北斗在移動通信中的應用技術研究

【摘 要】提出了北斗技術在移動通信中的多種應用，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、北斗與移動集成終端的導航和基于室內(nèi)分布系統(tǒng)的北斗室內(nèi)精確定位技術。隨著北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡部署進度的推進，北斗技術在移動通信中的應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。

【關鍵詞】北斗 授時 導航 室內(nèi)精準定位

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.012 中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：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用技術研究[J]. 移動通信， 2016，40（4）： 64-67.

1 引言

移動通信網(wǎng)絡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行，須使多個基站設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對時鐘的同步要求。為了使移動通信基站之間時鐘同步，當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、導航和授時服務，同時北斗還具有短報文通信能力，服務應用范圍更為廣泛。

北斗技術應用于移動通信系統(tǒng)，可以替代當前在移動通信中使用的GPS技術。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）和UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移動通信系統(tǒng)）關于支持基站輔助北斗定位技術的立項申請，意味著北斗技術可以完全用于移動通信領域。

北斗系統(tǒng)可以為移動通信基站系統(tǒng)授時、移動終端導航和相互通信等，針對北斗技術在移動通信中的應用研究，涉及的內(nèi)容包括北斗授時、導航、互操作架構和室內(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，獨立性較強；另一種是基于傳輸網(wǎng)絡的IEEE1588v2（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師學會）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)絡站點機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)絡的IEEE1588v2技術。IEEE1588v2通過IP報文傳送時鐘信息的方式，其基本應用是采用服務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，使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率與相位。移動通信網(wǎng)絡中，最常用的部署方案是在移動核心網(wǎng)機房內(nèi)部署IEEE1588v2服務器，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，需要服務器和客戶端eNodeB之間的傳輸網(wǎng)絡支持并轉發(fā)多播報文，因此對傳輸網(wǎng)絡要求很高。通常一臺IEEE1588v2服務器根據(jù)其性能能夠為數(shù)百甚至數(shù)千臺eNodeB提供授時服務。

基于IEEE1588v2授時方案，對于IP化傳輸網(wǎng)絡來說是最常用的應用場景。在核心網(wǎng)或者傳輸網(wǎng)機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)絡機房的IEEE1588v2服務器。然后IEEE1588v2服務器將該參考時鐘源信息通過IP網(wǎng)絡中的IEEE1588v2報文分發(fā)給網(wǎng)絡中的客戶端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)絡中，移動站點機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，轉為主時鐘源）。圖2所示的站點機房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

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)絡覆蓋場景中具有重要的應用價值，如遠洋航行。移動通信服務的普及，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用場景為遠離移動網(wǎng)絡覆蓋地域，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航

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

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原理：測出衛(wèi)星到用戶（接收機）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。在立體空間坐標系中，各個導航衛(wèi)星不斷以光速向地面廣播含有基準時間信息的測距碼，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。

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

圖4 基于云端的定位服務

近幾年，衛(wèi)星導航與定位服務產(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、智能位置服務等領域。基于北斗技術的導航和位置服務還需解決核心技術、應用示范和構建體系架構等方面的瓶頸。

5 基于偽衛(wèi)星技術的室內(nèi)精準定位

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的用戶設備。但隨著衛(wèi)星定位技術的發(fā)展，偽衛(wèi)星作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的增強工具，可以提高定位精度、改善完好性和增強可用性，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)相結合的同步偽衛(wèi)星方案進行精確室內(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)絡覆蓋系統(tǒng)，將北斗信號通過室內(nèi)分布系統(tǒng)轉發(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，進而實現(xiàn)精準定位。

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，可以認為是一個常量，可以預先校準，從系統(tǒng)中去掉。

6 結束語

北斗導航技術可以在移動通信中得到廣泛應用，不但可以增強移動網(wǎng)絡的安全性，而且還擴展了移動服務范疇。無論是北斗的精確授時、短報文服務還是導航和定位，其都與移動通信系統(tǒng)有著密切的關聯(lián)，尤其是當前用戶對移動終端的依賴性越來越大，北斗技術應用于移動通信也是其發(fā)展的大趨勢。

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