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一文解读GNSS信号对网络中授时应用的益处


【导读】无论身在何处,我们对于无时无刻地观看视频内容已经习以为常。但对负责、构建和维护底层网络的幕后工作者而言,事情并没有那么简单,消费者日益提升的期望给他们带来了重重难题。


无论身在何处,我们对于无时无刻地观看视频内容已经习以为常。但对负责、构建和维护底层网络的幕后工作者而言,事情并没有那么简单,消费者日益提升的期望给他们带来了重重难题。


当今和未来的蜂窝与通信网络需要为海量用户提供出色的数据传输速率,因此其运作方式与以往的网络截然不同。


对于现代高速数据网络,让网络内所有基站、服务器和节点之间的时间保持同步极为重要。授时读数的误差越小,能为网络配置的数据处理量就越大,这样运营商就能更有效地利用频率和其他资源,提高这些付费资源的成本效益。


许多设备都使用全球导航卫星系统(GNSS)来确保网络各部分保持同步。GNSS有着准确度高、成本效益高、易于安装、全球可用的特点,因此通常是首选方案,优先于基于网络的授时技术。


过去的GNSS网络授时同步使用的是单频段接收机,需要卫星发出的L1频段信号通播。


L1频段GNSS面临的挑战


3GPP对于基站天线接口的基本授时要求是1.5μs,但5G服务显然需要更高的时间精度。这通常不容易实现,尤其现实生活中复杂的网络环境更加大了实现难度。


除了网络相关问题之外,还有多种因素会影响到设备接收L1频段GNSS信号。而这又会进一步影响网络访问的授时数据的可靠性和准确性。


我们来简单了解一下其中的三个主要问题。


GNSS信号干扰


对任何使用GNSS的设备而言,干扰都是一项持续不断的威胁,可能导致单频接收机完全无法使用GNSS信号。从授时的角度来看,设备通常配有某种类型的原子钟,用来在GNSS中断期间实现保持。但这只能在有限的时间内提供必要的授时精度水平,通常仅有几个小时。


电离层延迟


对于在开放天空环境中工作的GNSS接收机,主要误差来源是电离层延迟,这造成授时精度持续发生偏差。影响电离层延迟水平的因素包括接收设备所在纬度、一天当中的时间和一年当中的时间,还有太阳活动水平。太阳活动周期通常为11年,低水平的太阳活动已经保持了一段时间,2025年前后,我们将迎来一次太阳活动高峰。


通常用来解决电离层延迟的方法是使用GPS Klobuchar等数学模型,或使用例如星基增强系统(SBAS)增强服务,但这两种方法都并非适用于所有情况。数学模型采用纯粹的先验方法,因此存在固有的限制。与此同时,SBAS仅在全球部分地区可用,为了保证接收到对地静止型SBAS卫星发射的信号,需要在朝向赤道的方向具有开阔的天空视野。


多径效应


对于在城市和其他障碍物重重的环境中工作的设备,还有另外一个影响GNSS信号接收的问题:多径效应。多径效应特别容易影响窄带GNSS L1信号,会引起设备访问的授时数据出现误差。


在障碍物较多的环境中,5G网络需要更多基站,还需要更高水准的授时精度来支持更高的吞吐量,这造成多径效应日渐成为困扰5G网络设计者和构建者的一大难题。此外,即便能解决多径效应问题,此类设备所处环境的天空视野通常较为受限,几乎不可能使用SBAS来补偿电离层延迟。


借助双频段GNSS提高授时精度


在设计蜂窝通信网络和其他通信网络中使用的设备(无论其具体应用位置如何)时,设计人员确实面临着这些挑战,但也有令人欣慰的好消息。


当L1频段GNSS信号设计于数十年之前,主要用于军事应用的同时,现今也有现代化的GNSS信号在同步通播。这些现代化信号使用1176.45 MHz的L5频段,其设计之初就以现代民事应用为中心。


对于授时应用,L5频段信号的价值在于配合L1频段信号组成双频段设置。为了说明这种差异,我们以u-blox双频GNSS接收机为例,该接收机的授时精度为5ns内,而单频接收机为20ns。


GPS、Galileo和北斗GNSS星座如今均为其部分或全部卫星通播L5信号。


因此,您只需选择一款能够使用全部这三个星座的GNSS接收机,即可在世界任何地点接收到L5频段信号。在设计中,您唯一需要调整的地方就是将单频段GNSS接收机和天线改换为双频段型号。


此外,印度的区域导航系统NavIC支持L5频段。因此,一款全球双频段L1+L5设计也能满足区域性要求。


应对重大授时挑战


双频段L1+L5 GNSS接收机和天线可帮助设计工程师应对前述授时挑战。


面对干扰攻击时表现出更高的适应能力


与L1频段一样,L5频段也属于航空无线电导航服务(ARNS)频段,因此会受到良好的干扰防护和监管。此外,双频段工作方式可避免单频段干扰器的侵扰,即便出现这种情况,设备仍能通过另一个不受干扰的频段获取授时信息。


如图1所示,在干扰期间,授时误差会有所增加,但在大多数使用场景中,误差都不会超过可接受的容差范围。


图中还强调了在干扰结束时双频段工作模式能非常迅速地恢复正常工作,大幅降低授时方差。


在不使用模型或校正数据的情况下应对电离层延迟


电离层延迟会对L1频段和L5频段的频率产生不同的影响。重点在于,我们已经知晓这其中的关系,所以如果您通过两个频段接收信号,可以计算出实际的电离层延迟,不必依靠模型进行预测,也不必使用校正服务。


因此,授时误差可保持在更小的范围内,如图1所示。


一文解读GNSS信号对网络中授时应用的益处

图1,来源:u-blox


在城市和障碍物较多的环境中提供更出色的性能


与窄带L1信号相比,宽带L5信号更不易受到多径效应的影响,以直接减少授时数据误差。


此外,更现代化的L5信号设计包含前向纠错,为信号较弱的环境(比如城市和障碍物较多的环境)提供了额外的保障,有助于防范可能出现的比特误差。


如图2所示,在受多径效应影响的区域中,L1和L5频段信号的剩余误差都要小得多。


一文解读GNSS信号对网络中授时应用的益处

图2,来源:u-blox


提高网络投资回报率的时机已经来临


对高吞吐量数据网络的需求不断增长,这促使业界更加关注通过可靠的方法在所有网络节点之间保持时间数据严格同步的需求。


传统L1 GNSS信号素有准确、经济的优势,不足之处在于容易受到干扰和多径效应的影响,也会受到电离层延迟的影响。所有这些因素都会影响到网络中的授时精度。


将现代L5 GNSS信号与L1信号配合使用可以解决这些问题,为您的网络提供一致性更高的授时数据。因此,您可以为网络配置更高的数据处理量,进而改善客户体验,提高网络投资回报率。


u-blox提供一系列高精度双频段GNSS授时模块,包括LEA-F9T、ZED-F9T和NEO-F10T,而且均满足5G时间同步要求。

文章来源: ublox


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