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  • 移動通信時鐘同步系統總體方案應用

    2019-03-20 09:09:35 admin 67

    一、移動通信時鐘同步系統引言

    TD-SCDMA是要求嚴格同步的TDD系統,目前TD系統采用美國全球定位系統GPS進行授時同步,但GPS授時系統存在一些需要考慮的問題,如施工不靈活、拉遠受限以及安全性等問題。針對這些問題,中國移動提出了基于時間同步的GPS替代方案,目前主流性的方案是基于有線網絡時鐘的1588v2以及我國自主研發的北斗衛星授時系統。但由于1588v2還未大規模組網測試,以及北斗干擾問題突出等一些原因,GPS替代的兩種主流方案還未大規模實施。一體化衛星授時優化系統是中國移動聯手北斗時頻,針對TD-SCDMA傳統衛星授時系統存在的問題,創新性的提出了目前切實可行的可以與其他GPS替代技術互為補充的授時方案,也給其他使用衛星授時系統行業發展起到了巨大的推動作用。


    二、傳統衛星授時系統


    在移動通信領域的3G三大標準中,CDMA2000TD-SCDMA均為基站同步系統,基站工作的切換、漫游等均需要精確的時間控制,否則將會帶來嚴重的系統干擾。目前TD基站同步主要采用GPS系統實現,基于GPS安全問題等考慮后續將在衛星授時系統上采用中國自主研發的北斗衛星授時系統。傳統衛星授時系統組成結構如下圖所示:


    衛星天線接收GPS/北斗衛星信號,通過射頻饋線將射頻信號傳輸到Node B內的GPS/北斗接收機,GPS/北斗接收機恢復時鐘,輸出PPSTODNode B內的鎖相環,鎖相環將鎖定的時間信號下發到Node B內需要時間同步的各主要板卡。

    但傳統衛星授時系統存在一些需要考慮的問題:

    (1)工程施工問題

    傳統GPS/北斗天線安裝環境較為嚴格,需要安裝在較開闊的位置上,且需要保證周圍無較大的遮擋物(如樹木、鐵塔、樓房等),對天線的遮擋不應超過30 度,為避免反射波的影響,GPS 天線盡可能遠離周圍尺寸大于20cm 的金屬物2m 以上;

    另外,傳統GPS/北斗同步系統采用射頻電纜線進行傳輸,射頻電纜線徑較粗而且韌性很差不易彎曲,非常不利于施工建設美觀以及靈活性。

    (2)射頻饋線拉遠受限問題

    傳統衛星授時系統采用射頻饋線傳送時鐘信號,射頻饋線對于信號的衰減較大,導致射頻饋線拉遠非常有限。以北斗授時系統為例,北斗天線口信號功率一般為-127dbm,天線增益43db,北斗接收機靈敏度-100dbm,射頻線上只允許有16db(= -127+43+100)的衰減,如果采用LMR-40的信號線(22dB/100m@2.5Ghz),射頻線只能拉遠72米(=16÷22×100)的距離。如果超過72米,就需要添置線放器,為施工帶來了麻煩,較難實現GPS/北斗共天饋線。而目前密集城區高層覆蓋系統以及機場地鐵隧道覆蓋中授時天線和基站距離較遠的場景大量存在,給傳統衛星授時系統安裝帶來很大限制。

    (3)干擾問題突出

    衛星天線安裝環境一般比較復雜,共站址建設比較普遍,電磁干擾比較嚴重,這就給施工安裝提出了很高的隔離度要求。其中,以北斗授時系統干擾尤為突出,北斗工作頻點為2.5GHz,與一些在用的無線系統頻段非??拷?,因此其接收性能較易受到干擾。在實際工程應用中,為了北斗信號的正常接收,北斗接收機會考慮采用窄帶濾波、屏蔽和選擇合適的天線安裝位置等抗干擾措施,這也給施工帶來了困難,同時為北斗作為GPS替代方案增加了難度。


    三、移動通信時鐘同步系統解決方案


    1. 移動通信時鐘同步系統總體方案介紹


    針對傳統衛星授時系統存在的問題,為適應更廣泛的布站場景,中國移動聯合北斗時頻創造性的提出了一體化衛星授時優化系統解決方案。一體化主要是指GPS/北斗光纖拉遠設計,天面部分將GPS/北斗天線與接收機一體化設計,接收機輸出的PPSTOD通過光纖拉遠的方法傳輸給基站Node B。Node B時鐘恢復模塊恢復PPSTOD,并且傳送到Node B需要同步的模塊?;驹O計不再需要考慮接收機的類型(GPS/北斗)、型號、廠家、尺寸等一系列問題,只需要Node B和拉遠接收機有相同的接口標準和時間傳輸機制。

    授時優化主要是指針對共址建設中干擾的問題,對衛星授時天線的改造方案。從目前干擾測試分析可以看到,干擾基本由基站附近地面設備引起,其到達接收天線的角度與衛星信號到達接收天線的角度不同,可以綜合采取頻域和空域抗干擾措施。一體化衛星授時優化系統綜合使用頻域濾波和空域濾波的方案,頻域濾波采用在天線低噪放內部加裝高選擇性濾波器抑制帶外干擾,而空域濾波則使用改造過的衛星天線方案,一體化衛星授時優化系統采用螺旋天線為基本技術的天線。螺旋天線特點是方向性好,增益高,頻帶寬,尤其是頻帶寬這點對將來北斗和GPS共用一組天線提供了條件,各種參數容易控制(如:波束寬度、增益、阻抗、軸比),器件的一致性好,便于生產調試等。圖3為普通GPS天線與使用螺旋GPS天線的波瓣圖對比,螺旋天線對帶內干擾有很強的抑制作用。  


    2. 時鐘同步系統可靠性設計


    由于一體化衛星授時優化系統拉遠時鐘單元RCU長期安置在室外,并且器件結構又比普通衛星天線復雜,所以其可靠性設計直接影響工作穩定性,在方案設計中提出了特有的有針對性的拉遠時鐘單元RCU可靠性方案,設計方案包括耐熱抗高溫設計、抗太陽輻射設計、防水密封設計以及防雷設計。


      抗高溫設計主要采用雙層殼體結構,整個拉遠時鐘單元RCU外殼由兩層殼體構成,里外兩層殼體形成煙囪效應,加速空氣流動,另外殼體采用抗紫外線輻射、耐高低溫的增強尼龍材料制作;防水密封設計方面,殼體使用強度高、重量輕、耐腐蝕及高低溫交替作用下形變小的鋁合金制作;連接處則使用耐高低溫、耐腐蝕的橡膠密封圈。防雷設計主要考慮在拉遠時鐘單元RCU內部電源入口處加裝TVS二極管(瞬變電壓抑制二極管),吸收進入機內的差模感應電壓能量,另外在1公里內的饋電長度內,采用接地防雷措施。

    四、移動通信時鐘同步系統方案優勢分析


    1. 對工程實施有具有的影響意義


    傳統GPS授時系統拉遠距離非常有限,在工程設計中往往由于需要考慮天線與基站的距離,給機房選址以及GPS天線布放提出了很大的限制條件。一體化衛星授時優化系統采用光電混合纜進行拉遠,至少可以拉遠1公里,1公里以上采用就近取電的方式可以使光纖拉遠到10公里,這就從根本上解決了傳統GPS拉遠受限影響選址的問題,給工程施工提供了極大的便利性。而且如果RRURCU架設在一起時,RRU的拉遠光纖和GPS 的拉遠光纖可以同時鋪設,節約施工成本和時間。尤其適合于高層建筑、地鐵隧道以及大型場館等機房與衛星天線距離較遠的覆蓋場景。

    2. 抗干擾能力增強,增加了共址建設的可操作性

    一體化衛星授時優化系統綜合采用頻域濾波和空域濾波的方案,可以極大地提高授時系統的授時精度以及抗干擾特性。試驗表明,在1575.42MHz附近頻點處,一體化接收機比傳統GPS天線的抗干擾能力最大能提高28dB以上。使用特殊設計的抗干擾螺旋天線后,一體化接收機比傳統GPS天線對來自低仰角方向的地面干擾信號的抑制能力能提高約20dB。

        對于我國自主研發的北斗衛星授時系統,抗干擾能力也有很大的提升,以下是在現網測試下的噪聲頻譜圖,可以看出北斗頻段2.5GHz附件帶外干擾以及帶內干擾已經被消除。這給北斗同步系統作為GPS替代起到了極大的推動作用。  



      分別為北斗頻點100MHz帶寬內和20MHz帶寬內輸出噪聲頻譜。右圖是左圖在北斗中心頻點2.5GHz頻點附近的頻譜放大,可以看出對帶外干擾的消除作用尤為突出。

    3. 可以作為重要的GPS替代方案之一


    GPS替代一直以來都是TD系統改進的重點方向之一,其中北斗同步授時系統與1588v2有線網絡同步方案是比較主流的兩項替代方案。兩項GPS替代方案可以解決GPS授時系統存在的施工問題以及安全問題,但由于北斗同步授時系統干擾嚴重,以及1588v2現網測試還未進行,所以兩項GPS替代方案還未大規模實施。而一體化衛星授時優化系統是目前可以有效解決GPS授時同步問題的切實可行的方案,可以選擇作為GPS替代方案之一。

    一體化衛星授時優化系統可以助力于其他GPS替代方案。首先一體化衛星授時優化系統可以選擇性的加入北斗模塊,或者選擇GPS/北斗雙模系統,加之系統采用高效的抗干擾方案,對北斗作為GPS替代方案就有很大的推進力度。另外,對于1588v2有線同步方案,一體化衛星授時優化系統也可以作為有利的補充。1588v2協議通過傳輸網傳送時鐘信號,可以大大減少基站系統對衛星天線的需求,但對于1588v2系統中基站支持都需要接收衛星信號作為時鐘源,或者比較重要的基站系統也需要接收衛星信號作為備份,一體化衛星授時優化系統同樣可以發揮重要作用,提高衛星授時系統拉遠以及抗干擾優勢,可以作為有線時鐘同步的有力補充。

    4. 其他優勢

      基站時鐘接口標準化,基站硬件改版不再需要考慮接收機問題;

      可以實現簡單組網,從而達到衛星時鐘共享效果;

      由于接收機離天線很近,對天線增益的需求降低,天線容易設計,成本降低。


      結束語

    為進一步驗證時鐘同步系統產品的穩定性及可靠性,北京北斗時間頻率技術有限公司在原理樣機開發驗證的基礎上,率先設計開發了GPS/北斗雙模授時優化試商用產品,并在江蘇等省份的TD二期現網中進行了小規模組網測試及驗證,測試及外場驗證顯示,一體化天線具備較好的可靠性和穩定性,并且在減小饋纜接頭損耗、抗干擾能力、美化天面外觀、提高安裝維護便捷性等方面相比傳統GPS天線具有明顯的優勢,完全滿足運營商大規模商用的要求。

    一體化衛星授時優化系統是北京北斗時間頻率技術有限公司針對現有TD-SCDMA衛星授時系統的創新性優化方案,對衛星授時系統工程施工以及抗干擾方面都有極大的改進作用。同時,在其他需要授時同步的行業系統中,同樣的問題依舊存在,因此一體化衛星授時優化系統會隨著它在TD-SCDMA授時同步中的日益成熟被更多的行業所廣泛應用。 





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