一种微波时间同步系统设计方法

张建军

（天津光电集团有限公司 天津 300000）

一种微波时间同步系统设计方法

张建军

（天津光电集团有限公司 天津 300000）

本文针对分布式天线系统，提出了一种微波时间同步设计方法。该方法可无需在各分布式从站与主站之间铺设有线连接，即可实现分布式从站与主站之间的时间同步。

多天线技术；微波时间；基站

1 引言

随着无线通信宽带化的快速发展，无线频谱资源变得越来越宝贵，如何提高无线资源的利用效率，成为当前无线通信研究领域中的一个重要研究课题。其中多天线技术是一种非常重要的提高频谱利用率的手段，目前多天线技术已经应用于4G体制，同时大规模多天线技术也是5G的一种重要体制。

多天线技术一般是指在一个小区内设立多根天线，通过空间分集来提高系统容量，增加了通信系统的自由度。根据多天线的间隔可将多天线技术分为：（1）智能天线（间隔小于半个波长）；（2）多入多出MIMO天线（间隔一般为几个波长）；（3）分布式天线（间隔至少为几十个波长）。

其中在分布式天线系统中，一般采用有线连接进行时间同步。但在一些特殊的场景下，架设有线连接的成本过高，例如机场和战场。为此需要采用无线方式对分布式天线的时间进行同步，以发挥分布式天线的空间分集效果。本文提出一种利用微波信号对多个天线/基站的信号进行同步的方案。

2 微波时间同步设计，见图1。

图1 时间同步原理示意图

本文讨论分布式天线场景中的最简情形，即只有2个分布式基站和天线，分别为天线1和天线2，如图1所示。为了保证分布式天线1和天线2发射信号时的严格同步，两个基站的时间同步误差应小于100ns。本文采用专用的微波同步链路进行时间同步，选择5.8GHz的ISM频段作为微波时间同步的频段，该频段是免费的公用频段，同时与现有的移动通信系统使用频段没有重叠，无相互干扰。同时采用定向天线，增加其抗干扰能力和提升链路增益。

在基站1的T1时刻，基站1将时间信息T1发送出去，并在基站2的时刻T2到达基站2，则

其中τ为基站1到基站2的信号传输和处理时延，Δt为基站2与基站1的时间差。

则基站2测量得到时间差Δt1为：

同时，在基站2的T’2时刻，基站2将时间信息T’2发送出去，并在基站1的时刻T’1到达基站1，则

则基站1测量得到时间差Δt2为：

为了保证基站2与基站1时间同步，则基站2需要求得Δt，基站2调整自己的时间(加上Δt)。在微波时间同步系统设计时，可以先假设τ=τ’，则可得：

通过以上通信可知，基站2已经获取Δt1，而Δt2是基站1获取的，因此在下次通信过程中，基站1还需将Δt2传输给基站2。因此可得同步数据的帧格式，如下图2所示。

图2 同步数据帧格式

基站1和基站2发送的数据帧格式一样，都包含导频序列和发射时刻，及其计算得到的时间差。根据以上数据帧格式即可获取基站2和基站1的时间差，并一直保持同步。

基站1和基站2采用TDD方式进行工作，这样可保证收发微波频率是一致的，可以消除不同频率在空间中传输的时间不一致性[1]，保证τ=τ’。

系统使用的本地时钟其频率不确定度约为1ppm，不同基站的时钟完全独立，则时钟频率的相对不确定度为ppm，为了保证系统的可靠性，我们在频率不确定度为2ppm的条件下进行设计。本地时钟频率设计为10MHz，在2ppm频差（每秒偏移累计量为20Hz）的条件下，为了保证该因素导致的同步时差不大于50ns。

当系统中的主站和从站连接GPS/BD等卫星授时系统时，其时间采用GPS/BD UTC时间。当卫星授时系统受到干扰或破坏时，当前的UTC时间作为初始化时间。当系统中的各基站从未连接卫星授时系统时，各基站采用其自身的系统时间作为基准，并在后续的无线时间同步过程中，消除处理延时和传播延时，得到其他基站完全同步的时间。

3 结论

本文研究了时间同步原理和时间同步的流程，为分布式天线系统的设计和时间同步提供了一种方法，该方法适合于不便于架设有线连接的场合。在这些特殊场合可随意布置各基站，利用该方法可保证这些基站的时间同步。

[1]赵建强，分布式系统高精度时间同步技术研究，《四川大学硕士论文》，2005.

[2]张立新，王伟，王岗，双向比对远距离时间同步技术，《空间电子技术》，2002年第2期，第7-9页.

[3]惠卫华，卢晓春，华宇，吴海涛，卫星星座时间同步方法研究和仿真，《2005年全国时间频率学术交流会》，2005，第508-513页.

[4]何芳，网络控制系统同步控制性能研究，《哈尔滨工业大学博士论文》，2010.

TN92 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）01-0028-02