北斗用于SG基站高精度授时的应用探讨

北斗用于5G基站高精度授时的应用探讨
赵智慧
（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海200092）
摘要：我国于20世纪末开启了研究探索卫星导航系统，历经三十多载，北斗卫星导航系统已经初见成效，能为全球提供卫星导航服务。

当下5G基站主要采用直挂美国的全球定位系统（GPS）进行同步，考虑到安全性和可靠性，文章探究了采用我国自主研发的北斗卫星导航系统进行5G基站同步授时的可行性。

关键词：北斗；5G基站；高精度授时
中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：2096-9759（2023）03-0189-04
0引言
目前，全球有4大卫星导航系统供应商，分别是我国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）。

其中GPS系统是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，也是全球第一大卫星导航系统。

我国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。

20世纪后期，我国开始探索合适我国国情的卫星导航系统，在根据“质量、安全、应用、效益”的总要求和坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则下，按照“先区域，后全球”的总体思路，北斗卫星导航系统经历了：北斗一号系统工程建设（也称北斗卫星导航实验系统）、北斗二号系统工程建设以及2020年建成的北斗三号系统。

基于已成规模的北斗卫星导航系统，我国能为全球提供多种服务能力，如海运导航通信，定位导航授时，星基增强，地基增强和精密单点定位等。

在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

1现状分析
1.1我国北斗的技术优势
相对于美国的GPS系统，我国北斗的技术优势主要体现在以下几点：
（1）卫星数量
美国使用了24颗GPS卫星，达到全球98%的覆盖率。

我国北斗发射了55颗卫星完成全球组网。

定位时，需要三维坐标和一个钟差，4个未知数。

每一颗卫星构建一个方程，因此至少需要建立四个方程，观测到越多卫星就会有越多方程，解算精度就越高。

（2）抗干扰能力强
自主研发加密技术，创新性提出了国际领先的技术方案，研制成功卫星抗干扰设备。

（3）GPS采用双频信号单向接收，北斗采用三频信号双向接收北斗使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号。

三频信号可以更好的消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。

如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。

北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。

（4）有源定位及无源定位
GPS为无源定位，只对地发射信号，不能准确定位信号接收的终端位置信息。

北斗同时支持有源定位和无源定位技术，兼具发送和接收信号的能力，容纳用户数量不受限制。

（5）短报文通信服务
这是中国卫星导航的原创功能。

08年汶川地震的时候，震区唯一的通讯方式就是北斗一代，但是这个功能有容量的限制，并不适合日常通信功能，而是作为紧急情况通信。

（6）国家自主研发，安全可靠，针对我国区域范围内，北斗对比GPS在时钟同步上的优势如下：
表1
卫星导航
系统
研制
国家
全球卫星
总数量
全球
覆盖率
亚太地区
定位精度
亚太地区
测速精度
授时
精度北斗中国5595%5米0.1m/s10ns
GPS美国主24备398%20米0.1m/s40ns 1.2同步时钟精度要求
目前，中国电信3G和4G基站都是采用GPS信号，5G基站同步是以GPS信号为主，北斗信号为辅。

3GPP中5G基站对于同步时钟精度要求如表2所示。

从表2可见5G网络的载波频率必须在分配频率的50ppb 以内；5G NR（TDD/inter-band CA/）基站间时间差小于3us；5G NR（TDD/intra-band CA/）基站间时间差小于260ns；5G NR MIMO基站间时间要求更加严格，差小于65ns。

1.3某区域电信5G网络搜星数据
某区域电信5G网络现网数据，整理北斗和GPS搜星成功数量，GPS平均搜星数量为9.22个，北斗平均搜星数量为11.93个，可见北斗的搜星数量要多于GPS。

1.45G基站目前同步组网拓扑图
中国电信5G基站使用双模GNSS天线或者多模星卡，可以同时支持北斗和GPS系统，设置优先级为GPS-北斗-1588V2。

时间同步是无线通信系统的基本要求，在时间同步状态下才能进行高吞吐量的数据传送，出现非同步状态将会导致无法进行基站切换、用户掉线、误码增长等情况，影响用户的业务感知。

相比4G系统，5G对时间同步的要求更高。

在5G 系统中广泛使用的MIMO、多点协同（CoMP）、载波聚合（CA）等协同技术，对时间同步有严格的要求；此外5G面向车联网、工业互联网等垂直行业的大量新应用也将产生对时间同步的更高要求。

当前中国电信5G基站的时间同步主要采用直挂
收稿日期：2023-02-08
作者简介：赵智慧（1981-），女，上海人，硕士研究生，工程师，研究方向：5G无线网。

2023年第03期（总第243期
）
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表2题目
radio technology
radio interface specification network interface specification
freq phase3GPP SPEC freq time ITU SOEC
LTE(FDD)
±50ppb(wide
area)±100ppb N/A Frequency.36.104,sect.6.5.1±16ppb N/A G.8261.1
LTE(TDD)±50ppb 10us(>3km cell)
3us(≤3km cell)
Phase:36.133,sect.7.4.2±16ppb±1.1us G.8271.1
LTE-A MBSFN±50ppb5us Phase:36.133,sect.7.25.2±16ppb±1.1us G.8271.1
LTE-A CA±50ppb260ns Phase:36.104,sect.6.5.3.1Carriers always transmitted from same site;no separ-ate network synchronization requirement
5G NR(FDD)±50ppb N/A Frequency.38.104,sect.6.5.1±16ppb N/A G.8261.1
5G NR(TDD)±50ppb3us Phase:36.133,sect.7.4.2±16ppb±1.1us G.8271.1 Synchronous EN-DC±50ppb3us Phase:36.133,sect.7.6.2±16ppb±1.1us G.8271.1
5G NR inter-band CA±50ppb3us Phase:38.104,sect.9.6.3.2±16ppb±1.1us G.8271.1
5G NR intra-band CA±50ppb260ns Phase:38.104,sect.9.6.3.2±16ppb±100ns G.8271.1
5G NR MIMO±50ppb65ns Phase:38.104,sect.9.6.3.2Co-localted antennas assumed;no separate network synchronization requirement
GNSS（全球导航卫星系统）获取时间以及通过承载网的1588
随路时钟授时两种方案。

但无论基站直挂GNSS还是通过承
载网1588授时，参考时钟源都是美国的GPS系统，其安全和
可靠性存在一定隐患。

190
表6
组别基站
名称
时钟
同步
卫星
接收数
主小区
RSRP
主小区
SINR
5G PDCP DL
Throughput
厂商1P1GPS12-66.583818.5144199.33 P2GPS12-67.754911.825972.55
厂商1P1北斗10-66.647619.059881.5 P2北斗5-65.907311.887472.55
厂商2同区局P3GPS12-70.5453 5.9223226.78 P4GPS16-69.39917.7193224.81
厂商2同区局P3北斗12-64.49077.1323220.94 P4北斗0-69.65 5.3515215.63
厂商2异区局P5GPS11---P6GPS10-56.490412.09430.53
厂商2异区局P5北斗16-75.85529.795969158.34 P6北斗16-60.906310.235110.12
厂商3P7GPS7-72.41129.994243.98 P8GPS9-75.231513.986252.54
厂商3P7北斗16-71.98811.0185-P8北斗14-75.641714.8035223.8
2.3.2同厂家异时钟
表7
组别基站
名称
时钟
同步
卫星
接收数
主小区
RSRP
主小区
SINR
5G PDCP DL
Throughput
厂商1P1北斗12-66.9660318.3273781.5 P2GPS12-67.5500812.0868572.55
厂商2同区局P3GPS12-67.38077.45282226.78 P4北斗0-67.512510.81775215.63
厂商2异区局P5GPS11-75.790610.87919-P6北斗16-62.697510.029550.12
厂商3
P7GPS16-71.877410.7065343.98
P8北斗14-78.891111.34654223.8 2.3.3异厂家同时钟
表8
组别基站
名称
主设备
厂家
时钟
同步
卫星
接收数
主小区
RSRP
主小区
SINR
5G PDCP DL
Throughput
异厂家GPS P9厂商2GPS10-84.6574 2.5115675321.19 P10厂商1GPS12-88.9964-1.6172319.28
异厂家北斗P9厂商2北斗15-84.64 1.106329.23 P10厂商1北斗12-91.5275-0.6225328.15
异厂家GPS P11厂商2GPS5-73.4820615.84336-P12厂商1GPS12-78.891111.34654-
异厂家北斗P11厂商2北斗12-75.4917714.59021-P12厂商1北斗12---
异厂家GPS P13厂商2GPS9-70.4511.56276.06 P14厂商3GPS9-69.139.01268.09
异厂家北斗P13厂商2北斗3-71.638.45318.34
P14厂商3北斗13-70.868.56317.16
2.3.4异厂家异时钟
表9
组别
基站
名称
主设备
厂家
时钟
同步
卫星接
收数
主小区
RSRP
主小区
SINR
5GPDCPDL
Throughput
异厂
家异
时钟
P10厂商1GPS15--337.76
P9厂商2北斗12-87.251 1.03216327.92
P12厂商1GPS12---
P11厂商2北斗12-71.759117.67784-
P13厂商2GPS9-69.438710.59538366.1619
P14厂商3北斗13-70.63938.001379279.8549
2.4测试结论
（1）搜星数对比
表10
有效样本点数GPS=北斗GPS＞北斗北斗＞GPS
215511
美国使用了24颗GPS卫星，达到全球98%的覆盖率。

我
国北斗发射了55颗卫星完成全球组网。

定位时，需要三维坐
标和一个钟差，4个未知数。

每一颗卫星构建一个方程，因此
至少需要建立四个方程，观测到越多卫星就会有越多方程，解
算精度就越高。

通过数据比较得出，北斗的搜星数明显多于
GPS的搜星数。

（2）RSRP和SINR值
根据测试情况，GPS和北斗情况下，测试数据差值绝对值
很小，不排除有用户接入接出等行为造成的起伏，因此仅对比
数量差距。

表11
有效样本点数RSRP GPS＞北斗SINR GPS＞北斗
16511
从测试结果来看，使用GPS或北斗对5G基站覆盖几乎
没影响。

（3）切换影响
将GPS和北斗互相切换时候的路测数据，与原GPS/北斗
路测数据对比，结果如下：
表12
有效样本点数RSRP切换比原差SINR切换比原差
945
从测试结果来看，GPS和北斗之间的切换与不切换，对5G
基站覆盖几乎没影响。

3结语
5G基站的时间同步主要采用直挂GNSS（全球导航卫星
系统）获取时间以及通过承载网的1588随路时钟授时两种方
案。

但无论基站直挂GNSS还是通过承载网1588授时，参考
赵智慧：北斗用于5G基站高精度授时的应用探讨
Changjiang Information&Communications
191
192
基于物联网技术的人工智能图像检测系统设计
林立磐
（广东省信息工程有限公司，广东广州523000）
摘要：为解决传统小波能图像检测算法当中存在的图像检测速度慢、精确度差以及分辨率低等问题。

文章以物联网技术
为基础，通过对人工智能的像素特征点采集技术以及图像像素特征等进行研究分析，提出了一种基于物联网技术的人工智能图像检测系统。

并从图像分析模块设计、图像特征采集模块设计以及图像合成模块设计等方面，实现了该图像检测系统设计，经仿真测试结果证明，该图像检测系统的可行性。

关键词：物联网技术；人工智能；特征提取设计；图像检测系统；研究中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：2096-9759（2023）03-0192-03
Design of Artificial Intelligence Image Detection System Based on Internet of Things T echnology
LIN Lipan
(Guangdong Information Engineering Co.,Ltd Guangzhou,Guangdong 523000)
Abstract:In order to solve the problems of slow detection speed,poor accuracy and low resolution in the traditional wavelet energy image detection algorithm.Based on the Internet of Things technology,this paper proposes an artificial intelligence im-age detection system based on the Internet of Things technology by studying and analyzing the pixel feature point acquisition technology and image pixel features of artificial intelligence.And from the image analysis module design,image feature acqui-sition module design and image synthesis module design,the image detection system design,simulation test results prove that the feasibility of the image detection system.
Key words:The Internet of Things;artificial in tellignce;Feature extraction design;Image detection system;study
0引言
现行的传统图像检测系统存在检测精确度、速度慢等问题。

基于此，本文通过结合人工智能技术和物联网技术，提出并设计了一种新的人工智能图像检测系统。

在借助人工智能
像素点特征采集技术（IAPCCT ）[1]
提高了人工智能检测图像的工作效率，并利用特征提取的方法，将图像源的特征进行提取和转化处理后，得到了图像数字信号，并同时将数字信号同步到云端上。

接着，采用物联网技术实现对其数字信号进行分析，最后经过人工智能技术的图像合成功能，实现对图像的处理及其结果进行分析，以此完成了图像检测工作。

通过仿真实验表明，在物联网技术的作用下，人工智能图像检测系统具有更高的检测精准率、高分辨率以及高识别速率等特点，能够充分满足当前图像检测的需要。

1人工智能图像检测过程中物联网技术的应用价值分析
传统图像检测系统设计过程中，主要以小波能量算法为图像检测算法。

但该类型图像检测系统在应用过程中，常会
受其边缘噪声的影响，导致检测得到的图像不仅分辨率较差，同时，其图像检测的精度无法满足当前人工智能图像检测方面对精确度的需求。

而本文以物联网技术为基础，开发设计的人工智能图像检测系统，借助AI 特征点采集技术，通过从图像源中将图像特征点进行提取，并借助技术展开全面分析和处理，将其得到的结果转化成对应的数字信号，并同步传输到云服务器当中。

接着，选择对应的技术，对得到的不同图像数据信息特征，展开研究，利用智能信号图像合成功能，以此实现图像的转换。

这样一来，在物联网技术的作用下，可以有效提高人工智能图像检测的精准识别效率和精确度，促进图像的分辨率得到提高，从而满足图像检测需求[2]。

2基于物联网技术的人工智能图像检测系统设计及
实现研究
为解决并改善传统图像检测系统当中存在的图像检测精准度低、检测分辨率低等问题，本文选择利用物联网技术实现并完成了人工智能图像检测系统设计。

该系统的整体
时钟源都是美国的GPS 系统，其安全和可靠性存在一定隐患。

我国自研的全球导航卫星系统北斗已于2020年正式开通，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠授时服务。

从保障5G 网络安全的角度来看，北斗系统是未来更好的选择。

本论文意图从5G 各类应用对时间精度要求、以北斗系统为参考源的随路时钟精度指标、对比现网以GPS 为参考源的随路时钟精度指标等方面进行研究，验证使用北斗替换GPS 时钟源的技术可行性。

参考文献：
[1]北斗卫星导航系统，/[2]
William C T Lee.无线与蜂窝通信（第3版）WilliamC.T.Lee [M ].3版.北京:清华大学出版社,2008.
[3]DANIEL M Dobkin.无线网络射频工程[M ].北京:Daniel
M.Dobkin 人民邮电出版社,2008.
[4]鲁郁.北斗/GPS 双模软件接收机原理与实现技术[M ].电
子工业出版社,2016.
[5]张睿.无线通信仪表与测试应用[M ].人民邮电出版社
,2018.
收稿日期：2022-11-17
作者简介：林立磐（1980-），男，广东潮州人，本科，工程师，研究方向:物联网、区块链、人工智能。

2023年第03期（总第243期
）。