大唐移動(dòng)一體化衛星授時(shí)系統解決方案

一、引言

TD-SCDMA是要求嚴格同步的TDD系統，目前TD系統采用美國全球定位系統GPS進(jìn)行授時(shí)同步，但GPS授時(shí)系統存在一些需要考慮的問(wèn)題，如施工不靈活、拉遠受限以及安全性等問(wèn)題。針對這些問(wèn)題，中國移動(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘的1588v2以及我國自主研發(fā)的北斗衛星授時(shí)系統。但由于1588v2還未大規模組網(wǎng)測試，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模實(shí)施。一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統是中國移動(dòng)聯(lián)手大唐移動(dòng)，針對TD-SCDMA傳統衛星授時(shí)系統存在的問(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)互為補充的授時(shí)方案，也給其他使用衛星授時(shí)系統行業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

二、傳統衛星授時(shí)系統

在移動(dòng)通信領(lǐng)域的3G三大標準中，CDMA2000和TD-SCDMA均為基站同步系統，基站工作的切換、漫游等均需要精確的時(shí)間控制，否則將會(huì )帶來(lái)嚴重的系統干擾。目前TD基站同步主要采用GPS系統實(shí)現，基于GPS安全問(wèn)題等考慮后續將在衛星授時(shí)系統上采用中國自主研發(fā)的北斗衛星授時(shí)系統。傳統衛星授時(shí)系統組成結構如下圖所示：

圖1 現網(wǎng)TD-SCDMA系統中GPS/北斗授時(shí)示意圖

衛星天線(xiàn)接收GPS/北斗衛星信號，通過(guò)射頻饋線(xiàn)將射頻信號傳輸到Node B內的GPS/北斗接收機，GPS/北斗接收機恢復時(shí)鐘，輸出PPS和TOD到Node B內的鎖相環(huán)，鎖相環(huán)將鎖定的時(shí)間信號下發(fā)到Node B內需要時(shí)間同步的各主要板卡。

但傳統衛星授時(shí)系統存在一些需要考慮的問(wèn)題：

（1）工程施工問(wèn)題

傳統GPS/北斗天線(xiàn)安裝環(huán)境較為嚴格，需要安裝在較開(kāi)闊的位置上，且需要保證周?chē)鸁o(wú)較大的遮擋物（如樹(shù)木、鐵塔、樓房等），對天線(xiàn)的遮擋不應超過(guò)30 度，為避免反射波的影響，GPS 天線(xiàn)盡可能遠離周?chē)叽绱笥?0cm 的金屬物2m 以上；

另外，傳統GPS/北斗同步系統采用射頻電纜線(xiàn)進(jìn)行傳輸，射頻電纜線(xiàn)徑較粗而且韌性很差不易彎曲，非常不利于施工建設美觀(guān)以及靈活性。

（2）射頻饋線(xiàn)拉遠受限問(wèn)題

傳統衛星授時(shí)系統采用射頻饋線(xiàn)傳送時(shí)鐘信號，射頻饋線(xiàn)對于信號的衰減較大，導致射頻饋線(xiàn)拉遠非常有限。以北斗授時(shí)系統為例，北斗天線(xiàn)口信號功率一般 為-127dbm，天線(xiàn)增益43db，北斗接收機靈敏度-100dbm，射頻線(xiàn)上只允許有16db（= -127+43+100）的衰減，如果采用LMR-40的信號線(xiàn)（22dB/100m@2.5Ghz）， 射頻線(xiàn)只能拉遠72米（=16÷22×100）的距離。如果超過(guò)72米，就需要添置線(xiàn)放器，為施工帶來(lái)了麻煩，較難實(shí)現GPS/北斗共天饋線(xiàn)。而目前密集 城區高層覆蓋系統以及機場(chǎng)地鐵隧道覆蓋中授時(shí)天線(xiàn)和基站距離較遠的場(chǎng)景大量存在，給傳統衛星授時(shí)系統安裝帶來(lái)很大限制。

（3）干擾問(wèn)題突出

衛星天線(xiàn)安裝環(huán)境一般比較復雜，共站址建設比較普遍，電磁干擾比 較嚴重，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(xiàn)系統頻段非?？拷?，因 此其接收性能較易受到干擾。在實(shí)際工程應用中，為了北斗信號的正常接收，北斗接收機會(huì )考慮采用窄帶濾波、屏蔽和選擇合適的天線(xiàn)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、一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統解決方案

1． 總體方案介紹

針對傳統衛星授時(shí)系統存在的問(wèn)題，為適應更廣泛的布站場(chǎng)景，中國移動(dòng)聯(lián)合大唐移動(dòng)創(chuàng )造性的提出了一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統解決方案。一體化主要是指GPS/北斗光纖拉 遠設計，天面部分將GPS/北斗天線(xiàn)與接收機一體化設計，接收機輸出的PPS與TOD通過(guò)光纖拉遠的方法傳輸給基站Node B。Node B時(shí)鐘恢復模塊恢復PPS和TOD，并且傳送到Node B需要同步的模塊?；驹O計不再需要考慮接收機的類(lèi)型（GPS/北斗）、型號、廠(chǎng)家、尺寸等一系列問(wèn)題，只需要Node B和拉遠接收機有相同的接口標準和時(shí)間傳輸機制。

圖2 GPS/北斗接收機拉遠授時(shí)示意圖

授時(shí)優(yōu)化主要是指針對共址建設中干擾的問(wèn)題，對衛星授時(shí)天線(xiàn)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備引起，其到達接收天線(xiàn)的角度與衛星信號到達接收天線(xiàn)的角度不同，可以綜合采取頻域和空域抗干擾措施。一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統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(xiàn)低噪放內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(guò)的衛星天線(xiàn)方案，一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統采用螺旋天線(xiàn)為基本技術(shù)的天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)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(lái)北斗和GPS共用一組天線(xiàn)提供了條件，各種參數容易控制（如：波束寬度、增益、阻抗、軸比），器件的一致性好，便于生產(chǎn)調試等。圖3 為普通GPS天線(xiàn)與使用螺旋GPS天線(xiàn)的波瓣圖對比，螺旋天線(xiàn)對帶內干擾有很強的抑制作用。

圖3 普通GPS天線(xiàn)和圈數為4螺旋天線(xiàn)波瓣對比圖

2． 產(chǎn)品可靠性設計

由于一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統拉遠時(shí)鐘單元RCU長(cháng)期安置在室外，并且器件結構又比普通衛星天線(xiàn)復雜，所以其可靠性設計直接影響工作穩定性，在方案設計中提出了特有的有針對性的拉遠時(shí)鐘單元RCU可靠性方案，設計方案包括耐熱抗高溫設計、抗太陽(yáng)輻射設計、防水密封設計以及防雷設計。

抗高溫設計主要采用雙層殼體結構，整個(gè)拉遠時(shí)鐘單元RCU外殼由兩層殼體構成，里外兩層殼體形成“煙囪效應”，加速空氣流動(dòng)，另外殼體采用抗紫外線(xiàn)輻射、耐高低溫的增強尼龍材料制作；防水密封設計方面，殼體使用強度高、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。防雷設計主要考慮在拉遠時(shí)鐘單元RCU內部電源入口處加裝TVS二極管（瞬變電壓抑制二極管），吸收進(jìn)入機內的差模感應電壓能量，另外在1公里內的饋電長(cháng)度內，采用接地防雷措施。

四、方案優(yōu)勢分析

1． 對工程實(shí)施有具有的影響意義

傳統GPS授時(shí)系統拉遠距離非常有限，在工程設計中往往由于需要考慮天線(xiàn)與基站的距離，給機房選址以及GPS天線(xiàn)布放提出了很大的限制條件。一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統采用光電混合纜進(jìn)行拉遠，至少可以拉遠1公里，1公里以上采用就近取電的方式可以使光纖拉遠到10公里，這就從根本上解決了傳統GPS拉遠受限影響選址的問(wèn)題，給工程施工提供了極大的便利性。而且如果RRU和RCU架設在一起時(shí)，RRU的拉遠光纖和GPS 的拉遠光纖可以同時(shí)鋪設，節約施工成本和時(shí)間。尤其適合于高層建筑、地鐵隧道以及大型場(chǎng)館等機房與衛星天線(xiàn)距離較遠的覆蓋場(chǎng)景。

2． 抗干擾能力增強，增加了共址建設的可操作性

一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統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(shí)系統的授時(shí)精度以及抗干擾特性。試驗表明，在1575.42MHz附近頻點(diǎn)處，一體化接收機比傳統GPS天線(xiàn)的抗干擾能力最大能提高28dB以上。使用特殊設計的抗干擾螺旋天線(xiàn)后，一體化接收機比傳統GPS天線(xiàn)對來(lái)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)的北斗衛星授時(shí)系統，抗干擾能力也有很大的提升，以下是在現網(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干擾已經(jīng)被消除。這給北斗同步系統作為GPS替代起到了極大的推動(dòng)作用。

圖4 使用一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統北斗模式下輸出噪聲頻譜

兩圖分別為北斗頻點(diǎn)100MHz帶寬內和20MHz帶寬內輸出噪聲頻譜。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(lái)都是TD系統改進(jìn)的重點(diǎn)方向之一，其中北斗同步授時(shí)系統與1588v2有線(xiàn)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(shí)系統存在的施工問(wèn)題以及安全問(wèn)題，但由于北斗同步授時(shí)系統干擾嚴重，以及1588v2現網(wǎng)測試還未進(jìn)行，所以?xún)身桮PS替代方案 還未大規模實(shí)施。而一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統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。

一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統可以助力于其他GPS替代方案。首先一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統可以選擇性的加入北斗模塊，或者選擇GPS/北斗雙模系 統，加之系統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(xiàn)同步方案，一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統也可以作 為有利的補充。1588v2協(xié)議通過(guò)傳輸網(wǎng)傳送時(shí)鐘信號，可以大大減少基站系統對衛星天線(xiàn)的需求，但對于1588v2系統中基站支持都需要接收衛星信號作 為時(shí)鐘源，或者比較重要的基站系統也需要接收衛星信號作為備份，一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統同樣可以發(fā)揮重要作用，提高衛星授時(shí)系統拉遠以及抗干擾優(yōu)勢，可以 作為有線(xiàn)時(shí)鐘同步的有力補充。

． 其他優(yōu)勢

基站時(shí)鐘接口標準化，基站硬件改版不再需要考慮接收機問(wèn)題；

可以實(shí)現簡(jiǎn)單組網(wǎng)，從而達到衛星時(shí)鐘共享效果；

由于接收機離天線(xiàn)很近，對天線(xiàn)增益的需求降低，天線(xiàn)容易設計，成本降低。

結束語(yǔ)

為進(jìn)一步驗證產(chǎn)品的穩定性及可靠性，大唐移動(dòng)在原理樣機開(kāi)發(fā)驗證的基礎上，率先設計開(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二期現網(wǎng)中進(jìn)行了小規模組網(wǎng)測試及驗證，測試及外場(chǎng)驗證顯示，一體化天線(xiàn)具備較好的可靠性和穩定性，并且在減小饋纜接頭損耗、抗干擾能力、美化天面外 觀(guān)、提高安裝維護便捷性等方面相比傳統GPS天線(xiàn)具有明顯的優(yōu)勢，完全滿(mǎn)足運營(yíng)商大規模商用的要求。

一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統是大唐移動(dòng)針對現有TD-SCDMA衛星授時(shí)系統的創(chuàng )新性?xún)?yōu)化方案，對衛星授時(shí)系統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)系統中，同樣的問(wèn)題依舊存在，因此一體化衛星授時(shí)優(yōu)化系統會(huì )隨著(zhù)它在TD-SCDMA授時(shí)同步中的日益成熟被更多的行 業(yè)所廣泛應用。