【導讀】無論身在何處，我們對于無時無刻地觀看視頻內容已經習以為常。但對負責、構建和維護底層網絡的幕后工作者而言，事情并沒有那么簡單，消費者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。
無論身在何處，我們對于無時無刻地觀看視頻內容已經習以為常。但對負責、構建和維護底層網絡的幕后工作者而言，事情并沒有那么簡單，消費者日益提升的期望給他們帶來了重重難題。
當今和未來的蜂窩與通信網絡需要為海量用戶提供出色的數據傳輸速率，因此其運作方式與以往的網絡截然不同。
對于現代高速數據網絡，讓網絡內所有基站、服務器和節(jié)點之間的時間保持同步極為重要。授時讀數的誤差越小，能為網絡配置的數據處理量就越大，這樣運營商就能更有效地利用頻率和其他資源，提高這些付費資源的成本效益。
許多設備都使用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)來確保網絡各部分保持同步。GNSS有著準確度高、成本效益高、易于安裝、全球可用的特點，因此通常是首選方案，優(yōu)先于基于網絡的授時技術。
過去的GNSS網絡授時同步使用的是單頻段接收機，需要衛(wèi)星發(fā)出的L1頻段信號通播。
L1頻段GNSS面臨的挑戰(zhàn)
3GPP對于基站天線接口的基本授時要求是1.5μs，但5G服務顯然需要更高的時間精度。這通常不容易實現，尤其現實生活中復雜的網絡環(huán)境更加大了實現難度。
除了網絡相關問題之外，還有多種因素會影響到設備接收L1頻段GNSS信號。而這又會進一步影響網絡訪問的授時數據的可靠性和準確性。
我們來簡單了解一下其中的三個主要問題。
GNSS信號干擾
對任何使用GNSS的設備而言，干擾都是一項持續(xù)不斷的威脅，可能導致單頻接收機完全無法使用GNSS信號。從授時的角度來看，設備通常配有某種類型的原子鐘，用來在GNSS中斷期間實現保持。但這只能在有限的時間內提供必要的授時精度水平，通常僅有幾個小時。
電離層延遲
對于在開放天空環(huán)境中工作的GNSS接收機，主要誤差來源是電離層延遲，這造成授時精度持續(xù)發(fā)生偏差。影響電離層延遲水平的因素包括接收設備所在緯度、一天當中的時間和一年當中的時間，還有太陽活動水平。太陽活動周期通常為11年，低水平的太陽活動已經保持了一段時間，2025年前后，我們將迎來一次太陽活動高峰。
通常用來解決電離層延遲的方法是使用GPS Klobuchar等數學模型，或使用例如星基增強系統(tǒng)(SBAS)增強服務，但這兩種方法都并非適用于所有情況。數學模型采用純粹的先驗方法，因此存在固有的限制。與此同時，SBAS僅在全球部分地區(qū)可用，為了保證接收到對地靜止型SBAS衛(wèi)星發(fā)射的信號，需要在朝向赤道的方向具有開闊的天空視野。
多徑效應
對于在城市和其他障礙物重重的環(huán)境中工作的設備，還有另外一個影響GNSS信號接收的問題：多徑效應。多徑效應特別容易影響窄帶GNSS L1信號，會引起設備訪問的授時數據出現誤差。
在障礙物較多的環(huán)境中，5G網絡需要更多基站，還需要更高水準的授時精度來支持更高的吞吐量，這造成多徑效應日漸成為困擾5G網絡設計者和構建者的一大難題。此外，即便能解決多徑效應問題，此類設備所處環(huán)境的天空視野通常較為受限，幾乎不可能使用SBAS來補償電離層延遲。
借助雙頻段GNSS提高授時精度
在設計蜂窩通信網絡和其他通信網絡中使用的設備（無論其具體應用位置如何）時，設計人員確實面臨著這些挑戰(zhàn)，但也有令人欣慰的好消息。
當L1頻段GNSS信號設計于數十年之前，主要用于軍事應用的同時，現今也有現代化的GNSS信號在同步通播。這些現代化信號使用1176.45 MHz的L5頻段，其設計之初就以現代民事應用為中心。
對于授時應用，L5頻段信號的價值在于配合L1頻段信號組成雙頻段設置。為了說明這種差異，我們以u-blox雙頻GNSS接收機為例，該接收機的授時精度為5ns內，而單頻接收機為20ns。
GPS、Galileo和北斗GNSS星座如今均為其部分或全部衛(wèi)星通播L5信號。
因此，您只需選擇一款能夠使用全部這三個星座的GNSS接收機，即可在世界任何地點接收到L5頻段信號。在設計中，您唯一需要調整的地方就是將單頻段GNSS接收機和天線改換為雙頻段型號。
此外，印度的區(qū)域導航系統(tǒng)NavIC支持L5頻段。因此，一款全球雙頻段L1+L5設計也能滿足區(qū)域性要求。
應對重大授時挑戰(zhàn)
雙頻段L1+L5 GNSS接收機和天線可幫助設計工程師應對前述授時挑戰(zhàn)。
面對干擾攻擊時表現出更高的適應能力
與L1頻段一樣，L5頻段也屬于航空無線電導航服務(ARNS)頻段，因此會受到良好的干擾防護和監(jiān)管。此外，雙頻段工作方式可避免單頻段干擾器的侵擾，即便出現這種情況，設備仍能通過另一個不受干擾的頻段獲取授時信息。
如圖1所示，在干擾期間，授時誤差會有所增加，但在大多數使用場景中，誤差都不會超過可接受的容差范圍。
圖中還強調了在干擾結束時雙頻段工作模式能非常迅速地恢復正常工作，大幅降低授時方差。
在不使用模型或校正數據的情況下應對電離層延遲
電離層延遲會對L1頻段和L5頻段的頻率產生不同的影響。重點在于，我們已經知曉這其中的關系，所以如果您通過兩個頻段接收信號，可以計算出實際的電離層延遲，不必依靠模型進行預測，也不必使用校正服務。
因此，授時誤差可保持在更小的范圍內，如圖1所示。
圖1，來源：u-blox
在城市和障礙物較多的環(huán)境中提供更出色的性能
與窄帶L1信號相比，寬帶L5信號更不易受到多徑效應的影響，以直接減少授時數據誤差。
此外，更現代化的L5信號設計包含前向糾錯，為信號較弱的環(huán)境（比如城市和障礙物較多的環(huán)境）提供了額外的保障，有助于防范可能出現的比特誤差。
如圖2所示，在受多徑效應影響的區(qū)域中，L1和L5頻段信號的剩余誤差都要小得多。
圖2，來源：u-blox
提高網絡投資回報率的時機已經來臨
對高吞吐量數據網絡的需求不斷增長，這促使業(yè)界更加關注通過可靠的方法在所有網絡節(jié)點之間保持時間數據嚴格同步的需求。
傳統(tǒng)L1 GNSS信號素有準確、經濟的優(yōu)勢，不足之處在于容易受到干擾和多徑效應的影響，也會受到電離層延遲的影響。所有這些因素都會影響到網絡中的授時精度。
將現代L5 GNSS信號與L1信號配合使用可以解決這些問題，為您的網絡提供一致性更高的授時數據。因此，您可以為網絡配置更高的數據處理量，進而改善客戶體驗，提高網絡投資回報率。
u-blox提供一系列高精度雙頻段GNSS授時模塊，包括LEA-F9T、ZED-F9T和NEO-F10T，而且均滿足5G時間同步要求。
文章來源： ublox
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