北斗卫星导航系统所具备的高精度授时的能力,使得其在移动通信网中具有广泛的应用前景。移动通信网在通信网计费、网络管理系统、七号信令网、CMNET网络安全认证以及今后可能存在的一些移动新业务(如VOIP、位置定位等)中都对时间同步提出了要求。

  TD-SCDMA及其演进方向的LTE系统对于时间同步的要求格外严格,从依据3GPP中规定,在TD-SCDMA系统中,基站系统之间需要准确的时间同步。3GPP规范25.123中规定TD-SCDMA小区同步精确度需优于3s, 3GPP规范25.402 NodeB工作时钟精度要求优于0.05ppm,因而TD-SCDMA系统对时间同步的精度要求应该为3s。如果RNC和Node B之间没有时间同步,可能导致在选择器中发生邮件指令不匹配,从而使通话连接不能建立起来。因而在移动通信网中必须采用GPS或北斗卫星导航系统这样高精度卫星授时才能保证时间同步的要求。

  当作为同步时间源时,无源北斗授时原理与GPS的应用原理是非常相近的,只是根据北斗系统的时标系统由地面系统产生和上行时延的连续发播机制来实现高精度的授时机制。具体原理如下:

  基站的北斗授时接收机采用100M晶振产生秒脉冲,同时利用该晶振产生的计数单元完成对3颗卫星的同步伪距测量,本地晶振采用的为短稳不高于1ns的普通晶振。北斗系统采用基于UTC时刻的BDT时标系统,因此对系统授时基准的统一计算由北斗系统的地面运控系统统一给出,对于基于接收机的时标系统,统一按照BDT时标考虑。

  基于BDT时标的精确到分钟的时标信号,可以通过北斗卫星信号传输的超帧帧头准确获取,可以认为不存在误差。本地接收机利用3星无源定位原理,实时解算出本地时标与BDT时标的每秒钟的钟差改正。利用该改正值传输给硬件脉冲产生同步电路,调整PPS的输出相位就可以完成高精度的授时输出。

  在TD-SCDMA中采用北斗作为同步时间源时,需要对于目前的基站设备进行相应改造,以其能够同时支持GPS/北斗双授时。以下为大唐的基站设备改造作为示例:

  一般而言,在基站时钟板上有二个位置,一个是GPS模块的位置,另一个是北斗的位置。二个模块分别引出端口接射频馈线,二个模块各自输出PPS经过一个二选一逻辑输出,二个模块的TOD接口也分别输出给一个二选一逻辑输出。TOD接口的二选一逻辑可以进行轮询。本示例中的射频馈线是分别输出的,如果要用共天线,功分器需要外接。GPS和北斗接收机的下一级是数字锁相环(PLL),TOD接口的消息中包括输出信号的质量,数字锁相环根据GPS和北斗的输出质量确定使用哪个时钟系统,方法就是用二选一逻辑进行选择。

  由于目前TD-SCDMA主设备的生产厂商较多,各个厂商的基站设计方式也有所不同,因而改造的工作量也有所不同。但可以明确的是,基站侧采用北斗作为时间同步源的工程改造量较小。

  我国目前正在建设由35颗卫星组成的覆盖全球的北斗二代卫星导航系统,计划近年投入商用。我国已于2007年2月3日,成功发射第四颗北斗导航试验卫星---“北斗4”。2007年4月14日,成功发射北斗导航卫星--- “北斗5” (COMPASS-M1)。建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50ns,测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。在未来几年里,中国将陆续发射系列北斗导航卫星,从而满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。

  我国非常重视北斗卫星导航系统的应用及推广。国家发展和改革委员会联合国防科学技术工业委员会于2007年11月联合发出了《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》的文件,文件依据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,《高技术产业发展“十一五”规划》以及《航天发展“十一五”规划》等文件,明确提出:“对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制,鼓励其它行业和领域采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制。”

  目前北斗一代卫星系统已经稳定无故障为用户提供各项服务将近5年时间;水利部门,国土资源部门,石油部门,森林防火部门等已经大规模使用北斗终端多年。并在长江三峡,南海石油钻井平台,珠穆朗玛峰等均在使用北斗终端。在本次汶川地震中北斗终端也发挥了重要的作用,四川省森林总队所携带的“北斗一号”应急灾害指挥调度系统,及时将汶川地震重灾区的灾情报告给中国人民武装警察森林部队司令部,为各级政府和救援机构在第一时间获得灾区的准确位置和灾情并评估灾后的损失程度,做出了重要贡献。

  从上文的分析中我们可以看出,目前国家已明确了在对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域必须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制,因而北斗卫星导航系统在移动通信将发挥重要的作用。预见在不久的将来,随着TD-SCDMA系统商用进程的加速及我国北斗导航系统的完善,我国自行研制的时间同步技术将会在拥有自主知识产权的第三代移动通信网络中得到广泛应用。