CN109901109A - 一种基于空口时延测量实现授时的方法、终端及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于空口时延测量实现授时的方法、终端及系统，涉及计算机网络技术领域。本申请的主要技术方案为确定锚节点个数，依据锚节点个数选择测距方法；若选择AOA测距方法，则使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；若选择RSSI测距方法，则使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。本申请通过无线网络定位的方式获取锚节点与待测终端之间的时延，简化了授时的流程，使得测距结果更精确，提高了授时的效率。

Description

一种基于空口时延测量实现授时的方法、终端及系统

技术领域

本申请涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于空口时延测量实现授时的方法、终端及系统。

背景技术

随着现代导航、航天、通信、电力特别是军事领域需求的发展，获得统一标准的时间显得越来越重要，时间频率体系的性能高低体现了一个国家的科技综合实力。如今，计算机不仅成为国防高科技领域的自动控制活动的核心，也成为普通民用经济建设的核心，这意味着基于计算机的自动控制系统中实现高精度授时具有很高的价值及重要性。高精度授时在通信、电力及金融等行业得到了广泛应用，已成为现代高科技，尤其是国防科技及空间技术不可或缺的支撑。此外授时技术在智能家居、智能交通等与人们生活息息相关的科技应用中也成为了关键技术。

卫星授时技术是当前比较成熟并在广泛使用的时间同步技术，例如GPS时间同步技术，北斗卫星时间同步技术等。随着卫星导航系统，特别是GPS及相关应用技术的快速发展，基于卫星导航系统的时钟同步已成为高精度时间传递的重要手段。卫星授时常用方法为单向法、共视法(CV)、双向时间频率传递法(TWSTFT)，传递的信号为标准时间。

单向法是指卫星和地面之间的单一方向授时，原理与自由空间微波时频同步法相似，信号传播受卫星位置、电离层时延、设备时延等影响，授时精度只能达到100ns左右。双向卫星时间频率传递技术是全双工的双向时间频率传输的典型应用，是指两观测站将各自的时频信号通过调制解调器变频后，互相通过卫星进行双向转发的过程，实质上是在共视和双向传输的基础上完成的。由于各自收发信号的时刻已知，传输路径基本对称，所有时延基本均可抵消，因此其时间比对准确度已经可以优于1ns。

卫星导航系统始终存在成本昂贵、信号脆弱的根本性问题，在战时的可靠性堪忧，在受遮挡区域或电磁环境比较复杂的场合可能造成授时功能失效或精度降低。

发明内容

本申请提供一种基于空口时延测量的终端授时方法，包括：待测终端统计确定锚节点个数，依据锚节点个数选择测距方法；若选择AOA测距方法，则使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；若选择RSSI测距方法，则使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。

如上的，其中，依据锚节点个数选择测距方法，具体为：若定位场景中的锚节点数≥预设基站数，则选择AOA测距方法；若定位场景中的锚节点数<预设基站数，则选择RSSI测距方法。

如上的，其中，使用AOA测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：在待测终端处测量在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息；根据信号到达角度信息计算待测终端的估计位置；对待测终端的估计位置进行过滤和精准校正；推导计算锚节点n与待测终端i之间的距离。

如上的，其中，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：创建RSSI测距模型，标定传播因子，根据测量点d_i和得到的能量值RSSI_i建立数据库；计算接收到某一RSSI值时待测终端位于每个测量点的概率，扩展数据库；在实际测距时，测量锚节点与待测终端之间的能量值RSSI，通过得到的数据库进行加权计算，得到锚节点与待测终端之间的距离。

如上的，其中，根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，具体为：其中，d_equi＝d+X_σ，d_equi为测得的等效距离、d为锚节点与待测终端之间的距离、X_σ为环境噪声，c为无线信号传播的速度，计算得到的t为时延。

本申请还提供一种基于空口时延测量实现授时的终端，所述终端包括统计模块、选择算法模块、测距模块和授时模块；所述统计模块用于确定在通信范围内的锚节点个数；所述选择算法模块用于根据所述统计模块统计的锚节点个数选择测距方法；所述测距模块，用于当所述选择算法模块选择AOA测距方法时，使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；或当所述选择算法模块选择RSSI测距方法时，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；所述授时模块，用于根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。

如上的，其中，所述测距模块，具体用于当所述选择算法模块选择AOA测距方法时，根据锚节点广播的信标信息，确定在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息，根据信号到达角度信息计算待测终端与锚节点的距离。

如上的，其中，所述测距模块，具体用于当所述选择算法模块选择RSSI测距方法时，根据接收信号强度计算待测终端与锚节点的距离。

本申请还提供一种基于空口时延测量实现授时的系统，其特征在于，包括：上述终端和基站，所述基站设置为锚节点，作为所述终端的接入设备，用于向所述终端广播主时钟时刻。

本申请实现的有益效果如下：通过无线网络定位的方式获取锚节点与待测终端之间的时延，简化了授时的流程，使得定位结果更精确，提高了授时的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于空口时延测量的终端授时方法流程图；

图2为使用AOA测距方法进行测距的方法流程图；

图3为AOA测距场景示意图；

图4为使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距的方法流程图；

图5为RSSI测距方法中n值标定场景示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了在受遮挡区域或电磁环境比较复杂的场合也能够实现终端精确授时，本申请提供一种应用于蜂窝网络中的基于空口时延测量的终端授时系统，包括至少一个基站和至少一个终端，基于电信网络设备的时间同步能力，在蜂窝网络中将基站作为锚节点(即作为移动设备接入的设备)，其中，基站是固定无线电台站，终端为移动设备(如智能手机)，在终端中内置电磁信号接收机等硬件设备，实现测量在通信范围内的锚节点信号到达角度信息；本申请利用基站自身的精准时间或上级时钟传递的时间，给蜂窝网络终端节点进行授时。

实施例一

如图1所示，所述基于空口时延测量的终端授时方法包括：

步骤110：待测终端统计确定锚节点个数，依据锚节点个数选择测距方法；

具体地，本申请根据蜂窝网络中的基站个数，将定位场景分为两种：锚节点较多(基站数≥预设基站数，优选为3个)和锚节点较少(基站数<预设基站数，即基站数为一个或两个)；根据具体的应用场景能够确定场景中位置已知的基站数量，即可确定锚节点个数；

其中，待测终端根据锚节点个数选择测距方法，具体为：当定位场景中锚节点较多时，使用AOA测距方法(Angle-of-Arrival，基于信号到达角度的测距方法)，当定位场景中锚节点较少时，使用RSSI测距方法(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示，通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离的一种测距方法)；

需要说明的是，由于蜂窝网络内未知节点的邻居锚节点平均数目大于3时，AOA测距方法才能体现出优越性，因此在锚节点大于或等于3的情况下使用基于信号到达角度的AOA测距方法；而在锚节点只有一个或两个的情况下，优选地使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法，是因为基于RSSI的测距技术无需额外的硬件，利用对接收信号强度的判断即可估算出收发节点间的距离，是无线传感器网络中常用的测距方法；无线电波在实际的传播过程中，会存在反射、绕射及衍射现象，使得RSSI值随机变化较大，会存在某一距离点下测得的RSSI值有多个，同一RSSI值会对应多个位置点的现象，这些现象使得RSSI和距离之间的对应关系被破坏，因此建立RSSI和距离间的点对点的对应关系存在较大误差；对大量统计数据进行分析发现，RSSI值对应于距离区间中的哪个距离点也是一个概率问题，其本质为最大似然估计；因此为了提高测距精度，使用对基于距离区间概率加权的RSSI测距方法。

步骤120：若选择AOA测距方法，则使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

本实施例中，参见图2，使用AOA测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：

S121、在待测终端处测量在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息；

具体地，锚节点广播信标信息，通过特殊设备(如超带宽测量设备)测量得到待测终端在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息。

S122、根据信号到达角度信息计算待测终端的估计位置；

请参阅图3，图3为AOA测距场景示意图；具体地，假设P(x，y)为待测终端的经纬度坐标，M(x₁，y₁)、N(x₂，y₂)为两个锚节点的经纬度坐标，在待测终端测量P(x，y)处得到M(x₁，y₁)、N(x₂，y₂)两个锚节点的信号到达角度信息为α、β，使用夹角射线原则解方程式(1)，得到如式(2)所示的待测终端P的估计位置(x，y)：

S123、对待测终端的估计位置进行过滤和精准校正；

优选地，当待测终端的通信半径内有多个锚节点时，将锚节点两两一组分成不同排列组合，若两点共线则放弃此组数据，若两点不共线则分别计算每组锚节点对应的待测终端的估计位置，过滤掉大于设定阈值的估计位置，将过滤后得到的各组估计位置组成的几何图形的质心作为待测终端的最终估计位置，实现对待测终端的估计位置的精准校正；

例如，设定距离阈值d₀，且设定待测终端与自身的距离取为∞，当某一节点与其他节点估计位置间的距离值均大于d₀时，认为该点为不可靠位置，不参与计算；若待测终端P的4个估计位置A、B、C、D均为可靠位置，且A、B、C、D的经纬度坐标分别为A(x_A，y_A)，B(x_B，y_B)，C(x_C，y_C)，D(x_D，y_D)，则将4个位置构成的几何图形的质心坐标作为待测终端P的最终估计位置。

S124、推导计算锚节点n与待测终端i之间的距离；

具体地，计算得到锚节点n与待测终端i之间的距离d’为：

其中，x_n、y_n分别为锚节点n的横纵坐标，x_i和y_i分别为待测终端i的横纵坐标，计算得到的d’即为锚节点n与待测终端i之间的距离。

返回参见图1，步骤130：若选择RSSI测距方法，则使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

本实施例中，如图4所示，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：

S131、创建RSSI测距模型，标定传播因子n，根据测量点d_i和得到的能量值RSSI_i建立数据库；

具体地，为了建立数据库，先进行一系列测量实验进行数据统计，实验中将节点分为锚节点和测量点，在节点的通信半径内选取x个测量点，其中在测量点放置信号发射端、锚节点用于信号接收，针对每个测量位置，记录锚节点收到的来自测量点的信号发射端的信号强度，建立测量位置的RSSI值数据库，记为<d_i，RSSI_i>，其中d_i为在该测量点下信号发射端和锚节点之间的距离，RSSI_i表示在该测量点下测得的所有不同的信号强度值的集合，若不同的RSSI值个数为m，则RSSI_i＝{R_i1,R_i2,…,R_im}；

整合所有测量点下测得的RSSI值，挑出其中不同的RSSI值，并从数据库<d_i，RSSI_i>中找出每个不同的RSSI值所出现的距离，并将其一一列出，即可建立某个RSSI值和其出现的距离区间的数据库，记为<R_k,D_k>，其中R_k为某个特定的RSSI值，D_k表示RSSI值R_k所存在的所有测量点的集合，记为D_k＝{d_i}，i的取值和个数根据R_k的不同而不同。

其中，传播因子n表示信号强度RSSI随距离增加衰减的速率，是测距估计的一个重要参数，其值取决于特定的传播环境；标定无线信号传播因子n值时存在天线全向性问题，为了提高标定精度，采取如图5所示的标定方法。其中标定传播因子n具体包括如下两种方式：

(1)传播因子n值通过RSSI与距离的拟合曲线得到

(2)利用无线信号的发射功率与接收功率之间的关系反推得到传播因子n；

具体地，无线信号的发射功率与接收功率之间的关系如式(4)所示：

其中，PR是无线信号的接收功率，PT是无线信号的发射功率，d是收发单元之间的距离，n为传播因子，数值大小取决于无线信号传播的环境；待测终端的发射功率已知，将发射功率作为常数带入式(4)中，可得式(5)：

10*lgPR＝A-10nlgd (5)

根据信号功率转换为dBm(分贝毫瓦)的表达式X(dBm)＝10*lgX，将式(5)转换为式(6)：

PR(dBm)＝A-10nlgd (6)

其中，A为信号传输1米远时接收信号的功率；

例如，选择四个无线收发性能相同的节点作为发射节点安置在接收节点四周，四个发射节点每隔一定距离依次发送固定数量的数据包给接收节点，接收节点数据包转换为相应的RSSI值并求平均值，求得的平均值作为无线收发节点在相应距离下的RSSI值，代入式(5)反推得到n值。

S132、计算接收到某一RSSI值时待测终端位于每个测量点的概率，扩展数据库；

为了提高测距精度，求出RSSI出现在距离区间中每个距离下的概率，根据概率的大小来判断RSSI出现在距离区间中某个特定距离测量点的可能性，给出现的可能性较小的距离以较小的权值，给出现的可能性较大的距离以较大的权值，最后取这些距离值的加权平均作为该RSSI最终对应的距离值，具体计算过程如下：

定义以下变量：

D表示所有测量点的集合，D＝{d₁,d₂,…,d_x}；

R_k表示RSSI的测量值，k取不同的值，RSSI值的大小也不一样；

P(d_i/R_k)为RSSI测量值为R_k时待测终端位于测量点d_i的概率；

P(d_i)为待测终端位于测量点d_i的先验概率；

P(R_k/d_i)表示在测量点di处测得的RSSI测量值为R_k的概率；

P(R_k)表示在所测的所有RSSI值中，测量值为R_k的概率；

由贝叶斯法则可得：

其中，P(d_i)可由历史数据或经验给出，在没有先验知识的情况下，P(d_i)可假设为均匀分布；P(R_k/d_i)为似然函数，需要在训练阶段计算；P(R_k)与具体测量点无关，在求相对概率大小的情况下可认为等于常数。

在某一距离下的RSSI值出现规律满足高斯分布，因此似然函数P(R_k/d_i)可由高斯概率分布函数求得：

μ和σ分别为在测量点d_i处多次测量信号的均值和标准差；设测得的信号个数为N，则有：

其中，R_i为在测量点d_i处测得的第i个信号的RSSI_i值；

本步骤还包括扩展数据库，具体为：根据式(8)～式(10)求出RSSI测量值为R_k时待测终端位于各个测量点的概率P(d_i/R_k)。由此，RSSI值和距离区间的数据库<R_k,D_k>中的D_k可扩展为D_k＝{d₁(P_k1),d₂(P_k2),…,d_x(P_kx)}，其中P_ki为R_k值出现在距离点d_i下的概率，数据库<R_k,D_k>可更新为：

由此，在数据库中，一个RSSI值对应一个距离区间，且包含该RSSI值出现在区间中每个距离点下的概率。

S133、测量锚节点与待测终端之间的能量值RSSI，通过得到的数据库进行加权计算，得到锚节点与待测终端之间的距离；

具体地，在实际测距时，待测终端在未知位置处发出探测信号记录若干个RSSI值，并将每个RSSI值和数据库中的RSSI值进行比较，找到和其相等或者差值最小的能量所对应的距离，以其对应的概率为权值，对式(11)中的距离区间中的每个距离进行加权求和，最终得到的RSSI值为R_k对应的映射距离为：

其中，d″即为待测终端距锚节点的距离。

返回参见图1，步骤140：根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，将锚节点的主时钟时刻和时延广播给待测终端，完成待测终端的授时；

由于无线信号在传输过程中存在反射、绕射和衍射等现象，且容易受到环境噪声的影响，如信号串扰，因此本申请测得的距离为等效距离，定义为d_equi，因此定义一个变量X_σ作为环境噪声，式(13)中取X_σ为零均值的高斯噪声模拟环境噪声：

d_equi＝d+X_σ (13)

由等效距离获得所需测量的时延t：

其中c为无线信号传播的速度，获得该时延t后，通过将锚节点的主时钟的时刻信息和获得的时延信息一起广播给待测终端，实现对节点的授时，结束流程。

实施例二

本申请实施例二提供一种基于空口时延测量实现授时的终端，包括统计模块、选择算法模块、测距模块和授时模块；

其中，统计模块用于确定在通信范围内的锚节点个数；

选择算法模块用于根据统计模块统计的锚节点个数选择测距方法；

测距模块，用于当选择算法模块选择AOA测距方法时，使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；或当选择算法模块选择RSSI测距方法时，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

具体地，测距模块，具体用于当选择算法模块选择AOA测距方法时，根据锚节点广播的信标信息，确定在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息；测距模块，具体还用于当选择算法模块选择RSSI测距方法时，根据接收信号强度计算待测终端与锚节点的距离；

授时模块，用于根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。

进一步地，本申请还提供一种基于空口时延测量实现授时的系统，包括实施例三中的终端，还包括基站，所述基站设置为锚节点，作为所述终端的接入设备，用于向所述终端广播主时钟时刻。

本申请实现的有益效果如下：

(1)为了应用于蜂窝网的高精度授时，本申请使用的AOA测距方法和RSSI测距方法，无需以锚节点与待测终端之间的时间同步作为前提，且定位所需的锚节点数量少于其他方法；

(2)在RSSI测距方法中使用基于距离区间的概率加权算法，解决了无线电波在实际的传播过程中，会存在反射、绕射及衍射现象，使得RSSI值随机变化较大，会存在某一距离点下测得的RSSI值有多个，同一RSSI值会对应多个位置点的问题，提高了测距精度，从而达到提升授时精度的目的；

(3)本申请通过无线网络定位的方式获取锚节点与待测终端之间的时延，简化了授时的流程，提高了授时的效率；

(4)本申请考虑了移动场景下锚节点个数的多少对测距效果产生的影响，在不同的场景下采用不同的测距方法，使得测距结果更精确，从而达到提升授时精度的目的；

(5)本申请在特定的场景下，例如室内、地理环境复杂、遮蔽性较强的地区等GPS信号薄弱的地方可以取代GPS进行精准授时，且相较于GPS授时可以节约设备成本。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于空口时延测量的终端授时方法，其特征在于，包括：

待测终端统计确定锚节点个数，依据锚节点个数选择测距方法；

若选择AOA测距方法，则使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

若选择RSSI测距方法，则使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。

2.根据权利要求1所述的基于空口时延测量的终端授时方法，其特征在于，依据锚节点个数选择测距方法，具体为：

若定位场景中的锚节点数≥预设基站数，则选择AOA测距方法；

若定位场景中的锚节点数<预设基站数，则选择RSSI测距方法。

3.根据权利要求1所述的基于空口时延测量的终端授时方法，其特征在于，使用AOA测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：

在待测终端处测量在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息；

根据信号到达角度信息计算待测终端的估计位置；

对待测终端的估计位置进行过滤和精准校正；

推导计算锚节点n与待测终端i之间的距离。

4.根据权利要求1所述的基于空口时延测量的终端授时方法，其特征在于，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，具体包括如下子步骤：

创建RSSI测距模型，标定传播因子，根据测量点d_i和得到的能量值RSSI_i建立数据库；

计算接收到某一RSSI值时待测终端位于每个测量点的概率，扩展数据库；

在实际测距时，测量锚节点与待测终端之间的能量值RSSI，通过得到的数据库进行加权计算，得到锚节点与待测终端之间的距离。

5.根据权利要求1所述的基于空口时延测量的终端授时方法，其特征在于，根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，具体为：

其中，d_equi＝d+X_σ，d_equi为测得的等效距离、d为锚节点与待测终端之间的距离、X_σ为环境噪声，c为无线信号传播的速度，计算得到的t为时延。

6.一种基于空口时延测量实现授时的终端，其特征在于，所述终端包括统计模块、选择算法模块、测距模块和授时模块；

所述统计模块用于确定在通信范围内的锚节点个数；

所述选择算法模块用于根据所述统计模块统计的锚节点个数选择测距方法；

所述测距模块，用于当所述选择算法模块选择AOA测距方法时，使用AOA测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；或当所述选择算法模块选择RSSI测距方法时，使用基于距离区间概率加权的RSSI测距方法进行测距，得到锚节点与待测终端之间的距离；

所述授时模块，用于根据锚节点与待测终端之间的距离测量时延，根据锚节点的主时钟时刻和时延完成待测终端的授时。

7.如权利要求6所述的基于空口时延测量实现授时的终端，其特征在于，所述测距模块，具体用于当所述选择算法模块选择AOA测距方法时，根据锚节点广播的信标信息，确定在通信范围内的锚节点的信号到达角度信息。

8.如权利要求6所述的基于空口时延测量实现授时的终端，其特征在于，所述测距模块，具体用于当所述选择算法模块选择RSSI测距方法时，根据接收信号强度计算待测终端与锚节点的距离。

9.一种基于空口时延测量实现授时的系统，其特征在于，包括：

如权利要求6-8中任意一项所述的终端；

基站，所述基站设置为锚节点，作为所述终端的接入设备，用于向所述终端广播主时钟时刻。