CDMA2000無線接入網(wǎng)的授時(shí)和同步方法

摘要：同步是CDMA2000正常工作的基礎(chǔ)之一，本文從CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的工作需求出發(fā)，開展無線接入網(wǎng)的授時(shí)和同步相關(guān)原理的闡述。文章首先介紹了基站的授時(shí)方法和時(shí)鐘同步方法，在此基礎(chǔ)上介紹了移動(dòng)臺(tái)的授時(shí)和同步方法。

關(guān)鍵詞：CDMA;基站;授時(shí);同步;

1、引言

CDMA2000網(wǎng)絡(luò)是同步通信系統(tǒng)，它具有一套高精度的時(shí)鐘源完成基站和移動(dòng)臺(tái)之間的收發(fā)同步。

時(shí)鐘同步在CDMA2000無線接入網(wǎng)中發(fā)揮著重大的作用，如果某一個(gè)基站的時(shí)鐘發(fā)生問題，那么基站周圍可能發(fā)生大量的切換掉話;如果CDMA系統(tǒng)丟失了同步時(shí)鐘源，那么所有CDMA基站都會(huì)陸續(xù)退服，系統(tǒng)也就無法工作了。

本文根據(jù)CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求，展開相關(guān)的原理闡述，為無線接入網(wǎng)時(shí)鐘同步相關(guān)的優(yōu)化維護(hù)和拓展應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2、CDMA2000基站授時(shí)方法

同步通信網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)完成同步的參考時(shí)鐘源，如何選擇和獲得這個(gè)時(shí)鐘源，就是同步系統(tǒng)的授時(shí)問題。

2.1 CDMA 2000網(wǎng)絡(luò)的同步方式

CDMA2000系統(tǒng)是同步通信系統(tǒng)，它的同步分為幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)同步、節(jié)點(diǎn)同步、傳輸通道同步和無線接口同步，它要求基站和手機(jī)的計(jì)數(shù)頻率穩(wěn)定且盡量一致，具有同頻同相的同步時(shí)鐘信號(hào)。

CDMA是碼分多址系統(tǒng)，碼序列在傳輸過程中有傳輸時(shí)延，為了正確的解調(diào)發(fā)端發(fā)送的信號(hào)，就需要收端補(bǔ)償信號(hào)傳輸和器件處理造成的時(shí)延。而要做到補(bǔ)償，就需要使收、發(fā)端產(chǎn)生的碼序列同步，這就是CDMA2000系統(tǒng)需要同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的原因。

在同步通信系統(tǒng)中，收發(fā)雙方交互消息的前面都有一個(gè)同步字符，使發(fā)收雙方建立同步，此后在同步時(shí)鐘的控制下逐位發(fā)送/接收。

CDMA2000系統(tǒng)的基站之間建立時(shí)間同步，移動(dòng)通信基站能同時(shí)跟蹤幾個(gè)基站并在基站之間執(zhí)行切換，而手機(jī)可以在軟切換區(qū)域同時(shí)獲得多個(gè)扇區(qū)的多徑數(shù)據(jù);另外同步加快了信令交互過程，也使得手機(jī)可以較快的搜索、捕獲并待機(jī)在某個(gè)基站。

2.2 GPS信號(hào)

CDMA2000是同步通信系統(tǒng)，它就需要有一個(gè)時(shí)鐘源作為時(shí)鐘同步的參考。由于CDMA2000的碼速率非常高，達(dá)到1.2288Mcps，所以作為參考的同步時(shí)鐘源必須有極高精度，才能同步網(wǎng)絡(luò)的所有基站。目前CDMA2000的授時(shí)系統(tǒng)采用GPS時(shí)鐘(GPS clock)的時(shí)鐘信號(hào)廣播系統(tǒng)(radio cloCk)。

GPS系統(tǒng)共有24顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星上都有2～3個(gè)高精度的銫原子鐘，這幾塊原子鐘互為備份也互相糾正，可以輸出納秒級(jí)授時(shí)精度和穩(wěn)定度在1E12量級(jí)的頻率。另外GPS系統(tǒng)的地面控制站會(huì)定期發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，和每一顆衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)。

由于衛(wèi)星信號(hào)很微弱，只有在室外才能接受的到，基站為了獲得GPS衛(wèi)星信號(hào)都安裝有GPS衛(wèi)星信號(hào)。基站GPS天線安裝位置需要天空視野應(yīng)開闊，天線上方90度范圍內(nèi)沒有大型建筑物遮擋。

CDMA基站通過GPS天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號(hào)，并交由時(shí)間和頻率單元解碼出其中的時(shí)鐘信號(hào)，并計(jì)算得出GPS時(shí)間。

2.3 CDMA2000基站授時(shí)方法

CDMA基站之間的相互距離往往較遠(yuǎn)，為了減少時(shí)鐘信號(hào)長距離傳送時(shí)所受的電磁干擾，CDMA2000基站采用分設(shè)時(shí)鐘的方式接收GPS授時(shí)。而分設(shè)GPS時(shí)鐘也有利于減小時(shí)鐘信號(hào)發(fā)射故障時(shí)造成的影響。

CDMA2000基站分設(shè)時(shí)鐘，就是各個(gè)CDMA基站單設(shè)GPS時(shí)鐘，各個(gè)基站都單獨(dú)配置時(shí)鐘系統(tǒng)，主要包括GPS天線、定時(shí)和頻率單元和振蕩器模塊，它們協(xié)同工作為基站各個(gè)組成單元提供從GPS衛(wèi)星獲得的時(shí)間同步信號(hào)。這些信號(hào)使得分配給各個(gè)CE的時(shí)間信號(hào)同步。

有些CDMA基站主設(shè)備商也提供GPS天線引線拆分功能，可以將主基站接收的GPS信號(hào)拆分到同伴基站上，這主要是為了節(jié)約運(yùn)營成本，避免維護(hù)多個(gè)GPS 天線。這種做法一般針對(duì)主基站和同伴基站距離不太遠(yuǎn)的情況，并且為了保證時(shí)鐘精度，同伴基站也不宜過多，朗訊設(shè)備最多3個(gè)。

CDMA基站都接入GPS衛(wèi)星信號(hào)，解碼其中的時(shí)鐘信號(hào)，這樣CDMA基站系統(tǒng)就有了高精度的同步時(shí)鐘源了。

3、CDMA2000基站的時(shí)間同步方法

CDMA基站通過GPS天線接收GPS定時(shí)信號(hào)，而基站的定時(shí)主要是依靠定時(shí)/頻率單元和振蕩器模塊來完成的。

3.1 CDMA2000基站時(shí)鐘系統(tǒng)的主要單元

CDMA2000基站的時(shí)鐘系統(tǒng)主要包括GPS天線系統(tǒng)、定時(shí)和頻率單元和振蕩器模塊。

3.1.1 GPS天線系統(tǒng)

GPS天線帶有一個(gè)內(nèi)部LNA(低噪聲放大器)，放大接收路徑中的信號(hào)。GPS天線系統(tǒng)將從天線接收到的GPS信號(hào)通過1：4分配放大器分配到主機(jī)柜TFU(定時(shí)和頻率單元)、擴(kuò)展機(jī)柜TFU和同伴基站的TFU上。

3.1.2 定時(shí)和頻率單元

TFU(定時(shí)和頻率單元)安裝有一個(gè)GPS接收器電路系統(tǒng)(GPS單元)，用于捕獲和跟蹤GPS定時(shí)信號(hào)。

GPS單元向其它TFU子單元組件，饋送定時(shí)和頻率的參考信號(hào)，在這些子單元那里這些信號(hào)按照一定的條件、規(guī)則來生成其它的CDMA定時(shí)信號(hào)。

TFU子單元主要還包括訓(xùn)練單元和CDMA信號(hào)生成單元。訓(xùn)練單元從GPS單元讀取定時(shí)信號(hào)，并負(fù)責(zé)調(diào)整OM(振蕩器模塊)的輸出頻率。

CDMA信號(hào)生成器單元會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)19.6608MHz信號(hào)和一個(gè)偶秒報(bào)時(shí)信號(hào)(EvenSecTic)。兩個(gè)19.6608MHz信號(hào)的相位差為90度。偶秒報(bào)時(shí)信號(hào)與CDMA系統(tǒng)時(shí)間一致，與19.66 08-MHz信號(hào)鎖相。這些信號(hào)傳送到基站的射頻單元和基帶處理單元，使基站同步到CDMA系統(tǒng)時(shí)間(GPS網(wǎng)絡(luò))TFU子單元還包括一個(gè)振蕩器模塊(OM)接口，控制并校正OM以使其維持射頻單元和主控單元要使用的15MHz信號(hào)。

3.1.3 振蕩器模塊

振蕩器模塊(OM)向模塊化基站提供了一個(gè)15MHz參考頻率。

OM的主振蕩器可以是銣或晶體的，備用振蕩器必須是晶體的。銣振蕩器支持最多24小時(shí)的飛輪時(shí)間;溫控晶體振蕩器支持最多24小時(shí)的飛輪時(shí)間晶體的老化和溫度波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生OM漂移。TFU檢測(cè)并校正OM提供的所有輸出頻率的漂移，允許校正的量是有限度的，一旦超過了這個(gè)值就必須更換OM。

3.2 CDMA系統(tǒng)時(shí)間

CDMA系統(tǒng)時(shí)間(CST)以世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)1980年1月6日00：00：00為系統(tǒng)零點(diǎn)，開始計(jì)算秒數(shù)，并與GPS時(shí)間一致。

GPS時(shí)間和UTC時(shí)間相差整數(shù)秒數(shù)，特別是一些閏秒。UTC原本是沒有針對(duì)閏秒進(jìn)行過校正的，但是從1980年1月6日零點(diǎn)開始，為保持協(xié)調(diào)世界時(shí)接近于世界時(shí)時(shí)刻，由國際計(jì)量局統(tǒng)一規(guī)定在年底或年中(也可能在季末)對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)增加或減少1s，增加到UTC時(shí)間。

所有CDMA基站數(shù)字傳輸是參照共同的碼分多址系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)尺，也就是GPS時(shí)間。

CDMA系統(tǒng)時(shí)間(CST)啟動(dòng)于被設(shè)置為初始狀態(tài)的短碼發(fā)生器輸出一個(gè)1，然后接連輸出15個(gè)0中的最后一個(gè)0和接著輸出的1之間的中間時(shí)刻。

CDMA系統(tǒng)時(shí)間(CST)啟動(dòng)于被設(shè)置為初試狀態(tài)的長碼發(fā)生器輸出一個(gè)1，然后接連輸出41個(gè)0中的最后一個(gè)0和接著輸出的1之間的中間時(shí)刻。

3.3 CDMA2000基站同步方法

CDMA2000基站是通過PN碼來完成和移動(dòng)臺(tái)的同步的。這里的PN碼包括PN短碼和PN長碼。

3.3.1 短碼

PN短碼是一段周期為215-1的m序列。

由于CDMA系統(tǒng)同步需要的碼自相關(guān)特性，所以CDMA系統(tǒng)在m序列中增加了一個(gè)全0狀態(tài)，所以CDMA2000網(wǎng)絡(luò)使用的PN短碼是215，連續(xù)的15個(gè)bit，組成的序列，從0000000000 00000—111111111111111，長度為32768個(gè)chips。而零偏置PN短碼發(fā)生器的初始狀態(tài)設(shè)置為：使短碼發(fā)生器的第一個(gè)輸出為1，然后接連輸出15個(gè)0。

CDMA系統(tǒng)中的PN短碼理論上可以有215個(gè)偏置，但是因?yàn)橛布庹{(diào)能力達(dá)不到，也為了避免PN混淆的情況發(fā)生，CDMA系統(tǒng)每隔64chip抽取一個(gè)相位，可以得到512個(gè)相位，作為扇區(qū)的512種PN偏置。

這512種PN偏置在前向鏈路上被用于主擾碼，區(qū)分扇區(qū)，使得移動(dòng)臺(tái)可以根據(jù)不同的PN偏置來識(shí)別出信號(hào)是哪個(gè)扇區(qū)發(fā)射的。

PN偏置的另一個(gè)作用是在前向鏈路對(duì)不同扇區(qū)在時(shí)間上進(jìn)行隔離，使之不能相互干擾，保證CDMA系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)收發(fā)同步和保持同步：

PN短碼長度32768chip，信道編碼速率1.2288Mcps，那么傳送一個(gè)PN就需要32768/1228800=26.667毫秒，傳送1個(gè) chip就要使用1/1228800=0.813.8納秒。從CDMA系統(tǒng)時(shí)間的零時(shí)刻算起，將每個(gè)偶數(shù)秒的起始時(shí)刻開始發(fā)送的PN定義為零偏置PN，其后間隔PN偏置x 64chips x 813.8ns/chip開始發(fā)送。例如PN偏置為1，那么這個(gè)扇區(qū)的pilot PN將從零偏置PN短碼發(fā)生器的初始狀態(tài)移動(dòng)1 x 64 chips x 813.8ns/chip=52.08 μs開始發(fā)送.

而PN16與PN18的區(qū)別就是PN18比PN16多了(18-16)* 64chips x 813.8 ns/chip=104.17μs的時(shí)延。

各個(gè)扇區(qū)在導(dǎo)頻信道上不間斷的發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，但是開始發(fā)送的時(shí)刻不同，也就是相位(時(shí)延)不同。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)CDMA系統(tǒng)中前向?qū)ьl信道的不同偏置識(shí)別出不同基站扇區(qū)，也識(shí)別出CDMA系統(tǒng)時(shí)間的起始時(shí)刻，并進(jìn)行時(shí)間同步。

3.3.2 長碼

PN長碼是周期為242-1的m序列。

PN長碼具有移位相加特性，輸出序列Ck和Ck+t(Ck延時(shí)t)相加后的序列仍然是序列Ck的一個(gè)時(shí)移序列。

PN長碼發(fā)生器的初試狀態(tài)為：當(dāng)使用MSB比特為1，其余41比特為0的掩碼時(shí)，使長碼發(fā)生器的第一個(gè)輸出為1，然后接連輸出41個(gè)0。

PN長碼的作用在反向用于區(qū)分用戶。CDMA基站給不同用戶分配不同的長碼掩碼，用戶根據(jù)不同的掩碼得到不同的長碼相位，并在此相位上開始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于各個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的相位不同，基站也就很容易區(qū)分不同的用戶了。而長碼周期為242-1，這也保證了CDMA系統(tǒng)擁有足夠多的長碼偏置可以分配給每一個(gè)用戶。

4、移動(dòng)臺(tái)的授時(shí)和同步方法

CDMA系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)采用基站時(shí)間授時(shí)，它通過解調(diào)基站在同步信道上發(fā)送的同步包囊中的時(shí)間信息完成自身時(shí)間的定時(shí)和同步。

移動(dòng)臺(tái)是在初始化狀態(tài)完成系統(tǒng)的定時(shí)和同步的。移動(dòng)臺(tái)的初始化狀態(tài)分為四個(gè)子狀態(tài)：

(1)系統(tǒng)確定子狀態(tài)

(2)導(dǎo)頻捕獲子狀態(tài)

(3)同步信道捕獲子狀態(tài)

(4)定時(shí)改變子狀態(tài)

移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入確定系統(tǒng)子狀態(tài)的原因有很多，如移動(dòng)臺(tái)開機(jī)上電、捕獲失敗、系統(tǒng)重定向、系統(tǒng)重選等等。移動(dòng)臺(tái)在系統(tǒng)確定子狀態(tài)的主要工作是根據(jù)PRL確定移動(dòng)臺(tái)的工作系統(tǒng)和工作頻點(diǎn)。

4.1 導(dǎo)頻捕獲子狀態(tài)

CDMA移動(dòng)臺(tái)捕獲扇區(qū)的導(dǎo)頻信道，也就是發(fā)現(xiàn)并解調(diào)出扇區(qū)發(fā)射的PN短碼偏置相位。

在導(dǎo)頻信道捕獲子狀態(tài)中，移動(dòng)臺(tái)將其頻率調(diào)諧到確定系統(tǒng)子狀態(tài)確定的頻點(diǎn)上，按照所選的CDMA信道進(jìn)行搜索。接收到無線信號(hào)后，移動(dòng)臺(tái)首先自己產(chǎn)生兩路 PN短碼序列，I序列和O序列，然后在每一個(gè)可能的扇區(qū)導(dǎo)頻偏移位置用它們與接收到的混合信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算。移動(dòng)臺(tái)在不長于15秒(通常是2到4秒)內(nèi)就可以把所有的可能偏移(32768種)運(yùn)算一遍。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果找出其中相關(guān)性最好，也就是Ec/IO最好，的偏移，這個(gè)偏移的相位就是扇區(qū)的PN偏置相位。

移動(dòng)臺(tái)精調(diào)本地PN碼的頻率和相位，使本地產(chǎn)生的PN短碼序列(I序列和Q序列)與接收到的扇區(qū)PN短碼序列之間的定時(shí)誤差小于1個(gè)碼片間隔Tc，進(jìn)而鎖主這個(gè)最好的導(dǎo)頻偏置，并且移動(dòng)臺(tái)還辨認(rèn)出扇區(qū)PN短碼序列開始的模式(一個(gè)‘1’之后連續(xù)15個(gè)‘0’)。

捕獲導(dǎo)頻信道后移動(dòng)臺(tái)就準(zhǔn)備用Walsh code3264作相關(guān)運(yùn)算來捕獲同步信道了。

4.2 同步信道捕獲子狀態(tài)

基站的同步信道和導(dǎo)頻信道保持同步關(guān)系，具有相同發(fā)射起始位置和幀長，所以移動(dòng)臺(tái)在捕獲導(dǎo)頻信道后可以比較方便、快速的捕獲到同步信道。

CDMA移動(dòng)臺(tái)捕獲導(dǎo)頻信道后使本地產(chǎn)生的PN短碼序列(I序列和Q序列)相位一直隨著接收到的扇區(qū)導(dǎo)頻PN偏置相位改變。移動(dòng)臺(tái)不斷校正本地PN短碼序列的時(shí)鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號(hào)相位變化保持一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，與發(fā)送端保持較精確的同步，正常接收擴(kuò)頻信號(hào)。

捕獲了導(dǎo)頻信道，移動(dòng)臺(tái)就可接收同步信道消息。以下是一個(gè)同步信道消(Sync Channel Message)的詳細(xì)內(nèi)容：

同步信道消息中的如下信息：

系統(tǒng)信息：系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，導(dǎo)頻PN序列偏置索引等;

定時(shí)信息：長碼狀態(tài)值，系統(tǒng)時(shí)間，閏秒數(shù)量，夏令時(shí)指示等。

有了這些參數(shù)，移動(dòng)臺(tái)就可以依據(jù)它們對(duì)自身的一些變量進(jìn)行初始化。然后轉(zhuǎn)入定時(shí)改變子系統(tǒng)。

4.3 定時(shí)改變子狀態(tài)

進(jìn)入這一子狀態(tài)后，移動(dòng)臺(tái)解調(diào)收到的同步信道中的消息(由于同步信道沒有經(jīng)過長碼擾碼，故可以解調(diào)相應(yīng)的同步信道)。

在這一狀態(tài)中，移動(dòng)臺(tái)主要完成兩個(gè)工作：一是利用從同步信道消息中提取出的長碼狀態(tài)值(1c_state)設(shè)置自己的長碼發(fā)生器，另一個(gè)就是使自己的系統(tǒng)時(shí)間與所提取的系統(tǒng)時(shí)間(sys_time)同步。由于同步信道的消息發(fā)送與系統(tǒng)定時(shí)嚴(yán)格對(duì)齊，這樣就使得移動(dòng)臺(tái)可以把自己的PN長碼發(fā)生器狀態(tài)與整個(gè)系統(tǒng)的長碼狀態(tài)對(duì)齊。

移動(dòng)臺(tái)利用同步信道接收到的pilot_pn，LC_STATE以及SYS_TIME，設(shè)置自己的long code timing以及system timing。

移動(dòng)臺(tái)在接收到的同步信道消息的最后一個(gè)80ms super frame的終止時(shí)刻算起，經(jīng)過320ms再減去pilot PN offset，用SYS_TIME設(shè)定自己的系統(tǒng)時(shí)間。

移動(dòng)臺(tái)在設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間的同一時(shí)刻，根據(jù)LC_STATE設(shè)定長碼發(fā)生器的狀態(tài)。

至此移動(dòng)臺(tái)就完成了系統(tǒng)同步與定時(shí)，之后將進(jìn)行位置登記，進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待接收尋呼消息。

5、CDMA2000無線接入網(wǎng)的授時(shí)和同步方法的總結(jié)

CDMA基站和移動(dòng)臺(tái)的同步是CDMA2000無線接入網(wǎng)正常的基礎(chǔ)功能之一，此外它還有著很廣闊的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

例如在CDMA定位技術(shù)領(lǐng)域，目前很多主流的定位技術(shù)，例如抵達(dá)時(shí)間定位技術(shù)、抵達(dá)時(shí)間差異定位技術(shù)、增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差、手機(jī)GPS定位和聯(lián)合定位等，都是利用PN短碼的碼片時(shí)延來確定到附近基站的距離，進(jìn)而用一定的算法手機(jī)具體位置。

本文對(duì)CDMA2000無線接入網(wǎng)基站和移動(dòng)臺(tái)的授時(shí)和同步方法進(jìn)行原理闡述，也為大家在同步相關(guān)的維護(hù)和優(yōu)化工作、時(shí)鐘同步的應(yīng)用等拓展工作提供理論基礎(chǔ)。