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        北斗在移動通信中的應(yīng)用技術(shù)研究

        2016-11-19 15:30:49江華
        移動通信 2016年4期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)航北斗

        【摘 要】提出了北斗技術(shù)在移動通信中的多種應(yīng)用,包括北斗為移動通信基站系統(tǒng)授時、北斗系統(tǒng)與移動通信短報文互操作架構(gòu)、北斗與移動集成終端的導(dǎo)航和基于室內(nèi)分布系統(tǒng)的北斗室內(nèi)精確定位技術(shù)。隨著北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署進度的推進,北斗技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用將越來越廣泛和深入,以提升移動通信系統(tǒng)的安全性和可靠性。

        【關(guān)鍵詞】北斗 授時 導(dǎo)航 室內(nèi)精準(zhǔn)定位

        doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.012 中圖分類號:TN929.5 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-1010(2016)04-0064-04

        引用格式:江華. 北斗在移動通信中的應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 移動通信, 2016,40(4): 64-67.

        1 引言

        移動通信網(wǎng)絡(luò)是由多個基站組成的蜂窩覆蓋系統(tǒng),為了降低基站之間的干擾和保持基站之間的同步運行,須使多個基站設(shè)備的參考時鐘保持一致,需要精密的授時時鐘同步。時鐘同步包括頻率同步和相位同步,表1列出了不同無線接入技術(shù)對時鐘的同步要求。為了使移動通信基站之間時鐘同步,當(dāng)前主要采用較成熟的GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))作為同步時鐘源。

        繼美國的GPS和俄羅斯的GLONASS之后,我國自行研制了北斗全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),可以向全球提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù),同時北斗還具有短報文通信能力,服務(wù)應(yīng)用范圍更為廣泛。

        北斗技術(shù)應(yīng)用于移動通信系統(tǒng),可以替代當(dāng)前在移動通信中使用的GPS技術(shù)。2013年3月1日,3GPP(Third Generation Partnership Project,第三代伙伴工程)的第59次RAN(Radio Access Network,無線接入網(wǎng))全體大會上順利通過3GPP LTE(Long-term Evolution,長期演進)和UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,通用移動通信系統(tǒng))關(guān)于支持基站輔助北斗定位技術(shù)的立項申請,意味著北斗技術(shù)可以完全用于移動通信領(lǐng)域。

        北斗系統(tǒng)可以為移動通信基站系統(tǒng)授時、移動終端導(dǎo)航和相互通信等,針對北斗技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究,涉及的內(nèi)容包括北斗授時、導(dǎo)航、互操作架構(gòu)和室內(nèi)定位等。

        2 北斗授時功能在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

        北斗系統(tǒng)提供的時間同步精度是20~100ns,滿足移動通信的授時精度要求。與當(dāng)前基站系統(tǒng)采用的GPS授時精度相同,可以有兩種部署方案:一種在移動網(wǎng)絡(luò)站點部署北斗接收系統(tǒng)為移動基站系統(tǒng)授時,不依賴移動通信的傳輸網(wǎng)絡(luò),獨立性較強;另一種是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588v2(Institute of Electrical and Electronics Engineers,電氣電子工程師學(xué)會)授時方式,不必在每個站點都部署北斗接收系統(tǒng)。

        在移動網(wǎng)絡(luò)站點機房部署北斗接收系統(tǒng)為移動基站系統(tǒng)授時,需要北斗接收天線通過饋線連接至基站。如果采用室內(nèi)基站方式,尤其是基帶系統(tǒng)在室內(nèi),則室外的北斗接收天線與基站之間需要較長的饋線,需要考慮信號在線纜上傳輸?shù)膿p耗等因素。圖1為在移動網(wǎng)絡(luò)站點部署北斗示意圖,其中Node B是3G基站,eNodeB是4G LTE基站,二者可通過功分器共享北斗信號。這種站點部署北斗方案會受材料成本、工程成本和使用環(huán)境的限制。

        另外一種部署北斗的方案是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588v2技術(shù)。IEEE1588v2通過IP報文傳送時鐘信息的方式,其基本應(yīng)用是采用服務(wù)器和客戶端主從同步方式,實現(xiàn)原理為:主時鐘周期性發(fā)布點到點時間同步協(xié)議及時間信息,從時鐘端口接收主時鐘端口發(fā)來的時間戳信息,即硬件戳,系統(tǒng)據(jù)此計算出主從線路時間延遲及主從時間差,并利用該時間差調(diào)整本地時間,使從設(shè)備時間保持與主設(shè)備時間一致的頻率與相位。移動通信網(wǎng)絡(luò)中,最常用的部署方案是在移動核心網(wǎng)機房內(nèi)部署IEEE1588v2服務(wù)器,以4G LTE系統(tǒng)為例,eNodeB需要內(nèi)置IEEE1588v2客戶端芯片,并支持IEEE1588v2協(xié)議,服務(wù)器和客戶端之間采用IP承載IEEE1588v2報文,客戶端通過檢測與服務(wù)器之間報文的時間戳來確定頻率和相位同步信息。IEEE1588v2分為單播和多播兩種實現(xiàn)方式,在采用多播方式部署時,需要服務(wù)器和客戶端eNodeB之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)支持并轉(zhuǎn)發(fā)多播報文,因此對傳輸網(wǎng)絡(luò)要求很高。通常一臺IEEE1588v2服務(wù)器根據(jù)其性能能夠為數(shù)百甚至數(shù)千臺eNodeB提供授時服務(wù)。

        基于IEEE1588v2授時方案,對于IP化傳輸網(wǎng)絡(luò)來說是最常用的應(yīng)用場景。在核心網(wǎng)或者傳輸網(wǎng)機房中采用北斗時鐘源作為參考時鐘源,該參考時鐘源提供給核心網(wǎng)或者傳輸網(wǎng)絡(luò)機房的IEEE1588v2服務(wù)器。然后IEEE1588v2服務(wù)器將該參考時鐘源信息通過IP網(wǎng)絡(luò)中的IEEE1588v2報文分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的客戶端eNodeB,eNodeB通過解析IEEE1588v2報文,跟蹤、鎖定該參考時鐘。圖2為基于IEEE1588v2的北斗部署示例。

        在實際的移動網(wǎng)絡(luò)中,移動站點機房可以有多種時鐘源,如eNodeB既可以直接接收北斗時鐘,也可以采用IEEE1588v2時鐘同步。這種情況下,eNodeB可以設(shè)置時鐘優(yōu)先級,如北斗為主時鐘源、IEEE1588v2為備用時鐘源,這樣當(dāng)北斗時鐘信號丟失或者異常時,eNodeB可以硬切換到IEEE1588v2作為時鐘同步方式,為了避免主備切換失步影響移動網(wǎng)絡(luò)性能,通常采用熱備份方案,即eNodeB同時接收主、備時鐘源時鐘,備用時鐘處于等待狀態(tài)(等待主時鐘源異常,轉(zhuǎn)為主時鐘源)。圖2所示的站點機房3中,eNodeB采用了北斗直接同步方式作為主時鐘源,IEEE1588v2為備用時鐘源。

        3 北斗與移動通信系統(tǒng)的互操作架構(gòu)

        北斗系統(tǒng)的短報文通信功能可以一次性傳送40到60個漢字,北斗終端支持收發(fā)短報文通信功能。北斗的短報文功能在無移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景中具有重要的應(yīng)用價值,如遠(yuǎn)洋航行。移動通信服務(wù)的普及,需要移動終端支持與北斗用戶終端實現(xiàn)短報文互通。圖3為移動通信系統(tǒng)與北斗系統(tǒng)互操作示意圖,從移動終端到移動通信基站系統(tǒng),再到移動核心網(wǎng)和短消息中心,再通過網(wǎng)關(guān)到北斗地面系統(tǒng),由北斗地面系統(tǒng)發(fā)送到北斗衛(wèi)星,通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到北斗終端,從而實現(xiàn)兩類終端的雙向短報文通信。

        移動終端與北斗終端通信應(yīng)用場景為遠(yuǎn)離移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域,如沙漠、高山、海洋等野外,可通過北斗終端與移動終端互通信。

        4 集成北斗的移動終端導(dǎo)航

        北斗的基本功能是導(dǎo)航和定位,其定位精度可以達到10m,其用戶終端可以與移動終端集成,即雙模終端,為移動用戶提供導(dǎo)航和定位服務(wù)。

        衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理:測出衛(wèi)星到用戶(接收機)之間的距離,然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可得出用戶的具體空間位置。在立體空間坐標(biāo)系中,各個導(dǎo)航衛(wèi)星不斷以光速向地面廣播含有基準(zhǔn)時間信息的測距碼,該測距碼到用戶的傳播時間與光速乘積得出的測量距離,稱為偽距。由于衛(wèi)星的位置和系統(tǒng)時間已知,由四顆以上衛(wèi)星組成聯(lián)立方程,可以解出包含用戶的立體坐標(biāo)位置和鐘差,即同時完成立體定位和授時計算。由于衛(wèi)星發(fā)送的測距碼是廣播式的,所以定位和授時計算都是在用戶端完成。

        在導(dǎo)航定位方面,為了節(jié)省終端功耗,需要減少終端的復(fù)雜定位計算,可以通過云服務(wù)方式在云端完成定位計算,再將定位結(jié)果反饋給終端,具體流程如圖4所示:

        圖4 基于云端的定位服務(wù)

        近幾年,衛(wèi)星導(dǎo)航與定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,以GPS為典型代表,形成一個產(chǎn)業(yè)鏈,涉及芯片、數(shù)字地圖、智能位置服務(wù)等領(lǐng)域?;诒倍芳夹g(shù)的導(dǎo)航和位置服務(wù)還需解決核心技術(shù)、應(yīng)用示范和構(gòu)建體系架構(gòu)等方面的瓶頸。

        5 基于偽衛(wèi)星技術(shù)的室內(nèi)精準(zhǔn)定位

        偽衛(wèi)星的概念早在1976年就被提出來,最初主要用于測試GPS的用戶設(shè)備。但隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展,偽衛(wèi)星作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的增強工具,可以提高定位精度、改善完好性和增強可用性,尤其在衛(wèi)星覆蓋不到的地方,如地下礦井、室內(nèi)等場景。

        按照偽衛(wèi)星的工作原理,可將偽衛(wèi)星分為直接測距偽衛(wèi)星、移動偽衛(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈路偽衛(wèi)星和同步偽衛(wèi)星(轉(zhuǎn)發(fā)式偽衛(wèi)星)。針對室內(nèi)無衛(wèi)星信號覆蓋場景,即北斗終端接收不到衛(wèi)星信號,采用與移動通信室內(nèi)分布系統(tǒng)相結(jié)合的同步偽衛(wèi)星方案進行精確室內(nèi)定位。

        圖5為基于同步偽北斗衛(wèi)星的室內(nèi)定位方案,充分利用室內(nèi)現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng),將北斗信號通過室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)環(huán)境,即室內(nèi)分布天線除收發(fā)移動通信信號外,還轉(zhuǎn)發(fā)北斗信號。室內(nèi)部署多個同步偽衛(wèi)星,并接收來自室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的北斗衛(wèi)星信號,北斗終端除了接收室內(nèi)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的北斗衛(wèi)星信號外,還接收來自同步偽衛(wèi)星的反射信號,進而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

        基于室內(nèi)分布系統(tǒng)的同步偽衛(wèi)星方案有明顯的內(nèi)部時延,但是時延相對穩(wěn)定,可以認(rèn)為是一個常量,可以預(yù)先校準(zhǔn),從系統(tǒng)中去掉。

        6 結(jié)束語

        北斗導(dǎo)航技術(shù)可以在移動通信中得到廣泛應(yīng)用,不但可以增強移動網(wǎng)絡(luò)的安全性,而且還擴展了移動服務(wù)范疇。無論是北斗的精確授時、短報文服務(wù)還是導(dǎo)航和定位,其都與移動通信系統(tǒng)有著密切的關(guān)聯(lián),尤其是當(dāng)前用戶對移動終端的依賴性越來越大,北斗技術(shù)應(yīng)用于移動通信也是其發(fā)展的大趨勢。

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