CDMA2000无线接入网的授时和同步方法

摘要：同步是CDMA2000正常工作的基础之一，本文从CDMA2000网络的工作需求出发，开展无线接入网的授时和同步相关原理的阐述。文章首先介绍了基站的授时方法和时钟同步方法，在此基础上介绍了移动台的授时和同步方法。

关键词：CDMA;基站;授时;同步;

1、引言

CDMA2000网络是同步通信系统，它具有一套高精度的时钟源完成基站和移动台之间的收发同步。

时钟同步在CDMA2000无线接入网中发挥着重大的作用，如果某一个基站的时钟发生问题，那么基站周围可能发生大量的切换掉话;如果CDMA系统丢失了同步时钟源，那么所有CDMA基站都会陆续退服，系统也就无法工作了。

本文根据CDMA2000网络的实际需求，展开相关的原理阐述，为无线接入网时钟同步相关的优化维护和拓展应用提供理论基础。

2、CDMA2000基站授时方法

同步通信网络需要一个完成同步的参考时钟源，如何选择和获得这个时钟源，就是同步系统的授时问题。

2.1 CDMA 2000网络的同步方式

CDMA2000系统是同步通信系统，它的同步分为几个方面：网络同步、节点同步、传输通道同步和无线接口同步，它要求基站和手机的计数频率稳定且尽量一致，具有同频同相的同步时钟信号。

CDMA是码分多址系统，码序列在传输过程中有传输时延，为了正确的解调发端发送的信号，就需要收端补偿信号传输和器件处理造成的时延。而要做到补偿，就需要使收、发端产生的码序列同步，这就是CDMA2000系统需要同步整个网络的原因。

在同步通信系统中，收发双方交互消息的前面都有一个同步字符，使发收双方建立同步，此后在同步时钟的控制下逐位发送/接收。

CDMA2000系统的基站之间建立时间同步，移动通信基站能同时跟踪几个基站并在基站之间执行切换，而手机可以在软切换区域同时获得多个扇区的多径数据;另外同步加快了信令交互过程，也使得手机可以较快的搜索、捕获并待机在某个基站。

2.2 GPS信号

CDMA2000是同步通信系统，它就需要有一个时钟源作为时钟同步的参考。由于CDMA2000的码速率非常高，达到1.2288Mcps，所以作为参考的同步时钟源必须有极高精度，才能同步网络的所有基站。目前CDMA2000的授时系统采用GPS时钟(GPS clock)的时钟信号广播系统(radio cloCk)。

GPS系统共有24颗卫星，每颗卫星上都有2～3个高精度的铯原子钟，这几块原子钟互为备份也互相纠正，可以输出纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级的频率。另外GPS系统的地面控制站会定期发送时钟信号，和每一颗卫星进行时钟校准。

由于卫星信号很微弱，只有在室外才能接受的到，基站为了获得GPS卫星信号都安装有GPS卫星信号。基站GPS天线安装位置需要天空视野应开阔，天线上方90度范围内没有大型建筑物遮挡。

CDMA基站通过GPS天线接收GPS卫星发射的低功率无线电信号，并交由时间和频率单元解码出其中的时钟信号，并计算得出GPS时间。

2.3 CDMA2000基站授时方法

CDMA基站之间的相互距离往往较远，为了减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，CDMA2000基站采用分设时钟的方式接收GPS授时。而分设GPS时钟也有利于减小时钟信号发射故障时造成的影响。

CDMA2000基站分设时钟，就是各个CDMA基站单设GPS时钟，各个基站都单独配置时钟系统，主要包括GPS天线、定时和频率单元和振荡器模块，它们协同工作为基站各个组成单元提供从GPS卫星获得的时间同步信号。这些信号使得分配给各个CE的时间信号同步。

有些CDMA基站主设备商也提供GPS天线引线拆分功能，可以将主基站接收的GPS信号拆分到同伴基站上，这主要是为了节约运营成本，避免维护多个GPS 天线。这种做法一般针对主基站和同伴基站距离不太远的情况，并且为了保证时钟精度，同伴基站也不宜过多，朗讯设备最多3个。

CDMA基站都接入GPS卫星信号，解码其中的时钟信号，这样CDMA基站系统就有了高精度的同步时钟源了。

3、CDMA2000基站的时间同步方法

CDMA基站通过GPS天线接收GPS定时信号，而基站的定时主要是依靠定时/频率单元和振荡器模块来完成的。

3.1 CDMA2000基站时钟系统的主要单元

CDMA2000基站的时钟系统主要包括GPS天线系统、定时和频率单元和振荡器模块。

3.1.1 GPS天线系统

GPS天线带有一个内部LNA(低噪声放大器)，放大接收路径中的信号。GPS天线系统将从天线接收到的GPS信号通过1：4分配放大器分配到主机柜TFU(定时和频率单元)、扩展机柜TFU和同伴基站的TFU上。

3.1.2 定时和频率单元

TFU(定时和频率单元)安装有一个GPS接收器电路系统(GPS单元)，用于捕获和跟踪GPS定时信号。

GPS单元向其它TFU子单元组件，馈送定时和频率的参考信号，在这些子单元那里这些信号按照一定的条件、规则来生成其它的CDMA定时信号。

TFU子单元主要还包括训练单元和CDMA信号生成单元。训练单元从GPS单元读取定时信号，并负责调整OM(振荡器模块)的输出频率。

CDMA信号生成器单元会产生两个19.6608MHz信号和一个偶秒报时信号(EvenSecTic)。两个19.6608MHz信号的相位差为90度。偶秒报时信号与CDMA系统时间一致，与19.66 08-MHz信号锁相。这些信号传送到基站的射频单元和基带处理单元，使基站同步到CDMA系统时间(GPS网络)TFU子单元还包括一个振荡器模块(OM)接口，控制并校正OM以使其维持射频单元和主控单元要使用的15MHz信号。

3.1.3 振荡器模块

振荡器模块(OM)向模块化基站提供了一个15MHz参考频率。

OM的主振荡器可以是铷或晶体的，备用振荡器必须是晶体的。铷振荡器支持最多24小时的飞轮时间;温控晶体振荡器支持最多24小时的飞轮时间晶体的老化和温度波动会产生OM漂移。TFU检测并校正OM提供的所有输出频率的漂移，允许校正的量是有限度的，一旦超过了这个值就必须更换OM。

3.2 CDMA系统时间

CDMA系统时间(CST)以世界标准时(UTC)1980年1月6日00：00：00为系统零点，开始计算秒数，并与GPS时间一致。

GPS时间和UTC时间相差整数秒数，特别是一些闰秒。UTC原本是没有针对闰秒进行过校正的，但是从1980年1月6日零点开始，为保持协调世界时接近于世界时时刻，由国际计量局统一规定在年底或年中(也可能在季末)对协调世界时增加或减少1s，增加到UTC时间。

所有CDMA基站数字传输是参照共同的码分多址系统时间标尺，也就是GPS时间。

CDMA系统时间(CST)启动于被设置为初始状态的短码发生器输出一个1，然后接连输出15个0中的最后一个0和接着输出的1之间的中间时刻。

CDMA系统时间(CST)启动于被设置为初试状态的长码发生器输出一个1，然后接连输出41个0中的最后一个0和接着输出的1之间的中间时刻。

3.3 CDMA2000基站同步方法

CDMA2000基站是通过PN码来完成和移动台的同步的。这里的PN码包括PN短码和PN长码。

3.3.1 短码

PN短码是一段周期为215-1的m序列。

由于CDMA系统同步需要的码自相关特性，所以CDMA系统在m序列中增加了一个全0状态，所以CDMA2000网络使用的PN短码是215，连续的15个bit，组成的序列，从0000000000 00000—111111111111111，长度为32768个chips。而零偏置PN短码发生器的初始状态设置为：使短码发生器的第一个输出为1，然后接连输出15个0。

CDMA系统中的PN短码理论上可以有215个偏置，但是因为硬件解调能力达不到，也为了避免PN混淆的情况发生，CDMA系统每隔64chip抽取一个相位，可以得到512个相位，作为扇区的512种PN偏置。

这512种PN偏置在前向链路上被用于主扰码，区分扇区，使得移动台可以根据不同的PN偏置来识别出信号是哪个扇区发射的。

PN偏置的另一个作用是在前向链路对不同扇区在时间上进行隔离，使之不能相互干扰，保证CDMA系统中发射机和接收机之间实现收发同步和保持同步：

PN短码长度32768chip，信道编码速率1.2288Mcps，那么传送一个PN就需要32768/1228800=26.667毫秒，传送1个 chip就要使用1/1228800=0.813.8纳秒。从CDMA系统时间的零时刻算起，将每个偶数秒的起始时刻开始发送的PN定义为零偏置PN，其后间隔PN偏置x 64chips x 813.8ns/chip开始发送。例如PN偏置为1，那么这个扇区的pilot PN将从零偏置PN短码发生器的初始状态移动1 x 64 chips x 813.8ns/chip=52.08 μs开始发送.

而PN16与PN18的区别就是PN18比PN16多了(18-16)* 64chips x 813.8 ns/chip=104.17μs的时延。

各个扇区在导频信道上不间断的发送导频信号，但是开始发送的时刻不同，也就是相位(时延)不同。移动台根据CDMA系统中前向导频信道的不同偏置识别出不同基站扇区，也识别出CDMA系统时间的起始时刻，并进行时间同步。

3.3.2 长码

PN长码是周期为242-1的m序列。

PN长码具有移位相加特性，输出序列Ck和Ck+t(Ck延时t)相加后的序列仍然是序列Ck的一个时移序列。

PN长码发生器的初试状态为：当使用MSB比特为1，其余41比特为0的掩码时，使长码发生器的第一个输出为1，然后接连输出41个0。

PN长码的作用在反向用于区分用户。CDMA基站给不同用户分配不同的长码掩码，用户根据不同的掩码得到不同的长码相位，并在此相位上开始发送数据。由于各个用户发送数据的相位不同，基站也就很容易区分不同的用户了。而长码周期为242-1，这也保证了CDMA系统拥有足够多的长码偏置可以分配给每一个用户。

4、移动台的授时和同步方法

CDMA系统的移动台采用基站时间授时，它通过解调基站在同步信道上发送的同步包囊中的时间信息完成自身时间的定时和同步。

移动台是在初始化状态完成系统的定时和同步的。移动台的初始化状态分为四个子状态：

(1)系统确定子状态

(2)导频捕获子状态

(3)同步信道捕获子状态

(4)定时改变子状态

移动台进入确定系统子状态的原因有很多，如移动台开机上电、捕获失败、系统重定向、系统重选等等。移动台在系统确定子状态的主要工作是根据PRL确定移动台的工作系统和工作频点。

4.1 导频捕获子状态

CDMA移动台捕获扇区的导频信道，也就是发现并解调出扇区发射的PN短码偏置相位。

在导频信道捕获子状态中，移动台将其频率调谐到确定系统子状态确定的频点上，按照所选的CDMA信道进行搜索。接收到无线信号后，移动台首先自己产生两路 PN短码序列，I序列和O序列，然后在每一个可能的扇区导频偏移位置用它们与接收到的混合信号作相关运算。移动台在不长于15秒(通常是2到4秒)内就可以把所有的可能偏移(32768种)运算一遍。移动台根据运算结果找出其中相关性最好，也就是Ec/IO最好，的偏移，这个偏移的相位就是扇区的PN偏置相位。

移动台精调本地PN码的频率和相位，使本地产生的PN短码序列(I序列和Q序列)与接收到的扇区PN短码序列之间的定时误差小于1个码片间隔Tc，进而锁主这个最好的导频偏置，并且移动台还辨认出扇区PN短码序列开始的模式(一个‘1’之后连续15个‘0’)。

捕获导频信道后移动台就准备用Walsh code3264作相关运算来捕获同步信道了。

4.2 同步信道捕获子状态

基站的同步信道和导频信道保持同步关系，具有相同发射起始位置和帧长，所以移动台在捕获导频信道后可以比较方便、快速的捕获到同步信道。

CDMA移动台捕获导频信道后使本地产生的PN短码序列(I序列和Q序列)相位一直随着接收到的扇区导频PN偏置相位改变。移动台不断校正本地PN短码序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小，与发送端保持较精确的同步，正常接收扩频信号。

捕获了导频信道，移动台就可接收同步信道消息。以下是一个同步信道消(Sync Channel Message)的详细内容：

同步信道消息中的如下信息：

系统信息：系统标识，网络标识，导频PN序列偏置索引等;

定时信息：长码状态值，系统时间，闰秒数量，夏令时指示等。

有了这些参数，移动台就可以依据它们对自身的一些变量进行初始化。然后转入定时改变子系统。

4.3 定时改变子状态

进入这一子状态后，移动台解调收到的同步信道中的消息(由于同步信道没有经过长码扰码，故可以解调相应的同步信道)。

在这一状态中，移动台主要完成两个工作：一是利用从同步信道消息中提取出的长码状态值(1c_state)设置自己的长码发生器，另一个就是使自己的系统时间与所提取的系统时间(sys_time)同步。由于同步信道的消息发送与系统定时严格对齐，这样就使得移动台可以把自己的PN长码发生器状态与整个系统的长码状态对齐。

移动台利用同步信道接收到的pilot_pn，LC_STATE以及SYS_TIME，设置自己的long code timing以及system timing。

移动台在接收到的同步信道消息的最后一个80ms super frame的终止时刻算起，经过320ms再减去pilot PN offset，用SYS_TIME设定自己的系统时间。

移动台在设定系统时间的同一时刻，根据LC_STATE设定长码发生器的状态。

至此移动台就完成了系统同步与定时，之后将进行位置登记，进入空闲状态，等待接收寻呼消息。

5、CDMA2000无线接入网的授时和同步方法的总结

CDMA基站和移动台的同步是CDMA2000无线接入网正常的基础功能之一，此外它还有着很广阔的业务应用。

例如在CDMA定位技术领域，目前很多主流的定位技术，例如抵达时间定位技术、抵达时间差异定位技术、增强型观测时间差、手机GPS定位和联合定位等，都是利用PN短码的码片时延来确定到附近基站的距离，进而用一定的算法手机具体位置。

本文对CDMA2000无线接入网基站和移动台的授时和同步方法进行原理阐述，也为大家在同步相关的维护和优化工作、时钟同步的应用等拓展工作提供理论基础。