大唐移動一體化衛(wèi)星授時系統(tǒng)解決方案

一、引言

TD-SCDMA是要求嚴(yán)格同步的TDD系統(tǒng)，目前TD系統(tǒng)采用美國全球定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行授時同步，但GPS授時系統(tǒng)存在一些需要考慮的問題，如施工不靈活、拉遠(yuǎn)受限以及安全性等問題。針對這些問題，中國移動提出了基于時間同步的GPS替代方案，目前主流性的方案是基于有線網(wǎng)絡(luò)時鐘的1588v2以及我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)。但由于1588v2還未大規(guī)模組網(wǎng)測試，以及北斗干擾問題突出等一些原因，GPS替代的兩種主流方案還未大規(guī)模實施。一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)是中國移動聯(lián)手大唐移動，針對TD-SCDMA傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)存在的問題，創(chuàng)新性的提出了目前切實可行的可以與其他GPS替代技術(shù)互為補(bǔ)充的授時方案，也給其他使用衛(wèi)星授時系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動作用。

二、傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)

在移動通信領(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、漫游等均需要精確的時間控制，否則將會帶來嚴(yán)重的系統(tǒng)干擾。目前TD基站同步主要采用GPS系統(tǒng)實現(xiàn)，基于GPS安全問題等考慮后續(xù)將在衛(wèi)星授時系統(tǒng)上采用中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)。傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(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/北斗授時示意圖

衛(wèi)星天線接收GPS/北斗衛(wèi)星信號，通過射頻饋線將射頻信號傳輸?shù)絅ode B內(nèi)的GPS/北斗接收機(jī)，GPS/北斗接收機(jī)恢復(fù)時鐘，輸出PPS和TOD到Node B內(nèi)的鎖相環(huán)，鎖相環(huán)將鎖定的時間信號下發(fā)到Node B內(nèi)需要時間同步的各主要板卡。

但傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)存在一些需要考慮的問題：

（1）工程施工問題

傳統(tǒng)GPS/北斗天線安裝環(huán)境較為嚴(yán)格，需要安裝在較開闊的位置上，且需要保證周圍無較大的遮擋物（如樹木、鐵塔、樓房等），對天線的遮擋不應(yīng)超過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。

（2）射頻饋線拉遠(yuǎn)受限問題

傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)采用射頻饋線傳送時鐘信號，射頻饋線對于信號的衰減較大，導(dǎo)致射頻饋線拉遠(yuǎn)非常有限。以北斗授時系統(tǒng)為例，北斗天線口信號功率一般 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的信號線（22dB/100m@2.5Ghz）， 射頻線只能拉遠(yuǎn)72米（=16÷22×100）的距離。如果超過72米，就需要添置線放器，為施工帶來了麻煩，較難實現(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)場地鐵隧道覆蓋中授時天線和基站距離較遠(yuǎn)的場景大量存在，給傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)安裝帶來很大限制。

（3）干擾問題突出

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，與一些在用的無線系統(tǒng)頻段非?？拷?，因 此其接收性能較易受到干擾。在實際工程應(yīng)用中，為了北斗信號的正常接收，北斗接收機(jī)會考慮采用窄帶濾波、屏蔽和選擇合適的天線安裝位置等抗干擾措施，這也 給施工帶來了困難，同時為北斗作為GPS替代方案增加了難度。

三、一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)解決方案

1． 總體方案介紹

針對傳統(tǒng)衛(wèi)星授時系統(tǒng)存在的問題，為適應(yīng)更廣泛的布站場景，中國移動聯(lián)合大唐移動創(chuàng)造性的提出了一體化衛(wèi)星授時優(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，天面部分將GPS/北斗天線與接收機(jī)一體化設(shè)計，接收機(jī)輸出的PPS與TOD通過光纖拉遠(yuǎn)的方法傳輸給基站Node B。Node B時鐘恢復(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)計不再需要考慮接收機(jī)的類型（GPS/北斗）、型號、廠家、尺寸等一系列問題，只需要Node B和拉遠(yuǎn)接收機(jī)有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)和時間傳輸機(jī)制。

圖2 GPS/北斗接收機(jī)拉遠(yuǎn)授時示意圖

授時優(yōu)化主要是指針對共址建設(shè)中干擾的問題，對衛(wèi)星授時天線的改造方案。從目前干擾測試分析可以看到，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)星授時優(yōu)化系統(tǒng)綜合使用頻域濾波和空域濾波的方案，頻域濾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，而空域濾波則使用改造過的衛(wèi)星天線方案，一體化衛(wèi)星授時優(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)對將來北斗和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天線的波瓣圖對比，螺旋天線對帶內(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螺旋天線波瓣對比圖

2． 產(chǎn)品可靠性設(shè)計

由于一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)拉遠(yuǎn)時鐘單元RCU長期安置在室外，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)計直接影響工作穩(wěn)定性，在方案設(shè)計中提出了特有的有針對性的拉遠(yuǎn)時鐘單元RCU可靠性方案，設(shè)計方案包括耐熱抗高溫設(shè)計、抗太陽輻射設(shè)計、防水密封設(shè)計以及防雷設(shè)計。

抗高溫設(shè)計主要采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，整個拉遠(yuǎn)時鐘單元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，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)計主要考慮在拉遠(yuǎn)時鐘單元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)的饋電長度內(nèi)，采用接地防雷措施。

四、方案優(yōu)勢分析

1． 對工程實施有具有的影響意義

傳統(tǒng)GPS授時系統(tǒng)拉遠(yuǎn)距離非常有限，在工程設(shè)計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)星授時優(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，RRU的拉遠(yuǎn)光纖和GPS 的拉遠(yuǎn)光纖可以同時鋪設(shè)，節(jié)約施工成本和時間。尤其適合于高層建筑、地鐵隧道以及大型場館等機(jī)房與衛(wèi)星天線距離較遠(yuǎn)的覆蓋場景。

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)星授時優(yōu)化系統(tǒng)綜合采用頻域濾波和空域濾波的方案，可以極大地提高授時系統(tǒng)的授時精度以及抗干擾特性。試驗表明，在1575.42MHz附近頻點(diǎn)處，一體化接收機(jī)比傳統(tǒng)GPS天線的抗干擾能力最大能提高28dB以上。使用特殊設(shè)計的抗干擾螺旋天線后，一體化接收機(jī)比傳統(tǒng)GPS天線對來自低仰角方向的地面干擾信號的抑制能力能提高約20dB。
對于我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)，抗干擾能力也有很大的提升，以下是在現(xiàn)網(wǎng)測試下的噪聲頻譜圖，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作用。

圖4 使用一體化衛(wèi)星授時優(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，其中北斗同步授時系統(tǒng)與1588v2有線網(wǎng)絡(luò)同步方案是比較主流的兩項替代方案。兩項GPS替 代方案可以解決GPS授時系統(tǒng)存在的施工問題以及安全問題，但由于北斗同步授時系統(tǒng)干擾嚴(yán)重，以及1588v2現(xiàn)網(wǎng)測試還未進(jìn)行，所以兩項GPS替代方案 還未大規(guī)模實施。而一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)是目前可以有效解決GPS授時同步問題的切實可行的方案，可以選擇作為GPS替代方案之一。

一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)可以助力于其他GPS替代方案。首先一體化衛(wèi)星授時優(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)采用高效的抗干擾方案，對北斗作為GPS替代方案就有很大的推進(jìn)力度。另外，對于1588v2有線同步方案，一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)也可以作 為有利的補(bǔ)充。1588v2協(xié)議通過傳輸網(wǎng)傳送時鐘信號，可以大大減少基站系統(tǒng)對衛(wèi)星天線的需求，但對于1588v2系統(tǒng)中基站支持都需要接收衛(wèi)星信號作 為時鐘源，或者比較重要的基站系統(tǒng)也需要接收衛(wèi)星信號作為備份，一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮重要作用，提高衛(wèi)星授時系統(tǒng)拉遠(yuǎn)以及抗干擾優(yōu)勢，可以 作為有線時鐘同步的有力補(bǔ)充。

． 其他優(yōu)勢

基站時鐘接口標(biāo)準(zhǔn)化，基站硬件改版不再需要考慮接收機(jī)問題；

可以實現(xiàn)簡單組網(wǎng)，從而達(dá)到衛(wèi)星時鐘共享效果；

由于接收機(jī)離天線很近，對天線增益的需求降低，天線容易設(shè)計，成本降低。

結(jié)束語

為進(jìn)一步驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性，大唐移動在原理樣機(jī)開發(fā)驗證的基礎(chǔ)上，率先設(shè)計開發(fā)了GPS/北斗雙模授時優(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)測試及驗證，測試及外場驗證顯示，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，完全滿足運(yùn)營商大規(guī)模商用的要求。

一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)是大唐移動針對現(xiàn)有TD-SCDMA衛(wèi)星授時系統(tǒng)的創(chuàng)新性優(yōu)化方案，對衛(wèi)星授時系統(tǒng)工程施工以及抗干擾方面都有極大的改進(jìn)作 用。同時，在其他需要授時同步的行業(yè)系統(tǒng)中，同樣的問題依舊存在，因此一體化衛(wèi)星授時優(yōu)化系統(tǒng)會隨著它在TD-SCDMA授時同步中的日益成熟被更多的行 業(yè)所廣泛應(yīng)用。