城轨eLTE车地通信系统1588V2时钟同步方案应用研究
2017-12-01 来源：
本文摘要：随着WIFI技术的大范围普及，地铁WLAN设备的稳定性面临较大风险，CBTC系统的运营安全受到前所未有的挑战，列车运行受个人携带WIFI以及大功率无线设备影响而被迫停车的事件时有发生。
1城轨车地通信系统的发展
目前大部分地铁线路都是采用基于WIFI技术的WLAN网络来承载列控CBTC系统，WIFI技术所使用的2.4G和5.8G频段为开放频段，随着WIFI技术的大范围普及，地铁WLAN设备的稳定性面临较大风险，CBTC系统的运营安全受到前所未有的挑战，列车运行受个人携带WIFI以及大功率无线设备影响而被迫停车的事件时有发生。随着TD-LTE技术在公共通信领域的快速应用发展，基于LTE技术面向企业专网市场的无线通信解决方案eLTE技术逐渐成为地铁、铁路、机场和航空等行业的无线通信主流解决方案。
相比WIFI技术，eLTE技术用于承载地铁CBTC具有更加强大的优势，特别是其专用频点的特性，可以提高地铁车地无线通信网络的抗干扰能力，避免开放频段用户对CBTC专用无线网络的影响，提高CBTC系统运营的可靠性。
2014年9月，在北京进行的基于eLTE的城市轨道交通综合通信系统试验段完成测试评审，测试结果满足预期，证明了eLTE系统用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够满足紧急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能够为CCTV和PIS等业务提供有效的无线通信通道。
2016年5月，中国城市轨道交通协会发布《关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》，标志着eLTE大规模应用于城轨信号系统的时代已经到来。
然而，eLTE技术本身对时钟精度要求比较高，传统的逐个站点部署GPS授时的时钟同步方案是否适合城轨的建设特点？是否有更经济的时钟同步方案适用于城轨eLTE时代？
2eLTE技术对时钟精度要求
不同于WLAN网络，eLTE通信系统需要接入同步时钟源，以满足基站无线信号的时钟和空口TDD同步要求，保证相邻基站间的业务切换。eLTE系统对时钟频率和时间精度分别要求达到0.05ppm和+/-1.5us。
表1不同无线制式对时钟精度的要求
| 无线制式 | 频率精度要求 | 时间同步要求 |
| GSM | 0.05ppm | NA |
| WCDMA | 0.05ppm | NA |
| TD-SCDMA | 0.05ppm | +/-1.5us |
| CDMA2000 | 0.05ppm | +/-3us |
| WiMax FDD | 0.05ppm | NA |
| WiMax TDD | 0.05ppm | +/-0.5us |
| LTE TDD | 0.05ppm | +/-1.5us |
此外,《中国移动高精度时间同步设备技术规范V1.0.0》还对时钟同步设备的接口的时钟精度、守时精度和倒换性能提出了以下要求：
1）时间精度要求
在正常跟踪于卫星接收机的情况下，各种时钟接口的输出绝对时间精度要求如下：
a)1pps+TOD接口：相对于UTC（世界时）的时间偏差为+/-200ns；
b)PTP接口：相对于UTC（世界时）的时间偏差为+/-200ns。
2）守时精度要求
当时间同步输入功能失效时，在时间同步设备内部时钟无法正常跟踪于我国1级基准时钟的定时信号并进入保持状态时，通过1pps+TOD接口或者PTP接口进行观测，在8小时之内的相对守时精度应优于+/-250ns，在1天之内的相对守时精度应优于+/-1us。
3）时间源倒换要求
在采用卫星定位系统接收机，或者1pps+TOD、PTP接口作为时间输入接口时，当不同时间接口间发生人工或自动倒换时，或者时间同步设备进入/推出守时工作状态时，通过1pps接口或PTP接口进行观测，在1000秒之内的1pps基准信号相位变化应在240ns以内。
为了满足eLTE系统对时钟的同步要求，目前普遍的做法是在每个LTE基站布放一套GPS/北斗同步设备单独为每个基站授时。
3传统GPS时钟同步方案的弊端
GPS时钟同步方案作为传统方案，大量应用于运营商的3G和4G网络。如图1所示，GPS时钟同步方案需要在每个基站均部署一个GPS/北斗时钟同步设备，通过各基站的时钟同步设备接收GPS/北斗高精度时钟信息给基站授时，保证全网时钟同步。
但是，随着城市的发展，楼宇等高层建筑越来越多,而作为城市轨道交通工具，地铁的建设特点决定了地铁通信设备机房选址于地下，站出入口往往都修建在较低的地段，导致GPS天线的安装受到各种各样的限制，在工程施工过程中往往发现部分地铁站点无通道拉出GPS天线，即使有通道拉出天线，由于GPS天线采用同轴电缆传输时钟信号，敷设距离超过100米后信号急速衰减，且对施工工艺要求非常高。即使部署完成后，部分站点基站GPS设备接收信号极易受到城市建设、过往车辆和恶劣天气影响，可靠性得不到有效保障。
图1 eLTE系统传统GPS时钟同步方案
上述各种条件限制，导致在城轨通信系统的每个基站布放GPS时钟同步设备成为了一件费事费力的事情，延长工期不说，可靠性也难以得到有效保证。
41588V2时钟同步方案应用研究
为了解决GPS时钟同步方案在城轨应用中的上述弊端，华为公司针对性推出新一代时钟同步方案——1588V2时钟同步方案。如图2所示，1588V2时钟同步方案是一种主从同步系统，只需在地铁控制中心站点基站部署GPS/北斗时钟同步设备，加设GPS天线接收来自GPS/北斗卫星系统的高精度时钟信号，通过传输系统的1588V2技术传递高精度同步信息到各个基站，为每个基站提供高精度时钟，从而实现全网高精度时钟同步。
为提高系统可靠性，还可以在车辆段或者选择一个其它车站站点再部署一套时钟同步设备，作为备时钟，和控制中心形成主备时钟系统供传输系统选用，由传输系统采用最优算法原则进行选源。
图2 华为1588V2时钟同步方案
图3是华为提供的eLTE系统端到端时钟同步解决方案。时钟服务器外接GPS，通过PTP/1PPS+TOD时间接口以及2M/SyncE时钟接口给传输设备授时，传输环网使用1588v2+同步以太进行时间和频率同步，传输设备通过PTP接口对LTE基站进行授时,实现全网高精度频率和时间同步，有效实现城轨车地eLTE通信。
图3 华为1588V2时钟同步详细方案
相比于GPS方案，1588V2时钟同步方案的使用需要传输设备能够支持IEEE1588v2精确时间传送协议，华为公司的增强型MSTP地铁传输解决方案具备这一特性，并已和多个基站设备厂家、时钟服务器厂家完成了系统集成测试验证，测试结果表明其时钟精度、稳定性和可靠性完全符合LTE对时钟精度的各项要求。自2014年推出以来，华为增强型MSTP地铁传输系统解决方案已累计中标全国近60条城轨项目，其中多条城轨线路已采用传输系统的1588V2技术来实现高精度时钟同步，为LTE基站授时。
通信的车轮永远是碾压着历史不断前行的，1588V2时钟同步方案将时钟同步功能集成到传输系统实现，有效解决了GPS天线部署难、可靠性不足、维护费力等问题，同时还可节约GPS时钟同步设备的投资，非常适合作为轨道交通eLTE时钟同步解决方案。
5结论
未来的世界是全联接的世界，华为将继续把轨道交通通信端到端解决方案作为一个事业去做，实现各行各业安全可靠稳定的全联接。作为新一代城轨高精度时钟同步方案，1588V2时钟同步方案可以成功接收上游时钟服务器（BITS等）输出的高精度时间源和频率源（包括PTP、1PPS+TOD时间源和2Mbit/s、2MHz、SyncE频率源），并通过传输系统可靠稳定地授时给各个基站，保持全网设备和时钟服务器高精度同步，完美匹配城轨eLTE系统对高精度时钟的要求。
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