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技術(shù)文章
GPS授時(shí)系統(tǒng)在移動(dòng)通信行業(yè)中的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：6275 發(fā)布時(shí)間：2011-2-26
一,、引言
TD-SCDMA是要求嚴(yán)格同步的TDD系統(tǒng)，目前TD系統(tǒng)采用美國(guó)定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行授時(shí)同步,，但GPS授時(shí)系統(tǒng)存在一些需要考慮的問(wèn)題,，如施工不靈活、拉遠(yuǎn)受限以及安全性等問(wèn)題,。針對(duì)這些問(wèn)題,，中國(guó)移動(dòng)提出了基于時(shí)間同步的GPS替代方案，目前主流性的方案是基于有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的1588v2以及我國(guó)自主研發(fā)的北斗GPS授時(shí)系統(tǒng),。但由于1588v2還未大規(guī)模組網(wǎng)測(cè)試,，以及北斗干擾問(wèn)題突出等一些原因，GPS替代的兩種主流方案還未大規(guī)模實(shí)施,。一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)是中國(guó)移動(dòng)聯(lián)手上海銳呈,，針對(duì)TD-SCDMA傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，創(chuàng)新性的提出了目前切實(shí)可行的可以與其他GPS替代技術(shù)互為補(bǔ)充的授時(shí)方案,，也給其他使用北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用,。
二、傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)
在移動(dòng)通信領(lǐng)域的3G三大標(biāo)準(zhǔn)中,，CDMA2000和TD-SCDMA均為基站同步系統(tǒng),，基站工作的切換、漫游等均需要的時(shí)間控制,，否則將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的系統(tǒng)干擾,。目前TD基站同步主要采用GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，基于GPS安全問(wèn)題等考慮后續(xù)將在北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)上采用中國(guó)自主研發(fā)的北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)。傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1 現(xiàn)網(wǎng)TD-SCDMA系統(tǒng)中GPS/北斗授時(shí)示意圖
衛(wèi)星天線接收GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào),，通過(guò)射頻饋線將射頻信號(hào)傳輸?shù)?/span>Node B內(nèi)的GPS/北斗接收機(jī),，GPS/北斗接收機(jī)恢復(fù)時(shí)鐘，輸出PPS和TOD到Node B內(nèi)的鎖相環(huán),，鎖相環(huán)將鎖定的時(shí)間信號(hào)下發(fā)到Node B內(nèi)需要時(shí)間同步的各主要板卡,。
但傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)存在一些需要考慮的問(wèn)題：
?。?/span>1）工程施工問(wèn)題
傳統(tǒng)GPS/北斗天線安裝環(huán)境較為嚴(yán)格,，需要安裝在較開(kāi)闊的位置上，且需要保證周圍無(wú)較大的遮擋物（如樹(shù)木,、鐵塔,、樓房等）,，對(duì)天線的遮擋不應(yīng)超過(guò)30 度,，為避免反射波的影響,，GPS 天線盡可能遠(yuǎn)離周圍尺寸大于20cm 的金屬物2m 以上,；
另外,，傳統(tǒng)GPS/北斗同步系統(tǒng)采用射頻電纜線進(jìn)行傳輸，射頻電纜線徑較粗而且韌性很差不易彎曲,，非常不利于施工建設(shè)美觀以及靈活性,。
?。?/span>2）射頻饋線拉遠(yuǎn)受限問(wèn)題
傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)采用射頻饋線傳送時(shí)鐘信號(hào),，射頻饋線對(duì)于信號(hào)的衰減較大，導(dǎo)致射頻饋線拉遠(yuǎn)非常有限,。以北斗授時(shí)系統(tǒng)為例,，北斗天線口信號(hào)功率一般為-127dbm,，天線增益43db,，北斗接收機(jī)靈敏度-100dbm,，射頻線上只允許有16db（= -127+43+100）的衰減,，如果采用LMR-40的信號(hào)線（22dB/[email protected]），射頻線只能拉遠(yuǎn)72米（=16÷22×100）的距離,。如果超過(guò)72米,，就需要添置線放器，為施工帶來(lái)了麻煩,，較難實(shí)現(xiàn)GPS/北斗共天饋線,。而目前密集城區(qū)高層覆蓋系統(tǒng)以及機(jī)場(chǎng)地鐵隧道覆蓋中授時(shí)天線和基站距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)景大量存在，給傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)安裝帶來(lái)很大限制,。
（3）干擾問(wèn)題突出
衛(wèi)星天線安裝環(huán)境一般比較復(fù)雜,，共站址建設(shè)比較普遍,，電磁干擾比較嚴(yán)重,，這就給施工安裝提出了很高的隔離度要求,。其中，以北斗授時(shí)系統(tǒng)干擾尤為突出,，北斗工作頻點(diǎn)為2.5GHz,，與一些在用的無(wú)線系統(tǒng)頻段非?？拷虼似浣邮招阅茌^易受到干擾,。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了北斗信號(hào)的正常接收,，北斗接收機(jī)會(huì)考慮采用窄帶濾波,、屏蔽和選擇合適的天線安裝位置等抗干擾措施,，這也給施工帶來(lái)了困難,，同時(shí)為北斗作為GPS替代方案增加了難度,。
三,、一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)解決方案
1．總體方案介紹
針對(duì)傳統(tǒng)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,，為適應(yīng)更廣泛的布站場(chǎng)景,，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合上海銳呈創(chuàng)造性的提出了一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)解決方案,。一體化主要是指GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)設(shè)計(jì),，天面部分將GPS/北斗天線與接收機(jī)一體化設(shè)計(jì)，接收機(jī)輸出的PPS與TOD通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)的方法傳輸給基站Node B,。Node B時(shí)鐘恢復(fù)模塊恢復(fù)PPS和TOD,，并且傳送到Node B需要同步的模塊?；驹O(shè)計(jì)不再需要考慮接收機(jī)的類型（GPS/北斗）、型號(hào),、廠家,、尺寸等一系列問(wèn)題，只需要Node B和拉遠(yuǎn)接收機(jī)有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間傳輸機(jī)制。
圖2 GPS/北斗接收機(jī)拉遠(yuǎn)授時(shí)示意圖
授時(shí)優(yōu)化主要是指針對(duì)共址建設(shè)中干擾的問(wèn)題,，對(duì)衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）天線的改造方案,。從目前干擾測(cè)試分析可以看到,，干擾基本由基站附近地面設(shè)備引起,，其到達(dá)接收天線的角度與衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收天線的角度不同，可以綜合采取頻域和空域抗干擾措施,。一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)綜合使用頻域?yàn)V波和空域?yàn)V波的方案,，頻域?yàn)V波采用在天線低噪放內(nèi)部加裝高選擇性濾波器抑制帶外干擾,，而空域?yàn)V波則使用改造過(guò)的衛(wèi)星天線方案,，一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)采用螺旋天線為基本技術(shù)的天線,。螺旋天線特點(diǎn)是方向性好，增益高,，頻帶寬,，尤其是頻帶寬這點(diǎn)對(duì)將來(lái)北斗和GPS共用一組天線提供了條件，各種參數(shù)容易控制（如：波束寬度,、增益,、阻抗,、軸比），器件的一致性好,，便于生產(chǎn)調(diào)試等,。圖3為普通GPS天線與使用螺旋GPS天線的波瓣圖對(duì)比，螺旋天線對(duì)帶內(nèi)干擾有很強(qiáng)的抑制作用,。
圖3 普通GPS天線和圈數(shù)為4螺旋天線波瓣對(duì)比圖
2．產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)
由于一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)拉遠(yuǎn)時(shí)鐘單元RCU長(zhǎng)期安置在室外,，并且器件結(jié)構(gòu)又比普通衛(wèi)星天線復(fù)雜，所以其可靠性設(shè)計(jì)直接影響工作穩(wěn)定性,，在方案設(shè)計(jì)中提出了*的有針對(duì)性的拉遠(yuǎn)時(shí)鐘單元RCU可靠性方案,，設(shè)計(jì)方案包括耐熱抗高溫設(shè)計(jì)、抗太陽(yáng)輻射設(shè)計(jì),、防水密封設(shè)計(jì)以及防雷設(shè)計(jì),。
抗高溫設(shè)計(jì)主要采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，整個(gè)拉遠(yuǎn)時(shí)鐘單元RCU外殼由兩層殼體構(gòu)成,，里外兩層殼體形成“煙囪效應(yīng)”,，加速空氣流動(dòng)，另外殼體采用抗紫外線輻射,、耐高低溫的增強(qiáng)尼龍材料制作,；防水密封設(shè)計(jì)方面，殼體使用強(qiáng)度高,、重量輕,、耐腐蝕及高低溫交替作用下形變小的鋁合金制作；連接處則使用耐高低溫,、耐腐蝕的橡膠密封圈。防雷設(shè)計(jì)主要考慮在拉遠(yuǎn)時(shí)鐘單元RCU內(nèi)部電源入口處加裝TVS二極管（瞬變電壓抑制二極管）,，吸收進(jìn)入機(jī)內(nèi)的差模感應(yīng)電壓能量,，另外在1公里內(nèi)的饋電長(zhǎng)度內(nèi)，采用接地防雷措施,。
四,、方案優(yōu)勢(shì)分析
1．對(duì)工程實(shí)施有具有的影響意義
傳統(tǒng)GPS授時(shí)系統(tǒng)拉遠(yuǎn)距離非常有限，在工程設(shè)計(jì)中往往由于需要考慮天線與基站的距離,，給機(jī)房選址以及GPS天線布放提出了很大的限制條件,。一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)采用光電混合纜進(jìn)行拉遠(yuǎn)，至少可以拉遠(yuǎn)1公里,，1公里以上采用就近取電的方式可以使光纖拉遠(yuǎn)到10公里,，這就從根本上解決了傳統(tǒng)GPS拉遠(yuǎn)受限影響選址的問(wèn)題，給工程施工提供了極大的便利性,。而且如果RRU和RCU架設(shè)在一起時(shí),，RRU的拉遠(yuǎn)光纖和GPS 的拉遠(yuǎn)光纖可以同時(shí)鋪設(shè),，節(jié)約施工成本和時(shí)間。尤其適合于高層建筑,、地鐵隧道以及大型場(chǎng)館等機(jī)房與衛(wèi)星天線距離較遠(yuǎn)的覆蓋場(chǎng)景,。
2．抗干擾能力增強(qiáng)，增加了共址建設(shè)的可操作性
一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)綜合采用頻域?yàn)V波和空域?yàn)V波的方案,，可以極大地提高授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)精度以及抗干擾特性,。試驗(yàn)表明，在1575.42MHz附近頻點(diǎn)處,，一體化接收機(jī)比傳統(tǒng)GPS天線的抗干擾能力zui大能提高28dB以上,。使用特殊設(shè)計(jì)的抗干擾螺旋天線后，一體化接收機(jī)比傳統(tǒng)GPS天線對(duì)來(lái)自低仰角方向的地面干擾信號(hào)的抑制能力能提高約20dB,。
對(duì)于我國(guó)自主研發(fā)的北斗GPS授時(shí)系統(tǒng),，抗干擾能力也有很大的提升，以下是在現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試下的噪聲頻譜圖,，可以看出北斗頻段2.5GHz附件帶外干擾以及帶內(nèi)干擾已經(jīng)被消除,。這給北斗同步系統(tǒng)作為GPS替代起到了極大的推動(dòng)作用。
對(duì)于我國(guó)自主研發(fā)的北斗GPS授時(shí)系統(tǒng),，抗干擾能力也有很大的提升，以下是在現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試下的噪聲頻譜圖,，可以看出北斗頻段2.5GHz附件帶外干擾以及帶內(nèi)干擾已經(jīng)被消除,。這給北斗同步系統(tǒng)作為GPS替代起到了極大的推動(dòng)作用。
圖4 使用一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)北斗模式下輸出噪聲頻譜
兩圖分別為北斗頻點(diǎn)100MHz帶寬內(nèi)和20MHz帶寬內(nèi)輸出噪聲頻譜,。右圖是左圖在北斗中心頻點(diǎn)2.5GHz頻點(diǎn)附近的頻譜放大,，可以看出對(duì)帶外干擾的消除作用尤為突出。
3．可以作為重要的GPS替代方案之一
GPS替代一直以來(lái)都是TD系統(tǒng)改進(jìn)的重點(diǎn)方向之一,，其中北斗同步授時(shí)系統(tǒng)與1588v2有線網(wǎng)絡(luò)同步方案是比較主流的兩項(xiàng)替代方案,。兩項(xiàng)GPS替代方案可以解決GPS授時(shí)系統(tǒng)存在的施工問(wèn)題以及安全問(wèn)題，但由于北斗同步授時(shí)系統(tǒng)干擾嚴(yán)重,，以及1588v2現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試還未進(jìn)行,，所以兩項(xiàng)GPS替代方案還未大規(guī)模實(shí)施。而一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)是目前可以有效解決GPS授時(shí)同步問(wèn)題的切實(shí)可行的方案,，可以選擇作為GPS替代方案之一,。
一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)可以助力于其他GPS替代方案。首先一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)可以選擇性的加入北斗模塊,，或者選擇GPS/北斗雙模系統(tǒng),，加之系統(tǒng)采用的抗干擾方案，對(duì)北斗作為GPS替代方案就有很大的推進(jìn)力度,。另外,，對(duì)于1588v2有線同步方案，一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)也可以作為有利的補(bǔ)充,。1588v2協(xié)議通過(guò)傳輸網(wǎng)傳送時(shí)鐘信號(hào),，可以大大減少基站系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星天線的需求，但對(duì)于1588v2系統(tǒng)中基站支持都需要接收衛(wèi)星信號(hào)作為時(shí)鐘源,，或者比較重要的基站系統(tǒng)也需要接收衛(wèi)星信號(hào)作為備份,，一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮重要作用,，提高北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)拉遠(yuǎn)以及抗干擾優(yōu)勢(shì)，可以作為有線時(shí)鐘同步的有力補(bǔ)充,。
4．其他優(yōu)勢(shì)
基站時(shí)鐘接口標(biāo)準(zhǔn)化,，基站硬件改版不再需要考慮接收機(jī)問(wèn)題；
可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單組網(wǎng),，從而達(dá)到衛(wèi)星時(shí)鐘共享效果,；
由于接收機(jī)離天線很近，對(duì)天線增益的需求降低,，天線容易設(shè)計(jì),，成本降低。
結(jié)束語(yǔ)
為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性,，上海銳呈在原理樣機(jī)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了GPS/北斗雙模授時(shí)優(yōu)化試商用產(chǎn)品，并在江蘇等省份的TD二期現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行了小規(guī)模組網(wǎng)測(cè)試及驗(yàn)證,，測(cè)試及外場(chǎng)驗(yàn)證顯示,，一體化天線具備較好的可靠性和穩(wěn)定性，并且在減小饋纜接頭損耗,、抗干擾能力,、美化天面外觀、提高安裝維護(hù)便捷性等方面相比傳統(tǒng)GPS天線具有明顯的優(yōu)勢(shì),，*運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模商用的要求,。
一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)是上海銳呈針對(duì)現(xiàn)有TD-SCDMA北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)的創(chuàng)新性優(yōu)化方案，對(duì)北斗GPS授時(shí)系統(tǒng)工程施工以及抗干擾方面都有極大的改進(jìn)作用,。同時(shí),，在其他需要授時(shí)同步的行業(yè)系統(tǒng)中，同樣的問(wèn)題依舊存在,，因此一體化衛(wèi)星校時(shí)（GPS/北斗）優(yōu)化系統(tǒng)會(huì)隨著它在TD-SCDMA授時(shí)同步中的日益成熟被更多的行業(yè)所廣泛應(yīng)用,。