一种授时同步装置、系统及方法 【技术领域】
本发明涉及移动通信系统的基站同步技术，具体涉及一种码分多址(CDMA)系统的授时同步装置、系统及方法。
背景技术
目前CDMA移动通信系统中基站的同步是利用来自全球定位系统(GPS)卫星或全球导航卫星系统(GLONASS)卫星信号来实现的，图1示出了目前的CDMA基站授时同步系统的组成。如图1所示，目前CDMA基站授时同步系统主要由卫星天线、射频馈线以及位于基站内的卫星接收器和时钟恢复单元等四个部分组成。图2示出了目前的CDMA基站授时同步系统的工作原理。如图2所示，卫星天线接收来自同步卫星的卫星信号，然后将接收到的信号经过射频馈线发送到卫星接收器，卫星接收器解调卫星信号中的标准秒信号，也就是卫星同步信号。卫星接收器输出的卫星同步信号具有很好的长期稳定性，但短期稳定度不是很好，所以卫星同步信号还必须通过时钟恢复单元来恢复，得到长期稳定性和短期稳定性俱佳地基站时钟信号，这个过程是在时钟恢复单元中完成的。时钟恢复单元利用接收的卫星同步信号产生基站时钟信号，并以此同步基站内部的高精度时钟。
因为要求卫星天线能够同时接收多颗卫星的信息，因此卫星天线必须安装在开阔的地方。在目前这种基站授时同步系统中，卫星天线到卫星接收器之间的连接采用的是射频馈线，射频馈线不但昂贵，并且长度不能太大，这就对基站的选址要求很高，因而限制了基站在室内、地铁、隧道等环境中的应用。
由于现有的CDMA基站系统的时间都采用的是在基站内部恢复时钟的方法，这样就要求每个基站都要有一套高精度的时钟系统，而基站时钟恢复单元中需要高精度的恒温晶振等昂贵器件，这样使基站的成本很高。特别是在用多个微基站进行室内覆盖的时候，这种成本的高昂更加明显。而现有技术中，每个基站都需要一套授时同步系统，也就是每个基站都包括一套卫星天线、卫星接收器和时钟恢复单元。这样使基站成本问题更加突出，并因此制约了整个CDMA系统容量的扩展。
同时，由于卫星接收器集成在基站内部，这样如果需要更改同步源将会非常困难。而且，除了卫星接收器之外，基站内部还集成了时钟恢复单元，使基站的体积大，不利于开发诸如微基站之类的小基站，同时也不利于基站的建设和维护。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种可以同时对多个基站进行集中授时的集中授时装置。
本发明的另一个目的是提供一种布置灵活、成本低、方便建设和维护的CDMA基站集中授时同步系统。
本发明的还有一个目的是提供一种基于上述授时同步系统的授时同步方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以解决的：
一种应用于CDMA通信系统的用于向基站发送时钟同步信号的集中授时装置，包括具有连接到卫星天线的端口的核心卡、具有大于等于1个的连接到基站的端口的接口卡和用于给装置供电的电源单元，其中核心卡用于接收来自卫星天线的卫星信号，解调标准秒信号并进行锁相，然后向接口卡输出至少包含标准时钟信号的信号；接口卡用于接收并编码复用来自核心卡的至少包含标准时钟信号的信号，复制编码复用信号并驱动输出到大于等于1个的连接到基站的端口。
在上述集中授时装置中，核心卡可以进一步包括卫星接收器、微处理单元和时钟恢复单元，其中卫星接收器用于接收来自卫星天线的卫星信号，并分别向时钟恢复单元和微处理单元输出标准秒信号和其它卫星信号，时钟恢复单元用于恢复标准秒信号，并向接口卡输出标准时钟信号，微处理单元用于向接口卡发送其它卫星信号，并向卫星接收器和时钟恢复单元分别发送用于控制硬件设置和信息处理的控制信息。
在上述集中授时装置中，接口卡可以进一步包括信号复用分配单元和信号驱动单元，其中信号复用分配单元用于接收来自核心卡的标准时钟信号和其它卫星信号，并进行编码和复用，然后复制大于等于1路的编码复用信号并发送到信号驱动单元；信号驱动单元用于驱动大于等于1路的编码复用信号，并将其分别发送到大于等于1个的连接到基站的端口。
在上述集中授时装置中，电源单元可以进一步包括蓄电池单元和交流/直流电源转换单元，并且接口卡可以进一步包括用于控制蓄电池单元充电或放电的蓄电池充放电管理单元，当交流/直流电源转换单元不向集中授时装置供电时，蓄电池充放电管理单元控制蓄电池单元向集中授时装置供电。
一种应用于CDMA通信系统的基站授时同步系统，包括用于接收同步卫星信号的卫星天线，并进一步包括一个集中授时装置，以及大于等于1个的用于从来自集中授时装置的编码复用信号中提取标准时钟信号的基站时钟信号提取单元，其中卫星天线和集中授时装置通过射频馈线连接，大于等于1个的基站时钟信号提取单元通过串行信号传输线连接到集中授时装置。
在上述基站授时同步系统中，基站时钟信号提取单元进一步包括用于转换编码复用信号电平的电平转换单元，以及用于分离编码复用信号的数据分离复用单元。基站时钟信号提取单元可以位于基站内部，并和基站时钟恢复单元集成在一起。
在上述基站授时同步系统中，基站时钟信号提取单元可以进一步包括用于将接收的信号进行级连驱动并发送到下一级基站的级连驱动单元。级连驱动单元进一步包括波形恢复单元和下级驱动单元，波形恢复单元用于恢复经电平转换单元转换电平的信号波形以减小波形畸变，下级驱动单元用于驱动并输出波形恢复单元输出的信号。
在上述基站授时同步系统中，基站时钟信号提取单元可以进一步包括用于补偿接收的标准时钟信号在传输过程中产生的时延的时延补偿装置。时延补偿装置可以进一步包括时延测量单元和时延补偿逻辑单元，时延测量单元用于测量标准时钟信号的时延值，时延补偿逻辑单元用于根据时延测量单元得到的时延值对标准时钟信号进行时延补偿。
在上述基站授时同步系统中，大于等于1个的基站时钟信号提取单元经过星形、树形或链形组网连接到集中授时装置。
一种基于上述基站授时同步系统进行授时同步的方法，包括如下步骤：
a.卫星天线将接收到的卫星信号发送到集中授时装置；
b.集中授时装置解调卫星信号中的标准秒信号，对标准秒信号进行锁相处理得到标准时钟信号，将标准时钟信号和其它卫星信号进行编码复用，复制并驱动编码复用信号，然后发送到大于等于1个的基站时钟信号提取单元；
c.基站时钟信号提取单元接收到编码复用信号后经过电平转换和数据分离复用分离出时钟信号，并使用该时钟信号进行基站同步。
在上述授时同步方法中，对于基站时钟信号提取单元通过树形或链性组网连接到集中授时装置的情况，该方法进一步包括：连接集中授时器和该基站时钟信号提取单元的中间基站时钟信号提取单元传递编码复用信号。这种传递可以是直接向下一级传递，也可以使用波形恢复单元对电平转换之后的信号的波形进行恢复，驱动经过波形恢复的信号，然后发送到下一级基站时钟信号提取单元。
在上述授时同步方法中，在步骤b中对标准时钟信号、下行卫星数据信号和上行控制数据信号进行编码复用，在形成的编码复用信号中标准时钟信号和下行卫星数据信号以及上行控制数据信号之间分别设置一段没有数据的保护带。
在上述授时同步方法中，在步骤c中经过数据分离复用分理出时钟信号之后，进一步包括对时钟信号进行时延补偿的步骤。它可以包括如下步骤：
c1.时延测量单元向集中授时装置发送一个测量请求，集中授时装置接收到该测量请求之后进入测试状态；
c2.时延测量单元向集中授时装置发送一个测量脉冲信号，集中授时装置接收到测量脉冲后立即向时延测量单元返回一个相同脉冲宽度的脉冲信号；
c3.通过时延测量单元发出测量脉冲信号和接收脉冲信号之间的时间差，以及集中授时装置接收测量脉冲信号和发出脉冲信号之间的时间差，确定信号时延值；
c4.时延补偿单元根据步骤c3确定的时延值对时钟信号进行时延补偿。
在上述授时同步方法中，通过将信号的当前电平转换为适于远距离传输的RS485电平实现对信号进行驱动。
通过本发明的技术方案可以看出，本发明将CDMA基站中的时钟恢复单元和卫星接收器从基站中独立出来，并结合接口卡制成一个独立的能同时对多个基站进行授时的集中授时装置。它能够通过长距离传输的信号给多个基站授时，从而消除了基站必须靠近卫星天线的限制，给基站的选址提供了极大的便利，从而可以灵活地将基站安装在地铁、隧道和室内，有利于进一步提高CDMA系统的服务质量。
本发明中多个基站共用一个授时同步系统，也就是共用一套卫星天线和集中授时装置，从而避免了现有技术中每一个基站中都必须包括一套授时同步系统所带来的成本的高昂，极大地降低了基站的建设成本。
同时，由于基站不用在内部集成时钟恢复单元、卫星接收器等部件，使基站的体积得以减小，从而可以将基站设计得更小巧和美观，并适于安装在室内的狭小空闲内。并且，由于卫星接收器独立于基站，要更改卫星天线接收的卫星源设置相对更加方便，更有利于系统的建设和维护。
【附图说明】
图1是现有CDMA基站授时同步系统的组成框图；
图2是现有CDMA基站授时同步系统的工作原理示意图；
图3是本发明集中授时同步系统结构示意图；
图4是本发明集中授时同步系统的集中授时器的结构示意图；
图5是本发明集中授时器的组成框图；
图6是本发明集中授时器的接口卡的工作原理示意图；
图7是本发明集中授时同步方法流程图；
图8是本发明级连驱动和时延补偿原理示意图；
图9是本发明测量时延的流程图；
图10A是确定时延过程中无时延信号示意图；
图10B是确定时延过程中实际得到信号的示意图；
图10C是确定时延过程中基站发出信号和接收信号示意图；
图10D是确定时延过程中集中授时器发出信号和接收信号示意图；
图11A是时延补偿过程中没有时延时的信号示意图；
图11B是时延补偿过程中有时延的信号示意图；
图11C是时延补偿过程中系统时钟确定时延的示意图；
图11D是时延补偿过程中经过时延补偿后恢复的PP2S信号的示意图；
图12A是集中授时器信号复用分配单元接收的下行卫星信号格式示意图；
图12B是集中授时器信号复用分配单元接收的上行控制信号格式示意图；
图12C是集中授时器信号复用分配单元接收的PP2S信号格式示意图；
图12D是集中授时器信号复用分配单元复用信号后的输出格式示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图3示出了本发明CDMA集中授时同步系统的结构示意图。如图3所示，本发明的CDMA集中授时同步系统包括一个卫星天线、一个集成了卫星接收器和时钟恢复单元的集中授时器以及多个基站。其中卫星天线和集中授时器的卫星接收器之间通过射频馈线连接，一个集中授时器可以对多个基站进行授时同步，这些基站和集中授时同步器之间以及基站和基站之间通过诸如双绞线的通信传输线连接并采用RS485信号进行信号传输。
在本发明中，卫星天线用于接收同步卫星的卫星信号，并经射频馈线发送到集中授时器，集中授时器完成接收来自卫星天线的卫星信号、进行时钟恢复和信号的复用驱动等功能，然后将产生的基站时钟信号输出到基站。在本发明中为了在基站之间更好地传递标准时钟信号，在基站内部增加了和现有的时钟恢复单元集成在一起的电平转换单元、数据分离复用单元、波形恢复单元、下级驱动单元、时延测量单元和时延补偿逻辑单元，在图8中可以更清楚地看到它们之间的连接关系。其中电平转换单元和数据分离复用单元合称为时钟信号提取单元，电平转换单元用于将接收到的上级信号的电平由RS485电平转换为基站内部使用的晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平，数据分离复用单元用于分离复用信号中的各个信号成分。波形恢复单元用于恢复接收信号的波形，以减少传输过程中的波形畸变。下级驱动单元用于将信号的TTL电平转换会适于远距离传输的RS485电平，并将信号传输到下一级基站。时延测量单元用于测量和确定信号在传输过程中产生的时延。时延补偿逻辑单元用于根据时延测量单元确定的时延值补偿对信号进行补偿。
基站到集中授时同步器的连接方式可以有多种形式，例如图3中的基站1、基站2和基站3采用的是星形关系，也就是直接和集中授时器连接；基站4和基站5采用的是树形关系，也就是共同通过基站1连接到集中授时器；基站6采用的则是链形关系，也就是单独通过基站3连接到集中授时器。在这些连接关系中，星形连接不需要经过中间基站的信号传递，因此时钟精度最高，可靠性最好，在可能的情况下，应该优选星形连接。但在实际情况中，集中授时器输出线路的数量不可能无限大，在不能采用星形连接的情况下则可以选用树形或链形连接。在本实施例中，集中授时器可以同时输出8路信号，也就是可以同时和8个基站进行星形连接；每个基站可以同时输出2路信号，也就是每个基站可以同时连接到两个下一级基站。
图4示出了本发明的集中授时器的组成。从图4中可以看出，本发明的集中授时器由一个核心卡、一个接口卡、两个交流/直流(AC/DC)电源模块和一个蓄电池组成。图5示出了核心卡的内部结构和连接关系。从图5可以看出，核心卡进一步包括卫星接收器、时钟恢复单元和微处理系统(MPU)三个部分。卫星接收器用于接收来自卫星天线的卫星信号，并输出1秒标准信号(1PPS)和时间、纬度等控制信息；时钟恢复单元用于根据接收的卫星信号进行时钟恢复，MPU主要用于对卫星信息和1PPS信号进行软件锁相，并输出到接口卡。时钟恢复单元的构成及工作原理和现有技术相同，主要包括鉴相(PD)逻辑、数字/模拟(D/A)转换单元和压控恒温晶振(OCVCXO)等部分。
接口卡是本发明的重点，它主要用于完成授时信号的分配和驱动，使多个基站可以共用一套卫星接收器和时钟恢复单元，从而方便了基站的布置，并节省了大量的基站建设成本。图6示出了接口卡的内部构造和连接关系。接口卡包括一个信号复用分配单元、一个信号驱动单元和一个蓄电池充放电管理单元。其中，信号复用分配单元用于接收来自时钟恢复单元的2秒标准信号(PP2S)和来自MPU的卫星信息，并将它们结合在一起形成输出信号，根据连接基站的端口数量复制相应数量的输出信号，在本发明中是8路信号，然后将这些输出信号发送到信号驱动单元。在实际情况中，信号复用分配单元由一个MPU和一个逻辑单元组成，MPU用于接收来自核心卡MPU的卫星信号，逻辑单元用于接收来自核心卡时钟恢复单元的PP2S信号，接口卡的MPU读取卫星信号后将其发送给逻辑单元，逻辑单元对两路信号进行复用，然后发送到信号驱动单元。信号驱动单元用于将信号内部的TTL电平转换为适合于远距离传输的RS485电平，然后将输出信号发送到与之直接连接的各个基站。
在本发明的集中授时器中，可以通过蓄电池给装置供电，因此在接口卡中还设置了一个用于对蓄电池进行管理的蓄电池充放电管理单元。另外，在集中授时器中还包括两个AC/DC变换装置，用于将交流电变为直流电以给装置供电，这里两个AC/DC变换装置互为热备份。在实际情况中，当没有电源供电时蓄电池充放电管理单元控制蓄电池放电，从而保证整个装置不会因为断电而出现故障，极大地提高了装置的可靠性。
上面说明了本发明系统的组成以及工作原理，下面结合图7具体说明使用本发明的系统对多个基站进行集中授时同步的方法。
在步骤701，卫星天线接收来自卫星的卫星信号，然后通过射频馈线传送到集中授时器的卫星接收器。
在步骤702，卫星接收器接收来自卫星天线的卫星信号，向核心卡的时钟恢复单元发送标准的1PPS，并向核心卡MPU发送诸如位置、纬度等的卫星信息。
在步骤703，时钟恢复系统对1PPS信号进行锁相处理，向接口卡中的逻辑单元输出标准和稳定的PP2S信号。
在步骤704，接口卡的逻辑单元将PP2S信号和来自核心卡MPU的卫星信息进行编码复用，并复制为8路信息，输出到信号驱动单元。具体的信号编码复用格式将在后面详细说明。
在步骤705，信号驱动单元将信号内部的TTL电平转换为RS485电平，然后发送到基站。
在步骤706，基站接收来自集中授时器的PP2S信号，对该信号进行时延补偿和级连驱动，将经过时延补偿的时钟信号用于基站自己的同步，将经过级连驱动的时钟信号发送到下一级基站，供下一级基站进行同步。具体的时延补偿和级连驱动的原理及过程将在稍后进行详细说明。
如果下一级基站还连接到再下一级基站，则下一级基站按照步骤706相同的方法对接收自上一级基站的信号进行时延补偿和级连驱动。在组网连接到同一个集中授时器的所有基站中将进行相同的时延补偿和级连驱动。
在上述方法中，基站对于接收到的PP2S信号也可以不经过级连驱动，而是直接将该PP2S信号传递到下一级基站，这种处理比较简单，但是由于没有经过级连驱动，信号的传递路程有限，不适用于两个基站距离较远的情况。在实际情况中，一个基站可以通过两路信号同时分别给两个下一级基站传递PP2S信号，这两路信号可以都经过时延补偿，也可以都不经过时延补偿，也可以一路经过时延补偿，而另一路不经过时延补偿。这可以在具体应用中根据实际情况而定。因此在图3中可以看到，基站1传输给基站4的信号是经过级连驱动的，而基站1传输给基站5的信号则是没有经过级连驱动的。
下面说明基站进行时延补偿和级连驱动的过程。如图8所示，基站在接收到来自集中授时器或者上一级基站的上级信号后，经过电平转换单元将信号用于传输的RS485电平转换为用于基站内部使用的TTL电平，然后经过波形恢复单元对信号进行恢复，以消除信号畸变，之后下级驱动单元对信号进行驱动，也就是将信号的TTL电平再次转换为适于远距离传输的RS485电平。这个过程就是对信号进行级连驱动，以将时钟信号传递到下一级基站。
在上级信号经过电平转换单元的处理之后，数据分离复用单元分离信号中的PP2S信号、控制信号和卫星信号。对其中的PP2S信号由时延测量单元测量其在传输过程中产生的时延，具体的测量过程将在稍后介绍。在测量了时延之后，时延补偿逻辑单元根据测量和计算的时延值对信号进行时延补偿，这个过程也在稍后介绍。然后PP2S信号以及PP2S信号经过时钟恢复单元得到的10M信号用于基站内部的同步。
通过上面的说明可以看出，在本发明中，时延补偿过程分为两个步骤，首先由时延测量单元确定PP2S信号在传输过程中形成的时延，然后根据确定的时延值由时延补偿逻辑单元对实际接收的PP2S信号进行时延补偿。
图9和图10示出了确定时延的过程。图10A和图10B显示了实际得到的信号和无时延信号相比的时延。
如图9所示，在步骤901，当一个新的基站接入到系统中后，在收到集中授时器的广播时钟后，向集中授时器发送请求时延测量消息。
在步骤902，集中授时器收到请求后向基站返回一个收到请求消息，进入测试状态，同时停止广播系统消息，所有的基站也禁止发送消息。
在步骤903，集中授时器向基站发送一个同意测量信息。
在步骤904，基站向集中授时器发送一个特定的测量脉冲，如图10C所示。
在步骤905，集中授时器接收到这个脉冲之后，立即向基站返回一个同样宽度的测量脉冲，如图10D所示。
在步骤906，基站收到脉冲后向集中授时器发送一个测量结束消息，至此完成测量过程。
然后基站经过软件处理即可得到时延，具体的计算方法是用基站发出信号和基站接收信号之间的时间差T1，减去集中授时器接收到的信号和发出信号之间的时间差T，然后将T1减去T的值再除以2，即可得到基站PP2S信号的时延。
在确定了时延之后，将这个时延补偿到PP2S信号上，即可基本恢复为没有时延的信号，这个过程如图11所示。图11A和图11B分别示出了没有时延和有时延的信号，在图11C中，在系统时钟的基础上根据测量得到的时延来记数，然后在图11D所示的步骤中在有时延的信号基础上补充时延，得到虚线所示的恢复的PP2S信号。虽然恢复的PP2S信号和没有时延的信号相比不可避免地存在误差，但是这个误差完全可以控制在系统可以接受的范围内。
下面说明步骤704中提到的信号编码复用格式，也就是在集中授时器和基站之间，以及基站和基站之间传输的信号格式。图12示出了信号编码复用的示意图。图12A所示是下行卫星数据信号，图12B所示是上行控制数据信号，图12C所示是PP2S信号，对于这三种信号进行编码复用，得到的信号格式如图12D所示。由于在信号复用分配单元中是以PP2S信号为参考来复用信号的，复用的原则是不破坏PP2S信号的周期和相位，因此在信号格式中PP2S和有效数据的两端之间分别有一个数据为空的保护带，其中有效数据是由下行卫星数据信号和上行控制数据信号组成的。
上述只是通过一个具体实施方式对本发明的系统和方法进行了说明。可以理解，上述说明只用于对本发明进行展示，而不是用于限制。