摘要 本文首先分析了我国自主3G标准TD—SCDMA无线通信系统的同步需求和应用GPS存在的风险，提出了使用我国自主知识产权的“北斗卫星”授时和使用地面传送网进行时间传递来替代基站加装GPS的方案。
关键词：TD-SCDMA、时间同步、卫星授时、IEEE 1588v2协议、北斗卫星
1 TD-SCDMA的同步需求
移动通信技术的发展离不开同步技术的支持，载波频率的稳定、上下行时隙的对准、可靠高质量的传送、基站之间的切换、漫游等都需要精确的同步控制。我国提出的TD—SCDMA标准，由于采用了TDD模式对时钟和时间同步提出了更高的要求。TD—SCDMA系统相邻基站之间空121对时间同步的精度要求是3“s(±1．5 u S)。各种无线通信系统的同步性能指标要求如表1所示。其中，TD—SCDMA的同步需求主要来源干无线系统同步、物理帧同步和载波频率的同步需求。
表1 各种无线通信系统的同步性能指标要求
系统同步主要是要实现基站和终端的帧同步，以及接入网设备RNC和Node B同步，是通过各个网元通过PP2S或1PPS时刻获取原子时，通过原子时计算SFN来最终实现的。
TD的物理层帧同步原理是Node B通过获取授时系统1PPS相位、通过本地高稳晶振产生与1PPS无相差的5ms子帧时刻(观测点为天线IZl)，实现空口同步。
TD的载波频率同步原理是各个网元的时频单元在相同时频产生算法通过授时系统得到IPPS长期稳定度高于1×10_10；Node B通过获取授时系统1PPS长期稳定度高，来调整本地高稳晶振，使本地高稳晶振满足：tO．05ppm，就可满足终端250km／h的移动速度。
如图1所示，当TD-SCDMA同频组网时，如果相邻Node B之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰。时隙干扰是指前一个时隙的信号落在下一个时隙中，破坏了这两个时隙内的正交码的正交性，使这两个时隙(内的基站或手机)都无法正常解调。上下行时隙于扰是指一个基站发射的信号直接对另一个基站的接收造成强大的干扰，严重影响第二个基站的正常接收。
图1 TD-SCDMA系统的同步需求
TD-SCDMA基站的时间同步需求描述见技术规范3GPP TR 25．836，要求提供Node B的物理层(码、帧、时隙)同步，保证所有Node B同时发送同时接收，相位精度为小于1．5 u s，提供Node B的SFN同步，现在的TD系统要求做到所有Node B的SFN同步，SFN=(tameX 100)rood 4096；其中tame为从1980．1．6 00：00：00开始计数的秒时间，SFN号每隔1024s循环一遍；提供TOD信息(年月日时分秒)；
提供IPPS，通过锁相技术使Node B保证输出频率稳定度高于5 X 10-8，即要求：TD-SCDMA基站要求频率准确度满足±50ppb，同时要求相邻基站间时间误差小于3uS。
2 TD-SCDMA授时现状和存在的问题
目前在通信领域中，对于高精度时间同步需求主要来自CDMA基站和TD-SCDMA基站，现有的解决方法就是通过配置GPS来解决，即在每个基站设备上都配置了GPS。
目前TD网络的基站间的时间同步需求主要是通过采用美国GPS卫星导航系统的授时功能来实现的，如图2所示。然而，通过在每个基站加装GPS模块来解决基站时间同步问题，存在如下几个隐患：
图2 目前TD-SCDMA无线系统使用GPS进行同步
GPS要求必须同时收到四颗卫星的信号才能完成定位和授时，因此天线安装需满足120。的净空要求，天馈施工难度大，接收天线馈线距离超过100m需增加中继放大器，而且长距离的GPS天线馈线芯径较粗，安装施工困难；GPS相关的馈线成本在天馈系统中占有非常大的比重；GPS系统由美国军方开发和控制，可进行局部性能劣化设置和限制使用，因此在战争等特殊情况下对TD整网运行带来安全隐患。
卫星授时的优点是时间同步的精度高、无需组建网络，获取方便；但使用GPS最大的问题就是安全问题，美国政府从未对GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证，而且美国政府还具有对特定地区GPS信号进行严重降质处理的能力，这是大量使用GPS后面临的最严峻的安全隐患，因此，必须考虑GPS不可用时的后备技术手段。
2009年5月，英国《每13邮报》报道，美国政府发出警告说，构成全球定位系统(GPS)的世界卫星
网可能会在2010年瘫痪，这种情况将对全球数百万人产生不同程度的影响。如果这一警告成为现实，将对全球数百万人产生不同程度的影响，对于依靠GPS的一些重点行业，将造成致命性的打击。对于我国的电力、电信、金融等系统，目前对GPS的依赖性较强，一旦GPS的运行、维护出现问题甚至瘫痪，会对行业以至国民经济的运行产生难以估量的严重后果。
随着我们3G网络建设的不断推进，网络覆盖范围不断提高，相应地部署的基站越来越多。最近美国政府警告，由于严重超支和技术问题，无法按计划更新和发送卫星，GPS系统到明年可能无法保证提供高质量的服务，这使得GPS使用安全问题更加凸现并急需解决，在目前TD基站均普遍使用GPS获取时间同步的情况下，有必要制定相应的应对方案。
3 TD基站的非GPS授时方法
针对GPS的安全性问题，目前有两种替代GPS提供高精度时间同步的方式：采用我国自主研发的北斗卫星授时系统，或者通过地面传输网络提供高精度时间传递，以保障TD—SCDMA网络的安全可靠性。
3.1 用北斗替代GPS的授时方案
北斗卫星授时原理是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。在北斗导航系统中，授时用户根据卫星的广播或定位信息不断的核准其时时的精度为20ns。在单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互信息，只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。由于“北斗一代”系统有三颗工作卫星，而定位导航需要解算四个未知数X、Y、z、△t(钟差)，所以还需要通过外部输入高度或位置来完成授时。接收机在获得高度或位置的情况下，通过接收卫星的导航电文，解算出本地钟差△t，调整本地时间给出一个脉冲信号，使其上升沿同步于BD标准时间(UTC时间)的整秒时刻，并通过串口实时输出脉冲对应的年月日时分秒信息。在双向授时模式下，用户机与中心站进行交互信息，向中心站发射授时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间(UTC)信号对齐。
目前使用的是第一代北斗同步轨道系统，有3颗卫星，采用2+1互为备份的工作模式。2003年开始民用，授时功能为单星授时方式，单向授时精度100ns，无需军方授权，广播式无用户容量限制。第二代北斗系统计划发射5颗静止轨道卫星+30颗非静止轨道卫星，将主要改进定位和通信功能，逐步扩展为全球卫星导航系统，授时功能将增加与GPS相同的4星授时方式，但北斗一代还将并存继续提供授时功能。北斗一代工作频段为2．49GHz，北斗二代工作频段为1．5GHz；一代和二代卫星会长期共存，时统系统不变，两种授时方式并存。
目前北斗接收机和基站可采用以下两种对接方式：一种是直接在基站内部将GPS接收模块用北斗卫星接收模块替代，这就需要推动TD主设备提供商直接在其新提供的设备中支持北斗授时功能及模块，当需要替换时只需要更换GPS子卡同步模块即可。也可以将GPS接收和北斗接收在同一块单板上实现，实现GPS和北斗双模接收模式。例如可以设置在正常情况下工作于GPS，当GPS异常后自动切换到北斗，以达到在非常时期的备份目的，同时摆脱了GPS的制约。这种GPS／BD双模双待的工作模式如图3所示。
图3 使用北斗和GPS的双星备份应用
针对已经在现网的TD—SCDMA基站中使用的GPS接收机的情况，如何实现北斗卫星对GPS的替代是目前的一个研究热点。这种北斗替代GPS的方案就是首先要推动基站支持1PPS+TOD的标准外时间同步接口，然后可以通过外置的北斗接收机的1PPS+TOD时间输出接口来给基站设备提供授时功能，如图4所示。对于外置北斗接收机的方式，基站内的GPS芯片及算法不再生效，彻底摆脱了GPS，故不再存在GPS安全性隐患。目前中国移动已针对该方案在实验室完成了4个厂家的北斗授时模块与4个厂家的TDSCDMA基站的对接测试，测试结果完全满足基站的同步性能要求，缺点是必须规范基站设备提供标准外时间1PPS+TOD输入接口。
2009年4月中国移动在多个省公司现网上组织进行了基站设备中北斗模块替换GPS模块的试点测试工作，共有4个厂家的北斗内嵌模块和3个厂家的基站设备实现了lO个组合的内嵌测试。经过几个月的长期运行测试，除因北斗工作频段在2．49GHz易受其他无线电波干扰，对电磁环境要求较高之外，全部运行正常。
可见北斗卫星从时间稳定性和频率稳定度等各方面都满足TD系统的授时指标要求，完全可以替代GPS来使用。
图4 北斗使用标准外接时间接口1PPS+TOD为基站提供同步
当前限制北斗应用的主要原因是相关产业链还不是很成熟，成本相对较高，稳定性需要进一步提高。
经过中国移动的测试和标准化推动，北斗产业链发展很快，目前已在芯片化、接口标准化、抗干扰措施、创新性设计和应用等方面取得了长足的进步，如果能够实现量产和规模化应用，其成本可大大降低，完全可以达到与GPS相当的水平。目前某些厂家的北斗／GPS双模授时模块价格已降低到3000元左右，体积也只有名片大小，而且还可以提供面向TD的抗干扰授时系统优化方案，对增强现有TD—SCDMA系统的授时同步抗干扰能力、提高TD系统授时安全性、提高系统性能等方面能发挥较好作用。有些厂家可以提供基于北斗双向授时和通信功能的全网时间同步方案，突出优势是可以实现同步性能的集中监控管理，以及在突发灾害情况下还可通过北斗卫星的简短数字报文通信功能实现应急通信。
3.2 用地面传送时间信息替代GPS的授时方案
如果地面有线网络特别是肩负2G、3G无线通信系统的承载职能的的传输网络可以提供时间同步传递功能，则可以从根本上解决在基站中配置卫星接收机和在机房架设卫星接收天线所存在的成本和工程安装方面的难题。具体解决思路是在网络的某个节点处注入时间同步信息，通过有线网络如分组交换网或SDH网络来实现时间同步传递功能，基站从相邻的传输网元提取同步信息，从而达到所有基站之间的时间同步目的。
传统的地面时间同步链路是采用传送NTP(Network Timing Protoc01)协议的方式来实现，该协议最大的缺点只能满足毫秒级别的时间传递精度，这对于无线时间同步基站所需的微秒级时间精度是远远不够的。所以针对这个问题IEEE协议组织提出了PTP(Precision Time Protocal)——IEEE 1588精确时间传送协议，IEEE 1588协议的全称是。网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，目前已发展到v2版本。1588v2对V1进行了完善，提高了同步的精度；引入透明时钟TC模式，包括E2E透明时钟和P2P透明时钟，计算中间网络设备引入的驻留时间，从而实现主从间精确时间同步，新增端口间延时测量机制等，通过非对称校正减少了大型网络拓扑中的积聚错误。
图5 IEEE 1588时间同步过程
如图5所示，1588v2的核心思想是采用主从时钟方式，周期时钟发布，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时钟的同步，PTP的关键在于延时测量。IEEE 1588v2的优点主要有支持时间和频率同步，同步精度高，可达亚微秒级，网络PDV影响可通过逐级的恢复方式解决；是统一的业界标准。其缺点有不支持非对称网络，且需要硬件支持IEEE 1588v2协议和工作原理。相对于NTP的毫秒级精度，1588v2协议可实现微秒及次微秒级时间同步精度，可替代当前的GPS实现方案，降低网络组网成本和设备的安装复杂性。
基于分组网传递时间同步的TD-SCDMA基站时间同步解决方案如图6所示。首先在分组网络上游某节点注入时间源，然后通过PTP协议在分组网络上传递时间信息到所有分组网络的边缘站点，基站从与之相连的分组网设备上接收时间同步信息，达到空口之间的同步目的。核心思想是在分组网络中使用IEEE1588v2技术，通过IEEE 1588v2协议报文实现时间同步。
图6 在分组网络上通过IEEE 1588v2实现的时间同步传递方案
这时分组网络提供的时间同步接口主要有带外接口和带内接口两种模式。
带内接口：支持1588v2的以太网接口，包括百兆和比特以太网，这种模式可传较远的距离，但要求基站支持PTP协议和时钟恢复功能，需要对已有基站接口进行IP化和1588v2功能支持的改造。
带外接口：支持TOD+lPPS的RJ45接口，这种接口不需基站运行PTP协议，但只适合近距离传输，长距离需人工补偿固定延时。
中国移动在2009年4月组织了在多个省公司现网上的1588v2高精度时间传递的试点测试工作，分别研究了在分组传送网(PTN)、增强以太网、IP／MPLS+以太网、SDH传送网等不同传送承载网络上的IEEE 1588v2时间传递技术。通过现网试点测试，可以看出基于PTN和SDH网络设备的1588时间传递方案能够满足TD基站时间同步的需求；当采用边界时钟BC或BC+TC(透明时钟)混合模式时，基于SDH和PTN的1588时间传递方案可以保证亚微秒时间精度；而其它传输技术目前仅仅是通过成对外挂1588v2服务器设备的方式来提供纯透传时间传递模式，而这种方案由于无法实现1588v2增强的时间戳处理功能，无法消除节点处理造成的时延变化，无法消除网络动态变化所造成的时延抖动等因素的影响，而且外挂设备的管理维护比较麻烦，是否可行仍有待进一步验证。
中国移动在现网试点中还针对基于PTN的1588时间传递方案，测试了同一厂家的传输设备和基站设备分别通过带内(1588 FE)和带外(IPPS+TOD)时间接口对接功能，结果显示可满足TD基站时间同步要求，业务性能正常。
4 小结
随着PTP技术以及TD-SCDMA网络的快速发展，中国移动同多个传输设备生产厂家共同开展了基于SDH和基于PTN高精度时间传送方面的实验测试和相关研究，在多个省市的实际网络环境上取得了成功试点应用。在业务和应用IP化发展背景下，中国移动还组织研究了通过多种高精度时间接口，在多种面向IP化的传输新技术平台上高精度时间传送的研究和实验。目前主流的TD-SCDMA基站设备和国内传输设备都可提供PTP时间接口、1PPS+TOD时间接口和基于MSTP和基于PTN的高精度传送方案；主流的TD—SCDMA基站设备都可提供IEEEl588v2的同步功能和时钟恢复功能。但面对将来可能的实际应用，仍急需解决许多问题，例如：控制双向传输不对等造成的时间偏差、对于PTP边界时钟／透明时钟／通道透传的全面支持与合理使用、提高相关功能和性能的稳定性、权衡时间同步与频率同步间采用紧耦合与松耦合的利弊等。
