胡昌軍 中國信息通信研究院通信標準研究所主任工程師

李信 國網冀北電力有限公司信息通信分公司高級工程師

劉佳 中國信息通信研究院電信設備認證中心助理工程師

潘峰 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

北斗授時在通信領域應用現狀及推廣建議＊

胡昌軍 中國信息通信研究院通信標準研究所主任工程師

李信 國網冀北電力有限公司信息通信分公司高級工程師

劉佳 中國信息通信研究院電信設備認證中心助理工程師

潘峰 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

介紹了國內外衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展現狀及北斗授時在通信領域的應用情況，并分析了其在通信領域中推廣應用的必要性和可行性；最后，給出了北斗系統(tǒng)在通信領域的應用推廣建議。

同步網 北斗授時 通信網

1 引言

同步網是面向傳輸網和各種業(yè)務網提供高質量高可靠定時基準信號、保證網絡定時性能質量和通信網同步運行的關鍵網絡，是通信網一個必不可少的重要組成部分。一般來說，同步網包括頻率同步網和時間同步網，分別可以提供頻率參考和時間參考信號，無論哪種同步網，均需基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)組建定時源頭設備，以獲取溯源至UTC的優(yōu)于±1E-11的長期頻率準確度或最高達μs量級的絕對時間精度。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)在構建同步網中具有舉足輕重的作用。

然而，目前我國通信網中大量使用GPS接收機進行同步授時，其安全性是長期困擾網絡規(guī)劃建設的重大問題。在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)日漸完善和市場逐步建立的情況下，適時推廣部署應用北斗衛(wèi)星授時以提高網絡安全的需求越來越迫切。

2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展現狀

2.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展情況

回顧北斗系統(tǒng)的發(fā)展經歷，從2000年10月—2007年2月，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，完成了北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)（簡稱北斗一號）的部署和試驗。從2007年4月—2012年底，共發(fā)射了16顆衛(wèi)星，按計劃完成了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗二代）的區(qū)域覆蓋。預計到2020年，北斗系統(tǒng)將部署35顆衛(wèi)星，實現全球覆蓋。

2012年12月27日，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室公布了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務信號B1I頻點的空間信號接口控制文件（ICD），該文件的發(fā)布標志著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式向亞太地區(qū)提供商用服務。2013年12月27日，在北斗系統(tǒng)全面商用一周年之際，進一步發(fā)布了ICD公開服務信號（2.0版）并公開服務性能規(guī)范（1.0版）。北斗系統(tǒng)ICD文件的發(fā)布，為國內外相關企業(yè)參與北斗應用終端研發(fā)提供了必要條件，有效地推動了北斗產業(yè)的發(fā)展。

2.2 其他主流衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展情況

除了我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)外，其他主流的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和歐盟的Galileo系統(tǒng)。

（1）美國GPS系統(tǒng)

美國的GPS系統(tǒng)從1978年開始部署，該系統(tǒng)可以為軍用和民用提供導航服務，20世紀90年代初已實現全球覆蓋，全球的可用性接近100%。到2013年5月底，GPS系統(tǒng)的運行時間已達到35年，期間共發(fā)射62顆衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星32顆。GPS系統(tǒng)的部署經歷了GPS Block I、GPS Block II/IIA、GPS Block IIR、GPS BlockIIF各階段。最新的GPSBlockIII從2014年開始發(fā)射應用。GPS Block III系統(tǒng)將由70～90顆衛(wèi)星組成，比目前使用的GPS系統(tǒng)具有更強大、更可靠和更多的功能，并且能夠提供室內定位服務。

（2）俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)從1982年開始部署，該系統(tǒng)可以為軍用和民用提供導航服務，20世紀90年代中曾短期實現全球覆蓋。后很快經歷了一次低谷，2001年在軌的GLONASS衛(wèi)星最少時只有6顆。此后，俄羅斯采用新型的GLONASS-M衛(wèi)星，到2008年底該系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星重新達到18顆以上。到2013年5月底，GLONASS系統(tǒng)的運行時間已達到31年，期間共發(fā)射了135顆衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星29顆，全球范圍的可用性已達到99%，俄羅斯境內的可用性接近100%。需要特別指出的是，俄羅斯在2011年2月首次發(fā)射GLONASS-K衛(wèi)星，這標志著俄羅斯已開始了第三代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的試驗。

（3）歐盟Galileo系統(tǒng)

Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)是歐盟計劃建設的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，最早是在1999年由歐盟提出。Galileo衛(wèi)星采用中等地球軌道，均勻地分布在高度約為2.3萬公里的3個軌道面上，星座包括27顆工作星，另加3顆備份衛(wèi)星。歐洲的Galileo系統(tǒng)在2005年和2008年發(fā)射過2顆試驗衛(wèi)星，在2011年和2012年各發(fā)射2顆衛(wèi)星，最近的4顆衛(wèi)星組成提供導航服務的最小衛(wèi)星星座。在2013年3月12日，利用在軌的4顆衛(wèi)星及地面設施，Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)進行了三維定位試驗，并取得了預期結果。原計劃在2014年底初步投入運營，但由于在2014年8月導航衛(wèi)星發(fā)射失敗，使其投入運營時間向后延遲。目前，Galileo有4顆衛(wèi)星，每天只有2～3h可接收到完整的導航信號。

2.3 北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的比較

從各系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射情況來看，自2010—2012年底，北斗系統(tǒng)剛完成區(qū)域組網，已邁入密集發(fā)射期，在后續(xù)幾年仍將維持較高的發(fā)射頻率，以實現全球覆蓋；GPS系統(tǒng)處于平穩(wěn)期，每年的發(fā)射數量較少；GLONASS系統(tǒng)剛進入平穩(wěn)期，每年的發(fā)射數量將逐漸減少；Galileo系統(tǒng)仍處于試驗組網階段，今后若干年可能會迎來密集發(fā)射期。

表1給出了各種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的部署和運行情況，由于Galileo目前仍未正式投入運行，因此未在表格中列出。從衛(wèi)星導航系統(tǒng)的覆蓋、位置精度因子、衛(wèi)星壽命等對比情況來看，GPS系統(tǒng)仍是全球最主流的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。需要特別注意的是，正在研制和部署的第五代GPSBlockIII系統(tǒng)，其導航精度、服務方式等比現有GPS系統(tǒng)均有較大提升，未來北斗系統(tǒng)的全球化推進還將面臨更多的挑戰(zhàn)。

總體來看，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的部署雖然起步較晚，但其發(fā)展非常迅速。在民用方面，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅可以提供其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所有類型的開放式無源服務，而且還可以提供需授權的短報文服務和雙向有源定位導航/授時服務；而雙向有源定位導航/授時服務可以獲得更高精度的定位/授時性能；有源定位導航精度可達10m，有源授時精度可達20ns。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自行開發(fā)和部署而不受其他任何國家制約的獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，除性能外，應用安全性是其最大的優(yōu)勢。

3 北斗授時在我國通信網絡中的應用現狀

根據衛(wèi)星授時的不同應用場景，下面分別從頻率同步和時間同步兩個方面給出衛(wèi)星授時的總體應用規(guī)模以及北斗授時的應用情況。

（1）頻率同步

我國電信網中的頻率同步網是一個由多個基準時鐘控制的網絡，各基準時鐘之間以準同步運行，每個基準時鐘控制的同步網內同步方法采用等級主從同步，即我國同步網采用的是混合同步方式。我國從20世紀90年代中期開始建設頻率同步網，一級基準時鐘的數量已增加到約200個。目前，國內三大電信運營商的頻率同步網原則上按照省、自治區(qū)和直轄市來劃分，在每個省、自治區(qū)和直轄市設置2個一級基準時鐘。一級基準時鐘分為含有銫原子鐘的全國基準時鐘（PRC）和以衛(wèi)星導航系統(tǒng)為源頭的區(qū)域基準時鐘（LPR）兩種。

表1 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)部署及運行情況

在我國的頻率同步網中，所有的一級基準時鐘設備、部分二級/三級/微型同步節(jié)點時鐘設備上均使用了衛(wèi)星授時接收機（包括內置式衛(wèi)星接收機模塊和外置式衛(wèi)星接收機設備），總數接近2000個，絕大部分為GPS接收機，北斗授時接收機數量僅有幾十個。

（2）時間同步

隨著通信網中各種業(yè)務對時間同步提出的新要求，以及時間同步技術的不斷發(fā)展，通信網計費、網絡管理系統(tǒng)、七號信令網、網間結算、IP網絡新業(yè)務、物聯(lián)網等均對時間同步提出了要求，尤其是3G/4G網絡，提出了μs級的高精度時間同步需求。

早在2004年，我國各電信運營商已建設了獨立的普通精度時間同步網，覆蓋了骨干網及部分發(fā)達地區(qū)，開始提供ms級的時間同步服務，但無法提供高精度時間服務。對于普通精度時間同步網，各運營商建設的時間同步設備數量近千個，均配置了衛(wèi)星授時接收機以溯源至UTC，絕大部分為GPS接收機，北斗授時接收機數量極少。2008—2010年，中國移動開展了高精度時間同步傳送技術的實驗室測試及小規(guī)?，F網試驗。到2013年，高精度時間同步網的網絡規(guī)模已覆蓋31個省會城市及300多個地級城市，每個城市設置主備兩臺高精度時間同步設備，建設數量近千個。所有時間同步設備均配置了以北斗為主用的BeiDou/GPS雙模衛(wèi)星授時接收機以溯源至UTC。

在移動通信網中，三大運營商的2G/3G/4G基站高精度時間同步需求主要解決手段仍是采用衛(wèi)星授時接收機。截至2014年底，CDMA基站中的GPS模塊已超過30萬個，其中北斗授時接收機約數百個；cdma2000基站中的GPS模塊超過10萬個，無北斗授時接收機；WCDMA基站中的GPS模塊超過10萬個，無北斗授時接收機；TD-SCDMA基站中的GPS模塊超過50萬個，有少量采用Bei Dou/GPS雙模授時接收機或模塊；4G移動基站的衛(wèi)星授時模塊超過70萬個，其中以GPS模塊為主，部分采用BeiDou/GPS雙模授時接收機或模塊。

總體來看，經過多年的發(fā)展，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)推廣應用已經具備了基本的技術條件。然而，由于北斗系統(tǒng)屬于后來者，一方面，面臨以GPS為主的原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的激烈競爭；另一方面，自身的產業(yè)鏈完善和成熟需要漫長的過程。因此，目前北斗授時在通信領域的應用規(guī)模仍然比較小，其市場應用需要大力培育和推廣。

4 北斗授時在通信領域推廣應用的必要性和可行性

（1）北斗授時是通信網絡安全組網的根本保證

在同步網方面，我國的頻率同步網采用的是多基準混合同步方式，即全網部署多個一級基準時鐘設備，并且需配置高性能的衛(wèi)星授時接收機，以保證全網的定時性能。我國的時間同步網則采用分布式組網方式，即在每個時間同步設備上均需配置高性能的衛(wèi)星授時接收機，以保證全網的時間精度。

在移動通信網絡方面，CDMA基站、cdma2000基站、TD-SCDMA基站等均需要高精度的時間同步，目前是在每個基站上配置GPS授時模塊。如果基站與基站之間的時間同步不能達到一定要求，將可能導致在選擇器中發(fā)生指令不匹配，從而導致通話連接不能正常建立，影響無線業(yè)務的接續(xù)質量。

在通信網絡中使用北斗衛(wèi)星授時接收機/模塊，將根本解決因大量使用非自主衛(wèi)星授時而導致的全網同步運行及業(yè)務網絡組網的安全性問題。

（2）北斗授時性能可以滿足通信網絡的需求

基于BeiDou/GPS雙模的授時設備最早在2003年進入通信領域，在2008年之前主要提供頻率同步服務，此后可同時提供時間同步和頻率同步服務。根據近十年的多次測試情況，可以看出北斗設備在正常情況下能滿足通信網中對頻率同步和時間同步的要求，尤其是2008年以后生產的北斗設備其性能普遍達到了GPS衛(wèi)星接收機設備的水平，完全可以滿足通信網中各種通信設備對頻率同步和時間同步的需求。

需要指出的是，之前在通信領域使用的授時設備主要是基于北斗一號研發(fā)的產品，北斗二代的產品最近兩年剛開始進行測試和應用。圖1給出了某廠家北斗二代/GPS雙模卡的測試結果，其中采用北斗二代模式授時的平均準確度約為2.5E-13（見圖1（a）），采用GPS模式授時的平均準確度約為2.9E-13（見圖1（b））。根據測試結果，北斗二代授時接收機的長期頻偏與GPS授時接收機在同一個量級。北斗二代授時設備的性能已能滿足通信領域中的應用要求。

（3）通信網絡中的北斗授時應用占比還非常小，推廣應用具有巨大空間

根據第三章的分析，在通信領域中，北斗授時在頻率同步網、時間同步網、無線通信網內開展了應用。其中，在總計近2000個頻率同步設備中，支持北斗授時的已有幾十個；在總計近2000個時間同步設備中，支持北斗授時的近千個；在總計超過170萬個的無線通信基站設備中，支持北斗授時的約數百個。需要說明的是，目前所有支持北斗授時的衛(wèi)星模塊，均采用BeiDou/GPS雙模的方式。因此，總體上，與GPS授時相比，北斗授時所占份額還非常小，其在通信領域的推廣應用具有巨大空間。

5 北斗系統(tǒng)在通信領域的應用推廣建議

從各方面來看，北斗系統(tǒng)完全可以滿足國內通信網對時頻基準信號高性能高可靠性的要求，加快推動北斗授時在通信領域的應用已經勢在必行。北斗授時在通信領域的應用推廣建議如下：

（1）加快通信網北斗授時相關標準的制訂工作，包括設備功能要求、性能要求、接口要求、管理要求、測試方法等。

（2）大力支持國內廠家北斗二代芯片的研發(fā)和應用，推動北斗芯片、模塊、設備的協(xié)調發(fā)展，促進整個北斗授時產業(yè)鏈的良性循環(huán)。

（3）鼓勵北斗二代單?？ǖ难邪l(fā)和應用，擺脫北斗衛(wèi)星授時應用需要依賴GPS的觀念。

（4）考慮到衛(wèi)星授時在無線基站中占據極大的應用份額，建議采取必要的措施，促進北斗授時相關設備的研制，適時開展北斗授時在無線基站中的應用示范，推動北斗授時在無線基站系統(tǒng)中的規(guī)模應用。

（5）制定北斗授時應用政策，在某些重要場景強制要求采用北斗授時。比如，要求網絡端衛(wèi)星授時設備必須支持北斗，包括要求頻率同步網一級基準時鐘必須配置北斗授時接收機作為定時源頭之一、要求時間同步設備必須配置北斗授時接收機作為時間源頭之一、要求移動基站必須從北斗授時接收機獲取頻率和時間參考源等。

6 結束語

作為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要應用領域之一，通信領域的北斗授時推廣應用對于推動我國整個北斗產業(yè)的發(fā)展至關重要。鑒于目前衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的激烈競爭現狀，有必要采取措施加快北斗授時產業(yè)鏈的發(fā)展和成熟，加強北斗衛(wèi)星授時在通信領域中的應用水平，提升北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在衛(wèi)星系統(tǒng)應用市場中的地位和競爭能力。此外，由于網絡同步授時涉及國家通信網安全，北斗授時推廣應用將有助于消除我國通信網在同步授時方面的安全隱患，對于我國通信網的安全運行具有重大意義。

圖1 北斗二代/GPS雙?？y試結果

2015-03-06）

國家電網公司科技項目（52018E140001）資助