GPS拉远技术及在城市轨道交通行业的应用

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205）

1 引言

TD-LTE是严格要求时钟同步的系统，时钟的不同步会引起相邻基站间的上下行信号交叉干扰，目前公网宏站时钟同步普遍由单一GPS授时系统实现，但传统GPS授时系统需要良好的GPS信号可视空域环境，对GPS天线选址、拉远距离、工程施工和抗干扰能力等因素具有严格要求。在轨道交通行业由于基站设备安装在隧道内部，无法直接引入GPS信号，目前一般采用1588 V2网络时钟同步方案，但从目前的工程实施情况来看：1588 V2同步方案存在价格昂贵、组网复杂、可靠性差等诸多不足，因此研究GPS拉远技术并应用于轨道交通行业具有重要的现实意义。本文对目前主流的GPS拉远技术进行探讨和分析，并提出轨道交通行业利用GPS拉远技术实现隧道内设备的GPS同步信号的组网方案。

2 GPS拉远技术

根据中国移动《TD无线系统高精度时间同步的功能、性能和时间接口技术规范》的要求，基站需支持通过以下方式的同步接口，不同方式之间能够相互备

份[1-2]：

（1）内置GPS接收机模块；

（2）1PPS+TOD时间接口；

（3）1588 V2 FE端口；

（4）不同基站间空口同步信号相对时间误差小于3 μs。

严格来说，1588 V2只是一种时间传输协议，也需要GPS作为时钟源，两者不存在替代关系[3]。根据GPS拉远信号的不同，目前主流的GPS拉远技术可分为GPS信号直接拉远和1PPS+TOD信号拉远，两种方案均有成熟的市场应用，下面分别进行简要的介绍。

2.1 GPS信号直接拉远

（1）高灵敏度GPS模块

GPS拉远距离主要由OEM（Original Equipment Manufacturer）板卡的捕获灵敏度与馈线的损耗决定，通常采用普通GPS OEM板卡，1/4馈线传输一般可达到100 m左右，采用高灵敏度GPS OEM板卡可显著延长GPS的拉远距离，高灵敏度GPS OEM板卡与普通GPS OEM板卡pin-pin兼容，设备无需做任何更改。

（2）GPS信号射频拉远

通过中继放大器对GPS天线口射频信号放大后进行拉远，达到延长传输距离的目的。目前一般商用GPS中继放大器增益可以达到20 dB以上，经放大后GPS信号传输距离超过200 m，采用二级放大后传输距离可以延伸到300 m以上。

在实际工程条件下，对外接馈线的长度以及中继放大器的数量有一个量化的限制，当采用中继放大器的数量过多时会引起射频和时延指标的恶化，因此GPS信号射频拉远方案只适用于短距离的GPS拉远应用场合。

（3）GPS信号模拟光纤拉远

如图1所示，该方案是对GPS天线接收信号进行放大及光电转换后调制成光信号，经光纤拉远后在远端光模块还原为射频信号后供给GPS接收模块，传输距离取决于光模块的性能，至少可以达到1 km以上的传输距离。该方案的优点是传输距离远，无需对基站设备进行改造，直接采用基站设备内置GPS接收模块进行时间同步信号解析，缺点是技术复杂，实现成本相对较高。

3 GPS拉远距离理论计算

为了确保接收机能够可靠地接收GPS卫星信号并达到时钟锁定状态，到达GPS接收机天线口的信号强度必须显著优于GPS接收的灵敏度。GPS接收机灵敏度根据不同的工作状态分为冷启动灵敏度、捕获灵敏度和跟踪灵敏度等，其中冷启动灵敏度的要求最高，一般在-140 dBm左右，跟踪灵敏度的要求最低，目前GPS接收机可以做到小于-160 dBm。接收机灵敏度主

在实际工程应用中，为能够可靠接收卫星信号，到达GPS接收机前端的信号至少应大于接收机的冷启动灵敏度（-140 dBm），同时需要考虑一定的余量（5 dB），即至少应达到-135 dBm的信号强度，此时GPS接收模块所能容忍的最小信噪比计算如下：

Sout/Nout=-135 dBm-(-111 dBm)=-24 dB

其中，-111 dBm为GPS带宽（2.046 MHz）内热噪声功率[9]，按照GPS接口控制文件规范的规定，GPS系统L1频段C/A码信号强度最小值为-160 dBw左右[6-7]，即-130 dBm，此时GPS接收天线口处的信噪比计算如下：

Sin/Nin=-130 dBm-(-111 dBm)=-19 dB

从GPS天线口到GPS接收机信号链路的允许的最大噪声系数NF（Noise Figure）为：

NF=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)=-19 dB-(-24 dB)=5 dB

即为了保证可靠地接收GPS卫星信号，GPS天线口到GPS接收机信号链路的噪声系数要求小于5 dB。GPS天线一般为有源天线，内置LNA（Low Noise Amplifier）典型参数为：噪声系数2.7、增益34 dB，随着GPS馈线长度的加长，链路噪声系数将会逐步恶化直至超出5 dB的阈值，因此馈线长度会受到一定的限制，以满足链路噪声系数小于5 dB的要求。

由此可以确定GPS信号的拉远准则：GPS拉远时传输链路的噪声系数不能有明显恶化，一般情况下建议不超过10%，并且满足传输链路噪声系数小于5 dB的要求。

以上述GPS信号链路传输模型为例，为延长GPS拉远距离，在馈线中间位置增加GPS中继放大器，此时GPS链路噪声系数级联计算方法如公式(1)所示[10]：

以典型GPS有源天线（LNA NF1=2.7，Gain=34 dB）及GPS放大器（Gain=20 dB）参数为例计算拉远时链路噪声系数的恶化情况，根据拉远准则，要求拉远后链路噪声系数不超过2.7×（1+10%）=2.97，根据计算结果可反推出最大拉远距离值，以下为几种典型的应用场景计算实例。

场景1：直接拉远，馈线衰减20 dB；

场景2：直接拉远，馈线衰减25 dB；

场景3：接GPS放大器拉远，两段馈线各衰减11 dB；

场景4：接GPS放大器拉远，两段馈线各衰减20 dB。

根据公式(1)计算GPS传输链路噪声系数NF的结果如表1所示。

由表1的计算结果可知：场景2和场景4的GPS传输链路噪声系数NF分别为2.98和2.97，达到拉远极限值，由此可反推出GPS拉远距离如下：GPS天线直接拉远时馈线最大允许损耗为25 dB，采用1/4馈线时最大拉远距离为125 m（馈线损耗：20 dB/100 m）；增加20 dB增益GPS放大器进行拉远时，馈线最大允许损耗40 dB，采用1/4馈线时最大拉远距离200 m。这是根据GPS有源天线和中继放大器典型参数的计算结果，实际工程选用器件的参数不同时可根据此计算方法进行实际调整。

4 GPS拉远组网方案

近年来LTE-M作为一种新兴的车地无线通信技术越来越多地应用于各地新建的地铁轨道交通项目，成为目前承载轨道交通系统CBTC及其他综合承载业务的主流技术。与公网LTE宏站网络不同的是轨道交通系统基站设备大部分安装在地下机房或隧道内部，无法直接接收GPS信号，需要解决系统时钟的同步问题。目前工程中广泛应用的1588 V2时钟同步方案，组网拓扑复杂，现场应用故障率较高，因此通过拉远技术采用成熟的GPS同步方案不失为一种可行的替代方案，两种同步方式的优劣对比如表2所示：

表2 1588 V2与GPS拉远同步方案对比

目前轨道交通行业通常采用分布式基站或者一体化基站进行组网，前者BBU（Building Baseband Unit）设备一般安装在地铁集中站地下机房，RRU（Radio Remote Unit）安装在隧道内部，只需要解决地面GPS信号引入到机房的问题；后者一体化基站设备安装在隧道内部，需要考虑更长距离的GPS信号拉远技术，以便将GPS信号引入到隧道深处。

图6为分布式基站的GPS拉远组网方案，基站设备一般位于集中站地下机房，只需要考虑GPS信号拉远到机房BBU设备的问题，采用何种GPS拉远技术取决于机房基站设备离地面GPS天线的距离，一般在100 m到300 m左右，采用1/4射频馈线施工。根据本文GPS拉远技术论述，100 m以内可不考虑拉远问题，通过1/4馈缆直连；200 m以内建议增加GPS放大器进行中继，GPS放大器供电直接由BBU远程供电；200 m以上距离建议采用RGPS方案，引入1PPS+TOD信号进行拉远。

表1 GPS信号传输链路噪声系数计算值

对于一体化基站设备，由于地面GPS天线离隧道内的设备距离较远，需要对GPS信号进行二级拉远：GPS信号引入到集中站机房以及集中站机房二次拉远到隧道内基站。前者沿用上述相同的GPS信号直接拉远技术，后者采用GPS信号光纤拉远技术，组网方案如图7所示，由一台近端设备LIM（Local Interface Module）及多台远端设备RRH（Radio Remote Head）进行混合组网，近端设备LIM采用星型链接或者菊花链方式连接多台RRH，每台近端LIM拖3～6台远端RRH设备，近端设备安装在集中站机房，远端设备与隧道内基站设备同址安装。GPS信号经过放大后通过光模块转换成光信号进行长距离传输，在远端经光模块还原为射频信号提供给基站GPS端口，此种方案不需要对基站进行任何改动，同时GPS信号可以通过光分路器进行分路后同时提供给多路RRH远端设备，达到一拖多的效果，本方案支持RRH级联以给更多的基站提供GPS拉远信号，大大节省了组网成本，近远端之间的光纤可以利用隧道内的现有光缆资源，无需另外布设光缆。

5 结束语

图6 轨道交通分布式基站GPS拉远组网方案

图7 轨道交通一体化基站GPS拉远组网方案

从本文的论述可以看出，与1588 V2同步技术相比，GPS拉远技术具有技术成熟、成本低廉、施工简单的优点，在轨道交通行业作为基站设备的时钟同步方案完全具有可行性，具有一定的推广价值。