ES2213095T3 - Metodo para sincronizar nodos terrestres equipados con receptores gnss y pertenecientes a una red terrestre. - Google Patents
Metodo para sincronizar nodos terrestres equipados con receptores gnss y pertenecientes a una red terrestre.Info
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Abstract
Método para sincronizar nodos terrestres (12,13,14) de una red terrestre, comprendiendo dicho método las operaciones de: - seleccionar nodos terrestres (12,13,14) que hayan de ser sincronizados con una referencia de tiempo común, formando dichos nodos terrestres (12,13,14) una zona de sincronización; - determinar un ángulo sólido de visión libre del cielo compartido por dichos nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14); - recibir, en dichos nodos terrestres seleccionados (12,13,14) una primera referencia de tiempo (RTR), denominada en este caso referencia de tiempo aproximada, desde un satélite (11) de un sistema global de navegación por satélite visto por dichos nodos terrestres (12, 13, 14) en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo; - ajustar una referencia de tiempo interna en cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados (12,13,14) a dicha referencia de tiempo aproximada; - calcular una fecha de sincronización común (CSD) para todos los nodos terrestres seleccionados (12,13,14) con el fin de recibir una secuencia predefinida (Seq) enviada por dicho satélite (11) o por otro satélite visto por dichos nodos terrestres en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo; - determinar, en cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados, una diferencia de tiempo (Tdiff) entre el momento de recepción de dicha secuencia predefinida (Seq) indicado por la referencia de tiempo interna del nodo respectivo y dicha fecha de sincronización común (CSD); - sintonizar con precisión la referencia de tiempo interna de cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados (12,13,14), teniendo en cuenta dicha diferencia de tiempo (Tdiff).
Description
Método para sincronizar nodos terrestres
equipados con receptores GNSS y pertenecientes a una red
terrestre.
El presente invento se refiere a redes de
radiocomunicaciones y, en particular, a un método para sincronizar
nodos terrestres equipados con receptores GNSS (sistema global de
navegación por satélite) y que pertenecen a una red terrestre.
En las redes terrestres, especialmente en las
redes de radiocomunicaciones, la sincronización de los diferentes
elementos que pertenecen a la red (es decir, estaciones base,
estaciones móviles) tiene una importancia crucial para conseguir
que la red trabaje en forma apropiada. Los métodos conocidos para
sincronización de una red de radiocomunicaciones consisten en que
los nodos terrestres de la red se comuniquen para sincronizarse.
Este clase de auto-sincronización de una red está
sometida a variaciones de la calidad del enlace por radio. Además,
la distancia entre los nodos de la red debe conocerse con gran
precisión con el fin de poder deducir el retardo de transmisión
entre los nodos de la red y obtener una buena precisión de la
sincronización.
Puede conseguirse una sincronización más precisa
si los nodos de la red están equipados, además, con receptores GNSS.
Un sistema GNSS permite sincronizar un terminal terrestre con una
referencia de tiempo común compartida por los satélites de la
constelación GNSS. Para conseguir una sincronización apropiada, las
señales GNSS emitidas por tres satélites diferentes de la
constelación GNSS han de ser recibidas simultáneamente en el
terminal terrestre equipado con el receptor GNSS. Entonces, una
funcionalidad usual de un receptor GNSS consiste en correlacionar
estas 3 señales GNSS para estimar la hora local.
Sin embargo, este procedimiento de adquisición de
la referencia de tiempo es largo (tarda aproximadamente 1 minuto),
especialmente en zonas urbanas en las que el ángulo libre del cielo
visto por la estación terrestre es reducido. Entonces, con
frecuencia se tarda tiempo en obtener una configuración en la que
puedan verse 3 satélites en este estrecho ángulo de cielo.
Además, la precisión de la hora local estimada
está limitada por la exactitud de la referencia de tiempo emitida
por el satélite (por ejemplo, 10-4 s).
Un objeto particular del presente invento es
proporcionar un método para sincronizar terminales terrestres
equipados con un receptor GNSS y que pertenecen a una red
terrestre, más deprisa y con mayor precisión que con los métodos
conocidos de la técnica anterior.
Otro objeto del invento es proporcionar un nodo
terrestre destinado a poner en práctica tal método de
sincronización.
Estos objetos y otros que aparecen en lo que
sigue, se alcanzan mediante un método para sincronizar nodos
terrestres que pertenecen a una red terrestre y que comprenden
medios para recibir información procedente de un satélite que
pertenece a un sistema global de navegación por satélite de acuerdo
con la reivindicación 1 y un nodo terrestre correspondiente de
acuerdo con la reivindicación 8.
De acuerdo con el presente invento, en la red
terrestre se definen zonas de sincronización que comprenden nodos
terrestres que han de ser sincronizados. Luego, en un primer paso,
todos los nodos terrestres situados en la zona de sincronización
seleccionada adquieren una referencia de tiempo (señal GNSS)
enviada por un satélite posicionado, en ese momento, en el ángulo
sólido libre de visión del cielo compartido por todos los nodos
terrestres.
En un segundo paso, la red terrestre determina
una fecha de sincronización común y se la indica a los nodos
terrestres que han de ser sincronizados. Cuando llega esta fecha de
sincronización común, todos los nodos terrestres de la zona de
sincronización seleccionada adquieren una secuencia predefinida
enviada por un satélite. El error de sincronización residual que
queda tras la adquisición de la referencia de tiempo aproximada es
compensado después de la adquisición de la secuencia predefinida
por todos los nodos terrestres. La precisión de la referencia de
tiempo es, en este caso, igual a la precisión con que la secuencia
de tiempo predefinida es repetida en el sistema global de navegación
por satélite.
El método de acuerdo con el presente invento
ofrece la ventaja de requerir la presencia de solamente un satélite
en el ángulo de visión libre del cielo compartido por todos los
nodos terrestres que han de sincronizarse. En consecuencia, se
reduce el retardo para que todos los nodos terrestres queden
sincronizados.
Otra ventaja la constituye el hecho de que la
cooperación del sistema GNSS con la red terrestre en el
procedimiento de sincronización permite una mayor precisión de la
sincronización.
En otra realización del presente invento, este
método de sincronización se utiliza como método para determinar la
posición de una estación móvil en una red de radiocomunicaciones,
cuando esta estación móvil está equipada, también, con un receptor
GNSS.
Otras características ventajosas del invento se
definen en las reivindicaciones subordinadas.
Otras características y ventajas del invento se
pondrán de manifiesto a partir de la lectura de la siguiente
descripción de una realización preferida, dada a modo de
ilustración no limitativa, y a partir de los dibujos anejos, en los
que:
- las Figuras 1a, 1b muestran un sistema
simplificado que comprende un satélite que pertenece a un sistema
GNSS y nodos terrestres que pertenecen a una red terrestre, en el
que puede utilizarse el método de acuerdo con el presente
invento;
- la Figura 2 ilustra un diagrama de flujo que
describe las operaciones del método de acuerdo con el presente
invento;
- la Figura 3 representa una realización
preferida para el uso del método de acuerdo con el presente
invento;
- la Figura 4 muestra un sistema en el que el
método de acuerdo con el presente invento puede utilizarse con
fines de localización.
La Figura 1a muestra un sistema simplificado que
comprende un satélite 11 perteneciente a un sistema GNSS y nodos
terrestres 12, 13, 14 pertenecientes a una red terrestre, en el que
puede utilizarse el método de sincronización de acuerdo con el
presente invento.
En el marco del presente invento, la expresión
"sistema GNSS" se refiere a cualquier constelación de satélites
dedicada a emitir información de referencia de tiempo y una
secuencia de datos predefinida. Un sistema GNSS de esta clase puede
estar constituido por satélites pertenecientes a un sistema GPS,
aunque cualquier sistema de constelación de satélites, como
Galileo, también puede adaptarse para aplicar el método de acuerdo
con el presente invento.
El satélite 11 está comprendido en el ángulo de
visión libre del cielo compartido por los nodos terrestres 12, 13,
14 (es decir, no existen obstáculos entre el satélite 11 y los
nodos terrestres 12, 13, 14 que ofrecen la recepción de la
información enviada por el satélite 11).
Los nodos terrestres 12, 13, 14 comprenden una
parte receptora GNSS y una parte de red terrestre. Debe preverse una
interfaz entre la parte receptora GNSS para enviar información
desde ella a la parte de red terrestre.
La parte receptora GNSS comprende la
funcionalidad receptora GNSS usual como un módulo de adquisición de
referencia de tiempo para detectar una referencia de tiempo,
denominada en este caso referencia de tiempo aproximada RTR, enviada
por el satélite de la constelación (Fig. 1b). La referencia de
tiempo aproximada RTR es, preferiblemente, una indicación de tiempo
absoluta. Además, la parte receptora GNSS comprende un módulo de
adquisición de secuencia predefinida para detectar una secuencia
predefinida, Seq, emitida por el satélite a intervalos de tiempo
regulares T-intervalo.
La parte de red terrestre comprende la
funcionalidad usual de una red terrestre. De preferencia, la red
terrestre comprende un nodo central maestro que controla los
distintos nodos terrestres 12, 13, 14.
Los nodos terrestres 12, 13, 14 comprenden,
también, un reloj interno que puede ser compartido por la parte
receptora GNSS y la parte de red terrestre. El propósito del
presente invento es proporcionar un método para evaluar la
diferencia de los relojes internos y, luego, sincronizar los relojes
internos de los nodos terrestres 12, 13, 14.
La Figura 2 muestra un diagrama de flujo que
describe las operaciones 21 a 25 del método de acuerdo con el
presente invento.
En la operación 21, las partes receptoras GNSS de
los nodos terrestres 12, 13, 14 realizan una adquisición de
referencia de tiempo aproximada ajustando su referencia de tiempo
interna a la referencia de tiempo RTR emitida por un satélite 11
situado en el ángulo de visión libre del cielo compartido por todos
los nodos terrestres 12, 13, 14. Con este fin, el satélite puede
emitir, junto con la referencia de tiempo aproximada, su
identificación, de manera que los nodos terrestres 12, 13, 14
puedan comprobar si la referencia de tiempo aproximada recibida
procede del mismo satélite. Esta comprobación también puede
llevarse a cabo en el nodo central de la red terrestre si los nodos
terrestres 12, 13, 14 facilitan la información apropiada al nodo
central. La adquisición de la referencia de tiempo aproximada es un
procedimiento GNSS estándar con una precisión de
10-4 segundos, usualmente.
El reloj interno de los nodos terrestres 12, 13,
14 se ajusta a esta referencia de tiempo aproximada.
La operación 22 consiste en elegir una fecha de
sincronización común para todos los nodos terrestres 12, 13, 14.
Esta fecha de sincronización común se calcula, preferiblemente, en
el nodo central de la red terrestre y se comunica a los nodos
terrestres 12, 13, 14. La determinación de la fecha de
sincronización común tiene en cuenta el intervalo de tiempo
T-intervalo y la presencia de un satélite de la
constelación de satélites en el ángulo de visión libre del cielo
compartido por los nodos terrestres 12, 13, 14.
La operación 23 consiste en capturar, mediante la
parte receptora GNSS de los nodos terrestres 12, 13, 14, la
secuencia predefinida Seq transmitida por el satélite 11 en la
fecha de sincronización común CSD. La secuencia predefinida Seq es
un patrón único conocido en la parte receptora GNSS. Puede tratarse
del código del satélite GNSS o de una secuencia CDMA conocida.
Debido a la relativa imprecisión de la referencia de tiempo
aproximada, la fecha de sincronización común CSD no corresponde,
exactamente, al comienzo de la secuencia predefinida. El nodo
terrestre debe determinar la diferencia de tiempo Tdiff entre la
fecha de sincronización común y la recepción efectiva de la
secuencia predefinida.
La operación 24 consiste en ajustar la referencia
de tiempo interna teniendo en cuenta la diferencia de tiempo Tdiff.
El ajuste del tiempo interno consiste en sumar o restar Tdiff de la
referencia de tiempo interna, dependiendo de si la secuencia Seq
predefinida es recibida antes o después de la fecha de
sincronización común.
La adquisición de la secuencia predefinida
permite conseguir una precisión en la sincronización mejor que
10-6 segundos.
Para afinar adicionalmente la precisión de
sincronización, los nodos terrestres 12, 13, 14 pueden determinar
el ángulo de visión con el que "ven" el satélite 11 en la
fecha de sincronización común y, en consecuencia, tener en cuenta
diferentes retardos de propagación de la secuencia predefinida Seq
para los distintos nodos terrestres 12, 13, 14. La determinación
del ángulo de visión con el que un receptor GNSS "ve" un
satélite en una fecha predefinida, es una función GNSS estándar que
debe estar contenida en la parte receptora GNSS de los nodos
terrestres 12, 13, 14.
Resumiendo, se supone que la primera adquisición
de la referencia de tiempo aproximada es lo bastante exacta para
permitir a los nodos terrestres 12, 13, 14 capturar la misma
versión de la secuencia Seq predefinida y no versiones diferentes
emitidas T-intervalo segundos antes o después, lo
que daría lugar a una sincronización errónea en las operaciones 23
y 24. Luego, la sincronización precisa se obtiene ajustando la
referencia de tiempo en la adquisición de la secuencia predefinida
Seq.
Por sencillez, el método de sincronización de
acuerdo con el presente invento se describe en el caso simplificado
en que tengan que sincronizarse tres nodos terrestres 12, 13, 14. A
un experto en la técnica le resultará evidente que la presente
realización puede aplicarse, fácilmente, a cualquier número de nodos
terrestres siempre que estén situados en una zona de sincronización
de extensión apropiada. Por "extensión apropiada" debe
entenderse que el ángulo sólido de visión libre del cielo
compartido por los nodos terrestres a sincronizar en la zona de
sincronización debe ser lo bastante grande para asegurar que un
satélite perteneciente al sistema GNSS entra en este ángulo sólido
con la frecuencia suficiente para permitir la sincronización.
Diámetros típicos para el tamaño de la zona de sincronización van
desde unos 20 km en áreas despejadas hasta menos de 1 km en áreas
densamente urbanizadas.
Con el fin de sincronizar una red terrestre
mayor, deben definirse varias zonas de sincronización de la red
terrestre. Además, cada zona de sincronización es sincronizada con
independencia de las otras zonas de sincronización, ya que
solamente se proporciona la sincronización a escala de zona de
sincronización.
En una realización preferida del método de
sincronización, al menos una estación terrestre de cada zona de
sincronización pertenece a, por lo menos, dos zonas de
sincronización y mantiene tantas referencias de tiempo como número
de zonas de sincronización a las que pertenece. Esto permite
sincronizar los nodos terrestres a escala de red terrestre. De
preferencia, el contenido de las zonas de sincronización es
mantenido y controlado en el nodo central de la red terrestre.
La Figura 3 ilustra una realización preferida del
método de acuerdo con el invento. Para conseguir un retardo de
sincronización bajo y una precisión de sincronización elevada, cada
zona de sincronización comprende dos nodos terrestres y cada uno de
ellos mantiene dos referencias de tiempo. Esta realización permite
disponer del máximo ángulo sólido de visión libre del cielo ya que
es compartido por solamente dos estaciones terrestres. Como
consecuencia, se reduce el retardo de sincronización dado que un
satélite de la constelación entrará más rápidamente en el ángulo
sólido de visión libre del cielo compartido por los dos nodos
terrestres.
La red terrestre es, preferiblemente, una red de
radiocomunicaciones celular, siendo las estaciones terrestres
estaciones base de la red celular que han de sincronizarse, siendo
el nodo central, por ejemplo, un BSC disponible en cada celda de la
red.
La Figura 4 ilustra un sistema en el que puede
utilizarse el método de acuerdo con el presente invento con fines
de localización en un método para determinar la posición de una
estación móvil de una red de radiocomunicaciones.
En esta realización preferida, los nodos
terrestres a sincronizar son, al menos, tres estaciones base y un
terminal móvil de una red de radiocomunicaciones celular. El
terminal móvil, al igual que las estaciones base, están equipados
con una parte receptora GNSS.
Cuando las tres estaciones base y la estación
móvil han sido sincronizadas mediante el método de sincronización
de acuerdo con el presente invento, puede obtenerse una posición
estimada del terminal móvil empleando un método usual de
triangulación como, por ejemplo, el método TOA (tiempo de
llegada).
El método TOA proporciona buenos resultados si
los distintos nodos, es decir, las estaciones base y el terminal
móvil están perfectamente sincronizados.
Para conseguir resultados más precisos en la
localización, es posible repetir las diferentes operaciones del
método de localización varias veces. En cada repetición, la
localización corriente del terminal móvil será más exacta, por lo
que la sincronización de las tres estaciones base y el terminal
móvil será, también, más exacta y, entonces, la localización del
terminal móvil con el método TOA será, igualmente, más precisa.
El proceso de repetición puede detenerse cuando
se alcance un nivel de precisión predefinido o después de
transcurrido un tiempo predefinido, ya que el terminal móvil puede
desplazarse, lo que limitaría la precisión obtenida.
En el método de sincronización se utiliza una
posición estimada de manera aproximada de la estación móvil. Esta
posición estimada aproximadamente del terminal móvil puede
obtenerse gracias a métodos de posicionamiento usuales, bien
conocidos para un experto en la técnica. Alternativamente, la
estimación aproximada puede deducirse, también, arbitrariamente a
partir de las posiciones de tres estaciones base circundantes.
Usualmente, las posiciones de las estaciones base son parámetros
fijos, conocidos en una entidad central de la red terrestre.
Alternativamente, la estimación aproximada de la posición de la
estación móvil puede obtenerse directamente como una funcionalidad
del sistema GNSS.
Para afinar aún más el método de localización
descrito en lo que antecede, el sistema podría estar conectado a un
GIS (sistema de información geográfica) que contuviese información
sobre la altura de lugares geográficos de una zona. Conociendo de
manera aproximada la situación del usuario del móvil, puede
obtenerse su altura interrogando al GIS. Se tiene en cuenta la
diferencia de altura entre las tres estaciones base y la posición
de la estación móvil para evaluar la diferencia de tiempo de
propagación entre el satélite y los nodos terrestres. Entonces, la
sincronización es más exacta y la posición de la estación móvil
obtenida con el método TOA es, también, más precisa. En esta
realización del método varias repeticiones de las diferentes
operaciones incrementan, también, la exactitud de la
localización.
Claims (15)
1. Método para sincronizar nodos terrestres (12,
13, 14) de una red terrestre, comprendiendo dicho método las
operaciones de:
- -
- seleccionar nodos terrestres (12, 13, 14) que hayan de ser sincronizados con una referencia de tiempo común, formando dichos nodos terrestres (12, 13, 14) una zona de sincronización;
- -
- determinar un ángulo sólido de visión libre del cielo compartido por dichos nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14);
- -
- recibir, en dichos nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14) una primera referencia de tiempo (RTR), denominada en este caso referencia de tiempo aproximada, desde un satélite (11) de un sistema global de navegación por satélite visto por dichos nodos terrestres (12, 13, 14) en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo;
- -
- ajustar una referencia de tiempo interna en cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14) a dicha referencia de tiempo aproximada;
- -
- calcular una fecha de sincronización común (CSD) para todos los nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14) con el fin de recibir una secuencia predefinida (Seq) enviada por dicho satélite (11) o por otro satélite visto por dichos nodos terrestres en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo;
- -
- determinar, en cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados, una diferencia de tiempo (Tdiff) entre el momento de recepción de dicha secuencia predefinida (Seq) indicado por la referencia de tiempo interna del nodo respectivo y dicha fecha de sincronización común (CSD);
- -
- sintonizar con precisión la referencia de tiempo interna de cada uno de dichos nodos terrestres seleccionados (12, 13, 14), teniendo en cuenta dicha diferencia de tiempo (Tdiff).
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que dichos nodos terrestres (12, 13, 14) son estaciones base de
una red terrestre de radiocomunicaciones celular, comprendiendo
dichas estaciones base un receptor GNSS para recibir información de
dicho satélite (11).
3. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el número de nodos terrestres (12,
13, 14) por zona de sincronización se elige de manera que el ángulo
de visión libre del cielo compartido por dichos nodos terrestres,
sea menor que un umbral predefinido, perteneciendo, además, al menos
un nodo terrestre de dicha zona de sincronización a, por lo menos,
una zona de sincronización adyacente y manteniendo tantas
referencias de tiempo como número de zonas de sincronización a las
que pertenezca.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, en
el que cada zona de sincronización comprende dos nodos
terrestres.
5. Método para determinar la posición de una
estación móvil en una red de radiocomunicaciones, comprendiendo
dicho móvil medios para recibir información procedente de un
satélite perteneciente a un sistema global de navegación por
satélite, comprendiendo también dicha red de radiocomunicaciones
estaciones de base que comprenden medios para recibir información
procedente de un satélite perteneciente a un sistema global de
navegación por satélite, comprendiendo dicho método las operaciones
de:
- 1.
- seleccionar, en dicha red de radiocomunicaciones, al menos dos estaciones base situadas cerca de dicha estación móvil, denominándose en esta memoria dichas estaciones base y dicha estación móvil, estaciones terrestres;
- 2.
- determinar un ángulo sólido de visión libre del cielo compartido por dichas estaciones terrestres seleccionadas(12, 13, 14);
- 3.
- recibir, en dichas estaciones terrestres seleccionadas (12, 13, 14) una primera referencia de tiempo (RTR), denominada en esta memoria referencia de tiempo aproximada, procedente de un satélite (11) de un sistema global de navegación por satélite visto por dichas estaciones terrestres (12, 13, 14) en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo;
- 4.
- ajustar una referencia de tiempo interna en cada una de dichas estaciones terrestres seleccionadas (12, 13, 14) a dicha referencia de tiempo aproximada;
- 5.
- calcular una fecha común de sincronización (CSD) para todas las estaciones terrestres seleccionadas (12, 13, 14), para recibir una secuencia predefinida (Seq) enviada por dicho satélite (11) o por otro satélite visto por dichas estaciones terrestres en dicho ángulo sólido de visión libre del cielo;
- 6.
- determinar, en cada una de dichas estaciones terrestres seleccionadas, una diferencia de tiempo (Tdiff) entre el momento de recepción de la citada secuencia predefinida (Seq) indicado por la referencia de tiempo interna de la estación respectiva y dicha fecha común de sincronización (CSD);
- 7.
- sintonizar con precisión la referencia de tiempo interna de cada una de dichas estaciones terrestres seleccionadas (12, 13, 14) teniendo en cuenta dicha diferencia de tiempo (Tdiff);
- 8.
- determinar la posición de dicha estación móvil por un método de triangulación aplicado a dichas estaciones base y dicha estación móvil.
6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en
el que las operaciones 2 a 8 se repiten un número predefinido de
veces.
7. Método para determinar la posición de una
estación móvil de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende,
además, la operación de estimar la altura de dicha estación móvil
por medio de un sistema de información geográfica acoplado a dicha
red terrestre.
8. Nodo terrestre (12, 13, 14), que
comprende:
- -
- una parte receptora GNSS para recibir una referencia de tiempo, denominada en esta memoria referencia de tiempo aproximada, y una secuencia predefinida (Seq) a partir de un satélite de un sistema global de navegación por satélite;
- -
- una parte de red terrestre para comunicar con una red terrestre;
- -
- una interfaz, entre dicha parte receptora GNSS y dicha parte de red terrestre para enviar información obtenida en dicha parte receptora GNSS a dicha red terrestre,
caracterizándose dicho nodo terrestre
porque
comprende:
- -
- medios para adquirir una secuencia predefinida en una fecha de sincronización calculada por dicha red terrestre,
- -
- medios para ajustar una referencia de tiempo interna a dicha referencia de tiempo aproximada;
- -
- medios para determinar una diferencia de tiempo (Tdiff) entre el momento de recepción de dicha secuencia predefinida (Seq) indicado por la referencia de tiempo interna y una fecha común de sincronización predefinida (CSD);
- -
- medios para sintonizar con precisión dicha referencia de tiempo interna teniendo en cuenta dicha diferencia de tiempo (Tdiff).
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