CN111711948A - 一种通过空口从5g基站获取高精度时间的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过空口从5G基站获取高精度时间的方法及系统，包括以下步骤：1)从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance；2)通过多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance计算出空口延时参数；3)根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息；4)将修正后的高精度时间信息通过定制帧的形式发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到高精度时间，该方法及系统能够基于5G技术为终端设备提供高精度的时间服务。

Description

一种通过空口从5G基站获取高精度时间的方法及系统
技术领域
本发明属于5G高精度时间领域，涉及一种通过空口从5G基站获取高精度时间的方法及系统。
背景技术
以往高精度的时间同步主要靠卫星来实现。但是存在卫星天线安装不方便，以及维护困难等问题。也因此没有形成地面组网，通过站内建立时间同步装置，各自独立的从天空获取卫星信息。
随着科技进步，万物互联，更多电子设备的接入网络，使人们对更高时间精度的要求越来越强烈，随着5G建设，为高精度时间网络的建设提供了可能，但是高精度的时间网络也只到基站侧，然而不能到终端设备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种通过空口从5G基站获取高精度时间的方法及系统，该方法及系统能够基于5G技术为终端设备提供高精度的时间服务。
为达到上述目的，本发明所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法包括以下步骤：
1)从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance；
2)通过多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance计算出空口延时参数；
3)根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息；
4)将修正后的高精度时间信息发送给终端设备，终端设备获取修正后的高精度时间。
利用递推平均滤波算法对多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance进行滤波平滑，再计算出空口延时参数。
步骤4)中将修正后的高精度时间信息以定制帧的形式发送给终端设备。
所述定制帧包含时间同步脉冲指示信号、修正后的高精度时间信息及位置信息。
时间同步脉冲指示信号指示输出帧所携带的修正后的高精度时间信息的准确时刻点，修正后的高精度时间信息指示时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值。
终端设备通过时间同步脉冲指示信号确定修正后的高精度时间信息对应的准确时刻点，然后再通过接收得到的修正后的高精度时间信息确定时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值。
修正后的高精度时间信息Tf＝Ts-Ta，其中，Ts为SIB16授时信令中包含的时间信息，Ta为空口延时参数。
本发明所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的系统包括时钟同步处理芯片及5G基带芯片，所述时钟同步处理芯片包括：
获取模块，用于通过5G基带芯片从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令、SIB16授时信令起始/终止时隙的本地时间、SIB16授时信令所在帧的系统帧号以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance；
延时计算模块，与获取模块相连接，用于通过多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance计算出空口延时参数；
修正模块，与延时计算模块相连接，用于根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息；
发送模块，与修正模块相连接，用于将修正后的高精度时间信息通过定制帧的形式发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到高精度时间。
所述上行时间提前量TimeAdvance表示5G基站与时钟同步处理芯片之间的5G基站空口传递时间延时，通过对连续的上行时间提前量TimeAdvance的抖动分析，对信道时延抖动状况进行评估，同时剔除可能出现授时误差的信令。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法及系统在具体操作时，基于5G技术，通过5G基带芯片从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance，并计算空口延时参数，再利用空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，以消除由于时间从5G基站到接收位置经过5G基站空口传递而产生的延时，然后将修正后的高精度时间信息发送给下游的终端设备，继而为海量的终端设备提供高精度的时间服务，操作方便、简单，可应用于继电保护装置、智能巡检装置、配电自动化装置、状态感知设备等等，解决现有最后一公里的时间同步问题。
进一步，通过对连续的上行时间提前量TimeAdvance的抖动分析，对信道时延抖动状况进行评估，同时剔除可能出现授时误差的信令，以提高信令获取的准确性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的原理图；
图2为SIB16授时信令在帧结构中位置及时间轴含义示意图；
图3为PPS帧头和时间位置信息帧格式示意图；
图4为本发明的流程图。
其中，1为5G基带芯片、2为时钟同步处理芯片。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
参考图4，本发明所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法包括以下步骤：
1)从5G基站空口获取基本信息；
3GPP在5G NR中定义了SSB(Synchronization Signal Block)，主要用于下行同步，通过该同步信号，5G基站空口能够获得的基本信息包括由5G基站下发的含时间信息Ts的SIB16(包含在SSB帧结构内)授时信令、SIB16授时信令起始/终止时隙的本地时间、SIB16授时信令所在帧的系统帧号以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance；
2)通过多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance计算出空口延时参数Ta；
其中，SIB16授时信令中包含的时间信息的起始点在SFN帧头位置，为获得精确时间，通过定位SFN帧头位置，并将该时间点作为SIB16授时信令中包含的时间信息的起始点，SIB16授时信令包含了标准UTC时间，参考图2，但是由于时间从5G基站到接收位置经过5G基站空口传递，因此产生延时，本地获取的SFN帧头的时间起始点需要将5G基站空口传递延时进行消除，其中，所述上行时间提前量表示5G基站与接收端之间的无线传递时间延时，通过对连续的上行时间提前量的抖动分析，对信道时延抖动状况进行评估，同时剔除可能出现授时误差的信令，在实际操作时，通过延长对SIB16授时信令的观测时间来提升授时精度。
具体的，利用递推平均滤波算法对多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance进行滤波平滑，然后计算出空口延时参数Ta，具体过程为：
首先将测量到的上行时间提前量TimeAdvance数据经过kalman滤波后进行递推平均滤波处理，以降低噪声的影响，提升计算的准确度，设Δt1、Δt2、Δt3…Δtn以n作为窗口长度，对其中的n个测量值取平均，通过移动窗口得到新的时差数据序列ΔT1、ΔT2、ΔT3…ΔTn，即：
Figure BDA0002535609870000061
为了使上行时间提前量的值更准确，Ta测量更准确，对递推平均滤波算法进行优化，取ΔTj、ΔTn+j、ΔT2n+j、ΔT3n+j…ΔTmn+j…,作为实际测量序列进行计算，即：
Figure BDA0002535609870000062
将式(1)带入式(2)，得到：
Figure BDA0002535609870000063
通过递推平均滤波处理后得到的时差数据的抖动可以提高几个数量级。
3)根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息Ts进行修正，得修正后的高精度时间信息Tf＝Ts-Ta；
4)将修正后的高精度时间信息通过定制帧的形式发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到高精度时间。
其中，将修正后的高精度时间信息以标准时间(TOD，IRIG-B(DC))、标准频率(1PPS，10MHz)及定制帧的形式发送给终端设备。
需要说明的是，常规终端设备或不具备定制帧的终端设备，可以直接使用标准接口或通过标准接口转换后使用。
对于支持定制帧的设备可以使用该定制帧，所述定制帧包含时间同步脉冲指示信号、修正后的高精度时间信息及位置信息，参考图3，将1PPS和时间信息、位置信息通过复合的帧格式信号，把高精度的时钟时间信息和位置信息通过一个信号实现输出，通过将多个信号复合后减少信号数量，以降低硬件设计接口数量。
时间同步脉冲指示信号指示输出帧所携带的修正后的高精度时间信息的准确时刻点，修正后的高精度时间信息指示时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值；终端设备通过时间同步脉冲指示信号确定修正后的高精度时间信息对应的准确时刻点，然后再通过接收得到的修正后的高精度时间信息确定时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值，从而保证发送方和接收方时间精准调整，实现高精度时间同步，同时也接收时间信息后面携带的位置信息内容，实现位置定位功能，继而实现高精度时钟、时间同步和位置定位信息的传递。
参考图1，本发明优选实例中，还提供了一种通过空口从5G基站获取高精度时间的系统，包括时钟同步处理芯片2及5G基带芯片1，所述时钟同步处理芯片2包括：
获取模块，用于通过5G基带芯片1从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息Ts的SIB16授时信令、SIB16授时信令起始/终止时隙的本地时间、SIB16授时信令所在帧的系统帧号以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量TimeAdvance；
延时计算模块，与获取模块相连接，用于通过多组连续测量得到的上行时间提前量TimeAdvance计算出空口延时参数Ta；
修正模块，与延时计算模块相连接，用于根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息Tf；
发送模块，与修正模块相连接，用于将修正后的高精度时间信息通过定制帧的形式发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到高精度时间。
需要说明的是，本发明的核心硬件为5G基带芯片1和时钟同步处理芯片2，其中，5G基带芯片1提供基本的5G同步功能，从5G基站获取100ms级的同步；本发明选用市场上成熟的5G基带芯片1和时钟同步处理芯片2为例进行方案设计说明。
5G基站每10ms向终端设备广播发送一次SFN数据帧(System Frame No.)，SFN数据帧中的SIB16数据块表示UTC时间信息，UTC时间对应着SFN的帧头时间，时钟同步处理芯片2通过接收的SFN数据帧恢复出时间信息。
在实际操作时，受无线信道的不确定性及环境影响，上述授时的精度大约在100ms左右。
本发明利用3GPP标准里无线信道测量信令簇定期启动连续多次的上行时间提前量(TimeAdvance)的测量，在获得多组连续测量的上行时间提前量TimeAdvance后，采利用补偿算法和滤抖算法，进行滤波平滑后产生本地准确时间，实现输出UTC时间信息以及PPS(秒脉冲)信号，从而实现给同步时频设备授时的功能，其授时精度可达±1.0μs。
终端设备可接收定制帧，在高精度时间信息分发的时候，构建一个高精度时间同步帧，该帧帧头为标识精确时间信息的时刻点，帧格式包括帧头、帧头对应时间时刻信息(对应当前秒值)、位置信息；为实现帧头识别帧格式里面的信息进行8B/10B编码，避免长连0和连1的出现，影响帧头检测和识别。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量；
2)通过多组连续测量得到的上行时间提前量计算出空口延时参数；
3)根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息；
4)将修正后的高精度时间信息发送给终端设备，终端设备获取修正后的高精度时间。
2.根据权利要求1所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，利用递推平均滤波算法对多组连续测量得到的上行时间提前量进行滤波平滑，再计算出空口延时参数。
3.根据权利要求1所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，步骤4)中将修正后的高精度时间信息以定制帧的形式发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到修正后的高精度时间。
4.根据权利要求3所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，所述定制帧包含时间同步脉冲指示信号、修正后的高精度时间信息及位置信息。
5.根据权利要求4所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，时间同步脉冲指示信号指示输出帧所携带的修正后的高精度时间信息的准确时刻点，修正后的高精度时间信息指示时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值。
6.根据权利要求5所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，终端设备通过时间同步脉冲指示信号确定修正后的高精度时间信息对应的准确时刻点，然后再通过接收得到的修正后的高精度时间信息确定时间同步脉冲指示信号所指示的时刻值。
7.根据权利要求1所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的方法，其特征在于，修正后的高精度时间信息Tf＝Ts-Ta，其中，Ts为SIB16授时信令中包含的时间信息，Ta为空口延时参数。
8.一种通过空口从5G基站获取高精度时间的系统，其特征在于，包括时钟同步处理芯片(2)及5G基带芯片(1)，所述时钟同步处理芯片(2)包括：
获取模块，用于通过5G基带芯片(1)从5G基站空口获取基本信息，所述基本信息包括由5G基站下发的含时间信息的SIB16授时信令以及与当前5G基站之间通信的上行时间提前量；
延时计算模块，与获取模块相连接，用于通过多组连续测量得到的上行时间提前量计算出空口延时参数；
修正模块，与延时计算模块相连接，用于根据所述空口延时参数对SIB16授时信令中包含的时间信息进行修正，得修正后的高精度时间信息；
发送模块，与修正模块相连接，用于将修正后的高精度时间信息发送给终端设备，终端设备通过所述定制帧获取到修正后的高精度时间。
9.根据权利要求8所述的通过空口从5G基站获取高精度时间的系统，其特征在于，所述上行时间提前量表示5G基站与时钟同步处理芯片(2)之间的5G基站空口传递时间延时，通过对连续的上行时间提前量的抖动分析，对信道时延抖动状况进行评估，同时剔除可能出现授时误差的信令。
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