基于5G定位系統的標準時間同步系統設計

單風云

摘要：傳統的被動式定位，時鐘同步采用空口同步技術，這樣在小區信號覆蓋不好或者同頻干擾嚴重的地方，同步性能急劇惡化，導致定位效率大大降低。基于5G的無線定位時間同步系統，為了克服上述場景的缺陷，將空口同步技術與GNSS授時技術相結合，借助無線通信模塊，將室內定位系統與室外定位系統同步組網，協同定位，提升了在復雜場景的定位效率。

關鍵詞： 無線定位; 同步; 衛星授時; 無線數傳

中圖分類號：TN929.531? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：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

隨著數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環境，如機場大廳、商場、圖書館、地下停車場、礦井、火災等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息。從1G到4G都有定位技術，但是現有的通信網設計原則、網絡規劃、信號的檢測都只能滿足通信需要，其中的很多原則都是和與定位需求是不一致的，本質上無法提供亞米級室內定位的能力。為了適應高精度室內定位的需求，5G是首次將定位服務作為設計目標之一的移動通信系統。5G定位系統將是一個包含廣域覆蓋網、超密集組網（UDN）、專有無線系統、WLAN系統等多種定位網絡形態的異構定位系統，因此5G高精度室內定位技術架構必然是一個異構定位架構。本文主要探討基于5G的室內人員被動式定位系統場景中，通過將多種定位技術融合在一起的、全面的、系統的、層次化的融合定位時鐘同步系統的技術架構。

2 現有的時間同步方案

被動式目標定位（passive objective positioning）是在進行目標定位時，利用基站或者手機終端發射的信號，而不需在測量地區范圍內自行布設偽基站，進行目標定位的方法。在定位配套的軟件中嵌入的2D/3D地圖上可以查看被定位目標的實時位置、移動軌跡、進出某區域的時間、停留時間等數據，從而為消防救援、應急疏散、抗震救災提供重要的信息。在歷代的移動通信系統中，所有的被動式定位設備，由于無法接入骨干網或者回程網，5G基站通用的傳輸1588V2高精度信號的時間同步方案不可采用。基于TD-LTE的授時信號從基站的空口發出，只要LTE被動式定位設備在基站無線信號覆蓋范圍內便可獲得LTE的授時信號。被動式定位設備在和基站同步過程中，首先完成幀邊界的同步，然后解調物理廣播信道的信息，找出第1個無線幀，恢復出1-PPS信號，并從基站得到發射提前量參數，利用該參數補償信道傳輸的時延，從而完成精確的時間同步過程。其他無線網絡的時間同步方式，與TDD-LTE的原理大致類似。

3 被動式時間同步方案設計

3.1 傳統被動式定位系統時鐘設計

在傳統的被動式定位系統設計中，室外定位設備與室內定位設備獨立作業，互不共享信息。被動式定位設備，既不需要和基站、終端進行信息交互，也不需要解析業務信道的數據，因而從同步精度、實時性方面要求低點。2G/3G/4G被動式定位設備，平均作業時間短，頻率低，時鐘頻率漂移對定位系統影響不大。傳統的時鐘同步設計，采用空口同步方案：即使用普通的恒溫晶振分頻得到FPGA的采樣時鐘，FPGA采集空口的基帶數據，然后通過RapidIO接口傳輸給DSP，DSP利用自己的高速運算優勢，完成相關同步算法的定點實現，搜索到無線幀頭位置;接著，被動式定位系統完成廣播消息和系統消息的解析，如果物理層的比特流crc校驗通過，可確定同步成功;后期，通過跟蹤算法對獲取的同步進行實時維護，在中高信噪比的環境中，保持穩定同步，在低信噪比中，同步可維持幾十個子幀的時間。傳統的時鐘設計，簡單獨立，可以滿足大部分場景對定位的需求。但對于終端處于室外無線網與室內無線網交匯處，或者無線信號質量低下會出現由于同步跟蹤丟失，從而定位效率大大降低的情況，因此優化時鐘設計顯得意義重大。

3.2 改進的被動式定位系統時鐘設計

5G信號頻率較高，衰減較大，穿透能力較差，導致室外宏站覆蓋距離近，室內采用小基站進行補充覆蓋。5G使用的毫米波，采樣時鐘對頻率更敏感，從而要求本地時鐘與標準時鐘偏差不超過一定范圍，如果不能保證精準的時鐘同步，將導致嚴重的互干擾，甚至影響定位系統的正常工作。目前eMBB的5G網絡是TDD系統，采用時分復用技術，是嚴格的時鐘同步系統。根據現有技術條件，本文提出了基于5G的室內外定位設備切實可行的時鐘同步方案。

基于5G的被動式定位時鐘設計系統有如下兩點變化：一是將室外定位設備與室內定位設備當作一個整體來處理，協作定位。協作定位利用位置未知節點間的測量信息獲得節點間的相對位置信息，相鄰節點之間都可以相互通信并且能夠提供有效的參數，充分利用節點資源，擴大定位范圍。二是將空口同步方案與內置GNSS同步方案有機結合。單獨采用空口同步技術，當信號質量比較好的時候，系統可以維持穩定的同步狀態，當信號質量稍微惡化，或者處于小區邊界信道變化劇烈時，系統就會陷入同步失步的死循環中，無法正常定位。單獨采取GNSS信號授時，對于室內覆蓋這樣的場景，由于衛星信號較弱，輸出的1-pps信號跳變劇烈，晶振只依賴秒脈沖信號分頻，整個時鐘系統就會癱瘓。因此，無線定位技術與衛星導航技術相結合，室內外定位設備當作一個整體，同步信息共享既可以提供較好的精度和響應速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現無縫的、精確的定位。

3.2.1 空口同步技術與GNSS授時技術相結合方案

將空口同步技術與GNSS授時技術相結合的原理如下圖：主要有GPS接收模塊或者北斗接收模塊、FPGA采集控制模塊、DSP基帶運算模塊、D/A模塊和壓控晶振模塊五個塊組成。GPS接收模塊或者北斗接收模塊用于輸出標準的1-pps脈沖信號，FPGA采集控制模塊使用本地晶振分頻100Khz的信號與標準的秒脈沖信號進行對比，從而調整100Khz以上的頻偏，同時FPGA采集控制模塊將采集的基帶數據傳輸給DSP基帶運算模塊，DSP運用自己的高速運算能力，采用同步信號或者參考信號計算100Khz以內的頻偏，并將頻率調整值傳遞給FPGA采集控制模塊，FPGA采集控制模塊將頻率粗調制或精調值傳遞給D/A轉換模塊， 最后D/A轉換模塊將得到的結果去修正本地晶振頻率的控制電壓，從而克服隨著時間的漂移而產生的頻率漂移。

DSP基帶運算模塊，在完成小區搜索以后，可通過小區參考信號來做頻率的微調。在進行頻率調整時，可以通過多個無線幀，平滑濾波，剔除抖動較大的樣本，避免干擾帶來的誤測。同時，在控制調整晶振的時間間隔方面，可結合多種策略，綜合考慮。比如，頻率偏移值不大時，可累計到下個時鐘調整周期，頻率偏移值過大時，不應一步到位，可采取最大的頻率偏移值，多次分步調整，逐漸趨近計算值。同時，當GPS信號覆蓋較弱，時鐘抖動加大時，而無線網絡覆蓋優質時，可通過同步信號進行頻率的粗調，接著再用參考信號進行微調?？傊?， 空口同步技術與GNSS授時技術相結合同步方案，在FPGA和DSP上實現，集成度高，系統體積小，而且提高了測量分辨率。與單一的同步授時同步方案對比，衛星授時和空口同步相結合的方案，波對時鐘抖動和較大的跳變點都有很好的抑制作用。

3.2.2 室內外定位系統協同工作方案

室內外定位系統協同工作方案是在室外定位設備與室內定位設備之間交換數據，減輕不同定位設備之間由于多徑、建筑物阻擋而產生的無線信號差異較大的影響，使得室內外定位設備即使在其中一個設備信號很弱甚至丟失的條件下，也可實現較高的同步精度，提升定位效率。具體原理圖如圖2。

首先，室內定位設備與室外定位設備，同時引入GNSS信號。系統中室內外定位設備均各自獨立地接收GPS衛星信號， 提取出定時時刻基準和頻率基準信號;另外，室內外定位設備采集空口基站信號，提取同步信號，完成無線幀同步。其次，室外定位設備引入網口，通過以太網接口與NTP服務器對接，完成UTC時間同步。最后，室內外定位設備通過藍牙，數傳，移動數據網絡三種模式進行無線組網。室內外定位系統的核心要點主要是三個方面。

1）GNSS與空口同步信息融合

GNSS與空口同步信息融合可從兩個維度進行考慮：其一，對于單獨的某一個定位設備而言，對于同一個基站的所有小區，選擇信號質量最優的小區，然后參照GNSS的信號對晶振進行調整。對于信號質量較差或者信號劇烈跳變的小區，僅僅依賴空口信號維持同步，信息量不夠?？捎涗浢恳粋€GPS測量時刻，各個小區的傳輸幀頭位置，并統計出每個頻點的鄰小區與主小區的同步點偏差，在信號質量較好的時候，統計同一個基站的每個小區的同步點變化規律，當小區信號惡化時，可以根據推算的模型，智能估算出同步點調整幅度，從而保持較長時間的下行同步。

其二：對于室內外組成的一體化網絡，室內定位設備GNSS信號較弱，室內覆蓋較室外覆蓋，一般弱化很多。鑒于此，室內定位設備為了保持較高的定位效率，室外定位設備可將GPS的接收時刻某個小區無線幀號和子幀號、同步點記錄下來，并將此信息打包通過無線通道傳輸給室內設備，室內定位設備可以保存一張列表，記錄最近的所有小區的無線幀號，子幀號及其同步點。當接收到室外設備的信息時，從小區信息記錄表中查找相同小區，相同的無線幀號的同步點，并經過訓練算法，得出室內小區相對于室外相同小區的變化曲線，后期，室內小區惡化時，可參考室外小區進行同步點調整。

2）NTP網絡時間模塊引入

由于定位設備相互之間共享定位信息，定位信息需要攜帶時間戳，這樣才能淘汰落后的信息，使用最新的信息。同時，系統長時間運行，需要記錄各種日志，記錄定位系統各部件的運行情況，通過它可以檢查錯誤發生的原因，復原現場，從而輔助開發者解決系統問題。室外定位設備可以通過GNSS或者精度較高的NTP的服務器，獲取UTC時間，同時也作為NTP服務器，為室內定位設備授時。

GNSS BDS/GPS雙模接收機接收衛星信號并輸出NMEA0183協議語句和秒脈沖（PPS）信號，FPGA模塊利用衛星輸出的秒脈沖信號提取定時時刻的基準， ARM模塊上面移植開源的NTP的C軟件，將NMEA0183語句的時間信息作為基準，并利用FPGA傳遞過來的PPS信號減小時間誤差。FPGA模塊上面掛載網口驅動，這樣NTP的報文可以通過ARM傳遞到FPGA，FPGA通過網口與外界的以太網互聯。

3）室內外定位設備組網特點

在室內網與室外網相交區域，可能因為終端不停地切換小區，導致定位能量上報不連續。此時，可以通過室內外定位設備交換下行解析信息，補償信號被遮擋而丟失的信息，仍然保證高精度的下行時間同步;室內外定位設備只能通過無線通道傳遞信息，無線傳輸的方式可采用如下三種：藍牙、數傳或者移動網絡，如圖4所示。

設計三個通道，互為備用。近距離，遮擋比較少的，信號可直達，藍牙傳輸就可以滿足需求。而中距離，建筑物遮擋比較嚴重，無線信號衰減較快，可以采用數傳模塊;遠距離，超過了數傳的極限傳輸距離，此時可采用移動網絡的移動數據流量來共享信息。總之，當無線網絡覆蓋不夠好的地方，有數傳或者藍牙進行信息的補充覆蓋。三者完美結合，互為主備。

3.2.3 優化場景提升

室內外定位設備共享下行小區同步的信息包括頻點、小區ID、無線幀號、子幀號、同步點的位置;上行終端導頻發射的同步點位置信息包括頻點、小區ID、無線幀號、子幀號。這些共享信息可以做到如下場景的定位：

場景一：對于時分系統同頻小區，室外小區A，由于GPS信號和信道質量優質，從而同步效果好，下行同步點穩定。對于室內定位設備，小區B是小區A的同頻鄰區，GPS信號較好，但是無線信道質量較差，但是定位終端駐留在小區B上。小區B可以通過空口同步技術，在信號質量好的一段時間內同步上，后面同步跟蹤時，可以結合小區A的同步點變化規律粗調小區B的同步點位置，然后通過小區B的GPS秒脈沖信號和小區A的GPS秒脈沖信號的相對時間差，換算成定位系統的時域同步點偏差，然后精確調整小區B的同步點位置。一旦，小區B同步上了，后面就算信道質量變化惡劣，定位系統也可以在半個小時以內保持較高的同步跟蹤，從而為終端定位奠定基礎。

場景二：對于同頻小區，室外小區A，GPS信號和無線信道質量優異，定位終端在室內，但駐留在小區A上。室內定位設備從室外移動到室內，由于室內是小區A覆蓋的邊緣位置，信號強度低，所以進入室內后，室內定位設備在GPS信號的輔助下，可以維持一段時間同步，這樣定位系統就可以維持上行同步點的位置。室內定位設備由于信道質量差，無法解析基站給目標分配的上行資源，但室外定位設備可以解析基站給目標分配的資源。室外定位設備，通過藍牙，數傳，無線網絡的移動數據發給室內定位設備，這樣室內定位設備就算下行解析失敗，也不影響室內定位。

場景三：5G上行是SC-FDMA波形，那么通過RSS算法計算終端導頻能量時，同頻干擾的情況偶爾出現，對定位造成誤導。室內外定位設備協同工作時，可以通過頻域的資源索引位置，相互參照，從而排除同頻干擾的情況。對于終端處于在多個小區跳變的場景，室內外相互共享下行解析的信息，增大下行捕獲的概率，從而提高定位的效率。

4 結論

本文設計的基于5G無線定位系統的標準時間同步系統設計，在原有的定位設備上，增加了GNSS的接收模塊，給本地晶振提供一個高精度的時鐘源，通過DSP從基帶數據中估算出頻率偏差，引入時延補償機制，以修正無線傳播多路徑造成的時延偏差，提高授時精度。衛星導航技術與無線定位技術相結合，發揮各自的優長，則既可以提供較好的精度和響應速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現無縫的、精確的定位。引入NTP模塊，通過5G移動通信模塊實現遠程移動式的與NTP服務器進行時間同步，可在任意時間地點與NTP服務器進行同步，具有便攜、低成本的特點。

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