北斗在移动通信中的应用技术研究

2016-11-19江华

移动通信 2016年4期

【摘要】提出了北斗技术在移动通信中的多种应用，包括北斗为移动通信基站系统授时、北斗系统与移动通信短报文互操作架构、北斗与移动集成终端的导航和基于室内分布系统的北斗室内精确定位技术。随着北斗卫星网络部署进度的推进，北斗技术在移动通信中的应用将越来越广泛和深入，以提升移动通信系统的安全性和可靠性。

【关键词】北斗授时导航室内精准定位

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.012 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）04-0064-04

引用格式：江华. 北斗在移动通信中的应用技术研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 64-67.

1 引言

移动通信网络是由多个基站组成的蜂窝覆盖系统，为了降低基站之间的干扰和保持基站之间的同步运行，须使多个基站设备的参考时钟保持一致，需要精密的授时时钟同步。时钟同步包括频率同步和相位同步，表1列出了不同无线接入技术对时钟的同步要求。为了使移动通信基站之间时钟同步，当前主要采用较成熟的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）作为同步时钟源。

继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS之后，我国自行研制了北斗全球卫星定位与通信系统，可以向全球提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时服务，同时北斗还具有短报文通信能力，服务应用范围更为广泛。

北斗技术应用于移动通信系统，可以替代当前在移动通信中使用的GPS技术。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，无线接入网）全体大会上顺利通过3GPP LTE（Long-term Evolution，长期演进）和UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移动通信系统）关于支持基站辅助北斗定位技术的立项申请，意味着北斗技术可以完全用于移动通信领域。

北斗系统可以为移动通信基站系统授时、移动终端导航和相互通信等，针对北斗技术在移动通信中的应用研究，涉及的内容包括北斗授时、导航、互操作架构和室内定位等。

2 北斗授时功能在移动通信系统中的应用

北斗系统提供的时间同步精度是20～100ns，满足移动通信的授时精度要求。与当前基站系统采用的GPS授时精度相同，可以有两种部署方案：一种在移动网络站点部署北斗接收系统为移动基站系统授时，不依赖移动通信的传输网络，独立性较强；另一种是基于传输网络的IEEE1588v2（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师学会）授时方式，不必在每个站点都部署北斗接收系统。

在移动网络站点机房部署北斗接收系统为移动基站系统授时，需要北斗接收天线通过馈线连接至基站。如果采用室内基站方式，尤其是基带系统在室内，则室外的北斗接收天线与基站之间需要较长的馈线，需要考虑信号在线缆上传输的损耗等因素。图1为在移动网络站点部署北斗示意图，其中Node B是3G基站，eNodeB是4G LTE基站，二者可通过功分器共享北斗信号。这种站点部署北斗方案会受材料成本、工程成本和使用环境的限制。

另外一种部署北斗的方案是基于传输网络的IEEE1588v2技术。IEEE1588v2通过IP报文传送时钟信息的方式，其基本应用是采用服务器和客户端主从同步方式，实现原理为：主时钟周期性发布点到点时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，即硬件戳，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。移动通信网络中，最常用的部署方案是在移动核心网机房内部署IEEE1588v2服务器，以4G LTE系统为例，eNodeB需要内置IEEE1588v2客户端芯片，并支持IEEE1588v2协议，服务器和客户端之间采用IP承载IEEE1588v2报文，客户端通过检测与服务器之间报文的时间戳来确定频率和相位同步信息。IEEE1588v2分为单播和多播两种实现方式，在采用多播方式部署时，需要服务器和客户端eNodeB之间的传输网络支持并转发多播报文，因此对传输网络要求很高。通常一台IEEE1588v2服务器根据其性能能够为数百甚至数千台eNodeB提供授时服务。

基于IEEE1588v2授时方案，对于IP化传输网络来说是最常用的应用场景。在核心网或者传输网机房中采用北斗时钟源作为参考时钟源，该参考时钟源提供给核心网或者传输网络机房的IEEE1588v2服务器。然后IEEE1588v2服务器将该参考时钟源信息通过IP网络中的IEEE1588v2报文分发给网络中的客户端eNodeB，eNodeB通过解析IEEE1588v2报文，跟踪、锁定该参考时钟。图2为基于IEEE1588v2的北斗部署示例。

在实际的移动网络中，移动站点机房可以有多种时钟源，如eNodeB既可以直接接收北斗时钟，也可以采用IEEE1588v2时钟同步。这种情况下，eNodeB可以设置时钟优先级，如北斗为主时钟源、IEEE1588v2为备用时钟源，这样当北斗时钟信号丢失或者异常时，eNodeB可以硬切换到IEEE1588v2作为时钟同步方式，为了避免主备切换失步影响移动网络性能，通常采用热备份方案，即eNodeB同时接收主、备时钟源时钟，备用时钟处于等待状态（等待主时钟源异常，转为主时钟源）。图2所示的站点机房3中，eNodeB采用了北斗直接同步方式作为主时钟源，IEEE1588v2为备用时钟源。

3 北斗与移动通信系统的互操作架构

北斗系统的短报文通信功能可以一次性传送40到60个汉字，北斗终端支持收发短报文通信功能。北斗的短报文功能在无移动网络覆盖场景中具有重要的应用价值，如远洋航行。移动通信服务的普及，需要移动终端支持与北斗用户终端实现短报文互通。图3为移动通信系统与北斗系统互操作示意图，从移动终端到移动通信基站系统，再到移动核心网和短消息中心，再通过网关到北斗地面系统，由北斗地面系统发送到北斗卫星，通过卫星转发到北斗终端，从而实现两类终端的双向短报文通信。

移动终端与北斗终端通信应用场景为远离移动网络覆盖地域，如沙漠、高山、海洋等野外，可通过北斗终端与移动终端互通信。

4 集成北斗的移动终端导航

北斗的基本功能是导航和定位，其定位精度可以达到10m，其用户终端可以与移动终端集成，即双模终端，为移动用户提供导航和定位服务。

卫星导航系统的原理：测出卫星到用户（接收机）之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可得出用户的具体空间位置。在立体空间坐标系中，各个导航卫星不断以光速向地面广播含有基准时间信息的测距码，该测距码到用户的传播时间与光速乘积得出的测量距离，称为伪距。由于卫星的位置和系统时间已知，由四颗以上卫星组成联立方程，可以解出包含用户的立体坐标位置和钟差，即同时完成立体定位和授时计算。由于卫星发送的测距码是广播式的，所以定位和授时计算都是在用户端完成。

在导航定位方面，为了节省终端功耗，需要减少终端的复杂定位计算，可以通过云服务方式在云端完成定位计算，再将定位结果反馈给终端，具体流程如图4所示：

图4 基于云端的定位服务

近几年，卫星导航与定位服务产业发展迅速，以GPS为典型代表，形成一个产业链，涉及芯片、数字地图、智能位置服务等领域。基于北斗技术的导航和位置服务还需解决核心技术、应用示范和构建体系架构等方面的瓶颈。

5 基于伪卫星技术的室内精准定位

伪卫星的概念早在1976年就被提出来，最初主要用于测试GPS的用户设备。但随着卫星定位技术的发展，伪卫星作为卫星定位系统的增强工具，可以提高定位精度、改善完好性和增强可用性，尤其在卫星覆盖不到的地方，如地下矿井、室内等场景。

按照伪卫星的工作原理，可将伪卫星分为直接测距伪卫星、移动伪卫星、数据链路伪卫星和同步伪卫星（转发式伪卫星）。针对室内无卫星信号覆盖场景，即北斗终端接收不到卫星信号，采用与移动通信室内分布系统相结合的同步伪卫星方案进行精确室内定位。

图5为基于同步伪北斗卫星的室内定位方案，充分利用室内现有移动网络覆盖系统，将北斗信号通过室内分布系统转发到室内环境，即室内分布天线除收发移动通信信号外，还转发北斗信号。室内部署多个同步伪卫星，并接收来自室内分布系统转发的北斗卫星信号，北斗终端除了接收室内分布系统转发的北斗卫星信号外，还接收来自同步伪卫星的反射信号，进而实现精准定位。

基于室内分布系统的同步伪卫星方案有明显的内部时延，但是时延相对稳定，可以认为是一个常量，可以预先校准，从系统中去掉。

6 结束语

北斗导航技术可以在移动通信中得到广泛应用，不但可以增强移动网络的安全性，而且还扩展了移动服务范畴。无论是北斗的精确授时、短报文服务还是导航和定位，其都与移动通信系统有着密切的关联，尤其是当前用户对移动终端的依赖性越来越大，北斗技术应用于移动通信也是其发展的大趋势。

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