全球卫星导航系统GNSS技术再进化,日本FURUNO古野电气通过舰船领域经验,打造奈秒等级高精度通信设施

人类的生活已分秒离不开通信,在人手一机、万物互联的如今,乃至于迈向电动自动驾驶汽车的未来,通信传输的品质愈加重要。但由于无线电波一定有干扰:例如相邻基站的互相影响、5G频率的分配没有缓冲区的保护带宽等因素,其实鲜少有人会注意到,我们随时都在依赖着nanosecond(ns,十亿分之一秒)的时间同步技术,让每个基站都能实现点与点之间精准稳定的通信与沟通传递服务。每个5G基站系统采用奈秒级时间同步技术来精准控制与匹配上下行通信的时序,实现多点之间高速传递与低延迟的应用场景。

利用舰船上GNSS技术,提供高精度的时间同步接收器

时间同步的标准是采用UTC(世界协调时间)。由标准无线电波(无线电时钟)和NTP服务器分配,但其性能不足以防止通信干扰。因此必须通过采用时间同步的GNSS (Global Navigation Satellite System, 全球卫星导航系统)接收器,与定位计算一起得出的时间数据,转换为与UTC同步的1秒脉冲信号(1PPS)并加以输出;再借由GNSS接收器直接安装在基站上,或者通过安装在“主时钟(Grandmaster Clock)”上的GNSS接收器,以PTP方式将时间发送到基站。

由于5G标准规范规定基站时间同步应为UTC时间的 ±1.5μs以内。考虑到PTP传递时间的延迟,作为延迟基础的GNSS接收器需要具有极高的奈秒级精度。而为了满足这类需求,古野电气(FURUNO ELECTRIC CO.,LTD.)便为此提供了一系列时间同步产品。

古野电气最初是一家探测鱼群侦测器和声纳等海洋电子设备的制造领导厂商。1980年代以来,提供了GPS/GNSS接收器来定位海洋上的船只。在此积累的技术也逐渐移植到陆地上部署,产品广泛应用于车载GNSS接收器、ETC、WiFi和商业用手持终端等广泛领域。时间同步产品就是其中之一。

具体来说,除了生成简单的1PPS时间信号的GNSS接收器“GT系列”之外,古野电气还有推出结合振荡器具有高保持性能(Holdover)的“GF系列”,以及便携式时间同步信号产生器的“TB-1”等产品阵容。实现了电信、广电等社会基础设施所需的高性能时间输出。

(Source:FURUNO古野电气)

成功开发出新一代GNSS接收器,支持全球所有卫星系统

针对在5G、商业无线通信、PTP主时钟等领域里对精确时间同步功能有需求的海内外用户,古野电气成功开发首款了支持全球所有卫星系统(含北斗)的GNSS接收器。

本系列产品针对不同应用(接收频段、输出信号)同时推出了三种型号,时间精度都达到世界最高级别4.5 ns(1σ)以下,且搭载了与日本最大电信业务集NTT共同开发设计的抗多路径技术(动态卫星选择™)。即使在市中心架设天线,也能有效降低外在干扰对时间精度所造成的影响。

(Source:FURUNO古野电气)

(Source:FURUNO古野电气)

上表中的GT-100是古野电气第一款支持L1和L5双频接收的多模GNSS接收器。双频定位减少了由于太阳耀斑(solar flares)影响而导致的时间延迟,还改善了干扰波等产生的GNSS漏洞(jamming and spoofing)。GNSS接收器通常用于如5G移动基站、金融交易和智能电网等对于可靠性要求较高的领域里,所以产品须具备更高稳定性。该型号产品可输出精确的1PPS信号,且与UTC同步,还添加时钟信号输出,三个信道可任意分配1PPS或时钟信号。除了10MHz,时钟信号还可以自订,例如2.048MHz、19.2MHz和30.72MHz等无线通信中常用的频率,得以有效协助客户缩短无线系统从开发设计到上市的时间,加强竞争力。

在建筑城镇等复杂环境干扰下,精度仅微幅下降

因5G的无线电波范围很短,所以势必得在都市中安装很多基站。它可以在看不到卫星或产生许多反射波的地方运行,例如在山谷中的建筑物。然而在这样的环境下,GNSS接收器计算的时间性能容易衰退;但通过PTP从安装在曝光率好的地方分配时间,进而覆盖所有城市区域,这也是不切实际的,因为PTP的性能会因中继跳数而衰退。因此,若使用古野电气开发的反射波对策算法(Dynamic Satellite Selection™),则能有效地使用直接波或高品质的反射波,并且有选择性地使用误差小的信号,即使在市区的接收环境中也可以减少错误。

(Source:FURUNO古野电气)(Source:FURUNO古野电气)

即使发生天线故障,也能保持24小时的高精度

作为实现高精度时间同步的设备,还有一点不容忽视。古野电气的GF系列,将GNSS接收器与OCXO晶体振荡器相结合,即使卫星信号中断,24小时期间也能将误差控制在1.5μs内。从检测出故障、到维护人员抵达现场,基站能高精度地保持在同一时间,从而维持高品质的通信服务。搭载OCXO和保持功能的GF系列体现了古野电气多年来处理现场故障的经验和技术,并且由于可以缩短开发进程,更易于将无线技术用于商业用途,并让用户集成到自己的系统之中。

(Source:FURUNO古野电气)

古野一直致力于开发、制造和维护最优质的导航和通信船用电子设备以及最高精度的GNSS设备、救生医疗设备、无线LAN系统等。古野将不懈地追求其开发核心技术的传统,使关键基础设施和其他领域的客户能够构建具有最高精度和可靠性的强大时间同步系统。

(首图来源:Shutterstock;数据源:FURUNO古野电气)