对应测量zk＝θk的权重。
4.时钟控制：和是如客户端所计算的服务器时钟相位和频率的估计。为了追随服务器时钟，客户端时钟控制将这些值看作是设置点和这些设置点用来通过调整其自激振荡器(图2中的“HW计数器”)与同步时钟(图2中的“SW时钟”)之间的“联动”来调整客户端时钟。方法是已知的，并且能够应用以确保所产生的时间轨迹甚至在时钟相位设置点中的可能负跳跃存在的情况下也单调增加。
如上所述，通过假定时钟状态差wk≡0，MHLF强制时钟相位估计在测量时域之内是精确直线。对于高噪声环境中所要求的长时域，这可能过于严格。因此，非零状态差应当被允许，但是仍然约束到某些极限|wk|≤q，以便抑制或减轻异常值对状态估计的影响。这导致通过移动时域估计(MHE)所实现的约束估计问题。MHE应用于同步组成本发明的另一个实施例；它在方面B中得出。在各步骤，全二次规划(QP)问题必须建立并且以数值方式求解，这要求比(3)的简单MHLF情况要高许多的计算。但是，通过把来自前一步骤的计算解看作下一步骤中的QP迭代的起始点，QP收敛能够加速若干数量级。
对于超长时域，(A.7)中的数学时钟模型不应当忽略频率漂移，并且因而是三维的。在概念上，将卡尔曼滤波和MHE扩展到这种情况是直接的。频率漂移导致时钟偏移中的二次确定性项，并且MHLF变成移动时域二次曲线拟合。但是，实际上，这些扩展和可能的实施例对大多数应用可能不是相关的。
图3中，提供按照本发明的所提出方法的估计结果。提供稳态卡尔曼滤波器、时变卡尔曼滤波器以及移动时域直线拟合的测量结果。时变卡尔曼滤波器通过参考标号TV-KF来表示，以及移动时域直线拟合通过参考标号MH-LF来表示。
图3示出应用于测量数据{θk}的时钟估计方法的模拟结果，示出通过本发明的移动时域直线拟合(MHLF)方法对已知卡尔曼滤波器(KF)方法的改进。
测量数据{θk}：测量时长4500秒，循环时间T＝1s。服务器和客户端时钟通过以太网LAN(测量标准偏差σθ＝24.8μs)或者无线LAN(在间隔700-800s和2400-3200s中，其中具有要高许多的测量σθ)来连接。图3示出下列方面：
-虚曲线：“稳态KF”，具有恒定卡尔曼增益Kk，没有异常值检测
-TV-KF曲线：“时变KF”，具有异常值检测，时变Kk，对新息信号的异常值检测阈值＝5·10-3s
-MH-LF曲线：MHLF，时域NT＝300·1s，异常值检测阈值mσθ＝2·10-4s。最后定时消息交换的数量N的一个示例是在10与1,000之间的范围，即，10<N<1000，优选地N＝300。
-顶部：时钟相位{θk}，和作为KF输出的它的估计，以及MHLF输出
-中心：去除了总斜率的时钟相位估计，以示出时钟估计误差的差
-底部：时钟频率估计。
要注意，在大异常值存在的情况下的最大估计误差对MHLF为最小。
图4示出按照本发明、用于客户端时钟到服务器时钟的基于网络的同步的方法的一个方面。在第一方法步骤，定时测量消息(在本描述中又通篇称作时间同步消息或同步消息)从客户端发送到服务器100。发送操作以及其他接收操作具有一个时间戳，其各被指配给相应发送或接收时间。发送消息由服务器接收101。这些方法步骤100和101可反复执行，例如，例如按照发送简档，若干消息可从客户端发送到服务器，以及若干消息可再次从服务器发送到客户端。因此，有可能按照预定义时间计划表来发送消息。在方法步骤102确定和/或存储从客户端到服务器以及服务器到客户端的每个传输时间。在另一方法步骤103，评估所执行的测量是否处于所提供时间范围之内。因此，消息步骤103检查相应时间戳，并且将它们与所提供的时间范围进行比较。仅在测量处于如通过时间范围所定义的时间极限之内的情况下，执行对步骤102的测量时钟偏移进行加权的另一方法步骤104。在执行测量时钟偏移的加权之后，调整设置点按照所述方法来计算，并且客户端时钟能够在另一方法步骤105相应地调整和/或校正。本领域技术人员理解，全部方法步骤可在适用的情况下迭代地和/或按照不同顺序来执行。
连同所提出的装置、系统和模块一起，提供用于其操作的相应方法以及其上存储了由计算机处理器可执行的指令的计算机可读介质，指令在由处理器运行时执行如上所述方面的方法。
虽然在附图和以上描述中详细描述了本发明，但是这种描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的变更是本领域技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。在不同权利要求中引述某些元件或步骤的唯一事实并不表示这些元件或步骤的组合不能有利地使用、具体来说作为对实际权利要求从属性的补充，任何其他有意义的权利要求组合将理解为被公开。
Claims (12)
1.一种用于在网络上将客户端时钟同步到服务器时钟的方法，包括：
- 在所提供的时间范围之内(103)通过在所述客户端与服务器时钟之间交换(100；101)同步消息来确定(102)时钟偏移；
- 利用其测量精度对所述时钟偏移进行加权(104)，以得到加权时钟偏移；以及
- 根据所述加权时钟偏移来调整(105)所述客户端时钟，使得所述客户端时钟同步到所述服务器时钟，
其中所述加权时钟偏移包括估计时钟相位和时钟频率，
其中所述时间范围应用于一组估计技术(103)中的一个，所述组包括移动时域估计或在滑动窗口技术上的直线拟合，
其中所述客户端时钟根据时间戳确定(102)所述时钟偏移，各时间戳指示所述同步消息的发送或接收操作，以及
其中所述时间戳基于本地自激振荡器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述时钟偏移根据在发送与接收所述同步消息之间所测量的传输时间来确定(102)。
3.如上述权利要求中的任一项所述的方法，利用所述测量精度进行加权(104)的步骤通过选择测量方差参数作为逆加权参数来执行。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在正确执行全部发送和接收操作(100；101)的情况下，为所述方差参数提供缺省值。
5.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述发送或者所述接收操作(100；101)失败的情况下，为所述方差参数提供无限值。
6.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在一个所确定(102)的时钟偏移与先前确定(102)的时钟偏移相差所指定程度的情况下，为所述方差参数提供无限值。
7.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述时间范围通过一组技术中的至少一种来确定，所述组包括先前消息交换的数量、优选地为最后N个消息，和所确定的时间跨度。
8.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定(102)所述定时偏移考虑所述客户端与所述服务器时钟之间的不对称传输时间。
9.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据因所述时钟中的硬件和软件延迟所引起的加时间戳不准确性、所述通信网络中的消息丢失以及因网络负荷和拥塞所引起的时变延迟和延迟不对称性中的至少一个，感知所述测量精度。
10.一种用于在网络上将客户端时钟同步到服务器时钟的系统，包括：
- 确定单元，其设置成通过在所述客户端与所述服务器时钟之间交换同步消息，在所提供的时间范围之内确定时钟偏移；
- 加权单元，其设置成利用其测量精度对所确定的至少一个时钟偏移进行加权，以便得到包括估计时钟相位和时钟频率的加权时钟偏移；以及
- 调整单元，其设置成根据所述加权时钟偏移调整所述客户端时钟，使得所述客户端时钟同步到所述服务器时钟，
其中所述时间范围应用于一组估计技术(103)中的一个，所述组包括移动时域估计或在滑动窗口技术上的直线拟合，
其中所述客户端时钟根据时间戳确定所述时钟偏移，各时间戳指示所述同步消息的发送或接收操作，以及
其中所述时间戳基于本地自激振荡器。
11.一种设置成执行在网络上客户端时钟到服务器时钟的同步的客户端，包括：
- 确定单元，其设置成通过在所述客户端与所述服务器时钟之间交换同步消息，在所提供的时间范围之内确定时钟偏移；
- 加权单元，其设置成利用其测量精度对所确定的时钟偏移进行加权，以得到包括估计时钟相位和时钟频率的加权时钟偏移；以及
- 调整单元，其设置成根据所述加权时钟偏移来调整所述客户端时钟，使得所述客户端时钟同步到所述服务器时钟，其中所述时间范围应用于一组估计技术(103)中的一个，所述组包括移动时域估计或在滑动窗口技术上的直线拟合，
其中所述客户端时钟根据时间戳确定所述时钟偏移，各时间戳指示所述同步消息的发送或接收操作，以及
其中所述时间戳基于本地自激振荡器。
12.一种计算机可读介质，其包含用于使计算机执行如权利要求1至9中的任一项所述的方法的程序指令。
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