基于GNSS 鄰域相似性的5G 基站納秒級時間同步技術研究

劉文學，陳詩軍，葛建，袁洪，龔翠玲

（1.中國科學院光電研究院，北京 100094；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100049；3.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055）

1 引言

隨著移動通信業務的迅速增長，無線網絡升級演進速度逐步加快。無線網絡升級到5G 階段，不僅網絡結構發生變化，而且對于基站間的時間同步精度要求也進一步提高[1]。4G 階段基站采用全球衛星導航系統（GNSS,global navigation satellite system）實現基站百納秒量級授時設備授時精度，基站空口時間誤差控制在1.5 μs 以內，滿足移動通信系統長期演進（LTE,long term evolution）系統的時間同步基本需求。5G 階段的高精度定位技術、多點協作（CoMP,coordinated multiple point）、載波聚合（CA,carrier aggregation）等增量功能和關鍵技術[2-5]則對基站時間同步提出了更高的要求，其中移動通信系統LTE-A/5G 階段的基站間同步需求甚至高達納秒量級。因此，5G 中基站的高精度時間同步對于5G 網絡效能的充分發揮具有重要意義。

當前主流基站授時/時間同步設備包括基于GNSS 的授時技術和基于IEEE 1588 的精確時間協議（PTP,precision time protocol）技術。目前基于GNSS 的授時技術通過GNSS 信號實現接收機的高精度定時，其接收機定時精度在百納秒量級；基于IEEE1588 的精確時間協議技術將主參考時鐘通過1588 光纖網絡實現高精度的時間傳遞，通過有限跳數保持站點間時間同步，其每跳的時間同步精度損失在3～5 ns。2 種技術相互結合能滿足移動通信分時長期演進（TD-LTE,time division long term evolution）基站的基本時間同步需求，但是對于5G中諸如基于基站的高精度定位、CA、CoMP 等應用和技術需求的更高精度時間同步需求而言，現有的時間同步技術與設備的精度還存在較大的提升空間。以5G 技術中規定的用戶基于基站的定位技術為例[5-7]，實現亞米級的定位誤差需要的基站時間同步精度至少應該達到3 ns 量級，如果考慮定位幾何精度因子等因素，還期望進一步提高時間同步精度。另外，LTE-A/5G 階段某些增量功能的啟用對基站授時設備的時間同步的需求已達到納秒量級[8]。

目前的納秒量級高精度時間同步技術因為成本、技術難度、技術成熟度等原因還未滿足LTE-A/5G 階段高精度時間同步的要求[8-11]，因此尚未全面推廣。目前納秒級高精度時間同步方法的研究主要包括基于本地高穩原子鐘的時鐘馴服技術[12-13]、基于GNSS 實時動態差分技術（RTK,real-time kinematic）[14]的技術、基于GNSS 精密單點定位（PPP,precise point positioning）的技術[15-17]、基于微波的往返時間（RTT,round-trip time）技術[18]、基于光纖增強的技術[19-20]，這些方法在一定程度上可以滿足區域基站的高精度時間同步需求，但都存在不同程度的缺點?；诒镜卦隅姷鸟Z服技術將原子鐘的長穩特性和GNSS 接收機授時的時間長期準確性結合，通過時鐘馴服技術提高授時精度，其技術要求終端采用價格昂貴的高穩原子鐘且需長時間觀測，實現成本較高且應用實時性受限。基于GNSS RTK 的技術采用載波差分GNSS 將區域所有站點的時間同步到參考站時間上，實現各站的高精度時間同步，但由于各參考站的本身時間之間存在不確定偏差，因此在不同參考站邊界存在邊界峭壁效應（即邊界用戶存在時間跳變），且該技術條件下的時間同步網絡只能是有中心節點形態（參考站即為網絡中心節點），網絡穩健性和抗毀性較弱?；贕NSS PPP 的技術在理論上可以實現全球任意站點納秒級高精度的時間同步，但是其技術的實現要求各站采用同一套PPP 模型的外部數據輔助實現，外部輔助數據的獲取需要依賴全球幾百個參考站的連續高質量觀測數據維持，因此該技術對基礎設施依賴較大，其服務連續性、自主性和安全性不受控。基于微波RTT 技術采用雙向單程/雙程時間比對來實現站間高精度時間同步，該技術實現需要額外占用5G 寶貴的頻率資源，另外隨著節點的增加其時間同步誤差存在積累問題，相關技術目前還在進一步研究中?；诠饫w增強的高精度時間同步方法通過閉環技術實現網間時間同步誤差跳變的修正和較大區域的納秒級高精度時間同步，其技術需要布設光纖，對基礎設施依賴較強，系統成本較高，在很多不具備光纖網絡設施的場景無法應用?？梢姡壳暗募{秒量級高精度時間同步技術在滿足5G 基站高精度時間同步需求上還存在相關問題，有待進一步研究和解決。

本文針對5G 基站高精度時間同步需求，提出了一種基于GNSS 鄰域相似性的納秒級高精度時間同步理論與技術，在保證全網一定授時精度（百納秒）的傳統授時基礎上，提升地理鄰近區域站點間的時間同步精度，進一步實現任意20 km 地理區域內各站點之間納秒級高精度時間同步。相比現有通過提高站點絕對授時精度從而實現時間同步的方法，所提方法具有高精度、時間同步網絡無中心點、低成本和低基礎設施依賴特點，可以滿足5G 基站高精度時間同步需求。本文主要貢獻如下。

1)分析5G 基站高精度時間同步需求，提出基于GNSS 信號的鄰域相似性的納秒級高精度時間同步理論。

2)設計納秒級GNSS 高精度時間同步基站中定時模式、多星聯合信號處理算法。

3)研究方法在區域（20 km 區域以內）和全域（廣域）地理范圍內的時間同步特點分析。

2 5G 基站高精度時間同步需求特點

目前，移動通信時間同步分層網絡架構如圖1所示。移動通信基站時間同步技術目前主要依靠GNSS 授時接收機完成基站間的授時[21-22]，基于IEEE1588 的電纜或光纖部分作為延伸手段，通過有線方式完成室內或地下部分時間的配送。GNSS 授時接收機通過授時解算，完成50～100 ns 精度的全網時間溯源。IEEE1588 以GNSS 授時接收機的輸出作為時間頻率源來完成相關網段內的時間頻率配送，共同完成移動通信網絡的時間同步。目前在該時間同步方式下，基站間時間同步精度在百納秒量級，基站空口時間同步精度在1.5 μs 內，滿足4G/5G 基本的通信需求。

圖1 移動通信時間同步的分層網絡結構

區別于目前移動通信網絡，5G 作為面向智慧城市、車聯網、物聯網等多樣化服務的信息網絡，相關增量業務對站間時間同步精度提出更高的需求。5G 中相關技術對于基站間時間同步技術的需求有其具體特點：在5G 基站的高精度位置服務應用中，要求參與定位解算的鄰近基站間時間同步精度達到納秒級即可，而對于地理非鄰近基站間的時間同步要求則可擴大至百納秒；CoMP、CA 技術也針對參與相關處理的鄰近基站時間同步精度提出納秒級高精度要求，而對于地理間隔較遠的非協作節點基站間的時間同步精度要求則可擴大至百納秒。因此，5G 相關高精度時間同步要求可以概括為“地理鄰近基站間時間同步精度納秒級，全網時間授時精度百納秒”的具體特點。

由以上分析可知，目前移動通信基站間的時間同步精度不能夠滿足5G 相關新的業務應用對基站間高精度時間同步的需求，主要瓶頸是基于GNSS的授時設備無法實現納秒級的區域高精度時間同步，基站GNSS 定時精度與5G 相關需求差異較大，限制5G 網絡相關增量應用的啟用。

3 基于GNSS 的5G 納秒級區域時間同步技術

3.1 GNSS 鄰域相似性與區域高精度時間同步

GNSS 鄰域相似特性描述在任意地理鄰近區域內，各接收機接收到的任意GNSS 單星信號誤差具有相似特性，測距誤差具有高度一致性特點。差分GNSS 技術基于此來改善GNSS 接收機定位精度性能，以位置高精度為約束，通過設置已知絕對高精度位置的基準站，使基準站地理鄰近用戶（一般距離基準站20 km 范圍內）獲取絕對高精度位置信息。如果以時間高精度為約束，考察建立GNSS 誤差鄰域相似特性與區域高精度時間同步的關系，則可能基于此相似性，實現站點的授時誤差與站點距離建立強相關性，從而利用GNSS 信號實現區域站點間高精度的相對時間同步。

GNSS 主要誤差包含衛星星鐘誤差、衛星星歷軌道誤差、傳播路徑上的空間電離層模型誤差、對流層經驗模型誤差、接收機晶振和噪聲誤差。各項誤差對于衛星信號的偽距精度影響不同，特點也不同[23]，以典型的GPS 為例，GPS 授時接收機的授時精度在50～100 ns（GPS 運控系統精度決定）。但如果考察兩站偽距誤差隨兩站距離的變化之間的關系，其衛星授時誤差與站點間距離具有強相關性，而兩站時間同步誤差取決于其各項誤差之差，因此有可能基于此進一步實現任意地理區域內接收機的高精度時間同步。

任意20 km 鄰近地理區域內的各項誤差對站間時間同步的影響和表現特性如表1 所示。在相距20 km 下GPS 接收機各項誤差中，影響最大的接收機鐘漂可以通過解算消除；電離層誤差最大為0.7 ns（SA 關閉下）；對流層誤差最大為0.7 ns（采用經驗模型修正后）；衛星廣播星歷中的星鐘誤差對各接收機間時間同步影響相同（即同一顆衛星對于不同用戶影響相同）；星歷誤差是衛星廣播星歷殘差在衛星與接收機連線方向上的投影，其值小于0.08 ns。

表1 區域內（相距20 km）GPS 誤差對時間同步的影響

根據以上分析可知，GNSS 信號誤差對于任意相距20 km 內的站點來說具有較強相似性，通過選擇相應的定時模式與接收機處理算法，結合接收機本身時鐘特性進一步減小隨機噪聲抖動，理論上時間同步誤差可達到3 ns 以內，并且同步誤差隨著兩站距離減小而減小?；诖?，在傳統基于GNSS 信號實現百納秒級授時基礎上，可進一步提升地理區域內站點的時間同步精度，基于GNSS 信號實現任意區域內各基站間的納秒級高精度時間同步。該方式下，站間時間同步具有“地理鄰近基站間時間同步精度納秒級，全網時間授時精度百納秒”特點，其時間同步特點與前文分析的5G 對于時間同步特點的需求相契合。

地理20 km 區域內任意2 個接收機信號各誤差項雖然呈現表1 所示的誤差相似性特點，但實際中GNSS 接收機接收到各個衛星信號之間的誤差存在較大差異，遠遠大于單星測距誤差在20 km 范圍內地理分布上的差異。目前，普通GNSS 授時接收機在選星、加權算法策略的設計上往往以站點位置誤差最小為目標，接收機在同一時刻觀測GNSS 衛星狀態可能存在的差異、接收機定時解算中位置誤差與時差的耦合，使時間同步實測結果即使距離很近的2 臺接收機之間也存在如圖2 所示的較大誤差。實現上述GNSS 信號鄰域相似性的表達還有待進一步改進，因此需要針對5G 基站應用特點設計相應的GNSS 接收機定時相關算法。

圖2 傳統基站GNSS 授時接收機超短基線下時間同步誤差測試結果（2 臺接收機天線2 m 基線下）

3.2 接收機定時解算模式的選擇

GNSS 接收機的定時模式有傳統基于用戶位置未知的位置速度定時（PVT,position velocity and timing）解算模式和用戶位置預先已知的固定點位置解算模式，描述2 種解算方式下的解算方程如式(1)和式(2)[18]所示。

其中，(x(i),y(i),z(i))表示接收機跟蹤的第i顆衛星的位置坐標，表示接收機跟蹤的第i顆衛星的偽距觀測量，(x,y,z)表示待解算的接收機位置坐標，δtu表示待解算的接收機時差，(x0,y0,z0)表示事先獲得的接收機位置坐標，表示接收機根據跟蹤到的第i顆衛星觀測量解算的接收機時差信息。與式(1)所示的傳統PVT 解算方式不同，式(2)中基于每一顆跟蹤衛星都會解算得到一個接收機時差值。

在傳統PVT 解算模式下，用戶時差信息和位置信息同時通過式(1)解算得到。該模式下，一方面，偽距相關誤差在解算中被歸算到接收機時差中，造成接收機時差解算結果和位置解算結果相耦合；另一方面，衛星的幾何構型對接收機解算的位置誤差的影響也會耦合進入接收機時差解算結果。衛星的幾何構型對接收機時差解算的結果影響以精度稀釋因子（TDOP,timing dilution of precision）表示，具體如式(3)所示[24]。

其中，TDOP 表示與解算衛星幾何構型相關的時間精度因子，σURE表示解算衛星信號的偽距誤差標準差，σδtu表示解算用戶接收機時差。對于衛星導航系統中典型的GPS 來說，其TDOP 值一般為0.5～2.5[24]，傳統PVT 解算實現定時的精度是在衛星觀測量測量精度的基礎上放大TDOP 得到，基于GPS 的單點PVT 解算實現定時精度在50～100 ns。

若預先已知用戶準確坐標，則可以采用式(2)所示的固定點位置解算模式。該情況下接收機的每顆衛星觀測方程都會解算出一個接收機時差信息。假設接收機跟蹤衛星時差中由于接收機噪聲引起的誤差為分別相互獨立的觀測噪聲，服從均值為0、方差為的分布，則對于接收機跟蹤衛星的噪聲水平和各衛星解算時差值，可采取平均或者加權平均進一步減小觀測噪聲。以最簡單的算術平均為例，在各衛星觀測噪聲服從獨立同分布的情況下，其可以將接收機定時噪聲方差減小到原來的。因此，與傳統PVT 解算方法的噪聲相比，采用固定點位置解算模式方法可以降低定時噪聲方差。

通過以上分析可知，采用接收機位置固定模式下的定時解算模式，在已知接收機精確位置先驗信息下，通過綜合處理獲取的各星時差結果，可以有效減小接收機定時解算中的噪聲誤差，提高接收機定時解算的精度；對于移動通信基站應用來說，應用中基站位置一般固定靜止，其完全滿足接收機位置固定模式下的定時解算應用條件。因此，從原理和具體應用模式上，在基站間高精度時間同步應用中選擇接收機位置固定下的定時解算模式較優。

3.3 GNSS 多星聯合信號處理算法

如式(2)所示，在接收機位置固定解算模式下，接收機跟蹤的各顆衛星都會解算得到一個接收機時差信息。若接收機跟蹤的各衛星信號噪聲大小相等，則采用算術平均可以達到最優的定時效果。但是在實際中，由于衛星接收信號功率、衛星星歷模型、傳輸鏈路和接收機天線環境等具體原因，接收機跟蹤到的各衛星信號均方誤差不相等，從而造成各衛星時差噪聲大小不相等[25]，且信號多徑最大誤差可能高達幾十納秒。此時若采用3.2 節所述的直接算術平均方式，則會造成時間同步噪聲惡化。因此需要進一步研究和設計相關的GNSS 多星聯合信號處理算法F(·)，具體如式(4)所示，降低接收機解算時差的噪聲，提高接收機定時精度。

其中，N表示接收機目前解算采用的衛星數目，表示接收機基于跟蹤的第i顆衛星計算得到的接收機時差。如式(5)所示，各衛星接收機時差包含表1 所示的各項誤差。

參考文獻[26]中觀測噪聲與衛星高度角模型關系，如式(6)所示。

其中，σ表示觀測值中的均方根誤差，E表示衛星的仰角。

考慮到衛星仰角和信號載噪比對于衛星時差解算噪聲的影響[27]，如果直接設置較高的固定截止角度來剔除接收機跟蹤噪聲較大的衛星，雖然可減小參與接收機定時解算的衛星偽距觀測噪聲，但是同時也會造成參與接收機定時解算的衛星數目的減少，從而影響最終時間解算噪聲和穩定性。若設置較低的截止角，又會將噪聲較大的觀測量引入解算結果，影響時間解算的精度。因此，需要設計相關定權模型算法通過高度角加權實現接收機時差解算，既可以保證參與接收機定時解算的衛星數目，又可以實現不同觀測噪聲下的偽距以不同權重參與接收機定時解算，進一步降低站點接收機定時解算噪聲。

圖3 是衛星信號的觀測噪聲均方根誤差與衛星仰角的關系曲線。接收機中獲得的衛星信號觀測噪聲的均方根誤差與衛星仰角是非線性關系，觀測噪聲均方根誤差隨著仰角的增加迅速減小。基于此，在基于仰角的定權模型中，本文通過設置2個角度，即最低截止仰角和飽和截止仰角，將衛星仰角隨劃分為圖4 所示的3 個區段：截止區域、過渡區域和飽和區域。針對接收機跟蹤衛星所處的不同區段選擇不同的時差加權和處理算法，完成接收機跟蹤衛星的多星聯合信號處理，實現接收機最優時差估計和解算。

圖3 衛星信號觀測噪聲均方根誤差與衛星仰角的關系

圖4 定權模型中衛星仰角的3 個區域

在圖4所示的基于衛星仰角的定權模型仰角區域劃分中，最低截止仰角φmask_l以下的區域稱為截止區域，此區域內跟蹤衛星的仰角φ滿足φ＜φmask_l，認為衛星的時差誤差太大，不參與站點定時的接收時差解算；在最低截止角φmask_l和飽和截止仰角φmask_h之間的區域稱為過渡區域，此區域內跟蹤衛星的仰角φ滿足φmask_l≤φ≤φmask_h，衛星參與接收機定時的時差解算，但其衛星時差以高度角加權方式參與接收機時差解算，高度角越高，權值越大；在飽和截止仰角φmask_h以上區域稱為飽和區域，此區域內跟蹤衛星的仰角φ滿足φ＞φmask_h，認定衛星的時差誤差較小，以最大權值為1 參與站點的接收機時差解算。

本文中，選擇最低截止仰角φmask_l=15o，飽和截止仰角φmask_h=45o，由此建立如式(7)所示的過渡區域時線性差加權模型。

其中，φ表示衛星的仰角，w表示衛星的加權系數。

圖5與衛星仰角的關系

綜上所述，基于衛星仰角衛星時差定權系數計算模型如式(8)所示。

其中，φ表示衛星仰角，最低截止仰角φmask_l=15o，飽和截止仰角φmask_h=45o，w表示通過高度角計算的衛星時差加權系數。最低截止仰角φmask_l和飽和截止仰角φmask_h大小可根據具體情況調整。φmask_l越小，則參與定時解算的衛星數目越多，同時過渡區域的噪聲差異越大，導致接收機時差解算誤差方差越大；φmask_h越大，導致進入飽和區域的衛星觀測噪聲越小，但衛星數目變少。此時，站點接收機時差值由式(9)所示的各衛星時差加權之和計算得出。

通過嚴格的數學推導可以證明，式(9)基于加權系數的平均是其參與平均向量的最小二乘估計，且估計是無偏的，該加權估計誤差方差小于參與加權估計的最小元素方差。

圖6 給出GNSS 多星聯合信號處理算法流程，具體如下。

圖6 GNSS 多星聯合信號處理算法流程

步驟1站點信息初始化，獲取本站點準確位置信息。

步驟2接收機解調GNSS 信號，通過導航電文和站點位置獲取本站跟蹤衛星的高度角信息。

步驟3獲取本站跟蹤衛星的原始觀測量，計算本站點跟蹤衛星的時差信息。

步驟4結合步驟2 得出的衛星高度角信息，通過式(8)實時計算站點各跟蹤衛星時差信息的加權值。

步驟5結合各跟蹤衛星的時差信息和高度角加權信息，按照式(9)求解接收機時差調整值σδtu。

步驟6利用步驟5 解算的時差值修正GNSS授時接收機時間，本站輸出高精度定時信號。

區域中的各站點采用如圖6 所示的處理算法，得到各站高精度接收機時間信息，完成區域中各站高精度時間同步信息的解算，實現區域各站間的高精度時間同步。

3.4 方法區域與廣域時間同步特點分析

本文方法可實現區域站點間納秒級的高精度時間同步，即任意20 km 范圍地理鄰域內，實現3 ns以內的高精度時間同步，其各站時差獨立解算。該方式下，區域納秒級高精度時間同步的實現利用3.1節所述的GNSS 鄰域相似性原理，區域時間同步時差的中心值是接收機收到該區域各可視衛星時差的平均數。隨著站點距離的擴大，鄰域相似性減弱，站點間時間同步誤差變大。另外，區域內各站點跟蹤衛星的集合差異會導致各站定時解算中的可用衛星產生差異，從而導致站間時間同步誤差惡化。因此，本文方法下站間時間同步精度與站間距離、站間跟蹤衛星集合情況相關。

為了便于分析，假設兩站之間不同衛星觀測誤差獨立同分布，參考本文相關分析和文獻[28]，仿真中參數如表2 所示，衛星各項誤差采用正態分布的隨機數仿真。圖7 是仿真條件下不考慮信號多徑與干擾等因素，兩站時間同步誤差的均方根隨兩站可視衛星集合交集衛星數的變化曲線。由圖7 可知，隨著兩站公共可視衛星的增多，兩站的時間同步誤差均方根明顯減小。當公共可視衛星集合數目達到5 顆以上，站點間時間同步精度可以達到3 ns 以內；當兩站可視衛星集合完全不相關，其站間時間同步誤差均方根可能增大至幾十納秒量級（即GNSS 系統授時誤差）。

表2 仿真參數列

圖7 兩站時間同步噪聲均方根誤差隨交集衛星顆數變化曲線

通過進一步分析，可得到如圖8 所示的本文方法在區域和全域時間同步特點示意。其中水平方向2 個坐標軸表示地理經度和緯度，縱軸表示絕對GNSS 時間。從圖8 中可以得出，本文方法下全域時間同步呈現“任意20 km 區域納秒級高精度，全域丘陵式緩變，最大誤差百納秒且有界”特點，即任意20 km 地理鄰域內時間同步精度保持3 ns 以內，全域時間同步/授時誤差百納秒且有邊界（邊界值大小由各GNSS 系統的運控精度確定），時間通過GNSS 與通用協調時間（UTC,universal time coordinated）實現溯源。其定時與同步特點與5G增量業務對于時間同步特點的需求吻合，滿足5G相關業務對高精度時間同步的需求。

圖8 本文方法區域/全域時間同步誤差示意

4 仿真與實際結果

在上述相關理論、模型算法的基礎上，研制實際的高精度GNSS 時間同步接收機，對相關時間同步算法的具體實現結果進行基于GNSS 衛星信號模擬器和實際天線信號的測試，并對相關測試結果進行分析。

4.1 基于GNSS 模擬器的測試

采用GNSS 模擬器測試的優勢是可以控制相關測試場景，排除實際信號中的多徑和干擾信號對接收機的影響，實現接收機相關指標的精確評估。在基于GNSS 模擬器的測試中，采用德國iFEN 公司的NavX-NCS 多系統GNSS 衛星信號模擬器，模擬器設置統一靜止場景，模擬產生距離2 km 的兩站GNSS 射頻信號，2 個接收機分別接收兩站GNSS信號，計數器采集數據并統計評估2 臺接收機的時間同步誤差。在測試中，2 臺接收機采用自研的GNSS 時間同步接收機，分別采用本文相關算法和傳統PVT 解算方法進行2 次測試。圖9 和圖10 是2臺接收機在2 種定時解算方式下，采集10 h 時間同步誤差數據繪制得到的時間同步誤差曲線。

圖9 模擬器下本文方法的時間同步誤差測試曲線

圖10 模擬器下傳統PVT 解算方法的時間同步誤差測試曲線

2 種方法下2 臺接收機時間同步精度統計如表3 所示。通過表3 可知，在模擬器條件下，本文方法實現接收機時間同步精度的均方誤差達到0.31 ns，其時間同步誤差的最大值、最小值和均方誤差均優于傳統方法。因此，本文方法在實現時間同步精度方面具有明顯優勢。但是如前所述，模擬器條件下的測試僅僅驗證和評估理想條件下接收機相關指標，關于接收機指標的測試還需要在實際環境下進一步評估和驗證。

表3 模擬器測試條件下2 種方法時間同步精度統計

4.2 基于實際GNSS 天線的測試

基于實際天線的測試是通過 2 個高精度GNSS 時間同步接收機接收2 個獨立的實際GNSS天線的信號，實際評估2 臺高精度時間同步接收機的時間同步性能。該測試條件下，2 臺接收機的時間同步精度與測試場地GNSS 天線所處的環境和GNSS 的星歷具體情況密切相關，其可評估接收機在實際GNSS 信號條件下的時間同步指標。缺點是受限于實際環境和條件，只能實現超短基線下的測試，短基線和長基線下的測試則由于需要太長的天線饋線或兩站亞納秒級的時間同步測試基準而難以實現。

在接收機基于實際GNSS 天線的測試中，采用相距15 m 的2 個NovAtel GPS-703-GGG 型GNSS 天線配合2 臺自研高精度GNSS 時間同步接收機完成時間同步指標測試，同時基于某系統標準時測試2 臺接收機的授時指標，以驗證文中所述的GNSS 誤差對授時和時間同步的不同影響：授時精度可能達到幾十納秒，但由于鄰域相似性產生的兩站時差相似性，兩站時間同步精度則可能到納秒量級。

圖11 是實際條件下同樣取10 h 的測試數據統計結果曲線。由圖11 可知，接收機的授時誤差由于GNSS 各項誤差影響范圍在十幾到幾十納秒，但是因為GNSS 信號鄰域相似性在接收機中的算法約束表達，使兩站授時誤差呈現較強的相似性。實際GNSS 天線下2 臺接收機時間同步誤差曲線如圖12所示。由圖12 可知，本文方法下區域內接收機之間的時間同步精度可以達到數納秒量級，但是目前基站GNSS 授時接收機在超短基線條件下時間同步誤差依然高達幾十納秒（圖2），與本文方法的時間同步結果存在較大差異，可見，相比傳統基站GNSS授時接收機，基于本文相關方法的高精度GNSS 時間同步接收機測試結果基本完成如表1 所示的GNSS 信號鄰域相似性的表達，實現了區域高精度時間同步。圖13 是本次測試中2 臺接收機之間時間同步誤差的分布統計，可見兩站時間同步誤差分布呈類正態分布。另外，2 臺接收機時間同步誤差在圖13 中的均值非0，具體原因是2 臺接收機之間的硬件時延修正存在偏差，通過GNSS 模擬器可實現該偏差的校準和標定[29]。

圖11 實際GNSS 天線下2 臺接收機授時誤差曲線

圖12 實際GNSS 天線下2 臺接收機時間同步誤差曲線

圖13 實際GNSS 天線下2 臺接收機時間同步誤差的分布統計

通過以上的測試結果分析可知，基于GNSS信號鄰域相似性原理實現區域納秒級高精度時間同步從原理和具體實現均具備可行性，即GNSS授時誤差可達到幾十納秒，但是其在相距20 km以內的站點時間同步精度可以高達納秒量級。一般條件下，20 km 地理鄰域中各站可視衛星集合基本重合，各項誤差滿足如表1 所示相似性，時間同步誤差可以達到3 ns 以內，且站點時間同步誤差隨著站點距離減小會進一步減小。另外，接收機硬件時延的差異會影響2 個接收機的時間同步誤差的均值，在納秒級高精度時間同步中需要予以考慮。

進一步分析，如圖14 所示，若20 km 地理鄰域中站點由于天線架設等原因出現“南北墻”現象導致可視衛星集合出現交集較少或者沒有交集的情況（在基站實際架設布置中經常出現），基站間時間同步誤差就可能進一步擴大至十幾或幾十納秒（圖7）。此時可考慮通過多站點時間同步接收機組網，利用多站交互信息聯合實現各站時差的精確估計和定時完好性監測，從而實現多站間復雜條件下的納秒級高精度和高穩健的時間同步，鑒于本文篇幅所限，對此不進行詳細討論。

圖14 區域內“南北墻”條件下接收機跟蹤衛星遮擋的可視衛星集合交集示意（以2 臺接收機為例）

5 結束語

本文針對5G 相關增量應用中通信基站間高精度時間同步的需求特點，突破現有GNSS 授時接收機百納秒定時精度，提出基于GNSS 信號鄰域相似性的區域高精度時間同步理論，設計了高精度GNSS 時間同步接收機關鍵算法信息處理算法，同時分析方法在區域與全域下的時間同步特點，并在高精度GNSS 時間同步接收機硬件中進行了實現和測試驗證。本文提出的相關理論方法及相關性能指標通過文中仿真和實際測試進行了驗證，結果表明，基于本文方法可實現地理任意20 km 內站點間精度時間同步提升至納秒量級。該方法成本低，在GNSS 覆蓋的地方即可使用，且不需要外部輔助數據，能夠滿足5G 增量功能的啟用對基站間高精度時間同步的要求，為 5G 基站高精度時間同步提供了一種解決方案。文后續的工作中，多站組網實現復雜條件下的多站高精度時間同步相關算法是研究的方向，以進一步實現技術的實際應用環境適應性。