一文解讀GNSS信號對網(wǎng)絡(luò)中授時應(yīng)用的益處
無論身在何處,我們對于無時無刻地觀看視頻內(nèi)容已經(jīng)習(xí)以為常。但對負責(zé)、構(gòu)建和維護底層網(wǎng)絡(luò)的幕后工作者而言,事情并沒有那么簡單,消費者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202308/449167.htm無論身在何處,我們對于無時無刻地觀看視頻內(nèi)容已經(jīng)習(xí)以為常。但對負責(zé)、構(gòu)建和維護底層網(wǎng)絡(luò)的幕后工作者而言,事情并沒有那么簡單,消費者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。
當(dāng)今和未來的蜂窩與通信網(wǎng)絡(luò)需要為海量用戶提供出色的數(shù)據(jù)傳輸速率,因此其運作方式與以往的網(wǎng)絡(luò)截然不同。
對于現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),讓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有基站、服務(wù)器和節(jié)點之間的時間保持同步極為重要。授時讀數(shù)的誤差越小,能為網(wǎng)絡(luò)配置的數(shù)據(jù)處理量就越大,這樣運營商就能更有效地利用頻率和其他資源,提高這些付費資源的成本效益。
許多設(shè)備都使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)來確保網(wǎng)絡(luò)各部分保持同步。GNSS有著準(zhǔn)確度高、成本效益高、易于安裝、全球可用的特點,因此通常是首選方案,優(yōu)先于基于網(wǎng)絡(luò)的授時技術(shù)。
過去的GNSS網(wǎng)絡(luò)授時同步使用的是單頻段接收機,需要衛(wèi)星發(fā)出的L1頻段信號通播。
L1頻段GNSS面臨的挑戰(zhàn)
3GPP對于基站天線接口的基本授時要求是1.5μs,但5G服務(wù)顯然需要更高的時間精度。這通常不容易實現(xiàn),尤其現(xiàn)實生活中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加大了實現(xiàn)難度。
除了網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題之外,還有多種因素會影響到設(shè)備接收L1頻段GNSS信號。而這又會進一步影響網(wǎng)絡(luò)訪問的授時數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。
我們來簡單了解一下其中的三個主要問題。
GNSS信號干擾
對任何使用GNSS的設(shè)備而言,干擾都是一項持續(xù)不斷的威脅,可能導(dǎo)致單頻接收機完全無法使用GNSS信號。從授時的角度來看,設(shè)備通常配有某種類型的原子鐘,用來在GNSS中斷期間實現(xiàn)保持。但這只能在有限的時間內(nèi)提供必要的授時精度水平,通常僅有幾個小時。
電離層延遲
對于在開放天空環(huán)境中工作的GNSS接收機,主要誤差來源是電離層延遲,這造成授時精度持續(xù)發(fā)生偏差。影響電離層延遲水平的因素包括接收設(shè)備所在緯度、一天當(dāng)中的時間和一年當(dāng)中的時間,還有太陽活動水平。太陽活動周期通常為11年,低水平的太陽活動已經(jīng)保持了一段時間,2025年前后,我們將迎來一次太陽活動高峰。
通常用來解決電離層延遲的方法是使用GPS Klobuchar等數(shù)學(xué)模型,或使用例如星基增強系統(tǒng)(SBAS)增強服務(wù),但這兩種方法都并非適用于所有情況。數(shù)學(xué)模型采用純粹的先驗方法,因此存在固有的限制。與此同時,SBAS僅在全球部分地區(qū)可用,為了保證接收到對地靜止型SBAS衛(wèi)星發(fā)射的信號,需要在朝向赤道的方向具有開闊的天空視野。
多徑效應(yīng)
對于在城市和其他障礙物重重的環(huán)境中工作的設(shè)備,還有另外一個影響GNSS信號接收的問題:多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)特別容易影響窄帶GNSS L1信號,會引起設(shè)備訪問的授時數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。
在障礙物較多的環(huán)境中,5G網(wǎng)絡(luò)需要更多基站,還需要更高水準(zhǔn)的授時精度來支持更高的吞吐量,這造成多徑效應(yīng)日漸成為困擾5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者和構(gòu)建者的一大難題。此外,即便能解決多徑效應(yīng)問題,此類設(shè)備所處環(huán)境的天空視野通常較為受限,幾乎不可能使用SBAS來補償電離層延遲。
借助雙頻段GNSS提高授時精度
在設(shè)計蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和其他通信網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備(無論其具體應(yīng)用位置如何)時,設(shè)計人員確實面臨著這些挑戰(zhàn),但也有令人欣慰的好消息。
當(dāng)L1頻段GNSS信號設(shè)計于數(shù)十年之前,主要用于軍事應(yīng)用的同時,現(xiàn)今也有現(xiàn)代化的GNSS信號在同步通播。這些現(xiàn)代化信號使用1176.45 MHz的L5頻段,其設(shè)計之初就以現(xiàn)代民事應(yīng)用為中心。
對于授時應(yīng)用,L5頻段信號的價值在于配合L1頻段信號組成雙頻段設(shè)置。為了說明這種差異,我們以u-blox雙頻GNSS接收機為例,該接收機的授時精度為5ns內(nèi),而單頻接收機為20ns。
GPS、Galileo和北斗GNSS星座如今均為其部分或全部衛(wèi)星通播L5信號。
因此,您只需選擇一款能夠使用全部這三個星座的GNSS接收機,即可在世界任何地點接收到L5頻段信號。在設(shè)計中,您唯一需要調(diào)整的地方就是將單頻段GNSS接收機和天線改換為雙頻段型號。
此外,印度的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)NavIC支持L5頻段。因此,一款全球雙頻段L1+L5設(shè)計也能滿足區(qū)域性要求。
應(yīng)對重大授時挑戰(zhàn)
雙頻段L1+L5 GNSS接收機和天線可幫助設(shè)計工程師應(yīng)對前述授時挑戰(zhàn)。
面對干擾攻擊時表現(xiàn)出更高的適應(yīng)能力
與L1頻段一樣,L5頻段也屬于航空無線電導(dǎo)航服務(wù)(ARNS)頻段,因此會受到良好的干擾防護和監(jiān)管。此外,雙頻段工作方式可避免單頻段干擾器的侵擾,即便出現(xiàn)這種情況,設(shè)備仍能通過另一個不受干擾的頻段獲取授時信息。
如圖1所示,在干擾期間,授時誤差會有所增加,但在大多數(shù)使用場景中,誤差都不會超過可接受的容差范圍。
圖中還強調(diào)了在干擾結(jié)束時雙頻段工作模式能非常迅速地恢復(fù)正常工作,大幅降低授時方差。
在不使用模型或校正數(shù)據(jù)的情況下應(yīng)對電離層延遲
電離層延遲會對L1頻段和L5頻段的頻率產(chǎn)生不同的影響。重點在于,我們已經(jīng)知曉這其中的關(guān)系,所以如果您通過兩個頻段接收信號,可以計算出實際的電離層延遲,不必依靠模型進行預(yù)測,也不必使用校正服務(wù)。
因此,授時誤差可保持在更小的范圍內(nèi),如圖1所示。
圖1,來源:u-blox
在城市和障礙物較多的環(huán)境中提供更出色的性能
與窄帶L1信號相比,寬帶L5信號更不易受到多徑效應(yīng)的影響,以直接減少授時數(shù)據(jù)誤差。
此外,更現(xiàn)代化的L5信號設(shè)計包含前向糾錯,為信號較弱的環(huán)境(比如城市和障礙物較多的環(huán)境)提供了額外的保障,有助于防范可能出現(xiàn)的比特誤差。
如圖2所示,在受多徑效應(yīng)影響的區(qū)域中,L1和L5頻段信號的剩余誤差都要小得多。
圖2,來源:u-blox
提高網(wǎng)絡(luò)投資回報率的時機已經(jīng)來臨
對高吞吐量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增長,這促使業(yè)界更加關(guān)注通過可靠的方法在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間保持時間數(shù)據(jù)嚴格同步的需求。
傳統(tǒng)L1 GNSS信號素有準(zhǔn)確、經(jīng)濟的優(yōu)勢,不足之處在于容易受到干擾和多徑效應(yīng)的影響,也會受到電離層延遲的影響。所有這些因素都會影響到網(wǎng)絡(luò)中的授時精度。
將現(xiàn)代L5 GNSS信號與L1信號配合使用可以解決這些問題,為您的網(wǎng)絡(luò)提供一致性更高的授時數(shù)據(jù)。因此,您可以為網(wǎng)絡(luò)配置更高的數(shù)據(jù)處理量,進而改善客戶體驗,提高網(wǎng)絡(luò)投資回報率。
u-blox提供一系列高精度雙頻段GNSS授時模塊,包括LEA-F9T、ZED-F9T和NEO-F10T,而且均滿足5G時間同步要求。
文章來源: ublox
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