PTP授时服务器（NTP网络时间服务器）技术方案应用

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PTP授时服务器（NTP网络时间服务器）技术方案应用
PTP授时服务器（NTP网络时间服务器）技术方案应用

摘要：文章介绍了北斗卫星系统授时原理，分析了北斗/GPS双模授时在CDMA无线通信系统中应用的可行性，并给出了北斗/GPS双模授时系统的组成和在CDMA中的两种应用方式。

1、概述
卫星导航定位与授时系统是现代化大国极为重要的 基础设施，卫星导航系统提供的精密授时在一个国家的 工业、国防、通信等领域有着广泛和重要的应用。目前 的卫星导航系统主要有美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、欧洲的伽利略 全球导航定位系统Galileo以及中国的北斗一号导航定位 系统。北斗卫星系统是中国自主研发的卫星导航定位系 统，可以为中国全境和周边部分邻国提供定位、导航、 授时和简易通讯服务，特别是对于确保中国国防与通信 安全有着重要意义。

CDMA无线通信系统属于基站同步系统，基站间 无线信道的帧同步以及基站间切换、漫游等都需要精 确的时间控制，一个可靠和高精度的时间/时钟源对 于移动通信的重要性不言而喻。目前CDMA系统基本 采用GPS作为基站同步时钟，但是由于GPS受美国限制，存在自主性差、安全性低等问题，同时由于授时 系统没有备份，可能导致GPS工作异常时通信质量受 到影响。

为了满足CDMA通信系统对时间同步的要求与对安 全的需要，有必要对北斗授时技术在CDMA系统中的应 用进行研究，解决GPS不可用情况下的CDMA系统授时 同步问题。
2、北斗卫星系统授时原理

为了满足CDMA通信系统对时间同步北斗一号卫星导航定位系统由空间卫星、地面控制与标校系统、用户设备三部分组成。其中空间卫星部分 包括两颗地球静止卫星（赤道面东经80°、140°）、一颗 在轨备份卫星（赤道面东经110.5°）；地面控制与标校 系统包括一个配有电子高程图的地面中心定位控制站， 以及几十个分布于全国的参考标校站。
北斗导航系统提供了单向授时和双向授时两种授 时模式，通过北斗卫星的广播或定位信息使得用户不 断核准其时钟钟差，获得很高的时钟精度。

在单向授时模式下，用户通过接收北斗广播电文信 号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时 间同步。地面中心站在出站广播信号周期内的第一帧数 据段发送标准北斗时间（含时间修正数据）和卫星的位 置信息，同时把时标信息调制在出站信号中。卫星信号 经中心站到卫星的传输延迟、卫星到用户的传输延迟后 传送到用户。用户根据本地信号与接收卫星信号之间时 标的差值获得卫星观测时间，然后根据广播电文中的卫 星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先已知的自身 位置信息综合计算。一般来说，如果用户自身坐标已知 且足够精密，则观测一颗卫星就可实现精密时间同步； 如果可观测多颗卫星，则授时精确度与稳定度更高。
在双向授时模式下，用户需要与地面中心站交互信 息，向地面中心站发送授时申请信号，中心站收到授时 申请后通过卫星发送时标信号给用户，用户将接收到的 时标信号返回给中心站。中心站把接收时标信号的时间 与发射时间相减并除以2，即可获得中心站到用户的单向 传播时延。中心站将该传播时延值发送给用户，用户便 可根据接收到的时标信号及单向传播时延完成用户本地 时间与系统标准时间的同步。
单向授时模式与双向授时模式的区别主要在于用户到中心站传输时延的获取方式。单向授时模式要求用 户根据卫星及自身位置信息等自主计算传输时延，由于 卫星位置误差以及建模误差（电离层模型、对流层模型 等）都会影响到传输时延的精度，所以单向授时模式的 授时精度较低，一般为100ns，双向授时模式授时精度可达到20ns。单向授时模式的优点在于不占用卫星系统容量，而双向授时模式由于需要用户与中心站交互信息，占用了卫星系统的一定容量。
3、CDMA无线通信系统对时钟同步的要求
CDMA无线通信系统属于基站同步系统，基站间无线信道的帧同步以及基站间切换、漫游等都需要精确的 时间控制。原则上，CDMA无线信道导频时间校准误差 应控制在CDMA系统时间的±3μs内；当基站同时支持 多个CDMA频道时，发射的所有CDMA频道的导频时间 容限彼此间应在±1μs内。当基站时钟精度误差超过要 求的时间容限时，会导致基站间用户切换失败，出现网 络掉话率升高、通话质量下降等现象。当基站时钟精度 在规定时间内没有恢复正常时，基站会退出服务，导致 基站覆盖区内的用户服务中断。
目前北斗一号系统采取单向授时模式时的授时精度 可以达到100ns，能够满足CDMA无线通信系统的精确 同步要求。如果采取北斗/GPS双模授时方式，则可实现CDMA时间同步备份，大大提高CDMA通信网络的安全性，并且随着未来北斗二代导航定位系统的投入使用，将会进一步提高系统授时精度并提供精确的定位服务。
4、北斗/GPS双模授时系统的组成与应用
北斗/GPS双模授时系统主要由北斗接收模块、GPS接收模块、数据处理模块和接口模块等组成，以北斗/ GPS双系统互为备用设计，一般采用单端双模天线输入 方式，同时接收北斗和GPS卫星信号。双模系统根据卫星信号选择最优的卫星系统，输出秒脉冲1PPS时钟信 息、TOD时间数据信息等。

1PPS信号提供精确的时钟同步信号，脉冲宽度为200-300ms，采用上升沿为准时点，上升时间△T不超过10ns。TOD时间数据信息包含了当前1PPS上升沿所 对应的时刻信息，并可用于传送北斗双模系统相关的状 态、配置信息；TOD在1PPS上升沿之后1ms开始传送， 并在500ms内传完。

北斗/GPS双模授时系统在CDMA网络中的应用可以 有两种方式，一种是作为基站时钟源直接与基站互联， 另一种是作为CDMA地面同步网的时钟源与地面同步网 相连，通过地面同步网向基站提供时间/时钟信息。

北斗/GPS双模授时系统作为基站直接时钟源时可采用内置基站或外置基站两种方式。对于采取外置北斗/GPS双模授时的方式，需要注意基站与双模授时系统间 的接口问题。由于目前CDMA基站外部时钟接口多属于 厂商内部接口，各厂商设备接口规格与协议均不一样，给外置双模授时系统与基站的互联带来困难。此外由于 原有接口主要基于GPS授时应用，没有考虑对外置双模 授时系统的管理需求，不利于运营商对网络的管控。因 此需要在采用外置北斗/GPS双模授时前，做好基站外部 时钟接口的规范与统一，特别是要增加北斗卫星状态查 询、双模系统工作模式设置、双模系统工作状态查询等 一系列与北斗/GPS双模系统特性相关的指令协议。
北斗/GPS双模授时系统采用内置方式时，可以将双 模系统作为基站时钟板卡的一个附件，简化基站设备组 成复杂度，降低基站机房设备安装要求，减少因为线缆 连接不畅导致的设备故障率。而且双模系统采用内置方 式还可以有效利用基站内部指令对双模系统进行控制， 提高设备管控能力，是北斗/GPS双模授时系统作为基站 直接时钟源的应用趋势。

北斗/GPS双模授时系统还可以作为CDMA地面同步 网的时钟源，通过地面同步网向基站提供时间/时钟信 息。此时应考虑时钟源在网络拓扑结构中所处的层级， 以及复杂网络环境下时间/时钟信息经由不同介质设备而 产生的精度下降问题。一般而言，1PPS时钟信号经地面 同步网传输后会产生200ns左右的偏移，虽然满足CDMA导频容限<3μs的要求，但是已经超过国内通信行业标准 规定的CDMA基站外部1pps授时精度<150ns的要求[1]。
因此，在地面同步网采用北斗授时方式时，需要通过开 展严格的CDMA业务应用性测试来充分验证其可行性与可靠性。
5、结束语
北斗导航系统作为CDMA系统的时间/时钟同步源，其授时精度可以满足CDMA无线通信系统运行的需要。 采用北斗/GPS双模方式，可以大大降低单纯倚赖GPS授时带来的网络风险，提高网络安全性。同时也应看到，时间/时钟的高可靠性与高精密性是CDMA系统正常运行 的核心和基础。作为一项新的网络技术，北斗/GPS双模授时系统在CDMA系统中的应用，还应通过实验室与现 网试验等多种手段充分验证其可靠性与精密程度，并高 度关注其在CDMA系统中的可管可控。