基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。杂度低。杂度低。

【技术实现步骤摘要】
基于定时消息交换的5G无线边缘绝对时间同步方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，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、运动控制系统、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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]综上所述，现有的时间同步方法至少存在如下技术问题：
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。

技术实现思路

[0011]本专利技术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。
[0012]本专利技术利用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。
[0013]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。
[0014]本专利技术具体技术方案包括以下步骤：
[0015]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
[0016]C
i
(t)＝α
i
t+β
i
,
ꢀꢀ
i＝0、1、2
……
N，
[0017]其中，t表示世界协调时，α
i
表示基站和终端相对于世界协调时的时钟频偏，β
i
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C
i
(t)的关系得到
[0018]C
i*
(t)＝α
i0
C
i
(t)+β
i0
,
ꢀꢀ
i＝1、2
……
N，
[0019]其中，α
i0
＝α0/α
i
，β
i0
＝β0‑
α
i0
β
i
分别是无线终端相对于基站的时钟频偏和相偏；本专利技术的目的是计算相对时钟频偏和相偏(α
i0
,β
i0
)，并补偿终端的本地时钟，使其和基站同步；
[0020]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其中M为前导序列的重复次数，m为时间戳组号；
[0021]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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C
i
(t)＝α
i
t+β
i
,i＝0、1、2
……
N，其中，t表示世界协调时，α
i
表示基站和终端相对于世界协调时的时钟频偏，β
i
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C
i
(t)的关系得到C
i*
(t)＝α
i0
C
i
(t)+β
i0
,i＝1、2
……
N，其中，α
i0
＝α0/α
i
，β
i0
＝β0‑
α
i0
β
i
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(α
i0
,β
i0
)，并补偿终端的本地时钟，使其和基站同步；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同时将本地储存的时间戳组嵌入到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同时解调Msg2中包含的TA值和时间戳组最终UE获得时间戳组若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：其中，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，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得到方程(2)、(3)
其中，C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，柴子超，雷菁，朱锦锟，赵塑盾，李茂，范瑞杰，王源鑫，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：