5G BBU机房GPS/北斗共享解决方案研究

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0 引言

5G属于TDD双工的基站同步系统，对时间同步有更严格要求。一是要求时延小，5G为满足uRLLC应用场景对超低时延的需求，提出业务端到端时延小于10ms，3GPP规范要求5G基站空口时延小于1ms。二是同步精度更高，受限于无线空口帧长度，5G的空口帧长度1ms比4G空口帧10ms小10倍，单节点时钟精度要满足ns级精度要求。5G在采用核心网UPF下沉、CU/DU分离、MEC边缘计算等网络架构的基础上，同样需要基站侧采用GPS/北斗进行授时同步，以满足无线帧同步、小区切换、多点协同、异网漫游、网络及业务正常运营。

5G无线网将采用C-RAN云化架构，以BBU集中设置、AAU/RRU拉远为主要建站模式，将大规模进行BBU集中设置。根据某省5G规划分析，平均每BBU机房需设置20多台BBU，有的机房将多达80台BBU；带来单个综合机房的GPS/北斗授时天线数量激增。然而，现有3G/4G基站已安装众多GPS天线，易出现天面空间受限、天线无处安装、馈线布放困难、物业协调难的问题。另外，BBU综合机房一般设置在楼底，而GPS/北斗天线安装在楼顶，易出现馈线路由长、信号衰减大等问题。本文将针对天面受限无法安装、拉远受限信号太弱两大问题，全面深入研究5G BBU机房GPS/北斗工程建设解决方案。

1 天面受限时GPS/北斗解决方案

1.1 单路无源功分器解决方案

对于接入网、基站机房等BBU集中数量较少的场景，当规划BBU数量不超过8个、且天面空间不足或馈线难布放时，可采用传统的1∶2、1∶4或1∶8的单路GPS/北斗无源功分器方案，低成本快速地实现将1路GPS/北斗信号平均功分成多路给4/5G BBU用；若天面空间足够且馈线易布放，也可以每个BBU独立安装GPS/北斗天线，以提高安全性。

图1 GPS/北斗单路无源功分器组网方案示意图

在实际工程应用中，要注意在选用不同类型馈线和功分器时的GPS/北斗天线的拉远距离，确保信号强度能有效满足BBU主控板的GPS接收机对接收灵敏度的要求。下面通过链路预算进行具体分析，先计算不考虑功分，为满足BBU接收机对GPS/北斗信号强度（≥-110dBm）要求时馈线最大允许的损耗值为11.90dB，详见下表：

表1 馈线最大允许的损耗值计算（无源功分器方案）

再根据不同类型馈线在GPS/北斗工作频段1.5GHz上的每百米损耗测量值，可以估算出在采用不同无源功分器时，馈线（即BBU至GPS天线）的最大布放距离，详见表2。

在工程应用中，GPS/北斗天线一般采用1/2"馈线，不功分时馈线长度一般不超过100米，二功分时不超过70米，四功分时不超过50米，八功分时不超过20米。当BBU至GPS天线的布放距离很近时，可采用1/4"馈线，节省成本；当BBU至GPS天线的布放距离很远时，可采用7/8"馈线，弥补损耗、延长距离。

表2 采用不同功分时各类馈线最大布放距离计算

1.2 双路有源共享器解决方案

GPS/北斗单路无源功分器方案是BBU集中数量较少场景下的一种省时省力省钱的工程方案，但该方案可共享接入BBU较少，同时还需要考虑GPS天线供电、端口开路等，且因只有1路GPS/北斗信号输入，一旦天馈系统出现故障，将出现所带BBU基站失去同步问题，存在安全风险。

对于一般机楼、综合业务机房等BBU集中数量较多的场景，当规划BBU数量超过8个、且天面空间不足或馈线难布放时，可采用双路GPS/北斗有源共享器方案。该方案需引入两路GPS/北斗授时天线（一主一备），可采用一级结构，直接用主机单元给BBU分配信号；也可采用二级结构，第一级为主机单元，第二级为从机单元，主/从机均可给BBU分配信号。

图2 GPS/北斗双路有源共享器组网方案示意图

主机单元：用于时钟同步授时系统的信号分配，并给授时天线提供DC 5V供电，具备双天线同时输入能力，当一路天线链路出现故障，可自动快速切换到另一路，仍可提供准确授时并告警提示后台及时处理；同时具备8路以上端口输出能力。

从机单元：当BBU集中数量大于主机单元输出端口数量时，主机单元可以级联下挂从机单元，将一路主机单元输出信号馈入从机单元，从机单元再次分配输出，具备8路以上端口输出能力。

在实际工程应用中，双路有源共享器的主机单元具有信号再生放大能力，一般具有30dB信号增益，可弥补馈线损耗的影响，与无源功分器相比，其馈线的最大布放距离可以更远，可同时满足GPS/北斗的共享和拉远需求。其链路预算过程及结果见下表：

表3 馈线最大允许的损耗值及布放距离计算（有源共享器方案）

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2 拉远受限时GPS/北斗解决方案

随着5G网络规模建设，BBU集中部署是大势所趋。在实际工程中，BBU综合接入机房往往选择在较低的楼层（有的甚至在一楼车库、地下室），而GPS/北斗授时天线为了方便搜星却要求安装于建筑物楼顶，这样GPS馈线超长、损耗过大的情况将时有发生。解决拉远受限有以下两个方案：

（1）采用GPS/北斗信号无源放大器：直接在馈线中串联1个或多个无源信号放大器，一般有25dB左右的放大增益，从而可以不更换更粗馈线而延长GPS/北斗天线的拉远距离，具体数据见下表：

表4 采用无源信号放大器后各类馈线最大布放距离计算

（2）采用GPS/北斗信号有源放大器：实际上就是上述的双路有源共享器方案，主机单元可对接收的信号进行有源再生、整形、放大，从而可实现延长GPS/北斗天线的拉远距离，此处不再赘述。

在实际工程应用中，需要根据GPS/北斗天线与BBU间的拉远距离来选择相应的馈线类型及拉远方案。当拉远距离≤30米时，可选用1/4“馈线；当拉远距离≤70米时，可选用1/2”馈线；当拉远距离≥100米且BBU集中较少时，可选用1/2“馈线+无源放大器；当拉远距离≥100米且BBU集中较多时，可选用1/2”馈线+有源放大器；但一般要求馈线的拉远距离不超过300米。

3 结束语

GPS/北斗授时天线虽小，但对5G网络影响却很大。随着5G无线网云化、BBU集中设置的大规模应用，GPS/北斗共享解决方案将成为5G基站授时的最主要建设方式，工程建设和方案设计需要综合考虑BBU机房的BBU集中度、天面安装空间、馈线布放路由、天线拉远距离、投资成本等因素，选择技术可行、经济合理的最优解决方案。