基于卫星和5G空口融合的5G基站高精度授时方法及系统与流程

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
1.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：

2.5g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。
3.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。
4.5g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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
8.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：
9.步骤1：获取当前时刻接收到的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
，其中，t
nr
′
＝t
nr
δt
nr
，t
nr
为服务器接收到的卫星授时信号，δt
nr
为服务器到5g基站的路径延迟；
10.步骤2：对当前时刻的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
进行可用性检测：
11.若t
sat
和t
nr
′
均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
12.若t
sat
可用且t
nr
′
不可用，则将t
sat
作为授时信号发送至用户并发出告警；
13.若t
nr
′
可用且t
sat
不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
14.若t
sat
和t
nr
′
均可用，则获得当前时刻δt
nr
，将当前时刻δt
nr
作为实时修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
15.所述的预测修正值的计算包括如下子步骤：
16.步骤a1：获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的t
nr
，获得路径延迟序列其中，j表示当前时刻的序号；
17.步骤a2：根据路径延迟序列建立预测模型
18.步骤a3：通过最小二乘法训练预测模型将当前时刻t
nr
输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
19.进一步的，所述的预测模型如下式所示：
[0020][0021]
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，ε
j
是误差项，是j时刻的t
nr
，是起始时刻的t
nr
。
[0022]
进一步的，步骤1中卫星授时信号t
sat
的获取包括如下子步骤：
[0023]
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ρ
i
，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
[0024]
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；
[0025]
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t
sat
。
[0026]
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；
[0027]
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；
[0028]
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t
sat
和5g空口信号t
nr
′
，
其中，t
nr
′
＝t
nr
δt
nr
，t
nr
为服务器接收到的卫星授时信号，δt
nr
为服务器到5g基站的路径延迟；
[0029]
所述的可用性检测模块对当前时刻的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
进行可用性检测；
[0030]
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：
[0031]
若t
sat
和t
nr
′
均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
[0032]
若t
sat
可用且t
nr
′
不可用，则将t
sat
作为授时信号发送至用户并发出告警；
[0033]
若t
nr
′
可用且t
sat
不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0034]
若t
sat
和t
nr
′
均可用，则获得当前时刻δt
nr
，将当前时刻δt
nr
作为实时修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0035]
所述的预测修正值的计算包括如下子模块：
[0036]
第一子模块用于获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的t
nr
，获得路径延迟序列其中，j表示当前时刻的序号；
[0037]
第二子模块用于根据路径延迟序列建立预测模型
[0038]
第三子模块用于通过最小二乘法训练预测模型将当前时刻t
nr
输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
[0039]
进一步的，所述的预测模型如下式所示：
[0040][0041]
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，ε
j
是误差项，是j时刻的t
nr
，是起始时刻的t
nr
。
[0042]
进一步的，接收模块中卫星授时信号t
sat
的获取包括如下子模块：
[0043]
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ρ
i
，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
[0044]
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；
[0045]
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t
sat
。
[0046]
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
[0047]
(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。
[0048]
(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。
[0049]
(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
[0050]
图1为时间偏差产生原理图；
[0051]
图2为数据处理单元流程图；
[0052]
图3为时间同步组网架构图。
具体实施方式
[0053]
首先对本发明中出现的技术词语进行解释：
[0054]
5g空口：5g
‑
new radio。
[0055]
5g服务器：处理5g信号信息的服务器。
[0056]
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。
[0057]
几何路径时延修正：导航卫星到用户接收机的直线距离。
[0058]
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。
[0059]
电离层附加时延修正：卫星信号经过电离层的时延估计。
[0060]
对流层折射时延修正：卫星信号经过对流层的时延估计。
[0061]
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。
[0062]
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：
[0063]
步骤1：获取当前时刻接收到的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
，其中，t
nr
′
＝t
nr
δt
nr
，t
nr
为服务器接收到的卫星授时信号，δt
nr
为服务器到5g基站的路径延迟；
[0064]
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t
nr
＝t
sat
，经过5g传输网络，产生路径延迟，到达5g基站的时间为t
nr
′
＝t
nr
δt
nr
；
[0065]
步骤2：对当前时刻的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
进行可用性检测：
[0066]
若t
sat
和t
nr
′
均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
[0067]
若t
sat
可用且t
nr
′
不可用，则将t
sat
作为授时信号发送至用户并发出告警；
[0068]
若t
nr
′
可用且t
sat
不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0069]
若t
sat
和t
nr
′
均可用，则获得当前时刻δt
nr
，将当前时刻δt
nr
作为实时修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0070]
所述的预测修正值的计算包括如下子步骤：
[0071]
步骤a1：获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的t
nr
，获得路径延迟序列其中，j表示当前时刻的序号；
[0072]
步骤a2：根据路径延迟序列建立预测模型
[0073]
步骤a3：通过最小二乘法训练预测模型将当前时刻t
nr
输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
[0074]
具体的，所述的预测模型如下式所示：
[0075][0076]
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，ε
j
是误差项，是j时刻的t
nr
，是起始时刻的t
nr
。
[0077]
具体的，步骤1中卫星授时信号t
sat
的获取包括如下子步骤：
[0078]
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ρ
i
，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
[0079]
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；
[0080]
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t
sat
。
[0081]
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t
sat.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w
i
设为1.如下公式：
[0082]
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；
[0083]
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；
[0084]
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t
sat
和5g空口信号t
nr
′
，其中，t
nr
′
＝t
nr
δt
nr
，t
nr
为服务器接收到的卫星授时信号，δt
nr
为服务器到5g基站的路径延迟；
[0085]
所述的可用性检测模块对当前时刻的卫星授时信号t
sat
和5g空口信号t
nr
′
进行可用性检测；
[0086]
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：
[0087]
若t
sat
和t
nr
′
均不可用，则授时失败并向用户发出告警；
[0088]
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。
[0089]
若t
sat
可用且t
nr
′
不可用，则将t
sat
作为授时信号发送至用户并发出告警；
[0090]
若t
nr
′
可用且t
sat
不可用，则计算预测修正值，将预测修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0091]
若t
sat
和t
nr
′
均可用，则获得当前时刻δt
nr
，将当前时刻δt
nr
作为实时修正值调制在t
nr
′
上作为授时信号发送至用户；
[0092]
所述的预测修正值的计算包括如下子模块：
[0093]
第一子模块用于获取起始时刻到当前时刻的每个时刻的t
nr
，获得路径延迟序列其中，j表示当前时刻的序号；
[0094]
第二子模块用于根据路径延迟序列建立预测模型
[0095]
第三子模块用于通过最小二乘法训练预测模型将当前时刻t
nr
输入训练好的预测模型得到当前时刻的预测修正值
[0096]
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，所述的预测模型如下式所示：
[0097][0098]
其中，a0和a1是一次多项式模型参数，ε
j
是误差项，是j时刻的t
nr
，是起始时刻的t
nr
。
[0099]
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。
[0100]
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)。
[0101]
具体的，接收模块中卫星授时信号t
sat
的获取包括如下子模块：
[0102]
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ρ
i
，i＝1,...,n，n为接收机可视的导航卫星个数，i、n为正整数；
[0103]
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；
[0104]
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t
sat
。
[0105]
具体的，本系统中的接收机为北斗授时接收机。
[0106]
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t
nr
′
。一种是时间偏差修正量或δt
nr
。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。
[0107]
用户接收到5g空口时间信息，并使用修正值进行时间修正。
[0108]
(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：
[0109]
t
nr
‑
gnss
＝t
nr
′‑
δt
nr
。
[0110]
(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：
[0111]