CN116321396A - Uwb定位基站的时间同步方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UWB定位基站的时间同步方法及其系统,该方法包括:一个5G基站与多个UWB定位基站通讯连接,将5G基站作为授时的主基站;5G基站广播授时信息,UWB定位基站接收授时信息并发送带有时间戳T1的响应信息给5G基站;5G基站收到该带有时间戳T1的响应信息的时刻为T2,并将带有时间戳T3的建立连接的响应消息以及时间戳T1返回给UWB定位基站;UWB定位基站与5G基站建立连接,UWB获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并获取本地时间T4;UWB定位基站2根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站的时间同步;所有的UWB定位基站均完成与5G基站的时间同步。本发明不仅组网简单、时间同步方式简单、还能提高时间同步的精度。
Description
技术领域
本发明涉及UWB定位基站技术领域,尤其涉及一种UWB定位基站的时间同步方法及其系统。
背景技术
UWB(Ultra Wide Band,超宽带)技术是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,截获能力低,位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
目前,UWB定位基站被广泛应用与煤矿井下的定位系统中,UWB定位基站通过发送和接收纳秒级的非正弦窄脉冲来传输数据,利用ToF(时间到达)或TDoA(到达时间差)算法来计算人员或物品的位置信息,以实现对井下空间的实时精确定位、监控、引导和预警,计算位置时需要UWB定位基站间严格时间同步,才能实精确定位。但是,由于一个UWB定位基站信号覆盖范围有限,一般来说,在井下不同位置都会布置UWB定位基站组成UWB网络。这就会出现一个问题,如何保证多个UWB定位基站的时间是精准同步的。
现有方案中,最常采用有线同步和无线同步两种方式。有线同步的方案是,采用同步控制器,所有UWB定位基站均共用一个同步控制器,同步控制器通过有线通信的方式,将时间信息传输到每个基站,使每个基站处于同一时间体系,实现时间同步。这种方式由于UWB定位基站与同步控制器之间都通过有线方式连接,导致线路部署成本较高,布线多且复杂。无线同步的方案是,在UWB定位基站中定义一个主基站,以主基站的时间基准校准其他UWB定位基站。这种方式会出现主基站无法覆盖网内所有UWB定位基站的情况,导致所有的UWB定位基站的无法时间同步,导致UWB定位基站之间时间同步精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为了解决现有技术中的UWB定位基站时间同步的方法存在布线复杂、时间同步精度低的技术问题,本发明提供一种UWB定位基站的时间同步方法及其系统,组网方式简单,时间同步精度高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种UWB定位基站的时间同步方法,包括以下步骤:
S1、将5G基站与UWB定位基站部署在井下,一个所述5G基站与多个所述UWB定位基站通讯连接,将所述5G基站作为授时的主基站;
S2、所述5G基站广播授时信息,所述UWB定位基站接收授时信息并发送带有时间戳T1的响应信息给所述5G基站;
S3、所述5G基站收到该带有时间戳T1的响应信息的时刻为T2,并将带有时间戳T3的建立连接的响应消息以及时间戳T1返回给所述UWB定位基站;
S4、所述UWB定位基站与所述5G基站建立连接,所述UWB获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并获取本地时间T4;所述UWB定位基站2根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站的时间同步;
S5、所有的UWB定位基站均完成与5G基站的时间同步。
进一步的,若所述UWB定位基站同时收到多个所述5G基站的授时信息,则所述UWB定位基站根据接收信号码功率的强度选取一个5G基站建立连接。
进一步的,步骤S4中,UWB定位基站根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站的时间同步,具体包括:
所述UWB定位基站计算延时时间Tdelay=(T4-T3+T2-T1)/2;
所述UWB定位基站读取授时信息中的时间T0,则所述UWB定位基站校正本地时间T=T0+Tdelay。
进一步的,还包括:重复步骤S2至S4,得到多个本地时间T,将多个本地时间T按照从小到大的顺序排成一列,去除队列两端的n项数值,并对剩余的本地时间T进行数据拟合,得到最终的本地时间T’。
进一步的,所述UWB定位基站包括:UWB主控单元、UWB射频单元、本地时钟单元以及5G时钟同步单元,所述UWB射频单元、本地时钟单元以及5G时钟同步单元均与所述UWB主控单元连接,所述5G时钟同步单元与所述5G基站通讯连接。
进一步的,所述UWB主控单元从所述本地时钟单元中获取时间戳T1,并将该时间戳T1发送给所述5G时钟同步单元,所述5G时钟同步单元将带有时间戳T1的响应信息给所述5G基站。
进一步的,所述5G时钟同步单元收到所述5G基站建立连接的响应后,获取获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并从所述本地时钟单元中获取本地时间T4。
进一步的,所述UWB定位基站与接收信号码功率强度最高的一个5G基站建立连接。
本发明还提供了一种UWB定位基站的时间同步系统,使用所述的UWB定位基站的时间同步方法,所述系统包括;
多个5G基站以及多个UWB定位基站,每个所述5G基站均与多个UWB定位基站通讯连接,所述5G基站作为授时的主基站,UWB定位基站通过与5G基站的时间同步以实现多个UWB定位基站之间的时间同步。
进一步的,多个5G基站之间时间同步。
本发明的有益效果是,本发明通过将UWB定位基站与5G基站进行无线组网,将5G基站作为授时的主基站,UWB定位基站的本地时间根据5G基站的本地时间进行校准,可以实现多个UWB定位基站之间的本地时间的精准同步。本发明不仅组网简单、时间同步方式简单、还能提高时间同步的精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的UWB定位基站的时间同步方法的流程图。
图2是本发明的UWB定位基站的结构示意图。
图3是本发明的5G基站与UWB定位基站之间建立连接的过程示意图。
图4是本发明的UWB定位基站的时间同步系统的结构示意图。
图中:1、5G基站;2、UWB定位基站;21、UWB主控单元;22、UWB射频单元;23、本地时钟单元;24、5G时钟同步单元。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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,因此不能理解为对本发明的限制。此外,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示,本发明的UWB定位基站的时间同步方法,包括以下步骤:
S1、将5G基站1与UWB定位基站2部署在井下,一个5G基站1与多个UWB定位基站2通讯连接,将5G基站1作为授时的主基站。
S2、5G基站1广播授时信息,UWB定位基站2接收授时信息并发送带有时间戳T1的响应信息给5G基站1。
S3、5G基站1收到该带有时间戳T1的响应信息的时刻为T2,并将带有时间戳T3的建立连接的响应消息以及时间戳T1返回给UWB定位基站2。
S4、UWB定位基站2与5G基站1建立连接,UWB获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并获取本地时间T4;UWB定位基站2根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站1的时间同步。
S5、所有的UWB定位基站2均完成与5G基站1的时间同步。
换言之,本申请通过将5G基站1与UWB定位基站2之间进行组网,将5G基站1作为授时的主基站,UWB定位基站2读取5G基站1发送的授时信息,实现多个UWB定位基站2之间的时间同步。本方法无需布线,且组网简单,还能够提高时间同步的精度。
具体的,若UWB定位基站2同时收到多个5G基站1的授时信息,则UWB定位基站2根据接收信号码功率的强度选取一个5G基站1建立连接。接收信号码功率(Receive SignalChannel Power,简称RSCP)是一种电平值,接收信号码功率的强度越强,UWB定位基站2接收信息就越准确。由于一个5G基站1的信号覆盖范围可以达到几百米,因此,UWB定位基站2可能可以同时收到多个5G基站1广播的授时信息,此时,UWB定位基站2可以选取一个接收信号码功率最高的5G基站1建立连接。
具体的,步骤S4中,UWB定位基站2根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站1的时间同步,具体包括:UWB定位基站2计算延时时间Tdelay=(T4-T3+T2-T1)/2;UWB定位基站2读取授时信息中的时间T0,则UWB定位基站2校正本地时间T=T0+Tdelay。需要说明的是,UWB定位基站2在接收5G基站1广播的授时信息后,可以发送响应消息反馈给5G基站1,此时,UWB定位基站2在响应消息中带上自己本地的时间戳T1,表明UWB定位基站2是在时刻T1发送的响应消息。5G基站1在收到带有时间戳T1的响应消息的时刻为T2,5G基站1在收到响应消息后,发送建立连接的响应消息再返回给UWB定位基站2,该响应消息中带有时间戳T3(5G基站1发送该响应消息的时刻)以及时间戳T1。UWB定位基站2收到该响应消息后,可以读取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并读取此时自己的本地时间T4。换言之,在5G基站1与UWB定位基站2之间建立连接的过程中,5G基站1收到UWB定位基站2的响应消息耗用的时间为T2-T1,UWB定位基站2收到5G基站1的响应消息耗用的时间为T4-T3,即,UWB定位基站2与5G基站1之间的延时时间为Tdelay=(T4-T3+T2-T1)/2。此时,UWB定位基站2可以读取5G基站1发送的授时信息中的时间T0,结合延时时间进行本地时间校准,即,校准后的UWB定位基站2的本地时间为T=T0+Tdelay。每个UWB定位基站2均按照上述过程进行本地时间校准,由于各个5G基站1之间的时间是严格同步的,因此,通过校准后的UWB定位基站2的时间也可以精准同步。
本方法还可以包括:重复步骤S2至S4,得到多个本地时间T,将多个本地时间T按照从小到大的顺序排成一列,去除队列两端的n项数值,并对剩余的本地时间T进行数据拟合,得到最终的本地时间T’。例如,重复了10次可以得到10个校准后的本地时间T1~T10,将T1~T10从小到大排列顺序为T1、T3、T2、T4、T6、T5、T7、T9、T8、T10,例如n=2,则需要去掉T1、T3、T8和T10,对剩余的T2、T4、T6、T5、T7和T9做数据拟合(例如可以利用matlab软件做曲线拟合处理),得到一个最终的本地时间T’。这样,可以进一步提高时间同步的精度。
具体的,UWB定位基站2包括:UWB主控单元21、UWB射频单元22、本地时钟单元23以及5G时钟同步单元24,UWB射频单元22、本地时钟单元23以及5G时钟同步单元24均与UWB主控单元21连接,5G时钟同步单元24与5G基站1通讯连接。UWB主控单元21用于处理指令与控制信息,UWB射频单元22(例如是天线)用于UWB信号的接收与发射,本地时钟单元23用于提供本地时间,5G时钟同步单元24用于与5G基站1通信,获取时间信息。例如,UWB主控单元21从本地时钟单元中获取时间戳T1,并将该时间戳T1发送给5G时钟同步单元24,5G时钟同步单元24将带有时间戳T1的响应信息给5G基站1。5G时钟同步单元24收到5G基站11建立连接的响应后,获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并从本地时钟单元23中获取本地时间T4。UWB定位基站2可以被部署在井下不同的位置,UWB定位基站2可以实现定位与通信合一,其定位精度可达厘米级,而UWB定位基站2之间的时间同步为定位精准提供了支持。
如图4所示,本发明还提供了一种UWB定位基站的时间同步系统,使用上述的UWB定位基站的时间同步方法,该系统包括:多个5G基站1以及多个UWB定位基站2,每个所述5G基站1均与多个UWB定位基站2通讯连接,所述5G基站1作为授时的主基站,UWB定位基站2通过与5G基站1的时间同步以实现多个UWB定位基站2之间的时间同步。5G基站1可以提供5G无线信号的覆盖,实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输,5G具有高速率、低时延和大连接等特点,目前已被逐渐应用在煤矿的通信。也就是说,本申请的系统并没有在井下增加新的设备,没有额外增加成本,利用井下已有的5G基站1与UWB定位基站22进行组网,并且5G基站1与UWB定位基站22的组网采用无线的方式,可以省去复杂的布线,节约部署成本。
综上所述,本发明通过将UWB定位基站2与5G基站1进行无线组网,将5G基站1作为授时的主基站,UWB定位基站2的本地时间根据5G基站1的本地时间进行校准,可以实现多个UWB定位基站2之间的本地时间的精准同步。本发明不仅组网简单、时间同步方式简单、还能提高时间同步的精度。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将5G基站与UWB定位基站部署在井下,一个所述5G基站与多个所述UWB定位基站通讯连接,将所述5G基站作为授时的主基站;
S2、所述5G基站广播授时信息,所述UWB定位基站接收授时信息并发送带有时间戳T1的响应信息给所述5G基站;
S3、所述5G基站收到该带有时间戳T1的响应信息的时刻为T2,并将带有时间戳T3的建立连接的响应消息以及时间戳T1返回给所述UWB定位基站;
S4、所述UWB定位基站与所述5G基站建立连接,所述UWB定位基站获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并获取本地时间T4;所述UWB定位基站根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站的时间同步;
S5、所有的UWB定位基站均完成与5G基站的时间同步。
2.如权利要求1所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,若所述UWB定位基站同时收到多个所述5G基站的授时信息,则所述UWB定位基站根据接收信号码功率的强度选取一个5G基站建立连接。
3.如权利要求1所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,步骤S4中,UWB定位基站根据时间戳T1、时刻T2、时间戳T3和本地时间T4,完成与5G基站的时间同步,具体包括:
所述UWB定位基站计算延时时间Tdelay=(T4-T3+T2-T1)/2;
所述UWB定位基站读取授时信息中的时间T0,则所述UWB定位基站校正本地时间T=T0+Tdelay。
4.如权利要求3所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,还包括:重复步骤S2至S4,得到多个本地时间T,将多个本地时间T按照从小到大的顺序排成一列,去除队列两端的n项数值,并对剩余的本地时间T进行数据拟合,得到最终的本地时间T’。
5.如权利要求3所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,所述UWB定位基站包括:UWB主控单元、UWB射频单元、本地时钟单元以及5G时钟同步单元,所述UWB射频单元、本地时钟单元以及5G时钟同步单元均与所述UWB主控单元连接,所述5G时钟同步单元与所述5G基站通讯连接。
6.如权利要求5所述的UWB定位基站2的时间同步方法,其特征在于,所述UWB主控单元从所述本地时钟单元中获取时间戳T1,并将该时间戳T1发送给所述5G时钟同步单元,所述5G时钟同步单元将带有时间戳T1的响应信息给所述5G基站。
7.如权利要求5所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,所述5G时钟同步单元收到所述5G基站建立连接的响应后,获取获取时间戳T1、时刻T2和时间戳T3,并从所述本地时钟单元中获取本地时间T4。
8.如权利要求2所述的UWB定位基站的时间同步方法,其特征在于,所述UWB定位基站与接收信号码功率强度最高的一个5G基站建立连接。
9.一种UWB定位基站的时间同步系统,其特征在于,使用如权利要求1-8任一项所述的UWB定位基站的时间同步方法,所述系统包括;
多个5G基站(1)以及多个UWB定位基站(2),每个所述5G基站(1)均与多个UWB定位基站(2)通讯连接,所述5G基站(1)作为授时的主基站,UWB定位基站(2)通过与5G基站(1)的时间同步以实现多个UWB定位基站(2)之间的时间同步。
10.如权利要求9所述的UWB定位基站2的时间同步系统,其特征在于,多个5G基站(1)之间时间同步。
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