全面GPS授时优化解决方案

贾思远 孙伟

（中国移动通信集团公司 北京 100032）

1 引言

TD-SCDMA是要求严格同步的移动通信系统，目前TD-SCDMA系统采用美国全球定位系统GPS进行授时同步，但GPS授时系统存在一些需要考虑的问题，如施工不灵活、拉远受限以及安全性等问题。针对这些问题，中国移动提出了基于时间同步的GPS替代方案，具有主流性的方案是基于有线网络时钟的1588v2以及我国自主研发的北斗卫星授时系统。但由于1588v2还出于试验阶段，而且目前测试中发现一些需要改进的问题；以及北斗一代干扰问题突出的一些原因，GPS替代的两种主流方案还未大规模实施。所以必须找到可以解决GPS施工、拉远受限以及安全问题目前切实有效的优化方案。

另一方面，由于目前GPS替代方案还未大规模实施，现网建设中存在由于射频馈线拉远受限等问题，导致很多卫星天线将就安装的场景，有可能导致卫星天线接收信号遮挡等问题，所以需要完备的卫星接收机和基站时钟运行和告警机制。不仅可以保证卫星信号接收出现问题时基站工作不受影响，而且可以一定时间内以合理预警机制使得以最快速度发现并且解决问题。

2 全面的GPS授时优化解决方案

针对GPS目前存在的问题，中国移动组织设备厂商首创了GPS/北斗光纤拉远解决方案，从根本上解决了传统GPS授时系统存在的一系列问题；而且提供了完备的GPS失步保持及告警机制，保证了TD-SCDMA系统授时功能更加完善可靠；另外，即使出现几率极低的接收机或者基站时钟缺陷，不能预警GPS失步问题，基站系统还完备了TD-SCDMA系统同步跑偏检测方案，可以及时准确检测出跑偏基站，防止出现上行干扰。三项业内领先的GPS优化解决方案，可以说全面保证了TD-SCDMA授时系统安全稳定运行，真正实现了授时系统“零问题”。

2.1 GPS/北斗光纤拉远解决方案

GPS/北斗光纤拉远系统综合采用授时信号光纤拉远、强抗干扰滤波设计以及GPS/北斗双系统联合解决技术，3项技术不仅从根本上彻底解决传统授时系统的问题，满足现网所有卫星授时的场景需求，并且可以显著提升TD系统授时系统的性能，如图1所示。

授时信号光纤拉远采用GPS/北斗天线与接收机一体化设计，接收机输出PPS与TOD通过光纤拉远的方法传输给基站，基站恢复时钟信号给需要同步的板卡使用。基站不再关心接收机的类型（GPS/北斗）、型号、厂家、尺寸等一系列问题。只需要基站和拉远时钟单元有相同的接口标准和时间传输机制即可。GPS/北斗光纤拉远系统通过光电混合缆可以至少拉远1km，在就近取电的方式下，至少可以拉远10km，完全满足现网GPS/北斗长距离拉远的需求。

该系统还针对与WLAN共址建设中干扰的问题，采用强抗干扰滤波设计，其综合采用频域滤波和空域滤波的方案。频域滤波采用在天线低噪放内部加装高选择性滤波器抑制带外干扰，而空域滤波则使用螺旋天线技术。螺旋天线特点是方向性好，增益高，频带宽，尤其是频带宽这点对将来北斗和GPS共用一组天线提供了条件，各种参数容易控制（如波束宽度、增益、阻抗、轴比），器件的一致性好，便于生产调试等。强抗干扰滤波设计使得卫星天线基本没有水平隔离度要求，可以做到与TD-SCDMA天线共抱杆安装，极大降低了卫星天线安装协调难度。

GPS/北斗光纤拉远系统不仅使用GPS/北斗双模设计，保证了授时安全性，而且采用了双系统联合解算技术。传统双模系统采用两个独立系统平台方案，只能单独工作在GPS或者北斗模式下，而双系统联合结算技术，是在授时信息提取中不再区分授时卫星的差别，将GPS和北斗的信息同时处理。可以使得授时系统捕获卫星信号更快速，授时更可靠，同时采用统一系统平台也降低了硬件成本，降低了系统功耗，提高了整机的可靠性。

除此之外，GPS/北斗光纤拉远系统还采用了特殊的抗高温、防水密封和防雷设计，极大保证了室外拉远时钟系统的可靠性和稳定性，现网20个站点规模测试稳定运行达半年多时间。

该系统对卫星授时工程实施、抗干扰能力提升以及接口标准化方面都具有深远影响：

从根本上解决了传统GPS卫星授时系统拉远受限以及增加放大器造成的工程实施问题，给基站布放以及GPS天线选址提供了极大的灵活性；

提高了卫星接收系统的抗干扰能力，增加了共址建设的可操作性，降低了卫星天线安装协调难度；

接口标准化，解决了授时器件的通用性，卫星接收机的任何改造都不会影响基站。

GPS/北斗双模授时，极大地保证了TD系统整网的安全性。

2009年9月，在南京进行了20个站点的现网规模测试，实现了现网第一个TD-SCDMA天线与卫星天线共抱杆安装的场景，和第一个切换到单北斗授时并且稳定工作的场景。

2010年1月12日至1月14日，全网基站因美国GPS系统升级出现频繁告警问题，而20个GPS/北斗光纤拉远系统切换到北斗模式完全运行稳定。

2.2 完备的卫星授时失步告警机制

基站可提供完备GPS同步失效告警机制，其中包括接收机告警和基站告警：

首先，GPS接收机在由于天线被遮挡等原因不能接收卫星信号，或者接收的信号不能正确地解算的情况下，接收机将发出告警信息，告警类型包括天线开路告警、天线短路告警、未跟踪到卫星告警、自检失败告警和PP1S不可用告警。

基站收到告警信息后，基站内部时钟系统将进入保持状态，不会影响基站的正常工作，并且上报“时钟进入HOLDOVER状态”告警。如果GPS失锁超过12h，基站时钟将上报“时钟进入HOLDOVER预警状态”告警。如果GPS失锁超过24h，将上报“时钟进入HOLDOVER超时状态”告警，然后自动去激活小区，并上报“小区退服”告警。

基站时钟在24h保持过程中，如果再次锁定GPS信号，“时钟进入HOLDOVER状态”告警自动解除。基站在去激活小区后，会继续搜索GPS信号，如果可以再次锁定GPS信号，基站自动恢复小区，“小区退服”告警自动清除。

完备的卫星授时失步告警机制不仅可以及时有效的发现卫星接收机出现的大部分问题，并且可以在接收机失锁的情况下仍不影响基站正常工作。

2.3 业内领先的TD-SCDMA系统失步检测解决方案

对于个别GPS接收机本身的缺陷导致的时钟跑偏，因为没有时钟参照标准，自身无法知晓自己跑偏，无法按照正常的告警机制告警，但如果采用我公司提出的TD-SCDMA系统同步跑偏检测方案，可以在此情况下及时有效的检测出同步跑偏的基站。

传统GPS跑偏检测方式针对每个基站分别进行跑偏检测，在操作过程中需要将测试仪表拿到可疑站对应的小区下进行检测，这种方式不能准确的对多个站点同时进行检测，给实际的网络维护工作带来不便。

我公司提供的TD-SCDMA系统同步跑偏检测方案是针对多个基站同时进行跑偏检测，通过在基站的正常上行时隙检测Sync_DL码来实现，可以快速发现GPS跑偏的站点。

由于常规时隙比较长，如果一次进行检测，则计算复杂度比较高，可以采用分段依次进行检测的方法，将常规时隙分为若干个检测窗。为了满足时延和处理能力的要求，在每个检测区域连续进行N子帧的检测，完成后进行下一个区域的检测，直到整个时隙各检测区域都检测完成，最后按时隙上报检测结果。即：连续N个子帧只检测第一个数据段的数据，完成后又连续N个子帧检测第二个数据段的数据，如此递推，直到检测完全部数据段，最后按照时隙检测结果进行上报。

如果是本小区跑偏了，则会存在多个SYNC_DL所对应的相关结果满足峰值检测条件，如果是邻小区跑偏了，由于多个邻小区同时跑偏且都同步的概率很小，往往只会存在一个SYNC_DL所对应的相关检测结果满足峰值检测条件。根据以上判决原则，如果只检测到一个SYNC_DL码，则认为发送SYNC_DL码的小区为GPS跑偏小区，如果检测到两个以上的SYNC_DL码，则可以认为本小区GPS跑偏。检测完成后，物理层会将跑偏检测结果上报给OMC，供网络维护人员进一步分析和判断。

目前TD-SCDMA系统同步跑偏检测方案现网测试效果良好，如图2所示。使用TDSCDMA系统同步跑偏检测方案可以及时有效地发现基站GPS跑偏现象，从而解决上行干扰问题。

3 综合优势分析

GPS/北斗光纤拉远解决方案是保证授时的基础。卫星失步的一个重要原因就是由于卫星天线的安装受限问题，而导致天线被遮挡无法正确接收卫星信号。而卫星天线安装受限是由于两个原因：第一，是由于传统卫星授时系统射频馈线拉远受限，而现网建设中基站设备与卫星天线距离较远的场景比比皆是，所以很多场景下卫星天线都不是安装在最佳的位置；另一方面，高楼天面一般是安装卫星天线最佳的位置，而天面的无线环境一般是比较复杂的，而传统GPS天线安装还有较大的隔离度要求，所以卫星天线的安装协调也较为困难。而GPS/北斗光纤拉远彻底解决GPS选址问题，拉远距离基本没有限制，而且可以做到与TD天线共抱杆安装，大大降低GPS失效告警发生概率。

完备的同步失效告警及跑偏检测算法作为预警补充。如果出现接收机本身缺陷的故障，我公司完备的同步失效告警机制及跑偏检测算法可以及时有效的上报告警，并且不会造成基站间干扰，保证基站仍能正常稳定运行。

图2 TD-SCDMA系统同步跑偏检测方案

所以说，GPS/北斗光纤拉远从基础上保证了授时系统的可靠性，而同步实效告警及跑偏检测算法也从正常运行角度为授时系统运行做了预警补充。可以说，一项技术做基础，两项技术做保障，完全实现了TDSCDMA卫星授时系统的“零问题”。

4 结束语

TD-SCDMA系统是要求严格同步的移动通信系统，同步授时模块是TD-SCDMA系统的“心脏”。全面GPS优化解决方案，不仅可以保障授时系统出现问题及时解决，而且从根本上保证了授时系统的可靠性和稳定性，极大提升了TD授时系统的性能，完全满足运营商确保TD网络安全稳定运行的要求，必将在中国移动后续网络扩容工程建设中发挥重要的作用。