描述：本文介紹了北斗GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘原理-NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)器，分析了北斗/GPS衛(wèi)星時(shí)鐘在CDMA無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并給出了北斗/GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的組成和在CDMA中的兩種應(yīng)用方式。

　　

　　1、時(shí)間同步服務(wù)器概述:

　　

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位與授時(shí)系統(tǒng)是現(xiàn)代化大國極為重要的 基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的精密授時(shí)在一個(gè)國家的 工業(yè)、國防、通信等領(lǐng)域有著廣泛和重要的應(yīng)用。目前 的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS、歐洲的伽利略 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)Galileo以及中國的北斗一號(hào)導(dǎo)航定位 系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系 統(tǒng)，可以為中國全境和周邊部分鄰國提供定位、導(dǎo)航、 授時(shí)和簡(jiǎn)易通訊服務(wù)，特別是對(duì)于確保中國國防與通信 安全有著重要意義。

　　

　　CDMA無線通信系統(tǒng)屬于基站同步系統(tǒng)，基站間 無線信道的幀同步以及基站間切換、漫游等都需要精 確的時(shí)間控制，一個(gè)可靠和高精度的時(shí)間/時(shí)鐘源對(duì) 于移動(dòng)通信的重要性不言而喻。目前CDMA系統(tǒng)基本 采用GPS作為基站同步時(shí)鐘，但是由于GPS受美國限制，存在自主性差、安全性低等問題，同時(shí)由于授時(shí) 系統(tǒng)沒有備份，可能導(dǎo)致GPS工作異常時(shí)通信質(zhì)量受 到影響。

　　

　　為了滿足CDMA通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求與對(duì)安 全的需要，有必要對(duì)北斗授時(shí)技術(shù)在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng) 用進(jìn)行研究，解決GPS不可用情況下的CDMA系統(tǒng)授時(shí) 同步問題。

　　

　　2、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)授時(shí)對(duì)時(shí)原理

　　

　　為了滿足CDMA通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面控制與標(biāo)校系統(tǒng)、用戶設(shè)備三部分組成。其中空間衛(wèi)星部分 包括兩顆地球靜止衛(wèi)星（赤道面東經(jīng)80 °、140 °）、一顆 在軌備份衛(wèi)星（赤道面東經(jīng)110.5 °）；地面控制與標(biāo)校 系統(tǒng)包括一個(gè)配有電子高程圖的地面中心定位控制站， 以及幾十個(gè)分布于全國的參考標(biāo)校站。

　　

　　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供了單向授時(shí)和雙向授時(shí)兩種授 時(shí)模式，通過北斗衛(wèi)星的廣播或定位信息使得用戶不 斷核準(zhǔn)其時(shí)鐘鐘差，獲得很高的時(shí)鐘精度。

　　

　　在單向授時(shí)模式下，用戶通過接收北斗廣播電文信 號(hào)，自主獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差，實(shí)現(xiàn)時(shí) 間同步。地面中心站在出站廣播信號(hào)周期內(nèi)的第一幀數(shù) 據(jù)段發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北斗時(shí)間（含時(shí)間修正數(shù)據(jù)）和衛(wèi)星的位 置信息，同時(shí)把時(shí)標(biāo)信息調(diào)制在出站信號(hào)中。衛(wèi)星信號(hào) 經(jīng)中心站到衛(wèi)星的傳輸延遲、衛(wèi)星到用戶的傳輸延遲后 傳送到用戶。用戶根據(jù)本地信號(hào)與接收衛(wèi)星信號(hào)之間時(shí) 標(biāo)的差值獲得衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間，然后根據(jù)廣播電文中的衛(wèi) 星位置信息、延遲修正信息以及接收機(jī)事先已知的自身 位置信息綜合計(jì)算。一般來說，如果用戶自身坐標(biāo)已知 且足夠精密，則觀測(cè)一顆衛(wèi)星就可實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間同步； 如果可觀測(cè)多顆衛(wèi)星，則授時(shí)精確度與穩(wěn)定度更高。

　　

　　在雙向授時(shí)模式下，用戶需要與地面中心站交互信 息，向地面中心站發(fā)送授時(shí)申請(qǐng)信號(hào)，中心站收到授時(shí) 申請(qǐng)后通過衛(wèi)星發(fā)送時(shí)標(biāo)信號(hào)給用戶，用戶將接收到的 時(shí)標(biāo)信號(hào)返回給中心站。中心站把接收時(shí)標(biāo)信號(hào)的時(shí)間 與發(fā)射時(shí)間相減并除以2，即可獲得中心站到用戶的單向 傳播時(shí)延。中心站將該傳播時(shí)延值發(fā)送給用戶，用戶便 可根據(jù)接收到的時(shí)標(biāo)信號(hào)及單向傳播時(shí)延完成用戶本地 時(shí)間與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步。

　　

　　單向授時(shí)模式與雙向授時(shí)模式的區(qū)別主要在于用戶到中心站傳輸時(shí)延的獲取方式。單向授時(shí)模式要求用 戶根據(jù)衛(wèi)星及自身位置信息等自主計(jì)算傳輸時(shí)延，由于 衛(wèi)星位置誤差以及建模誤差（電離層模型、對(duì)流層模型 等）都會(huì)影響到傳輸時(shí)延的精度，所以單向授時(shí)模式的 授時(shí)精度較低，一般為100ns，雙向授時(shí)模式授時(shí)精度可達(dá)到20ns。單向授時(shí)模式的優(yōu)點(diǎn)在于不占用衛(wèi)星系統(tǒng)容量，而雙向授時(shí)模式由于需要用戶與中心站交互信息，占用了衛(wèi)星系統(tǒng)的一定容量。

　　

　　3 、CDMA無線通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求

　　

　　CDMA無線通信系統(tǒng)屬于基站同步系統(tǒng)，基站間無線信道的幀同步以及基站間切換、漫游等都需要精確的 時(shí)間控制。原則上，CDMA無線信道導(dǎo)頻時(shí)間校準(zhǔn)誤差 應(yīng)控制在CDMA系統(tǒng)時(shí)間的±3μs內(nèi)；當(dāng)基站同時(shí)支持 多個(gè)CDMA頻道時(shí)，發(fā)射的所有CDMA頻道的導(dǎo)頻時(shí)間 容限彼此間應(yīng)在±1μs內(nèi)。當(dāng)基站時(shí)鐘精度誤差超過要 求的時(shí)間容限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基站間用戶切換失敗，出現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)掉話率升高、通話質(zhì)量下降等現(xiàn)象。當(dāng)基站時(shí)鐘精度 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有恢復(fù)正常時(shí)，基站會(huì)退出服務(wù)，導(dǎo)致 基站覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶服務(wù)中斷。

　　

　　目前北斗一號(hào)系統(tǒng)采取單向授時(shí)模式時(shí)的授時(shí)精度 可以達(dá)到100ns，能夠滿足CDMA無線通信系統(tǒng)的精確 同步要求。如果采取北斗/GPS雙模授時(shí)方式，則可實(shí)現(xiàn)CDMA時(shí)間同步備份，大大提高CDMA通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，并且隨著未來北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)的投入使用，將會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)授時(shí)精度并提供精確的定位服務(wù)。

　　

　　4 、北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)的組成與應(yīng)用

　　

　　北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)主要由北斗接收模塊、GPS接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和接口模塊等組成，以北斗/ GPS雙系統(tǒng)互為備用設(shè)計(jì)，一般采用單端雙模天線輸入 方式，同時(shí)接收北斗和GPS衛(wèi)星信號(hào)。雙模系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)選擇最優(yōu)的衛(wèi)星系統(tǒng)，輸出秒脈沖1PPS時(shí)鐘信 息、TOD時(shí)間數(shù)據(jù)信息等。

　　

　　1PPS信號(hào)提供精確的時(shí)鐘同步信號(hào)，脈沖寬度為200-300ms，采用上升沿為準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)，上升時(shí)間△T不超過10ns。TOD時(shí)間數(shù)據(jù)信息包含了當(dāng)前1PPS上升沿所 對(duì)應(yīng)的時(shí)刻信息，并可用于傳送北斗雙模系統(tǒng)相關(guān)的狀 態(tài)、配置信息；TOD在1PPS上升沿之后1ms開始傳送， 并在500ms內(nèi)傳完。

　　

　　北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)在CDMA網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以 有兩種方式，一種是作為基站時(shí)鐘源直接與基站互聯(lián)， 另一種是作為CDMA地面同步網(wǎng)的時(shí)鐘源與地面同步網(wǎng) 相連，通過地面同步網(wǎng)向基站提供時(shí)間/時(shí)鐘信息。

　　

　　北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)作為基站直接時(shí)鐘源時(shí)可采用內(nèi)置基站或外置基站兩種方式。對(duì)于采取外置北斗/GPS雙模授時(shí)的方式，需要注意基站與雙模授時(shí)系統(tǒng)間 的接口問題。由于目前CDMA基站外部時(shí)鐘接口多屬于 廠商內(nèi)部接口，各廠商設(shè)備接口規(guī)格與協(xié)議均不一樣，給外置雙模授時(shí)系統(tǒng)與基站的互聯(lián)帶來困難。此外由于 原有接口主要基于GPS授時(shí)應(yīng)用，沒有考慮對(duì)外置雙模 授時(shí)系統(tǒng)的管理需求，不利于運(yùn)營商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管控。因 此需要在采用外置北斗/GPS雙模授時(shí)前，做好基站外部 時(shí)鐘接口的規(guī)范與統(tǒng)一，特別是要增加北斗衛(wèi)星狀態(tài)查 詢、雙模系統(tǒng)工作模式設(shè)置、雙模系統(tǒng)工作狀態(tài)查詢等 一系列與北斗/GPS雙模系統(tǒng)特性相關(guān)的指令協(xié)議。

　　

　　北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)采用內(nèi)置方式時(shí)，可以將雙 模系統(tǒng)作為基站時(shí)鐘板卡的一個(gè)附件，簡(jiǎn)化基站設(shè)備組 成復(fù)雜度，降低基站機(jī)房設(shè)備安裝要求，減少因?yàn)榫€纜 連接不暢導(dǎo)致的設(shè)備故障率。而且雙模系統(tǒng)采用內(nèi)置方 式還可以有效利用基站內(nèi)部指令對(duì)雙模系統(tǒng)進(jìn)行控制， 提高設(shè)備管控能力，是北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)作為基站 直接時(shí)鐘源的應(yīng)用趨勢(shì)。

　　

　　北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)還可以作為CDMA地面同步 網(wǎng)的時(shí)鐘源，通過地面同步網(wǎng)向基站提供時(shí)間/時(shí)鐘信 息。此時(shí)應(yīng)考慮時(shí)鐘源在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所處的層級(jí)， 以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時(shí)間/時(shí)鐘信息經(jīng)由不同介質(zhì)設(shè)備而 產(chǎn)生的精度下降問題。一般而言，1PPS時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)地面 同步網(wǎng)傳輸后會(huì)產(chǎn)生200ns左右的偏移，雖然滿足CDMA導(dǎo)頻容限<3μs的要求，但是已經(jīng)超過國內(nèi)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的CDMA基站外部1pps授時(shí)精度<150ns的要求 [1]。

　　

　　因此，在地面同步網(wǎng)采用北斗授時(shí)方式時(shí)，需要通過開 展嚴(yán)格的CDMA業(yè)務(wù)應(yīng)用性測(cè)試來充分驗(yàn)證其可行性與可靠性。

　　

　　5 、結(jié)束語

　　

　　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為CDMA系統(tǒng)的時(shí)間/時(shí)鐘同步源，其授時(shí)精度可以滿足CDMA無線通信系統(tǒng)運(yùn)行的需要。 采用北斗/GPS雙模方式，可以大大降低單純倚賴GPS授時(shí)帶來的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。同時(shí)也應(yīng)看到，時(shí)間/時(shí)鐘的高可靠性與高精密性是CDMA系統(tǒng)正常運(yùn)行 的核心和基礎(chǔ)。作為一項(xiàng)新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，北斗/GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用，還應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn) 網(wǎng)試驗(yàn)等多種手段充分驗(yàn)證其可靠性與精密程度，并高 度關(guān)注其在CDMA系統(tǒng)中的可管可控 。