全面GPS授時(shí)優(yōu)化解決方案

賈思遠(yuǎn) 孫偉

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司 北京 100032）

1 引言

TD-SCDMA是要求嚴(yán)格同步的移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前TD-SCDMA系統(tǒng)采用美國全球定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行授時(shí)同步，但GPS授時(shí)系統(tǒng)存在一些需要考慮的問題，如施工不靈活、拉遠(yuǎn)受限以及安全性等問題。針對這些問題，中國移動(dòng)提出了基于時(shí)間同步的GPS替代方案，具有主流性的方案是基于有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的1588v2以及我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)。但由于1588v2還出于試驗(yàn)階段，而且目前測試中發(fā)現(xiàn)一些需要改進(jìn)的問題；以及北斗一代干擾問題突出的一些原因，GPS替代的兩種主流方案還未大規(guī)模實(shí)施。所以必須找到可以解決GPS施工、拉遠(yuǎn)受限以及安全問題目前切實(shí)有效的優(yōu)化方案。

另一方面，由于目前GPS替代方案還未大規(guī)模實(shí)施，現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)中存在由于射頻饋線拉遠(yuǎn)受限等問題，導(dǎo)致很多衛(wèi)星天線將就安裝的場景，有可能導(dǎo)致衛(wèi)星天線接收信號遮擋等問題，所以需要完備的衛(wèi)星接收機(jī)和基站時(shí)鐘運(yùn)行和告警機(jī)制。不僅可以保證衛(wèi)星信號接收出現(xiàn)問題時(shí)基站工作不受影響，而且可以一定時(shí)間內(nèi)以合理預(yù)警機(jī)制使得以最快速度發(fā)現(xiàn)并且解決問題。

2 全面的GPS授時(shí)優(yōu)化解決方案

針對GPS目前存在的問題，中國移動(dòng)組織設(shè)備廠商首創(chuàng)了GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)解決方案，從根本上解決了傳統(tǒng)GPS授時(shí)系統(tǒng)存在的一系列問題；而且提供了完備的GPS失步保持及告警機(jī)制，保證了TD-SCDMA系統(tǒng)授時(shí)功能更加完善可靠；另外，即使出現(xiàn)幾率極低的接收機(jī)或者基站時(shí)鐘缺陷，不能預(yù)警GPS失步問題，基站系統(tǒng)還完備了TD-SCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案，可以及時(shí)準(zhǔn)確檢測出跑偏基站，防止出現(xiàn)上行干擾。三項(xiàng)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的GPS優(yōu)化解決方案，可以說全面保證了TD-SCDMA授時(shí)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)了授時(shí)系統(tǒng)“零問題”。

2.1 GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)解決方案

GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)綜合采用授時(shí)信號光纖拉遠(yuǎn)、強(qiáng)抗干擾濾波設(shè)計(jì)以及GPS/北斗雙系統(tǒng)聯(lián)合解決技術(shù)，3項(xiàng)技術(shù)不僅從根本上徹底解決傳統(tǒng)授時(shí)系統(tǒng)的問題，滿足現(xiàn)網(wǎng)所有衛(wèi)星授時(shí)的場景需求，并且可以顯著提升TD系統(tǒng)授時(shí)系統(tǒng)的性能，如圖1所示。

授時(shí)信號光纖拉遠(yuǎn)采用GPS/北斗天線與接收機(jī)一體化設(shè)計(jì)，接收機(jī)輸出PPS與TOD通過光纖拉遠(yuǎn)的方法傳輸給基站，基站恢復(fù)時(shí)鐘信號給需要同步的板卡使用?；静辉訇P(guān)心接收機(jī)的類型（GPS/北斗）、型號、廠家、尺寸等一系列問題。只需要基站和拉遠(yuǎn)時(shí)鐘單元有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間傳輸機(jī)制即可。GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)通過光電混合纜可以至少拉遠(yuǎn)1km，在就近取電的方式下，至少可以拉遠(yuǎn)10km，完全滿足現(xiàn)網(wǎng)GPS/北斗長距離拉遠(yuǎn)的需求。

該系統(tǒng)還針對與WLAN共址建設(shè)中干擾的問題，采用強(qiáng)抗干擾濾波設(shè)計(jì)，其綜合采用頻域?yàn)V波和空域?yàn)V波的方案。頻域?yàn)V波采用在天線低噪放內(nèi)部加裝高選擇性濾波器抑制帶外干擾，而空域?yàn)V波則使用螺旋天線技術(shù)。螺旋天線特點(diǎn)是方向性好，增益高，頻帶寬，尤其是頻帶寬這點(diǎn)對將來北斗和GPS共用一組天線提供了條件，各種參數(shù)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(diào)試等。強(qiáng)抗干擾濾波設(shè)計(jì)使得衛(wèi)星天線基本沒有水平隔離度要求，可以做到與TD-SCDMA天線共抱桿安裝，極大降低了衛(wèi)星天線安裝協(xié)調(diào)難度。

GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)不僅使用GPS/北斗雙模設(shè)計(jì)，保證了授時(shí)安全性，而且采用了雙系統(tǒng)聯(lián)合解算技術(shù)。傳統(tǒng)雙模系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)平臺(tái)方案，只能單獨(dú)工作在GPS或者北斗模式下，而雙系統(tǒng)聯(lián)合結(jié)算技術(shù)，是在授時(shí)信息提取中不再區(qū)分授時(shí)衛(wèi)星的差別，將GPS和北斗的信息同時(shí)處理?？梢允沟檬跁r(shí)系統(tǒng)捕獲衛(wèi)星信號更快速，授時(shí)更可靠，同時(shí)采用統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái)也降低了硬件成本，降低了系統(tǒng)功耗，提高了整機(jī)的可靠性。

除此之外，GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)還采用了特殊的抗高溫、防水密封和防雷設(shè)計(jì)，極大保證了室外拉遠(yuǎn)時(shí)鐘系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，現(xiàn)網(wǎng)20個(gè)站點(diǎn)規(guī)模測試穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)半年多時(shí)間。

該系統(tǒng)對衛(wèi)星授時(shí)工程實(shí)施、抗干擾能力提升以及接口標(biāo)準(zhǔn)化方面都具有深遠(yuǎn)影響：

從根本上解決了傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)拉遠(yuǎn)受限以及增加放大器造成的工程實(shí)施問題，給基站布放以及GPS天線選址提供了極大的靈活性；

提高了衛(wèi)星接收系統(tǒng)的抗干擾能力，增加了共址建設(shè)的可操作性，降低了衛(wèi)星天線安裝協(xié)調(diào)難度；

接口標(biāo)準(zhǔn)化，解決了授時(shí)器件的通用性，衛(wèi)星接收機(jī)的任何改造都不會(huì)影響基站。

GPS/北斗雙模授時(shí)，極大地保證了TD系統(tǒng)整網(wǎng)的安全性。

2009年9月，在南京進(jìn)行了20個(gè)站點(diǎn)的現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模測試，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)網(wǎng)第一個(gè)TD-SCDMA天線與衛(wèi)星天線共抱桿安裝的場景，和第一個(gè)切換到單北斗授時(shí)并且穩(wěn)定工作的場景。

2010年1月12日至1月14日，全網(wǎng)基站因美國GPS系統(tǒng)升級出現(xiàn)頻繁告警問題，而20個(gè)GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)切換到北斗模式完全運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 完備的衛(wèi)星授時(shí)失步告警機(jī)制

基站可提供完備GPS同步失效告警機(jī)制，其中包括接收機(jī)告警和基站告警：

首先，GPS接收機(jī)在由于天線被遮擋等原因不能接收衛(wèi)星信號，或者接收的信號不能正確地解算的情況下，接收機(jī)將發(fā)出告警信息，告警類型包括天線開路告警、天線短路告警、未跟蹤到衛(wèi)星告警、自檢失敗告警和PP1S不可用告警。

基站收到告警信息后，基站內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)將進(jìn)入保持狀態(tài)，不會(huì)影響基站的正常工作，并且上報(bào)“時(shí)鐘進(jìn)入HOLDOVER狀態(tài)”告警。如果GPS失鎖超過12h，基站時(shí)鐘將上報(bào)“時(shí)鐘進(jìn)入HOLDOVER預(yù)警狀態(tài)”告警。如果GPS失鎖超過24h，將上報(bào)“時(shí)鐘進(jìn)入HOLDOVER超時(shí)狀態(tài)”告警，然后自動(dòng)去激活小區(qū)，并上報(bào)“小區(qū)退服”告警。

基站時(shí)鐘在24h保持過程中，如果再次鎖定GPS信號，“時(shí)鐘進(jìn)入HOLDOVER狀態(tài)”告警自動(dòng)解除?；驹谌ゼせ钚^(qū)后，會(huì)繼續(xù)搜索GPS信號，如果可以再次鎖定GPS信號，基站自動(dòng)恢復(fù)小區(qū)，“小區(qū)退服”告警自動(dòng)清除。

完備的衛(wèi)星授時(shí)失步告警機(jī)制不僅可以及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星接收機(jī)出現(xiàn)的大部分問題，并且可以在接收機(jī)失鎖的情況下仍不影響基站正常工作。

2.3 業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的TD-SCDMA系統(tǒng)失步檢測解決方案

對于個(gè)別GPS接收機(jī)本身的缺陷導(dǎo)致的時(shí)鐘跑偏，因?yàn)闆]有時(shí)鐘參照標(biāo)準(zhǔn)，自身無法知曉自己跑偏，無法按照正常的告警機(jī)制告警，但如果采用我公司提出的TD-SCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案，可以在此情況下及時(shí)有效的檢測出同步跑偏的基站。

傳統(tǒng)GPS跑偏檢測方式針對每個(gè)基站分別進(jìn)行跑偏檢測，在操作過程中需要將測試儀表拿到可疑站對應(yīng)的小區(qū)下進(jìn)行檢測，這種方式不能準(zhǔn)確的對多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行檢測，給實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作帶來不便。

我公司提供的TD-SCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案是針對多個(gè)基站同時(shí)進(jìn)行跑偏檢測，通過在基站的正常上行時(shí)隙檢測Sync_DL碼來實(shí)現(xiàn)，可以快速發(fā)現(xiàn)GPS跑偏的站點(diǎn)。

由于常規(guī)時(shí)隙比較長，如果一次進(jìn)行檢測，則計(jì)算復(fù)雜度比較高，可以采用分段依次進(jìn)行檢測的方法，將常規(guī)時(shí)隙分為若干個(gè)檢測窗。為了滿足時(shí)延和處理能力的要求，在每個(gè)檢測區(qū)域連續(xù)進(jìn)行N子幀的檢測，完成后進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域的檢測，直到整個(gè)時(shí)隙各檢測區(qū)域都檢測完成，最后按時(shí)隙上報(bào)檢測結(jié)果。即：連續(xù)N個(gè)子幀只檢測第一個(gè)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)，完成后又連續(xù)N個(gè)子幀檢測第二個(gè)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)，如此遞推，直到檢測完全部數(shù)據(jù)段，最后按照時(shí)隙檢測結(jié)果進(jìn)行上報(bào)。

如果是本小區(qū)跑偏了，則會(huì)存在多個(gè)SYNC_DL所對應(yīng)的相關(guān)結(jié)果滿足峰值檢測條件，如果是鄰小區(qū)跑偏了，由于多個(gè)鄰小區(qū)同時(shí)跑偏且都同步的概率很小，往往只會(huì)存在一個(gè)SYNC_DL所對應(yīng)的相關(guān)檢測結(jié)果滿足峰值檢測條件。根據(jù)以上判決原則，如果只檢測到一個(gè)SYNC_DL碼，則認(rèn)為發(fā)送SYNC_DL碼的小區(qū)為GPS跑偏小區(qū)，如果檢測到兩個(gè)以上的SYNC_DL碼，則可以認(rèn)為本小區(qū)GPS跑偏。檢測完成后，物理層會(huì)將跑偏檢測結(jié)果上報(bào)給OMC，供網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員進(jìn)一步分析和判斷。

目前TD-SCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案現(xiàn)網(wǎng)測試效果良好，如圖2所示。使用TDSCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案可以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)基站GPS跑偏現(xiàn)象，從而解決上行干擾問題。

3 綜合優(yōu)勢分析

GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)解決方案是保證授時(shí)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星失步的一個(gè)重要原因就是由于衛(wèi)星天線的安裝受限問題，而導(dǎo)致天線被遮擋無法正確接收衛(wèi)星信號。而衛(wèi)星天線安裝受限是由于兩個(gè)原因：第一，是由于傳統(tǒng)衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)射頻饋線拉遠(yuǎn)受限，而現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)中基站設(shè)備與衛(wèi)星天線距離較遠(yuǎn)的場景比比皆是，所以很多場景下衛(wèi)星天線都不是安裝在最佳的位置；另一方面，高樓天面一般是安裝衛(wèi)星天線最佳的位置，而天面的無線環(huán)境一般是比較復(fù)雜的，而傳統(tǒng)GPS天線安裝還有較大的隔離度要求，所以衛(wèi)星天線的安裝協(xié)調(diào)也較為困難。而GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)徹底解決GPS選址問題，拉遠(yuǎn)距離基本沒有限制，而且可以做到與TD天線共抱桿安裝，大大降低GPS失效告警發(fā)生概率。

完備的同步失效告警及跑偏檢測算法作為預(yù)警補(bǔ)充。如果出現(xiàn)接收機(jī)本身缺陷的故障，我公司完備的同步失效告警機(jī)制及跑偏檢測算法可以及時(shí)有效的上報(bào)告警，并且不會(huì)造成基站間干擾，保證基站仍能正常穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 TD-SCDMA系統(tǒng)同步跑偏檢測方案

所以說，GPS/北斗光纖拉遠(yuǎn)從基礎(chǔ)上保證了授時(shí)系統(tǒng)的可靠性，而同步實(shí)效告警及跑偏檢測算法也從正常運(yùn)行角度為授時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行做了預(yù)警補(bǔ)充?？梢哉f，一項(xiàng)技術(shù)做基礎(chǔ)，兩項(xiàng)技術(shù)做保障，完全實(shí)現(xiàn)了TDSCDMA衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的“零問題”。

4 結(jié)束語

TD-SCDMA系統(tǒng)是要求嚴(yán)格同步的移動(dòng)通信系統(tǒng)，同步授時(shí)模塊是TD-SCDMA系統(tǒng)的“心臟”。全面GPS優(yōu)化解決方案，不僅可以保障授時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)問題及時(shí)解決，而且從根本上保證了授時(shí)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，極大提升了TD授時(shí)系統(tǒng)的性能，完全滿足運(yùn)營商確保TD網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，必將在中國移動(dòng)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容工程建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。