TD-SCDMA基站非GPS同步解决方案研究

TD-SCDMA基站非GPS同步解决方案研究王晓东陈晓明徐荣（中国移动通信集团公司，北京100039）摘要：本文首先分析了我国自主3G标准TD-SCDMA无线通信系统的同步需求和应用GPS存在的风险，提出了使用我国自主知识产权的“北斗卫星”授时和使用地面传送网进行时间传递来替代基站加装GPS的方案。关键词：第三代移动通信系统TD-SCDMA，时间同步，卫星授时，IEEE1588v2协议，北斗卫星（BD）一.TD-SCDMA的同步需求移动通信技术的发展离不开同步技术的支持，载波频率的稳定、上下行时隙的对准、可靠高质量的传送、基站之间的切换、漫游等都需要精确的同步控制。我国提出的TD-SCDMA——TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess(时分同步的码分多址技术)标准，由于采用了TDD模式对时钟和时间同步提出了更高的要求。TD-SCDMA系统相邻基站之间空口对时间同步的精度要求是3us。表1各种无线通信系统的同步性能指标要求StandardFrequencyAccuracyPhaseAccuracyGSM50ppbNoneUMTS/WCDMA50ppbNoneCDMA200050ppb目标小于3s必须小于10sTD-SCDMA50ppb相邻基站间相差小于3sFemtocell(UMTS)100ppb,200(NSN),250(Samsung)NoneFemtocell(TDD)50ppb相邻基站间相差小于3sLTE（FDD）50ppbNoneLTE（TDD）50ppb相邻基站间相差小于3sLTEMBMS50ppb相邻cell间相差小于5sWiMax802.16e(TDD)绝对偏差2ppm；相邻基站间~50ppb1.4s(SOFDMA,G=1/8)(相邻基站间)BackhaulN/W16ppbN/A各种无线通信系统的同步性能指标要求如表1所示。其中，TD-SCDMA的同步需求主要来源于无线系统同步、物理帧同步和载波频率的同步需求。系统同步主要是要实现基站和终端的帧同步，以及接入网设备RNC和NodeB的节点同步，是通过各个网元通过PP2S或1PPS时刻获取原子时，通过原子时计算SFN来最终实现的。TD的物理层帧同步原理是NodeB通过获取授时系统1PPS相位、通过本地高稳晶振产生与1PPS无相差的5ms子帧时刻（观测点为天线口），实现空口同步。图1TD-SCDMA系统的同步需求TD的载波频率同步原理是各个网元的时频单元在相同时频产生算法通过授时系统得到1PPS长期稳定度高于1×10-10；NodeB通过获取授时系统1PPS长期稳定度高，来调整本地高稳晶振，使本地高稳晶振满足±0.05ppm，就可满足终端250km/h的移动速度。如图1所示，当TD-SCDMA同频组网时，如果相邻NodeB之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰。时隙干扰是指前一个时隙的信号落在下一个时隙中，破坏了这两个时隙内的正交码的正交性，使这两个时隙（内的基站或手机）都无法正常解调。上下行时隙干扰是指一个基站发射的信号直接对另一个基站的接收造成强大的干扰，严重影响第二个基站的正常接收。TD-SCDMA基站的时间同步需求描述见技术规范3GPPTR25.836，要求提供NodeB的物理层（码、帧、时隙）同步，保证所有NodeB同时发送同时接收，相位精度为1.5us；提供NodeB的SFN同步，现在的TD系统要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN=(time*100)mod4096；其中time为从1980.1.600:00:00开始计数的秒时间，SFN号每隔1024秒循环一遍；提供TOD信息（年月日时分秒）；提供1pps，通过锁相技术使NodeB保证输出频率稳定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA基站要求频率准确度满足±50ppb，同时要求相邻基站间时间误差小于3s。二.TD-SCDMA授时现状和存在的问题目前在通信领域中，对于高精度时间同步需求主要来自CDMA基站和TD-SCDMA基站，现有的解决方法就是通过配置GPS来解决，即在每个基站设备上都配置了GPS。目前TD网络的基站间的时间同步需求主要是通过采用美国GPS卫星导航系统的授时功能来实现的，如图2所示。然而，通过在每个基站加装GPS模块来解决基站时间同步问题，存在如下几个隐患：GPS要求必须同时收到四颗卫星的信号才能完成定位和授时，因此天线安装需满足120°的净空要求，天馈施工难度大；接收天线馈线距离超过110米需增加中继放大器，而且长距离的GPS天线馈线芯径较粗，安装施工困难；GPS设备和相关的馈线成本在天馈系统中占有非常大的比重；每台基站都须安装GPS接收机模块，增加基站成本；GPS系统由美国军方开发和控制，可进行局部性能劣化设置和限制使用，因此在战争等特殊情况下对TD整网运行带来安全隐患。图2目前TD-SCDMA无线系统使用GPS进行同步卫星授时的优点是时间同步的精度高、无需组建网络，获取方便；但使用GPS最大的问题就是安全问题，美国政府从未对GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证，而且美国政府还具有对特定地区GPS信号进行严重降质处理的能力，这是大量使用GPS后面临的最严峻的安全隐患，因此，必须考虑GPS不可用时的后备技术手段。2009年5月，英国《每日邮报》报道，美国政府发出警告说，构成全球定位系统(GPS)的世界卫星网可能会在2010年瘫痪，这种情况将对全球数百万人产生不同程度的影响。如果这一警告成为现实，将对全球数百万人产生不同程度的影响，对于依靠GPS的一些重点行业，将造成致命性的打击。对于我国的电力、电信、金融等系统，目前对GPS的依赖性较强，一旦GPS的运行、维护出现问题甚至瘫痪，会对行业以至国民经济的运行产生难以估量的严重后果。随着我们3G网络建设的不断推进，网络覆盖范围不断提高，相应地部署的基站越来越多。最近美国政府警告，由于严重超支和技术问题，无法按计划更新和发送卫星，GPS系统到明年可能无法保证提供高质量的服务，这使得GPS使用安全问题更加凸现并急需解决，在目前TD基站均普遍使用GPS获取时间同步的情况下，有必要制定相应的应对方案。三.TD基站的非GPS授时方法针对GPS的安全性问题，目前有两种替代GPS提供高精度时间同步的方式：采用我国自主研发的北斗卫星授时系统，或者通过地面传输网络提供高精度时间传递，以保障CDMA网络和TD-SCDMA网络的安全可靠性。1.用北斗替代GPS的授时方案北斗卫星授时原理是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。在北斗导航系统中，授时用户根据卫星的广播或定位信息不断的核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度；根据通播或导航电文的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲1PPS信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。第一代北斗共3颗星，每颗星上发出2个波束，各个波束之间采用正交的扩频码进行扩频，即码分多址(CDMA)。理论上接收机可以锁定一个或多个波束进行授时，而在各个波束之间切换，不会产生授时误差。在锁定波束的优先级策略上，有接收功率优先、信噪比优先、稳定性优先等策略。“北斗一代”为用户机提供两种授时方式：单向授时和双向授时。单向授时的精度为100ns，双向授时的精度为20ns。在单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互信息，只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。由于“北斗一代”系统有三颗工作卫星，而定位导航需要解算四个未知数X、Y、Z、△T(钟差)，所以还需要通过外部输入高度或位置来完成授时。接收机在获得高度或位置的情况下，通过接收卫星的导航电文，解算出本地钟差△T，调整本地时间给出一个脉冲信号，使其上升沿同步于BD标准时间（UTC时间）的整秒时刻，并通过串口实时输出脉冲对应的年月日时分秒信息。在双向授时模式下，用户机与中心站进行交互信息，向中心站发射授时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间(UTC)信号对齐。目前使用的是第一代北斗同步轨道系统，有3颗卫星，采用2+1互为备份的工作模式。2003年开始民用，授时功能为单星授时方式，单向授时精度100ns，无需军方授权，广播式无用户容量限制。第二代北斗系统计划发射5颗静止轨道卫星＋30颗非静止轨道卫星，将主要改进定位和通信功能，逐步扩展为全球卫星导航系统，授时功能将增加与GPS相同的4星授时方式，但北斗一代还将并存继续提供授时功能。北斗一代工作频段为2.49GHz，北斗二代工作频段为1.5GHz；一代和二代卫星会长期共存，时统系统不变，两种授时方式并存。图3使用北斗和GPS的双星备份应用目前北斗接收机和基站可采用以下两种对接方式：一种是直接在基站内部将GPS接收模块用北斗卫星接收模块替代，这就需要推动设备提供商直接在其新提供的设备中支持北斗授时功能及模块，当需要替换时只需要更换GPS子卡同步模块即可。也可以将GPS接收和北斗接收在同一块单板上实现，实现GPS和北斗双模接收模式。例如可以设置在正常情况下工作于GPS，当GPS异常后自动切换到北斗，以达到在非常时期的备份目的，同时摆脱了GPS的制约。这种GPS/BD双模双待的工作模式如图3所示。针对已经在现网的CDMA基站和TD-SCDMA基站中使用的GPS接收机的情况，如何实现北斗卫星对GPS的替代是目前的一个研究热点。这种北斗替代GPS的方案就是首先要推动基站支持1PPS＋TOD的标准外时间同步接口，然后可以通过外置的北斗接收机的1PPS＋TOD时间输出接口来给基站设备提供授时功能，如图4所示。对于外置北斗接收机的方式，基站内的GPS芯片及算法不再生效，彻底摆脱了GPS，故不再存在GPS安全性隐患。目前中国移动已针对该方案在实验室完成了4个北斗授时模块与华为4个TD-SCDMA基站的对接测试，测试结果完全满足基站的同步性能要求，缺点是必须规范基站设备提供标准外时间1PPS+TOD输入接口。图4北斗使用标准外接时间接口1PPS+TOD为基站提供同步中国移动从2008年7月开始，分别对北京国智恒公司、北斗天汇、四创电子、神州天鸿、威科姆等公司提供的北斗接收机进行了实验室长期性能测试验证，以及在多个省市现网上的不同基站设备内部内置北斗授时模块的同步性能监测、授时机与基站接口对接的性能测试，测试结果表明北斗卫星可以提供长期的小于100ns的时间精度，完全可以满足TD系统亚微秒的精度要求。2009年4月中国移动在多个省公司现网上组织进行了基站设备中北斗模块替换GPS模块的试点测试工作，共有4个厂家的北斗内嵌模块和3个厂家的基站设备实现了10个组合的内嵌测试。经过几个月的长期运行测试，除因北斗工作频段在2.49GHz易受其它无线电波干扰，对电磁环境要求较高之外，全部运行正常。可见北斗卫星从时间稳定性和频率稳定度等各方面都满足TD系统的授时指标要求，完全可以替代GPS来使用。当前限制北斗应用的主要原因是相关产业链还不是很成熟，成本相对较高，稳定性需要进一步提高。经过中国移动的测试和标准化推动，北斗产业链发展很快，目前已在芯片化、接口标准化、抗干扰措施、创新性设计和应用等方面取得了长足的进步，如果能够实现量产和规模化应用，其成本可大大降低，完全可以达到与GPS相当的水平。例如北斗天汇公司提供的北斗/GPS双模授时模块价格已降低到3000元左右，体积也只有名片大小，而且还和大唐基站联合提供面向TD的抗干扰授时系统优化方案，对增强现有TD-SCDMA系统的授时同步抗干扰能力、提高TD系统授时安全性、提高系统性能等方面能发挥较好作用。北京国智恒公司提供基于北斗双向授时和通信功能的全网时间同步方案，突出优势是可以实现同步性能的集中监控管理，以及在突发灾害情况下还可通过北斗卫星的简短数字报文通信功能实现应急通信。在民族自主知识产权的TD网络中使用中国自有的北