CN109525349B - 一种基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法。通过对同步过程中的关键噪声的测量，在被同步节点上建立其多个参考节点之间的置信权重，并进行凸线性组合，以提高同步参考时钟的稳定性和可靠性；建立被同步节点的自身权重，使所有节点时钟调整的受扰抖动程度持平，减小各节点受扰的不对称性对系统整体同步精度的影响，从而提高系统时间同步的精度。具有高可靠、低抖动、易实现、适用范围广的特点，适用于各种时间同步系统，例如基于信标广播的多接收者时间同步系统，可有效降低同步抖动、提高同步精度与可靠性。

Description

一种基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法

技术领域

本发明属于网络测量与控制领域，涉及一种基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法，该方法适用于分布式时间同步系统，尤其适用于可靠性、稳定性以及精度要求较高的多接收者时间同步系统。

背景技术

在分布式时间同步系统的长期运行过程中，由于各种设备的制造工艺、运行环境、工作载荷、老化时间、维修更替、升级换代等情况的不同，以及系统、软件、应用等方面的具体差异，通常存在与时间同步精度相关的关键噪声因素在各个节点上彼此程度不同的问题。此时，含噪声较大的节点通常成为时间同步系统中的短板，可能影响其它节点之间的高精度同步，同时也会影响整个时间同步系统的同步精度和可靠性等。在这种节点多样化的背景下，如何在包含大量节点的系统中动态识别并消除低质量节点的影响，是进一步提高时间同步精度和可靠性的关键。以下不妨以基于信标广播的多接收者时间互同步系统为例，以作具体说明。

基于信标广播同步(Reference BroadcastSynchronization,RBS)的多接收者时间互同步(Receiver-ReceiverSynchronization，RRS)系统，利用物理广播信道的传播特性，通过广播统一信标、交换接收时戳的方式，在若干个接收者节点之间建立时间互同步。其主要特点是避开了基于回路(Round-Trip)的时间同步方法中固有的发送时延抖动(SendDelayJitter)、双向时延不对称(Two-WayDelayAsymmetry)、需要点对点通信(Point-to-Point Communication)等问题。

在实际的RBS系统中，取决于不同的时钟品质、工作环境、链路质量、接收电路特性、信道环境等因素，各个节点上存在时钟短期抖动(Short-Term ClockJitter)、接收时延抖动(Receive DelayJitter)与取时操作的随机干扰(StampingNoise)等若干个与时戳差相关的随机抖动量，并且各个节点上的抖动程度可能各有不同。当系统中同时存在整体抖动程度较小和整体抖动程度较大的节点时，标准的RBS方法能达到的最好的同步精度受限于抖动程度较大的节点。

而标准的RBS方法虽然要求各个节点记录并交换大量的时间戳信息，但除了用于统计平均接收时戳差之外，并未充分利用这些信息。实际上，可以对网络以及节点的具体情况进行测量，以进行适当的优化控制。例如，对于接收时延偏离其期望的抖动量，如果建立了较准确的抖动程度估计，则可以采用置信加权的方法，进一步提高时间同步的精度与可靠性。

本发明提出一种优化的时间同步方法，通过对关键噪声的在线测量，动态建立各个节点的信任度，实时计算置信权重，在一定收敛速度要求下得到具有最小噪声的同步校正量估计，从而实现较高精度的时间同步。与现有方法相比，优点是实现了对不同节点信息价值的在线评估，通过信任度加权减小了关键噪声对同步精度的影响，提高系统时间同步的精度和可靠性。其精度高、可靠性强、容易实现，适用范围广。尤其适用于在计算、带宽、供电等资源充足条件下，对时间同步有高精度、高可靠、低抖动要求的各种时间同步网络。

发明内容

针对分布式时间同步系统——特别是基于信标广播的多接收者时间同步系统的同步精度受个别节点影响较大、时钟调整量抖动较大的缺点，本发明提出一种基于在节点间交换本地时戳和时钟偏移补偿量信息、估计各个节点的接收抖动性、建立信任度估计并进行置信加权的分布式时间同步方法，能够优化时间同步的精度、提高分布式时间同步系统的可靠性。

1、所述基于噪声动态估计与信任度加权动态控制的分布式时间同步方法，包含以下步骤：

(1)用于实施所述基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法的时间同步系统，其至少含有n个节点，n>＝2；每个所述节点i含有一个本地时钟；其中，i表示所述节点的编号，其取值范围是1、2、3、……、n；每个所述节点既能够作为参考节点，也能够作为被同步节点；参考节点编号、被同步节点编号与节点编号一致；在每个所述节点i上，接收其它一个或多个参考节点发送的信息，估计节点i相对于每个参考节点的时钟偏差，把这些估计结果都作为节点i上的待加权组合的原始时钟偏差项，其中的每一项对应于节点i的一个参考节点；

(2)在每个所述节点i上，根据其每个参考节点发送的时钟信息以及节点i自身的时钟信息，在时间同步过程中动态估计每个参考节点的时钟信息中的关键噪声情况以及节点i的本地时钟信息中的关键噪声情况，即动态估计关键噪声；

(3)在每个所述节点i上，根据其自身以及其参考节点的时钟信息的关键噪声情况，对其每个参考节点的时钟信息计算出相应的信任度；

(4)在每个所述节点i上，根据其参考节点的时钟信息的信任度，对参考节点的时钟偏差估计进行以上述信任度为系数的凸线性组合，作为参考节点时钟信息的参考组合结果；

(5)在每个所述节点i上，根据其自身以及其每个参考节点的时钟信息的关键噪声情况，计算出该节点的自身信任度，即计算节点自信度；

(6)在每个所述节点i上，以上述参考节点时钟信息的参考组合结果为输入，根据节点i的自信度进行收缩滤波，计算同步校正值，并根据同步校正值纠正时钟偏差；

2、所述对基于信标广播的多接收者时间同步系统中的关键噪声的方差估计，可选地包含以下步骤：

(1)在基于信标广播的多接收者时间同步系统中，在每个节点上接收信标广播，记录接收信标时候的时戳，并以收发同步帧的方式，与其它n-1个节点交换时戳；在节点i上，根据节点i与其n-1个参考节点对应于同一个信标的时戳信息，得出节点i相对其n-1个参考节点的n-1个时钟差值的估计，以此作为待加权组合的原始时钟偏差项；

(2)在每个所述节点i上，其发送的同步帧中还包含从本地时钟获取时戳时候的本地时钟偏移补偿量信息；节点i在收到其它某个参考节点发送的同步帧后，根据同一帧中的时戳信息和时钟偏移补偿量信息，用时戳值减去时钟偏移补偿量，得到经过预处理后的时戳，即无跳变时戳；根据每个参考节点发送的多个同步帧信息，建立关于该参考节点的无跳变时戳序列；将该时戳序列中的相邻两项作差，得到该参考节点的相邻信标的接收周期序列，即接收周期序列；则此序列中排除了时钟偏移及其补偿过程对同步噪声测量的影响；

(3)在每个所述节点i上，根据其建立的包含自身节点的n个接收周期序列，利用同一信标在n个接收周期序列中所对应的n项的综合，如取平均数，建立1个接收周期基准序列；然后用该基准序列与该节点i上的n个接收周期序列作差，得到n个基于该基准的接收抖动量序列；在此基础上，得到各个节点的接收抖动量的方差估计；把接收抖动量方差估计结果，作为关键噪声动态估计的结果；

3、所述计算节点自信度，可选地包含以下步骤：

(1)在每个所述节点i上，若自身节点是最小抖动节点i₁，则将自身节点的自信度设置为α_ii＝α₀，其中α₀设置为1/n或其它固定值，或根据系统收敛情况动态设置；

(2)在每个所述节点i上，若自身节点不是最小抖动节点i₁，则将自身节点的自信度趋于按照以下比例关系设置：

其中，

分别表示由所述关键噪声动态估计得到的编号依次为i₁、i、r、s的节点的关键噪声的方差估计值；i₁是使

取得最小值的最小抖动节点编号，其中

表示由所述关键噪声动态估计得到的编号为j的节点的关键噪声的方差估计值，j的取值范围为1、2、……、n。

本发明的优点在于：

(1)通过交换时钟调整信息和接收时间戳信息，实现对各节点接收抖动量的方差估计，从而充分利用了多接收者之间交换的信息；

(2)通过在参考节点之间采用置信加权的方法，既消除低质量节点对系统时间同步的不良影响，同时又在尽可能多的节点上进行加权统计平均，提高了系统同步的稳定性与可靠性。

(3)通过建立节点自信度方法，在全系统上实现各节点同步抖动方差的一致化，从而消除抖动较大的节点对整体时间同步精度的不利影响。

附图说明

图1：基于接收抖动性动态测量与信任度加权动态控制的原理图(以所述任意节点i为例)。

图2：相邻信标接收时间戳差中的不确定因素(信标周期、发送延时等)相互抵消的原理。

具体实施方式

当节点的计算、存储、供电等资源充足时，本方法的各个步骤可以分别运行在各个节点上，从而实现为一种无中心的系统；当节点的资源受限时，也可建立一个服务器接收并处理各节点的交换信息，并把处理的结果发送给各个节点，从而实现为一种有中心的系统。本实施例以基于信标广播的无中心的多接收者时间同步系统为例，给出噪声动态估计与信任度加权动态控制方法的一种具体描述。

假设系统的节点总数为n，i∈{1,…,n}是第i个节点的编号；信标从1开始按自然数顺序编号；节点i上的同步周期按节点i的被同步调整时刻划分；节点i关于信标k的被同步调整时刻记为

为了讨论问题的方便，不妨假定已经在每个所述节点i上建立了“本地虚拟时钟”(localvirtualclock)。

例如一种仿射时钟(affine clock)：以“硬件设备时钟”(hardwareclock)的输出量为自变量、以“相对漂移率补偿量”(relative drift compensation)为一次项系数(初值为1)、以“相位补偿量”(offset compensation)为零次项(初值为0)，并把所述“相位补偿量”表示为“回归相位补偿量”(regressive offset compensation)与“时钟偏移补偿量”(或称为相对相位补偿量，relative offset compensation)之和。当调整所述“本地虚拟时钟”的“相对漂移率补偿量”时，除了对“相对漂移率补偿量”进行相应的调整外，还要用所述“回归相位补偿量”对所述“本地虚拟时钟”进行相位补偿，使所述“本地虚拟时钟”的输出值在调整所述“相对漂移率补偿量”时保持不变。另外，进行“时钟相对相位补偿”，即，在不调整所述“相对漂移率补偿量”的情况下，单独对所述“时钟偏移补偿量”进行调整，使所有节点的所述“本地虚拟时钟”的输出值在一定的精度下趋于一致。

我们不妨假设在每个节点i上建立了如下的虚拟时钟：

其中，

是不可外部调整的硬件设备时钟在物理时刻t的输出值，其初始值任意；

是节点i上的第k个同步周期

上的时钟相对漂移率补偿值，其初始值为1；

是在

时刻得到的时钟相对相位补偿值，其初始值为0；

是在第k个同步周期

上进行时钟相对漂移率补偿的同时，为了不造成时钟相位在瞬间变化，而进行的回归相位补偿，其初始值也为0，并总有

显然，满足上述定义的虚拟时钟并不限于常系数的仿射时钟。如果不进行相对漂移率补偿，只进行相对相位补偿，则属于所述“相对漂移率补偿量”恒置为1的情况；如果进行相对漂移率补偿，以及进行相对漂移率的各阶导数(或差分)的补偿，则属于所述“相对漂移率补偿量”为变量的情况。在各种情况下，都可以使用本方法对补偿量的估计进行优化。如果仅进行相位补偿，不进行漂移率补偿，则要求各个节点的时钟之间的相对漂移率可以忽略，或者对接收抖动量序列做进一步的差分。简单起见，这里直接根据接收抖动量序列进行关键噪声的方差估计。

所述基于噪声动态估计与信任度加权动态控制的分布式时间同步方法，主要可分为以下步骤(可参考图1中的标注)：

(1)在每个所述节点i上，接收该节点的一个或多个参考节点发送的时钟信息，进行相对于每个参考节点的时钟偏差估计，把这些估计结果作为待加权组合的原始数据元素。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统上，即是在每个节点上接收“信标广播”(reference broadcast)、记录接收信标时的“本地时戳”(localstamp)、并彼此交换该“本地时戳”；根据本节点与其它n-1个参考节点的对应于同一个信标的“本地时戳”信息，建立本节点与其它n-1个参考节点的“本地虚拟时钟”的输出值的n-1个“相对差值估计”(relativeoffsetestimation)。其具体为；

把节点i对信标k的接收时戳记为

(在图1中，将i节点的接收时戳表示为

此处为了区分所述“本地虚拟时钟”、“本地时戳”、以及预处理后的“本地时戳”，将预处理之前的“本地时戳”突出表示为

这样的表示用来避免歧义；在此处的详细说明的基础上，图1中

所指代的具体含义也无歧义)。当已知各个节点的非负接收时延的期望

之间的差值时，在节点i上收到第k个信标对应的所有时间戳信息后，可以将节点i相对于第k个信标的任意其它节点r的相位补偿量的增量估计为：

另外，也可以先使用(或不使用)常规的RBS方法进行统计平均，得到：

并把平均的结果作为待加权组合的原始数据元素。

(2)在每个所述节点i上，根据每个参考节点发送的时钟信息以及节点i自身的时钟信息，进行关键噪声动态估计，在时间同步过程中动态估计每个参考节点的时钟信息中的关键噪声情况以及节点i的本地时钟信息中的关键噪声情况。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统上，即是进行量化的“接收抖动测量”(receive-jitter measurement)。

首先，需要排除时钟调整过程对同步噪声测量的影响。为此，在进行接收抖动测量时，在各个节点彼此交换对当前信标的所述“本地时戳”的过程中，也彼此交换关于所述“本地虚拟时钟”的“时钟偏移补偿量”的当前信息(可以与“本地时戳”在同一帧中发送；也可以按某种确定的对应关系，与“本地时戳”分别在不同帧中发送，以下不妨以在同一帧中的情况为例)；根据n个节点之间交换的“本地时戳”信息和“时钟偏移补偿量”信息；用每个节点i的同一帧信息中的“本地时戳”值减去“时钟偏移补偿量”，作为对原始时间戳的预处理，得到节点i的无相位调整跳变的“时间戳序列”

然后再用该“时间戳序列”中的每两个相邻元素作差，得到节点i的“相邻信标接收周期序列”

然后，每个节点根据其建立的n个节点(包含自身节点)的“相邻信标接收周期序列”，进行各个节点的“接收抖动量方差估计”(receive-jitter variance estimation)，并把“接收抖动量方差估计”的结果作为“接收抖动测量”的结果。即：

把在信标k发出时刻所对应的节点i上的时钟偏移补偿量记为

并把节点i对相邻两个信标的接收时戳差记为：

由于相邻两个信标之间可能存在时钟偏移补偿量的变化，所以用节点间交换的时钟偏移补偿量把接收时戳预处理为：

此时可采用以下的记法：

这样，

都是与时钟相对相位补偿无关的可测的量，并且与各个节点的时钟之间的相位差异无关。在每个节点上，可以建立n个相邻信标接收周期序列

(以下简记为

i∈{1,2,…,n}。

然后，我们基于

进行接收抖动量方差估计。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统上进行所述“接收抖动量方差估计”时，在所述任何一个节点上，根据其建立的n个“相邻信标接收周期序列”，可以利用同一信标在n个“相邻信标接收周期序列”中所对应的n个元素的某种综合(如取平均、取中位数等)，建立1个“相邻信标接收周期基准序列”

然后用该“基准序列”与该节点上的n个“相邻信标接收周期序列”作差，得到n个基于该基准的“相邻信标接收抖动量序列”

此时，如图2所示，所述“相邻信标接收抖动量序列”中已经排除了发送时延和信标周期的抖动，而仅与接收时延相关的抖动量有关；然后基于所述“相邻信标接收抖动量序列”，得到各个节点的接收抖动量的方差。

该方法的基本原理，是建立能抵消所有信标周期和发送抖动的某种基准，用来与原始的测量作差，得到仅包含接收抖动的测量。

为了说明此方法的原理，这里以平均数方法为例。

假定节点上的抖动量符合零均值的正态分布，

将n个节点的平均值所对应的随机变量记为

则

其中：

对于n个节点上的第k次测量

将该次测量的平均值记为：

在此处，我们选择的基准量是

然后，用此量作为基准量，与上述的

中的各个元素作差，则有：

其中，

和

是不相关的，所以有：

其中：

现在，

是一个可以测量得到的、与发送时延和信标周期都无关、只与接收抖动有关的量，对其进行统计，可获得对

的无偏估计

利用上式，可以建立关于

和

的n个方程，另外再结合

则可以解出

和

即通过：

可以建立

的估计为：

从而可得对每个节点的接收抖动量的估计为：

由于各个节点对不同信标的接收事件可视为相互独立的事件，所以可以将

的一半作为节点i接收单次信标时的接收抖动量的方差。

据此原理，以下给出该方法的一种递推算法。首先,有：

并有：

在根据“相邻信标接收周期序列”估计各个节点的接收抖动量的方差时，还可以使用其它各种方法。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统中，由于各个节点对不同信标的接收事件可视为相互独立的事件，所以可以将相邻信标的接收抖动叠加量的方差的一半，作为节点接收单次信标时的接收抖动量方差。

(3)在每个所述节点i上，根据其自身以及其每个参考节点的时钟信息的关键噪声情况，对每个参考节点的时钟信息计算出不同的信任度。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统中，把对每个参考节点的“接收抖动测量”的结果，映射为一个对该节点参考价值的信任度估计结果；为了完成不同的任务，信任度估计可以根据不同的目标建立，也可以根据多个不同目标的综合而建立；例如，建立一种能够方便实现多个节点之间的凸线性组合的信任度；即对n-1个“相对差值估计”进行“置信加权平均”(confidence-weighted average)，得到一个“单信标综合相对差值估计”(per-reference integrated relativeoffsetestimation)。

当已知各个节点的抖动程度不同时，对于一个节点i而言，对于来自其它n-1个不同节点r的“相对差值估计”

可以采用不同的信任度作为整体的分配权重。即，令节点i的“综合参考相对差值估计”为：

其中，α′_r≥0，并且∑_r≠iα′_r＝1。

另外，根据节点i的自身抖动程度的不同，也可以建立对自身的置信权重α_i，此时，可令该节点自身对应的“相对差值估计”为

即：

但是，适当提高节点自身置信权重，虽然能够降低整体相位补偿量的抖动程度，但它是以降低同步收敛速度为代价的。所以，一个节点对自身的置信权重的分配问题，和该节点对其它节点的置信权重分配的问题，是作为两个不同的问题看待的。

设已知每个节点j的接收抖动量x_j的方差为

并且相互独立，现在在其中一个节点i上，进行对随机变量

的方差的优化；其中

α_j≥0，并且α_i≥0已经给定为某值。

首先：

其中，α_i既然已经给定，则只需关心其它n-1个权重的分配。

此时，应用拉格朗日乘数法，可令：

然后对F(α₂,…,α_n)求偏导数，并求偏导数的零点：

可得F的极点为：

根据

有：

所以，在节点i上，当给定了自身权重为α_i时，若对节点r按上式设置参考权重α_r，则可以使来自不同节点的相对相位补偿参考值的凸组合

取得最小的方差。实际上，由于节点i的自信度不影响参考节点之间的权重比例，所以可以先在α_i＝0的条件下求得归一化的参考权重α′_r，即∑_r≠iα′_r＝1，然后再求出α_i，最后计算：

采用该方法能够降低内部统一时间的推进抖动，从而在内部时间同步系统上获取抖动较小的参考时间。当各个参考节点的接收抖动性相等时，该估计与同等情况下的平均数估计的效果相同，此时优于中位数方法所得的估计；当各个参考节点的接收抖动性不等时，该估计优于同等情况下的平均数方法所得的估计；当存在抖动性很大的参考节点(可认为是故障节点)时，在节点抖动量方差估计准确的条件下，该估计可以容忍的最大故障节点数目多于中位数方法能够容忍的最大故障节点数目。(当系统节点总数为n＝2f+1时，中位数方法能够容忍的最大故障节点数目是f；而如果采用这里的置信加权平均方法，则能够容忍的最大故障节点数目大于f。)

所述方法还可以结合已有的节点容错方法，如已有的去除最大的和最小的几个元素的做法。即，在滤除一定数量的边缘节点后，对剩下的节点再进行置信加权平均。

(4)在每个所述节点i上，根据参考节点的时钟信息的信任度，对参考节点的时钟偏差估计进行凸线性组合，作为参考节点时钟信息的参考组合结果，使参考节点信息的组合结果具有最小的噪声。按照前面的原理介绍，即：

(5)在每个所述节点i上，根据其自身以及其每个参考节点的时钟信息的关键噪声情况，对该节点自身计算出一个自身信任度(以下称为自信度)。

在基于信标广播的多接收者时间同步系统上计算所述“自信度”时，在所述任何一个节点上，可以根据已经测量得到的各个节点的接收抖动量的方差，对本节点在0到1之间选取一个自身权重，同时保持该节点的“综合参考相对差值估计”的总权重与该节点的“自信度”之和为1，从而使所有节点的“单信标综合相对差值估计”中的整体干扰量的方差处于相互持平的状态，实现全系统等方差的时钟相位调整。即：

由于

自身权重α_i越大时，

的抖动是越小的，但同时降低了同步收敛的速度。以下是关于自身权重设置有关的一些基本结论：当设置α_i＝0时，n＝2时系统振荡不收敛，n>2时系统振荡收敛；当设置

时，系统振荡收敛；当设置

时，对应于理想一步收敛的全局统一时间估计；当设置

时，系统收敛不振荡；当设置

时，系统收敛较慢；当α_i＝1时，系统不收敛。

在方差有较大的差别时，抖动较大的节点的时钟偏移补偿量估计值的抖动也较大，从而影响该节点的相位补偿精度，这在整体上成为系统中的短板，直接影响到了整体系统时间同步的精度。此时，这种抖动是节点自身的问题造成的，与其它节点无关，所以不能以改变其它参考节点的信任度的方式解决，而只能以提高节点自身(对自身过去状态)的信任度的方式解决。

同时，由于多接收者同步是基于两个节点之间的相对测量的，所以，一个节点的自身抖动越大，以及该节点的所有参考节点的加权线性组合量的抖动越大，这种测量的误差可能越大。因此，需求出一个节点自身的抖动与该加权线性组合量的抖动之和。对于该和较大的节点，可以适当提高该节点对当前自身相位的信任度，降低该节点对新测量得到的相位补偿参考值的信任度。通过自信度的提高，使整体的时钟偏移补偿量的抖动与抖动较小节点的情况趋于一致。

在建立各个节点自信度之间的关系时，为了不与参考节点的权重相混淆，将节点i的自信度记为α_ii，将在节点i上对其参考节点j的置信权重记为α_ij。

设节点k的接收抖动量方差是

则为使：

需使：

即：

所以，当最小抖动节点i₁的自信度趋于设置为α₀时，其它所有节点的自信度都应趋于设置为满足上述比例关系。

在系统处于稳定状态时，按照上述比例设置的自信度使所有节点的同步调整噪声处于相近的水平，从而避免系统稳态误差受到个别节点的较大影响。

关于α₀以及每个节点的自信度的具体设置，可以采用静态设置方法或动态设置方法。静态设置α₀时，可以将α₀设置为1/n或者其它固定值，其它节点的自信度按上述比例关系设置。这种方法的好处是简单稳定。

动态设置α₀以及每个节点的自信度时，可以采用许多方法，例如采用如下方法：

假定已经限定节点j的自信度的动态取值范围为0<α_min(j)≤α(j)≤α_max(j)<1，(例如令α_min(j)＝1/n，α_max(j)＝(n-1)/n)则可以将自信度分为m个档位，依次是：α₁(j),α₂(j),…,α_m(j)，其中，α₁(j)＝α_min(j)，α_m(j)＝α_max(j)，并令：

其中，β∈R是一个常数，0<β<1。即，从α_max(j)到α_i(j)的距离是一个等比数列。

然后，设自信度调整的周期是T，每次调整量是随机变量Δb，自信度档位为L，进行如下的动态测量与调节：

1).令k＝0，L＝1，E₀(Δb)＝0

2).令k＝k+1，观察时间段T_k＝[kT-T,kT]内的平均调整量E_k(Δb)，若E_k(Δb)E_k-1(Δb)>0，则在L>1时令L＝L-1；若E_k(Δb)E_k-1(Δb)≤0，则在L<m时令L＝L+1；

3).再次执行2

以上的方法基于这样的认识：如果相邻两段(或多段)时间内的调整方向相同，说明同步作用不足，此时应尽量降低自信度；如果相邻两段(或多段)时间内的调整方向不同，说明同步作用足够，此时应尝试提高自信度。这种方法的好处是，在初始阶段系统能够快速收敛到稳定区域，在稳定区域系统能够不断尝试减小同步补偿的抖动。

应该看到，自信度比例关系的运用是灵活的。例如，为了使各个节点的自信度设置趋于满足前述的自信度比例关系，同时每个节点有充分的自由度进行自信度的动态设置，可以使各个节点的最大自信度α_max满足前述的自信度比例关系(而不是使各个节点的自信度始终保持固定的上述比例关系)，并且使各个节点的自信度在系统稳定时趋于其最大自信度α_max。这样做的好处是：当系统处于稳定区域时，节点的自信度之间满足前述的比例关系；当系统处于非稳定区域时，抖动较大的节点不受该比例的影响，可以快速地补偿较大的偏差。

(6)在每个所述节点i上，以上述参考节点时钟信息的参考组合结果为输入，根据节点i的自信度进行收缩滤波，计算同步校正值，使每个节点的同步校正值具有相近的噪声水平。按照前面的原理介绍，即：

本发明所提出的方法，可用来解决由于各节点关键噪声的差异而造成的同步精度损失、可靠性降低、同步时间稳定性降低等问题。该方法与时域优化的方法在优化的维度上是正交的。也就是说，在采用噪声动态测量与信任度加权控制的过程中，也可以结合使用其它的各种时域滤波等方法，如多信标统计平均方法、卡尔曼滤波方法等，对关键噪声进行进一步的时域滤波，并调整时钟偏移补偿量。

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)用于实施所述基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法的时间同步系统，其至少含有n个节点，n>＝2；每个所述节点i含有一个本地时钟；其中，i表示所述节点的编号，其取值范围是1、2、3、……、n；每个所述节点既能够作为参考节点，也能够作为被同步节点；参考节点编号、被同步节点编号与节点编号一致；在每个所述节点i上，接收其它一个或多个参考节点发送的信息，估计节点i相对于每个参考节点的时钟偏差，把这些估计结果都作为节点i上的待加权组合的原始时钟偏差项，其中的每一项对应于节点i的一个参考节点；

(2)在每个所述节点i上，根据其每个参考节点发送的时钟信息以及节点i自身的时钟信息，在时间同步过程中动态估计每个参考节点的时钟信息中的关键噪声情况以及节点i的本地时钟信息中的关键噪声情况，即动态估计关键噪声；

(3)在每个所述节点i上，根据其自身以及其参考节点的时钟信息的关键噪声情况，对其每个参考节点的时钟信息计算出相应的信任度；

(4)在每个所述节点i上，根据其参考节点的时钟信息的信任度，对参考节点的时钟偏差估计进行以上述信任度为系数的凸线性组合，作为参考节点时钟信息的参考组合结果；

(5)在每个所述节点i上，根据其自身以及其每个参考节点的时钟信息的关键噪声情况，计算出该节点的自身信任度，即计算节点自信度；

(6)在每个所述节点i上，以上述参考节点时钟信息的参考组合结果为输入，根据节点i的自信度进行收缩滤波，计算同步校正值，并根据同步校正值纠正时钟偏差。

2.根据权利要求1基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法，所述步骤(1)、(2)中所述的动态估计关键噪声，其特征在于，是对基于信标广播的多接收者时间同步系统中的关键噪声的方差估计，具体包含以下步骤：

(1)在基于信标广播的多接收者时间同步系统中，在每个节点上接收信标广播，记录接收信标时候的时戳，并以收发同步帧的方式，与其它n-1个节点交换时戳；在节点i上，根据节点i与其n-1个参考节点对应于同一个信标的时戳信息，得出节点i相对其n-1个参考节点的n-1个时钟差值的估计，以此作为待加权组合的原始时钟偏差项；

(2)在每个所述节点i上，其发送的同步帧中还包含从本地时钟获取时戳时候的本地时钟偏移补偿量信息；节点i在收到其它某个参考节点发送的同步帧后，根据同一帧中的时戳信息和时钟偏移补偿量信息，用时戳值减去时钟偏移补偿量，得到经过预处理后的时戳，即无跳变时戳；根据每个参考节点发送的多个同步帧信息，建立关于该参考节点的无跳变时戳序列；将该时戳序列中的相邻两项作差，得到该参考节点的相邻信标的接收周期序列，即接收周期序列；则此序列中排除了时钟偏移及其补偿过程对同步噪声测量的影响；

(3)在每个所述节点i上，根据其建立的包含自身节点的n个接收周期序列，利用同一信标在n个接收周期序列中所对应的n项的综合，如取平均数，建立1个接收周期基准序列；然后用该基准序列与该节点i上的n个接收周期序列作差，得到n个基于该基准的接收抖动量序列；在此基础上，得到各个节点的接收抖动量的方差估计；把接收抖动量方差估计结果，作为关键噪声动态估计的结果。

3.根据权利要求1基于噪声估计与信任加权的分布式时间同步方法，所述步骤(5)中所述的计算节点自信度，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在每个所述节点i上，若自身节点是最小抖动节点i₁，则将自身节点的自信度设置为α_ii＝α₀，其中α₀设置为1/n或其它固定值，或根据系统收敛情况动态设置；

(2)在每个所述节点i上，若自身节点不是最小抖动节点i₁，则将自身节点的自信度趋于按照以下比例关系设置：

其中，

分别表示由所述关键噪声动态估计得到的编号依次为i₁、i、r、s的节点的关键噪声的方差估计值；i₁是使

取得最小值的最小抖动节点编号，其中

表示由所述关键噪声动态估计得到的编号为j的节点的关键噪声的方差估计值，j的取值范围为1、2、……、n。

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