（武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北 武漢 430205）

1 引言

TD-LTE是嚴格要求時鐘同步的系統(tǒng)，時鐘的不同步會引起相鄰基站間的上下行信號交叉干擾，目前公網宏站時鐘同步普遍由單一GPS授時系統(tǒng)實現，但傳統(tǒng)GPS授時系統(tǒng)需要良好的GPS信號可視空域環(huán)境，對GPS天線選址、拉遠距離、工程施工和抗干擾能力等因素具有嚴格要求。在軌道交通行業(yè)由于基站設備安裝在隧道內部，無法直接引入GPS信號，目前一般采用1588 V2網絡時鐘同步方案，但從目前的工程實施情況來看：1588 V2同步方案存在價格昂貴、組網復雜、可靠性差等諸多不足，因此研究GPS拉遠技術并應用于軌道交通行業(yè)具有重要的現實意義。本文對目前主流的GPS拉遠技術進行探討和分析，并提出軌道交通行業(yè)利用GPS拉遠技術實現隧道內設備的GPS同步信號的組網方案。

2 GPS拉遠技術

根據中國移動《TD無線系統(tǒng)高精度時間同步的功能、性能和時間接口技術規(guī)范》的要求，基站需支持通過以下方式的同步接口，不同方式之間能夠相互備

份[1-2]：

（1）內置GPS接收機模塊；

（2）1PPS+TOD時間接口；

（3）1588 V2 FE端口；

（4）不同基站間空口同步信號相對時間誤差小于3 μs。

嚴格來說，1588 V2只是一種時間傳輸協議，也需要GPS作為時鐘源，兩者不存在替代關系[3]。根據GPS拉遠信號的不同，目前主流的GPS拉遠技術可分為GPS信號直接拉遠和1PPS+TOD信號拉遠，兩種方案均有成熟的市場應用，下面分別進行簡要的介紹。

2.1 GPS信號直接拉遠

（1）高靈敏度GPS模塊

GPS拉遠距離主要由OEM（Original Equipment Manufacturer）板卡的捕獲靈敏度與饋線的損耗決定，通常采用普通GPS OEM板卡，1/4饋線傳輸一般可達到100 m左右，采用高靈敏度GPS OEM板卡可顯著延長GPS的拉遠距離，高靈敏度GPS OEM板卡與普通GPS OEM板卡pin-pin兼容，設備無需做任何更改。

（2）GPS信號射頻拉遠

通過中繼放大器對GPS天線口射頻信號放大后進行拉遠，達到延長傳輸距離的目的。目前一般商用GPS中繼放大器增益可以達到20 dB以上，經放大后GPS信號傳輸距離超過200 m，采用二級放大后傳輸距離可以延伸到300 m以上。

在實際工程條件下，對外接饋線的長度以及中繼放大器的數量有一個量化的限制，當采用中繼放大器的數量過多時會引起射頻和時延指標的惡化，因此GPS信號射頻拉遠方案只適用于短距離的GPS拉遠應用場合。

（3）GPS信號模擬光纖拉遠

如圖1所示，該方案是對GPS天線接收信號進行放大及光電轉換后調制成光信號，經光纖拉遠后在遠端光模塊還原為射頻信號后供給GPS接收模塊，傳輸距離取決于光模塊的性能，至少可以達到1 km以上的傳輸距離。該方案的優(yōu)點是傳輸距離遠，無需對基站設備進行改造，直接采用基站設備內置GPS接收模塊進行時間同步信號解析，缺點是技術復雜，實現成本相對較高。

3 GPS拉遠距離理論計算

為了確保接收機能夠可靠地接收GPS衛(wèi)星信號并達到時鐘鎖定狀態(tài)，到達GPS接收機天線口的信號強度必須顯著優(yōu)于GPS接收的靈敏度。GPS接收機靈敏度根據不同的工作狀態(tài)分為冷啟動靈敏度、捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度等，其中冷啟動靈敏度的要求最高，一般在-140 dBm左右，跟蹤靈敏度的要求最低，目前GPS接收機可以做到小于-160 dBm。接收機靈敏度主

在實際工程應用中，為能夠可靠接收衛(wèi)星信號，到達GPS接收機前端的信號至少應大于接收機的冷啟動靈敏度（-140 dBm），同時需要考慮一定的余量（5 dB），即至少應達到-135 dBm的信號強度，此時GPS接收模塊所能容忍的最小信噪比計算如下：

Sout/Nout=-135 dBm-(-111 dBm)=-24 dB

其中，-111 dBm為GPS帶寬（2.046 MHz）內熱噪聲功率[9]，按照GPS接口控制文件規(guī)范的規(guī)定，GPS系統(tǒng)L1頻段C/A碼信號強度最小值為-160 dBw左右[6-7]，即-130 dBm，此時GPS接收天線口處的信噪比計算如下：

Sin/Nin=-130 dBm-(-111 dBm)=-19 dB

從GPS天線口到GPS接收機信號鏈路的允許的最大噪聲系數NF（Noise Figure）為：

NF=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)=-19 dB-(-24 dB)=5 dB

即為了保證可靠地接收GPS衛(wèi)星信號，GPS天線口到GPS接收機信號鏈路的噪聲系數要求小于5 dB。GPS天線一般為有源天線，內置LNA（Low Noise Amplifier）典型參數為：噪聲系數2.7、增益34 dB，隨著GPS饋線長度的加長，鏈路噪聲系數將會逐步惡化直至超出5 dB的閾值，因此饋線長度會受到一定的限制，以滿足鏈路噪聲系數小于5 dB的要求。

由此可以確定GPS信號的拉遠準則：GPS拉遠時傳輸鏈路的噪聲系數不能有明顯惡化，一般情況下建議不超過10%，并且滿足傳輸鏈路噪聲系數小于5 dB的要求。

以上述GPS信號鏈路傳輸模型為例，為延長GPS拉遠距離，在饋線中間位置增加GPS中繼放大器，此時GPS鏈路噪聲系數級聯計算方法如公式(1)所示[10]：

以典型GPS有源天線（LNA NF1=2.7，Gain=34 dB）及GPS放大器（Gain=20 dB）參數為例計算拉遠時鏈路噪聲系數的惡化情況，根據拉遠準則，要求拉遠后鏈路噪聲系數不超過2.7×（1+10%）=2.97，根據計算結果可反推出最大拉遠距離值，以下為幾種典型的應用場景計算實例。

場景1：直接拉遠，饋線衰減20 dB；

場景2：直接拉遠，饋線衰減25 dB；

場景3：接GPS放大器拉遠，兩段饋線各衰減11 dB；

場景4：接GPS放大器拉遠，兩段饋線各衰減20 dB。

根據公式(1)計算GPS傳輸鏈路噪聲系數NF的結果如表1所示。

由表1的計算結果可知：場景2和場景4的GPS傳輸鏈路噪聲系數NF分別為2.98和2.97，達到拉遠極限值，由此可反推出GPS拉遠距離如下：GPS天線直接拉遠時饋線最大允許損耗為25 dB，采用1/4饋線時最大拉遠距離為125 m（饋線損耗：20 dB/100 m）；增加20 dB增益GPS放大器進行拉遠時，饋線最大允許損耗40 dB，采用1/4饋線時最大拉遠距離200 m。這是根據GPS有源天線和中繼放大器典型參數的計算結果，實際工程選用器件的參數不同時可根據此計算方法進行實際調整。

4 GPS拉遠組網方案

近年來LTE-M作為一種新興的車地無線通信技術越來越多地應用于各地新建的地鐵軌道交通項目，成為目前承載軌道交通系統(tǒng)CBTC及其他綜合承載業(yè)務的主流技術。與公網LTE宏站網絡不同的是軌道交通系統(tǒng)基站設備大部分安裝在地下機房或隧道內部，無法直接接收GPS信號，需要解決系統(tǒng)時鐘的同步問題。目前工程中廣泛應用的1588 V2時鐘同步方案，組網拓撲復雜，現場應用故障率較高，因此通過拉遠技術采用成熟的GPS同步方案不失為一種可行的替代方案，兩種同步方式的優(yōu)劣對比如表2所示：

表2 1588 V2與GPS拉遠同步方案對比

目前軌道交通行業(yè)通常采用分布式基站或者一體化基站進行組網，前者BBU（Building Baseband Unit）設備一般安裝在地鐵集中站地下機房，RRU（Radio Remote Unit）安裝在隧道內部，只需要解決地面GPS信號引入到機房的問題；后者一體化基站設備安裝在隧道內部，需要考慮更長距離的GPS信號拉遠技術，以便將GPS信號引入到隧道深處。

圖6為分布式基站的GPS拉遠組網方案，基站設備一般位于集中站地下機房，只需要考慮GPS信號拉遠到機房BBU設備的問題，采用何種GPS拉遠技術取決于機房基站設備離地面GPS天線的距離，一般在100 m到300 m左右，采用1/4射頻饋線施工。根據本文GPS拉遠技術論述，100 m以內可不考慮拉遠問題，通過1/4饋纜直連；200 m以內建議增加GPS放大器進行中繼，GPS放大器供電直接由BBU遠程供電；200 m以上距離建議采用RGPS方案，引入1PPS+TOD信號進行拉遠。

表1 GPS信號傳輸鏈路噪聲系數計算值

對于一體化基站設備，由于地面GPS天線離隧道內的設備距離較遠，需要對GPS信號進行二級拉遠：GPS信號引入到集中站機房以及集中站機房二次拉遠到隧道內基站。前者沿用上述相同的GPS信號直接拉遠技術，后者采用GPS信號光纖拉遠技術，組網方案如圖7所示，由一臺近端設備LIM（Local Interface Module）及多臺遠端設備RRH（Radio Remote Head）進行混合組網，近端設備LIM采用星型鏈接或者菊花鏈方式連接多臺RRH，每臺近端LIM拖3～6臺遠端RRH設備，近端設備安裝在集中站機房，遠端設備與隧道內基站設備同址安裝。GPS信號經過放大后通過光模塊轉換成光信號進行長距離傳輸，在遠端經光模塊還原為射頻信號提供給基站GPS端口，此種方案不需要對基站進行任何改動，同時GPS信號可以通過光分路器進行分路后同時提供給多路RRH遠端設備，達到一拖多的效果，本方案支持RRH級聯以給更多的基站提供GPS拉遠信號，大大節(jié)省了組網成本，近遠端之間的光纖可以利用隧道內的現有光纜資源，無需另外布設光纜。

5 結束語

圖6 軌道交通分布式基站GPS拉遠組網方案

圖7 軌道交通一體化基站GPS拉遠組網方案

從本文的論述可以看出，與1588 V2同步技術相比，GPS拉遠技術具有技術成熟、成本低廉、施工簡單的優(yōu)點，在軌道交通行業(yè)作為基站設備的時鐘同步方案完全具有可行性，具有一定的推廣價值。