全面GPS授時優化解決方案

賈思遠 孫偉

（中國移動通信集團公司 北京 100032）

1 引言

TD-SCDMA是要求嚴格同步的移動通信系統，目前TD-SCDMA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，具有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還出于試驗階段，而且目前測試中發現一些需要改進的問題；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模實施。所以必須找到可以解決GPS施工、拉遠受限以及安全問題目前切實有效的優化方案。

另一方面，由于目前GPS替代方案還未大規模實施，現網建設中存在由于射頻饋線拉遠受限等問題，導致很多衛星天線將就安裝的場景，有可能導致衛星天線接收信號遮擋等問題，所以需要完備的衛星接收機和基站時鐘運行和告警機制。不僅可以保證衛星信號接收出現問題時基站工作不受影響，而且可以一定時間內以合理預警機制使得以最快速度發現并且解決問題。

2 全面的GPS授時優化解決方案

針對GPS目前存在的問題，中國移動組織設備廠商首創了GPS/北斗光纖拉遠解決方案，從根本上解決了傳統GPS授時系統存在的一系列問題；而且提供了完備的GPS失步保持及告警機制，保證了TD-SCDMA系統授時功能更加完善可靠；另外，即使出現幾率極低的接收機或者基站時鐘缺陷，不能預警GPS失步問題，基站系統還完備了TD-SCDMA系統同步跑偏檢測方案，可以及時準確檢測出跑偏基站，防止出現上行干擾。三項業內領先的GPS優化解決方案，可以說全面保證了TD-SCDMA授時系統安全穩定運行，真正實現了授時系統“零問題”。

2.1 GPS/北斗光纖拉遠解決方案

GPS/北斗光纖拉遠系統綜合采用授時信號光纖拉遠、強抗干擾濾波設計以及GPS/北斗雙系統聯合解決技術，3項技術不僅從根本上徹底解決傳統授時系統的問題，滿足現網所有衛星授時的場景需求，并且可以顯著提升TD系統授時系統的性能，如圖1所示。

授時信號光纖拉遠采用GPS/北斗天線與接收機一體化設計，接收機輸出PPS與TOD通過光纖拉遠的方法傳輸給基站，基站恢復時鐘信號給需要同步的板卡使用。基站不再關心接收機的類型（GPS/北斗）、型號、廠家、尺寸等一系列問題。只需要基站和拉遠時鐘單元有相同的接口標準和時間傳輸機制即可。GPS/北斗光纖拉遠系統通過光電混合纜可以至少拉遠1km，在就近取電的方式下，至少可以拉遠10km，完全滿足現網GPS/北斗長距離拉遠的需求。

該系統還針對與WLAN共址建設中干擾的問題，采用強抗干擾濾波設計，其綜合采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，而空域濾波則使用螺旋天線技術。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。強抗干擾濾波設計使得衛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，極大降低了衛星天線安裝協調難度。

GPS/北斗光纖拉遠系統不僅使用GPS/北斗雙模設計，保證了授時安全性，而且采用了雙系統聯合解算技術。傳統雙模系統采用兩個獨立系統平臺方案，只能單獨工作在GPS或者北斗模式下，而雙系統聯合結算技術，是在授時信息提取中不再區分授時衛星的差別，將GPS和北斗的信息同時處理。可以使得授時系統捕獲衛星信號更快速，授時更可靠，同時采用統一系統平臺也降低了硬件成本，降低了系統功耗，提高了整機的可靠性。

除此之外，GPS/北斗光纖拉遠系統還采用了特殊的抗高溫、防水密封和防雷設計，極大保證了室外拉遠時鐘系統的可靠性和穩定性，現網20個站點規模測試穩定運行達半年多時間。

該系統對衛星授時工程實施、抗干擾能力提升以及接口標準化方面都具有深遠影響：

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

提高了衛星接收系統的抗干擾能力，增加了共址建設的可操作性，降低了衛星天線安裝協調難度；

接口標準化，解決了授時器件的通用性，衛星接收機的任何改造都不會影響基站。

GPS/北斗雙模授時，極大地保證了TD系統整網的安全性。

2009年9月，在南京進行了20個站點的現網規模測試，實現了現網第一個TD-SCDMA天線與衛星天線共抱桿安裝的場景，和第一個切換到單北斗授時并且穩定工作的場景。

2010年1月12日至1月14日，全網基站因美國GPS系統升級出現頻繁告警問題，而20個GPS/北斗光纖拉遠系統切換到北斗模式完全運行穩定。

2.2 完備的衛星授時失步告警機制

基站可提供完備GPS同步失效告警機制，其中包括接收機告警和基站告警：

首先，GPS接收機在由于天線被遮擋等原因不能接收衛星信號，或者接收的信號不能正確地解算的情況下，接收機將發出告警信息，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，基站內部時鐘系統將進入保持狀態，不會影響基站的正常工作，并且上報“時鐘進入HOLDOVER狀態”告警。如果GPS失鎖超過12h，基站時鐘將上報“時鐘進入HOLDOVER預警狀態”告警。如果GPS失鎖超過24h，將上報“時鐘進入HOLDOVER超時狀態”告警，然后自動去激活小區，并上報“小區退服”告警。

基站時鐘在24h保持過程中，如果再次鎖定GPS信號，“時鐘進入HOLDOVER狀態”告警自動解除。基站在去激活小區后，會繼續搜索GPS信號，如果可以再次鎖定GPS信號，基站自動恢復小區，“小區退服”告警自動清除。

完備的衛星授時失步告警機制不僅可以及時有效的發現衛星接收機出現的大部分問題，并且可以在接收機失鎖的情況下仍不影響基站正常工作。

2.3 業內領先的TD-SCDMA系統失步檢測解決方案

對于個別GPS接收機本身的缺陷導致的時鐘跑偏，因為沒有時鐘參照標準，自身無法知曉自己跑偏，無法按照正常的告警機制告警，但如果采用我公司提出的TD-SCDMA系統同步跑偏檢測方案，可以在此情況下及時有效的檢測出同步跑偏的基站。

傳統GPS跑偏檢測方式針對每個基站分別進行跑偏檢測，在操作過程中需要將測試儀表拿到可疑站對應的小區下進行檢測，這種方式不能準確的對多個站點同時進行檢測，給實際的網絡維護工作帶來不便。

我公司提供的TD-SCDMA系統同步跑偏檢測方案是針對多個基站同時進行跑偏檢測，通過在基站的正常上行時隙檢測Sync_DL碼來實現，可以快速發現GPS跑偏的站點。

由于常規時隙比較長，如果一次進行檢測，則計算復雜度比較高，可以采用分段依次進行檢測的方法，將常規時隙分為若干個檢測窗。為了滿足時延和處理能力的要求，在每個檢測區域連續進行N子幀的檢測，完成后進行下一個區域的檢測，直到整個時隙各檢測區域都檢測完成，最后按時隙上報檢測結果。即：連續N個子幀只檢測第一個數據段的數據，完成后又連續N個子幀檢測第二個數據段的數據，如此遞推，直到檢測完全部數據段，最后按照時隙檢測結果進行上報。

如果是本小區跑偏了，則會存在多個SYNC_DL所對應的相關結果滿足峰值檢測條件，如果是鄰小區跑偏了，由于多個鄰小區同時跑偏且都同步的概率很小，往往只會存在一個SYNC_DL所對應的相關檢測結果滿足峰值檢測條件。根據以上判決原則，如果只檢測到一個SYNC_DL碼，則認為發送SYNC_DL碼的小區為GPS跑偏小區，如果檢測到兩個以上的SYNC_DL碼，則可以認為本小區GPS跑偏。檢測完成后，物理層會將跑偏檢測結果上報給OMC，供網絡維護人員進一步分析和判斷。

目前TD-SCDMA系統同步跑偏檢測方案現網測試效果良好，如圖2所示。使用TDSCDMA系統同步跑偏檢測方案可以及時有效地發現基站GPS跑偏現象，從而解決上行干擾問題。

3 綜合優勢分析

GPS/北斗光纖拉遠解決方案是保證授時的基礎。衛星失步的一個重要原因就是由于衛星天線的安裝受限問題，而導致天線被遮擋無法正確接收衛星信號。而衛星天線安裝受限是由于兩個原因：第一，是由于傳統衛星授時系統射頻饋線拉遠受限，而現網建設中基站設備與衛星天線距離較遠的場景比比皆是，所以很多場景下衛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星天線最佳的位置，而天面的無線環境一般是比較復雜的，而傳統GPS天線安裝還有較大的隔離度要求，所以衛星天線的安裝協調也較為困難。而GPS/北斗光纖拉遠徹底解決GPS選址問題，拉遠距離基本沒有限制，而且可以做到與TD天線共抱桿安裝，大大降低GPS失效告警發生概率。

完備的同步失效告警及跑偏檢測算法作為預警補充。如果出現接收機本身缺陷的故障，我公司完備的同步失效告警機制及跑偏檢測算法可以及時有效的上報告警，并且不會造成基站間干擾，保證基站仍能正常穩定運行。

圖2 TD-SCDMA系統同步跑偏檢測方案

所以說，GPS/北斗光纖拉遠從基礎上保證了授時系統的可靠性，而同步實效告警及跑偏檢測算法也從正常運行角度為授時系統運行做了預警補充。可以說，一項技術做基礎，兩項技術做保障，完全實現了TDSCDMA衛星授時系統的“零問題”。

4 結束語

TD-SCDMA系統是要求嚴格同步的移動通信系統，同步授時模塊是TD-SCDMA系統的“心臟”。全面GPS優化解決方案，不僅可以保障授時系統出現問題及時解決，而且從根本上保證了授時系統的可靠性和穩定性，極大提升了TD授時系統的性能，完全滿足運營商確保TD網絡安全穩定運行的要求，必將在中國移動后續網絡擴容工程建設中發揮重要的作用。