CDMA2000無線接入網(wǎng)的授時和同步方法

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)的授時和同步相關(guān)原理的闡述。文章首先介紹了基站的授時方法和時鐘同步方法，在此基礎(chǔ)上介紹了移動臺的授時和同步方法。

關(guān)鍵詞：CDMA;基站;授時;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鐘源完成基站和移動臺之間的收發(fā)同步。

時鐘同步在CDMA2000無線接入網(wǎng)中發(fā)揮著重大的作用，如果某一個基站的時鐘發(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)丟失了同步時鐘源，那么所有CDMA基站都會陸續(xù)退服，系統(tǒng)也就無法工作了。

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

2、CDMA2000基站授時方法

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

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)，它的同步分為幾個方面：網(wǎng)絡(luò)同步、節(jié)點同步、傳輸通道同步和無線接口同步，它要求基站和手機的計數(shù)頻率穩(wěn)定且盡量一致，具有同頻同相的同步時鐘信號。

CDMA是碼分多址系統(tǒng)，碼序列在傳輸過程中有傳輸時延，為了正確的解調(diào)發(fā)端發(fā)送的信號，就需要收端補償信號傳輸和器件處理造成的時延。而要做到補償，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同步字符，使發(fā)收雙方建立同步，此后在同步時鐘的控制下逐位發(fā)送/接收。

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

2.2 GPS信號

CDMA2000是同步通信系統(tǒng)，它就需要有一個時鐘源作為時鐘同步的參考。由于CDMA2000的碼速率非常高，達到1.2288Mcps，所以作為參考的同步時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的授時系統(tǒng)采用GPS時鐘(GPS clock)的時鐘信號廣播系統(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，可以輸出納秒級授時精度和穩(wěn)定度在1E12量級的頻率。另外GPS系統(tǒng)的地面控制站會定期發(fā)送時鐘信號，和每一顆衛(wèi)星進行時鐘校準。

由于衛(wèi)星信號很微弱，只有在室外才能接受的到，基站為了獲得GPS衛(wèi)星信號都安裝有GPS衛(wèi)星信號?；綠PS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，并交由時間和頻率單元解碼出其中的時鐘信號，并計算得出GPS時間。

2.3 CDMA2000基站授時方法

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

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

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信號拆分到同伴基站上，這主要是為了節(jié)約運營成本，避免維護多個GPS 天線。這種做法一般針對主基站和同伴基站距離不太遠的情況，并且為了保證時鐘精度，同伴基站也不宜過多，朗訊設(shè)備最多3個。

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

3、CDMA2000基站的時間同步方法

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

3.1 CDMA2000基站時鐘系統(tǒng)的主要單元

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

3.1.1 GPS天線系統(tǒng)

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

3.1.2 定時和頻率單元

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

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

TFU子單元主要還包括訓練單元和CDMA信號生成單元。訓練單元從GPS單元讀取定時信號，并負責調(diào)整OM(振蕩器模塊)的輸出頻率。

CDMA信號生成器單元會產(chǎn)生兩個19.6608MHz信號和一個偶秒報時信號(EvenSecTic)。兩個19.6608MHz信號的相位差為90度。偶秒報時信號與CDMA系統(tǒng)時間一致，與19.66 08-MHz信號鎖相。這些信號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)時間(GPS網(wǎng)絡(luò))TFU子單元還包括一個振蕩器模塊(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。

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小時的飛輪時間;溫控晶體振蕩器支持最多24小時的飛輪時間晶體的老化和溫度波動會產(chǎn)生OM漂移。TFU檢測并校正OM提供的所有輸出頻率的漂移，允許校正的量是有限度的，一旦超過了這個值就必須更換OM。

3.2 CDMA系統(tǒng)時間

CDMA系統(tǒng)時間(CST)以世界標準時(UTC)1980年1月6日00：00：00為系統(tǒng)零點，開始計算秒數(shù)，并與GPS時間一致。

GPS時間和UTC時間相差整數(shù)秒數(shù)，特別是一些閏秒。UTC原本是沒有針對閏秒進行過校正的，但是從1980年1月6日零點開始，為保持協(xié)調(diào)世界時接近于世界時時刻，由國際計量局統(tǒng)一規(guī)定在年底或年中(也可能在季末)對協(xié)調(diào)世界時增加或減少1s，增加到UTC時間。

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

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

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

3.3 CDMA2000基站同步方法

CDMA2000基站是通過PN碼來完成和移動臺的同步的。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bit，組成的序列，從0000000000 00000—111111111111111，長度為32768個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)生器的第一個輸出為1，然后接連輸出15個0。

CDMA系統(tǒng)中的PN短碼理論上可以有215個偏置，但是因為硬件解調(diào)能力達不到，也為了避免PN混淆的情況發(fā)生，CDMA系統(tǒng)每隔64chip抽取一個相位，可以得到512個相位，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)，使得移動臺可以根據(jù)不同的PN偏置來識別出信號是哪個扇區(qū)發(fā)射的。

PN偏置的另一個作用是在前向鏈路對不同扇區(qū)在時間上進行隔離，使之不能相互干擾，保證CDMA系統(tǒng)中發(fā)射機和接收機之間實現(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PN就需要32768/1228800=26.667毫秒，傳送1個 chip就要使用1/1228800=0.813.8納秒。從CDMA系統(tǒng)時間的零時刻算起，將每個偶數(shù)秒的起始時刻開始發(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的時延。

各個扇區(qū)在導頻信道上不間斷的發(fā)送導頻信號，但是開始發(fā)送的時刻不同，也就是相位(時延)不同。移動臺根據(jù)CDMA系統(tǒng)中前向?qū)ьl信道的不同偏置識別出不同基站扇區(qū)，也識別出CDMA系統(tǒng)時間的起始時刻，并進行時間同步。

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t)相加后的序列仍然是序列Ck的一個時移序列。

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

4、移動臺的授時和同步方法

CDMA系統(tǒng)的移動臺采用基站時間授時，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間信息完成自身時間的定時和同步。

移動臺是在初始化狀態(tài)完成系統(tǒng)的定時和同步的。移動臺的初始化狀態(tài)分為四個子狀態(tài)：

(1)系統(tǒng)確定子狀態(tài)

(2)導頻捕獲子狀態(tài)

(3)同步信道捕獲子狀態(tài)

(4)定時改變子狀態(tài)

移動臺進入確定系統(tǒng)子狀態(tài)的原因有很多，如移動臺開機上電、捕獲失敗、系統(tǒng)重定向、系統(tǒng)重選等等。移動臺在系統(tǒng)確定子狀態(tài)的主要工作是根據(jù)PRL確定移動臺的工作系統(tǒng)和工作頻點。

4.1 導頻捕獲子狀態(tài)

CDMA移動臺捕獲扇區(qū)的導頻信道，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。

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

移動臺精調(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誤差小于1個碼片間隔Tc，進而鎖主這個最好的導頻偏置，并且移動臺還辨認出扇區(qū)PN短碼序列開始的模式(一個‘1’之后連續(xù)15個‘0’)。

捕獲導頻信道后移動臺就準備用Walsh code3264作相關(guān)運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，所以移動臺在捕獲導頻信道后可以比較方便、快速的捕獲到同步信道。

CDMA移動臺捕獲導頻信道后使本地產(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)導頻PN偏置相位改變。移動臺不斷校正本地PN短碼序列的時鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致，實現(xiàn)對接收信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，與發(fā)送端保持較精確的同步，正常接收擴頻信號。

捕獲了導頻信道，移動臺就可接收同步信道消息。以下是一個同步信道消(Sync Channel Message)的詳細內(nèi)容：

同步信道消息中的如下信息：

系統(tǒng)信息：系統(tǒng)標識，網(wǎng)絡(luò)標識，導頻PN序列偏置索引等;

定時信息：長碼狀態(tài)值，系統(tǒng)時間，閏秒數(shù)量，夏令時指示等。

有了這些參數(shù)，移動臺就可以依據(jù)它們對自身的一些變量進行初始化。然后轉(zhuǎn)入定時改變子系統(tǒng)。

4.3 定時改變子狀態(tài)

進入這一子狀態(tài)后，移動臺解調(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，移動臺主要完成兩個工作：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，另一個就是使自己的系統(tǒng)時間與所提取的系統(tǒng)時間(sys_time)同步。由于同步信道的消息發(fā)送與系統(tǒng)定時嚴格對齊，這樣就使得移動臺可以把自己的PN長碼發(fā)生器狀態(tài)與整個系統(tǒng)的長碼狀態(tài)對齊。

移動臺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。

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

移動臺在設(shè)定系統(tǒng)時間的同一時刻，根據(jù)LC_STATE設(shè)定長碼發(fā)生器的狀態(tài)。

至此移動臺就完成了系統(tǒng)同步與定時，之后將進行位置登記，進入空閑狀態(tài)，等待接收尋呼消息。

5、CDMA2000無線接入網(wǎng)的授時和同步方法的總結(jié)

CDMA基站和移動臺的同步是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)，例如抵達時間定位技術(shù)、抵達時間差異定位技術(shù)、增強型觀測時間差、手機GPS定位和聯(lián)合定位等，都是利用PN短碼的碼片時延來確定到附近基站的距離，進而用一定的算法手機具體位置。

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