基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端时序同步方法

文献发布时间：2024-04-18 20:02:18

技术领域

本申请涉及能源互联网确定性网络领域，特别是一种基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端时序同步方法。

背景技术

目前，现有的TSN时间敏感网络时序同步方法主要建立在PTP精准时间协议基础之上。其主要通过时间戳交换机制实现精准的同步。网络首先通过在每个节点运行最佳主时钟选择算法得到最佳主时钟节点并以最佳主时钟为根节点构造出时间同步拓扑结构，随后每个节点通过信息交互计算节点间路径延迟。然后主时钟节点通过主-从时钟结构向所有从节点广播时钟信息。同时设备的本地时钟进行采样产生一个转发时间，与主节点广播的时钟信息比较后得出传输时延，从而实现对本地时钟的调整。

现有的一些技术方法结合PTP协议和同步以太网技术，在控制层采用PTP协议进行误差计算和相位同步，在物理层借助同步以太网产生公共计时标准并通过锁相环实现时钟频率的调整。此外，也存在基于硬件的时间标记处理方案，通过硬件产生高精度时间戳从而提高同步精度。另一些技术手段在时钟同步架构中加入低时延数据流处理模块，降低了同步的时延与抖动的同时也减少了网络开销。实时信息传输的高时钟精度是基于TSN的能源互联网良好运行的先决条件。为此也有针对现有PTP协议的扩展方案，通过引入时钟漂移因子估计时钟偏差量，对时钟进行修正来提升精度。尽管上述技术方案在时间敏感网络时序同步场景下对定时同步精度有一定性能提升，但尚未针对面向能源互联网确定性网络领域作针对性优化设计，因此相关时序同步方案仍存在优化空间。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端时序同步方法，进一步优化面向能源互联网确定性网络时间同步精度。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端时序同步方法，包括以下步骤：

步骤1：基于能源互联网确定性网络时间同步节点的工作特性，针对性考虑时钟工作频率偏移特性，建立对应时钟模型；

步骤2：建立主从时钟端到端同步流程，主时钟向从时钟发送两个主时钟本地时间戳和时钟工作频率，从时钟记录两个本地时间戳以消除链路时延分量；

步骤3：从时钟基于获得的主时钟工作状态信息，计算状态转移矩阵、观测矩阵，初始化误差向量与误差协方差矩阵，建立基于卡尔曼滤波的时钟同步方程；

步骤4：从时钟经过卡尔曼滤波方程迭代更新得到当前时钟同步周期内主时钟工作状态预测值，调整从时钟时序值与时钟工作频率。

所述步骤1中时钟模型方程建立如下；

时钟频率与相位的随机抖动会直接影响到时序同步节点的当前时间C

Δf

其中Δf

主时钟输出的时间序列在时间轴上取离散点，记为T

在抽样时刻T

由此，可以得到抽样时刻T

进而，可以得到下一个抽样时刻T

在面向能源互联网端到端同步网络中，主时钟与从时钟通过携带时间戳与时钟工作频率报文的交换实现时序信息的交互以及同步过程为：

首先，主时钟向从时钟发送携带有本地初始时间戳T

在上述时间戳的交互过程中，有以下等式成立；

在时不变对称信道中，一般认为对传播时延的两次观测值T

基于上述关系式，可以分别得到空口端到端传输时延T

基于步骤2中获得的信息提取主时钟工作状态信息，建立基于卡尔曼滤波的时钟同步方程，在步骤2中给定的主从时钟同步过程中，从时钟将获得的主时钟启动时钟同步过程的sync报文发送时刻T

记主时钟在抽样间隔d

主时钟与从时钟的状态向量为；

主时钟的状态向量更新关系式为；

其中，Δk为滤波采样周期间隔，此处取一次时间同步周期；C

根据以上状态向量与更新关系式，建立主时钟的观测方程为；

其中，H

其中，时间戳间隔时间T

基于步骤3中卡尔曼滤波方程迭代更新得到的当前主时钟工作状态信息预测值

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

第一，基于卡尔曼滤波的时钟同步算法可以有效地融合来自多个源的信息，包括本地时钟漂移、网络延迟等。这有助于提高同步的准确性，尤其在复杂的网络环境中。

第二，时间敏感网络中的网络节点时钟同步问题通常涉及到非线性系统，例如时钟漂移的累积。扩展卡尔曼滤波算法可以更好地处理非线性系统，相对于一般的线性同步算法更为灵活。

第三，卡尔曼滤波算法具有一定的容错性，可以在一定程度上处理时间同步架构中的系统时间戳测量噪声和系统建模误差。这有助于时间同步算法在实际网络中更稳定地工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明考虑的时间敏感网络端到端时序同步方法图；

图2：本发明提出的基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端同步算法流程图。

图3：本发明提出的基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端同步算法仿真结果(同步次数-节点时序值)

图4：本发明提出的基于卡尔曼滤波的时间敏感网络端到端同步算法仿真结果(同步次数-时序偏差值)

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参考图1，对本发明作进一步说明：

步骤1：根据能源互联网时钟同步节点的工作特性，建立对应的同步节点时钟模型。基于同步节点时钟模型特征，针对性考虑将在时间敏感网络同步过程中引入误差的从时钟频率偏移特性，时钟模型方程建立如下；

将上述连续时间时钟模型离散处理，我们可以得到抽样后的同步时钟时序值C