CN115314989A - 一种5g与tsn融合网络的时间同步方法 - Google Patents

一种5g与tsn融合网络的时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种5G与TSN融合网络的时间同步方法，属于工业互联网技术领域，包括以下步骤：S1：UE进行小区搜索，获取附近所有基站的位置信息；S2：UE对目标基站进行TDOA定位请求；S3：UE选取不同的辅助基站对目标基站进行TDOA定位；S4：将所有的位置估计进行分组加权最小二乘；S5：利用改进的残差加权算法，根据残差值的大小选出最优的位置估计值；S6：通过位置估计的最优解计算得到UE和gNB之间的传播延迟。本发明提高了系统时间同步的精度。

Description

一种5G与TSN融合网络的时间同步方法
技术领域
本发明属于工业互联网技术领域，涉及一种5G与TSN融合网络的时间同步方法。
背景技术
随着工业4.0的发展，工业互联网要求智慧工厂里的各种设备和数据存储系统之间都必须实现全面互联。这些设备之间具有严格的时序约束关系，在规定时刻必须对事件做出准确响应。精确的时间同步能够为全网提供共同的时间基准，是工业互联网的关键核心技术。
为了实现设备之间的全面互联，工业界和学术界正在研究网络技术统一的解决方案。目前的热门解决方案是集成时间敏感网络(TSN)和第五代蜂窝网络(5G)，它们的融合有望满足实时能力和移动性支持等各种需求。TSN脱胎于以太网技术，能够提供有界低时延、低抖动以及高可靠的数据传输服务。它的时间同步依赖于广义精确时间协议(gPTP)，通过同步消息和后续消息的分发，TSN能够实现主时钟和从时钟之间的时间同步。5G网络作为无线通信技术，具备部署灵活、无需布线和移动性支持等优势。5G网络主要采用随站部署接收GPS、北斗等信号定位方案实现时间同步，基站直接通过接收天线获取全球导航卫星系统(GNSS)时钟源。由于TSN和5G具有各自不同的时间同步机制，如何实现两者的融合时间同步技术就成为了关键。目前的TSN和5G融合网络时间同步方法存在计算复杂度高以及成本高等问题。
在5G与TSN融合网络的时间同步中，定时信息的分发是通过gPTP协议完成的。主时钟定期向所有终端发送同步消息，包括传输时间戳。途中的任何设备只需要将传播延迟和停留时间(在设备中花费的时间)添加到同步消息的校正字段中，同时更新通信路径中所有设备的相邻速率比的累计，即可转发该消息，从而实现主时钟和目标之间的时间同步。时间同步的误差来源主要包含传播延迟上引入的误差和停留时间上引入的误差，因此只要提高传播延迟和停留时间的精度就能够提高时间同步的精度。其中，停留时间的误差大小主要取决于子载波间距，通过调整子载波间距就能有效解决停留时间引入的误差。而由于基站和UE之间上下行链路的不对称，它们之间的传播延迟就难以得到精确的估计。同时，UE位置的变化也会导致传播延迟的变化，因此传播延迟的估计就成为一个难题。
目前存在两种方法来解决传播延迟估计的问题，一种是基于定时提前(TA)的方法，另一个则是利用往返时间(RTT)来估计传播延迟。
定时提前用于UE上行传输，是指UE发送上行数据的系统帧相比对应的下行帧要提前一定的时间，具体的提前量由基站根据UE发送的随机接入前导码计算，然后再通过定时提前命令(TAC)通知给UE。之所以要进行定时提前，是因为如果不进行定时提前的话，UE在收到了基站发送的下行信息以后再发送上行信息，等上行信息到达基站的时候就会与发送的时刻存在一个时间差。这个时间差就会导致传播链路的不对称，从而导致传播延迟的误差。而在进行定时提前之后，UE和基站之间的上下行链路就是对称的。这样就可以通过测量UE和基站之间的往返时间，将其平均后就能估计出UE和基站之间的传播延迟。
基于RTT的方法通过UE和gNB来互发参考信号，并根据UE接收信号与发送信号的时间差、gNB接收信号与发送信号的时间差来确定gNB与UE之间的传播延迟。RTT算法将基站到UE的传输时间分解成两个部分，并基于这两个部分的测量结果来计算RTT。RTT的流程要求UE和基站都测量到达时间。对于下行信号，基站用基站本地时钟记录发射时间，终端用终端本地时钟测量下行信号的到达时间；对于上行信号，终端用终端的本地时钟记录发射时间，基站用基站的本地时钟测量上行信号的到达时间。
然而这两种方法都存在一定的问题。基于定时提前的方法估计出的传播延迟精度取决于TA的时间粒度，然而TA存在有限的时间粒度，特别是在较小子载波间距的情况下，TA的粒度误差会更大。因此，基于定时提前的传播延迟估计方法的精度有限。同样的，利用RTT的传播延迟估计方法精度也受到gNB向UE发送的时间差的粒度影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5G与TSN融合网络的时间同步方法，通过获取用户设备和多个基站之间的到达时间差(TDOA)来估计用户设备的位置，并通过基站和用户设备之间的距离估计出它们之间的传播时延，基于残差加权(Rwgh)算法提出一种改进算法对位置估计值进行迭代优化从而提高时间同步的精度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种5G与TSN融合网络的时间同步方法，包括以下步骤：
S1：UE进行小区搜索，获取附近所有基站的位置信息；
S2：UE对目标基站进行TDOA定位请求；
S3：UE选取不同的辅助基站对目标基站进行TDOA定位；
S4：将所有的位置估计进行分组加权最小二乘；
S5：利用改进的残差加权算法，根据残差值的大小选出最优的位置估计值；
S6：通过位置估计的最优解计算得到UE和gNB之间的传播延迟。
进一步，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：UE进行小区搜索，并收集每个gNB的主信息块(MIB)；
S12：UE解码包括小区接入信息的相关SIB1。
进一步，所述步骤S11中，在完成小区搜索过程之后，还包括以下步骤：
S111：服务基站首先给UE配置发送上行链路定位参考信号(SRS-Pos)的时间和频率资源，并将SRS-Pos的配置信息通知给定位服务器(LMF)；
S112：定位服务器将SRS-Pos的配置信息发给UE周围的TRP；
S113：各TRP根据SRS-Pos的配置信息去检测UE发送的SRS-Pos并获取SRS-Pos到达时间与TRP本身参考时间的相对时间差(UL RTOA)；
S114：UL-TDOA采用基于网络的定位方式，即各TRP将所测量的UL RTOA传送给LMF，由LMF利用各TRP提供的UL RTOA以及其他已知信息(例如TRP的地理坐标)来计算UE的位置。
进一步，步骤S5中，在位置估计的过程中利用改进的W-Rwgh算法将临时位置估计值基于计算值和观测值之间残差值的倒数进行加权，所述改进的W-Rwgh算法包括以下步骤：
S51：输入基站的个数N和TDOA测量值向量Sn；
S52：对所有两组TDOA的组合进行最小二乘计算；
S53：将求解出的估计值和归一化残差更新到临时位置估计向量Yk中；
S54：将残差值最小的TDOA组合更新到最小残差TDOA组合向量ST中；
S55：将最小残差值对应的估计值更新到最终估计值向量XM中；
S56：当未达到最大迭代值N-1时，将Sn中除去ST中的TDOA测量值添加到剩余TDOA组合向量SQ中；
S57：对SQ中所有两组TDOA的组合进行两次加权最小二乘；
S58：将求解出的估计值和归一化残差更新到Yk；
S59：将残差值最小的TDOA组合更新到ST中；
S510：将最小残差值对应的估计值更新到最终估计值向量XM中；
S511：对最终估计值向量进行加权得到最优位置估计值X。
进一步，步骤S6具体包括以下步骤：
在估计出UE的当前位置后，根据下式计算当前UE和gNB之间的传播延迟
Figure BDA0003847194310000031
Figure BDA0003847194310000032
其中pgNB是服务gNB的位置，
Figure BDA0003847194310000033
是UE的估计位置，c是光速，
Figure BDA0003847194310000034
是UE和gNB之间距离。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于TDOA定位的传播时延估计方法。该机制采用TDOA定位的方法得到UE的估计位置，同时提出了一种改进的残差加权算法对估计值进行优化，最后根据优化后的位置估计值计算得到传播延迟的估计值，进而提高时间同步的精度。仿真结果表明基于TDOA定位的传播延迟估计方法提高了系统时间同步的精度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为5G与TSN融合网络的透明时间同步架构图；
图2为本发明所述5G与TSN融合网络的时间同步方法流程图；
图3为两种残差加权算法的均方误差比较；
图4为网络侧主时钟到设备测从时钟的系统误差值；
图5为设备侧主时钟到设备测从时钟的系统误差值。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，为了使5G与TSN集成，3GPP为融合网络提供了一个架构模型。它将网络和设备测的TSN转换器(TT)引入5GS，即NW-TT和DS-TT。NW-TT被集成在用户平面功能(UPF)中，而DS-TT被集成在用户设备(UE)中，无线连接由gNB基站提供给用户设备。5GS(包括NW-TT和DS-TT)被称为虚拟TSN桥(VTB)。它只包括一个UPF，与一个NW-TT相关联，但可能包括多个用户设备。
对于TSN网络，5GS功能充当一个或多个TSN桥的角色。5GS网桥由单个UPF侧的端口、UE和UPF之间的用户平面隧道和DS-TT侧的端口组成。对于TSN网络的每个5GS网桥，NW-TT上的端口都支持与TSN网络的连接，同时DS-TT侧上的端口与PDU会话相关联，从而提供与TSN网络的连接。VTB通过IEEE802.1AS支持时间同步，以便成为符合标准的TSN虚拟网桥。因此VTB可以采用透明时钟的方式，即在两个TT之间5GS作为透明时钟。此时VTB不需要与外部GM同步，而是从端口向主端口发送gPTP消息，并使用5GS时标进行校正。同时DS-TT和NW-TT都采用边界时钟，它们将自己与TSN GM同步，并参与传播延迟的测量。
根据不同的工业场景，主时钟和同步设备的映射存在多种方式。一般来说，主时钟可以位于任何能够提供主时钟功能的设备上。而不同的5G网络与TSN集成布局以及信息物理控制应用的需求使得主时钟的映射需要更多的方式，包括以下几种：(1)位于网络侧通过NW-TT连接到5G网络的TSN设备上；(2)位于5G网络的核心网的设备上；(3)位于5G网络的无线接入网的设备上；(4)位于用户设备上(5)UE侧通过DS-TT连接到5G网络的TSN设备上。
本发明提出一种基于TDOA定位的传播延迟估计方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：UE进行小区搜索，获取附近所有基站的位置信息；
S2：UE对目标基站进行TDOA定位请求；
S3：UE选取不同的辅助基站对目标基站进行TDOA定位；
S4：将所有的位置估计进行分组加权最小二乘；
S5：利用改进的残差加权算法，根据残差值的大小选出最优的位置估计值；
S6：通过位置估计的最优解计算得到UE和gNB之间的传播延迟。
本方法首先需要做的就是获取用户设备和基站之间的TDOA。首先，UE进行小区搜索，并收集每个gNB的主信息块(MIB)。然后，UE解码包括小区接入信息的相关SIB1。
在完成小区搜索过程之后，服务基站首先要给UE配置发送上行链路定位参考信号(SRS-Pos)的时间和频率资源，并将SRS-Pos的配置信息通知给定位服务器。定位服务器(LMF)将SRS-Pos的配置信息发给UE周围的TRP。各TRP根据SRS-Pos的配置信息去检测UE发送的SRS-Pos并获取SRS-Pos到达时间与TRP本身参考时间的相对时间差(UL RTOA)。UL-TDOA一般采用基于网络的定位方式，即各TRP将所测量的UL RTOA传送给LMF，由LMF利用各TRP提供的ULRTOA以及其他已知信息(例如TRP的地理坐标)来计算UE的位置。
在位置估计的过程中可以将临时位置估计值基于计算值和观测值之间残差值的倒数进行加权。加权的过程能在一定程度上加大视距基站计算结果的比重，使得定位结果更加接近真实值，从而减少了非视距误差的影响。但传统的Rwgh算法存在计算复杂度较高和在视距基站较少时，算法的精度大幅下降等问题。为了解决这些问题，本发明提出一种改进的W-Rwgh算法，具体步骤如表1：
表1
Figure BDA0003847194310000061
Figure BDA0003847194310000071
在估计出UE的当前位置后，UE就能够估计出它到它服务的gNB的距离，从而根据下式计算当前PD：
Figure BDA0003847194310000072
其中pgNB是服务gNB的位置，
Figure BDA0003847194310000073
是UE的估计位置，c是光速。
为了客观的反映不同传播时延估计方法对于时间同步精度的影响，本发明对比“不使用任何方法的传播时延估计”、“基于RTT的传播时延估计”与“基于TDOA的传播时延估计”三种方法，定义以下性能指标：(1)均方误差，用于反映定位解算中观测值与位置估计之间的差异程度；(2)同步误差，基于TDOA的传播时延估计主要考虑提高同步的精度，因此，同步误差越小，同步的精度越高。
实验假设时间同步系统误差满足零均值高斯分布，其中方差的取值范围约束在[-3,3]之间，时间同步系统中的UE到gNB以外的传播延迟误差为0。5G服务区域的大小为100m×100m，同时假设UE知道基站的位置。
图3显示了传统残差加权算法、S-Rwgh以及W-Rwgh三种算法的RMSE随着系统误差均值的变化。随着系统误差均值的增大，3种算法的RMSE都逐渐增大，定位性能差别较小。其中W-Rwgh算法的定位精度最高。这是因为原本的残差加权算法设计在视距的信号传播场景下，每种基站组合的位置估计性都比较好，因此不同的残差加权算法对定位精度的影响较小。
图4显示了不使用传播延迟估计方法、使用基于RTT的传播延迟估计方法以及使用基于TDOA定位的传播延迟估计方法三种场景下的网络侧主时钟到设备测从时钟同步误差随子载波间距变化的情况。从图4中可以看到，随着子载波间距的增大，系统的同步误差在逐渐减小。其中，在不使用传播延迟估计方法的情况下，系统的同步误差最大，这是由传播链路的不对称性而导致的。使用基于RTT的传播延迟估计方法后，可以看到系统的同步误差明显下降。本发明提出的基于TDOA定位的传播延迟估计方法通过对UE位置的估计计算UE和gNB之间的传播延迟，避免了RTT方法的时间粒度误差，因此可以看到本发明提出的方案相较于RTT方法系统的同步误差下降了28.31％。
图5显示了不使用传播延迟估计方法、使用基于RTT的传播延迟估计方法以及使用基于TDOA定位的传播延迟估计方法三种场景下的设备侧主时钟到设备测从时钟同步误差随子载波间距变化的情况。相比于网络侧的主时钟到设备侧的从时钟的情况，设备侧的主时钟到设备侧的从时钟暴露了更大的误差，这是由于这种情况下，传播延迟引入了两次误差。可以看到本发明提出的方案使得系统的同步误差相较于RTT方法下降了28.52％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种5G与TSN融合网络的时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：UE进行小区搜索，获取附近所有基站的位置信息；
S2：UE对目标基站进行TDOA定位请求；
S3：UE选取不同的辅助基站对目标基站进行TDOA定位；
S4：将所有的位置估计进行分组加权最小二乘；
S5：利用改进的残差加权算法，根据残差值的大小选出最优的位置估计值；
S6：通过位置估计的最优解计算得到UE和gNB之间的传播延迟。
2.根据权利要求1所述的5G与TSN融合网络的时间同步方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11：UE进行小区搜索，并收集每个gNB的主信息块MIB；
S12：UE解码包括小区接入信息的相关SIB1。
3.根据权利要求1所述的5G与TSN融合网络的时间同步方法，其特征在于：所述步骤S11中，在完成小区搜索过程之后，还包括以下步骤：
S111：服务基站首先给UE配置发送上行链路定位参考信号SRS-Pos的时间和频率资源，并将SRS-Pos的配置信息通知给定位服务器LMF；
S112：定位服务器将SRS-Pos的配置信息发给UE周围的TRP；
S113：各TRP根据SRS-Pos的配置信息去检测UE发送的SRS-Pos并获取SRS-Pos到达时间与TRP本身参考时间的相对时间差UL RTOA；
S114：UL-TDOA采用基于网络的定位方式，即各TRP将所测量的UL RTOA传送给LMF，由LMF利用各TRP提供的UL RTOA以及其他已知信息来计算UE的位置。
4.根据权利要求1所述的5G与TSN融合网络的时间同步方法，其特征在于：步骤S5中，在位置估计的过程中利用改进的W-Rwgh算法将临时位置估计值基于计算值和观测值之间残差值的倒数进行加权，所述改进的W-Rwgh算法包括以下步骤：
S51：输入基站的个数N和TDOA测量值向量Sn；
S52：对所有两组TDOA的组合进行最小二乘计算；
S53：将求解出的估计值和归一化残差更新到临时位置估计向量Yk中；
S54：将残差值最小的TDOA组合更新到最小残差TDOA组合向量ST中；
S55：将最小残差值对应的估计值更新到最终估计值向量XM中；
S56：当未达到最大迭代值N-1时，将Sn中除去ST中的TDOA测量值添加到剩余TDOA组合向量SQ中；
S57：对SQ中所有两组TDOA的组合进行两次加权最小二乘；
S58：将求解出的估计值和归一化残差更新到Yk；
S59：将残差值最小的TDOA组合更新到ST中；
S510：将最小残差值对应的估计值更新到最终估计值向量XM中；
S511：对最终估计值向量进行加权得到最优位置估计值X。
5.根据权利要求1所述的5G与TSN融合网络的时间同步方法，其特征在于：步骤S6具体包括以下步骤：
在估计出UE的当前位置后，根据下式计算当前UE和gNB之间的传播延迟
Figure FDA0003847194300000021
Figure FDA0003847194300000022
其中pgNB是服务gNB的位置，
Figure FDA0003847194300000023
是UE的估计位置，c是光速，
Figure FDA0003847194300000024
是UE和gNB之间距离。
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