CDMA2000無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的授時(shí)和同步方法

摘要：同步是CDMA2000正常工作的基礎之一，本文從CDMA2000網(wǎng)絡(luò )的工作需求出發(fā)，開(kāi)展無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的授時(shí)和同步相關(guān)原理的闡述。文章首先介紹了基站的授時(shí)方法和時(shí)鐘同步方法，在此基礎上介紹了移動(dòng)臺的授時(shí)和同步方法。

關(guān)鍵詞：CDMA;基站;授時(shí);同步;

1、引言

CDMA2000網(wǎng)絡(luò )是同步通信系統，它具有一套高精度的時(shí)鐘源完成基站和移動(dòng)臺之間的收發(fā)同步。

時(shí)鐘同步在CDMA2000無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中發(fā)揮著(zhù)重大的作用，如果某一個(gè)基站的時(shí)鐘發(fā)生問(wèn)題，那么基站周?chē)赡馨l(fā)生大量的切換掉話(huà);如果CDMA系統丟失了同步時(shí)鐘源，那么所有CDMA基站都會(huì )陸續退服，系統也就無(wú)法工作了。

本文根據CDMA2000網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際需求，展開(kāi)相關(guān)的原理闡述，為無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)時(shí)鐘同步相關(guān)的優(yōu)化維護和拓展應用提供理論基礎。

2、CDMA2000基站授時(shí)方法

同步通信網(wǎng)絡(luò )需要一個(gè)完成同步的參考時(shí)鐘源，如何選擇和獲得這個(gè)時(shí)鐘源，就是同步系統的授時(shí)問(wèn)題。

2.1 CDMA 2000網(wǎng)絡(luò )的同步方式

CDMA2000系統是同步通信系統，它的同步分為幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò )同步、節點(diǎn)同步、傳輸通道同步和無(wú)線(xiàn)接口同步，它要求基站和手機的計數頻率穩定且盡量一致，具有同頻同相的同步時(shí)鐘信號。

CDMA是碼分多址系統，碼序列在傳輸過(guò)程中有傳輸時(shí)延，為了正確的解調發(fā)端發(fā)送的信號，就需要收端補償信號傳輸和器件處理造成的時(shí)延。而要做到補償，就需要使收、發(fā)端產(chǎn)生的碼序列同步，這就是CDMA2000系統需要同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的原因。

在同步通信系統中，收發(fā)雙方交互消息的前面都有一個(gè)同步字符，使發(fā)收雙方建立同步，此后在同步時(shí)鐘的控制下逐位發(fā)送/接收。

CDMA2000系統的基站之間建立時(shí)間同步，移動(dòng)通信基站能同時(shí)跟蹤幾個(gè)基站并在基站之間執行切換，而手機可以在軟切換區域同時(shí)獲得多個(gè)扇區的多徑數據;另外同步加快了信令交互過(guò)程，也使得手機可以較快的搜索、捕獲并待機在某個(gè)基站。

2.2 GPS信號

CDMA2000是同步通信系統，它就需要有一個(gè)時(shí)鐘源作為時(shí)鐘同步的參考。由于CDMA2000的碼速率非常高，達到1.2288Mcps，所以作為參考的同步時(shí)鐘源必須有極高精度，才能同步網(wǎng)絡(luò )的所有基站。目前CDMA2000的授時(shí)系統采用GPS時(shí)鐘(GPS clock)的時(shí)鐘信號廣播系統(radio cloCk)。

GPS系統共有24顆衛星，每顆衛星上都有2～3個(gè)高精度的銫原子鐘，這幾塊原子鐘互為備份也互相糾正，可以輸出納秒級授時(shí)精度和穩定度在1E12量級的頻率。另外GPS系統的地面控制站會(huì )定期發(fā)送時(shí)鐘信號，和每一顆衛星進(jìn)行時(shí)鐘校準。

由于衛星信號很微弱，只有在室外才能接受的到，基站為了獲得GPS衛星信號都安裝有GPS衛星信號?；綠PS天線(xiàn)安裝位置需要天空視野應開(kāi)闊，天線(xiàn)上方90度范圍內沒(méi)有大型建筑物遮擋。

CDMA基站通過(guò)GPS天線(xiàn)接收GPS衛星發(fā)射的低功率無(wú)線(xiàn)電信號，并交由時(shí)間和頻率單元解碼出其中的時(shí)鐘信號，并計算得出GPS時(shí)間。

2.3 CDMA2000基站授時(shí)方法

CDMA基站之間的相互距離往往較遠，為了減少時(shí)鐘信號長(cháng)距離傳送時(shí)所受的電磁干擾，CDMA2000基站采用分設時(shí)鐘的方式接收GPS授時(shí)。而分設GPS時(shí)鐘也有利于減小時(shí)鐘信號發(fā)射故障時(shí)造成的影響。

CDMA2000基站分設時(shí)鐘，就是各個(gè)CDMA基站單設GPS時(shí)鐘，各個(gè)基站都單獨配置時(shí)鐘系統，主要包括GPS天線(xiàn)、定時(shí)和頻率單元和振蕩器模塊，它們協(xié)同工作為基站各個(gè)組成單元提供從GPS衛星獲得的時(shí)間同步信號。這些信號使得分配給各個(gè)CE的時(shí)間信號同步。

有些CDMA基站主設備商也提供GPS天線(xiàn)引線(xiàn)拆分功能，可以將主基站接收的GPS信號拆分到同伴基站上，這主要是為了節約運營(yíng)成本，避免維護多個(gè)GPS 天線(xiàn)。這種做法一般針對主基站和同伴基站距離不太遠的情況，并且為了保證時(shí)鐘精度，同伴基站也不宜過(guò)多，朗訊設備最多3個(gè)。

CDMA基站都接入GPS衛星信號，解碼其中的時(shí)鐘信號，這樣CDMA基站系統就有了高精度的同步時(shí)鐘源了。

3、CDMA2000基站的時(shí)間同步方法

CDMA基站通過(guò)GPS天線(xiàn)接收GPS定時(shí)信號，而基站的定時(shí)主要是依靠定時(shí)/頻率單元和振蕩器模塊來(lái)完成的。

3.1 CDMA2000基站時(shí)鐘系統的主要單元

CDMA2000基站的時(shí)鐘系統主要包括GPS天線(xiàn)系統、定時(shí)和頻率單元和振蕩器模塊。

3.1.1 GPS天線(xiàn)系統

GPS天線(xiàn)帶有一個(gè)內部LNA(低噪聲放大器)，放大接收路徑中的信號。GPS天線(xiàn)系統將從天線(xiàn)接收到的GPS信號通過(guò)1：4分配放大器分配到主機柜TFU(定時(shí)和頻率單元)、擴展機柜TFU和同伴基站的TFU上。

3.1.2 定時(shí)和頻率單元

TFU(定時(shí)和頻率單元)安裝有一個(gè)GPS接收器電路系統(GPS單元)，用于捕獲和跟蹤GPS定時(shí)信號。

GPS單元向其它TFU子單元組件，饋送定時(shí)和頻率的參考信號，在這些子單元那里這些信號按照一定的條件、規則來(lái)生成其它的CDMA定時(shí)信號。

TFU子單元主要還包括訓練單元和CDMA信號生成單元。訓練單元從GPS單元讀取定時(shí)信號，并負責調整OM(振蕩器模塊)的輸出頻率。

CDMA信號生成器單元會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)19.6608MHz信號和一個(gè)偶秒報時(shí)信號(EvenSecTic)。兩個(gè)19.6608MHz信號的相位差為90度。偶秒報時(shí)信號與CDMA系統時(shí)間一致，與19.66 08-MHz信號鎖相。這些信號傳送到基站的射頻單元和基帶處理單元，使基站同步到CDMA系統時(shí)間(GPS網(wǎng)絡(luò ))TFU子單元還包括一個(gè)振蕩器模塊(OM)接口，控制并校正OM以使其維持射頻單元和主控單元要使用的15MHz信號。

3.1.3 振蕩器模塊

振蕩器模塊(OM)向模塊化基站提供了一個(gè)15MHz參考頻率。

OM的主振蕩器可以是銣或晶體的，備用振蕩器必須是晶體的。銣振蕩器支持最多24小時(shí)的飛輪時(shí)間;溫控晶體振蕩器支持最多24小時(shí)的飛輪時(shí)間晶體的老化和溫度波動(dòng)會(huì )產(chǎn)生OM漂移。TFU檢測并校正OM提供的所有輸出頻率的漂移，允許校正的量是有限度的，一旦超過(guò)了這個(gè)值就必須更換OM。

3.2 CDMA系統時(shí)間

CDMA系統時(shí)間(CST)以世界標準時(shí)(UTC)1980年1月6日00：00：00為系統零點(diǎn)，開(kāi)始計算秒數，并與GPS時(shí)間一致。

GPS時(shí)間和UTC時(shí)間相差整數秒數，特別是一些閏秒。UTC原本是沒(méi)有針對閏秒進(jìn)行過(guò)校正的，但是從1980年1月6日零點(diǎn)開(kāi)始，為保持協(xié)調世界時(shí)接近于世界時(shí)時(shí)刻，由國際計量局統一規定在年底或年中(也可能在季末)對協(xié)調世界時(shí)增加或減少1s，增加到UTC時(shí)間。

所有CDMA基站數字傳輸是參照共同的碼分多址系統時(shí)間標尺，也就是GPS時(shí)間。

CDMA系統時(shí)間(CST)啟動(dòng)于被設置為初始狀態(tài)的短碼發(fā)生器輸出一個(gè)1，然后接連輸出15個(gè)0中的最后一個(gè)0和接著(zhù)輸出的1之間的中間時(shí)刻。

CDMA系統時(shí)間(CST)啟動(dòng)于被設置為初試狀態(tài)的長(cháng)碼發(fā)生器輸出一個(gè)1，然后接連輸出41個(gè)0中的最后一個(gè)0和接著(zhù)輸出的1之間的中間時(shí)刻。

3.3 CDMA2000基站同步方法

CDMA2000基站是通過(guò)PN碼來(lái)完成和移動(dòng)臺的同步的。這里的PN碼包括PN短碼和PN長(cháng)碼。

3.3.1 短碼

PN短碼是一段周期為215-1的m序列。

由于CDMA系統同步需要的碼自相關(guān)特性，所以CDMA系統在m序列中增加了一個(gè)全0狀態(tài)，所以CDMA2000網(wǎng)絡(luò )使用的PN短碼是215，連續的15個(gè)bit，組成的序列，從0000000000 00000—111111111111111，長(cháng)度為32768個(gè)chips。而零偏置PN短碼發(fā)生器的初始狀態(tài)設置為：使短碼發(fā)生器的第一個(gè)輸出為1，然后接連輸出15個(gè)0。

CDMA系統中的PN短碼理論上可以有215個(gè)偏置，但是因為硬件解調能力達不到，也為了避免PN混淆的情況發(fā)生，CDMA系統每隔64chip抽取一個(gè)相位，可以得到512個(gè)相位，作為扇區的512種PN偏置。

這512種PN偏置在前向鏈路上被用于主擾碼，區分扇區，使得移動(dòng)臺可以根據不同的PN偏置來(lái)識別出信號是哪個(gè)扇區發(fā)射的。

PN偏置的另一個(gè)作用是在前向鏈路對不同扇區在時(shí)間上進(jìn)行隔離，使之不能相互干擾，保證CDMA系統中發(fā)射機和接收機之間實(shí)現收發(fā)同步和保持同步：

PN短碼長(cháng)度32768chip，信道編碼速率1.2288Mcps，那么傳送一個(gè)PN就需要32768/1228800=26.667毫秒，傳送1個(gè) chip就要使用1/1228800=0.813.8納秒。從CDMA系統時(shí)間的零時(shí)刻算起，將每個(gè)偶數秒的起始時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送的PN定義為零偏置PN，其后間隔PN偏置x 64chips x 813.8ns/chip開(kāi)始發(fā)送。例如PN偏置為1，那么這個(gè)扇區的pilot PN將從零偏置PN短碼發(fā)生器的初始狀態(tài)移動(dòng)1 x 64 chips x 813.8ns/chip=52.08 μs開(kāi)始發(fā)送.

而PN16與PN18的區別就是PN18比PN16多了(18-16)* 64chips x 813.8 ns/chip=104.17μs的時(shí)延。

各個(gè)扇區在導頻信道上不間斷的發(fā)送導頻信號，但是開(kāi)始發(fā)送的時(shí)刻不同，也就是相位(時(shí)延)不同。移動(dòng)臺根據CDMA系統中前向導頻信道的不同偏置識別出不同基站扇區，也識別出CDMA系統時(shí)間的起始時(shí)刻，并進(jìn)行時(shí)間同步。

3.3.2 長(cháng)碼

PN長(cháng)碼是周期為242-1的m序列。

PN長(cháng)碼具有移位相加特性，輸出序列Ck和Ck+t(Ck延時(shí)t)相加后的序列仍然是序列Ck的一個(gè)時(shí)移序列。

PN長(cháng)碼發(fā)生器的初試狀態(tài)為：當使用MSB比特為1，其余41比特為0的掩碼時(shí)，使長(cháng)碼發(fā)生器的第一個(gè)輸出為1，然后接連輸出41個(gè)0。

PN長(cháng)碼的作用在反向用于區分用戶(hù)。CDMA基站給不同用戶(hù)分配不同的長(cháng)碼掩碼，用戶(hù)根據不同的掩碼得到不同的長(cháng)碼相位，并在此相位上開(kāi)始發(fā)送數據。由于各個(gè)用戶(hù)發(fā)送數據的相位不同，基站也就很容易區分不同的用戶(hù)了。而長(cháng)碼周期為242-1，這也保證了CDMA系統擁有足夠多的長(cháng)碼偏置可以分配給每一個(gè)用戶(hù)。

4、移動(dòng)臺的授時(shí)和同步方法

CDMA系統的移動(dòng)臺采用基站時(shí)間授時(shí)，它通過(guò)解調基站在同步信道上發(fā)送的同步包囊中的時(shí)間信息完成自身時(shí)間的定時(shí)和同步。

移動(dòng)臺是在初始化狀態(tài)完成系統的定時(shí)和同步的。移動(dòng)臺的初始化狀態(tài)分為四個(gè)子狀態(tài)：

(1)系統確定子狀態(tài)

(2)導頻捕獲子狀態(tài)

(3)同步信道捕獲子狀態(tài)

(4)定時(shí)改變子狀態(tài)

移動(dòng)臺進(jìn)入確定系統子狀態(tài)的原因有很多，如移動(dòng)臺開(kāi)機上電、捕獲失敗、系統重定向、系統重選等等。移動(dòng)臺在系統確定子狀態(tài)的主要工作是根據PRL確定移動(dòng)臺的工作系統和工作頻點(diǎn)。

4.1 導頻捕獲子狀態(tài)

CDMA移動(dòng)臺捕獲扇區的導頻信道，也就是發(fā)現并解調出扇區發(fā)射的PN短碼偏置相位。

在導頻信道捕獲子狀態(tài)中，移動(dòng)臺將其頻率調諧到確定系統子狀態(tài)確定的頻點(diǎn)上，按照所選的CDMA信道進(jìn)行搜索。接收到無(wú)線(xiàn)信號后，移動(dòng)臺首先自己產(chǎn)生兩路 PN短碼序列，I序列和O序列，然后在每一個(gè)可能的扇區導頻偏移位置用它們與接收到的混合信號作相關(guān)運算。移動(dòng)臺在不長(cháng)于15秒(通常是2到4秒)內就可以把所有的可能偏移(32768種)運算一遍。移動(dòng)臺根據運算結果找出其中相關(guān)性最好，也就是Ec/IO最好，的偏移，這個(gè)偏移的相位就是扇區的PN偏置相位。

移動(dòng)臺精調本地PN碼的頻率和相位，使本地產(chǎn)生的PN短碼序列(I序列和Q序列)與接收到的扇區PN短碼序列之間的定時(shí)誤差小于1個(gè)碼片間隔Tc，進(jìn)而鎖主這個(gè)最好的導頻偏置，并且移動(dòng)臺還辨認出扇區PN短碼序列開(kāi)始的模式(一個(gè)‘1’之后連續15個(gè)‘0’)。

捕獲導頻信道后移動(dòng)臺就準備用Walsh code3264作相關(guān)運算來(lái)捕獲同步信道了。

4.2 同步信道捕獲子狀態(tài)

基站的同步信道和導頻信道保持同步關(guān)系，具有相同發(fā)射起始位置和幀長(cháng)，所以移動(dòng)臺在捕獲導頻信道后可以比較方便、快速的捕獲到同步信道。

CDMA移動(dòng)臺捕獲導頻信道后使本地產(chǎn)生的PN短碼序列(I序列和Q序列)相位一直隨著(zhù)接收到的扇區導頻PN偏置相位改變。移動(dòng)臺不斷校正本地PN短碼序列的時(shí)鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致，實(shí)現對接收信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，與發(fā)送端保持較精確的同步，正常接收擴頻信號。

捕獲了導頻信道，移動(dòng)臺就可接收同步信道消息。以下是一個(gè)同步信道消(Sync Channel Message)的詳細內容：

同步信道消息中的如下信息：

系統信息：系統標識，網(wǎng)絡(luò )標識，導頻PN序列偏置索引等;

定時(shí)信息：長(cháng)碼狀態(tài)值，系統時(shí)間，閏秒數量，夏令時(shí)指示等。

有了這些參數，移動(dòng)臺就可以依據它們對自身的一些變量進(jìn)行初始化。然后轉入定時(shí)改變子系統。

4.3 定時(shí)改變子狀態(tài)

進(jìn)入這一子狀態(tài)后，移動(dòng)臺解調收到的同步信道中的消息(由于同步信道沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(cháng)碼擾碼，故可以解調相應的同步信道)。

在這一狀態(tài)中，移動(dòng)臺主要完成兩個(gè)工作：一是利用從同步信道消息中提取出的長(cháng)碼狀態(tài)值(1c_state)設置自己的長(cháng)碼發(fā)生器，另一個(gè)就是使自己的系統時(shí)間與所提取的系統時(shí)間(sys_time)同步。由于同步信道的消息發(fā)送與系統定時(shí)嚴格對齊，這樣就使得移動(dòng)臺可以把自己的PN長(cháng)碼發(fā)生器狀態(tài)與整個(gè)系統的長(cháng)碼狀態(tài)對齊。

移動(dòng)臺利用同步信道接收到的pilot_pn，LC_STATE以及SYS_TIME，設置自己的long code timing以及system timing。

移動(dòng)臺在接收到的同步信道消息的最后一個(gè)80ms super frame的終止時(shí)刻算起，經(jīng)過(guò)320ms再減去pilot PN offset，用SYS_TIME設定自己的系統時(shí)間。

移動(dòng)臺在設定系統時(shí)間的同一時(shí)刻，根據LC_STATE設定長(cháng)碼發(fā)生器的狀態(tài)。

至此移動(dòng)臺就完成了系統同步與定時(shí)，之后將進(jìn)行位置登記，進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待接收尋呼消息。

5、CDMA2000無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的授時(shí)和同步方法的總結

CDMA基站和移動(dòng)臺的同步是CDMA2000無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)正常的基礎功能之一，此外它還有著(zhù)很廣闊的業(yè)務(wù)應用。

例如在CDMA定位技術(shù)領(lǐng)域，目前很多主流的定位技術(shù)，例如抵達時(shí)間定位技術(shù)、抵達時(shí)間差異定位技術(shù)、增強型觀(guān)測時(shí)間差、手機GPS定位和聯(lián)合定位等，都是利用PN短碼的碼片時(shí)延來(lái)確定到附近基站的距離，進(jìn)而用一定的算法手機具體位置。

本文對CDMA2000無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)基站和移動(dòng)臺的授時(shí)和同步方法進(jìn)行原理闡述，也為大家在同步相關(guān)的維護和優(yōu)化工作、時(shí)鐘同步的應用等拓展工作提供理論基礎。