思博伦环形标志
定位

多径GNSS信号对4G和5G网络中的授时接收机形成威胁

作者:

pnt-blog-10-28-2020 Multipath GNSS signals are a threat to timing receivers in 4G and 5G networks

蜂窝网络依靠GNSS授时接收机实现精确的时间同步。我们的试验表明,多径信号会对安装于人口稠密的城市区域的授时接收器造成严重威胁,而这也是此博客探讨的话题。

蜂窝网络依靠GNSS授时接收机实现精确的时间同步。我们的试验表明,多径信号会对安装于人口稠密的城市区域的授时接收器造成严重威胁。

备注:此博客是一篇白皮书概要,白皮书我将与Calnex一起于 ITSF 2020 - 2020年11月4日星期三16:40 GMT展示。

授时是现代电信网络的具有挑战性的环节。为使电话和数据信号能够通过网络流畅传输,蜂窝网络内的各个基站(BS)必须高度同步。这意味着,必须存在一个公用可靠的基准时间源可以使任意一个蜂窝单元与之同步。

在大多数蜂窝网络中,基准时间源是由GPS和其他全球卫星导航系统(GNSS)传播的时间信号。而该信号由网络内主要基准时钟(PRTC)中的GNSS接收机获取并生成1PPS时间信号。1PPS时间信号信号将作为网络中其他所有时钟实现时间、相位和频率同步的基准信号。

由于附属时钟往往会在几个小时内出现同步偏离,因此为了防止出现此问题,PRTC必须不断地重新获取GNSS时间并通过网络对其重新分配。

GNSS时间未必始终可靠

虽然各个架构可能存在差异,但这是蜂窝网络中实现时间同步的基本途径,并且效果通常很好。实际上它依赖于一个关键性的假设:GNSS生成的时间准确、可靠。但事实上该假设不一定始终成立。

导致GNSS时间信号并非始终准确的因素有很多,包括从无线电频率(RF)干扰到卫星系统本身偶尔出现的错误。此ITU技术报告中第10-13页上对这些因素 进行了很好的总结,但在此博客中我只讨论其中一个因素:GNSS信号的多径分裂。

多径对GNSS信号接收构成了威胁

当GNSS信号在传递至接收器天线的路径上遇到障碍时,就会引发多径效应。高楼、树木、车辆、甚至地面都可能使信号反射或衍射,致使信号通过不同的路径到达天线。

到达时间​不同会导致接收机的GNSS输入信号测量值出现偏差,如果忽略其影响,将导致接收器输出的1PPS时间信号不准确,抖动增加,由此降低网络授时性能。

(有关多径的详细信息,请阅读我们的电子书:了解多径和障碍物:如何模拟GNSS信号在城市环境中的传播情况)

由于5G网络的普及需要更多的基站进行更紧密的同步,因而对于GNSS芯片组开发人员,以及PRTC开发人员和用户而言,了解和降低多径对定时和同步精度的影响至关重要。

引述

为了帮助授时接收器开发人员和用户评估多径风险,思博伦及其合作伙伴Calnex特别开发了一套完整的模拟测试平台用于评估多径对专用授时接收机的影响。

多径效应与位置相关并且难以测定

测定多径对PRTC的影响极具挑战性,原因是测定结果很大程度上取决于PRTC天线安装的位置。如果天线安装在没有遮挡的开阔区域,那么遇到的问题会很少(如果有的话)。但如果天线安装在高楼林立、人口密集的市区,则很可能引发多径效应。

多径反射确切的性质取决于天线所在环境中的障碍物,因而难以概括。在物理位置进行现场测试也很困难,原因是该测试需要可靠的GNSS时间源作为控制基准,但实际上如果存在多径效应则不可能获得可靠的GNSS时间源。

解决方案是在实验室中使用真实的地理位置模型模拟多径效应,其间需要利用射频星座模拟器(RFCS)生成逼真的GNSS信号,同时利用环境建模软件对三维环境建模,此外还需要利用射线追踪软件对真实多径效应建模。如果采用此方案,则可以在有多径效应和无多径效应下对接收机进行测试,并且可以使用不同的变量进行可靠地重复测试。

用于评估多径效应的完整测试平台

为了帮助授时接收器开发人员和用户评估多径风险,思博伦及其合作伙伴Calnex特别开发了一套完整的模拟测试平台用于评估多径对专用授时接收机的影响。

涉及的装置包括我们的思博伦GSS7000多星座、多频率射频信号模拟器,我们的 ​用于多径模拟的Sim3D环境建模和射线追踪软件 ,以及用于监测输出1PPS和PTP信号准确性的Calnex Paragon-X授时监视器。

pnt-blog-1 Testbed setup for 1PPS and PTP outputs from the timing receiver device under test (DUT)

Testbed setup for 1PPS and PTP outputs from the timing receiver device under test (DUT)

我们利用此套装置测试了三种用于时间同步应用的商用接收机。我们的测试目的是了解多径效应降低1PPS输出精度的程度,以及导致不满足 ​蜂窝网络中PRTC-A基准时钟 ​ITU G.8272授时精度标准的风险(UTC任一侧+/- 100ns)。

我们测试的装置包括单频和多频多GNSS接收器以及高灵活性IEEE 1588 PRTC。我们首先在在无多径信号的虚拟空旷环境下测试每台接收机,然后分别在三个有真实模拟多径信号的城市区域 - 旧金山市中心、曼哈顿和上海,测试每台接收机。每个测试持续24小时以上。

pnt-blog-2 Simulation of line of sight (white), reflected (red) and diffracted (blue) signals, San Francisco location

Simulation of line of sight (white), reflected (red) and diffracted (blue) signals, San Francisco location

发现的重大漏洞

测试结果显示三个接收器均存在多径漏洞。在无任何遮挡的环境下进行测试时,三次执行的DUT全部在PRTC-A限值内。但在人口密集的城市环境中测试时,DUT在1 PPS和PTP测量中出现了明显的性能退化,并且完全超出ITU G.8272标准中定义的PRTC-A限值。

Timing accuracy in clear-sky conditions: timing outputs remain well within the 100ns performance threshold

Timing accuracy in clear-sky conditions: timing outputs remain well within the 100ns performance threshold

Timing accuracy in multipath conditions: significant deviations exceed ITU-defined tolerances

Timing accuracy in multipath conditions: significant deviations exceed ITU-defined tolerances

结论

我们的测试清楚地表明,在无任何遮挡的条件下符合授时精度标准的授时接收机,在安装于多径效应明显的区域内时会出现明显的性能退化。

因此,我们建议基于GNSS的授时接收机制造商、集成商和购买者应测试每个接收机在有多径效应的情况下的性能,并采取措施缓解负面影响。

(关于缓解多径效应的方法,请阅读关于 NTT Furuno如何为其授时模块开发多径效应缓解算法的 案例研究 - 已经过思博伦Sim3D测试。)

思博伦Sim3D软件标志着模拟真实世界和真实地理3D位置多径效应领域迎来了重大进步。上文所述试验台可供我们的客户在英国实验室使用。请 联系我们 了解详情。

如有疑问? 联系我们

如果您有任何关于评估多径对GNSS授时接收机影响的问题,或者希望深入了解思博伦的专业能力,联系我们.

Like our content?

Subscribe to our blogs here.

Blog Newsletter Subscription

标签定位
Eleftherios Drosinos
Eleftherios Drosinos

Professional Services Engineer

Eleftherios is a professional services engineer in Spirent’s positioning technology team in Paignton, UK, and has been helping to deliver fast, expert and cost-effective solutions to customers for three years. With a bachelor’s degree in Telecommunications from the University of Peloponnese in Greece, and a Master’s in Wireless Photonics and Space Engineering from Chalmers University in Sweden, Eleftherios brings a broad range of knowledge, experience and enthusiasm to projects across the industry. As well as broadening his horizons reading about space, Eleftherios’ interests are centred around politics and sports – particularly sailing, climbing and cycling.

相关文章