CN113573402A - 基于卫星和5g空口融合的5g基站高精度授时方法及系统 - Google Patents

基于卫星和5g空口融合的5g基站高精度授时方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于5G空口授时领域，公开了一种基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法及系统。本发明在5G基站安装接收机，获得北斗系统单向授时时间。同时，5G基站接收来自5G服务器端发送的时间信号，获得两个时间的偏差量。建立偏差校准量模型，获得模型参数。将时间的偏差量和模型参数加载在5G无线信号端，发送给用户。用户获得两类信息，包括5G空口时间信息和时间的偏差量。当5G基站可以接收卫星信号，采用修正5G空口时间信息，获得5G空口用户授时。当5G基站接收不到卫星信息，使用偏差校准量模型，预测一段时间的时间偏差校准量，修正5G空口时间信息，提供给用户授时。

Description

基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法及系统
技术领域
本发明属于5G空口授时领域，具体涉及一种基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法及系统。
背景技术
5G空口授时架构由传送骨干层和汇聚层组成，骨干层主要产生和保持高精度时间标准。汇聚层主要负责接收来自骨干层的高精度时间，并且分发给各个基站。5G空口时间从服务器到终端的授时流程为：(1)传输骨干层接收高精度授时服务器注入时间信号；(2)骨干时间信号通过同步网的传输链路，达到接入层设备。(3)接入层设备把时间同步信号输出到无线网络基站设备，实现同步网同步授时的过程。(4)基站通过空口授时技术，将时间信息发送给用户终端。
根据实际应用和组网需求，时间服务器、同步网的传输链路和接入网的功能可以下沉到5G无线无线基站。由于5G无线基站状态固定并且通常周围环境较开阔。因此，5G基站也具备接收北斗卫星信号的位置优势。通常，卫星授时信号在骨干网服务器端配置，随着卫星授时装置的小型化和系统的成熟，也可将卫星授时应用下沉到5G无线基站端。5G服务器端和5G基站端同时获得卫星授时信息，这样避免传输链路和接入层产生的时延，从而极大提高服务器端和5G基站之间的时间同步精度。另外，通过骨干网时间源和5G基站的时间同步，也可以估计5G空口信息从服务器出发，经传输链路和接入层产生时延。对于用户终端，可以使用时延估计值修正5G空口授时信息，从而改进5G用户终端授时精度。
5G口空授时由于其高精度和低成本，逐渐收到用户和市场的重视，目前5G空口授时方法的基本步骤为：(1)通过下行PSS/SSS信号获取粗同步；(2)通过上行PREACH信号，获取终端和基站的同步误差TA；(3)基站将TA值告知UE，UE和基站之间实现相位同步和频率同步；(4)基站通过广播SIB消息/或单播RRC消息通知UE绝对时间，UE和基站之间实现时间同步。目前5G授时模组厂家按照该原理接收时间信号和TA值，来进行同步。
但是，目前的授时方法存在如下问题：(1)由于来自骨干网传到基站存在时延，(2)由于基站发送给用户的信号存在抖动的问题，(3)TA值需要通过多次测量获得。这些因素制约了5G空口授时的性能。其中，对于时延，如图3所示，时间同步的最终指标分别由三部分组成：(1)在前端时间服务器部分±20ns，通过北斗/GPS授时和地面PTP 1588网络授时互为备份的方案；(2)中间回传网络±100ns；(3)末端基站侧分配±10ns指标。因此，实现基站间时间同步精度为约±130ns，即来自骨干网到基站的时延约130ns，现有技术中缺乏对于此时延修正的方法。同时，对5G口空授时的精度补充常采用与卫星授时结合，用户端通过选择机制，获得任意一种授时信息，但这项技术需要用户端同时具备5G和卫星授时两种条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卫星时间同步的5G基站高精度授时方法及系统，用以解决现有技术中的5G基站和终端之间的授时精度不高的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法，该方法用于在5G基站接收服务器和卫星的授时信号后修正时延，实现向用户的高精度授时，在5G基站上进行信号处理时包括如下步骤：
步骤1：获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
步骤2：对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子步骤：
步骤a1：获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000031
其中，J表示当前时刻的序号；
步骤a2：根据路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000032
建立预测模型
Figure BDA0003160536440000033
步骤a3：通过最小二乘法训练预测模型
Figure BDA0003160536440000034
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure BDA0003160536440000035
进一步的，所述的预测模型
Figure BDA0003160536440000036
如下式所示：
Figure BDA0003160536440000037
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure BDA0003160536440000038
是j时刻的TNR，
Figure BDA0003160536440000039
是起始时刻的TNR。
进一步的，步骤1中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子步骤：
步骤b1：获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
步骤b2：对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；
步骤b3：对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时系统，包括5G基站、服务器、卫星和用户，所述的5G基站、服务器分别接收卫星的授时信号，5G基站还接收服务器发出的5G空口信号，5G基站经过修正时延后向用户发送授时信号；
在5G基站上进行信号处理时包括接收模块、可用性检测模块及发送模块；
所述的接收模块用于获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
所述的可用性检测模块对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测；
所述的发送模块用于根据可用性检测模块的结果向用户发送信息，包括：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子模块：
第一子模块用于获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000051
其中，J表示当前时刻的序号；
第二子模块用于根据路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000052
建立预测模型
Figure BDA0003160536440000053
第三子模块用于通过最小二乘法训练预测模型
Figure BDA0003160536440000054
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure BDA0003160536440000055
进一步的，所述的预测模型
Figure BDA0003160536440000056
如下式所示：
Figure BDA0003160536440000057
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure BDA0003160536440000058
是j时刻的TNR，
Figure BDA0003160536440000059
是起始时刻的TNR。
进一步的，接收模块中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子模块：
第四子模块用于获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
第五子模块用于对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；
第六子模块用于对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
(1)本发明将服务器端的高精度授时能力下沉到5G基站端，提高5G空口授时基站与前端服务器的时间同步精度。首先是提高5G基站对终端的授时精度。通过5G服务器端和5G基站同时接收卫星单向授时，从而确保了服务器与基站之间高精度同步。其次是提高基站对终端的授时精度。用户终端的授时由服务器到基站和基站到用户两部分组成。服务器到基站的时间同步由卫星单向授时完成，实现了高精度同步，因此也提高了用户终端的授时精度。
(2)本发明将卫星授时和5G空口数据耦合，用北斗高精度的授时信息修正5G空口时间，从而提高5G空口授时性能和精度。
(3)本发明与现有技术相比，虽然使用卫星授时，但是将卫星授时放在基站，用于估计来自骨干网到基站的时延，修正5G空口授时的精度，而再用户端只需具备5G接收条件即可，减少了用户端的成本。
附图说明
图1为时间偏差产生原理图；
图2为数据处理单元流程图；
图3为时间同步组网架构图。
具体实施方式
首先对本发明中出现的技术词语进行解释：
5G空口：5G-NEW RADIO。
5G服务器：处理5G信号信息的服务器。
卫星授时信号：卫星导航系统发送给用户接收机的信号，用户接收机通过解算获得时间信息。
几何路径时延修正：导航卫星到用户接收机的直线距离。
卫星钟差修正：导航卫星上的卫星钟的时间与导航系统的系统时间偏差。
电离层附加时延修正：卫星信号经过电离层的时延估计。
对流层折射时延修正：卫星信号经过对流层的时延估计。
可用性检测：信号不可用有两种情况，一种时缺失，一种是奇异值。奇异值是将当前的时间与前一个时间做差，如果差值大于一个阈值(如5s)，则是奇异值。其余情况就是可用的。
在本实施例中公开了一种基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法，该方法用于在5G基站接收服务器和卫星的授时信号后修正时延，实现向用户的高精度授时，在5G基站上进行信号处理时包括如下步骤：
步骤1：获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
具体的，由于服务器的时间是经过卫星授时，与5G基站卫星授时原理相同，因此在前端服务器的TNR＝Tsat，经过5G传输网络，产生路径延迟，到达5G基站的时间为TNR′＝TNR+ΔTNR；
步骤2：对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子步骤：
步骤a1：获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000071
其中，J表示当前时刻的序号；
步骤a2：根据路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000081
建立预测模型
Figure BDA0003160536440000082
步骤a3：通过最小二乘法训练预测模型
Figure BDA0003160536440000083
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure BDA0003160536440000084
具体的，所述的预测模型
Figure BDA0003160536440000085
如下式所示：
Figure BDA0003160536440000086
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure BDA0003160536440000087
是j时刻的TNR，
Figure BDA0003160536440000088
是起始时刻的TNR。
具体的，步骤1中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子步骤：
步骤b1：获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
步骤b2：对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；这些误差修正方法时同时估计，并行执行；
步骤b3：对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
具体的，所述加权平均中的权值可以设为等权，首先算出每个卫星对应的授时值Tsat.i，然后相加再除以卫星个数N，等权的意思是给每颗卫星授时值前的系数wi设为1.如下公式：
Figure BDA0003160536440000089
本实施例中还公开了一种基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时系统，包括5G基站、服务器、卫星和用户，所述的5G基站、服务器分别接收卫星的授时信号，5G基站还接收服务器发出的5G空口信号，5G基站经过修正时延后向用户发送授时信号；
在5G基站上进行信号处理时包括接收模块、可用性检测模块及发送模块；
所述的接收模块用于获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
所述的可用性检测模块对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测；
所述的发送模块用于根据可用性检测模块的结果向用户发送信息，包括：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
当两个时间信号有一个可用时，分情况使用，并且输出使用的系统时间信号的识别号(如“1”表示5G空口，“2”表示卫星单向授时)，如果卫星时间信号可用，5G空口信号不可用，5G空口信号不可用告警。
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子模块：
第一子模块用于获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000091
其中，J表示当前时刻的序号；
第二子模块用于根据路径延迟序列
Figure BDA0003160536440000092
建立预测模型
Figure BDA0003160536440000093
第三子模块用于通过最小二乘法训练预测模型
Figure BDA0003160536440000094
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure BDA0003160536440000095
具体的，由于5G服务器和5G基站的位置相对固定，其信号的传输路径相对固定，影响时间偏差序列的路径误差相对固定，时间偏差序列相对稳定。因此，选择比较简单的模型进行建模，例如采用一次多项式模型，所述的预测模型
Figure BDA0003160536440000101
如下式所示：
Figure BDA0003160536440000102
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure BDA0003160536440000103
是j时刻的TNR，
Figure BDA0003160536440000104
是起始时刻的TNR。
另外，也可以根据时间偏差数据特点，选取不同的模型进行拟合。
具体的，为了保证模型反应实时的信号路径误差状态，选取短时间间隔的数据(如30分钟以内)进行模型训练，以最小二乘法计算得到模型参数(如a0和a1)。
具体的，接收模块中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子模块：
第四子模块用于获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
第五子模块用于对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；
第六子模块用于对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
具体的，本系统中的接收机为北斗授时接收机。
用户可以接收到两种信息：一种是时间信息，包括5G空口时间信息TNR′。一种是时间偏差修正量
Figure BDA0003160536440000105
或ΔTNR。特殊情况下，如果用户端无法接收到两个系统的时间信号，则接收到的5G信息为空，即为告警信息。
用户接收到5G空口时间信息，并使用修正值进行时间修正。
(1)实时修正值修正。由于卫星可见，可以实时获得卫星授时信号，用实时修正值修正5G空口授时时间：
TNR-GNSS＝TNR′-ΔTNR。
(2)预测修正值修正。如果卫星不可见，用户不可实时获得卫星授时信号，这时需要使用预测模型获得预测修正值：
Figure BDA0003160536440000111

Claims (6)

1.基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法，其特征在于，该方法用于在5G基站接收服务器和卫星的授时信号后修正时延，实现向用户的高精度授时，在5G基站上进行信号处理时包括如下步骤：
步骤1：获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
步骤2：对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子步骤：
步骤a1：获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure FDA0003160536430000011
其中，J表示当前时刻的序号；
步骤a2：根据路径延迟序列
Figure FDA0003160536430000012
建立预测模型
Figure FDA0003160536430000013
步骤a3：通过最小二乘法训练预测模型
Figure FDA0003160536430000014
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure FDA0003160536430000015
2.如权利要求1所述的基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法，其特征在于，所述的预测模型
Figure FDA0003160536430000016
如下式所示：
Figure FDA0003160536430000021
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure FDA0003160536430000022
是j时刻的TNR，
Figure FDA0003160536430000023
是起始时刻的TNR。
3.如权利要求1所述的基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法，其特征在于，步骤1中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子步骤：
步骤b1：获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
步骤b2：对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；
步骤b3：对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
4.基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时系统，其特征在于，包括5G基站、服务器、卫星和用户，所述的5G基站、服务器分别接收卫星的授时信号，5G基站还接收服务器发出的5G空口信号，5G基站经过修正时延后向用户发送授时信号；
在5G基站上进行信号处理时包括接收模块、可用性检测模块及发送模块；
所述的接收模块用于获取当前时刻接收到的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′，其中，TNR′＝TNR+ΔTNR，TNR为服务器接收到的卫星授时信号，ΔTNR为服务器到5G基站的路径延迟；
所述的可用性检测模块对当前时刻的卫星授时信号Tsat和5G空口信号TNR′进行可用性检测；
所述的发送模块用于根据可用性检测模块的结果向用户发送信息，包括：
若Tsat和TNR′均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
若Tsat可用且TNR′不可用，则将Tsat作为授时信号发送至用户并发出告警；
若TNR′可用且Tsat不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
若Tsat和TNR′均可用，则获得当前时刻ΔTNR，将当前时刻ΔTNR作为实时修正值调制在TNR′上作为授时信号发送至用户；
所述的预测修正值的计算包括如下子模块：
第一子模块用于获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的TNR，获得路径延迟序列
Figure FDA0003160536430000031
其中，J表示当前时刻的序号；
第二子模块用于根据路径延迟序列
Figure FDA0003160536430000032
建立预测模型
Figure FDA0003160536430000033
第三子模块用于通过最小二乘法训练预测模型
Figure FDA0003160536430000034
将当前时刻TNR输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
Figure FDA0003160536430000035
5.如权利要求4所述的基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时系统，其特征在于，所述的预测模型
Figure FDA0003160536430000036
如下式所示：
Figure FDA0003160536430000037
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，εj是误差项，
Figure FDA0003160536430000038
是j时刻的TNR，
Figure FDA0003160536430000039
是起始时刻的TNR。
6.如权利要求4所述的基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时系统，其特征在于，接收模块中卫星授时信号Tsat的获取包括如下子模块：
第四子模块用于获得5G基站接收机与每颗导航卫星间的原始伪距，其中第i颗导航卫星与定时接收机间的原始伪距为ρi，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
第五子模块用于对每颗导航卫星的原始伪距进行误差修正，获得每颗卫星的授时结果；所述的误差修正包括：几何路径时延修正、卫星钟差修正、电离层附加时延修正和对流层折射时延修正；
第六子模块用于对n颗卫星的授时结果进行加权平均，得到卫星授时信号Tsat。
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