中國的北斗導航授時系統(tǒng)推進5G網(wǎng)絡的時間同步

眾所周知，衛(wèi)星導航授時系統(tǒng)作為一個國家重要的空間信息基礎設施，可以提供精確定位和精準授時功能。無論是對于國防，還是社會生產(chǎn)、日常生活，都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。也是一個國家自主和安全的保障基礎。

中國政府高度重視北斗系統(tǒng)發(fā)展，2016年以來，在中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部等部門的聯(lián)合推動下，北斗精準定位及授時功能在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、警用、勘測等各行業(yè)各領域逐步展開，并不斷成熟和深化。

據(jù)悉，近期中央和國家各部委，企業(yè)/協(xié)會專家代表，以及民航、電力、公安、通信等重要用戶共同參與編寫的《中華人民共和國衛(wèi)星導航條例》草稿已經(jīng)初步完成，該條例將通過法治手段強化衛(wèi)星系統(tǒng)相關業(yè)務的頂層設計和統(tǒng)籌發(fā)展?？梢灶A測，隨著條例頒布與實施，北斗系統(tǒng)與各行各業(yè)，與我們?nèi)粘Ｉ畹娜诤弦矊⒏涌v深，北斗的大規(guī)模應用、走向國際化的路線也會更加明晰。

中國的北斗導航授時系統(tǒng)總體上可以分成三代：

第一代，部署時間：2000年10月~12月。2+2(備用)顆衛(wèi)星，屬于有源區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其服務范圍為國內(nèi);定位精度為20米;授時精度為100納秒。

第二代，部署時間：2007年至2012年。由14顆北斗二號(5顆靜止軌道導航衛(wèi)星+5顆傾斜地球同步軌道導航衛(wèi)星+4顆中圓地球軌道導航衛(wèi)星)組成，屬于無源與有源相結合的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其服務范圍為亞太地區(qū);定位精度為10米;測速精度為0.2米/秒;授時精度為50納秒。

第三代，部署時間：2017年至2020年，將先后發(fā)射35顆北斗三號導航衛(wèi)星(5顆靜止軌道衛(wèi)星+3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星+27顆中圓軌道衛(wèi)星)，屬于無源與有源相結合的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其服務范圍為全球;定位精度為2.5至5米;測速精度為0.2米/秒;授時精度為20納秒。屆時，“北斗”的定位和授時精度將與美國GPS完全媲美甚至更優(yōu)。

另外，我國的北斗三代系統(tǒng)還有一些美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo導航系統(tǒng)不具備的性能和特點，如通信和短報文能力、星間鏈路能力、高精度氫原子鐘(時鐘穩(wěn)定度提高了10倍)、雙向授時、衛(wèi)星自主導航、三種軌道衛(wèi)星組合等。其中的三種軌道衛(wèi)星組合的方案，相比其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)，抗遮擋能力更強，尤其在低緯度地區(qū)性能特點更為明顯，極大提升了覆蓋的無縫性和安全的可信性。星間鏈路是“北斗”實現(xiàn)自主導航的關鍵，所謂自主導航，是指極端情況下，地面站全部失效，35顆“北斗”導航衛(wèi)星可以通過星間鏈路相互校準，保障整個星座可靠運營，不中斷精準定位和授時服務，這等于為北斗系統(tǒng)的全天候、全天時、高可靠、高精度多上了一道保險。另外，北斗特有的雙向授時功能，能大幅提升授時精度，在一些特殊場合更是能發(fā)揮關鍵的作用。

隨著近年來4G網(wǎng)絡大規(guī)模建設和普及應用，我國移動通信事業(yè)迎來了飛速發(fā)展。據(jù)工信部最新的官方數(shù)據(jù)，我國移動通信基站總數(shù)已經(jīng)超過600萬。這些基站中，除了因技術體制的原因，部分系統(tǒng)不需要精準授時外，其它絕大多數(shù)的基站目前都依靠GPS進行授時。例如，具有我國自主創(chuàng)新典范意義的TD-LTE 4G的移動通信系統(tǒng)，系統(tǒng)時間同步要求在±1.5µs，但由于歷史及其它原因，幾乎百分百都采用美國GPS系統(tǒng)來進行授時和同步。

可想而知，一個完全依賴美國GPS的網(wǎng)絡和系統(tǒng)，其安全和可靠性是存在較大的風險和不確定性的。我們也注意到，類似GPS擾動、受干擾從而影響通信系統(tǒng)正常工作的現(xiàn)象也時而有發(fā)生，類似報道也屢見不鮮。近期中美貿(mào)易戰(zhàn)的發(fā)生和和拉鋸式進展更是牽動了國人的自主安全的神經(jīng)，也觸發(fā)了很多思考。

北斗系統(tǒng)已經(jīng)完全實用化，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前北斗相關產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)達到了3000億，北斗終端產(chǎn)品推廣應用累計已超4000萬套，2018年還將完成年度共18個導航衛(wèi)星的發(fā)射和投入運營，優(yōu)先保障國內(nèi)和一帶一路相關區(qū)域的高精度導航和授時的需求。因此，用北斗來替代GPS提供基站授時和同步服務，不僅從技術原理、應用效果、經(jīng)濟效益等方面完全可行;而且從國家信息基礎設施獨立自主、安全可靠的戰(zhàn)略要求來看，也是勢在必行。

作為新一代移動通信網(wǎng)絡，無論歐美、日韓還是中國，從國家政府到運營商層面都非常重視5G的發(fā)展，都在如火如荼的進行著相關試驗和產(chǎn)業(yè)推進。5G不僅僅是把移動互聯(lián)網(wǎng)做的帶寬更大、速度更快，其另外兩大特性“低時延高可靠”、“海量鏈接”帶來的影響將更加深遠。5G能夠?qū)崿F(xiàn)真正的萬物互聯(lián)，也是實現(xiàn)國家經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型、工業(yè)制造2025目標的一個最重要的戰(zhàn)略基礎。

5G網(wǎng)絡的時間同步常規(guī)要求仍為±1.5µs，這和4G沒有太大變化。但隨著網(wǎng)絡技術發(fā)展和特殊應用場景應用需要，也提出了更高一個數(shù)量級的±130ns的要求。不過顯而易見，即便是±130ns的要求，無論北斗二代還是北斗三代都可以輕松應對。5G大規(guī)模商用的時間預計在2020年后，屆時功能強大安全可靠的北斗三代也已經(jīng)全面建成，北斗在5G網(wǎng)絡中的應用水到渠成順理成章。

5G作為國家和社會至關重要的高速、高效的基礎信息網(wǎng)絡，其自主性和安全性不言而喻。單從網(wǎng)絡同步、基站授時這個方面來看，采用北斗系統(tǒng)或者北斗/GPS雙模替代單一GPS系統(tǒng)，需要盡早提上日程并付諸實施，在今后的5G擴大規(guī)模試驗、發(fā)改委5G示范城市項目，乃至2020年全面商用中，需要堅定地落實和推進應用!