摘要 随着TD-SCDMA的大规模商用，基于GPS授时的全网同步显的尤为重要。基站之间的精确同步是网络良好运行的基础，基站之间的失步将直接导致网络指标的明显恶化，影响用户感知。本文简要介绍了GPS授时原理，分析GPS失步导致的网络指标恶化情况，并为工程规范完善以及相关GPS替代方案提出建设思路。

1、引言

TD-SCDMA系统的无线网为全网同步系统, 协议规定精度为±1.5us的空口时间同步, 并且以GPS时间为系统时间, 在目前技术条件下各厂家均在基站设计中采用GPS授时方式来满足系统要求, 在已经完成的一期规模实验网, 二期试商用网建设和运营过程中发现一旦GPS不同步对网络质量影响明显, 因此需要对GPS问题进行深入研讨，本文的结构规划如下，第2部分对TD-SCDMA基站间子帧不同步产生的站间干扰以及GPS授时的理论原理进行简要介绍。第3部分对GPS接收机解调电平及相关工程规范进行测试验证并梳理解决方法建议。第4部分对于GPS的BD替代以及共存方案进行技术分析。最后部分对全文进行总结。

2. TD-SCDMA网间同步及GPS授时原理

具有我国自主知识产权的第三代移动通信系统TD-SCDMA已经进入大规模商用阶段。 TD-SCDMA是基于TDD方式的同步CDMA系统，由于其不同于GSM的异频组网方式，基站之间需要有严格的同步机制以确保不同基站间的子帧不产生相互干扰。图1说明了TD-SCDMA系统可能发生的同步问题，

图1. TD-SCDMA可能发生的同步问题

3GPP 25. 402 定义了同步要求，其中TDD系统特别要求严格基站间时间同步。现网TD-SCDMA都采用GPS授时进行基站间时间同步，所有的基站都锁定在GPS时间上，不同的基站能够保证输出时间一致。由于基站只把GPS作为本地高精度时钟的参考源，并不直接使用GPS时间信号，因此具有一定的自保持能力（行业规定为GPS信号失步后，基站自身时钟可自保持24小时），短时间内的GPS输出异常并不会影响基站的正常工作。当GPS输出长时间异常，基站晶稳将随着GPS输出慢慢发生漂移或者长时间处于自由振荡状态，将导致基站间定时偏差逐渐增加而不能保持同步。基站间失步会对网络质量产生影响，从而恶化用户感知。以下对GPS授时原理以及相关受失步基站影响的网络指标分别进行回顾与分析。

2.1 GPS授时原理

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗)，轨道倾角为55°；此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行；卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星；这就提供了在时间上连续的全球导航能力；GPS模块解算授时的基础是至少能观测到4颗卫星。 卫星的轨道分布参考下图：

图2. GPS卫星轨道分布

现网TD-SCDMA基站都采用GPS进行同步，只要基站能够收到GPS卫星信号，基站将锁定在GPS时间上。但有时，由于下列原因：基站无法收到GPS卫星信号：

1、 GPS受到外界信号的干扰：

GPS工作频段为1575MHz，很多因素都会对GPS信号造成干扰，比如外太空太阳耀斑的干扰，电离层和大气环境的干扰，雷电等异常天气的影响，接收天线附近的微波站、基站的干扰，甚至于一些工厂的特殊设备等都会对GPS产生干扰。在存在干扰的情况下，接收机接收卫星的信号质量会变差，信噪比降低，误码率上升，某些时候就会导致完全接收不到卫星信号。

2、 GPS天线被遮挡：

如果GPS天线安装位置附近存在遮挡，或雨雪天气等都会减弱GPS信号。

3、 施工工艺问题

因施工工艺问题造成的馈线线阻过大，馈线头工艺有问题，馈线进水等因素，使得基站侧接收到的GPS信号较弱。

4、 GPS系统自身原因

即使不存在干扰和遮挡，由于卫星每11小时58分钟绕地球一周, 每天当中卫星的位置、整体分布、信号强度等状况都会时刻发生变化，有些时刻卫星信号也会比较弱。

2.2 基站失步分析

由于TD-SCDMA是时分系统，基站间通过准确的同步来避免干扰， GPS跑偏的直接结果就是基站间的同步关系遭到破坏，甚至严重到上下行信号发生干扰。下行信号一般强于上行信号，尤其在TS0, DWPTS时隙满功率下发的时候，受干扰到的上行时隙会很严重，一般离得较近的站点ISCP干扰强度高达-70dBm以上，甚至达到测量值上限-50dBm。

由于GPS失步导致的基站输出信号跑偏可以分为两类情况，一种是跑偏基站输出信号提前于正常基站，如图3；另一种是跑偏基站输出信号滞后于正常基站，如图4。

图3. 跑偏基站输出信号提前于正常基站

图4. 跑偏基站输出信号滞后于正常基站

当跑偏基站输出信号提前正常基站时，其特点为上行1-2时隙受周边邻区所有正常基站干扰，ISCP抬升明显，借助辅助地图工具如IPGMAP分析，发现干扰特征为在锁定时隙内（如TS1），跑偏基站的ISCP值明显高于周围基站ISCP值，跑偏基站定位较容易，因此以下涉及基站失步问题均是指跑偏基站输出信号滞后正常基站的情况。

2.2.1基站失步对切换的影响

当基站跑偏失步到一定程度，如图4情况所示，UE准备从正常基站接力切换到跑偏基站，如果跑偏基站的上行同步窗检索不到UE上行同步信号，就可能造成UE接力切换失败。

2.2.2基站失步对邻区检索的影响

当基站跑偏程度严重的时候，UE在进行邻区搜索时以当前小区的定时来搜索邻区DwPTS的RSCP，由于定时偏差存在，会导致邻区主导频信号超出UE搜索窗，从而在UE需要进行接力切换的时候由于搜索不到合适的邻区而不发生切换直至掉话或者掉线。

2.2.3基站失步对UpPTS干扰的影响

基站出现定时偏差，会对UpPTS干扰进行抬升。基站跑偏提前时，如图3，所有周边邻小区会对跑偏基站UpPTS进行干扰，严重时会影响UE上行同步，从而影响跑偏基站内呼叫成功率。基站跑偏滞后时，如图4，所有周边邻小区UpPTS会成片状受跑偏基站干扰，严重时会造成周边正常基站UE起呼困难，虽然信号覆盖足够，但是无法做到上行同步，从而严重影响用户感知。

2.2.4基站失步对业务时隙干扰的影响

TD-SCDMA 系统是一个时分双工系统，上下行业务必须严格定时，如果定时不准，出现基站之间收发干扰。TD系统本身对于上下行有保护机制，对于同步的基站，可以依靠每个时隙末尾的16chip 保护周期进行收发隔离，但是对于失步达到一定程度的基站，保护周期不足以起到保护作用。当基站间失步达到一定程度，业务干扰严重，有可能产生基站内干扰掉话。

3. 现网中使用的GPS模块测试及工程规范建议

由于TD-SCDMA系统中依赖于GPS接收机授时同步的重要性，因此，有必要对现网GPS模块性能进行测试与分析；同时，需要对GPS接收动态范围以及相应馈线长度予以研究。

3.1 现网中使用的GPS模块以及天线型号

通过调研了解目前商用网中各系统厂家采用GPS天线情况如下表：

表 1 GPS天线使用情况

通过调研了解目前商用网中各系统厂家采用GPS接收机情况如下表：

表 2 GPS接收机使用情况

备注：以上数据来源于某省公司对各厂家使用的GPS调研，各厂家的反馈数据。

3.2 GPS接收机授时精度测试

因为GPS系统时钟溯源于美国海军，我国没有对GPS授时模块精确度进行检测机构，而GPS授时的精确度直接决定TD-SCDMA空口同步的性能。 本研究通过引入北斗（BD-1）授时系统(注：北斗授时导航是我国自行研制的主动式双向测距二维导航系统，具体介绍参见第4章)， 通过共视法来检测目前现网中各个厂家的授时精确度。通过精确度测试了解目前网络在GPS正常情况下的全网同步情况。由于二者分别溯源到各自对应的UTC时，其在整秒量级上的时刻是一一对应的。因此可以共视北斗授时模块的输出来测试GPS模块的授时精确度。图5为基于BD-1授时模块测量各GPS授时模块1PPS时钟准确度的测试原理框图。

图5. 1PPS时钟准确度测试原理框图

图6. 测试连接图

测试步骤

1. 按照图6所示，建立测试环境；

2. 用矢量网络分析校准链路时延以及链路损耗；

3. 用其中将已校准的BD定时终端安装到参考时钟模块，将被测GPS模块安装到被测模块；

4. 使所有被测模块与参考时钟模块正常工作，正常输出1pps；

5. 使测试设备与控制台之间通信正常，控制台能够正常收集测试设备输出鉴相结果，并能够将数据存储于文件；

6. 以24小时为测试周期，进行测试数据整理。

测试结果

表 3：GPS授时模块授时精度测试结果

3.3 GPS接收模块信号动态范围测试

通过图7示测试连接图，调整可调衰减器衰减值，测试输出1PPS相位差判断GPS接收模块的捕获灵敏度和跟踪灵敏度来测试GPS接收模块信号动态范围。

图 7 GPS接收模块动态范围测试原理框图

测试步骤

1. 按照图7示，建立测试环境；

2. 用矢量网络分析校准链路时延以及链路损耗；

3. 其中将已校准的BD定时终端安装到参考时钟模块，将被测GPS模块安装到被测模块；

4. 使所有被测模块与参考时钟模块正常工作，正常输出1pps；

5. 使测试设备与控制台之间通信正常，控制台能够正常收集测试设备输出鉴相结果，并能够将数据存储于文件；

6. 调节数控衰减器,增加衰减值使所有被测模块失锁状态；

7. 每间隔2分钟，减小衰减值1dB，记录衰减值内容，并记录被测模块捕获卫星状态；

8. 重复执行7），直至所有模块能够捕获到4颗卫星，输出1PPS满足要求；

9. 重复10次步骤6至步骤8，以大于8次捕获成功为捕获电平要求值（80%捕获成功率）。

测试结果：

表 4：GPS授时模块授时捕获电平测试结果

3.4 GPS馈线损耗计算

为满足GPS接收机的正常工作，需满足以下馈线损耗公式：

G – L >R （公式一)

其中G为天线的低噪放增益（dB），L为馈线的损耗值（dB），R为接收机性能可靠接收

的最小电平增益（dB）。

GPS接收系统馈线链路预算如下：

G – L > 15dB （公式二）

此时GPS接收机的灵敏度为-109dBm, 而背景噪声功率密度为-114dBm/1.023MHz, 因此R为-109-(-114)=5dB, 考虑10dB的工程裕量，R为15dB。因此, 对应标称增益为38dB的GPS天线增益，LNA增益G为34dB,

L < 34-15=19dB (公式三)

对应标称增益为27dB的GPS天线增益， LNA增益G为23dB, 所以

L < 23-15=8dB （公式四）

推荐采用馈线3/8＂和1/2＂，也可采用RG8馈线；

Ø 标称增益为38dB的GPS天线（LNA增益为34 dB）工程设计建议值：

3/8＂馈线的馈线长度＜（19-3.3①-2*0.5②）/16.8③=90m

1/2＂馈线的馈线长度＜（19-3.3①-2*0.5②）/10.9④=130m

Ø 对应标称增益为23dB的GPS天线（LNA增益为23 dB）工程设计建议值：

3/8＂馈线的馈线长度＜（8-3.3①-2*0.5②）/16.8③=20m

1/2＂馈线的馈线长度＜（8-3.3①-2*0.5②）/10.9④=35m

备注: ①假定有二功分器,插入损耗为3.3dB;②防雷器及其连接器插入损耗为0.5 dB;③3/8＂馈线的损耗应小于16.8dB/100m@1.5GHz；④1/2＂馈线的损耗应小于10.9dB/100m (1.5GHz)；推荐在馈线长度超出建议值场景增加GPS线路放大器。

3.5 GPS接收机现网问题解决方法建议

3.5.1工程施工问题

馈线和连接器工程施工不良造成馈线开（含馈线被盗）、短路， 馈线和连接器间防水不良造成进水；

目前解决方法：依靠人工逐个站点使用仪器进行排查，工程维护复杂成本高；

建议解决方法：1、基站设备开发的新设备增加GPS开、短路告警，快速发现故障，快速维护，降低维护成本；2、按照上述建议工程设计参数进行工程设计。

3.5.2天线地点选择问题

天线点选择的净空不够，遮挡造成信号闪断；

建议解决方法：安装时选择至少大于90°净空，以120°净空为宜的无遮挡环境安装GPS天线，在净空不够和周围遮挡环境建议优先采用U-BLOX 5系列GPS接收机；

备注：在实际对GPS卫星测试，GPS卫星信号不同时间段的动态范围约为7dB。

3.5.3复杂电磁环境下的电磁干扰问题

从各家采用的GPS天线指标分析，GPS天线对带外抑制能力非常有限，如表5示。

表 5： GPS天线对带外抑制能力

建议解决方法：原则上增大GPS天线与其它无线系统的发射天线间隔离度解决，如周边有移动通信的微波天线时，要保证GPS天线安装在其上方，以避开微波天线的发射的主瓣。条件限制，无法满足GPS天线的高度时，要尽量拉开GPS天线与微波天线之间的距离，该距离要大于发射信号的10倍波长。如果周边有圆形的卫星通信天线，GPS天线要避开其微波发射方向。避免安装在高压电缆下方以及电视发射塔天线的发射方向上。从部分现场测试结果可知，干扰属于故意带内干扰信号（见图8），对于该干扰没有好的方法，建议在此场景目前可以考虑BD替换方案，在日后地面链路授时技术成熟时可以用地面链路授时技术替代。

图8 GPS受干扰的信号频谱图

4. 基于北斗（BD）授时的GPS替代及共存备份方案

TD-SCDMA系统依赖于GPS授时满足全网同步需求，然而从战略角度考虑，完全基于GPS全网同步授时存在很大的风险。 BD-1作为我国自行研制的卫星导航定位系统，同时可以实现无源授时。 BD-1系统时与GPS系统时和UTC有严格的相位关系，在要求上BDT、GPST与国际UTC在时刻上误差小于1us，实际执行中性能远远优于1us（100ns以内），而BDT时钟源归属我国，并且有测试检定机构和严格的测试检定方法。对于GPS在TD-SCDMA中的使用要求空口同步精度为±1.5us, 通过NodeB内部指标分解, 要求GPS同步精确指标优于300ns即可满足要求，因此可以用检定后的BD-1授时模块作为参考信号检定GPS授时模块。北斗授时模块与GPS授时模块切换，其系统误差可控制在200ns（1σ）；由表3 测试结果可知， 现网各GPS模块与BD-1 系统误差满足切换精度， 技术层面完全可以做到替换或者备份需求。

5. 总结

本文主要通过分析依赖于GPS授时的TD-SCDMA系统全网同步情况，并基于现网GPS模块测试，给出相应GPS工程施工以及北斗替代授时方案建议，为解决现网出现的同步问题提供技术上的参考及相应解决思路。

作者简介

张阳，英国布鲁内尔大学（Brunel Univ.）设计与工程学院电子与计算机工程博士，高级工程师，博士阶段主要进行LTE物理层、处理优化算法研究。主要从事TD-LTE/TD-SCDMA网络优化工作。曾参加中国移动无线网络优化技术高级培训，荣获优秀学员称号。长期关注跟踪一线实际优化工作，具有丰富的理论基础及实践经验。在国内外通信期刊发表学术论文数十篇。