北斗授时在通信领域应用现状及推广建议＊

胡昌军 中国信息通信研究院通信标准研究所主任工程师

李信 国网冀北电力有限公司信息通信分公司高级工程师

刘佳 中国信息通信研究院电信设备认证中心助理工程师

潘峰 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

北斗授时在通信领域应用现状及推广建议＊

胡昌军 中国信息通信研究院通信标准研究所主任工程师

李信 国网冀北电力有限公司信息通信分公司高级工程师

刘佳 中国信息通信研究院电信设备认证中心助理工程师

潘峰 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

介绍了国内外卫星导航系统的发展现状及北斗授时在通信领域的应用情况，并分析了其在通信领域中推广应用的必要性和可行性；最后，给出了北斗系统在通信领域的应用推广建议。

同步网 北斗授时 通信网

1 引言

同步网是面向传输网和各种业务网提供高质量高可靠定时基准信号、保证网络定时性能质量和通信网同步运行的关键网络，是通信网一个必不可少的重要组成部分。一般来说，同步网包括频率同步网和时间同步网，分别可以提供频率参考和时间参考信号，无论哪种同步网，均需基于卫星导航系统组建定时源头设备，以获取溯源至UTC的优于±1E-11的长期频率准确度或最高达µs量级的绝对时间精度。因此，卫星导航系统在构建同步网中具有举足轻重的作用。

然而，目前我国通信网中大量使用GPS接收机进行同步授时，其安全性是长期困扰网络规划建设的重大问题。在北斗卫星导航系统日渐完善和市场逐步建立的情况下，适时推广部署应用北斗卫星授时以提高网络安全的需求越来越迫切。

2 卫星导航系统发展现状

2.1 北斗卫星导航系统发展情况

回顾北斗系统的发展经历，从2000年10月—2007年2月，共发射了4颗试验卫星，完成了北斗卫星导航试验系统（简称北斗一号）的部署和试验。从2007年4月—2012年底，共发射了16颗卫星，按计划完成了北斗卫星导航系统（简称北斗二代）的区域覆盖。预计到2020年，北斗系统将部署35颗卫星，实现全球覆盖。

2012年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室公布了北斗卫星导航系统公开服务信号B1I频点的空间信号接口控制文件（ICD），该文件的发布标志着北斗卫星导航系统正式向亚太地区提供商用服务。2013年12月27日，在北斗系统全面商用一周年之际，进一步发布了ICD公开服务信号（2.0版）并公开服务性能规范（1.0版）。北斗系统ICD文件的发布，为国内外相关企业参与北斗应用终端研发提供了必要条件，有效地推动了北斗产业的发展。

2.2 其他主流卫星导航系统发展情况

除了我国的北斗卫星系统外，其他主流的卫星导航系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧盟的Galileo系统。

（1）美国GPS系统

美国的GPS系统从1978年开始部署，该系统可以为军用和民用提供导航服务，20世纪90年代初已实现全球覆盖，全球的可用性接近100%。到2013年5月底，GPS系统的运行时间已达到35年，期间共发射62颗卫星，目前在轨卫星32颗。GPS系统的部署经历了GPS Block I、GPS Block II/IIA、GPS Block IIR、GPS BlockIIF各阶段。最新的GPSBlockIII从2014年开始发射应用。GPS Block III系统将由70～90颗卫星组成，比目前使用的GPS系统具有更强大、更可靠和更多的功能，并且能够提供室内定位服务。

（2）俄罗斯GLONASS系统

俄罗斯的GLONASS系统从1982年开始部署，该系统可以为军用和民用提供导航服务，20世纪90年代中曾短期实现全球覆盖。后很快经历了一次低谷，2001年在轨的GLONASS卫星最少时只有6颗。此后，俄罗斯采用新型的GLONASS-M卫星，到2008年底该系统的在轨卫星重新达到18颗以上。到2013年5月底，GLONASS系统的运行时间已达到31年，期间共发射了135颗卫星，目前在轨卫星29颗，全球范围的可用性已达到99%，俄罗斯境内的可用性接近100%。需要特别指出的是，俄罗斯在2011年2月首次发射GLONASS-K卫星，这标志着俄罗斯已开始了第三代卫星导航系统的试验。

（3）欧盟Galileo系统

Galileo卫星导航系统是欧盟计划建设的全球卫星导航系统，最早是在1999年由欧盟提出。Galileo卫星采用中等地球轨道，均匀地分布在高度约为2.3万公里的3个轨道面上，星座包括27颗工作星，另加3颗备份卫星。欧洲的Galileo系统在2005年和2008年发射过2颗试验卫星，在2011年和2012年各发射2颗卫星，最近的4颗卫星组成提供导航服务的最小卫星星座。在2013年3月12日，利用在轨的4颗卫星及地面设施，Galileo卫星系统进行了三维定位试验，并取得了预期结果。原计划在2014年底初步投入运营，但由于在2014年8月导航卫星发射失败，使其投入运营时间向后延迟。目前，Galileo有4颗卫星，每天只有2～3h可接收到完整的导航信号。

2.3 北斗系统与其他卫星导航系统的比较

从各系统卫星发射情况来看，自2010—2012年底，北斗系统刚完成区域组网，已迈入密集发射期，在后续几年仍将维持较高的发射频率，以实现全球覆盖；GPS系统处于平稳期，每年的发射数量较少；GLONASS系统刚进入平稳期，每年的发射数量将逐渐减少；Galileo系统仍处于试验组网阶段，今后若干年可能会迎来密集发射期。

表1给出了各种卫星导航系统的部署和运行情况，由于Galileo目前仍未正式投入运行，因此未在表格中列出。从卫星导航系统的覆盖、位置精度因子、卫星寿命等对比情况来看，GPS系统仍是全球最主流的卫星导航系统。需要特别注意的是，正在研制和部署的第五代GPSBlockIII系统，其导航精度、服务方式等比现有GPS系统均有较大提升，未来北斗系统的全球化推进还将面临更多的挑战。

总体来看，北斗卫星导航系统的部署虽然起步较晚，但其发展非常迅速。在民用方面，北斗卫星导航系统不仅可以提供其他卫星导航系统所有类型的开放式无源服务，而且还可以提供需授权的短报文服务和双向有源定位导航/授时服务；而双向有源定位导航/授时服务可以获得更高精度的定位/授时性能；有源定位导航精度可达10m，有源授时精度可达20ns。北斗卫星导航系统是我国自行开发和部署而不受其他任何国家制约的独立自主的卫星导航系统，除性能外，应用安全性是其最大的优势。

3 北斗授时在我国通信网络中的应用现状

根据卫星授时的不同应用场景，下面分别从频率同步和时间同步两个方面给出卫星授时的总体应用规模以及北斗授时的应用情况。

（1）频率同步

我国电信网中的频率同步网是一个由多个基准时钟控制的网络，各基准时钟之间以准同步运行，每个基准时钟控制的同步网内同步方法采用等级主从同步，即我国同步网采用的是混合同步方式。我国从20世纪90年代中期开始建设频率同步网，一级基准时钟的数量已增加到约200个。目前，国内三大电信运营商的频率同步网原则上按照省、自治区和直辖市来划分，在每个省、自治区和直辖市设置2个一级基准时钟。一级基准时钟分为含有铯原子钟的全国基准时钟（PRC）和以卫星导航系统为源头的区域基准时钟（LPR）两种。

表1 各卫星导航系统部署及运行情况

在我国的频率同步网中，所有的一级基准时钟设备、部分二级/三级/微型同步节点时钟设备上均使用了卫星授时接收机（包括内置式卫星接收机模块和外置式卫星接收机设备），总数接近2000个，绝大部分为GPS接收机，北斗授时接收机数量仅有几十个。

（2）时间同步

随着通信网中各种业务对时间同步提出的新要求，以及时间同步技术的不断发展，通信网计费、网络管理系统、七号信令网、网间结算、IP网络新业务、物联网等均对时间同步提出了要求，尤其是3G/4G网络，提出了µs级的高精度时间同步需求。

早在2004年，我国各电信运营商已建设了独立的普通精度时间同步网，覆盖了骨干网及部分发达地区，开始提供ms级的时间同步服务，但无法提供高精度时间服务。对于普通精度时间同步网，各运营商建设的时间同步设备数量近千个，均配置了卫星授时接收机以溯源至UTC，绝大部分为GPS接收机，北斗授时接收机数量极少。2008—2010年，中国移动开展了高精度时间同步传送技术的实验室测试及小规模现网试验。到2013年，高精度时间同步网的网络规模已覆盖31个省会城市及300多个地级城市，每个城市设置主备两台高精度时间同步设备，建设数量近千个。所有时间同步设备均配置了以北斗为主用的BeiDou/GPS双模卫星授时接收机以溯源至UTC。

在移动通信网中，三大运营商的2G/3G/4G基站高精度时间同步需求主要解决手段仍是采用卫星授时接收机。截至2014年底，CDMA基站中的GPS模块已超过30万个，其中北斗授时接收机约数百个；cdma2000基站中的GPS模块超过10万个，无北斗授时接收机；WCDMA基站中的GPS模块超过10万个，无北斗授时接收机；TD-SCDMA基站中的GPS模块超过50万个，有少量采用Bei Dou/GPS双模授时接收机或模块；4G移动基站的卫星授时模块超过70万个，其中以GPS模块为主，部分采用BeiDou/GPS双模授时接收机或模块。

总体来看，经过多年的发展，北斗卫星系统推广应用已经具备了基本的技术条件。然而，由于北斗系统属于后来者，一方面，面临以GPS为主的原有卫星导航系统的激烈竞争；另一方面，自身的产业链完善和成熟需要漫长的过程。因此，目前北斗授时在通信领域的应用规模仍然比较小，其市场应用需要大力培育和推广。

4 北斗授时在通信领域推广应用的必要性和可行性

（1）北斗授时是通信网络安全组网的根本保证

在同步网方面，我国的频率同步网采用的是多基准混合同步方式，即全网部署多个一级基准时钟设备，并且需配置高性能的卫星授时接收机，以保证全网的定时性能。我国的时间同步网则采用分布式组网方式，即在每个时间同步设备上均需配置高性能的卫星授时接收机，以保证全网的时间精度。

在移动通信网络方面，CDMA基站、cdma2000基站、TD-SCDMA基站等均需要高精度的时间同步，目前是在每个基站上配置GPS授时模块。如果基站与基站之间的时间同步不能达到一定要求，将可能导致在选择器中发生指令不匹配，从而导致通话连接不能正常建立，影响无线业务的接续质量。

在通信网络中使用北斗卫星授时接收机/模块，将根本解决因大量使用非自主卫星授时而导致的全网同步运行及业务网络组网的安全性问题。

（2）北斗授时性能可以满足通信网络的需求

基于BeiDou/GPS双模的授时设备最早在2003年进入通信领域，在2008年之前主要提供频率同步服务，此后可同时提供时间同步和频率同步服务。根据近十年的多次测试情况，可以看出北斗设备在正常情况下能满足通信网中对频率同步和时间同步的要求，尤其是2008年以后生产的北斗设备其性能普遍达到了GPS卫星接收机设备的水平，完全可以满足通信网中各种通信设备对频率同步和时间同步的需求。

需要指出的是，之前在通信领域使用的授时设备主要是基于北斗一号研发的产品，北斗二代的产品最近两年刚开始进行测试和应用。图1给出了某厂家北斗二代/GPS双模卡的测试结果，其中采用北斗二代模式授时的平均准确度约为2.5E-13（见图1（a）），采用GPS模式授时的平均准确度约为2.9E-13（见图1（b））。根据测试结果，北斗二代授时接收机的长期频偏与GPS授时接收机在同一个量级。北斗二代授时设备的性能已能满足通信领域中的应用要求。

（3）通信网络中的北斗授时应用占比还非常小，推广应用具有巨大空间

根据第三章的分析，在通信领域中，北斗授时在频率同步网、时间同步网、无线通信网内开展了应用。其中，在总计近2000个频率同步设备中，支持北斗授时的已有几十个；在总计近2000个时间同步设备中，支持北斗授时的近千个；在总计超过170万个的无线通信基站设备中，支持北斗授时的约数百个。需要说明的是，目前所有支持北斗授时的卫星模块，均采用BeiDou/GPS双模的方式。因此，总体上，与GPS授时相比，北斗授时所占份额还非常小，其在通信领域的推广应用具有巨大空间。

5 北斗系统在通信领域的应用推广建议

从各方面来看，北斗系统完全可以满足国内通信网对时频基准信号高性能高可靠性的要求，加快推动北斗授时在通信领域的应用已经势在必行。北斗授时在通信领域的应用推广建议如下：

（1）加快通信网北斗授时相关标准的制订工作，包括设备功能要求、性能要求、接口要求、管理要求、测试方法等。

（2）大力支持国内厂家北斗二代芯片的研发和应用，推动北斗芯片、模块、设备的协调发展，促进整个北斗授时产业链的良性循环。

（3）鼓励北斗二代单模卡的研发和应用，摆脱北斗卫星授时应用需要依赖GPS的观念。

（4）考虑到卫星授时在无线基站中占据极大的应用份额，建议采取必要的措施，促进北斗授时相关设备的研制，适时开展北斗授时在无线基站中的应用示范，推动北斗授时在无线基站系统中的规模应用。

（5）制定北斗授时应用政策，在某些重要场景强制要求采用北斗授时。比如，要求网络端卫星授时设备必须支持北斗，包括要求频率同步网一级基准时钟必须配置北斗授时接收机作为定时源头之一、要求时间同步设备必须配置北斗授时接收机作为时间源头之一、要求移动基站必须从北斗授时接收机获取频率和时间参考源等。

6 结束语

作为北斗卫星导航系统的重要应用领域之一，通信领域的北斗授时推广应用对于推动我国整个北斗产业的发展至关重要。鉴于目前卫星导航定位系统的激烈竞争现状，有必要采取措施加快北斗授时产业链的发展和成熟，加强北斗卫星授时在通信领域中的应用水平，提升北斗卫星导航定位系统在卫星系统应用市场中的地位和竞争能力。此外，由于网络同步授时涉及国家通信网安全，北斗授时推广应用将有助于消除我国通信网在同步授时方面的安全隐患，对于我国通信网的安全运行具有重大意义。

图1 北斗二代/GPS双模卡测试结果

2015-03-06）

国家电网公司科技项目（52018E140001）资助