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(普通問題)
TDS怎么實現(xiàn)同步
提問者:
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問題答案
( 2 )
回答者：
OscarDon
回答時間：2014-04-07 17:38
1
4
1、GPS同步；2、IEEE1588v2協(xié)議同步；
摘要：本文首先分析了我國自主3G 標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)的同步需求和應(yīng)用GPS存在的風(fēng)險，提出了使用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“北斗衛(wèi)星”授時和使用地面?zhèn)魉途W(wǎng)進(jìn)行時間傳遞來替代基站加裝GPS的方案。
關(guān)鍵詞：第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA，時間同步，衛(wèi)星授時，IEEE1588v2協(xié)議，北斗衛(wèi)星（BD）
表1 各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求
各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求如表1所示。其中，TD-SCDMA的同步需求主要來源于無線系統(tǒng)同步、物理幀同步和載波頻率的同步需求。
系統(tǒng)同步主要是要實現(xiàn)基站和終端的幀同步，以及接入網(wǎng)設(shè)備RNC和NodeB的節(jié)點同步，是通過各個網(wǎng)元通過PP2S或1PPS時刻獲取原子時，通過原子時計算SFN來最終實現(xiàn)的。
TD的物理層幀同步原理是NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS相位、通過本地高穩(wěn)晶振產(chǎn)生與1PPS無相差的5ms子幀時刻（觀測點為天線口），實現(xiàn)空口同步。
圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)的同步需求
TD的載波頻率同步原理是各個網(wǎng)元的時頻單元在相同時頻產(chǎn)生算法通過授時系統(tǒng)得到1PPS長期穩(wěn)定度高于1×10-10；NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS長期穩(wěn)定度高，來調(diào)整本地高穩(wěn)晶振，使本地高穩(wěn)晶振滿足±0.05ppm，就可滿足終端250km/h 的移動速度。
如圖1所示，當(dāng)TD-SCDMA同頻組網(wǎng)時，如果相鄰Node B之間空口不同步，會產(chǎn)生時隙間干擾和上下行時隙干擾。時隙干擾是指前一個時隙的信號落在下一個時隙中，破壞了這兩個時隙內(nèi)的正交碼的正交性，使這兩個時隙（內(nèi)的基站或手機）都無法正常解調(diào)。上下行時隙干擾是指一個基站發(fā)射的信號直接對另一個基站的接收造成強大的干擾，嚴(yán)重影響第二個基站的正常接收。
TD-SCDMA 基站的時間同步需求描述見技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層（碼、幀、時隙）同步，保證所有NodeB同時發(fā)送同時接收，相位精度為<1.5us；提供NodeB的SFN同步，現(xiàn)在的TD系統(tǒng)要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN = ( time * 100) mod 4096；其中time為從1980.1.6 00:00:00開始計數(shù)的秒時間，SFN號每隔1024秒循環(huán)一遍；提供TOD信息（年月日時分秒）；提供1pps，通過鎖相技術(shù)使NodeB保證輸出頻率穩(wěn)定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA 基站要求頻率準(zhǔn)確度滿足±50ppb，同時要求相鄰基站間時間誤差小于3ms。
目前TD網(wǎng)絡(luò)的基站間的時間同步需求主要是通過采用美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時功能來實現(xiàn)的，如圖2所示。然而，通過在每個基站加裝GPS模塊來解決基站時間同步問題，存在如下幾個隱患：
l GPS要求必須同時收到四顆衛(wèi)星的信號才能完成定位和授時，因此天線安裝需滿足120°的凈空要求，天饋施工難度大；
l 接收天線饋線距離超過110米 需增加中繼放大器，而且長距離的GPS天線饋線芯徑較粗，安裝施工困難；
l GPS設(shè)備和相關(guān)的饋線成本在天饋系統(tǒng)中占有非常大的比重；每臺基站都須安裝GPS接收機模塊，增加基站成本；
l GPS系統(tǒng)由美國軍方開發(fā)和控制，可進(jìn)行局部性能劣化設(shè)置和限制使用，因此在戰(zhàn)爭等特殊情況下對TD整網(wǎng)運行帶來安全隱患。
圖2 目前TD-SCDMA無線系統(tǒng)使用GPS進(jìn)行同步
衛(wèi)星授時的優(yōu)點是時間同步的精度高、無需組建網(wǎng)絡(luò)，獲取方便；但使用GPS最大的問題就是安全問題，美國政府從未對GPS信號的質(zhì)量及使用期限給予任何的承諾和保證，而且美國政府還具有對特定地區(qū)GPS信號進(jìn)行嚴(yán)重降質(zhì)處理的能力，這是大量使用GPS后面臨的最嚴(yán)峻的安全隱患，因此，必須考慮GPS不可用時的后備技術(shù)手段。
2009年5月，英國《每日郵報》報道，美國政府發(fā)出警告說，構(gòu)成全球定位系統(tǒng)(GPS)的世界衛(wèi)星網(wǎng)可能會在2010年癱瘓，這種情況將對全球數(shù)百萬人產(chǎn)生不同程度的影響。如果這一警告成為現(xiàn)實，將對全球數(shù)百萬人產(chǎn)生不同程度的影響，對于依靠GPS的一些重點行業(yè)，將造成致命性的打擊。對于我國的電力、電信、金融等系統(tǒng)，目前對GPS的依賴性較強，一旦GPS的運行、維護(hù)出現(xiàn)問題甚至癱瘓，會對行業(yè)以至國民經(jīng)濟(jì)的運行產(chǎn)生難以估量的嚴(yán)重后果。
隨著我們3G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不斷提高，相應(yīng)地部署的基站越來越多。最近美國政府警告，由于嚴(yán)重超支和技術(shù)問題，無法按計劃更新和發(fā)送衛(wèi)星，GPS系統(tǒng)到明年可能無法保證提供高質(zhì)量的服務(wù)，這使得GPS使用安全問題更加凸現(xiàn)并急需解決，在目前TD基站均普遍使用GPS獲取時間同步的情況下，有必要制定相應(yīng)的應(yīng)對方案。
第一代北斗共3顆星，每顆星上發(fā)出2個波束，各個波束之間采用正交的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻，即碼分多址(CDMA)。理論上接收機可以鎖定一個或多個波束進(jìn)行授時，而在各個波束之間切換，不會產(chǎn)生授時誤差。在鎖定波束的優(yōu)先級策略上，有接收功率優(yōu)先、信噪比優(yōu)先、穩(wěn)定性優(yōu)先等策略。
“北斗一代”為用戶機提供兩種授時方式：單向授時和雙向授時。單向授時的精度為100ns，雙向授時的精度為20ns。在單向授時模式下，用戶機不需要與地面中心站進(jìn)行交互信息，只需接收北斗廣播電文信號，自主獲得本地時間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差，實現(xiàn)時間同步。由于“北斗一代”系統(tǒng)有三顆工作衛(wèi)星，而定位導(dǎo)航需要解算四個未知數(shù)X、Y、Z、△T(鐘差) ，所以還需要通過外部輸入高度或位置來完成授時。接收機在獲得高度或位置的情況下，通過接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，解算出本地鐘差△T，調(diào)整本地時間給出一個脈沖信號，使其上升沿同步于BD標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC 時間）的整秒時刻，并通過串口實時輸出脈沖對應(yīng)的年月日時分秒信息。在雙向授時模式下，用戶機與中心站進(jìn)行交互信息，向中心站發(fā)射授時申請信號，由中心站來計算用戶機的時差，再通過出站信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶按此時間調(diào)整本地時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間(UTC)信號對齊。
目前使用的是第一代北斗同步軌道系統(tǒng)，有3顆衛(wèi)星，采用2+1互為備份的工作模式。2003年開始民用，授時功能為單星授時方式，單向授時精度100ns，無需軍方授權(quán)，廣播式無用戶容量限制。第二代北斗系統(tǒng)計劃發(fā)射5顆靜止軌道衛(wèi)星＋30顆非靜止軌道衛(wèi)星，將主要改進(jìn)定位和通信功能，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，授時功能將增加與GPS相同的4星授時方式，但北斗一代還將并存繼續(xù)提供授時功能。北斗一代工作頻段為2.49GHz，北斗二代工作頻段為1.5GHz；一代和二代衛(wèi)星會長期共存，時統(tǒng)系統(tǒng)不變，兩種授時方式并存。
圖3 使用北斗和GPS的雙星備份應(yīng)用
目前北斗接收機和基站可采用以下兩種對接方式：一種是直接在基站內(nèi)部將GPS接收模塊用北斗衛(wèi)星接收模塊替代，這就需要推動設(shè)備提供商直接在其新提供的設(shè)備中支持北斗授時功能及模塊，當(dāng)需要替換時只需要更換GPS子卡同步模塊即可。也可以將GPS接收和北斗接收在同一塊單板上實現(xiàn)，實現(xiàn)GPS和北斗雙模接收模式。例如可以設(shè)置在正常情況下工作于GPS，當(dāng)GPS異常后自動切換到北斗，以達(dá)到在非常時期的備份目的，同時擺脫了GPS的制約。這種GPS/BD雙模雙待的工作模式如圖3所示。
針對已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)的CDMA基站和TD-SCDMA基站中使用的GPS接收機的情況，如何實現(xiàn)北斗衛(wèi)星對GPS的替代是目前的一個研究熱點。這種北斗替代GPS的方案就是首先要推動基站支持1PPS＋TOD的標(biāo)準(zhǔn)外時間同步接口，然后可以通過外置的北斗接收機的1PPS＋TOD時間輸出接口來給基站設(shè)備提供授時功能，如圖4所示。對于外置北斗接收機的方式，基站內(nèi)的GPS芯片及算法不再生效，徹底擺脫了GPS，故不再存在GPS安全性隱患。目前中國移動已針對該方案在實驗室完成了4個北斗授時模塊與華為4個TD-SCDMA基站的對接測試，測試結(jié)果完全滿足基站的同步性能要求，缺點是必須規(guī)范基站設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)外時間1PPS+TOD輸入接口。
圖4 北斗使用標(biāo)準(zhǔn)外接時間接口1PPS+TOD為基站提供同步
中國移動從2008年7月開始，分別對北京國智恒公司、北斗天匯、四創(chuàng)電子、神州天鴻、威科姆等公司提供的北斗接收機進(jìn)行了實驗室長期性能測試驗證，以及在多個省市現(xiàn)網(wǎng)上的不同基站設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置北斗授時模塊的同步性能監(jiān)測、授時機與基站接口對接的性能測試，測試結(jié)果表明北斗衛(wèi)星可以提供長期的小于100ns的時間精度，完全可以滿足TD系統(tǒng)亞微秒的精度要求。
2009年4月中國移動在多個省公司現(xiàn)網(wǎng)上組織進(jìn)行了基站設(shè)備中北斗模塊替換GPS模塊的試點測試工作，共有4個廠家的北斗內(nèi)嵌模塊和3個廠家的基站設(shè)備實現(xiàn)了10個組合的內(nèi)嵌測試。經(jīng)過幾個月的長期運行測試，除因北斗工作頻段在2.49GHz易受其它無線電波干擾，對電磁環(huán)境要求較高之外，全部運行正常。可見北斗衛(wèi)星從時間穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度等各方面都滿足TD系統(tǒng)的授時指標(biāo)要求，完全可以替代GPS來使用。當(dāng)前限制北斗應(yīng)用的主要原因是相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不是很成熟，成本相對較高，穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。經(jīng)過中國移動的測試和標(biāo)準(zhǔn)化推動，北斗產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展很快，目前已在芯片化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、抗干擾措施、創(chuàng)新性設(shè)計和應(yīng)用等方面取得了長足的進(jìn)步，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)和規(guī)�；瘧�(yīng)用，其成本可大大降低，完全可以達(dá)到與GPS相當(dāng)?shù)乃�。例如北斗天匯公司提供的北斗/GPS雙模授時模塊價格已降低到3000元左右，體積也只有名片大小，而且還和大唐基站聯(lián)合提供面向TD的抗干擾授時系統(tǒng)優(yōu)化方案，對增強現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)的授時同步抗干擾能力、提高TD系統(tǒng)授時安全性、提高系統(tǒng)性能等方面能發(fā)揮較好作用。北京國智恒公司提供基于北斗雙向授時和通信功能的全網(wǎng)時間同步方案，突出優(yōu)勢是可以實現(xiàn)同步性能的集中監(jiān)控管理，以及在突發(fā)災(zāi)害情況下還可通過北斗衛(wèi)星的簡短數(shù)字報文通信功能實現(xiàn)應(yīng)急通信。
在民族自主知識產(chǎn)權(quán)的TD網(wǎng)絡(luò)中使用中國自有的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)“中國人的TD，中國人的北斗”，可以大大增加TD-SCDMA的自主技術(shù)含量，在推動TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時，還可以同時帶動北斗產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。如果能夠在新建的TD基站中直接配置北斗授時模塊，將可以避免模塊替代的改造成本，實現(xiàn)北斗授時在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用部署，擺脫GPS的安全風(fēng)險。
2G 、3G 無線通信系統(tǒng)的承載職能的的傳輸網(wǎng)絡(luò)可以提供時間同步傳遞功能，則可以從根本上解決在基站中配置衛(wèi)星接收機和在機房架設(shè)衛(wèi)星接收天線所存在的成本和工程安裝方面的難題。具體解決思路是在網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點處注入時間同步信息，通過有線網(wǎng)絡(luò)如分組交換網(wǎng)或SDH網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)時間同步傳遞功能，基站從相鄰的傳輸網(wǎng)元提取同步信息，從而達(dá)到所有基站之間的時間同步目的。
傳統(tǒng)的地面時間同步鏈路是采用傳送NTP（Network Timing Protocol）協(xié)議的方式來實現(xiàn)，該協(xié)議最大的缺點只能滿足ms級別的時間傳遞精度，這對于無線時間同步基站所需的ms級時間精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以針對這個問題IEEE協(xié)議組織提出了PTP(Precision Time Protocal)－ IEEE1588精確時間傳送協(xié)議，IEEE1588協(xié)議的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，目前已發(fā)展到v2版本。1588v2對v1進(jìn)行了完善，提高了同步的精度；引入透明時鐘TC模式，包括E2E透明時鐘和P2P透明時鐘，計算中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的駐留時間，從而實現(xiàn)主從間精確時間同步；新增端口間延時測量機制等，通過非對稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械姆e聚錯誤。
圖5 IEEE1588時間同步過程
如圖5所示，1588v2的核心思想是采用主從時鐘方式，周期時鐘發(fā)布，對時間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時測量技術(shù)，實現(xiàn)主從時鐘的同步，PTP的關(guān)鍵在于延時測量。IEEE1588V2的優(yōu)點主要有支持時間和頻率同步；同步精度高，可達(dá)亞微秒級；網(wǎng)絡(luò)PDV影響可通過逐級的恢復(fù)方式解決；是統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。其缺點有不支持非對稱網(wǎng)絡(luò)，且需要硬件支持IEEE1588V2協(xié)議和工作原理。相對于NTP的毫秒級精度，1588v2協(xié)議可實現(xiàn)微秒及次微秒級時間同步精度，可替代當(dāng)前的GPS實現(xiàn)方案，降低網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成本和設(shè)備的安裝復(fù)雜性。
基于分組網(wǎng)傳遞時間同步的TD-SCDMA基站時間同步解決方案如圖6所示。首先在分組網(wǎng)絡(luò)上游某節(jié)點注入時間源，然后通過PTP協(xié)議在分組網(wǎng)絡(luò)上傳遞時間信息到所有分組網(wǎng)絡(luò)的邊緣站點，基站從與之相連的分組網(wǎng)設(shè)備上接收時間同步信息，達(dá)到空口之間的同步目的。核心思想是在分組網(wǎng)絡(luò)中使用IEEE 1588v2技術(shù)，通過IEEE1588V2協(xié)議報文實現(xiàn)時間同步。
這時分組網(wǎng)絡(luò)提供的時間同步接口主要有帶外接口和帶內(nèi)接口兩種模式。
帶內(nèi)接口：支持PTP同步的以太網(wǎng)接口，包括百兆和千兆以太網(wǎng)，這種模式可傳較遠(yuǎn)的距離，但要求基站支持PTP協(xié)議和時鐘恢復(fù)功能，需要對已有基站接口進(jìn)行IP化和1588v2功能支持的改造。
帶外接口：支持TOD+1PPS的RJ45接口，這種接口不需基站運行PTP協(xié)議，但只適合近距離傳輸，需人工補償固定延時。
公開 來自：labs
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摘要：本文首先分析了我國自主
關(guān)鍵詞：第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA，時間同步，衛(wèi)星授時，IEEE1588v2協(xié)議，北斗衛(wèi)星（BD）
一. TD-SCDMA的同步需求
移動通信技術(shù)的發(fā)展離不開同步技術(shù)的支持，載波頻率的穩(wěn)定、上下行時隙的對準(zhǔn)、可靠高質(zhì)量的傳送、基站之間的切換、漫游等都需要精確的同步控制。我國提出的TD-SCDMA——Time Division- Synchronous Code Division Multiple Access (時分同步的碼分多址技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)，由于采用了TDD模式對時鐘和時間同步提出了更高的要求。TD-SCDMA系統(tǒng)相鄰基站之間空口對時間同步的精度要求是3us。表1 各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求
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Standard |
Frequency Accuracy |
Phase Accuracy |
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GSM |
50ppb |
None |
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UMTS/WCDMA |
50ppb |
None |
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CDMA2000 |
50ppb |
目標(biāo)小于3ms 必須小于10ms |
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TD-SCDMA |
50ppb |
相鄰基站間相差小于3ms |
|
Femtocell (UMTS) |
100ppb, 200 (NSN), 250(Samsung) |
None |
|
Femtocell (TDD) |
50ppb |
相鄰基站間相差小于3ms |
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LTE（FDD） |
50ppb |
None |
|
LTE（TDD） |
50ppb |
相鄰基站間相差小于3ms |
|
LTE
MBMS |
50ppb |
相鄰cell間相差小于5ms |
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WiMax 802.16e (TDD) |
絕對偏差2ppm； 相鄰基站間 ~50ppb |
1.4ms (SOFDMA, G = 1/8) (相鄰基站間) |
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Backhaul N/W |
16ppb |
N/A |
各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求如表1所示。其中，TD-SCDMA的同步需求主要來源于無線系統(tǒng)同步、物理幀同步和載波頻率的同步需求。
系統(tǒng)同步主要是要實現(xiàn)基站和終端的幀同步，以及接入網(wǎng)設(shè)備RNC和NodeB的節(jié)點同步，是通過各個網(wǎng)元通過PP2S或1PPS時刻獲取原子時，通過原子時計算SFN來最終實現(xiàn)的。
TD的物理層幀同步原理是NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS相位、通過本地高穩(wěn)晶振產(chǎn)生與1PPS無相差的5ms子幀時刻（觀測點為天線口），實現(xiàn)空口同步。
圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)的同步需求
TD的載波頻率同步原理是各個網(wǎng)元的時頻單元在相同時頻產(chǎn)生算法通過授時系統(tǒng)得到1PPS長期穩(wěn)定度高于1×10-10；NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS長期穩(wěn)定度高，來調(diào)整本地高穩(wěn)晶振，使本地高穩(wěn)晶振滿足±0.05ppm，就可滿足終端
如圖1所示，當(dāng)TD-SCDMA同頻組網(wǎng)時，如果相鄰Node B之間空口不同步，會產(chǎn)生時隙間干擾和上下行時隙干擾。時隙干擾是指前一個時隙的信號落在下一個時隙中，破壞了這兩個時隙內(nèi)的正交碼的正交性，使這兩個時隙（內(nèi)的基站或手機）都無法正常解調(diào)。上下行時隙干擾是指一個基站發(fā)射的信號直接對另一個基站的接收造成強大的干擾，嚴(yán)重影響第二個基站的正常接收。
TD-SCDMA 基站的時間同步需求描述見技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層（碼、幀、時隙）同步，保證所有NodeB同時發(fā)送同時接收，相位精度為<1.5us；提供NodeB的SFN同步，現(xiàn)在的TD系統(tǒng)要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN = ( time * 100) mod 4096；其中time為從1980.1.6 00:00:00開始計數(shù)的秒時間，SFN號每隔1024秒循環(huán)一遍；提供TOD信息（年月日時分秒）；提供1pps，通過鎖相技術(shù)使NodeB保證輸出頻率穩(wěn)定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA 基站要求頻率準(zhǔn)確度滿足±50ppb，同時要求相鄰基站間時間誤差小于3ms。
二. TD-SCDMA授時現(xiàn)狀和存在的問題
目前在通信領(lǐng)域中，對于高精度時間同步需求主要來自CDMA基站和TD-SCDMA基站，現(xiàn)有的解決方法就是通過配置GPS來解決，即在每個基站設(shè)備上都配置了GPS。目前TD網(wǎng)絡(luò)的基站間的時間同步需求主要是通過采用美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時功能來實現(xiàn)的，如圖2所示。然而，通過在每個基站加裝GPS模塊來解決基站時間同步問題，存在如下幾個隱患：
l GPS要求必須同時收到四顆衛(wèi)星的信號才能完成定位和授時，因此天線安裝需滿足120°的凈空要求，天饋施工難度大；
l 接收天線饋線距離超過
l GPS設(shè)備和相關(guān)的饋線成本在天饋系統(tǒng)中占有非常大的比重；每臺基站都須安裝GPS接收機模塊，增加基站成本；
l GPS系統(tǒng)由美國軍方開發(fā)和控制，可進(jìn)行局部性能劣化設(shè)置和限制使用，因此在戰(zhàn)爭等特殊情況下對TD整網(wǎng)運行帶來安全隱患。
圖2 目前TD-SCDMA無線系統(tǒng)使用GPS進(jìn)行同步
衛(wèi)星授時的優(yōu)點是時間同步的精度高、無需組建網(wǎng)絡(luò)，獲取方便；但使用GPS最大的問題就是安全問題，美國政府從未對GPS信號的質(zhì)量及使用期限給予任何的承諾和保證，而且美國政府還具有對特定地區(qū)GPS信號進(jìn)行嚴(yán)重降質(zhì)處理的能力，這是大量使用GPS后面臨的最嚴(yán)峻的安全隱患，因此，必須考慮GPS不可用時的后備技術(shù)手段。
2009年5月，英國《每日郵報》報道，美國政府發(fā)出警告說，構(gòu)成全球定位系統(tǒng)(GPS)的世界衛(wèi)星網(wǎng)可能會在2010年癱瘓，這種情況將對全球數(shù)百萬人產(chǎn)生不同程度的影響。如果這一警告成為現(xiàn)實，將對全球數(shù)百萬人產(chǎn)生不同程度的影響，對于依靠GPS的一些重點行業(yè)，將造成致命性的打擊。對于我國的電力、電信、金融等系統(tǒng)，目前對GPS的依賴性較強，一旦GPS的運行、維護(hù)出現(xiàn)問題甚至癱瘓，會對行業(yè)以至國民經(jīng)濟(jì)的運行產(chǎn)生難以估量的嚴(yán)重后果。
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三. TD基站的非GPS授時方法
針對GPS的安全性問題，目前有兩種替代GPS提供高精度時間同步的方式：采用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)，或者通過地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)提供高精度時間傳遞，以保障CDMA網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。1. 用北斗替代GPS的授時方案
北斗衛(wèi)星授時原理是指接收機通過某種方式獲得本地時間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差，然后調(diào)整本地時鐘使時差控制在一定的精度范圍內(nèi)。在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，授時用戶根據(jù)衛(wèi)星的廣播或定位信息不斷的核準(zhǔn)其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度；根據(jù)通播或?qū)Ш诫娢牡臅r序特征，通過計數(shù)器，可以得到高精度的同步秒脈沖1PPS信號，用于同/異地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步操作。第一代北斗共3顆星，每顆星上發(fā)出2個波束，各個波束之間采用正交的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻，即碼分多址(CDMA)。理論上接收機可以鎖定一個或多個波束進(jìn)行授時，而在各個波束之間切換，不會產(chǎn)生授時誤差。在鎖定波束的優(yōu)先級策略上，有接收功率優(yōu)先、信噪比優(yōu)先、穩(wěn)定性優(yōu)先等策略。
“北斗一代”為用戶機提供兩種授時方式：單向授時和雙向授時。單向授時的精度為100ns，雙向授時的精度為20ns。在單向授時模式下，用戶機不需要與地面中心站進(jìn)行交互信息，只需接收北斗廣播電文信號，自主獲得本地時間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時間的鐘差，實現(xiàn)時間同步。由于“北斗一代”系統(tǒng)有三顆工作衛(wèi)星，而定位導(dǎo)航需要解算四個未知數(shù)X、Y、Z、△T(鐘差) ，所以還需要通過外部輸入高度或位置來完成授時。接收機在獲得高度或位置的情況下，通過接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，解算出本地鐘差△T，調(diào)整本地時間給出一個脈沖信號，使其上升沿同步于BD標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC 時間）的整秒時刻，并通過串口實時輸出脈沖對應(yīng)的年月日時分秒信息。在雙向授時模式下，用戶機與中心站進(jìn)行交互信息，向中心站發(fā)射授時申請信號，由中心站來計算用戶機的時差，再通過出站信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶按此時間調(diào)整本地時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間(UTC)信號對齊。
目前使用的是第一代北斗同步軌道系統(tǒng)，有3顆衛(wèi)星，采用2+1互為備份的工作模式。2003年開始民用，授時功能為單星授時方式，單向授時精度100ns，無需軍方授權(quán)，廣播式無用戶容量限制。第二代北斗系統(tǒng)計劃發(fā)射5顆靜止軌道衛(wèi)星＋30顆非靜止軌道衛(wèi)星，將主要改進(jìn)定位和通信功能，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，授時功能將增加與GPS相同的4星授時方式，但北斗一代還將并存繼續(xù)提供授時功能。北斗一代工作頻段為2.49GHz，北斗二代工作頻段為1.5GHz；一代和二代衛(wèi)星會長期共存，時統(tǒng)系統(tǒng)不變，兩種授時方式并存。
圖3 使用北斗和GPS的雙星備份應(yīng)用
目前北斗接收機和基站可采用以下兩種對接方式：一種是直接在基站內(nèi)部將GPS接收模塊用北斗衛(wèi)星接收模塊替代，這就需要推動設(shè)備提供商直接在其新提供的設(shè)備中支持北斗授時功能及模塊，當(dāng)需要替換時只需要更換GPS子卡同步模塊即可。也可以將GPS接收和北斗接收在同一塊單板上實現(xiàn)，實現(xiàn)GPS和北斗雙模接收模式。例如可以設(shè)置在正常情況下工作于GPS，當(dāng)GPS異常后自動切換到北斗，以達(dá)到在非常時期的備份目的，同時擺脫了GPS的制約。這種GPS/BD雙模雙待的工作模式如圖3所示。
針對已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)的CDMA基站和TD-SCDMA基站中使用的GPS接收機的情況，如何實現(xiàn)北斗衛(wèi)星對GPS的替代是目前的一個研究熱點。這種北斗替代GPS的方案就是首先要推動基站支持1PPS＋TOD的標(biāo)準(zhǔn)外時間同步接口，然后可以通過外置的北斗接收機的1PPS＋TOD時間輸出接口來給基站設(shè)備提供授時功能，如圖4所示。對于外置北斗接收機的方式，基站內(nèi)的GPS芯片及算法不再生效，徹底擺脫了GPS，故不再存在GPS安全性隱患。目前中國移動已針對該方案在實驗室完成了4個北斗授時模塊與華為4個TD-SCDMA基站的對接測試，測試結(jié)果完全滿足基站的同步性能要求，缺點是必須規(guī)范基站設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)外時間1PPS+TOD輸入接口。
圖4 北斗使用標(biāo)準(zhǔn)外接時間接口1PPS+TOD為基站提供同步
中國移動從2008年7月開始，分別對北京國智恒公司、北斗天匯、四創(chuàng)電子、神州天鴻、威科姆等公司提供的北斗接收機進(jìn)行了實驗室長期性能測試驗證，以及在多個省市現(xiàn)網(wǎng)上的不同基站設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置北斗授時模塊的同步性能監(jiān)測、授時機與基站接口對接的性能測試，測試結(jié)果表明北斗衛(wèi)星可以提供長期的小于100ns的時間精度，完全可以滿足TD系統(tǒng)亞微秒的精度要求。
2009年4月中國移動在多個省公司現(xiàn)網(wǎng)上組織進(jìn)行了基站設(shè)備中北斗模塊替換GPS模塊的試點測試工作，共有4個廠家的北斗內(nèi)嵌模塊和3個廠家的基站設(shè)備實現(xiàn)了10個組合的內(nèi)嵌測試。經(jīng)過幾個月的長期運行測試，除因北斗工作頻段在2.49GHz易受其它無線電波干擾，對電磁環(huán)境要求較高之外，全部運行正常。可見北斗衛(wèi)星從時間穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度等各方面都滿足TD系統(tǒng)的授時指標(biāo)要求，完全可以替代GPS來使用。當(dāng)前限制北斗應(yīng)用的主要原因是相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不是很成熟，成本相對較高，穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。經(jīng)過中國移動的測試和標(biāo)準(zhǔn)化推動，北斗產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展很快，目前已在芯片化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、抗干擾措施、創(chuàng)新性設(shè)計和應(yīng)用等方面取得了長足的進(jìn)步，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)和規(guī)�；瘧�(yīng)用，其成本可大大降低，完全可以達(dá)到與GPS相當(dāng)?shù)乃�。例如北斗天匯公司提供的北斗/GPS雙模授時模塊價格已降低到3000元左右，體積也只有名片大小，而且還和大唐基站聯(lián)合提供面向TD的抗干擾授時系統(tǒng)優(yōu)化方案，對增強現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)的授時同步抗干擾能力、提高TD系統(tǒng)授時安全性、提高系統(tǒng)性能等方面能發(fā)揮較好作用。北京國智恒公司提供基于北斗雙向授時和通信功能的全網(wǎng)時間同步方案，突出優(yōu)勢是可以實現(xiàn)同步性能的集中監(jiān)控管理，以及在突發(fā)災(zāi)害情況下還可通過北斗衛(wèi)星的簡短數(shù)字報文通信功能實現(xiàn)應(yīng)急通信。
在民族自主知識產(chǎn)權(quán)的TD網(wǎng)絡(luò)中使用中國自有的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)“中國人的TD，中國人的北斗”，可以大大增加TD-SCDMA的自主技術(shù)含量，在推動TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時，還可以同時帶動北斗產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。如果能夠在新建的TD基站中直接配置北斗授時模塊，將可以避免模塊替代的改造成本，實現(xiàn)北斗授時在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用部署，擺脫GPS的安全風(fēng)險。
2. 用地面?zhèn)魉蜁r間信息替代GPS的授時方案
如果地面有線網(wǎng)絡(luò)特別是肩負(fù)傳統(tǒng)的地面時間同步鏈路是采用傳送NTP（Network Timing Protocol）協(xié)議的方式來實現(xiàn)，該協(xié)議最大的缺點只能滿足ms級別的時間傳遞精度，這對于無線時間同步基站所需的ms級時間精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以針對這個問題IEEE協(xié)議組織提出了PTP(Precision Time Protocal)－ IEEE1588精確時間傳送協(xié)議，IEEE1588協(xié)議的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，目前已發(fā)展到v2版本。1588v2對v1進(jìn)行了完善，提高了同步的精度；引入透明時鐘TC模式，包括E2E透明時鐘和P2P透明時鐘，計算中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的駐留時間，從而實現(xiàn)主從間精確時間同步；新增端口間延時測量機制等，通過非對稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械姆e聚錯誤。
圖5 IEEE1588時間同步過程
如圖5所示，1588v2的核心思想是采用主從時鐘方式，周期時鐘發(fā)布，對時間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時測量技術(shù)，實現(xiàn)主從時鐘的同步，PTP的關(guān)鍵在于延時測量。IEEE1588V2的優(yōu)點主要有支持時間和頻率同步；同步精度高，可達(dá)亞微秒級；網(wǎng)絡(luò)PDV影響可通過逐級的恢復(fù)方式解決；是統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。其缺點有不支持非對稱網(wǎng)絡(luò)，且需要硬件支持IEEE1588V2協(xié)議和工作原理。相對于NTP的毫秒級精度，1588v2協(xié)議可實現(xiàn)微秒及次微秒級時間同步精度，可替代當(dāng)前的GPS實現(xiàn)方案，降低網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成本和設(shè)備的安裝復(fù)雜性。
基于分組網(wǎng)傳遞時間同步的TD-SCDMA基站時間同步解決方案如圖6所示。首先在分組網(wǎng)絡(luò)上游某節(jié)點注入時間源，然后通過PTP協(xié)議在分組網(wǎng)絡(luò)上傳遞時間信息到所有分組網(wǎng)絡(luò)的邊緣站點，基站從與之相連的分組網(wǎng)設(shè)備上接收時間同步信息，達(dá)到空口之間的同步目的。核心思想是在分組網(wǎng)絡(luò)中使用IEEE 1588v2技術(shù)，通過IEEE1588V2協(xié)議報文實現(xiàn)時間同步。
這時分組網(wǎng)絡(luò)提供的時間同步接口主要有帶外接口和帶內(nèi)接口兩種模式。
帶內(nèi)接口：支持PTP同步的以太網(wǎng)接口，包括百兆和千兆以太網(wǎng)，這種模式可傳較遠(yuǎn)的距離，但要求基站支持PTP協(xié)議和時鐘恢復(fù)功能，需要對已有基站接口進(jìn)行IP化和1588v2功能支持的改造。
帶外接口：支持TOD+1PPS的RJ45接口，這種接口不需基站運行PTP協(xié)議，但只適合近距離傳輸，需人工補償固定延時。
公開 來自：labs
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回答者：
zhangshiqin
回答時間：2014-04-08 09:00
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