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(普通問題)
TDS怎么實現(xiàn)同步
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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 標準TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)的同步需求和應用GPS存在的風險，提出了使用我國自主知識產權的“北斗衛(wèi)星”授時和使用地面?zhèn)魉途W(wǎng)進行時間傳遞來替代基站加裝GPS的方案。
關鍵詞：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)的同步性能指標要求
各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標要求如表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TD-SCDMA同頻組網(wǎng)時，如果相鄰Node B之間空口不同步，會產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的正交碼的正交性，使這兩個時隙（內的基站或手機）都無法正常解調。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設備和相關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，可進行局部性能劣化設置和限制使用，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，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信號進行嚴重降質處理的能力，這是大量使用GPS后面臨的最嚴峻的安全隱患，因此，必須考慮GPS不可用時的后備技術手段。
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、維護出現(xiàn)問題甚至癱瘓，會對行業(yè)以至國民經(jīng)濟的運行產生難以估量的嚴重后果。
隨著我們3G 網(wǎng)絡建設的不斷推進，網(wǎng)絡覆蓋范圍不斷提高，相應地部署的基站越來越多。最近美國政府警告，由于嚴重超支和技術問題，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量的服務，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，有必要制定相應的應對方案。
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頻碼進行擴頻，即碼分多址(CDMA)。理論上接收機可以鎖定一個或多個波束進行授時，而在各個波束之間切換，不會產生授時誤差。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準時間的鐘差，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)星的導航電文，解算出本地鐘差△T，調整本地時間給出一個脈沖信號，使其上升沿同步于BD標準時間（UTC 時間）的整秒時刻，并通過串口實時輸出脈沖對應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)星轉發(fā)給用戶，用戶按此時間調整本地時鐘與標準時間(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，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，將主要改進定位和通信功能，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(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，這就需要推動設備提供商直接在其新提供的設備中支持北斗授時功能及模塊，當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。例如可以設置在正常情況下工作于GPS，當GPS異常后自動切換到北斗，以達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的標準外時間同步接口，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)范基站設備提供標準外時間1PPS+TOD輸入接口。
圖4 北斗使用標準外接時間接口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)上的不同基站設備內部內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)上組織進行了基站設備中北斗模塊替換GPS模塊的試點測試工作，共有4個廠家的北斗內嵌模塊和3個廠家的基站設備實現(xiàn)了10個組合的內嵌測試。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�？梢姳倍沸l(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)的授時指標要求，完全可以替代GPS來使用。當前限制北斗應用的主要原因是相關產業(yè)鏈還不是很成熟，成本相對較高，穩(wěn)定性需要進一步提高。經(jīng)過中國移動的測試和標準化推動，北斗產業(yè)鏈發(fā)展很快，目前已在芯片化、接口標準化、抗干擾措施、創(chuàng)新性設計和應用等方面取得了長足的進步，如果能夠實現(xiàn)量產和規(guī)�；瘧茫涑杀究纱蟠蠼档�，完全可以達到與GPS相當?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)應急通信。
在民族自主知識產權的TD網(wǎng)絡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的自主技術含量，在推動TD-SCDMA網(wǎng)絡發(fā)展的同時，還可以同時帶動北斗產業(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)中的應用部署，擺脫GPS的安全風險。
2G 、3G 無線通信系統(tǒng)的承載職能的的傳輸網(wǎng)絡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)絡的某個節(jié)點處注入時間同步信息，通過有線網(wǎng)絡如分組交換網(wǎng)或SDH網(wǎng)絡來實現(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級時間精度是遠遠不夠的。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)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”，目前已發(fā)展到v2版本。1588v2對v1進行了完善，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)絡設備引入的駐留時間，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)絡拓撲中的積聚錯誤。
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，對時間信息進行編碼，利用網(wǎng)絡的對稱性和延時測量技術，實現(xiàn)主從時鐘的同步，PTP的關鍵在于延時測量。IEEE1588V2的優(yōu)點主要有支持時間和頻率同步；同步精度高，可達亞微秒級；網(wǎng)絡PDV影響可通過逐級的恢復方式解決；是統(tǒng)一的業(yè)界標準。其缺點有不支持非對稱網(wǎng)絡，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，可替代當前的GPS實現(xiàn)方案，降低網(wǎng)絡組網(wǎng)成本和設備的安裝復雜性。
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)絡上傳遞時間信息到所有分組網(wǎng)絡的邊緣站點，基站從與之相連的分組網(wǎng)設備上接收時間同步信息，達到空口之間的同步目的。核心思想是在分組網(wǎng)絡中使用IEEE 1588v2技術，通過IEEE1588V2協(xié)議報文實現(xiàn)時間同步。
這時分組網(wǎng)絡提供的時間同步接口主要有帶外接口和帶內接口兩種模式。
帶內接口：支持PTP同步的以太網(wǎng)接口，包括百兆和千兆以太網(wǎng)，這種模式可傳較遠的距離，但要求基站支持PTP協(xié)議和時鐘恢復功能，需要對已有基站接口進行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
移動通信技術的發(fā)展離不開同步技術的支持，載波頻率的穩(wěn)定、上下行時隙的對準、可靠高質量的傳送、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)標準，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 |
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Femtocell (UMTS) |
100ppb, 200 (NSN), 250(Samsung) |
None |
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Femtocell (TDD) |
50ppb |
相鄰基站間相差小于3ms |
|
LTE（FDD） |
50ppb |
None |
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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 |
|
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TD-SCDMA同頻組網(wǎng)時，如果相鄰Node B之間空口不同步，會產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的正交碼的正交性，使這兩個時隙（內的基站或手機）都無法正常解調。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，即在每個基站設備上都配置了GPS。目前TD網(wǎng)絡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設備和相關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，可進行局部性能劣化設置和限制使用，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，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信號進行嚴重降質處理的能力，這是大量使用GPS后面臨的最嚴峻的安全隱患，因此，必須考慮GPS不可用時的后備技術手段。
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、維護出現(xiàn)問題甚至癱瘓，會對行業(yè)以至國民經(jīng)濟的運行產生難以估量的嚴重后果。
隨著我們
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)絡提供高精度時間傳遞，以保障CDMA網(wǎng)絡和TD-SCDMA網(wǎng)絡的安全可靠性。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準時間的鐘差，然后調整本地時鐘使時差控制在一定的精度范圍內。在北斗導航系統(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其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度；根據(jù)通播或導航電文的時序特征，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頻碼進行擴頻，即碼分多址(CDMA)。理論上接收機可以鎖定一個或多個波束進行授時，而在各個波束之間切換，不會產生授時誤差。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準時間的鐘差，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)星的導航電文，解算出本地鐘差△T，調整本地時間給出一個脈沖信號，使其上升沿同步于BD標準時間（UTC 時間）的整秒時刻，并通過串口實時輸出脈沖對應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)星轉發(fā)給用戶，用戶按此時間調整本地時鐘與標準時間(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，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，將主要改進定位和通信功能，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(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，這就需要推動設備提供商直接在其新提供的設備中支持北斗授時功能及模塊，當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。例如可以設置在正常情況下工作于GPS，當GPS異常后自動切換到北斗，以達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的標準外時間同步接口，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)范基站設備提供標準外時間1PPS+TOD輸入接口。
圖4 北斗使用標準外接時間接口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)上的不同基站設備內部內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)上組織進行了基站設備中北斗模塊替換GPS模塊的試點測試工作，共有4個廠家的北斗內嵌模塊和3個廠家的基站設備實現(xiàn)了10個組合的內嵌測試。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�？梢姳倍沸l(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)的授時指標要求，完全可以替代GPS來使用。當前限制北斗應用的主要原因是相關產業(yè)鏈還不是很成熟，成本相對較高，穩(wěn)定性需要進一步提高。經(jīng)過中國移動的測試和標準化推動，北斗產業(yè)鏈發(fā)展很快，目前已在芯片化、接口標準化、抗干擾措施、創(chuàng)新性設計和應用等方面取得了長足的進步，如果能夠實現(xiàn)量產和規(guī)�；瘧茫涑杀究纱蟠蠼档�，完全可以達到與GPS相當?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)應急通信。
在民族自主知識產權的TD網(wǎng)絡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的自主技術含量，在推動TD-SCDMA網(wǎng)絡發(fā)展的同時，還可以同時帶動北斗產業(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)中的應用部署，擺脫GPS的安全風險。
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)絡特別是肩負傳統(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級時間精度是遠遠不夠的。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)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”，目前已發(fā)展到v2版本。1588v2對v1進行了完善，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)絡設備引入的駐留時間，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)絡拓撲中的積聚錯誤。
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，對時間信息進行編碼，利用網(wǎng)絡的對稱性和延時測量技術，實現(xiàn)主從時鐘的同步，PTP的關鍵在于延時測量。IEEE1588V2的優(yōu)點主要有支持時間和頻率同步；同步精度高，可達亞微秒級；網(wǎng)絡PDV影響可通過逐級的恢復方式解決；是統(tǒng)一的業(yè)界標準。其缺點有不支持非對稱網(wǎng)絡，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，可替代當前的GPS實現(xiàn)方案，降低網(wǎng)絡組網(wǎng)成本和設備的安裝復雜性。
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)絡上傳遞時間信息到所有分組網(wǎng)絡的邊緣站點，基站從與之相連的分組網(wǎng)設備上接收時間同步信息，達到空口之間的同步目的。核心思想是在分組網(wǎng)絡中使用IEEE 1588v2技術，通過IEEE1588V2協(xié)議報文實現(xiàn)時間同步。
這時分組網(wǎng)絡提供的時間同步接口主要有帶外接口和帶內接口兩種模式。
帶內接口：支持PTP同步的以太網(wǎng)接口，包括百兆和千兆以太網(wǎng)，這種模式可傳較遠的距離，但要求基站支持PTP協(xié)議和時鐘恢復功能，需要對已有基站接口進行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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