黃清紅,許澤明,張旭峰
(廣東精天防務科技有限公司,廣東 佛山 528000)
5G技術是近年來新興的通信技術,其與4G技術相比,具有更高的承載能力。而為了充分發(fā)揮5G技術的優(yōu)勢,設計人員通常加大基站密度,且這項技術的有效應用對于同步技術的要求也大為提升,以往的GPS同步存在著成本過高的局限性,其實際應用效果受到較大限制。為此,就需要對時間同步技術做進一步研究,以研發(fā)適用于5G基站的納秒級時間同步技術,推動5G技術進一步發(fā)展[1]。
縱觀當前的5G通信網絡,其通?;贕NSS授時接收設備,對網絡中的各個5G基站進行授時,在此基礎上也通常采用光纖設備進行延伸,以滿足無線信號傳輸不暢節(jié)點的需要,其基本架構如圖1所示。
基于圖1中的這種架構,5G基站的時間同步精度能夠達到100 ns左右的量級,已經能夠基本滿足5G通信的實際需要。但對于遠距離的通信而言,因其地理環(huán)境等諸多客觀因素的限制,當前的時間同步精度則難以滿足實際需要,其主要瓶頸在于,基于GNSS的授時設備難以實現納秒級時間同步要求,導致5G網絡通信相關增量應用受到嚴重限制,因此如何突破這一技術瓶頸則是需要重點研究的一項內容[2]。
圖1 當前5G通信時間同步功能架構
在GNSS模式下,其解算方式有兩種,在傳統基于用戶位置未知的位置速度定時模式的基礎上,新增了用戶位置預先已知的固定點位置解算模式,在這兩種解算方式下,分別有如下兩個解算方程,對二者分別予以描述。
如采用公式(1)進行解算,其屬于傳統的PVT解算模式,由于接收機時差中含有偽距觀測量,將導致接收機時差解算結果上的失真,同時衛(wèi)星幾何構型的因素也會對接收機時差造成影響,因此考慮采用第二個公式進行研究。由于每顆衛(wèi)星設備均可解算出接收機時差數值,因此其產生的誤差也相對獨立,基本服從均值為0的正態(tài)分布,在此基礎上,為進一步降低影響因素的作用,還可通過平均或加權平均的方式加以進行,理論上可將誤差縮小至原來的1/N(N表示衛(wèi)星數量),顯然,其在精度上的優(yōu)勢明顯高于PVT解算模式,本次研究也將采用此方法進行分析。
在實際工作中,由于各個衛(wèi)星設備在信號功率、傳輸鏈路等多方面存在一定的差異,因此無法采用簡單的算數平均方式進行信號處理,否則容易造成時間同步噪聲的進一步增強。為克服上述局限性,研究人員引入多星聯合信號處理算法做進一步的研究,其基本公式如下。
式中,N仍表示衛(wèi)星總數; 表示第N顆衛(wèi)星上解算出的接收機時差,在該時差數值中,涵蓋了多項誤差,如上文所提及的信號功率、傳輸鏈路等多方面的誤差。
在此基礎上,進一步考慮衛(wèi)星仰角所帶來的誤差影響,根據以往的研究經驗可知,誤差與衛(wèi)星仰角為非線性關系,在一定區(qū)間內,其隨著衛(wèi)星仰角的增大而大幅降低。據此,研究人員設置了兩個臨界值,分別為最低截止仰角和飽和截止仰角,當仰角低于最低臨界值時,此區(qū)間為“截止區(qū)域”;仰角數值位于臨界值之間時,稱為“過渡區(qū)域”;當仰角數值高于臨界值上限時,稱之為“飽和區(qū)域”。在以上三個區(qū)域中,因“截止區(qū)域”的衛(wèi)星設備時差過高,此部分數據不納入解算環(huán)節(jié),“過渡區(qū)域”的解算權值隨高度角增高而增大,“飽和區(qū)域”解算環(huán)節(jié)的權值則設置為1??紤]到實際情況,本次兩個臨界值分別設置為15°和45°,據此得出誤差的加權計算公式如下:
根據以上推導過程,最終確定基于GNSS的多星聯合信號處理算法流程如下:①對基站信息進行初始化處理,確定基站的空間坐標數值;②接收機開始接收GNSS信號并對其進行解調,確定基站跟蹤的衛(wèi)星設備的仰角;③根據跟蹤的衛(wèi)星設備的參數信息,對時差進行初步計算;④應用多星聯合信號處理算法,對初步計算結果進行修正;⑤根據修正結果對GNSS授時接收機時間進行修正,最終輸出精度更高的定時信號。
基于以上算法流程,即可獲取各個基站具有更高時間精度的信息,對這些信息進行解算后,區(qū)域內各站的高精度時間同步目標即可實現。從理論角度分析,這種算法模型能夠將時間同步精度進一步提升至3 ns的級別,且在20 km范圍內均具有較高的同步效果。
為確保納秒級時間同步技術模式中的相關算法得到有效應用,研究人員對系統整體架構進行設計,其基本架構如圖2所示。
圖2 系統整體架構示意圖
從圖2中可知,系統整體采用分布式純BC時鐘模型,通過“帶內”和“帶外”兩種方式實現時間同步,其中前者主要基于PTP報文實現,主控盤FPGA(即現場可編程門陣列)對報文中的時間戳信息進行提取,再將其交由BMU處理,處理完成后,FPGA接收各個信息傳輸端口的狀態(tài)信息,并發(fā)送相應的報文。后者則在主控時間盤面板設置lpps+tod接口完成后,將lpps+tod信號經由FPGA進行處理,而后發(fā)送至時鐘芯片中以實現預期功能。
另外,為實現超高精度時間同步的預期要求,本次選擇Zarlink30773芯片,用以承擔該系統時間同步的核心任務,該芯片在同步效果和同步精度上更具優(yōu)勢[3]。
從上文中的系統整體架構可知,在該系統中,FlexE業(yè)務單盤在時間同步中承擔著最為重要的職能,應當對此著重進行設計。FlexE業(yè)務單盤又可細分為多個組成部分,具體如下。
一是業(yè)務盤FPGA,主要承擔著PTP報文發(fā)送和接收處理兩方面的功能,其中,前者主要是根據系統發(fā)送的復幀號以及主控模塊發(fā)送的lpps+tod實時時間信號進行計算,計算出報文發(fā)出的時間點后,對事件報文進行打發(fā)送時戳處理,并將處理完成后的報文發(fā)送給PTP適配模塊;后者則主要從PTP適配模塊接收PTP報文,根據系統發(fā)送的復幀號以及主控模塊發(fā)送的lpps+tod實時時間信號進行計算,計算出報文接收的時間點后,對事件報文進行打接收時戳處理,處理完成后對報文的標準1588部分進行透傳處理。根據理論分析,該模塊的時間戳打戳頻率為250 MHz,時間戳精度提升了4 ns,使得同步精度也得到相應提升。
二是業(yè)務盤PTP適配模塊,此模塊主要用于對PTP報文數據流進行處理,其基本處理流程分為如下幾個步驟:①接收FlexE接口輸出的信號,并在高電平狀態(tài)下對信號進行緩存,得到一個參數Mfas_tx_current。②如上步得到的參數Mfas_tx_current為0或16,則對內存讀取地址進行重置,并對內存狀態(tài)進行檢查;如內存狀態(tài)為“寫完成”,則進行PTP報文讀取,否則將參數加16,得出下一幀PTP報文所發(fā)送的復幀號,并將結果傳輸給報文發(fā)送處理模塊當中。③對輸出的數據進行讀取,直至數據長度達到讀取長度后停止。
三是FlexE開銷模塊,其主要是針對開銷幀進行處理,PTP報文經過此模塊后,將變更為規(guī)格為66 bit的數據流,該數據流被插入到FlexE后,即可提取復幀號Fp_sys,并向PTP適配模塊發(fā)送。
本次系統軟件模塊設計基于VxWorks操作系統進行,各個模塊之間基于共享數據結構加以連接,其整體設計情況如圖3所示。
圖3 系統軟件模塊結構示意圖
圖3所有軟件功能模塊均在主控盤中運行,在軟件模塊的功能中,不包括PTP報文傳輸和時間戳信息生成功能,該功能由硬件模塊予以完成。具體來看,軟件功能模塊具有較多的子模塊,主要分為以下幾個組成部分。
一是PTP協議棧模塊,該模塊又可細分為以下幾個部分。①時間源信息維護子模塊:從報文信息中提取時間源相關信息,并向BMC算法模塊傳輸這些信息;②SSM信息維護子模塊:主要提取時鐘質量等級信息,并向BMC算法模塊傳輸這些信息;③BMC算法子模塊:其主要負責接收前兩個子模塊所傳輸的數據信息,而后基于BMC算法對其進行處理,處理后的結果輸入下一模塊;④偏差計算及調整子模塊:針對BMC算法處理過的數據,調整其誤差,確保其與源節(jié)點同步。
二是時鐘模塊,該模塊的功能較為簡單,主要用于接收SSM報文信息,并通過這些信息實現與SyncE模塊的交互。
三是BMU模塊,該模塊又細分為以下幾個組成部分。①配置功能子模塊:對下發(fā)配置參數進行合法性檢查,所有參數均符合要求后,將配置參數予以下發(fā),否則發(fā)出警告信息;②狀態(tài)子模塊:實時傳輸BMU模塊的功能;③告警子模塊:主要用于獲取警告信息并進行上報;④性能子模塊:基于傳感元件實時采集當前運行性能信息并進行上報。
四是F P G A驅動模塊,該模塊由P T P和1PPS+TOD兩個報文收發(fā)模塊所組成,其中前者主要控制FPGA完成接收和發(fā)送PTP報文的流程;后者則主要控制FPGA模塊來完成1PPS+TOD信號的接收與發(fā)送,在該信號中,主要內容是時間信息部分。
整體來看,在本次研究中,基于GNSS信號傳輸模式以及基站對時間同步技術方面的高要求,對高精度GNSS時間同步接收的關鍵算法進行設計,以實現對時間信息的同步處理。在此基礎上,研究人員為實現這些關鍵算法的有效應用,初步構建了5G基站納秒級時間同步系統,融入相應算法,并對軟硬件模塊進行了初步設計。從理論角度來看,該系統有望進一步提升時間同步效果,當然在后續(xù)的工作中,尚需進一步的驗證與優(yōu)化?!?/p>