GPS授时系统在移动通信行业中的应用
时间：2011-02-26 阅读：6050
一、引言
TD-SCDMA是要求严格同步的TDD系统，目前TD系统采用美国定位系统GPS进行授时同步，但GPS授时系统存在一些需要考虑的问题，如施工不灵活、拉远受限以及安全性等问题。针对这些问题，中国移动提出了基于时间同步的GPS替代方案，目前主流性的方案是基于有线网络时钟的1588v2以及我国自主研发的北斗GPS授时系统。但由于1588v2还未大规模组网测试，以及北斗干扰问题突出等一些原因，GPS替代的两种主流方案还未大规模实施。一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统是中国移动联手上海锐呈，针对TD-SCDMA传统北斗GPS授时系统存在的问题，创新性的提出了目前切实可行的可以与其他GPS替代技术互为补充的授时方案，也给其他使用北斗GPS授时系统行业发展起到了巨大的推动作用。
二、传统北斗GPS授时系统
在移动通信领域的3G三大标准中，CDMA2000和TD-SCDMA均为基站同步系统，基站工作的切换、漫游等均需要的时间控制，否则将会带来严重的系统干扰。目前TD基站同步主要采用GPS系统实现，基于GPS安全问题等考虑后续将在北斗GPS授时系统上采用中国自主研发的北斗GPS授时系统。传统北斗GPS授时系统组成结构如下图所示：
图1 现网TD-SCDMA系统中GPS/北斗授时示意图
卫星天线接收GPS/北斗卫星信号，通过射频馈线将射频信号传输到Node B内的GPS/北斗接收机，GPS/北斗接收机恢复时钟，输出PPS和TOD到Node B内的锁相环，锁相环将锁定的时间信号下发到Node B内需要时间同步的各主要板卡。
但传统北斗GPS授时系统存在一些需要考虑的问题：
（1）工程施工问题
传统GPS/北斗天线安装环境较为严格，需要安装在较开阔的位置上，且需要保证周围无较大的遮挡物（如树木、铁塔、楼房等），对天线的遮挡不应超过30 度，为避免反射波的影响，GPS 天线尽可能远离周围尺寸大于20cm 的金属物2m 以上；
另外，传统GPS/北斗同步系统采用射频电缆线进行传输，射频电缆线径较粗而且韧性很差不易弯曲，非常不利于施工建设美观以及灵活性。
（2）射频馈线拉远受限问题
传统北斗GPS授时系统采用射频馈线传送时钟信号，射频馈线对于信号的衰减较大，导致射频馈线拉远非常有限。以北斗授时系统为例，北斗天线口信号功率一般为-127dbm，天线增益43db，北斗接收机灵敏度-100dbm，射频线上只允许有16db（= -127+43+100）的衰减，如果采用LMR-40的信号线（22dB/100m@2.5Ghz），射频线只能拉远72米（=16÷22×100）的距离。如果超过72米，就需要添置线放器，为施工带来了麻烦，较难实现GPS/北斗共天馈线。而目前密集城区高层覆盖系统以及机场地铁隧道覆盖中授时天线和基站距离较远的场景大量存在，给传统北斗GPS授时系统安装带来很大限制。
（3）干扰问题突出
卫星天线安装环境一般比较复杂，共站址建设比较普遍，电磁干扰比较严重，这就给施工安装提出了很高的隔离度要求。其中，以北斗授时系统干扰尤为突出，北斗工作频点为2.5GHz，与一些在用的无线系统频段非常靠近，因此其接收性能较易受到干扰。在实际工程应用中，为了北斗信号的正常接收，北斗接收机会考虑采用窄带滤波、屏蔽和选择合适的天线安装位置等抗干扰措施，这也给施工带来了困难，同时为北斗作为GPS替代方案增加了难度。
三、一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统解决方案
1．总体方案介绍
针对传统北斗GPS授时系统存在的问题，为适应更广泛的布站场景，中国移动联合上海锐呈创造性的提出了一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统解决方案。一体化主要是指GPS/北斗光纤拉远设计，天面部分将GPS/北斗天线与接收机一体化设计，接收机输出的PPS与TOD通过光纤拉远的方法传输给基站Node B。Node B时钟恢复模块恢复PPS和TOD，并且传送到Node B需要同步的模块。基站设计不再需要考虑接收机的类型（GPS/北斗）、型号、厂家、尺寸等一系列问题，只需要Node B和拉远接收机有相同的接口标准和时间传输机制。
图2 GPS/北斗接收机拉远授时示意图
授时优化主要是指针对共址建设中干扰的问题，对卫星校时（GPS/北斗）天线的改造方案。从目前干扰测试分析可以看到，干扰基本由基站附近地面设备引起，其到达接收天线的角度与卫星信号到达接收天线的角度不同，可以综合采取频域和空域抗干扰措施。一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统综合使用频域滤波和空域滤波的方案，频域滤波采用在天线低噪放内部加装高选择性滤波器抑制带外干扰，而空域滤波则使用改造过的卫星天线方案，一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统采用螺旋天线为基本技术的天线。螺旋天线特点是方向性好，增益高，频带宽，尤其是频带宽这点对将来北斗和GPS共用一组天线提供了条件，各种参数容易控制（如：波束宽度、增益、阻抗、轴比），器件的一致性好，便于生产调试等。图3为普通GPS天线与使用螺旋GPS天线的波瓣图对比，螺旋天线对带内干扰有很强的抑制作用。
图3 普通GPS天线和圈数为4螺旋天线波瓣对比图
2．产品可靠性设计
由于一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统拉远时钟单元RCU长期安置在室外，并且器件结构又比普通卫星天线复杂，所以其可靠性设计直接影响工作稳定性，在方案设计中提出了*的有针对性的拉远时钟单元RCU可靠性方案，设计方案包括耐热抗高温设计、抗太阳辐射设计、防水密封设计以及防雷设计。
抗高温设计主要采用双层壳体结构，整个拉远时钟单元RCU外壳由两层壳体构成，里外两层壳体形成“烟囱效应”，加速空气流动，另外壳体采用抗紫外线辐射、耐高低温的增强尼龙材料制作；防水密封设计方面，壳体使用强度高、重量轻、耐腐蚀及高低温交替作用下形变小的铝合金制作；连接处则使用耐高低温、耐腐蚀的橡胶密封圈。防雷设计主要考虑在拉远时钟单元RCU内部电源入口处加装TVS二极管（瞬变电压抑制二极管），吸收进入机内的差模感应电压能量，另外在1公里内的馈电长度内，采用接地防雷措施。
四、方案优势分析
1．对工程实施有具有的影响意义
传统GPS授时系统拉远距离非常有限，在工程设计中往往由于需要考虑天线与基站的距离，给机房选址以及GPS天线布放提出了很大的限制条件。一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统采用光电混合缆进行拉远，至少可以拉远1公里，1公里以上采用就近取电的方式可以使光纤拉远到10公里，这就从根本上解决了传统GPS拉远受限影响选址的问题，给工程施工提供了极大的便利性。而且如果RRU和RCU架设在一起时，RRU的拉远光纤和GPS 的拉远光纤可以同时铺设，节约施工成本和时间。尤其适合于高层建筑、地铁隧道以及大型场馆等机房与卫星天线距离较远的覆盖场景。
2．抗干扰能力增强，增加了共址建设的可操作性
一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统综合采用频域滤波和空域滤波的方案，可以极大地提高授时系统的授时精度以及抗干扰特性。试验表明，在1575.42MHz附近频点处，一体化接收机比传统GPS天线的抗干扰能力zui大能提高28dB以上。使用特殊设计的抗干扰螺旋天线后，一体化接收机比传统GPS天线对来自低仰角方向的地面干扰信号的抑制能力能提高约20dB。
对于我国自主研发的北斗GPS授时系统，抗干扰能力也有很大的提升，以下是在现网测试下的噪声频谱图，可以看出北斗频段2.5GHz附件带外干扰以及带内干扰已经被消除。这给北斗同步系统作为GPS替代起到了极大的推动作用。
对于我国自主研发的北斗GPS授时系统，抗干扰能力也有很大的提升，以下是在现网测试下的噪声频谱图，可以看出北斗频段2.5GHz附件带外干扰以及带内干扰已经被消除。这给北斗同步系统作为GPS替代起到了极大的推动作用。
图4 使用一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统北斗模式下输出噪声频谱
两图分别为北斗频点100MHz带宽内和20MHz带宽内输出噪声频谱。右图是左图在北斗中心频点2.5GHz频点附近的频谱放大，可以看出对带外干扰的消除作用尤为突出。
3．可以作为重要的GPS替代方案之一
GPS替代一直以来都是TD系统改进的重点方向之一，其中北斗同步授时系统与1588v2有线网络同步方案是比较主流的两项替代方案。两项GPS替代方案可以解决GPS授时系统存在的施工问题以及安全问题，但由于北斗同步授时系统干扰严重，以及1588v2现网测试还未进行，所以两项GPS替代方案还未大规模实施。而一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统是目前可以有效解决GPS授时同步问题的切实可行的方案，可以选择作为GPS替代方案之一。
一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统可以助力于其他GPS替代方案。首先一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统可以选择性的加入北斗模块，或者选择GPS/北斗双模系统，加之系统采用的抗干扰方案，对北斗作为GPS替代方案就有很大的推进力度。另外，对于1588v2有线同步方案，一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统也可以作为有利的补充。1588v2协议通过传输网传送时钟信号，可以大大减少基站系统对卫星天线的需求，但对于1588v2系统中基站支持都需要接收卫星信号作为时钟源，或者比较重要的基站系统也需要接收卫星信号作为备份，一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统同样可以发挥重要作用，提高北斗GPS授时系统拉远以及抗干扰优势，可以作为有线时钟同步的有力补充。
4．其他优势
基站时钟接口标准化，基站硬件改版不再需要考虑接收机问题；
可以实现简单组网，从而达到卫星时钟共享效果；
由于接收机离天线很近，对天线增益的需求降低，天线容易设计，成本降低。
结束语
为进一步验证产品的稳定性及可靠性，上海锐呈在原理样机开发验证的基础上，设计开发了GPS/北斗双模授时优化试商用产品，并在江苏等省份的TD二期现网中进行了小规模组网测试及验证，测试及外场验证显示，一体化天线具备较好的可靠性和稳定性，并且在减小馈缆接头损耗、抗干扰能力、美化天面外观、提高安装维护便捷性等方面相比传统GPS天线具有明显的优势，*运营商大规模商用的要求。
一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统是上海锐呈针对现有TD-SCDMA北斗GPS授时系统的创新性优化方案，对北斗GPS授时系统工程施工以及抗干扰方面都有极大的改进作用。同时，在其他需要授时同步的行业系统中，同样的问题依旧存在，因此一体化卫星校时（GPS/北斗）优化系统会随着它在TD-SCDMA授时同步中的日益成熟被更多的行业所广泛应用。