CDMA2000無線接入網的授時和同步方法

摘要：同步是CDMA2000正常工作的基礎之一，本文從CDMA2000網絡的工作需求出發，開展無線接入網的授時和同步相關原理的闡述。文章首先介紹了基站的授時方法和時鐘同步方法，在此基礎上介紹了移動臺的授時和同步方法。

關鍵詞：CDMA;基站;授時;同步;

1、引言

CDMA2000網絡是同步通信系統，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同步。

時鐘同步在CDMA2000無線接入網中發揮著重大的作用，如果某一個基站的時鐘發生問題，那么基站周圍可能發生大量的切換掉話;如果CDMA系統丟失了同步時鐘源，那么所有CDMA基站都會陸續退服，系統也就無法工作了。

本文根據CDMA2000網絡的實際需求，展開相關的原理闡述，為無線接入網時鐘同步相關的優化維護和拓展應用提供理論基礎。

2、CDMA2000基站授時方法

同步通信網絡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，就是同步系統的授時問題。

2.1 CDMA 2000網絡的同步方式

CDMA2000系統是同步通信系統，它的同步分為幾個方面：網絡同步、節點同步、傳輸通道同步和無線接口同步，它要求基站和手機的計數頻率穩定且盡量一致，具有同頻同相的同步時鐘信號。

CDMA是碼分多址系統，碼序列在傳輸過程中有傳輸時延，為了正確的解調發端發送的信號，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、發端產生的碼序列同步，這就是CDMA2000系統需要同步整個網絡的原因。

在同步通信系統中，收發雙方交互消息的前面都有一個同步字符，使發收雙方建立同步，此后在同步時鐘的控制下逐位發送/接收。

CDMA2000系統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行切換，而手機可以在軟切換區域同時獲得多個扇區的多徑數據;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，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，才能同步網絡的所有基站。目前CDMA2000的授時系統采用GPS時鐘(GPS clock)的時鐘信號廣播系統(radio cloCk)。

GPS系統共有24顆衛星，每顆衛星上都有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定度在1E12量級的頻率。另外GPS系統的地面控制站會定期發送時鐘信號，和每一顆衛星進行時鐘校準。

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

CDMA基站通過GPS天線接收GPS衛星發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基站采用分設時鐘的方式接收GPS授時。而分設GPS時鐘也有利于減小時鐘信號發射故障時造成的影響。

CDMA2000基站分設時鐘，就是各個CDMA基站單設GPS時鐘，各個基站都單獨配置時鐘系統，主要包括GPS天線、定時和頻率單元和振蕩器模塊，它們協同工作為基站各個組成單元提供從GPS衛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，朗訊設備最多3個。

CDMA基站都接入GPS衛星信號，解碼其中的時鐘信號，這樣CDMA基站系統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基站時鐘系統的主要單元

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

3.1.1 GPS天線系統

GPS天線帶有一個內部LNA(低噪聲放大器)，放大接收路徑中的信號。GPS天線系統將從天線接收到的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(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，并負責調整OM(振蕩器模塊)的輸出頻率。

CDMA信號生成器單元會產生兩個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系統時間(GPS網絡)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系統時間

CDMA系統時間(CST)以世界標準時(UTC)1980年1月6日00：00：00為系統零點，開始計算秒數，并與GPS時間一致。

GPS時間和UTC時間相差整數秒數，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，為保持協調世界時接近于世界時時刻，由國際計量局統一規定在年底或年中(也可能在季末)對協調世界時增加或減少1s，增加到UTC時間。

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

CDMA系統時間(CST)啟動于被設置為初始狀態的短碼發生器輸出一個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系統時間(CST)啟動于被設置為初試狀態的長碼發生器輸出一個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系統同步需要的碼自相關特性，所以CDMA系統在m序列中增加了一個全0狀態，所以CDMA2000網絡使用的PN短碼是215，連續的15個bit，組成的序列，從0000000000 00000—111111111111111，長度為32768個chips。而零偏置PN短碼發生器的初始狀態設置為：使短碼發生器的第一個輸出為1，然后接連輸出15個0。

CDMA系統中的PN短碼理論上可以有215個偏置，但是因為硬件解調能力達不到，也為了避免PN混淆的情況發生，CDMA系統每隔64chip抽取一個相位，可以得到512個相位，作為扇區的512種PN偏置。

這512種PN偏置在前向鏈路上被用于主擾碼，區分扇區，使得移動臺可以根據不同的PN偏置來識別出信號是哪個扇區發射的。

PN偏置的另一個作用是在前向鏈路對不同扇區在時間上進行隔離，使之不能相互干擾，保證CDMA系統中發射機和接收機之間實現收發同步和保持同步：

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系統時間的零時刻算起，將每個偶數秒的起始時刻開始發送的PN定義為零偏置PN，其后間隔PN偏置x 64chips x 813.8ns/chip開始發送。例如PN偏置為1，那么這個扇區的pilot PN將從零偏置PN短碼發生器的初始狀態移動1 x 64 chips x 813.8ns/chip=52.08 μs開始發送.

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

各個扇區在導頻信道上不間斷的發送導頻信號，但是開始發送的時刻不同，也就是相位(時延)不同。移動臺根據CDMA系統中前向導頻信道的不同偏置識別出不同基站扇區，也識別出CDMA系統時間的起始時刻，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長碼發生器的初試狀態為：當使用MSB比特為1，其余41比特為0的掩碼時，使長碼發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分用戶。CDMA基站給不同用戶分配不同的長碼掩碼，用戶根據不同的掩碼得到不同的長碼相位，并在此相位上開始發送數據。由于各個用戶發送數據的相位不同，基站也就很容易區分不同的用戶了。而長碼周期為242-1，這也保證了CDMA系統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系統的移動臺采用基站時間授時，它通過解調基站在同步信道上發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完成系統的定時和同步的。移動臺的初始化狀態分為四個子狀態：

(1)系統確定子狀態

(2)導頻捕獲子狀態

(3)同步信道捕獲子狀態

(4)定時改變子狀態

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

4.1 導頻捕獲子狀態

CDMA移動臺捕獲扇區的導頻信道，也就是發現并解調出扇區發射的PN短碼偏置相位。

在導頻信道捕獲子狀態中，移動臺將其頻率調諧到確定系統子狀態確定的頻點上，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導頻偏移位置用它們與接收到的混合信號作相關運算。移動臺在不長于15秒(通常是2到4秒)內就可以把所有的可能偏移(32768種)運算一遍。移動臺根據運算結果找出其中相關性最好，也就是Ec/IO最好，的偏移，這個偏移的相位就是扇區的PN偏置相位。

移動臺精調本地PN碼的頻率和相位，使本地產生的PN短碼序列(I序列和Q序列)與接收到的扇區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PN短碼序列開始的模式(一個‘1’之后連續15個‘0’)。

捕獲導頻信道后移動臺就準備用Walsh code3264作相關運算來捕獲同步信道了。

4.2 同步信道捕獲子狀態

基站的同步信道和導頻信道保持同步關系，具有相同發射起始位置和幀長，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，實現對接收信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，與發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)的詳細內容：

同步信道消息中的如下信息：

系統信息：系統標識，網絡標識，導頻PN序列偏置索引等;

定時信息：長碼狀態值，系統時間，閏秒數量，夏令時指示等。

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

4.3 定時改變子狀態

進入這一子狀態后，移動臺解調收到的同步信道中的消息(由于同步信道沒有經過長碼擾碼，故可以解調相應的同步信道)。

在這一狀態中，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值(1c_state)設置自己的長碼發生器，另一個就是使自己的系統時間與所提取的系統時間(sys_time)同步。由于同步信道的消息發送與系統定時嚴格對齊，這樣就使得移動臺可以把自己的PN長碼發生器狀態與整個系統的長碼狀態對齊。

移動臺利用同步信道接收到的pilot_pn，LC_STATE以及SYS_TIME，設置自己的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，經過320ms再減去pilot PN offset，用SYS_TIME設定自己的系統時間。

移動臺在設定系統時間的同一時刻，根據LC_STATE設定長碼發生器的狀態。

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

5、CDMA2000無線接入網的授時和同步方法的總結

CDMA基站和移動臺的同步是CDMA2000無線接入網正常的基礎功能之一，此外它還有著很廣闊的業務應用。

例如在CDMA定位技術領域，目前很多主流的定位技術，例如抵達時間定位技術、抵達時間差異定位技術、增強型觀測時間差、手機GPS定位和聯合定位等，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的維護和優化工作、時鐘同步的應用等拓展工作提供理論基礎。