一文解讀GNSS信號對網(wǎng)絡(luò)中授時(shí)應(yīng)用的益處

無論身在何處，我們對于無時(shí)無刻地觀看視頻內(nèi)容已經(jīng)習(xí)以為常。但對負(fù)責(zé)、構(gòu)建和維護(hù)底層網(wǎng)絡(luò)的幕后工作者而言，事情并沒有那么簡單，消費(fèi)者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。

無論身在何處，我們對于無時(shí)無刻地觀看視頻內(nèi)容已經(jīng)習(xí)以為常。但對負(fù)責(zé)、構(gòu)建和維護(hù)底層網(wǎng)絡(luò)的幕后工作者而言，事情并沒有那么簡單，消費(fèi)者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。

當(dāng)今和未來的蜂窩與通信網(wǎng)絡(luò)需要為海量用戶提供出色的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此其運(yùn)作方式與以往的網(wǎng)絡(luò)截然不同。

對于現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，讓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有基站、服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間保持同步極為重要。授時(shí)讀數(shù)的誤差越小，能為網(wǎng)絡(luò)配置的數(shù)據(jù)處理量就越大，這樣運(yùn)營商就能更有效地利用頻率和其他資源，提高這些付費(fèi)資源的成本效益。

許多設(shè)備都使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)來確保網(wǎng)絡(luò)各部分保持同步。GNSS有著準(zhǔn)確度高、成本效益高、易于安裝、全球可用的特點(diǎn)，因此通常是首選方案，優(yōu)先于基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)技術(shù)。

過去的GNSS網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步使用的是單頻段接收機(jī)，需要衛(wèi)星發(fā)出的L1頻段信號通播。

L1頻段GNSS面臨的挑戰(zhàn)

3GPP對于基站天線接口的基本授時(shí)要求是1.5μs，但5G服務(wù)顯然需要更高的時(shí)間精度。這通常不容易實(shí)現(xiàn)，尤其現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加大了實(shí)現(xiàn)難度。

除了網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題之外，還有多種因素會影響到設(shè)備接收L1頻段GNSS信號。而這又會進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò)訪問的授時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

我們來簡單了解一下其中的三個主要問題。

GNSS信號干擾

對任何使用GNSS的設(shè)備而言，干擾都是一項(xiàng)持續(xù)不斷的威脅，可能導(dǎo)致單頻接收機(jī)完全無法使用GNSS信號。從授時(shí)的角度來看，設(shè)備通常配有某種類型的原子鐘，用來在GNSS中斷期間實(shí)現(xiàn)保持。但這只能在有限的時(shí)間內(nèi)提供必要的授時(shí)精度水平，通常僅有幾個小時(shí)。

電離層延遲

對于在開放天空環(huán)境中工作的GNSS接收機(jī)，主要誤差來源是電離層延遲，這造成授時(shí)精度持續(xù)發(fā)生偏差。影響電離層延遲水平的因素包括接收設(shè)備所在緯度、一天當(dāng)中的時(shí)間和一年當(dāng)中的時(shí)間，還有太陽活動水平。太陽活動周期通常為11年，低水平的太陽活動已經(jīng)保持了一段時(shí)間，2025年前后，我們將迎來一次太陽活動高峰。

通常用來解決電離層延遲的方法是使用GPS Klobuchar等數(shù)學(xué)模型，或使用例如星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)增強(qiáng)服務(wù)，但這兩種方法都并非適用于所有情況。數(shù)學(xué)模型采用純粹的先驗(yàn)方法，因此存在固有的限制。與此同時(shí)，SBAS僅在全球部分地區(qū)可用，為了保證接收到對地靜止型SBAS衛(wèi)星發(fā)射的信號，需要在朝向赤道的方向具有開闊的天空視野。

多徑效應(yīng)

對于在城市和其他障礙物重重的環(huán)境中工作的設(shè)備，還有另外一個影響GNSS信號接收的問題：多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)特別容易影響窄帶GNSS L1信號，會引起設(shè)備訪問的授時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

在障礙物較多的環(huán)境中，5G網(wǎng)絡(luò)需要更多基站，還需要更高水準(zhǔn)的授時(shí)精度來支持更高的吞吐量，這造成多徑效應(yīng)日漸成為困擾5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者和構(gòu)建者的一大難題。此外，即便能解決多徑效應(yīng)問題，此類設(shè)備所處環(huán)境的天空視野通常較為受限，幾乎不可能使用SBAS來補(bǔ)償電離層延遲。

借助雙頻段GNSS提高授時(shí)精度

在設(shè)計(jì)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和其他通信網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備（無論其具體應(yīng)用位置如何）時(shí)，設(shè)計(jì)人員確實(shí)面臨著這些挑戰(zhàn)，但也有令人欣慰的好消息。

當(dāng)L1頻段GNSS信號設(shè)計(jì)于數(shù)十年之前，主要用于軍事應(yīng)用的同時(shí)，現(xiàn)今也有現(xiàn)代化的GNSS信號在同步通播。這些現(xiàn)代化信號使用1176.45 MHz的L5頻段，其設(shè)計(jì)之初就以現(xiàn)代民事應(yīng)用為中心。

對于授時(shí)應(yīng)用，L5頻段信號的價(jià)值在于配合L1頻段信號組成雙頻段設(shè)置。為了說明這種差異，我們以u-blox雙頻GNSS接收機(jī)為例，該接收機(jī)的授時(shí)精度為5ns內(nèi)，而單頻接收機(jī)為20ns。

GPS、Galileo和北斗GNSS星座如今均為其部分或全部衛(wèi)星通播L5信號。

因此，您只需選擇一款能夠使用全部這三個星座的GNSS接收機(jī)，即可在世界任何地點(diǎn)接收到L5頻段信號。在設(shè)計(jì)中，您唯一需要調(diào)整的地方就是將單頻段GNSS接收機(jī)和天線改換為雙頻段型號。

此外，印度的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)NavIC支持L5頻段。因此，一款全球雙頻段L1+L5設(shè)計(jì)也能滿足區(qū)域性要求。

應(yīng)對重大授時(shí)挑戰(zhàn)

雙頻段L1+L5 GNSS接收機(jī)和天線可幫助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對前述授時(shí)挑戰(zhàn)。

面對干擾攻擊時(shí)表現(xiàn)出更高的適應(yīng)能力

與L1頻段一樣，L5頻段也屬于航空無線電導(dǎo)航服務(wù)(ARNS)頻段，因此會受到良好的干擾防護(hù)和監(jiān)管。此外，雙頻段工作方式可避免單頻段干擾器的侵?jǐn)_，即便出現(xiàn)這種情況，設(shè)備仍能通過另一個不受干擾的頻段獲取授時(shí)信息。

如圖1所示，在干擾期間，授時(shí)誤差會有所增加，但在大多數(shù)使用場景中，誤差都不會超過可接受的容差范圍。

圖中還強(qiáng)調(diào)了在干擾結(jié)束時(shí)雙頻段工作模式能非常迅速地恢復(fù)正常工作，大幅降低授時(shí)方差。

在不使用模型或校正數(shù)據(jù)的情況下應(yīng)對電離層延遲

電離層延遲會對L1頻段和L5頻段的頻率產(chǎn)生不同的影響。重點(diǎn)在于，我們已經(jīng)知曉這其中的關(guān)系，所以如果您通過兩個頻段接收信號，可以計(jì)算出實(shí)際的電離層延遲，不必依靠模型進(jìn)行預(yù)測，也不必使用校正服務(wù)。

因此，授時(shí)誤差可保持在更小的范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1，來源：u-blox

在城市和障礙物較多的環(huán)境中提供更出色的性能

與窄帶L1信號相比，寬帶L5信號更不易受到多徑效應(yīng)的影響，以直接減少授時(shí)數(shù)據(jù)誤差。

此外，更現(xiàn)代化的L5信號設(shè)計(jì)包含前向糾錯，為信號較弱的環(huán)境（比如城市和障礙物較多的環(huán)境）提供了額外的保障，有助于防范可能出現(xiàn)的比特誤差。

如圖2所示，在受多徑效應(yīng)影響的區(qū)域中，L1和L5頻段信號的剩余誤差都要小得多。

圖2，來源：u-blox

提高網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)率的時(shí)機(jī)已經(jīng)來臨

對高吞吐量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增長，這促使業(yè)界更加關(guān)注通過可靠的方法在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)間數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步的需求。

傳統(tǒng)L1 GNSS信號素有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，不足之處在于容易受到干擾和多徑效應(yīng)的影響，也會受到電離層延遲的影響。所有這些因素都會影響到網(wǎng)絡(luò)中的授時(shí)精度。

將現(xiàn)代L5 GNSS信號與L1信號配合使用可以解決這些問題，為您的網(wǎng)絡(luò)提供一致性更高的授時(shí)數(shù)據(jù)。因此，您可以為網(wǎng)絡(luò)配置更高的數(shù)據(jù)處理量，進(jìn)而改善客戶體驗(yàn)，提高網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)率。

u-blox提供一系列高精度雙頻段GNSS授時(shí)模塊，包括LEA-F9T、ZED-F9T和NEO-F10T，而且均滿足5G時(shí)間同步要求。

文章來源： ublox