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北斗系統在TD-SCDMA系統中的應用

北斗衛星導航系統所具備的高精度授時的能力,使得其在移動通信網中具有廣泛的應用前景。移動通信網在通信網計費、網路管理系統、七號信令網、CMNET網路安全認證以及今後可能存在的一些移動新業務(如VOIP、位置定位等)中都對時間同步提出了要求。

  TD-SCDMA及其演進方向的LTE系統對於時間同步的要求格外嚴格,從依據3GPP中規定,在TD-SCDMA系統中,基站系統之間需要準確的時間同步。3GPP規範25.123中規定TD-SCDMA社區同步精確度需優於3s, 3GPP規範25.402 NodeB工作時鐘精度要求優於0.05ppm,因而TD-SCDMA系統對時間同步的精度要求應該為3s。如果RNC和Node B之間沒有時間同步,可能導致在選擇器中發生郵件指令不匹配,從而使通話連接不能建立起來。因而在移動通信網中必須採用GPS或北斗衛星導航系統這樣高精度衛星授時才能保證時間同步的要求。

  當作為同步時間源時,無源北斗授時原理與GPS的應用原理是非常相近的,只是根據北斗系統的時標系統由地面系統產生和上行時延的連續發播機制來實現高精度的授時機制。具體原理如下:

  基站的北斗授時接收機採用100M晶振產生秒脈衝,同時利用該晶振產生的計數單元完成對3顆衛星的同步偽距測量,本地晶振採用的為短穩不高於1ns的普通晶振。北斗系統採用基於UTC時刻的BDT時標系統,因此對系統授時基準的統一計算由北斗系統的地面運控系統統一給出,對於基於接收機的時標系統,統一按照BDT時標考慮。

  基於BDT時標的精確到分鐘的時標信號,可以通過北斗衛星信號傳輸的超幀幀頭準確獲取,可以認為不存在誤差。本地接收機利用3星無源定位原理,即時解算出本地時標與BDT時標的每秒鐘的鐘差改正。利用該改正值傳輸給硬體脈衝產生同步電路,調整PPS的輸出相位就可以完成高精度的授時輸出。

  在TD-SCDMA中採用北斗作為同步時間源時,需要對於目前的基站設備進行相應改造,以其能夠同時支持GPS/北斗雙授時。以下為大唐的基站設備改造作為示例:

  一般而言,在基站時鐘板上有二個位置,一個是GPS模組的位置,另一個是北斗的位置。二個模組分別引出端口接射頻饋線,二個模組各自輸出PPS經過一個二選一邏輯輸出,二個模組的TOD介面也分別輸出給一個二選一邏輯輸出。TOD介面的二選一邏輯可以進行輪詢。本示例中的射頻饋線是分別輸出的,如果要用共天線,功分器需要外接。GPS和北斗接收機的下一級是數字鎖相環(PLL),TOD介面的消息中包括輸出信號的品質,數字鎖相環根據GPS和北斗的輸出品質確定使用哪個時鐘系統,方法就是用二選一邏輯進行選擇。

  由於目前TD-SCDMA主設備的生產廠商較多,各個廠商的基站設計方式也有所不同,因而改造的工作量也有所不同。但可以明確的是,基站側採用北斗作為時間同步源的工程改造量較小。

  我國目前正在建設由35顆衛星組成的覆蓋全球的北斗二代衛星導航系統,計畫近年投入商用。我國已於2007年2月3日,成功發射第四顆北斗導航試驗衛星---“北斗4”。2007年4月14日,成功發射北斗導航衛星--- “北斗5” (COMPASS-M1)。建設中的中國北斗導航系統(COMPASS)空間計畫由五顆靜止軌道衛星和三十顆非靜止軌道衛星組成,提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務,定位精度為10米,授時精度為50ns,測速精度0.2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性資訊。在未來幾年裏,中國將陸續發射系列北斗導航衛星,從而滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求,並進行系統組網和試驗,逐步擴展為全球衛星導航系統。

  我國非常重視北斗衛星導航系統的應用及推廣。國家發展和改革委員會聯合國防科學技術工業委員會於2007年11月聯合發出了《關於促進衛星應用產業發展的若干意見》的檔,檔依據《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》,《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》,《高技術產業發展“十一五”規劃》以及《航太發展“十一五”規劃》等檔,明確提出:“對於涉及國家經濟、公共安全的重要行業領域須逐步過渡到採用北斗衛星導航相容其他衛星導航系統的服務體制,鼓勵其他行業和領域採用北斗衛星導航相容其他衛星導航系統的服務體制。”

  目前北斗一代衛星系統已經穩定無故障為用戶提供各項服務將近5年時間;水利部門,國土資源部門,石油部門,森林防火部門等已經大規模使用北斗終端多年。並在長江三峽,南海石油鑽井平臺,珠穆朗瑪峰等均在使用北斗終端。在本次汶川地震中北斗終端也發揮了重要的作用,四川省森林總隊所攜帶的“北斗一號”應急災害指揮調度系統,及時將汶川地震重災區的災情報告給中國人民武裝員警森林部隊司令部,為各級政府和救援機構在第一時間獲得災區的準確位置和災情並評估災後的損失程度,做出了重要貢獻。

  從上文的分析中我們可以看出,目前國家已明確了在對於涉及國家經濟、公共安全的重要行業領域必須逐步過渡到採用北斗衛星導航相容其他衛星導航系統的服務體制,因而北斗衛星導航系統在移動通信將發揮重要的作用。預見在不久的將來,隨著TD-SCDMA系統商用進程的加速及我國北斗導航系統的完善,我國自行研製的時間同步技術將會在擁有自主知識產權的第三代移動通信網絡中得到廣泛應用。 (《衛星與網路雜誌 》)
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