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基于5G定位系统的标准时间同步系统设计

范文

单风云

摘要：传统的被动式定位，时钟同步采用空口同步技术，这样在小区信号覆盖不好或者同频干扰严重的地方，同步性能急剧恶化，导致定位效率大大降低。基于5G的无线定位时间同步系统，为了克服上述场景的缺陷，将空口同步技术与GNSS授时技术相结合，借助无线通信模块，将室内定位系统与室外定位系统同步组网，协同定位，提升了在复杂场景的定位效率。

关键词：无线定位; 同步; 卫星授时; 无线数传

中图分类号：TN929.531? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0032-03

Abstract：In the traditional passive positioning， the clock synchronization adopts the air port synchronization technology. In this way， when the cell signal coverage is not good or the same frequency interference is serious， the synchronization performance deteriorates rapidly， which leads to the greatly reduced positioning efficiency. Based on 5g wireless positioning time synchronization system， in order to overcome the defects of the above scenarios， the air port synchronization technology and GNSS time service technology are combined. With the help of wireless communication module， the indoor positioning system and outdoor positioning system are synchronized to form a network and coordinate positioning， which improves the positioning efficiency in complex scenes.

Key words：wireless location; synchronization; satellite time service; wireless data transmission

1 引言

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、商场、图书馆、地下停车场、矿井、火灾等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。从1G到4G都有定位技术，但是现有的通信网设计原则、网络规划、信号的检测都只能满足通信需要，其中的很多原则都是和与定位需求是不一致的，本质上无法提供亚米级室内定位的能力。为了适应高精度室内定位的需求，5G是首次将定位服务作为设计目标之一的移动通信系统。5G定位系统将是一个包含广域覆盖网、超密集组网（UDN）、专有无线系统、WLAN系统等多种定位网络形态的异构定位系统，因此5G高精度室内定位技术架构必然是一个异构定位架构。本文主要探讨基于5G的室内人员被动式定位系统场景中，通过将多种定位技术融合在一起的、全面的、系统的、层次化的融合定位时钟同步系统的技术架构。

2 现有的时间同步方案

被动式目标定位（passive objective positioning）是在进行目标定位时，利用基站或者手机终端发射的信号，而不需在测量地区范围内自行布设伪基站，进行目标定位的方法。在定位配套的软件中嵌入的2D/3D地图上可以查看被定位目标的实时位置、移动轨迹、进出某区域的时间、停留时间等数据，从而为消防救援、应急疏散、抗震救灾提供重要的信息。在历代的移动通信系统中，所有的被动式定位设备，由于无法接入骨干网或者回程网，5G基站通用的传输1588V2高精度信号的时间同步方案不可采用。基于TD-LTE的授时信号从基站的空口发出，只要LTE被动式定位设备在基站无线信号覆盖范围内便可获得LTE的授时信号。被动式定位设备在和基站同步过程中，首先完成帧边界的同步，然后解调物理广播信道的信息，找出第1个无线帧，恢复出1-PPS信号，并从基站得到发射提前量参数，利用该参数补偿信道传输的时延，从而完成精确的时间同步过程。其他无线网络的时间同步方式，与TDD-LTE的原理大致类似。

3 被动式时间同步方案设计

3.1 传统被动式定位系统时钟设计

在传统的被动式定位系统设计中，室外定位设备与室内定位设备独立作业，互不共享信息。被动式定位设备，既不需要和基站、终端进行信息交互，也不需要解析业务信道的数据，因而从同步精度、实时性方面要求低点。2G/3G/4G被动式定位设备，平均作业时间短，频率低，时钟频率漂移对定位系统影响不大。传统的时钟同步设计，采用空口同步方案：即使用普通的恒温晶振分频得到FPGA的采样时钟，FPGA采集空口的基带数据，然后通过RapidIO接口传输给DSP，DSP利用自己的高速运算优势，完成相关同步算法的定点实现，搜索到无线帧头位置;接着，被动式定位系统完成广播消息和系统消息的解析，如果物理层的比特流crc校验通过，可确定同步成功;后期，通过跟踪算法对获取的同步进行实时维护，在中高信噪比的环境中，保持稳定同步，在低信噪比中，同步可维持几十个子帧的时间。传统的时钟设计，简单独立，可以满足大部分场景对定位的需求。但对于终端处于室外无线网与室内无线网交汇处，或者无线信号质量低下会出现由于同步跟踪丢失，从而定位效率大大降低的情况，因此优化時钟设计显得意义重大。

3.2 改进的被动式定位系统时钟设计

5G信号频率较高，衰减较大，穿透能力较差，导致室外宏站覆盖距离近，室内采用小基站进行补充覆盖。5G使用的毫米波，采样时钟对频率更敏感，从而要求本地时钟与标准时钟偏差不超过一定范围，如果不能保证精准的时钟同步，将导致严重的互干扰，甚至影响定位系统的正常工作。目前eMBB的5G网络是TDD系统，采用时分复用技术，是严格的时钟同步系统。根据现有技术条件，本文提出了基于5G的室内外定位设备切实可行的时钟同步方案。

基于5G的被动式定位时钟设计系统有如下两点变化：一是将室外定位设备与室内定位设备当作一个整体来处理，协作定位。协作定位利用位置未知节点间的测量信息获得节点间的相对位置信息，相邻节点之间都可以相互通信并且能够提供有效的参数，充分利用节点资源，扩大定位范围。二是将空口同步方案与内置GNSS同步方案有机结合。单独采用空口同步技术，当信号质量比较好的时候，系统可以维持稳定的同步状态，当信号质量稍微恶化，或者处于小区边界信道变化剧烈时，系统就会陷入同步失步的死循环中，无法正常定位。单独采取GNSS信号授时，对于室内覆盖这样的场景，由于卫星信号较弱，输出的1-pps信号跳变剧烈，晶振只依赖秒脉冲信号分频，整个时钟系统就会瘫痪。因此，无线定位技术与卫星导航技术相结合，室内外定位设备当作一个整体，同步信息共享既可以提供较好的精度和响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。

3.2.1 空口同步技术与GNSS授时技术相结合方案

将空口同步技术与GNSS授时技术相结合的原理如下图：主要有GPS接收模块或者北斗接收模块、FPGA采集控制模块、DSP基带运算模块、D/A模块和压控晶振模块五个块组成。GPS接收模块或者北斗接收模块用于输出标准的1-pps脉冲信号，FPGA采集控制模块使用本地晶振分频100Khz的信号与标准的秒脉冲信号进行对比，从而调整100Khz以上的频偏，同时FPGA采集控制模块将采集的基带数据传输给DSP基带运算模块，DSP运用自己的高速运算能力，采用同步信号或者参考信号计算100Khz以内的频偏，并将频率调整值传递给FPGA采集控制模块，FPGA采集控制模块将频率粗调制或精调值传递给D/A转换模块，最后D/A转换模块将得到的结果去修正本地晶振频率的控制电压，从而克服随着时间的漂移而产生的频率漂移。

DSP基带运算模块，在完成小区搜索以后，可通过小区参考信号来做频率的微调。在进行频率调整时，可以通过多个无线帧，平滑滤波，剔除抖动较大的样本，避免干扰带来的误测。同时，在控制调整晶振的时间间隔方面，可结合多种策略，综合考虑。比如，频率偏移值不大时，可累计到下个时钟调整周期，频率偏移值过大时，不应一步到位，可采取最大的频率偏移值，多次分步调整，逐渐趋近计算值。同时，当GPS信号覆盖较弱，时钟抖动加大时，而无线网络覆盖优质时，可通过同步信号进行频率的粗调，接着再用参考信号进行微调。总之，空口同步技术与GNSS授时技术相结合同步方案，在FPGA和DSP上实现，集成度高，系统体积小，而且提高了测量分辨率。与单一的同步授时同步方案对比，卫星授时和空口同步相结合的方案，波对时钟抖动和较大的跳变点都有很好的抑制作用。

3.2.2 室内外定位系统协同工作方案

室内外定位系统协同工作方案是在室外定位设备与室内定位设备之间交换数据，减轻不同定位设备之间由于多径、建筑物阻挡而产生的无线信号差异较大的影响，使得室内外定位设备即使在其中一个设备信号很弱甚至丢失的条件下，也可实现较高的同步精度，提升定位效率。具体原理图如图2。

首先，室内定位设备与室外定位设备，同时引入GNSS信号。系统中室内外定位设备均各自独立地接收GPS卫星信号，提取出定时时刻基准和频率基准信号;另外，室内外定位设备采集空口基站信号，提取同步信号，完成无线帧同步。其次，室外定位设备引入网口，通过以太网接口与NTP服务器对接，完成UTC时间同步。最后，室内外定位设备通过蓝牙，数传，移动数据网络三种模式进行无线组网。室内外定位系统的核心要点主要是三个方面。

1）GNSS与空口同步信息融合

GNSS与空口同步信息融合可从两个维度进行考虑：其一，对于单独的某一个定位设备而言，对于同一个基站的所有小区，选择信号质量最优的小区，然后参照GNSS的信号对晶振进行调整。对于信号质量较差或者信号剧烈跳变的小区，仅仅依赖空口信号维持同步，信息量不够。可记录每一个GPS测量时刻，各个小区的传输帧头位置，并统计出每个频点的邻小区与主小区的同步点偏差，在信号质量较好的时候，统计同一个基站的每个小区的同步点变化规律，当小区信号恶化时，可以根据推算的模型，智能估算出同步点调整幅度，从而保持较长时间的下行同步。

其二：对于室内外组成的一体化网络，室内定位设备GNSS信号较弱，室内覆盖较室外覆盖，一般弱化很多。鉴于此，室内定位设备为了保持较高的定位效率，室外定位设备可将GPS的接收时刻某个小区无线帧号和子帧号、同步点记录下来，并将此信息打包通过无线通道传输给室内设备，室内定位设备可以保存一张列表，记录最近的所有小区的无线帧号，子帧号及其同步点。当接收到室外设备的信息时，从小区信息记录表中查找相同小区，相同的无线帧号的同步点，并经过训练算法，得出室内小区相对于室外相同小区的变化曲线，后期，室内小区恶化时，可参考室外小区进行同步点调整。

2）NTP网络时间模块引入

由于定位设备相互之间共享定位信息，定位信息需要携带时间戳，这样才能淘汰落后的信息，使用最新的信息。同时，系统长时间运行，需要记录各种日志，记录定位系统各部件的运行情况，通过它可以检查错误发生的原因，复原现场，从而辅助开发者解决系统问题。室外定位设备可以通过GNSS或者精度较高的NTP的服务器，获取UTC时间，同时也作为NTP服务器，為室内定位设备授时。

GNSS BDS/GPS双模接收机接收卫星信号并输出NMEA0183协议语句和秒脉冲（PPS）信号，FPGA模块利用卫星输出的秒脉冲信号提取定时时刻的基准， ARM模块上面移植开源的NTP的C软件，将NMEA0183语句的时间信息作为基准，并利用FPGA传递过来的PPS信号减小时间误差。FPGA模块上面挂载网口驱动，这样NTP的报文可以通过ARM传递到FPGA，FPGA通过网口与外界的以太网互联。

3）室内外定位设备组网特点

在室内网与室外网相交区域，可能因为终端不停地切换小区，导致定位能量上报不连续。此时，可以通过室内外定位设备交换下行解析信息，补偿信号被遮挡而丢失的信息，仍然保证高精度的下行时间同步;室内外定位设备只能通过无线通道传递信息，无线传输的方式可采用如下三种：蓝牙、数传或者移动网络，如图4所示。

设计三个通道，互为备用。近距离，遮挡比较少的，信号可直达，蓝牙传输就可以满足需求。而中距离，建筑物遮挡比较严重，无线信号衰减较快，可以采用数传模块;远距离，超过了数传的极限传输距离，此时可采用移动网络的移动数据流量来共享信息。总之，当无线网络覆盖不够好的地方，有数传或者蓝牙进行信息的补充覆盖。三者完美结合，互为主备。

3.2.3 优化场景提升

室内外定位设备共享下行小区同步的信息包括频点、小区ID、无线帧号、子帧号、同步点的位置;上行终端导频发射的同步点位置信息包括频点、小区ID、无线帧号、子帧号。这些共享信息可以做到如下场景的定位：

场景一：对于时分系统同频小区，室外小区A，由于GPS信号和信道质量优质，从而同步效果好，下行同步点稳定。对于室内定位设备，小区B是小区A的同频邻区，GPS信号较好，但是无线信道质量较差，但是定位终端驻留在小区B上。小区B可以通过空口同步技术，在信号质量好的一段时间内同步上，后面同步跟踪时，可以结合小区A的同步点变化规律粗调小区B的同步点位置，然后通过小区B的GPS秒脉冲信号和小区A的GPS秒脉冲信号的相对时间差，换算成定位系统的时域同步点偏差，然后精确调整小区B的同步点位置。一旦，小区B同步上了，后面就算信道质量变化恶劣，定位系统也可以在半个小时以内保持较高的同步跟踪，从而为终端定位奠定基础。

场景二：对于同频小区，室外小区A，GPS信号和无线信道质量优异，定位终端在室内，但驻留在小区A上。室内定位设备从室外移动到室内，由于室内是小区A覆盖的边缘位置，信号强度低，所以进入室内后，室内定位设备在GPS信号的辅助下，可以维持一段时间同步，这样定位系统就可以维持上行同步点的位置。室内定位设备由于信道质量差，无法解析基站给目标分配的上行资源，但室外定位设备可以解析基站给目标分配的资源。室外定位设备，通过蓝牙，数传，无线网络的移动数据发给室内定位设备，这样室内定位设备就算下行解析失败，也不影响室内定位。

场景三：5G上行是SC-FDMA波形，那么通过RSS算法计算终端导频能量时，同频干扰的情况偶尔出现，对定位造成误导。室内外定位设备协同工作时，可以通过频域的资源索引位置，相互参照，从而排除同频干扰的情况。对于终端处于在多个小区跳变的场景，室内外相互共享下行解析的信息，增大下行捕获的概率，从而提高定位的效率。

4 结论

本文设计的基于5G无线定位系统的标准时间同步系统设计，在原有的定位设备上，增加了GNSS的接收模块，给本地晶振提供一个高精度的时钟源，通过DSP从基带数据中估算出频率偏差，引入时延补偿机制，以修正无线传播多路径造成的时延偏差，提高授时精度。卫星导航技术与无线定位技术相结合，发挥各自的优长，则既可以提供较好的精度和响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。引入NTP模塊，通过5G移动通信模块实现远程移动式的与NTP服务器进行时间同步，可在任意时间地点与NTP服务器进行同步，具有便携、低成本的特点。

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