基于5G定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間同步系統(tǒng)設(shè)計

單風(fēng)云

摘要：傳統(tǒng)的被動式定位，時鐘同步采用空口同步技術(shù)，這樣在小區(qū)信號覆蓋不好或者同頻干擾嚴(yán)重的地方，同步性能急劇惡化，導(dǎo)致定位效率大大降低?；?G的無線定位時間同步系統(tǒng)，為了克服上述場景的缺陷，將空口同步技術(shù)與GNSS授時技術(shù)相結(jié)合，借助無線通信模塊，將室內(nèi)定位系統(tǒng)與室外定位系統(tǒng)同步組網(wǎng)，協(xié)同定位，提升了在復(fù)雜場景的定位效率。

關(guān)鍵詞： 無線定位; 同步; 衛(wèi)星授時; 無線數(shù)傳

中圖分類號：TN929.531? ? ? ? 文獻標(biāo)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、商場、圖書館、地下停車場、礦井、火災(zāi)等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。從1G到4G都有定位技術(shù)，但是現(xiàn)有的通信網(wǎng)設(shè)計原則、網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(zhì)上無法提供亞米級室內(nèi)定位的能力。為了適應(yīng)高精度室內(nèi)定位的需求，5G是首次將定位服務(wù)作為設(shè)計目標(biāo)之一的移動通信系統(tǒng)。5G定位系統(tǒng)將是一個包含廣域覆蓋網(wǎng)、超密集組網(wǎng)（UDN）、專有無線系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)等多種定位網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的異構(gòu)定位系統(tǒng)，因此5G高精度室內(nèi)定位技術(shù)架構(gòu)必然是一個異構(gòu)定位架構(gòu)。本文主要探討基于5G的室內(nèi)人員被動式定位系統(tǒng)場景中，通過將多種定位技術(shù)融合在一起的、全面的、系統(tǒng)的、層次化的融合定位時鐘同步系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)。

2 現(xiàn)有的時間同步方案

被動式目標(biāo)定位（passive objective positioning）是在進行目標(biāo)定位時，利用基站或者手機終端發(fā)射的信號，而不需在測量地區(qū)范圍內(nèi)自行布設(shè)偽基站，進行目標(biāo)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(biāo)的實時位置、移動軌跡、進出某區(qū)域的時間、停留時間等數(shù)據(jù)，從而為消防救援、應(yīng)急疏散、抗震救災(zāi)提供重要的信息。在歷代的移動通信系統(tǒng)中，所有的被動式定位設(shè)備，由于無法接入骨干網(wǎng)或者回程網(wǎng)，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?；赥D-LTE的授時信號從基站的空口發(fā)出，只要LTE被動式定位設(shè)備在基站無線信號覆蓋范圍內(nèi)便可獲得LTE的授時信號。被動式定位設(shè)備在和基站同步過程中，首先完成幀邊界的同步，然后解調(diào)物理廣播信道的信息，找出第1個無線幀，恢復(fù)出1-PPS信號，并從基站得到發(fā)射提前量參數(shù)，利用該參數(shù)補償信道傳輸?shù)臅r延，從而完成精確的時間同步過程。其他無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

3.1 傳統(tǒng)被動式定位系統(tǒng)時鐘設(shè)計

在傳統(tǒng)的被動式定位系統(tǒng)設(shè)計中，室外定位設(shè)備與室內(nèi)定位設(shè)備獨立作業(yè)，互不共享信息。被動式定位設(shè)備，既不需要和基站、終端進行信息交互，也不需要解析業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)，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(shè)備，平均作業(yè)時間短，頻率低，時鐘頻率漂移對定位系統(tǒng)影響不大。傳統(tǒng)的時鐘同步設(shè)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，F(xiàn)PGA采集空口的基帶數(shù)據(jù)，然后通過RapidIO接口傳輸給DSP，DSP利用自己的高速運算優(yōu)勢，完成相關(guān)同步算法的定點實現(xiàn)，搜索到無線幀頭位置;接著，被動式定位系統(tǒng)完成廣播消息和系統(tǒng)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(huán)境中，保持穩(wěn)定同步，在低信噪比中，同步可維持幾十個子幀的時間。傳統(tǒng)的時鐘設(shè)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(wǎng)與室內(nèi)無線網(wǎng)交匯處，或者無線信號質(zhì)量低下會出現(xiàn)由于同步跟蹤丟失，從而定位效率大大降低的情況，因此優(yōu)化時鐘設(shè)計顯得意義重大。

3.2 改進的被動式定位系統(tǒng)時鐘設(shè)計

5G信號頻率較高，衰減較大，穿透能力較差，導(dǎo)致室外宏站覆蓋距離近，室內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)時鐘偏差不超過一定范圍，如果不能保證精準(zhǔn)的時鐘同步，將導(dǎo)致嚴(yán)重的互干擾，甚至影響定位系統(tǒng)的正常工作。目前eMBB的5G網(wǎng)絡(luò)是TDD系統(tǒng)，采用時分復(fù)用技術(shù)，是嚴(yán)格的時鐘同步系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，本文提出了基于5G的室內(nèi)外定位設(shè)備切實可行的時鐘同步方案。

基于5G的被動式定位時鐘設(shè)計系統(tǒng)有如下兩點變化：一是將室外定位設(shè)備與室內(nèi)定位設(shè)備當(dāng)作一個整體來處理，協(xié)作定位。協(xié)作定位利用位置未知節(jié)點間的測量信息獲得節(jié)點間的相對位置信息，相鄰節(jié)點之間都可以相互通信并且能夠提供有效的參數(shù)，充分利用節(jié)點資源，擴大定位范圍。二是將空口同步方案與內(nèi)置GNSS同步方案有機結(jié)合。單獨采用空口同步技術(shù)，當(dāng)信號質(zhì)量比較好的時候，系統(tǒng)可以維持穩(wěn)定的同步狀態(tài)，當(dāng)信號質(zhì)量稍微惡化，或者處于小區(qū)邊界信道變化劇烈時，系統(tǒng)就會陷入同步失步的死循環(huán)中，無法正常定位。單獨采取GNSS信號授時，對于室內(nèi)覆蓋這樣的場景，由于衛(wèi)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(tǒng)就會癱瘓。因此，無線定位技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，室內(nèi)外定位設(shè)備當(dāng)作一個整體，同步信息共享既可以提供較好的精度和響應(yīng)速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。

3.2.1 空口同步技術(shù)與GNSS授時技術(shù)相結(jié)合方案

將空口同步技術(shù)與GNSS授時技術(shù)相結(jié)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(biāo)準(zhǔn)的1-pps脈沖信號，F(xiàn)PGA采集控制模塊使用本地晶振分頻100Khz的信號與標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號進行對比，從而調(diào)整100Khz以上的頻偏，同時FPGA采集控制模塊將采集的基帶數(shù)據(jù)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(nèi)的頻偏，并將頻率調(diào)整值傳遞給FPGA采集控制模塊，F(xiàn)PGA采集控制模塊將頻率粗調(diào)制或精調(diào)值傳遞給D/A轉(zhuǎn)換模塊， 最后D/A轉(zhuǎn)換模塊將得到的結(jié)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(chǎn)生的頻率漂移。

DSP基帶運算模塊，在完成小區(qū)搜索以后，可通過小區(qū)參考信號來做頻率的微調(diào)。在進行頻率調(diào)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(diào)整晶振的時間間隔方面，可結(jié)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(diào)整周期，頻率偏移值過大時，不應(yīng)一步到位，可采取最大的頻率偏移值，多次分步調(diào)整，逐漸趨近計算值。同時，當(dāng)GPS信號覆蓋較弱，時鐘抖動加大時，而無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)質(zhì)時，可通過同步信號進行頻率的粗調(diào)，接著再用參考信號進行微調(diào)?？傊?空口同步技術(shù)與GNSS授時技術(shù)相結(jié)合同步方案，在FPGA和DSP上實現(xiàn)，集成度高，系統(tǒng)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(wèi)星授時和空口同步相結(jié)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(nèi)外定位系統(tǒng)協(xié)同工作方案

室內(nèi)外定位系統(tǒng)協(xié)同工作方案是在室外定位設(shè)備與室內(nèi)定位設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，減輕不同定位設(shè)備之間由于多徑、建筑物阻擋而產(chǎn)生的無線信號差異較大的影響，使得室內(nèi)外定位設(shè)備即使在其中一個設(shè)備信號很弱甚至丟失的條件下，也可實現(xiàn)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(nèi)定位設(shè)備與室外定位設(shè)備，同時引入GNSS信號。系統(tǒng)中室內(nèi)外定位設(shè)備均各自獨立地接收GPS衛(wèi)星信號， 提取出定時時刻基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)信號;另外，室內(nèi)外定位設(shè)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(shè)備引入網(wǎng)口，通過以太網(wǎng)接口與NTP服務(wù)器對接，完成UTC時間同步。最后，室內(nèi)外定位設(shè)備通過藍牙，數(shù)傳，移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)三種模式進行無線組網(wǎng)。室內(nèi)外定位系統(tǒng)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(shè)備而言，對于同一個基站的所有小區(qū)，選擇信號質(zhì)量最優(yōu)的小區(qū)，然后參照GNSS的信號對晶振進行調(diào)整。對于信號質(zhì)量較差或者信號劇烈跳變的小區(qū)，僅僅依賴空口信號維持同步，信息量不夠。可記錄每一個GPS測量時刻，各個小區(qū)的傳輸幀頭位置，并統(tǒng)計出每個頻點的鄰小區(qū)與主小區(qū)的同步點偏差，在信號質(zhì)量較好的時候，統(tǒng)計同一個基站的每個小區(qū)的同步點變化規(guī)律，當(dāng)小區(qū)信號惡化時，可以根據(jù)推算的模型，智能估算出同步點調(diào)整幅度，從而保持較長時間的下行同步。

其二：對于室內(nèi)外組成的一體化網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)定位設(shè)備GNSS信號較弱，室內(nèi)覆蓋較室外覆蓋，一般弱化很多。鑒于此，室內(nèi)定位設(shè)備為了保持較高的定位效率，室外定位設(shè)備可將GPS的接收時刻某個小區(qū)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(nèi)設(shè)備，室內(nèi)定位設(shè)備可以保存一張列表，記錄最近的所有小區(qū)的無線幀號，子幀號及其同步點。當(dāng)接收到室外設(shè)備的信息時，從小區(qū)信息記錄表中查找相同小區(qū)，相同的無線幀號的同步點，并經(jīng)過訓(xùn)練算法，得出室內(nèi)小區(qū)相對于室外相同小區(qū)的變化曲線，后期，室內(nèi)小區(qū)惡化時，可參考室外小區(qū)進行同步點調(diào)整。

2）NTP網(wǎng)絡(luò)時間模塊引入

由于定位設(shè)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(tǒng)長時間運行，需要記錄各種日志，記錄定位系統(tǒng)各部件的運行情況，通過它可以檢查錯誤發(fā)生的原因，復(fù)原現(xiàn)場，從而輔助開發(fā)者解決系統(tǒng)問題。室外定位設(shè)備可以通過GNSS或者精度較高的NTP的服務(wù)器，獲取UTC時間，同時也作為NTP服務(wù)器，為室內(nèi)定位設(shè)備授時。

GNSS BDS/GPS雙模接收機接收衛(wèi)星信號并輸出NMEA0183協(xié)議語句和秒脈沖（PPS）信號，F(xiàn)PGA模塊利用衛(wèi)星輸出的秒脈沖信號提取定時時刻的基準(zhǔn)， 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(zhǔn)，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(wǎng)口驅(qū)動，這樣NTP的報文可以通過ARM傳遞到FPGA，F(xiàn)PGA通過網(wǎng)口與外界的以太網(wǎng)互聯(lián)。

3）室內(nèi)外定位設(shè)備組網(wǎng)特點

在室內(nèi)網(wǎng)與室外網(wǎng)相交區(qū)域，可能因為終端不停地切換小區(qū)，導(dǎo)致定位能量上報不連續(xù)。此時，可以通過室內(nèi)外定位設(shè)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(nèi)外定位設(shè)備只能通過無線通道傳遞信息，無線傳輸?shù)姆绞娇刹捎萌缦氯N：藍牙、數(shù)傳或者移動網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

設(shè)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(yán)重，無線信號衰減較快，可以采用數(shù)傳模塊;遠距離，超過了數(shù)傳的極限傳輸距離，此時可采用移動網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)流量來共享信息?？傊?，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不夠好的地方，有數(shù)傳或者藍牙進行信息的補充覆蓋。三者完美結(jié)合，互為主備。

3.2.3 優(yōu)化場景提升

室內(nèi)外定位設(shè)備共享下行小區(qū)同步的信息包括頻點、小區(qū)ID、無線幀號、子幀號、同步點的位置;上行終端導(dǎo)頻發(fā)射的同步點位置信息包括頻點、小區(qū)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(tǒng)同頻小區(qū)，室外小區(qū)A，由于GPS信號和信道質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，從而同步效果好，下行同步點穩(wěn)定。對于室內(nèi)定位設(shè)備，小區(qū)B是小區(qū)A的同頻鄰區(qū)，GPS信號較好，但是無線信道質(zhì)量較差，但是定位終端駐留在小區(qū)B上。小區(qū)B可以通過空口同步技術(shù)，在信號質(zhì)量好的一段時間內(nèi)同步上，后面同步跟蹤時，可以結(jié)合小區(qū)A的同步點變化規(guī)律粗調(diào)小區(qū)B的同步點位置，然后通過小區(qū)B的GPS秒脈沖信號和小區(qū)A的GPS秒脈沖信號的相對時間差，換算成定位系統(tǒng)的時域同步點偏差，然后精確調(diào)整小區(qū)B的同步點位置。一旦，小區(qū)B同步上了，后面就算信道質(zhì)量變化惡劣，定位系統(tǒng)也可以在半個小時以內(nèi)保持較高的同步跟蹤，從而為終端定位奠定基礎(chǔ)。

場景二：對于同頻小區(qū)，室外小區(qū)A，GPS信號和無線信道質(zhì)量優(yōu)異，定位終端在室內(nèi)，但駐留在小區(qū)A上。室內(nèi)定位設(shè)備從室外移動到室內(nèi)，由于室內(nèi)是小區(qū)A覆蓋的邊緣位置，信號強度低，所以進入室內(nèi)后，室內(nèi)定位設(shè)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(tǒng)就可以維持上行同步點的位置。室內(nèi)定位設(shè)備由于信道質(zhì)量差，無法解析基站給目標(biāo)分配的上行資源，但室外定位設(shè)備可以解析基站給目標(biāo)分配的資源。室外定位設(shè)備，通過藍牙，數(shù)傳，無線網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)發(fā)給室內(nèi)定位設(shè)備，這樣室內(nèi)定位設(shè)備就算下行解析失敗，也不影響室內(nèi)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(dǎo)頻能量時，同頻干擾的情況偶爾出現(xiàn)，對定位造成誤導(dǎo)。室內(nèi)外定位設(shè)備協(xié)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(qū)跳變的場景，室內(nèi)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(jié)論

本文設(shè)計的基于5G無線定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間同步系統(tǒng)設(shè)計，在原有的定位設(shè)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(shù)據(jù)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(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與無線定位技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)長，則既可以提供較好的精度和響應(yīng)速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。引入NTP模塊，通過5G移動通信模塊實現(xiàn)遠程移動式的與NTP服務(wù)器進行時間同步，可在任意時間地點與NTP服務(wù)器進行同步，具有便攜、低成本的特點。

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