北斗在移動通信中的應(yīng)用技術(shù)研究

【摘 要】提出了北斗技術(shù)在移動通信中的多種應(yīng)用，包括北斗為移動通信基站系統(tǒng)授時、北斗系統(tǒng)與移動通信短報文互操作架構(gòu)、北斗與移動集成終端的導(dǎo)航和基于室內(nèi)分布系統(tǒng)的北斗室內(nèi)精確定位技術(shù)。隨著北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)度的推進(jìn)，北斗技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用將越來越廣泛和深入，以提升移動通信系統(tǒng)的安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】北斗 授時 導(dǎo)航 室內(nèi)精準(zhǔn)定位

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.012 中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）04-0064-04

引用格式：江華. 北斗在移動通信中的應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2016，40（4）： 64-67.

1 引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)是由多個基站組成的蜂窩覆蓋系統(tǒng)，為了降低基站之間的干擾和保持基站之間的同步運(yùn)行，須使多個基站設(shè)備的參考時鐘保持一致，需要精密的授時時鐘同步。時鐘同步包括頻率同步和相位同步，表1列出了不同無線接入技術(shù)對時鐘的同步要求。為了使移動通信基站之間時鐘同步，當(dāng)前主要采用較成熟的GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）作為同步時鐘源。

繼美國的GPS和俄羅斯的GLONASS之后，我國自行研制了北斗全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可以向全球提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，同時北斗還具有短報文通信能力，服務(wù)應(yīng)用范圍更為廣泛。

北斗技術(shù)應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)，可以替代當(dāng)前在移動通信中使用的GPS技術(shù)。2013年3月1日，3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代伙伴工程）的第59次RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)）全體大會上順利通過3GPP LTE（Long-term Evolution，長期演進(jìn)）和UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移動通信系統(tǒng)）關(guān)于支持基站輔助北斗定位技術(shù)的立項申請，意味著北斗技術(shù)可以完全用于移動通信領(lǐng)域。

北斗系統(tǒng)可以為移動通信基站系統(tǒng)授時、移動終端導(dǎo)航和相互通信等，針對北斗技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究，涉及的內(nèi)容包括北斗授時、導(dǎo)航、互操作架構(gòu)和室內(nèi)定位等。

2 北斗授時功能在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)提供的時間同步精度是20～100ns，滿足移動通信的授時精度要求。與當(dāng)前基站系統(tǒng)采用的GPS授時精度相同，可以有兩種部署方案：一種在移動網(wǎng)絡(luò)站點部署北斗接收系統(tǒng)為移動基站系統(tǒng)授時，不依賴移動通信的傳輸網(wǎng)絡(luò)，獨立性較強(qiáng)；另一種是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588v2（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師學(xué)會）授時方式，不必在每個站點都部署北斗接收系統(tǒng)。

在移動網(wǎng)絡(luò)站點機(jī)房部署北斗接收系統(tǒng)為移動基站系統(tǒng)授時，需要北斗接收天線通過饋線連接至基站。如果采用室內(nèi)基站方式，尤其是基帶系統(tǒng)在室內(nèi)，則室外的北斗接收天線與基站之間需要較長的饋線，需要考慮信號在線纜上傳輸?shù)膿p耗等因素。圖1為在移動網(wǎng)絡(luò)站點部署北斗示意圖，其中Node B是3G基站，eNodeB是4G LTE基站，二者可通過功分器共享北斗信號。這種站點部署北斗方案會受材料成本、工程成本和使用環(huán)境的限制。

另外一種部署北斗的方案是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588v2技術(shù)。IEEE1588v2通過IP報文傳送時鐘信息的方式，其基本應(yīng)用是采用服務(wù)器和客戶端主從同步方式，實現(xiàn)原理為：主時鐘周期性發(fā)布點到點時間同步協(xié)議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發(fā)來的時間戳信息，即硬件戳，系統(tǒng)據(jù)此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調(diào)整本地時間，使從設(shè)備時間保持與主設(shè)備時間一致的頻率與相位。移動通信網(wǎng)絡(luò)中，最常用的部署方案是在移動核心網(wǎng)機(jī)房內(nèi)部署IEEE1588v2服務(wù)器，以4G LTE系統(tǒng)為例，eNodeB需要內(nèi)置IEEE1588v2客戶端芯片，并支持IEEE1588v2協(xié)議，服務(wù)器和客戶端之間采用IP承載IEEE1588v2報文，客戶端通過檢測與服務(wù)器之間報文的時間戳來確定頻率和相位同步信息。IEEE1588v2分為單播和多播兩種實現(xiàn)方式，在采用多播方式部署時，需要服務(wù)器和客戶端eNodeB之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)支持并轉(zhuǎn)發(fā)多播報文，因此對傳輸網(wǎng)絡(luò)要求很高。通常一臺IEEE1588v2服務(wù)器根據(jù)其性能能夠為數(shù)百甚至數(shù)千臺eNodeB提供授時服務(wù)。

基于IEEE1588v2授時方案，對于IP化傳輸網(wǎng)絡(luò)來說是最常用的應(yīng)用場景。在核心網(wǎng)或者傳輸網(wǎng)機(jī)房中采用北斗時鐘源作為參考時鐘源，該參考時鐘源提供給核心網(wǎng)或者傳輸網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的IEEE1588v2服務(wù)器。然后IEEE1588v2服務(wù)器將該參考時鐘源信息通過IP網(wǎng)絡(luò)中的IEEE1588v2報文分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的客戶端eNodeB，eNodeB通過解析IEEE1588v2報文，跟蹤、鎖定該參考時鐘。圖2為基于IEEE1588v2的北斗部署示例。

在實際的移動網(wǎng)絡(luò)中，移動站點機(jī)房可以有多種時鐘源，如eNodeB既可以直接接收北斗時鐘，也可以采用IEEE1588v2時鐘同步。這種情況下，eNodeB可以設(shè)置時鐘優(yōu)先級，如北斗為主時鐘源、IEEE1588v2為備用時鐘源，這樣當(dāng)北斗時鐘信號丟失或者異常時，eNodeB可以硬切換到IEEE1588v2作為時鐘同步方式，為了避免主備切換失步影響移動網(wǎng)絡(luò)性能，通常采用熱備份方案，即eNodeB同時接收主、備時鐘源時鐘，備用時鐘處于等待狀態(tài)（等待主時鐘源異常，轉(zhuǎn)為主時鐘源）。圖2所示的站點機(jī)房3中，eNodeB采用了北斗直接同步方式作為主時鐘源，IEEE1588v2為備用時鐘源。

3 北斗與移動通信系統(tǒng)的互操作架構(gòu)

北斗系統(tǒng)的短報文通信功能可以一次性傳送40到60個漢字，北斗終端支持收發(fā)短報文通信功能。北斗的短報文功能在無移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景中具有重要的應(yīng)用價值，如遠(yuǎn)洋航行。移動通信服務(wù)的普及，需要移動終端支持與北斗用戶終端實現(xiàn)短報文互通。圖3為移動通信系統(tǒng)與北斗系統(tǒng)互操作示意圖，從移動終端到移動通信基站系統(tǒng)，再到移動核心網(wǎng)和短消息中心，再通過網(wǎng)關(guān)到北斗地面系統(tǒng)，由北斗地面系統(tǒng)發(fā)送到北斗衛(wèi)星，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到北斗終端，從而實現(xiàn)兩類終端的雙向短報文通信。

移動終端與北斗終端通信應(yīng)用場景為遠(yuǎn)離移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域，如沙漠、高山、海洋等野外，可通過北斗終端與移動終端互通信。

4 集成北斗的移動終端導(dǎo)航

北斗的基本功能是導(dǎo)航和定位，其定位精度可以達(dá)到10m，其用戶終端可以與移動終端集成，即雙模終端，為移動用戶提供導(dǎo)航和定位服務(wù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理：測出衛(wèi)星到用戶（接收機(jī)）之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可得出用戶的具體空間位置。在立體空間坐標(biāo)系中，各個導(dǎo)航衛(wèi)星不斷以光速向地面廣播含有基準(zhǔn)時間信息的測距碼，該測距碼到用戶的傳播時間與光速乘積得出的測量距離，稱為偽距。由于衛(wèi)星的位置和系統(tǒng)時間已知，由四顆以上衛(wèi)星組成聯(lián)立方程，可以解出包含用戶的立體坐標(biāo)位置和鐘差，即同時完成立體定位和授時計算。由于衛(wèi)星發(fā)送的測距碼是廣播式的，所以定位和授時計算都是在用戶端完成。

在導(dǎo)航定位方面，為了節(jié)省終端功耗，需要減少終端的復(fù)雜定位計算，可以通過云服務(wù)方式在云端完成定位計算，再將定位結(jié)果反饋給終端，具體流程如圖4所示：

圖4 基于云端的定位服務(wù)

近幾年，衛(wèi)星導(dǎo)航與定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，以GPS為典型代表，形成一個產(chǎn)業(yè)鏈，涉及芯片、數(shù)字地圖、智能位置服務(wù)等領(lǐng)域?；诒倍芳夹g(shù)的導(dǎo)航和位置服務(wù)還需解決核心技術(shù)、應(yīng)用示范和構(gòu)建體系架構(gòu)等方面的瓶頸。

5 基于偽衛(wèi)星技術(shù)的室內(nèi)精準(zhǔn)定位

偽衛(wèi)星的概念早在1976年就被提出來，最初主要用于測試GPS的用戶設(shè)備。但隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，偽衛(wèi)星作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的增強(qiáng)工具，可以提高定位精度、改善完好性和增強(qiáng)可用性，尤其在衛(wèi)星覆蓋不到的地方，如地下礦井、室內(nèi)等場景。

按照偽衛(wèi)星的工作原理，可將偽衛(wèi)星分為直接測距偽衛(wèi)星、移動偽衛(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈路偽衛(wèi)星和同步偽衛(wèi)星（轉(zhuǎn)發(fā)式偽衛(wèi)星）。針對室內(nèi)無衛(wèi)星信號覆蓋場景，即北斗終端接收不到衛(wèi)星信號，采用與移動通信室內(nèi)分布系統(tǒng)相結(jié)合的同步偽衛(wèi)星方案進(jìn)行精確室內(nèi)定位。

圖5為基于同步偽北斗衛(wèi)星的室內(nèi)定位方案，充分利用室內(nèi)現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)，將北斗信號通過室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)環(huán)境，即室內(nèi)分布天線除收發(fā)移動通信信號外，還轉(zhuǎn)發(fā)北斗信號。室內(nèi)部署多個同步偽衛(wèi)星，并接收來自室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的北斗衛(wèi)星信號，北斗終端除了接收室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的北斗衛(wèi)星信號外，還接收來自同步偽衛(wèi)星的反射信號，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

基于室內(nèi)分布系統(tǒng)的同步偽衛(wèi)星方案有明顯的內(nèi)部時延，但是時延相對穩(wěn)定，可以認(rèn)為是一個常量，可以預(yù)先校準(zhǔn)，從系統(tǒng)中去掉。

6 結(jié)束語

北斗導(dǎo)航技術(shù)可以在移動通信中得到廣泛應(yīng)用，不但可以增強(qiáng)移動網(wǎng)絡(luò)的安全性，而且還擴(kuò)展了移動服務(wù)范疇。無論是北斗的精確授時、短報文服務(wù)還是導(dǎo)航和定位，其都與移動通信系統(tǒng)有著密切的關(guān)聯(lián)，尤其是當(dāng)前用戶對移動終端的依賴性越來越大，北斗技術(shù)應(yīng)用于移動通信也是其發(fā)展的大趨勢。

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