CN113099527B - 基于定时消息交换的5g无线边缘绝对时间同步方法 - Google Patents

基于定时消息交换的5g无线边缘绝对时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，目的是提供一种5G无线边缘设备的绝对时间同步方法，确保传感器、执行器等各种工业设备间的同步协作。技术方案是以基站为主时钟源，小区中的设备为从时钟，依托5G网络的随机接入过程完成定时消息交换；为减少由中断延迟引起的同步误差，选取中断延迟最小的一组时间戳；以时间提前量计算传播时延，并根据时间戳间的关系计算终端本地时钟的相对频偏和相偏；采用FPGA或压控振荡器补偿终端本地时钟，完成无线终端的绝对时间同步。本发明全面考虑时钟的频偏和相偏问题，利用5G现有机制交换时间信息，并设计了相应的定时消息帧结构，同步精度高，通信开销和计算复杂度低。

Description

基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法。适合音视频制作/共享、运动控制***、无人机群编队和智能工厂等需要不同类型设备同步协作的工业应用领域。
背景技术
随着万物互联时代的到来，工业物联网(IIoT)推动众多工业应用向数字化和智能化转变，其愿景是快速可靠地连接人和工业设备，实现不同类型设备的同步协作。为此，工业物联网需要从尽力而为的通信向确定性通信过渡，要求网络中的所有设备共享统一的时间基准，即实现绝对时间同步。
最简单高效的时间同步方法是利用GNSS进行授时，其精度可达2ns。但卫星信号微弱，授时功能容易受天气、遮蔽物等因素影响，且接收机需要在固定位置长时间观测卫星信号才能实现高精度的授时。为保证在各种环境和场景下的高精度时间同步，作为卫星授时的补充，现已提出基于网络的时间同步技术，主要思想是在终端之间的通信网络交换时间信息，估计并补偿各个时钟间的相偏和频偏。
相比理想的有线信道，无线信道的不确定性以及多径效应、多普勒效应等会大大增加时间同步的难度，因此有线网络和无线网络中的时间同步技术存在较大差异。在有线网络中，时间同步技术主要有网络时间协议(NTP)、精确时间协议(IEEE 1588v2)和AS6802协议。其中，NTP是针对分组交换网络的一种时间同步技术，以时间标准时间(UTC)为参考时间，利用用户数据包协议(UDP)交换定时消息，可以实现毫秒级的同步精度，但是NTP协议将时间戳标记在应用层，容易受链路延迟和抖动的影响；IEEE 1588v2协议以以太网为基础，在原有网络上进行同步报文的交互并补偿网络延迟，能够实现亚微秒级的同步精度，其时间戳标记在物理层和MAC层之间，能在一定程度上减轻链路抖动的影响，但需要专门的硬件支持。NTP和IEEE 1588v2都是有主时钟源的集中式时间同步协议，而AS6802协议是一种可容错的分布式时间同步协议，能够显著增强以太网数据传输的时间确定性。
针对无线网络，研究者已提出单向消息交互、双向消息交换和接收者-接收者同步三种同步机制。单向消息交互机制指参考节点将定时信息广播至周围的侦听节点，侦听节点记录消息到达时间(ToA)并估计参考节点的时钟参数，但无法区分时钟相偏和消息延迟，同步精度不足。双向消息交换机制指节点通过与参考节点交换时间信息进行时钟频偏和相偏估计，但由于随机消息延迟未知，所需同步开销较大。接收者-接收者同步指从参考节点接收到定时消息的两个节点进行消息交换已实现彼此的同步，尽管该机制可以完成排除发送方对同步影响，但计算复杂度较高，同步开销大。
作为有效的工业无线通信解决方案，5G网络同样需要集成时间同步功能，确保传感器、执行器等各种工业设备间的同步协作。在5G无线边缘端，终端(UE)与基站(gNB)之间存在着紧密的PHY同步，以实现稳定的通信，下行链路通过小区搜索过程完成时隙同步，上行链路定义时间提前量(TA)保证正交性。但是，为了满足IIoT的要求，5G需要设计新颖的无线接入方案以满足延迟和可靠性要求，并实现绝对时间同步。针对5G网络，目前已提出两种绝对时间同步方法，第一种为基于SIB9的预测时间同步，但SIB9只有10ms的分辨率，定时精度不足；第二种为基于带时间戳的参考信号单向交换同步方法，尽管采用底层参考信号可以避免调度延迟和重传对同步性能的影响，但未考虑时钟频偏，需要频繁执行同步算法，占用通信资源。
综上所述，现有的时间同步方法至少存在如下技术问题：
1.由于有线网络的限制，基于有线网络的时间同步技术难以满足新兴工业应用对网络灵活性和扩展性的要求。
2.现有基于无线网络的时间同步技术易受无线信道不确定性的影响，定时精度不足，且大部分算法复杂度高，所需通信开销大。
实际上，5G网络具有单独的终端接入设计和信令，充分利用5G现有机制交换时间信息可以显著降低通信开销和计算复杂度，是一种实现高精度绝对时间同步的有效手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种5G无线边缘设备的绝对时间同步方法，弥补现有时间同步方法通信开销大、计算复杂度高和精度不足的缺点。所提方法将时间信息交换集成到随机接入过程中，并设计了定时消息帧结构，能够联合估计并补偿5G终端的时钟频偏和相偏，同步精度高，所需通信开销小，且保证了终端设备入网即同步。
本发明利用5G现有的终端接入机制和信令完成定时消息交换，从而在5G无线边缘实现高精度低复杂度的绝对时间同步。
技术方案是：假设所有基站已通过承载网与核心网取得同步，所有入网终端需要按照场景需求与所在小区基站实现时间同步。因此以基站为主时钟源，小区中的设备为从时钟，首先建立本地时钟模型和相对时钟模型，依托5G随机接入过程完成定时消息交换，然后终端选取最优时间戳，计算本地时钟的相对频偏和相偏，最后终端根据估计值补偿本地时钟，完成无线终端的绝对时间同步。
本发明具体技术方案包括以下步骤：
第一步：假设基站和N个终端都配有本地硬件时钟，本地时钟模型为
Ci(t)＝αit+βi, i＝0、1、2……N，
其中，t表示世界协调时，αi表示基站和终端相对于世界协调时的时钟频偏，βi表示基站和终端相对于世界协调时的时钟相偏，当i＝0时，C0(t)表示基站的本地时钟；由于计算不出本地时钟的真实频偏和相偏，因此根据C0(t)和Ci(t)的关系得到
Ci *(t)＝αi0Ci(t)+βi0, i＝1、2……N，
其中，αi0＝α0/αi，βi0＝β0-αi0βi分别是无线终端相对于基站的时钟频偏和相偏；本发明的目的是计算相对时钟频偏和相偏(αi0,βi0)，并补偿终端的本地时钟，使其和基站同步；
第二步：终端在获得小区标识，完成下行同步后，选择合适的物理随机接入信道向基站发送随机接入前导Msg1；当终端检测到Msg1的时间参考点时，即每个前导末尾，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000031
其中M为前导序列的重复次数，m为时间戳组号；
第三步：基站接收随机接入前导Msg1；当基站检测到Msg1的时间参考点时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000032
然后基站计算时间提前量TA；
第四步：基站向终端发送随机接入响应Msg2；在Msg2的帧头之后添加M个帧起始定界符SFD，并将每个SFD末尾作为时间参考点，当基站检测到Msg2的时间参考点时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000033
同时将本地储存的时间戳组
Figure BDA0003036907670000034
嵌入到Msg2中；
第五步：终端在检测窗口期间接收Msg2；当终端检测到Msg2的时间参考点，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000035
同时解调Msg2中包含的TA值和时间戳组
Figure BDA0003036907670000036
最终，终端获得时间戳组
Figure BDA0003036907670000037
若终端在检测窗口期间未收到Msg2，则意味着此次随机接入过程失败，终端将丢弃存储的时间戳组并在下一次随机接入过程中重新记录；
第六步：终端选取最优时间戳：由于终端处理能力有限，存在不确定的中断延迟，为了减少由中断延迟引起的误差，从M组时间戳中选择中断延迟最小的一组，利用式(1)获得：
Figure BDA0003036907670000038
Figure BDA0003036907670000039
Figure BDA0003036907670000041
其中，
Figure BDA0003036907670000042
分别是终端记录的Msg1发送时间、基站记录的Msg1接收时间、基站记录的Msg2发送时间和终端记录的Msg2接收时间，
Figure BDA0003036907670000043
表示中断延迟最小的时间戳组组号；
第七步：计算终端本地时钟的相对频偏和相偏：终端根据TA值和中断延迟最小的一组时间戳
Figure BDA0003036907670000044
得到方程(2)、(3)
Figure BDA0003036907670000045
Figure BDA0003036907670000046
其中，Ci、αi、βi，i＝1,2,3…分别是终端本地时钟以及终端相对于世界协调时的时钟频偏和相偏，C0、α0、β0分别是基站本地时钟以及基站相对于世界协调时的时钟频偏和相偏，td为UE根据TA计算出的消息延迟，具体计算方法如式(4)
td＝16*κ*Tc*TA (4)
其中κ是一个常数，TA为时间提前量，是0和1228之间的整数，
Figure BDA0003036907670000047
为NR的基本时间单元，f是子载波间隔，Nf是IFFT块大小；
联立方程(2)和(3)，得到
Figure BDA0003036907670000048
其中，
Figure BDA0003036907670000049
为中断延迟最小的一组时间戳，αi0、βi0分别是无线终端相对于基站的时钟频偏和相偏，td为定时消息延迟；
求解方程得到相对时钟频偏和相偏的估计值
Figure BDA00030369076700000410
其中，
Figure BDA00030369076700000411
为中断延迟最小的一组时间戳，td为定时消息延迟，αi0、βi0为最终求得的终端相对于基站的时钟频偏和相偏；
第八步：根据第七步的估计值补偿终端本地时钟，补偿方式可采用FPGA或压控振荡器实现。
进一步的，整个同步过程设计了相应的定时消息帧结构，在Msg1中以每个Preamble末尾为时间参考点，在Msg2的帧头和保留比特R之间添加M个帧起始定界符SFD以及C0(t2)、C0(t3)字符，并以每个SFD末尾作为时间参考点。
进一步的，常数κ＝64，子载波间隔f＝480kHz，IFFT块大小Nf＝4096，或者f＝240kHz,Nf＝4096、f＝120kHz,Nf＝2048、f＝15kHz,Nf＝2048。
进一步的，前导重复次数M的取值可以为1,2,4,6,12。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明引入逻辑时钟模型，由时间提前量估计消息延迟，实现5G无线终端本地时钟的频偏和相偏联合估计，同步精度高，计算复杂度低。
2.本发明将定时消息交换集成到5G现有的随机接入过程中，并设计了相应的定时消息帧结构，所需的同步开销极小。
3.本发明将同步过程放在终端初始接入中，保证了终端入网即同步。
附图说明
图1是本发明的总体流程图；
图2是5G随机接入过程示意图(左图为基于竞争的随机接入方式，右图为基于非竞争的随机接入方式)；
图3是本发明的定时消息交换过程；
图4是定时消息Msg1的帧结构；
图5是定时消息Msg2的帧结构；
图6是所提方法与混合时间同步方案、TAP方案的相对时钟频偏估计性能对比图；
图7是所提方法与混合时间同步方案、TAP方案的相对时钟相偏估计性能对比图；
图8是当终端距离基站一百米时，所提方法与混合时间同步方案、TAP方案的绝对定时误差对比图；
图9是所提方法受中断影响的同步性能与前导重复次数的关系图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的总体流程图。本实施以前导重复次数M＝12，无线终端采用基于竞争的随机接入方式(图2左)为例详细说明具体过程。
第一步，考虑图3所示的终端UE和基站gNB本地时钟Ci(t),C0(t)，其中，gNB、UE的本地时钟频偏和相偏分别在α∈(0.99,1.01)和β∈(-10,10)ms范围内均匀分布。
第二步，UE向gNB发送随机接入前导Msg1：Msg1的帧结构如图4所示，当UE检测到Msg1中的每个前导Preamble末尾时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000061
第三步，gNB接收随机接入前导Msg1：当gNB检测到Msg1中的每个前导Preamble末尾时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000067
然后gNB计算时间提前量TA；
第四步，gNB向UE发送随机接入响应Msg2：Msg2的帧结构如图5所示，将帧起始定界符SFD和第二步记录的本地时间戳
Figure BDA0003036907670000062
添加到原有Msg2的帧头之后，并以每一个SFD末尾作为时间参考点；当gNB检测到Msg2中的每个SFD末尾，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000063
同时将时间戳
Figure BDA0003036907670000064
嵌入到C0(t2)字符和保留比特R之间；
第五步，UE在检测窗口期间接收Msg2，当UE检测到Msg2中的每个SFD末尾，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure BDA0003036907670000065
同时解调Msg2中包含的TA值和时间戳组
Figure BDA0003036907670000066
第六步，根据公式(1)选择UE中断延迟最小的一组时间戳；
第七步，根据公式(4)计算出消息延迟td后，再根据公式(6)计算出UE相对于gNB的时钟频偏和相偏。图3说明了时间戳组{Ci(t1)、C0(t2)、C0(t3)、Ci(t4)}的具体关系；
第八步，根据第六步的估计值补偿终端本地时钟，补偿方式可采用FPGA或压控振荡器实现。
将本方法与基于统计信号处理的混合同步方法、基于物理层信号的空口定时方法TAP进行仿真对比，使用均方误差MSE来表示同步性能，验证本方法的有效性。
从图6可以发现，所提方法的相对频偏估计MSE最低。TAP方案完全没有考虑时钟频偏，其MSE最高；混合时间同步方案没有研究定时消息的生成和传输过程，而是通过多次收发定时消息来估计固定时延和随时延迟，其MSE比所提方法高约40dB。另外，由于TA的离散性与子载波间隔、IFFT块大小相关，因此图中比较了5G***常用的四种不同子载波间隔和IFFT块组合。可以发现，随着距离增加，所提方法的相对频偏估计MSE逐渐增加，但在TA的边界处MSE减小。原因是基于TA估计的定时信号延迟在TA边界处更准确，子载波间隔和IFFT块越大，TA离散性越小，即使定时信号延迟出现在两个相邻TA值的中间，估计性能也不会有太大波动。
从图7可以发现，TAP方案的相对相偏估计性能最好，其次是所提方法和混合时间同步方案。分析原因，TAP方法仅估计当前时刻的本地时钟相对相偏，因此不受相对频偏的影响，其MSE最低。虽然所提方法的MSE比TAP方法高，但该方法的优点在于本地时钟相对频偏和初始相偏的联合估计。混合时间同步方案主要受定时消息随机延迟的影响，其MSE比所提方法高约40dB。同样地，子载波间隔和IFFT块越大，TA离散性越小，所提方法的估计性能越好。
如图8所示，零时刻表示本地时钟完成参数估计和补偿。可以发现，所提方法和混合时间同步方案考虑了时钟相对频偏，其定时误差基本保持不变，所提方法的同步精度能够达到微秒级，混合时间同步方案仅达到毫秒级。TAP方案虽然在零时刻具有最小的定时误差，但随着时间的推移，定时误差逐渐增加。大约在0.002秒时，其定时误差超过所提方法；在0.328秒时，其定时误差超过混合时间同步方案。
如图9所示，将前导长度设置为66.7ms，gNB没有中断延迟，UE的中断延迟∈通常在(0,5)μs范围内均匀分布，但有时高达30μs。可以看出，随着前导重复次数增加，相对频偏和相偏估计的MSE减小。当前导重复次数为12时，其MSE比与仅有一个前导码的情况高出约1dB。另外，可以发现，重复2次前导的性能比一次前导码更差，这表明重复2次前导不能完全避免中断延迟对同步性能的影响。
本发明针对5G无线边缘提供了一种基于定时消息交换的绝对时间同步方法，依托5G网络的随机接入过程完成定时消息交换，设计相应的定时消息帧结构，根据时间提前量(TA)估计传播时延，能够联合估计并补偿本地时钟的相偏和频偏，保证了所有入网终端的绝对时间同步，具有同步精度高、通信开销小和计算复杂度低的优点。本发明能够为5G网络提供绝对时间同步功能，可以应用在音视频制作/共享、运动控制***、无人机群编队和智能工厂等需要不同类型设备同步协作的新兴工业领域。

Claims (7)

1.一种基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：基站和N个终端都配有本地硬件时钟，本地时钟模型为
Ci(t)＝αit+βi,i＝0、1、2……N，
其中，t表示世界协调时，Ci(t)、αi、βi，i＝1,2,3…分别是终端本地时钟以及终端相对于世界协调时的时钟频偏和相偏，C0(t)、α0、β0分别是基站本地时钟以及基站相对于世界协调时的时钟频偏和相偏；由于计算不出本地时钟的真实频偏和相偏，因此根据C0(t)和Ci(t)的关系得到
Ci *(t)＝αi0Ci(t)+βi0,i＝1、2……N，
其中，αi0＝α0/αi，βi0＝β0-αi0βi分别是无线终端相对于基站的时钟频偏和相偏；
第二步：终端UE在获得小区标识，完成下行同步后，选择合适的物理随机接入信道向基站gNB发送随机接入前导Msg1；当UE检测到Msg1的时间参考点时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure FDA0003433996650000011
其中M为前导序列的重复次数，m为时间戳组组号；
第三步：gNB接收随机接入前导Msg1；当gNB检测到Msg1的时间参考点时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure FDA0003433996650000012
然后gNB计算时间提前量TA；
第四步：gNB向UE发送随机接入响应Msg2；当gNB检测到Msg2的时间参考点时，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure FDA0003433996650000013
同时将本地储存的时间戳组
Figure FDA0003433996650000014
嵌入到Msg2中；
第五步：UE在检测窗口期间接收Msg2；当UE检测到Msg2的时间参考点，无线电芯片触发中断并记录本地时间戳
Figure FDA0003433996650000015
同时解调Msg2中包含的TA值和时间戳组
Figure FDA0003433996650000016
最终UE获得时间戳组
Figure FDA0003433996650000017
若UE在检测窗口期间未收到Msg2，则意味着此次随机接入过程失败，UE将丢弃存储的时间戳组并在下一次随机接入过程中重新记录；
第六步：终端选取最优时间戳；由于终端处理能力有限，存在不确定的中断延迟，为了减少由中断延迟引起的误差，从M组时间戳中选择中断延迟最小的一组，利用式(1)获得：
Figure FDA0003433996650000018
其中，
Figure FDA0003433996650000019
分别是终端记录的Msg1发送时间、基站记录的Msg1接收时间、基站记录的Msg2发送时间和终端记录的Msg2接收时间，
Figure FDA0003433996650000021
表示中断延迟最小的时间戳组组号；
第七步：计算终端本地时钟的相对频偏和相偏：终端根据TA值和中断延迟最小的一组时间戳
Figure FDA0003433996650000022
得到方程(2)、(3)
Figure FDA0003433996650000023
Figure FDA0003433996650000024
其中，td为UE根据TA计算出的消息延迟，具体计算方法如式(4)
td＝16*κ*Tc*TA (4)
其中κ是一个常数，TA为时间提前量，是0和1228之间的整数，
Figure FDA0003433996650000025
为NR的基本时间单元，f是子载波间隔，Nf是IFFT块大小；
联立方程(2)和(3)，得到
Figure FDA0003433996650000026
其中，
Figure FDA0003433996650000027
为中断延迟最小的一组时间戳，αi0、βi0分别是无线终端相对于基站的时钟频偏和相偏，td为定时消息延迟；
求解方程得到相对时钟频偏和相偏的估计值
Figure FDA0003433996650000028
第八步：根据第六步的估计值补偿终端本地时钟，补偿方式采用FPGA实现。
2.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于依托5G网络的随机接入过程完成定时消息交换。
3.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于根据整个同步过程设计了相应的定时消息帧结构，在Msg1中以每个Preamble末尾为时间参考点，在Msg2的帧头和保留比特R之间添加M个帧起始定界符SFD以及C0(t2)、C0(t3)字符，并以每个SFD末尾作为时间参考点。
4.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于基站、终端的时钟频偏和相偏分别在α∈(0.99,1.01)和β∈(-10,10)ms范围内均匀分布。
5.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于常数κ＝64，子载波间隔f＝480kHz，IFFT块大小Nf＝4096，或者f＝240kHz,Nf＝4096、f＝120kHz,Nf＝2048、f＝15kHz,Nf＝2048。
6.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于前导重复次数M的取值可以为1,2,4,6,12。
7.如权利要求1所述的基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法，其特征在于补偿方式可以采用压控振荡器实现。
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