GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)及在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用

（武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

1 引言

TD-LTE是嚴(yán)格要求時(shí)鐘同步的系統(tǒng)，時(shí)鐘的不同步會(huì)引起相鄰基站間的上下行信號(hào)交叉干擾，目前公網(wǎng)宏站時(shí)鐘同步普遍由單一GPS授時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)GPS授時(shí)系統(tǒng)需要良好的GPS信號(hào)可視空域環(huán)境，對(duì)GPS天線選址、拉遠(yuǎn)距離、工程施工和抗干擾能力等因素具有嚴(yán)格要求。在軌道交通行業(yè)由于基站設(shè)備安裝在隧道內(nèi)部，無法直接引入GPS信號(hào)，目前一般采用1588 V2網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步方案，但從目前的工程實(shí)施情況來看：1588 V2同步方案存在價(jià)格昂貴、組網(wǎng)復(fù)雜、可靠性差等諸多不足，因此研究GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)并應(yīng)用于軌道交通行業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)目前主流的GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)進(jìn)行探討和分析，并提出軌道交通行業(yè)利用GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)設(shè)備的GPS同步信號(hào)的組網(wǎng)方案。

2 GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)

根據(jù)中國(guó)移動(dòng)《TD無線系統(tǒng)高精度時(shí)間同步的功能、性能和時(shí)間接口技術(shù)規(guī)范》的要求，基站需支持通過以下方式的同步接口，不同方式之間能夠相互備

份[1-2]：

（1）內(nèi)置GPS接收機(jī)模塊；

（2）1PPS+TOD時(shí)間接口；

（3）1588 V2 FE端口；

（4）不同基站間空口同步信號(hào)相對(duì)時(shí)間誤差小于3 μs。

嚴(yán)格來說，1588 V2只是一種時(shí)間傳輸協(xié)議，也需要GPS作為時(shí)鐘源，兩者不存在替代關(guān)系[3]。根據(jù)GPS拉遠(yuǎn)信號(hào)的不同，目前主流的GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)可分為GPS信號(hào)直接拉遠(yuǎn)和1PPS+TOD信號(hào)拉遠(yuǎn)，兩種方案均有成熟的市場(chǎng)應(yīng)用，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 GPS信號(hào)直接拉遠(yuǎn)

（1）高靈敏度GPS模塊

GPS拉遠(yuǎn)距離主要由OEM（Original Equipment Manufacturer）板卡的捕獲靈敏度與饋線的損耗決定，通常采用普通GPS OEM板卡，1/4饋線傳輸一般可達(dá)到100 m左右，采用高靈敏度GPS OEM板卡可顯著延長(zhǎng)GPS的拉遠(yuǎn)距離，高靈敏度GPS OEM板卡與普通GPS OEM板卡pin-pin兼容，設(shè)備無需做任何更改。

（2）GPS信號(hào)射頻拉遠(yuǎn)

通過中繼放大器對(duì)GPS天線口射頻信號(hào)放大后進(jìn)行拉遠(yuǎn)，達(dá)到延長(zhǎng)傳輸距離的目的。目前一般商用GPS中繼放大器增益可以達(dá)到20 dB以上，經(jīng)放大后GPS信號(hào)傳輸距離超過200 m，采用二級(jí)放大后傳輸距離可以延伸到300 m以上。

在實(shí)際工程條件下，對(duì)外接饋線的長(zhǎng)度以及中繼放大器的數(shù)量有一個(gè)量化的限制，當(dāng)采用中繼放大器的數(shù)量過多時(shí)會(huì)引起射頻和時(shí)延指標(biāo)的惡化，因此GPS信號(hào)射頻拉遠(yuǎn)方案只適用于短距離的GPS拉遠(yuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合。

（3）GPS信號(hào)模擬光纖拉遠(yuǎn)

如圖1所示，該方案是對(duì)GPS天線接收信號(hào)進(jìn)行放大及光電轉(zhuǎn)換后調(diào)制成光信號(hào)，經(jīng)光纖拉遠(yuǎn)后在遠(yuǎn)端光模塊還原為射頻信號(hào)后供給GPS接收模塊，傳輸距離取決于光模塊的性能，至少可以達(dá)到1 km以上的傳輸距離。該方案的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，無需對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行改造，直接采用基站設(shè)備內(nèi)置GPS接收模塊進(jìn)行時(shí)間同步信號(hào)解析，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較高。

3 GPS拉遠(yuǎn)距離理論計(jì)算

為了確保接收機(jī)能夠可靠地接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并達(dá)到時(shí)鐘鎖定狀態(tài)，到達(dá)GPS接收機(jī)天線口的信號(hào)強(qiáng)度必須顯著優(yōu)于GPS接收的靈敏度。GPS接收機(jī)靈敏度根據(jù)不同的工作狀態(tài)分為冷啟動(dòng)靈敏度、捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度等，其中冷啟動(dòng)靈敏度的要求最高，一般在-140 dBm左右，跟蹤靈敏度的要求最低，目前GPS接收機(jī)可以做到小于-160 dBm。接收機(jī)靈敏度主

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為能夠可靠接收衛(wèi)星信號(hào)，到達(dá)GPS接收機(jī)前端的信號(hào)至少應(yīng)大于接收機(jī)的冷啟動(dòng)靈敏度（-140 dBm），同時(shí)需要考慮一定的余量（5 dB），即至少應(yīng)達(dá)到-135 dBm的信號(hào)強(qiáng)度，此時(shí)GPS接收模塊所能容忍的最小信噪比計(jì)算如下：

Sout/Nout=-135 dBm-(-111 dBm)=-24 dB

其中，-111 dBm為GPS帶寬（2.046 MHz）內(nèi)熱噪聲功率[9]，按照GPS接口控制文件規(guī)范的規(guī)定，GPS系統(tǒng)L1頻段C/A碼信號(hào)強(qiáng)度最小值為-160 dBw左右[6-7]，即-130 dBm，此時(shí)GPS接收天線口處的信噪比計(jì)算如下：

Sin/Nin=-130 dBm-(-111 dBm)=-19 dB

從GPS天線口到GPS接收機(jī)信號(hào)鏈路的允許的最大噪聲系數(shù)NF（Noise Figure）為：

NF=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)=-19 dB-(-24 dB)=5 dB

即為了保證可靠地接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，GPS天線口到GPS接收機(jī)信號(hào)鏈路的噪聲系數(shù)要求小于5 dB。GPS天線一般為有源天線，內(nèi)置LNA（Low Noise Amplifier）典型參數(shù)為：噪聲系數(shù)2.7、增益34 dB，隨著GPS饋線長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，鏈路噪聲系數(shù)將會(huì)逐步惡化直至超出5 dB的閾值，因此饋線長(zhǎng)度會(huì)受到一定的限制，以滿足鏈路噪聲系數(shù)小于5 dB的要求。

由此可以確定GPS信號(hào)的拉遠(yuǎn)準(zhǔn)則：GPS拉遠(yuǎn)時(shí)傳輸鏈路的噪聲系數(shù)不能有明顯惡化，一般情況下建議不超過10%，并且滿足傳輸鏈路噪聲系數(shù)小于5 dB的要求。

以上述GPS信號(hào)鏈路傳輸模型為例，為延長(zhǎng)GPS拉遠(yuǎn)距離，在饋線中間位置增加GPS中繼放大器，此時(shí)GPS鏈路噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)計(jì)算方法如公式(1)所示[10]：

以典型GPS有源天線（LNA NF1=2.7，Gain=34 dB）及GPS放大器（Gain=20 dB）參數(shù)為例計(jì)算拉遠(yuǎn)時(shí)鏈路噪聲系數(shù)的惡化情況，根據(jù)拉遠(yuǎn)準(zhǔn)則，要求拉遠(yuǎn)后鏈路噪聲系數(shù)不超過2.7×（1+10%）=2.97，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可反推出最大拉遠(yuǎn)距離值，以下為幾種典型的應(yīng)用場(chǎng)景計(jì)算實(shí)例。

場(chǎng)景1：直接拉遠(yuǎn)，饋線衰減20 dB；

場(chǎng)景2：直接拉遠(yuǎn)，饋線衰減25 dB；

場(chǎng)景3：接GPS放大器拉遠(yuǎn)，兩段饋線各衰減11 dB；

場(chǎng)景4：接GPS放大器拉遠(yuǎn)，兩段饋線各衰減20 dB。

根據(jù)公式(1)計(jì)算GPS傳輸鏈路噪聲系數(shù)NF的結(jié)果如表1所示。

由表1的計(jì)算結(jié)果可知：場(chǎng)景2和場(chǎng)景4的GPS傳輸鏈路噪聲系數(shù)NF分別為2.98和2.97，達(dá)到拉遠(yuǎn)極限值，由此可反推出GPS拉遠(yuǎn)距離如下：GPS天線直接拉遠(yuǎn)時(shí)饋線最大允許損耗為25 dB，采用1/4饋線時(shí)最大拉遠(yuǎn)距離為125 m（饋線損耗：20 dB/100 m）；增加20 dB增益GPS放大器進(jìn)行拉遠(yuǎn)時(shí)，饋線最大允許損耗40 dB，采用1/4饋線時(shí)最大拉遠(yuǎn)距離200 m。這是根據(jù)GPS有源天線和中繼放大器典型參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際工程選用器件的參數(shù)不同時(shí)可根據(jù)此計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。

4 GPS拉遠(yuǎn)組網(wǎng)方案

近年來LTE-M作為一種新興的車地?zé)o線通信技術(shù)越來越多地應(yīng)用于各地新建的地鐵軌道交通項(xiàng)目，成為目前承載軌道交通系統(tǒng)CBTC及其他綜合承載業(yè)務(wù)的主流技術(shù)。與公網(wǎng)LTE宏站網(wǎng)絡(luò)不同的是軌道交通系統(tǒng)基站設(shè)備大部分安裝在地下機(jī)房或隧道內(nèi)部，無法直接接收GPS信號(hào)，需要解決系統(tǒng)時(shí)鐘的同步問題。目前工程中廣泛應(yīng)用的1588 V2時(shí)鐘同步方案，組網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用故障率較高，因此通過拉遠(yuǎn)技術(shù)采用成熟的GPS同步方案不失為一種可行的替代方案，兩種同步方式的優(yōu)劣對(duì)比如表2所示：

表2 1588 V2與GPS拉遠(yuǎn)同步方案對(duì)比

目前軌道交通行業(yè)通常采用分布式基站或者一體化基站進(jìn)行組網(wǎng)，前者BBU（Building Baseband Unit）設(shè)備一般安裝在地鐵集中站地下機(jī)房，RRU（Radio Remote Unit）安裝在隧道內(nèi)部，只需要解決地面GPS信號(hào)引入到機(jī)房的問題；后者一體化基站設(shè)備安裝在隧道內(nèi)部，需要考慮更長(zhǎng)距離的GPS信號(hào)拉遠(yuǎn)技術(shù)，以便將GPS信號(hào)引入到隧道深處。

圖6為分布式基站的GPS拉遠(yuǎn)組網(wǎng)方案，基站設(shè)備一般位于集中站地下機(jī)房，只需要考慮GPS信號(hào)拉遠(yuǎn)到機(jī)房BBU設(shè)備的問題，采用何種GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)取決于機(jī)房基站設(shè)備離地面GPS天線的距離，一般在100 m到300 m左右，采用1/4射頻饋線施工。根據(jù)本文GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)論述，100 m以內(nèi)可不考慮拉遠(yuǎn)問題，通過1/4饋纜直連；200 m以內(nèi)建議增加GPS放大器進(jìn)行中繼，GPS放大器供電直接由BBU遠(yuǎn)程供電；200 m以上距離建議采用RGPS方案，引入1PPS+TOD信號(hào)進(jìn)行拉遠(yuǎn)。

表1 GPS信號(hào)傳輸鏈路噪聲系數(shù)計(jì)算值

對(duì)于一體化基站設(shè)備，由于地面GPS天線離隧道內(nèi)的設(shè)備距離較遠(yuǎn)，需要對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行二級(jí)拉遠(yuǎn)：GPS信號(hào)引入到集中站機(jī)房以及集中站機(jī)房二次拉遠(yuǎn)到隧道內(nèi)基站。前者沿用上述相同的GPS信號(hào)直接拉遠(yuǎn)技術(shù)，后者采用GPS信號(hào)光纖拉遠(yuǎn)技術(shù)，組網(wǎng)方案如圖7所示，由一臺(tái)近端設(shè)備LIM（Local Interface Module）及多臺(tái)遠(yuǎn)端設(shè)備RRH（Radio Remote Head）進(jìn)行混合組網(wǎng)，近端設(shè)備LIM采用星型鏈接或者菊花鏈方式連接多臺(tái)RRH，每臺(tái)近端LIM拖3～6臺(tái)遠(yuǎn)端RRH設(shè)備，近端設(shè)備安裝在集中站機(jī)房，遠(yuǎn)端設(shè)備與隧道內(nèi)基站設(shè)備同址安裝。GPS信號(hào)經(jīng)過放大后通過光模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，在遠(yuǎn)端經(jīng)光模塊還原為射頻信號(hào)提供給基站GPS端口，此種方案不需要對(duì)基站進(jìn)行任何改動(dòng)，同時(shí)GPS信號(hào)可以通過光分路器進(jìn)行分路后同時(shí)提供給多路RRH遠(yuǎn)端設(shè)備，達(dá)到一拖多的效果，本方案支持RRH級(jí)聯(lián)以給更多的基站提供GPS拉遠(yuǎn)信號(hào)，大大節(jié)省了組網(wǎng)成本，近遠(yuǎn)端之間的光纖可以利用隧道內(nèi)的現(xiàn)有光纜資源，無需另外布設(shè)光纜。

5 結(jié)束語

圖6 軌道交通分布式基站GPS拉遠(yuǎn)組網(wǎng)方案

圖7 軌道交通一體化基站GPS拉遠(yuǎn)組網(wǎng)方案

從本文的論述可以看出，與1588 V2同步技術(shù)相比，GPS拉遠(yuǎn)技術(shù)具有技術(shù)成熟、成本低廉、施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通行業(yè)作為基站設(shè)備的時(shí)鐘同步方案完全具有可行性，具有一定的推廣價(jià)值。