北斗GPS衛星同步時鐘（NTP時鐘伺服器）在通訊系統中應用

北斗GPS衛星同步時鐘（NTP時鐘伺服器）在通訊系統中應用

 

摘要：文章介紹了北斗GPS衛星同步時鐘原理，分析了北斗/GPS衛星時鐘在CDMA無線通訊系統中應用的可行性，並給出了北斗/GPS衛星時鐘系統的組成和在CDMA中的兩種應用方式。

 

1、概述

衛星導航定位與授時系統是現代化大國極為重要的 基礎設施，衛星導航系統提供的精密授時在一個國家的 工業、國防、通訊等領域有著廣泛和重要的應用。目前 的衛星導航系統主要有美國的全球衛星定位系統GPS、俄羅斯的全球衛星導航系統GLONASS、歐洲的伽利略 全球導航定位系統Galileo以及中國的北斗一號導航定位 系統。北斗衛星系統是中國自主研發的衛星導航定位系 統，可以為中國全境和周邊部分鄰國提供定位、導航、 授時和簡易通訊服務，特別是對於確保中國國防與通訊 安全有著重要意義。

 

CDMA無線通訊系統屬於基站同步系統，基站間 無線通道的幀同步以及基站間切換、漫遊等都需要精 確的時間控制，一個可靠和高精度的時間/時鐘源對 於行動通訊的重要性不言而喻。目前CDMA系統基本 採用GPS作為基站同步時鐘，但是由於GPS受美國限制，存在自主性差、安全性低等問題，同時由於授時 系統沒有備份，可能導致GPS工作異常時通訊質量受 到影響。

 

為了滿足CDMA通訊系統對時間同步的要求與對安 全的需要，有必要對北斗授時技術在CDMA系統中的應 用進行研究，解決GPS不可用情況下的CDMA系統授時 同步問題。

2、北斗衛星系統授時原理 

為了滿足CDMA通訊系統對時間同步北斗一號衛星導航定位系統由空間衛星、地面控制與標校系統、使用者裝置三部分組成。其中空間衛星部分 包括兩顆地球靜止衛星（赤道面東經80 °、140 °）、一顆 在軌備份衛星（赤道面東經110.5 °）；地面控制與標校 系統包括一個配有電子高程圖的地面中心定位控制站， 以及幾十個分佈於全國的參考標校站。

北斗導航系統提供了單向授時和雙向授時兩種授 時模式，透過北斗衛星的廣播或定位資訊使得使用者不 斷核准其時鐘鐘差，獲得很高的時鐘精度。

在單向授時模式下，使用者透過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，實現時 間同步。地面中心站在出站廣播訊號週期內的第一幀數 據段傳送標準北斗時間（含時間修正資料）和衛星的位 置資訊，同時把時標資訊調製在出站訊號中。衛星訊號 經中心站到衛星的傳輸延遲、衛星到使用者的傳輸延遲後 傳送到使用者。使用者根據本地訊號與接收衛星訊號之間時 標的差值獲得衛星觀測時間，然後根據廣播電文中的衛 星位置資訊、延遲修正資訊以及接收機事先已知的自身 位置資訊綜合計算。一般來說，如果使用者自身座標已知 且足夠精密，則觀測一顆衛星就可實現精密時間同步； 如果可觀測多顆衛星，則授時精確度與穩定度更高。

在雙向授時模式下，使用者需要與地面中心站互動信 息，向地面中心站傳送授時申請訊號，中心站收到授時 申請後透過衛星傳送時標訊號給使用者，使用者將接收到的 時標訊號返回給中心站。中心站把接收時標訊號的時間 與發射時間相減併除以2，即可獲得中心站到使用者的單向 傳播時延。中心站將該傳播時延值傳送給使用者，使用者便 可根據接收到的時標訊號及單向傳播時延完成使用者本地 時間與系統標準時間的同步。

單向授時模式與雙向授時模式的區別主要在於使用者到中心站傳輸時延的獲取方式。單向授時模式要求用 戶根據衛星及自身位置資訊等自主計算傳輸時延，由於 衛星位置誤差以及建模誤差（電離層模型、對流層模型 等）都會影響到傳輸時延的精度，所以單向授時模式的 授時精度較低，一般為100ns，雙向授時模式授時精度可達到20ns。單向授時模式的優點在於不佔用衛星系統容量，而雙向授時模式由於需要使用者與中心站互動資訊，佔用了衛星系統的一定容量。

3 、CDMA無線通訊系統對時鐘同步的要求

CDMA無線通訊系統屬於基站同步系統，基站間無線通道的幀同步以及基站間切換、漫遊等都需要精確的 時間控制。原則上，CDMA無線通道導頻時間校準誤差 應控制在CDMA系統時間的±3μs內；當基站同時支援 多個CDMA頻道時，發射的所有CDMA頻道的導頻時間 容限彼此間應在±1μs內。當基站時鐘精度誤差超過要 求的時間容限時，會導致基站間使用者切換失敗，出現網 絡掉話率升高、通話質量下降等現象。當基站時鐘精度 在規定時間內沒有恢復正常時，基站會退出服務，導致 基站覆蓋區內的使用者服務中斷。

目前北斗一號系統採取單向授時模式時的授時精度 可以達到100ns，能夠滿足CDMA無線通訊系統的精確 同步要求。如果採取北斗/GPS雙模授時方式，則可實現CDMA時間同步備份，大大提高CDMA通訊網路的安全性，並且隨著未來北斗二代導航定位系統的投入使用，將會進一步提高系統授時精度並提供精確的定位服務。

4 、北斗/GPS雙模授時系統的組成與應用

   北斗/GPS雙模授時系統主要由北斗接收模組、GPS接收模組、資料處理模組和介面模組等組成，以北斗/ GPS雙系統互為備用設計，一般採用單端雙模天線輸入 方式，同時接收北斗和GPS衛星訊號。雙模系統根據衛星訊號選擇最優的衛星系統，輸出秒脈衝1PPS時鐘信 息、TOD時間資料資訊等。

1PPS訊號提供精確的時鐘同步訊號，脈衝寬度為200-300ms，採用上升沿為準時點，上升時間△T不超過10ns。TOD時間資料資訊包含了當前1PPS上升沿所 對應的時刻資訊，並可用於傳送北斗雙模系統相關的狀 態、配置資訊；TOD在1PPS上升沿之後1ms開始傳送， 並在500ms內傳完。

北斗/GPS雙模授時系統在CDMA網路中的應用可以 有兩種方式，一種是作為基站時鐘源直接與基站互聯， 另一種是作為CDMA地面同步網的時鐘源與地面同步網 相連，透過地面同步網向基站提供時間/時鐘資訊。

 北斗/GPS雙模授時系統作為基站直接時鐘源時可採用內建基站或外接基站兩種方式。對於採取外接北斗/GPS雙模授時的方式，需要注意基站與雙模授時系統間 的介面問題。由於目前CDMA基站外部時鐘介面多屬於 廠商內部介面，各廠商裝置介面規格與協議均不一樣，給外接雙模授時系統與基站的互聯帶來困難。此外由於 原有介面主要基於GPS授時應用，沒有考慮對外接雙模 授時系統的管理需求，不利於運營商對網路的管控。因 此需要在採用外接北斗/GPS雙模授時前，做好基站外部 時鐘介面的規範與統一，特別是要增加北斗衛星狀態查 詢、雙模系統工作模式設定、雙模系統工作狀態查詢等 一系列與北斗/GPS雙模系統特性相關的指令協議。

北斗/GPS雙模授時系統採用內建方式時，可以將雙 模系統作為基站時鐘板卡的一個附件，簡化基站裝置組 成複雜度，降低基站機房裝置安裝要求，減少因為線纜 連線不暢導致的裝置故障率。而且雙模系統採用內建方 式還可以有效利用基站內部指令對雙模系統進行控制， 提高裝置管控能力，是北斗/GPS雙模授時系統作為基站 直接時鐘源的應用趨勢。

 

北斗/GPS雙模授時系統還可以作為CDMA地面同步 網的時鐘源，透過地面同步網向基站提供時間/時鐘信 息。此時應考慮時鐘源在網路拓撲結構中所處的層級， 以及複雜網路環境下時間/時鐘資訊經由不同介質裝置而 產生的精度下降問題。一般而言，1PPS時鐘訊號經地面 同步網傳輸後會產生200ns左右的偏移，雖然滿足CDMA導頻容限<3μs的要求，但是已經超過國內通訊行業標準 規定的CDMA基站外部1pps授時精度<150ns的要求 ^[1]。

因此，在地面同步網採用北斗授時方式時，需要透過開 展嚴格的CDMA業務應用性測試來充分驗證其可行性與可靠性。

5 、結束語

北斗導航系統作為CDMA系統的時間/時鐘同步源，其授時精度可以滿足CDMA無線通訊系統執行的需要。 採用北斗/GPS雙模方式，可以大大降低單純倚賴GPS授時帶來的網路風險，提高網路安全性。同時也應看到，時間/時鐘的高可靠性與高精密性是CDMA系統正常執行 的核心和基礎。作為一項新的網路技術，北斗/GPS雙模授時系統在CDMA系統中的應用，還應透過實驗室與現 網試驗等多種手段充分驗證其可靠性與精密程度，並高 度關注其在CDMA系統中的可管可控 。